特開 2024-124466 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】P2024124466

(43)【公開日】2024-09-12

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/336 20060101AFI20240905BHJP

   H01L 29/786 20060101ALI20240905BHJP

   H10B 12/00 20230101ALI20240905BHJP

   H10B 41/70 20230101ALI20240905BHJP

   H10B 99/00 20230101ALI20240905BHJP

   H01L 21/8234 20060101ALI20240905BHJP

   H01L 27/088 20060101ALI20240905BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 619A

H01L29/78 618B

H10B12/00 621

H10B12/00 671C

H10B12/00 671Z

H10B12/00 801

H10B41/70

H10B99/00 441

H01L27/06 102A

H01L27/088 E

H01L27/088 331E

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024105120

(22)【出願日】2024-06-28

(62)【分割の表示】P 2023069866の分割

【原出願日】2018-08-28

(31)【優先権主張番号】P 2017170022

(32)【優先日】2017-09-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2017170023

(32)【優先日】2017-09-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2017238210

(32)【優先日】2017-12-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】山崎 舜平

(72)【発明者】

【氏名】竹内 敏彦

(72)【発明者】

【氏名】村川 努

(72)【発明者】

【氏名】駒形 大樹

(72)【発明者】

【氏名】松林 大介

(72)【発明者】

【氏名】石原 典隆

(72)【発明者】

【氏名】野中 裕介

(57)【要約】

【課題】良好な電気特性を有し、高集積化が可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶縁体と、
第２の絶縁体上の第１の導電体と、第１の絶縁体の上面、酸化物の側面、酸化物の上面、
第２の絶縁体の側面および第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、第３の絶縁体
上の第４の絶縁体と、を有し、第３の絶縁体は、第１の絶縁体を露出する開口を有し、第
４の絶縁体は、開口を介して第１の絶縁体と接する半導体装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体上の酸化物と、
前記酸化物上の第２の絶縁体と、
前記第２の絶縁体上の第１の導電体と、
前記第１の絶縁体の上面、前記酸化物の側面、前記酸化物の上面、前記第２の絶縁体の側面および前記第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、
前記第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、を有し、
前記第３の絶縁体は、前記第１の絶縁体を露出する開口を有し、
前記第４の絶縁体は、前記開口を介して前記第１の絶縁体と接する、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、ならびに半導体装置の作製方法に関する。または、本
発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュールおよび電子機器に関する。

【0002】

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装
置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装
置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、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、撮像装置および電子
機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。

【0003】

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明
の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様
は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マ
ター）に関するものである。

【背景技術】

【0004】

近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩやＣＰＵやメモリが主に用いられている。
ＣＰＵは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路（少なくともトランジスタおよ
びメモリ）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。

【0005】

ＬＳＩやＣＰＵやメモリなどの半導体回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えばプリン
ト配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。

【0006】

また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成す
る技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表
示装置とも表記する）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用
可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料とし
て酸化物半導体が注目されている。

【0007】

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が
小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が
低いという特性を利用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献１参照）
。

【0008】

また、酸化物半導体を用いたトランジスタとして、セルフアライン構造のトランジスタ
が提案されている。当該セルフアライン構造のトランジスタとして、ソース領域及びドレ
イン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して熱処理を行うことで、金属膜を高抵抗
化させるとともに、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されてい
る（特許文献２参照）。

【0009】

また、酸化物半導体を用いたトランジスタの作製方法として、ソース領域及びドレイン
領域上に金属膜を形成したのち熱処理を行い、その後、当該金属膜を通過してドーパント
を導入することで、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されてい
る（特許文献３参照）。

【0010】

また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度に集積し
た集積回路の要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求
められている。

【0011】

トランジスタに適用可能な半導体薄膜として、シリコン系半導体材料が広く知られてい
るが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体としては、例え
ば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化
物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（以下
、ＩＧＺＯとも呼ぶ）に関する研究が盛んに行われている。

【0012】

ＩＧＺＯに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、Ｃ
ＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎ
ａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（非特許文献１乃至非特許文献３参照
）。非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いて
トランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造よ
りも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献４およ
び非特許文献５に開示されている。

【0013】

さらに、ＩＧＺＯを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち（非
特許文献６参照）、その特性を利用したＬＳＩおよびディスプレイが報告されている（非
特許文献７および非特許文献８参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】特開２０１２－２５７１８７号公報

【特許文献2】特開２０１１－２２８６２２号公報

【特許文献3】特開２０１３－０１６７８２号公報

【非特許文献】

【0015】

【非特許文献1】Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．， “ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”， ２０１２， ｖｏｌｕｍｅ ４３， ｉｓｓｕｅ １， ｐｐ．１８３－１８６

【非特許文献2】Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．， “Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ”， ２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ５３， Ｎｕｍｂｅｒ ４Ｓ， ｐｐ．０４ＥＤ１８－１－０４ＥＤ１８－１０

【非特許文献3】Ｓ． Ｉｔｏ ｅｔ ａｌ．， “Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＭ－ＦＰＤ’１３ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”， ２０１３， ｐｐ．１５１－１５４

【非特許文献4】Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．， “ＥＣＳ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”， ２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ３， ｉｓｓｕｅ ９， ｐｐ．Ｑ３０１２－Ｑ３０２２

【非特許文献5】Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ， “ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ”，２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ６４， ｉｓｓｕｅ １０， ｐｐ．１５５－１６４

【非特許文献6】Ｋ． Ｋａｔｏ ｅｔ ａｌ．， “Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ”， ２０１２， ｖｏｌｕｍｅ ５１， ｐｐ．０２１２０１－１－０２１２０１－７

【非特許文献7】Ｓ． Ｍａｔｓｕｄａ ｅｔ ａｌ．， “２０１５ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”， ２０１５， ｐｐ．Ｔ２１６－Ｔ２１７

【非特許文献8】Ｓ． Ａｍａｎｏ ｅｔ ａｌ．， “ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”， ２０１０， ｖｏｌｕｍｅ ４１， ｉｓｓｕｅ １， ｐｐ．６２６－６２９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

特許文献２においては、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる際に、ソース
領域およびドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して酸素雰囲気下で熱処理
を行っている。熱処理を行うことで、酸化物半導体膜のソース領域およびドレイン領域中
には金属膜の構成元素がドーパントとして入り込んで、ソース領域およびドレイン領域を
低抵抗化させている。また、酸素雰囲気下で熱処理を行うことで、導電膜を酸化させ、当
該導電膜を高抵抗化させている。ただし、酸素雰囲気下で熱処理を行っているため、酸素
が酸化物半導体膜中から金属膜へ引き抜かれにくい。

【0017】

また、特許文献２においては、チャネル形成領域の酸素濃度については記載されている
が、水、水素などの不純物の濃度については、言及されていない。すなわち、チャネル形
成領域の高純度化（水、水素などの不純物の低減化、代表的には脱水または脱水素化）が
行われていないため、ノーマリーオンのトランジスタ特性となりやすいといった問題があ
った。なお、ノーマリーオンとは、ゲートに電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、ト
ランジスタに電流が流れてしまう状態のことである。一方でノーマリ－オフとは、ゲート
に電圧を印加しない状態では、トランジスタに電流が流れない状態である。

【0018】

上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、トランジスタのソース領域およびドレイン領域
を安定して低抵抗化させるとともに、チャネル形成領域を高純度化させることで良好な電
気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。

【0019】

または、本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供すること
を課題の一つとする。または、本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を
提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、生産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。

【0020】

または、本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供す
ることを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導
体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、設計自由度が高
い半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、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。または、本発明の一態様は、新規な
半導体装置を提供することを課題の一つとする。

【0021】

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、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、
図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

【課題を解決するための手段】

【0022】

本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶
縁体と、第２の絶縁体上の第１の導電体と、第１の絶縁体の上面、酸化物の側面、酸化物
の上面、第２の絶縁体の側面および第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、第３
の絶縁体上の第４の絶縁体と、を有し、第３の絶縁体は、第１の絶縁体を露出する開口を
有し、第４の絶縁体は、開口を介して第１の絶縁体と接する半導体装置である。

【0023】

また、本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の開口を有する第１の酸化
物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁
体上の第１の導電体と、第１の絶縁体の上面、第１の酸化物の側面、第２の酸化物の側面
、第２の酸化物の上面、第２の絶縁体の側面および第１の導電体の側面に接する、第３の
絶縁体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、を有し、第３の絶縁体は、第１の絶縁体を
露出する開口を有し、第４の絶縁体は、第３の絶縁体の開口を介して第１の絶縁体と接す
る半導体装置である。

【0024】

また、上記において、第１の絶縁体および第４の絶縁体は、第３の絶縁体よりも酸素を
透過し易いことが好ましい。

【0025】

また、酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を
有することが好ましい。

【0026】

また、第１の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎ
と、を有し、第２の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、
Ｚｎと、を有することが好ましい。

【0027】

また、第２の酸化物は、第１の酸化物よりも酸素を透過し易いことが好ましい。

【0028】

また、第３の絶縁体は、アルミニウム、およびハフニウムの一方または両方を含む酸化
物であることが、好ましい。

【0029】

また、本発明の一態様は、基板上に第１の絶縁体を形成し、第１の絶縁体の上に、酸化
物層を形成し、酸化物層の上に、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜を順に成膜し、第１
の絶縁膜およびダミーゲート膜を加工して、第２の絶縁体、およびダミーゲート層を形成
し、第１の絶縁体、酸化物層、およびダミーゲート層に接する、金属を含む第１の膜を形
成し、窒素を含む雰囲気で第１の加熱処理を行い、第１の膜を除去し、第１の絶縁体、酸
化物層およびダミーゲート層を覆って、第２の絶縁膜を成膜し、第２の絶縁膜を加工する
ことで、開口を有する第３の絶縁体を形成し、第３の絶縁体上に、第３の絶縁膜を成膜し
、第１のＣＭＰ処理を行うことによって、ダミーゲート層、第３の絶縁体および第３の絶
縁膜の一部を、ダミーゲート層の一部が露出するまで除去し、ダミーゲート層をエッチン
グすることによって、第２の絶縁体を露出させ、導電体膜を成膜し、第２のＣＭＰ処理を
行うことによって、導電体膜の一部を、第３の絶縁膜が露出するまで除去して、第１の導
電体層および第４の絶縁体を形成し、第４の絶縁体に酸素を注入し、第１の導電体層上お
よび第４の絶縁体上に第５の絶縁体を形成し、酸素を含む雰囲気で第２の加熱処理を行う
、半導体装置の作製方法である。

【0030】

また、上記において、第１の膜は、アルゴン、窒素、及び酸素の中から選ばれるいずれ
か一または複数のガスを用いて、スパッタリング法により形成されることが好ましい。

【0031】

また、上記において、第２の加熱処理を行うことで、酸素は、開口および第１の絶縁体
を介して、酸化物層に注入されることが好ましい。

【0032】

また、酸素の注入は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法、およびプ
ラズマイマージョンイオンインプランテーション法から選ばれた一を用いてもよい。

【0033】

また、酸素の注入は、イオン注入法を用いて行ってもよい。

【発明の効果】

【0034】

本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。
または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供するこ
とができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することが
できる。

【0035】

または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。ま
たは、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自
由度が高い半導体装置を提供することができる。または、低消費電力の半導体装置を提供
することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。

【0036】

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

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。

【図2】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。

【図3】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。

【図4】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。

【図5】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図6】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図7】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図8】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図9】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図10】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図11】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図12】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図13】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図14】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図15】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図16】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図17】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図18】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図19】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図20】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図21】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図22】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図23】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図24】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図25】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図26】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図27】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図28】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図29】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図30】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図31】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。

【図32】酸化物半導体のエネルギーバンド構造を説明する図。

【図33】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。

【図34】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図。

【図35】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。

【図36】本発明の一態様に係る半導体装置の平面図。

【図37】本発明の一態様に係る半導体装置の平面図。

【図38】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す断面図。

【図39】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す断面図。

【図40】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す断面図。

【図41】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。

【図42】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。

【図43】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。

【図44】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。

【図45】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図、および回路図。

【図46】本発明の一態様に係るＡＩシステムの構成例を示すブロック図。

【図47】本発明の一態様に係るＡＩシステムの応用例を説明するブロック図。

【図48】本発明の一態様に係るＡＩシステムを組み込んだＩＣの構成例を示す斜視模式図。

【図49】本発明の一態様に係る電子機器を示す図。

【図50】本発明の一態様に係る電子機器を示す図。

【図51】本発明の一態様に係る電子機器を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異
なる態様で実施することが可能であり、趣旨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、
本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

【0039】

また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されてい
る場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例
を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実
際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せず
に目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。また、
図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で
共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合
には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。

【0040】

また、特に上面図（「平面図」ともいう）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易と
するため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載
を省略する場合がある。

【0041】

また、本明細書などにおいて、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるもの
であり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第
２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等
に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致し
ない場合がある。

【0042】

また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位
置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関
係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説
明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。

【0043】

例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている
場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている
場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとす
る。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定され
ず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているもの
とする。

【0044】

ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、
層、など）であるとする。

【0045】

ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可
能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダ
イオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合で
あり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容
量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さず
に、ＸとＹとが、接続されている場合である。

【0046】

ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可
能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダ
イオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されること
が可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、ス
イッチは、導通状態（オン状態）、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している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択
して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、Ｘ
とＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。

【0047】

ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可
能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号
変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（
電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など
）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来
る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生
成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能で
ある。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信
号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、Ｘと
Ｙとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、Ｘと
Ｙとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。

【0048】

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含
む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイ
ン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間
にチャネルが形成される領域を有しており、チャネルが形成される領域を介して、ソース
とドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チ
ャネルが形成される領域とは、電流が主として流れる領域をいう。

【0049】

また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路
動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明
細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合があ
る。

【0050】

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトラ
ンジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重
なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース
電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つ
のトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわ
ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、
本明細書では、チャネル長は、チャネルが形成される領域における、いずれか一の値、最
大値、最小値または平均値とする。

【0051】

チャネル幅とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジス
タがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領
域、またはチャネルが形成される領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向の
チャネルが形成される領域の長さを言う。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル
幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネ
ル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チ
ャネルが形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする
。

【0052】

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルが形成される領域におけるチャ
ネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう）と、トランジスタの上面図において示
されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう）と、が異なる場合がある
。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチ
ャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ
ゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル
形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実
効的なチャネル幅の方が大きくなる。

【0053】

このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある
。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知とい
う仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的な
チャネル幅を正確に測定することは困難である。

【0054】

そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓ
ｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細
書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャ
ネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、
実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネ
ル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析する
ことなどによって、値を決定することができる。

【0055】

なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃
度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、
半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）が高くなることや、結晶性が低
下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を
変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族
元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、
水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物
半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例え
ば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである
場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素
、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。

【0056】

なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸
素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは酸素が５５原子％以上６５原子％以下
、窒素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素
が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シ
リコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。例えば、好
ましくは窒素が５５原子％以上６５原子％以下、酸素が１原子％以上２０原子％以下、シ
リコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度
範囲で含まれるものをいう。

【0057】

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ
替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変
更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」
という用語に変更することが可能な場合がある。

【0058】

また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換え
ることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えること
ができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることが
できる。

【0059】

また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、電界効果トラン
ジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、ｎ
チャネル型のトランジスタとする。よって、そのしきい値電圧（「Ｖｔｈ」ともいう）は
、明示されている場合を除き、０Ｖよりも大きいものとする。

【0060】

また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が－１０°以上１０°以下の角
度で配置されている状態をいう。したがって、－５°以上５°以下の場合も含まれる。ま
た、「略平行」とは、二つの直線が－３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態
をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されて
いる状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直
」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。

【0061】

なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制す
る機能を有する膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と
呼ぶことがある。

【0062】

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または単にＯＳともいう）
などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属
酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ ＦＥＴと記載する場合にお
いては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。

【0063】

また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電圧を印加しない、または
ゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりの電流
が、室温において１×１０^－２０Ａ以下、８５℃において１×１０^－１８Ａ以下、または
１２５℃において１×１０^－１６Ａ以下であることをいう。

【0064】

（実施の形態１）
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例につい
て説明する。

【0065】

＜半導体装置の構成例１＞
図１は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の
上面図および断面図である。

【0066】

図１（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（
Ｂ）、および図１（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図１（Ｂ）は、図１
（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネ
ル長方向の断面図でもある。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で
示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお
、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

【0067】

本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、層間膜として機能する絶縁体
２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３を有する。また
、トランジスタ２００と電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３、およびプラ
グとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂ）とを有する。

【0068】

なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電
体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２の上面の高さは同程度にできる。なお導電体２０
３は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例
えば、導電体２０３を２層以上の積層構造としてもよい。また、構造体が積層構造を有す
る場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。

【0069】

また、導電体２４０は、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８
３の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体
２８３の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２４０が
単層である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、
導電体２４０は、２層以上の積層構造でもよい。

【0070】

［トランジスタ２００］
図１（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示せず）の上に配置された
絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるよ
うに配置された導電体２０５（導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂ）と、絶縁体２１６
および導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶
縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置
された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸
化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０
（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、絶縁体２２４の上面、酸化物２３０ａの
側面、酸化物２３０ｂの側面、酸化物２３０ｂの上面、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２
５０の側面、および導電体２６０の側面に接して配置された絶縁体２７３と、を有する。
また、絶縁体２７３は、絶縁体２２４を露出する開口を有し、絶縁体２８０は、該開口を
介して絶縁体２２４と接する。導電体２６０は、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを
有し、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように導電体２６０ａが配置される。ここ
で、図１（Ｂ）に示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２８０の上面と略一致する
。

【0071】

なお、トランジスタ２００では、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ、および酸化
物２３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるもので
はない。例えば、酸化物２３０ｂの単層、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ａの２層構造、
酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの２層構造、または４層以上の積層構造を設ける構成に
してもよい。また、トランジスタ２００では、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを積
層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。

【0072】

また、トランジスタ２００は、チャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域と
もいう）を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ
）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いる
ことが好ましい。

【0073】

チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ２００は、非導通状態において
極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半
導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成す
るトランジスタ２００に用いることができる。

【0074】

例えば、酸化物２３０として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリ
ウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル
、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウ
ム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種
）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリ
ウム、または錫であると好適である。また、酸化物２３０として、Ｉｎ－Ｇａ酸化物また
はＩｎ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。

【0075】

ここで、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タ
ンタル、クロム、タングステン、などの金属元素を酸化物半導体に添加することで、酸化
物半導体の一部に金属化合物が形成され、低抵抗化する場合がある。なお、アルミニウム
、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。酸化物半導体に、金属
元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素
を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設ける
ことで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中
の一部の酸素が当該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、酸化物半導体の当該界面近傍
が低抵抗化する場合がある。

【0076】

また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する
酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下で
の熱処理により、金属膜から金属元素が酸化物半導体へ拡散し、酸化物半導体に金属元素
を添加することができる。

【0077】

また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低
抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、
酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損
から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する
酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によ
って、酸化物半導体の低抵抗化した領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物
半導体は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する傾向がある。

【0078】

また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密
度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、
酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加
する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生
成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される
。

【0079】

従って、酸化物半導体に選択的に金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元
素を添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができ
る。つまり、酸化物２３０を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物２３０
に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域
として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。

【0080】

ここで、図１（Ｂ）において一点鎖線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物２３０を含
む領域２３９の拡大図を図２に示す。

【0081】

図２に示すように、酸化物２３０は、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機
能する領域２３４と、トランジスタ２００のソース領域またはドレイン領域として機能す
る領域２３１（領域２３１ａ、および領域２３１ｂ）と、を有する。

【0082】

ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１は、酸素濃度が低く、キャリ
ア濃度が高い、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域２
３４は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりも、酸素濃度が高
く、キャリア密度が低い高抵抗領域である。

【0083】

なお、領域２３１は、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なく
とも一の濃度が領域２３４よりも高いことが好ましい。

【0084】

例えば、領域２３１は、酸化物２３０が有する金属元素の他に、アルミニウム、ルテニ
ウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素の中から選ばれるいずれ
か一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。

【0085】

酸化物２３０を選択的に低抵抗化するには、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタ
ン、タンタル、タングステン、クロム、インジウムなどの導電性を高める金属元素、およ
び不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素
欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当
該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス
等が挙げられる。また、希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプ
トン、およびキセノン等がある。

【0086】

領域２３１を形成するために、例えば、酸化物２３０に接して、金属元素を有する膜を
設ければよい。なお、金属元素を有する膜として、金属膜、金属元素を有する酸化膜、ま
たは金属元素を有する窒化膜を用いることができる。その際、金属元素を有する膜と、酸
化物２３０との界面に、化合物層である層２４２が形成されていてもよい。なお、層２４
２は、金属元素を有する膜の成分と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物を有する層
とする。例えば、層２４２として、酸化物２３０中の金属元素と、添加された金属元素と
が、合金化した層であってもよい。

【0087】

このように酸化物２３０に、金属元素が添加されることで、酸化物２３０中に、層２４
２が形成され、領域２３１を低抵抗化することができる。なお、層２４２は、必ずしも、
酸化物２３０中に形成されていなくともよい。例えば、層２４２は、酸化物２３０の表面
、または金属元素を有する膜と、酸化物２３０と、の界面に形成されてもよい。

【0088】

従って、領域２３１は、層２４２を含む場合がある。つまり、本明細書では、ソース領
域またはドレイン領域として機能する領域が、領域２３１とする。

【0089】

また、図１、および図２では、領域２３４および領域２３１が、酸化物２３０ｂに形成
されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は酸化物２３０ａ、および酸化
物２３０ｃにも、形成されていてもよい。また、図１、および図２では、各領域の境界を
、酸化物２３０の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られる
ものではない。例えば、領域２３１ａと領域２３４の境界が、酸化物２３０ｂの下面近傍
では、図１（Ｂ）におけるＡ１側に後退する形状になる場合があり、領域２３１ｂと領域
２３４の境界が酸化物２３０ｂの下面近傍では、図１（Ｂ）におけるＡ２側に後退する形
状になる場合がある。

【0090】

また、酸化物２３０において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある
。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、
領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化（グラデーションともいう
）していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに
水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。

【0091】

なお、図２において、酸化物２３０の低抵抗化した領域を、層２４２として示す。なお
、本明細書等において、層２４２の範囲については、図２の範囲に限定されない。例えば
、酸化物２３０と導電体２４０との界面近傍の領域、または領域２３１における、酸化物
２３０の上面から酸化物２３０の下面までの領域に、上記低抵抗化した層２４２が形成さ
れる場合がある。なお、他の図面においても同様である。

【0092】

また、領域２３１と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化
膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理に
より、金属膜から、酸化物２３０の領域２３１へ、金属元素が拡散し、領域２３１に金属
元素を添加することができる。なお、その際、酸化物２３０の領域２３１と、金属元素と
が、合金化してもよい。酸化物２３０の領域２３１と金属元素が、合金化することで、酸
化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体
装置を提供することができる。

【0093】

また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損
の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の
水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、
領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理に
よって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純
物の低減）し、より高抵抗化する。

【0094】

ここで、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜が、水素を
吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、
酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。また、金属膜、金属元素を
有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、後の工程で、酸化物２３０から吸収し
た水素とともに除去してもよい。

【0095】

なお、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、必ずしも
除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有す
る窒化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化し
ている場合は、当該膜を残存させてもよい。その場合、当該膜は層間膜として機能する場
合がある。

【0096】

また、例えば、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜に、
導電性を有する領域が残存している場合、熱処理を行うことにより、導電性を有する領域
を酸化させることで、当該膜は絶縁体となり、高抵抗化する。当該熱処理は、例えば、酸
化性雰囲気下で行うことが好ましい。また、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金
属元素を有する窒化膜の近傍に酸素を有する構造体がある場合、熱処理を行うことで、金
属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、当該構造体が有する
酸素と反応し、酸化する場合がある。

【0097】

金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜を、絶縁体として残
存させることで、層間膜として機能させることができる。

【0098】

例えば、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、０．５
ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で設けることが好ましい。
例えば、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下のアルミニウムを、加熱処理により酸化させると０．
７ｎｍ以上８ｎｍ以下の酸化アルミニウムとなる場合がある。なお、上記酸化性雰囲気下
で熱処理を行う場合には、酸化物２３０と、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金
属元素を有する窒化膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において一度熱処理を行
ったあとに行うと好適である。窒素を含む雰囲気下において、一度熱処理を行うことで、
酸化物２３０中の酸素が金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化
膜に拡散しやすくなる。

【0099】

ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成され
る領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる
場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれてい
ると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネルが形成される
領域２３４中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。

【0100】

絶縁体２７３としては、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能
を有する酸化物を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを
用いることが好ましい。絶縁体２７３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬ
Ｄ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２７３としては、例えば、Ａ
ＬＤ法を用いて、酸化物を成膜するとよい。酸化物をＡＬＤ法を用いて成膜することによ
り、段差形状上に成膜する場合でも、欠陥の少ない被覆性の優れた緻密な薄膜を成膜する
ことができる。また、絶縁体２２４および絶縁体２８０は、絶縁体２７３よりも酸素を透
過しやすい。

【0101】

図１に示すように、絶縁体２７３は、絶縁体２２４上にあって、酸化物２３０の側面、
酸化物２３０の上面、絶縁体２５０の側面、導電体２６０の側面を覆うように配置されて
いる。また、絶縁体２７３は、絶縁体２２４を露出する開口を有し、絶縁体２８０は、該
開口を介して絶縁体２２４と接する。導電体２６０の上面は絶縁体２８２で覆われている
。絶縁体２８２としては、絶縁体２７３と同様に水または水素などの不純物、および酸素
の透過を抑制する機能を有する酸化物を用いるとよい。

【0102】

つまり、トランジスタ２００は、酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物である絶縁
体２７３および絶縁体２８２で覆われている。ここで、化学量論的組成を満たす酸素より
も多くの酸素を含む（過剰酸素ともいう）絶縁体２８０をトランジスタ２００上に、絶縁
体２７３を介して配置することで、絶縁体２８０に含まれる過剰酸素は、絶縁体２７３が
有する開口を介して絶縁体２２４に拡散し、さらに絶縁体２２４を介して、チャネル形成
領域である、領域２３４に注入することができる。また、絶縁体２８２によって、過剰酸
素の上方への拡散を抑制することができる。また、絶縁体２７３によって、絶縁体２８０
に含まれる過剰酸素の導電体２６０への拡散を抑制することができるので、導電体２６０
の酸化を抑制することができる。その他の経路についても、絶縁体２７３によって、過剰
酸素の透過は抑制される。

【0103】

図１に示すような構成とすることで、絶縁体２８０が有する過剰酸素を効率よく領域２
３４に注入することができるので、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減す
ることができる。

【0104】

過剰酸素を含む絶縁体２８０は、絶縁体２８０の形成後に、絶縁体２８０に酸素を注入
する処理を行うことで形成することができる。酸素を注入する処理としては、例えば、酸
素を含むガスを用いて、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム
、酸化シリコン膜などを成膜すればよい。

【0105】

本実施の形態では、絶縁体２８０の形成後に、絶縁体２８２として、酸素を含むガスを
用いて、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜する。該酸化アルミニウム
を、絶縁体２８０上に成膜することで酸素を絶縁体２８０中に注入することができる。

【0106】

その他の処理としては、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理、イオン注入装置を用い
て酸素イオンを注入する処理などがある。例えば、高密度プラズマ源を有する装置を用い
て、酸素を含むガスによるプラズマを照射することによって、酸素を絶縁体２８０へ注入
することができる。または、イオン注入装置を用いて酸素イオンを絶縁体２８０へ注入す
ることができる。

【0107】

特に、イオン注入装置を用いたイオン注入は、イオン注入量、イオン注入の深さをそれ
ぞれ独立に制御することができるので好ましい。つまり、最適な注入量および最適な注入
深さで絶縁体２８０に酸素を注入する事ができるので、性能のバラツキの小さい高性能な
トランジスタを有する半導体装置の生産が可能となる。注入量および注入深さは、絶縁体
２８０の膜厚、トランジスタの大きさ、トランジスタの配置密度、トランジスタの配置に
よって、適宜、最適化することができる。

【0108】

上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物２３０を選択的に低抵抗化す
ることができる。

【0109】

酸化物２３０に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体２６０を
マスクとすることで、自己整合的に酸化物２３０は低抵抗化する。そのため、複数のトラ
ンジスタ２００を同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくする
ことができる。また、トランジスタ２００のチャネル長は、導電体２６０の幅により決定
され、導電体２６０の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ２００の微細化
が可能となる。

【0110】

以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合
う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。

【0111】

また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半
導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化
物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が
小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。

【0112】

以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる
。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。
または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させ
た半導体装置を提供することができる。

【0113】

以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の詳細な構成
について説明する。

【0114】

導電体２０３は、図１（Ａ）、および図１（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向に延伸
されており、導電体２０５に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体２０３は
、絶縁体２１２に埋め込まれて設けることが好ましい。

【0115】

導電体２０５は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。また
、導電体２０５は、導電体２０３の上面に接して設けるとよい。また、導電体２０５は、
絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。

【0116】

ここで、導電体２６０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２０５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２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加す
る電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００の閾値電圧を制
御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジス
タ２００の閾値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したが
って、導電体２０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０
に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。

【0117】

また、導電体２０３上に導電体２０５を設けることで、第１のゲート電極、および配線
としての機能を有する導電体２６０と、導電体２０３との距離を適宜設計することが可能
となる。つまり、導電体２０３と導電体２６０の間に絶縁体２１４および絶縁体２１６な
どが設けられることで、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減し、導電体２
０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることができる。

【0118】

また、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減することで、トランジスタ２
００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることが
できる。また、導電体２０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジス
タ２００の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体２１４および絶縁体２１６
の膜厚を厚くすることが好ましい。なお、導電体２０３の延伸方向はこれに限られず、例
えば、トランジスタ２００のチャネル長方向に延伸されてもよい。

【0119】

なお、導電体２０５は、図１（Ａ）に示すように、酸化物２３０、および導電体２６０
と重なるように配置する。また、導電体２０５は、酸化物２３０における領域２３４より
も、大きく設けるとよい。特に、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３
０の領域２３４のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸してい
ることが好ましい。

【0120】

上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、
導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界とがつながり、酸化物２３
０に形成されるチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。

【0121】

つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート
電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域
を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート電極、および第２の
ゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を
、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。

【0122】

また、導電体２０５では、絶縁体２１４および絶縁体２１６の開口の内壁に接して第１
の導電体が形成され、さらに内側に第２の導電体が形成されている。ここで、第１の導電
体および第２の導電体の上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。な
お、トランジスタ２００では、第１の導電体および第２の導電体を積層する構成について
示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０５は、単層、
または３層以上の積層構造としてもよい。

【0123】

ここで、導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体は、水素原子、水素分子、
水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２など）、銅原子など
の不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）導電性材料を用い
ることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の
拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）導電性材料を用いることが好ま
しい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不
純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。

【0124】

導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体が酸素の拡散を抑制する機能を持つ
ことにより、導電体２０５、または導電体２０３の第２の導電体が酸化して導電率が低下
することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料として
は、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いるこ
とが好ましい。したがって、導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体としては
、上記導電性材料を単層または積層で用いればよい。これにより、水素、水などの不純物
が、導電体２０３、および導電体２０５を通じて、トランジスタ２００側に拡散するのを
抑制することができる。

【0125】

また、導電体２０５の第２の導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成
分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体２０５の第２の導電体を単層
で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料と
の積層としてもよい。

【0126】

また、導電体２０３の第２の導電体は、配線として機能するため、導電体２０５の第２
の導電体より導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、銅、またはアルミニ
ウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２０３の第２の導電
体は積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層とし
てもよい。

【0127】

特に、導電体２０３の第２の導電体に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さい
ため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物２３０に拡
散することで、トランジスタ２００の電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば
、絶縁体２１４には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの
材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。

【0128】

なお、導電体２０５、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は必ずしも設けなくともよい
。その場合、導電体２０３の一部が第２のゲート電極として機能することができる。

【0129】

絶縁体２１０および絶縁体２１４は、水または水素などの不純物が、基板側からトラン
ジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。した
がって、絶縁体２１０および絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、
窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑
制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。
または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能
を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。

【0130】

例えば、絶縁体２１０として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体２１４として窒化シ
リコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体２１０
および絶縁体２１４を介して基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制するこ
とができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が、絶縁体２１０および絶縁体２
１４を介して基板側に、拡散するのを抑制することができる。

【0131】

また、導電体２０３の上に導電体２０５を積層して設ける構成にすることにより、導電
体２０３と導電体２０５の間に絶縁体２１４を設けることができる。ここで、導電体２０
３の第２の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体２１４として窒化シリコ
ンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制する
ことができる。

【0132】

また、層間膜として機能する絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、絶
縁体２１０、または絶縁体２１４よりも比誘電率が低いことが好ましい。比誘電率が低い
材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。

【0133】

例えば、絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０として、酸化シリコン、酸
化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル
、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（Ｓｒ
ＴｉＯ_３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用
いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス
、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化
イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理し
てもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層し
て用いてもよい。

【0134】

絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体としての機能を有
する。

【0135】

ここで、酸化物２３０と接する絶縁体２２４には、化学量論的組成を満たす酸素よりも
多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２２４には、過
剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物
２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２
００の信頼性を向上させることができる。

【0136】

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、昇温脱離ガス
分析（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２．０×１
０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、または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７
００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。

【0137】

また、絶縁体２２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２２２は、酸素（例えば、
酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透
過しにくい）ことが好ましい。

【0138】

絶縁体２２２が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体２２４が有する過
剰酸素領域の酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給
することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素と
反応することを抑制することができる。

【0139】

絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジ
ルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３
）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁
体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が
進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲー
ト絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちなが
ら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。

【0140】

特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにく
い）絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶
縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶
縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む
酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用い
て絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０からの酸素の放出や、ト
ランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の混入を抑制する層とし
て機能する。

【0141】

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

【0142】

また、絶縁体２２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンお
よび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、ｈｉｇｈ－ｋ材料
の絶縁体を酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ
比誘電率の高い積層構造の絶縁体２２０を得ることができる。

【0143】

なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有
していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からな
る積層構造でもよい。

【0144】

酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２
３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有するこ
とで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の
拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで
、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散
を抑制することができる。

【0145】

なお、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物による、積層構造を有す
ることが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素
中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元
素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物
において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物におけ
る、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに
用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる
金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、
酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化
物を、用いることができる。

【0146】

また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３
０ｂ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２３
０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいこと
が好ましい。

【0147】

ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、
伝導帯下端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２３０ａ、酸化
物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連
続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物
２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面に
おいて形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。

【0148】

具体的には、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃ
が、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層
を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の場合、酸
化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物
、酸化ガリウムなどを用いるとよい。

【0149】

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、酸化物２
３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸
化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。
そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高
いオン電流を得られる。

【0150】

電子親和力または伝導帯下端のエネルギー準位Ｅｃは、図３２に示すように、真空準位
Ｅｖａｃと価電子帯上端のエネルギーＥｖとの差であるイオン化ポテンシャルＩｐと、バ
ンドギャップＥｇから求めることができる。イオン化ポテンシャルＩｐは、例えば、紫外
線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓ
ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定することができる。エネルギーギャップＥｇ
は、例えば、分光エリプソメータを用いて測定することができる。

【0151】

また、酸化物２３０は、領域２３１および領域２３４を有する。なお、トランジスタ２
００をオンさせると、領域２３１ａ、または領域２３１ｂは、ソース領域、またはドレイ
ン領域として機能する。一方、領域２３４の少なくとも一部は、チャネルが形成される領
域として機能する。

【0152】

トランジスタ２００において、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域２３
１と、チャネルが形成される領域２３４との間に領域２３１よりも高抵抗な領域が形成さ
れないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。ソース
領域およびドレイン領域と、第１のゲート電極（導電体２６０）とが重ならないため、両
者の間で不要な容量が形成されることを抑制できる。

【0153】

酸化物２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともい
う）を用いることが好ましい。例えば、領域２３４となる金属酸化物としては、バンドギ
ャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このよ
うに、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低
減することができる。

【0154】

酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい
ため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法
などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いるこ
とができる。

【0155】

絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上
面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、加熱により酸素が放出される絶縁
体を用いて形成することが好ましい。絶縁体２５０は、例えば、ＴＤＳ分析にて、酸素分
子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３以上、好ま
しくは１．０×１０^１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは２．０×１
０^１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３以上、または３．０×１０^２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／
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℃以下の範囲が好ましい。

【0156】

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

【0157】

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に
接して設けることにより、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸
素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水
素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以
上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。

【0158】

また、絶縁体２５０が有する過剰酸素を、効率的に酸化物２３０へ供給するために、金
属酸化物を絶縁体２５０上に設けてもよい。その場合、金属酸化物は、絶縁体２５０から
の酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで
、絶縁体２５０から導電体２６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３
０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２
６０の酸化を抑制することができる。

【0159】

なお、金属酸化物は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがっ
て、絶縁体２５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物は、
比誘電率が高いｈｉｇｈ－ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構
造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。し
たがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減が
可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜
化が可能となる。

【0160】

また、金属酸化物は、第１のゲート電極の一部としての機能を有してもよい。例えば、
酸化物２３０として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物として用いることが
できる。その場合、導電体２６０をスパッタリング法で成膜することで、該金属酸化物の
電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。該金属酸化物を有することで、導電体２６０から
の電界の影響を弱めることなく、トランジスタ２００のオン電流の向上を図ることができ
る。

【0161】

また、絶縁体２５０と、金属酸化物との物理的な厚みにより、導電体２６０と、酸化物
２３０との間の距離を保つことで、導電体２６０と酸化物２３０との間のリーク電流を抑
制することができる。また、絶縁体２５０、および金属酸化物との積層構造を設けること
で、導電体２６０と酸化物２３０との間の物理的な距離、および導電体２６０から酸化物
２３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。

【0162】

具体的には、金属酸化物として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム
、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、
マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いること
ができる。また、酸化物２３０に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで
、金属酸化物として用いることができる。

【0163】

特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である
、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハ
フニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは
、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結
晶化しにくいため好ましい。

【0164】

第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、導電体２６０ａ、および導電体２６
０ａ上の導電体２６０ｂを有する。導電体２６０ａは、導電体２０５の第１の導電体と同
様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ_２Ｏ、ＮＯ
、ＮＯ_２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いる
ことが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡
散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。

【0165】

導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０、および
金属酸化物が有する過剰酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを
抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば
、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好まし
い。

【0166】

また、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電
性材料を用いることが好ましい。また、導電体２６０は、配線として機能するため、導電
性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウ
ムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造と
してもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。

【0167】

また、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５が、酸化物２３０の領域２３４のチャネ
ル幅方向と交わる端部よりも外側の領域において、延伸している場合、導電体２６０は、
当該領域において、絶縁体２５０を介して、導電体２０５と重畳していることが好ましい
。つまり、酸化物２３０の側面の外側において、導電体２０５と、絶縁体２５０と、導電
体２６０とは、積層構造を形成することが好ましい。

【0168】

上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、
導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２
３０に形成されるチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。

【0169】

つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート
電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域
を電気的に取り囲むことができる。

【0170】

また、酸化物２３０、絶縁体２７３を覆って、層間膜として機能する絶縁体２８０を設
けることが好ましい。絶縁体２８０は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水または水素
などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。また、上述のように絶縁体２８０は
過剰酸素を有することが好ましい。なお、絶縁体２８０の上に絶縁体２１０と同様の絶縁
体２８２を設けても良い。絶縁体２８２をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２
８０の不純物を低減することができる。また、絶縁体２８２上に絶縁体２８０と同様の絶
縁体２８３を設けてもよい。

【0171】

また、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３に形成された開
口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２
４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２
４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８３の上面と、同一平面上としてもよい。

【0172】

導電体２４０ａは、トランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の一方として
機能する領域２３１ａと接しており、導電体２４０ｂはトランジスタ２００のソース領域
およびドレイン領域の他方として機能する領域２３１ｂと接している。よって、導電体２
４０ａはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｂはソース
電極およびドレイン電極の他方として機能できる。

【0173】

なお、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口の内壁に
接して導電体２４０ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２
３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、
絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ｂが形成されている
。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導
電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。

【0174】

また、図３は、図１（Ａ）にＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トラン
ジスタ２００のチャネル幅方向の導電体２４０ａと、酸化物２３０と、が接する領域の断
面図である。なお、導電体２４０ｂと酸化物２３０と、が接する領域についても同様の構
成である。

【0175】

図３（Ａ）に示すように、導電体２４０ａは、少なくとも酸化物２３０の上面と接し、
さらに酸化物２３０の側面と接することが好ましい。特に、導電体２４０ａは、酸化物２
３０のチャネル幅方向と交わる側面において、Ａ５側の側面、およびＡ６側の側面の双方
または一方と接することが好ましい。つまり、導電体２４０ａと、酸化物２３０とが接す
る領域が鞍のような断面形状を有する（鞍面コンタクトと呼ぶことができる）。また、導
電体２４０ａが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ１側の側面と
接する構成にしてもよい。なお、導電体２４０ａと、酸化物２３０と、が接する領域は、
図３（Ａ）の一例に限らず、例えば、図３（Ｂ）に示すように、導電体２４０ａが酸化物
２３０の上面および酸化物２３０のＡ５側の側面と接する領域を有していてもよい。また
、導電体２４０ａが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ１側の側
面と接する構成にしてもよい。また、図３（Ｃ）に示すように、導電体２４０ａが、酸化
物２３０のＡ６側の側面と接する領域を有してもよい。このような構成とすることで、導
電体２４０ａと、酸化物２３０と、が接する領域の面積を大きくすることができるので、
導電体２４０ａと、酸化物２３０と、のコンタクト抵抗を低くすることができて好ましい
。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン
電流を大きくすることができる。導電体２４０ａは、タングステン、銅、またはアルミニ
ウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２４０ａは積層構
造としてもよい。

【0176】

ここで、例えば、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３に開
口を形成する際に、酸化物２３０において、領域２３１の低抵抗化した領域である層２４
２が除去されてもよい。その場合、導電体２４０に用いる導電体として、金属膜、金属元
素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物２３
０と導電体２４０とが接することで、酸化物２３０中に、新たな低抵抗化した領域が形成
される。当該低抵抗化した領域が形成されることで、酸化物２３０と導電体２４０とのコ
ンタクト抵抗を低減することができる。導電体２４０は、例えば、アルミニウム、ルテニ
ウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。

【0177】

また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８
０および絶縁体２７３と接する導電体には、導電体２０５の第１の導電体などと同様に、
水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ま
しい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ル
テニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制す
る機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いる
ことで、絶縁体２８３より上層から水素、水などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電
体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。

【0178】

また、図示しないが、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配
線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン
、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当
該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との
積層としてもよい。なお、当該導電体は、導電体２０３などと同様に、絶縁体に設けられ
た開口に埋め込むように形成してもよい。

【0179】

＜半導体装置の構成例２＞
図４は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ａ周
辺の上面図および断面図である。

【0180】

図４（Ａ）は、トランジスタ２００ａを有する半導体装置の上面図である。また、図４
（Ｂ）、および図４（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図４（Ｂ）は、図
４（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００ａのチ
ャネル長方向の断面図でもある。また、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖
線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００ａのチャネル幅方向の断面図でもある
。なお、図４（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

【0181】

本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００ａと、層間膜として機能する絶縁
体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３を有する。ま
た、トランジスタ２００ａと電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３、および
プラグとして機能する導電体２４０とを有する。

【0182】

なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電
体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２の上面の高さは同程度にできる。なお導電体２０
３は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例
えば、導電体２０３を２層以上の積層構造としてもよい。また、構造体が積層構造を有す
る場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。

【0183】

また、導電体２４０は、絶縁体２７３、絶縁体２８０絶縁体２８２および絶縁体２８３
の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２
８３の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００ａでは、導電体２４０が
単層である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、
導電体２４０は、２層以上の積層構造でもよい。また、導電体２６０の上面の高さと、絶
縁体２８０の上面の高さは、略一致する。

【0184】

［トランジスタ２００ａ］
図４に示すように、トランジスタ２００ａは、基板（図示せず）の上に配置された絶縁
体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように
配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０
と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁
体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３
０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁
体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、導
電体２６０上の絶縁体２７０と、絶縁体２２４の上面、酸化物２３０ａの側面、酸化物２
３０ｂの側面、酸化物２３０ｂの上面、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、導
電体２６０の側面および絶縁体２７０の側面に接して配置された絶縁体２７３と、絶縁体
２７３を介して、導電体２６０の側面に配置された絶縁体２７５と、を有する。また、絶
縁体２７３は、絶縁体２２４を露出する開口を有し、絶縁体２８０は、該開口を介して絶
縁体２２４と接する。導電体２６０は、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを有し、導
電体２６０ｂの底面および側面を包むように導電体２６０ａが配置される。ここで、図４
（Ｂ）に示すように、絶縁体２７０の上面は、絶縁体２７３の上面および絶縁体２７５の
上面と略一致する。

【0185】

トランジスタ２００ａは、絶縁体２７０および絶縁体２７５を有するところが、前述の
トランジスタ２００と異なる。

【0186】

絶縁体２７０および絶縁体２７５としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン
、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンおよび窒化シリコンを用いることができる。

【0187】

また、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口は、絶縁
体２７５の側面が露出するように形成する。このように形成するには、絶縁体２８２およ
び絶縁体２８０の開口形成時に絶縁体２７５のエッチング速度が、絶縁体２８０のエッチ
ング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体２７５のエッチン
グ速度を１とすると、絶縁体２８０のエッチング速度は好ましくは５以上であり、より好
ましくは１０以上である。このようにすることで、自己整合的に開口を形成することがで
き、開口とゲート電極との位置合わせのマージンが広くなり、開口とゲート電極との間隔
を小さく設計することができるので、半導体装置の高集積化が可能となる。また、本発明
の一態様であるトランジスタ２００ａの構成では、例えば、開口形成時に、開口が絶縁体
２７０の上面と重なる位置にずれた場合でも、導電体２６０と、導電体２４０ａまたは導
電体２４０ｂとが、電気的に短絡することを防ぐことができる。即ち、開口形成時に絶縁
体２７５と同様に、絶縁体２７０のエッチング速度が、絶縁体２８０のエッチング速度に
比べて著しく小さい開口条件とすればよい。従って、絶縁体２７０としては、絶縁体２７
５と同様の材料を用いることができる。

【0188】

ここで、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３に形成された
開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体
２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体
２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８３の上面と、同一平面上としてもよい。

【0189】

導電体２４０ａは、トランジスタ２００ａのソース領域およびドレイン領域の一方とし
て機能する領域２３１ａと接しており、導電体２４０ｂはトランジスタ２００ａのソース
領域およびドレイン領域の他方として機能する領域２３１ｂと接している。よって、導電
体２４０ａはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｂはソ
ース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。

【0190】

なお、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口の内壁に
接して導電体２４０ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２
３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、
絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導
電体２４０ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領
域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。

【0191】

また、図４（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００ａは、導電体２６０と、導電体２
４０ａと、の間に寄生容量が形成される。同様に、導電体２６０と、導電体２４０ｂと、
の間に寄生容量が形成される。当該寄生容量は、導電体２６０と、導電体２４０ａ（導電
体２４０ｂ）と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚を大きくすることで低
減される。

【0192】

従って、トランジスタ２００ａに絶縁体２７３に加えて絶縁体２７５を設けることで、
寄生容量を低減することができる。絶縁体２７５のチャネル長方向の膜厚と絶縁体２７３
のチャネル長方向の膜厚との合計値が、酸化シリコン膜に換算した膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕ
ｉｖａｌｅｎｔ Ｏｘｉｄｅ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）として、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下
、好ましくは１５ｎｍ以上３０ｎｍとする。また、絶縁体２７５としては、例えば、酸化
アルミニウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンおよび窒化シリコン
を用いることができる。寄生容量を低減することで、トランジスタ２００ａを高速に動作
することができる。その他の構成、効果などについては、トランジスタ２００の説明を参
酌することができる。

【0193】

＜半導体装置の構成材料＞
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。

【0194】

＜基板＞
トランジスタ２００およびトランジスタ２００ａを形成する基板としては、例えば、絶
縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、
ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジル
コニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン
、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガ
リウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがあ
る。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（
Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒
鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有す
る基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半
導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板
に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設け
られたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイ
ッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。

【0195】

また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを
設ける方法としては、非可撓性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥
離し、可撓性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトラ
ンジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基
板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、
基板は、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、５μｍ以上７００μ
ｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００
μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装
置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合に
も伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有す
る場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和
することができる。すなわち、丈夫な半導体装置を提供することができる。

【0196】

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

【0197】

＜絶縁体＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化
物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。

【0198】

例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化によ
り、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、
ｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化
が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いるこ
とで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応
じて、材料を選択するとよい。

【0199】

また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニ
ウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを
有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウ
ムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。

【0200】

また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シ
リコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、
炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがあ
る。

【0201】

また、特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定である。そのため、
例えば、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすること
ができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロ
ン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。また、
例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせ
ることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。

【0202】

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑
制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にするこ
とができる。

【0203】

水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、
ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩
素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオ
ジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、
酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリ
ウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タン
タルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる
。

【0204】

特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であ
っても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸
化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めるこ
とができる。したがって、酸化ハフニウムの膜厚を調整することで、水素、および窒素の
適切な添加量を調整することができる。

【0205】

例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２４および絶縁体２５０は、過剰
酸素領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、過剰酸素領域を有する酸化シリ
コンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が
有する酸素欠損を補償することができる。

【0206】

また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２２において、アルミニウ
ム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体を用いること
ができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体
として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化
物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。

【0207】

例えば、絶縁体２２０には、熱に対して安定である酸化シリコンまたは酸化窒化シリコ
ンを用いることが好ましい。ゲート絶縁体を、熱に対して安定な膜と、比誘電率が高い膜
との積層構造とすることで、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜厚（Ｅ
ＯＴ）の薄膜化が可能となる。

【0208】

上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流
の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、
チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域と
の間のリーク電流を抑制することができる。

【0209】

絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７０、絶縁体２７５、絶縁体２８０および絶縁
体２８３は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２１２、絶
縁体２１６、絶縁体２７０、絶縁体２７５、絶縁体２８０および絶縁体２８３は、酸化シ
リコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シ
リコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を
有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体２１２、絶
縁体２１６、絶縁体２７０、絶縁体２７５、絶縁体２８０および絶縁体２８３は、酸化シ
リコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シ
リコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空
孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコン
および酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に
安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエス
テル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカー
ボネートまたはアクリルなどがある。

【0210】

絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７３および絶縁体２８２として
は、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。
絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７３および絶縁体２８２としては
、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化
ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまた
は酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いれば
よい。

【0211】

＜導電体＞
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チ
タン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネ
シウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素
を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結
晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイ
ドを用いてもよい。

【0212】

また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した
金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい
。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層
構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒
素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。

【0213】

なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極と
して機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を
組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチ
ャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設ける
ことで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。

【0214】

特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含
まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金
属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタル
などの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングス
テンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタ
ンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化
物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウ
ムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成
される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶
縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。

【0215】

導電体２６０、導電体２０３、導電体２０５、および導電体２４０としては、アルミニ
ウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングス
テン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリ
リウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いる
ことができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電
気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。

【0216】

＜金属酸化物＞
酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体と
もいう）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金
属酸化物について説明する。

【0217】

金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウ
ムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、
イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄
、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム
、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、ま
たは複数種が含まれていてもよい。

【0218】

ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化
物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたは
錫などとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッ
ケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフ
ニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前
述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。

【0219】

なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘ
ｉｄｅ）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（ｍｅ
ｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。

【0220】

［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃ
ｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳの構成について説明する。

【0221】

なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａ
ｌ）、およびＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場
合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の
一例を表す。

【0222】

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

【0223】

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

【0224】

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

【0225】

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

【0226】

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

【0227】

［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半
導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－
ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕ
ｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘ
ｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ
：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非
晶質酸化物半導体などがある。

【0228】

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。

【0229】

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

【0230】

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

【0231】

ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結
晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにく
いといえる。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下す
る場合があるため、ＣＡＡＣ－ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損（Ｖｏ：ｏｘｙｇｅｎ ｖ
ａｃａｎｃｙともいう）など）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ－
ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する
金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。

【0232】

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。

【0233】

なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジ
ウム－ガリウム－亜鉛酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、上述のナノ結晶とすることで安定な
構造をとる場合がある。とくに、ＩＧＺＯは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるた
め、大きな結晶（ここでは、数ｍｍ、または数ｃｍ）よりも小さな結晶（例えば、上述の
ナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。

【0234】

ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する金属酸
化物である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ－ｌｉ
ｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。

【0235】

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

【0236】

［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明
する。

【0237】

なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、高い電界効
果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実
現することができる。

【0238】

また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金
属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜中の不純物濃度を低
くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準
位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は
、キャリア密度が８×１０^１１／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１１／ｃｍ^３未満、さ
らに好ましくは１×１０^１０／ｃｍ^３未満であり、１×１０^－９／ｃｍ^３以上とすればよ
い。

【0239】

また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、欠陥準位密度が低
いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。

【0240】

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

【0241】

したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃
度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、
近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、ア
ルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。

【0242】

また、トランジスタの半導体に用いる金属酸化物として、結晶性の高い薄膜を用いるこ
とが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させる
ことができる。該薄膜として、例えば、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物
の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の
薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、
製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。

【0243】

２００９年に、ＣＡＡＣ構造を有するＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯと
呼ぶ）が発見されたことが、非特許文献１および非特許文献２で報告されている。ここで
は、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯは、ｃ軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温
で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯを用い
たトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。

【0244】

また、２０１３年には、ｎｃ構造を有するＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（ｎｃ－ＩＧＺＯと
呼ぶ）が発見された（非特許文献３参照）。ここでは、ｎｃ－ＩＧＺＯは、微小な領域（
例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有し、異なる該領域
間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。

【0245】

非特許文献４および非特許文献５では、上記のＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ、ｎｃ－ＩＧＺＯ、
および結晶性の低いＩＧＺＯのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイ
ズの推移が示されている。結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜において、電子線が照射される前
でさえ、１ｎｍ程度の結晶性ＩＧＺＯが観察されている。よって、ここでは、ＩＧＺＯに
おいて、完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ）の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いＩＧＺＯ
の薄膜と比べて、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯの薄膜およびｎｃ－ＩＧＺＯの薄膜は電子線照射に
対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、ＣＡＡ
Ｃ－ＩＧＺＯの薄膜またはｎｃ－ＩＧＺＯの薄膜を用いることが好ましい。

【0246】

金属酸化物を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい、
具体的には、トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流がｙＡ／μｍ（１０^－２
４Ａ／μｍ）オーダである、ことが非特許文献６に示されている。例えば、金属酸化物を
用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した低消費電力のＣＰＵなどが
開示されている（非特許文献７参照）。

【0247】

また、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該
トランジスタの表示装置への応用が報告されている（非特許文献８参照）。表示装置では
、表示される画像が１秒間に数十回切り換っている。１秒間あたりの画像の切り換え回数
はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこ
ともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原
因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の
書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆
動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、ア
イドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動と呼ぶ。

【0248】

ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造の発見は、ＣＡＡＣ構造またはｎｃ構造を有する金属酸化
物を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低
下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低い
という特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびＬＳＩへの応用研究が進められ
ている。

【0249】

［不純物］
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。

【0250】

金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸
化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃
度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭ
Ｓ：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。

【0251】

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

【0252】

また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア
密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形
成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、当該金属
酸化物において、チャネル形成領域の窒素はできる限り低減されていることが好ましい。
例えば、金属酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ
^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする
。

【0253】

また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため
、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子
が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャ
リアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている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。

【0254】

また、金属酸化物に含まれる水素は、金属酸化物中に浅い欠陥準位（ｓＤＯＳ：ｓｈａ
ｌｌｏｗ ｌｅｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）を形成する場合がある。
浅い欠陥準位とは、伝導帯下端の近くに位置する界面準位をさす。浅い欠陥準位は、金属
酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍に存在することが推定される。ここでは、
金属酸化物中の高密度領域と低密度領域は、領域に含まれる水素の量で区別する。すなわ
ち、低密度領域と比較して、高密度領域は、水素をより多く含む領域とする。金属酸化物
中の高密度領域と低密度領域の境界近傍は、両領域間の応力歪によって、微小なクラック
が生じやすく、該クラック近傍に酸素欠損およびインジウムのダングリングボンドが発生
し、ここに、水素または水などの不純物が局在することで、浅い欠陥準位が形成されるも
のと推定される。

【0255】

また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも結晶性が高くなる場合があ
る。また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも膜密度が高くなる場合が
ある。また、上記金属酸化物が、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、有する組成の場合
、高密度領域は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、低密度領域は、インジウ
ムと、亜鉛と、を有する場合がある。別言すると、低密度領域は、高密度領域よりもガリ
ウムの割合が少ない場合がある。

【0256】

なお、上記浅い欠陥準位は、酸素欠損に起因すると推定される。金属酸化物中の酸素欠
損が増えると、浅い欠陥準位密度とともに深い欠陥準位密度（ｄＤＯＳ：ｄｅｅｐ ｌｅ
ｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）も増えると推定される。これは、深い欠
陥準位も酸素欠損によるものだと考えられるためである。なお、深い欠陥準位とは、バン
ドギャップの中央付近に位置する欠陥準位をさす。

【0257】

したがって、金属酸化物中の酸素欠損を抑制することで、浅い欠陥準位及び深い欠陥準
位の双方の準位密度を低減させることが可能となる。また、浅い欠陥準位については、金
属酸化物の成膜時の温度を調整することで、ある程度制御できる可能性がある。具体的に
は、金属酸化物の成膜時の温度を、１７０℃またはその近傍、好ましくは１３０℃または
その近傍、さらに好ましくは室温とすることで、浅い欠陥準位密度を低減することができ
る。

【0258】

また、金属酸化物の浅い欠陥準位は、金属酸化物を半導体として用いたトランジスタの
電気特性に影響を与える。即ち、浅い欠陥準位によって、トランジスタのドレイン電流－
ゲート電圧（Ｉｄ－Ｖｇ）特性において、ゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄの変
化が緩やかとなり、トランジスタのオフ状態からオン状態への立ち上がり特性の良し悪し
の目安の１つである、Ｓ値（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ、ＳＳとも言う）が
悪化する。これは浅い欠陥準位に電子がトラップされたためと考えられる。

【0259】

このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的に
は、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１
０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満
とする。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。

【0260】

［真空ベークの効果］
ここでは、金属酸化物に含まれる、弱いＺｎ－Ｏ結合について説明し、該結合を構成す
る酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一例について示す。

【0261】

金属酸化物を用いたトランジスタにおいて、トランジスタの電気特性の不良に繋がる欠
陥の一例として酸素欠損がある。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている金属酸化物を用
いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性
となりやすい。これは、金属酸化物に含まれる酸素欠損に起因したドナーが生成され、キ
ャリア濃度が増加するためである。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作
時に動作不良が発生しやすくなる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な
問題が生じる。

【0262】

また、モジュールを作製するための接続配線を形成する工程における熱履歴（サーマル
バジェット）により、しきい値電圧の変動、寄生抵抗の増大、などのトランジスタの電気
特性の劣化、該電気特性の劣化に伴う電気特性のばらつきの増大、などの問題がある。こ
れらの問題は、製造歩留りの低下に直結するため、対策の検討は重要である。また、長期
間の使用によって起こるトランジスタの特性変化（経年変化）を短時間で評価することが
できるストレス試験でも電気特性の劣化が生じる。該電気特性の劣化は、製造の過程で行
われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって金属酸化
物中の酸素が欠損することに起因すると推測される。

【0263】

金属酸化物中には、金属原子との結合が弱く、酸素欠損となりやすい酸素原子が存在す
る。特に、金属酸化物がＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物である場合は、亜鉛原子と酸素原子とが
弱い結合（弱いＺｎ－Ｏ結合、ともいう）を形成しやすい。ここで、弱いＺｎ－Ｏ結合と
は、製造の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレ
スによって切断される程度の強さで結合した、亜鉛原子と酸素原子の間に生じる結合であ
る。弱いＺｎ－Ｏ結合が金属酸化物中に存在すると、熱履歴または電流ストレスによって
、該結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸素欠損が形成されることにより、熱履歴
に対する耐性、電気的ストレスに対する耐性などといった、トランジスタの安定性が低下
する。

【0264】

亜鉛原子と多く結合している酸素原子と、該亜鉛原子との間に生じる結合は、弱いＺｎ
－Ｏ結合である場合がある。ガリウム原子と比べて、亜鉛原子は、酸素原子との結合が弱
い。したがって、亜鉛原子と多く結合している酸素原子は欠損しやすい。すなわち、亜鉛
原子と酸素原子との間に生じる結合は、その他の金属との結合よりも弱いと推測される。

【0265】

また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、弱いＺｎ－Ｏ結合が形成されやすいと推
測される。金属酸化物中の不純物としては、例えば、水分子や水素がある。金属酸化物中
に水分子や水素が存在することで、水素原子が、金属酸化物を構成する酸素原子と結合す
る（ＯＨ結合ともいう）場合がある。金属酸化物を構成する酸素原子は、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚ
ｎ酸化物が単結晶である場合、金属酸化物を構成する金属原子４つと結合している。しか
しながら、水素原子と結合した酸素原子は、２つまたは３つの金属原子と結合している場
合がある。酸素原子に結合している金属原子の数が減少することで、該酸素原子は欠損し
やすくなる。なお、ＯＨ結合を形成している酸素原子に亜鉛原子が結合している場合、該
酸素原子と該亜鉛原子との結合は弱いと推測される。

【0266】

また、弱いＺｎ－Ｏ結合は、複数のナノ結晶が連結する領域に存在する歪みに形成され
る場合がある。ナノ結晶は六角形を基本とするが、該歪みにおいて、五角形、および七角
形などの格子配列を有する。該歪みでは、原子間の結合距離が一様でないため、弱いＺｎ
－Ｏ結合が形成されていると推測される。

【0267】

また、弱いＺｎ－Ｏ結合は、金属酸化物の結晶性が低い場合に形成されやすいと推測さ
れる。金属酸化物の結晶性が高い場合、金属酸化物を構成する亜鉛原子は、酸素原子４つ
または５つと結合している。しかし、金属酸化物の結晶性が低くなると、亜鉛原子と結合
する酸素原子の数が減少する傾向がある。亜鉛原子に結合する酸素原子の数が減少すると
、該亜鉛原子は欠損しやすくなる。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は
、単結晶で生じる結合よりも弱いと推測される。

【0268】

上記の弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することで、熱履歴
または電気的ストレスによる酸素欠損の形成を抑制し、トランジスタの安定性を向上させ
ることができる。なお、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子のみを低減し、弱いＺｎ－
Ｏ結合を構成する亜鉛原子が減少しない場合、該亜鉛原子近傍に酸素原子を供給すると、
弱いＺｎ－Ｏ結合が再形成される場合がある。したがって、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する
亜鉛原子および酸素原子を低減することが好ましい。

【0269】

弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一つとして、金
属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施する方法が挙げられる。真空ベークとは、真空
雰囲気下で行う加熱処理のことである。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行う
ことで維持される。なお、処理室の圧力は、１×１０^－２Ｐａ以下、好ましくは１×１０
^－３Ｐａ以下とすればよい。また、加熱処理時の基板の温度は、３００℃以上、好ましく
は４００℃以上とすればよい。

【0270】

真空ベークを実施することで、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を
低減することができる。また、真空ベークによって金属酸化物に熱が与えられるため、弱
いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減した後、金属酸化物を構成する
原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって
、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減するとともに、弱いＺｎ－
Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。

【0271】

また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、真空ベークを実施することで、金属酸化
物中の水分子または水素を放出し、ＯＨ結合を低減することができる。金属酸化物中のＯ
Ｈ結合が減少することで、４つの金属原子と結合している酸素原子の割合が増える。また
、水分子または水素が放出される際、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４
つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ－Ｏ結合が再形成
されるのを抑制することができる。

【0272】

以上のように、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施することで、弱いＺｎ－Ｏ
結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。したがって、該工程に
より、トランジスタの安定性を向上することができる。また、トランジスタの安定性が向
上することで、材料や形成方法の選択の自由度が高くなる。

【0273】

＜半導体装置の作製方法１＞
次に、図１に示す、本発明に係るトランジスタ２００を有する半導体装置について、作
製方法を図６乃至図２０を用いて説明する。また、図６乃至図２０において、各図の（Ａ
）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部
位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。ま
た、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり
、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図
では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

【0274】

まず、基板（図示しない）を準備し、当該基板上に絶縁体２１０を成膜する。絶縁体２
１０の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏ
ｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂ
ｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。

【0275】

なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ
Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃ
ＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用
いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ
（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。

【0276】

プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラ
ズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法
である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など
）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき
、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合
がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生
じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成
膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。

【0277】

また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法
である。また、ＡＬＤ法は、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜
が得られる。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある
。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して
、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（
ＸＰＳ：Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用い
て行うことができる。

【0278】

ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法と
は異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがっ
て、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特
に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比
の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜
速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いること
が好ましい場合もある。

【0279】

ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御する
ことができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意
の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜
しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜
することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用
いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時
間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合
がある。

【0280】

本実施の形態では、絶縁体２１０として、スパッタリング法によって酸化アルミニウム
を成膜する。また、絶縁体２１０は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法
によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化
アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウム
を成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成
膜する構造としてもよい。

【0281】

次に絶縁体２１０上に、導電体２０３となる導電膜を成膜する。導電体２０３となる導
電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを
用いて行うことができる。また、導電体２０３となる導電膜は、多層膜とすることができ
る。本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜としてタングステンを成膜する。

【0282】

次に、リソグラフィー法を用いて、導電体２０３となる導電膜を加工し、導電体２０３
を形成する。

【0283】

なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光
された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、
当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体など
を所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシ
マレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジ
ストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間
に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に
代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを
用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングな
どのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処
理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチ
ング処理を行うことができる。

【0284】

また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい
。ハードマスクを用いる場合、導電体２０３となる導電膜上にハードマスク材料となる絶
縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチン
グすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。導電体２０３となる導
電膜のエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを
残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することが
ある。導電体２０３となる導電膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去
しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用で
きる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。

【0285】

ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ
：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いる
ことができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板
型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方
の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それ
ぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれ
に周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有する
ドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチン
グ装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌ
ｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。

【0286】

次に、絶縁体２１０上、導電体２０３上に絶縁体２１２となる絶縁膜を成膜する。絶縁
体２１２となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法また
はＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１２となる絶縁
膜として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。

【0287】

ここで、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚は、導電体２０３の膜厚以上とすることが好
ましい。例えば、導電体２０３の膜厚を１とすると、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚は
、１以上３以下とする。本実施の形態では、導電体２０３の膜厚の膜厚を１５０ｎｍとし
、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚を３５０ｎｍとする。

【0288】

次に、絶縁体２１２となる絶縁膜にＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、絶縁体２１２となる絶縁膜の一部を除去し、
導電体２０３の表面を露出させる。これにより、上面が平坦な、導電体２０３と、絶縁体
２１２を形成することができる（図６参照）。

【0289】

ここでは、上記と異なる導電体２０３の形成方法について以下に説明する。

【0290】

絶縁体２１０上に絶縁体２１２を成膜する。絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法
、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0291】

次に、絶縁体２１２に絶縁体２１０に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝や
スリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある
。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが
微細加工には好ましい。また、絶縁体２１０は、絶縁体２１２をエッチングして溝を形成
する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば
、溝を形成する絶縁体２１２に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体２１０は窒化シリ
コン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。

【0292】

開口の形成後に、導電体２０３となる導電膜を成膜する。該導電膜は、酸素の透過を抑
制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タング
ステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン
、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることが
できる。導電体２０３となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、
ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0293】

本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜を、多層構造とする。まず、スパッタリ
ング法によって窒化タンタルを成膜する。または、該窒化タンタルの上に窒化チタンを積
層した膜を成膜する。このような金属窒化物を導電体２０３となる導電膜の下層に用いる
ことにより、後述する導電体２０３となる導電膜の上層の導電膜として銅などの拡散しや
すい金属を用いても、当該金属が導電体２０３から外に拡散するのを防ぐことができる。

【0294】

次に、導電体２０３となる導電膜の上層の導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、メッ
キ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行
うことができる。本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜の上層の導電膜として、
銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。

【0295】

次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０３となる導電膜の上層、ならびに導電体２
０３となる導電膜の下層の一部を除去し、絶縁体２１２を露出する。その結果、開口部の
みに、導電体２０３となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０３
を形成することができる。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１２の一部が除去され
る場合がある。以上が、導電体２０３の異なる形成方法である。

【0296】

次に、絶縁体２１２、および導電体２０３上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４
の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用
いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１４として、ＣＶＤ法によって窒化
シリコンを成膜する。このように、絶縁体２１４として、窒化シリコンなどの銅が透過し
にくい絶縁体を用いることにより、導電体２０３の第２の導電体に銅など拡散しやすい金
属を用いても、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる
。

【0297】

次に、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリ
ング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる
。本実施の形態では、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。

【0298】

次に、絶縁体２１４および絶縁体２１６に、導電体２０３に達する開口を形成する。開
口の形成にはウェットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほう
が微細加工には好ましい。

【0299】

開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。導電体２０５ａとなる導電
膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電性材料を含むことが好ましい。例えば、窒
化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル
、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金
との積層膜とすることができる。導電体２０５ａとなる導電膜の成膜は、スパッタリング
法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0300】

本実施の形態では、導電体２０５ａとなる導電膜として、スパッタリング法によって窒
化タンタルを成膜する。

【0301】

次に、導電体２０５ａとなる導電膜上に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。当
該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法
などを用いて行うことができる。

【0302】

本実施の形態では、導電体２０５ｂとなる導電膜として、ＣＶＤ法によって窒化チタン
を成膜し、当該窒化チタン上にＣＶＤ法によってタングステンを成膜する。

【0303】

次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０５ａとなる導電膜、ならびに導電体２０５
ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する。その結果、開口部のみに、導
電体２０５ａとなる導電膜および導電体２０５ｂとなる導電膜が残存する。これにより、
上面が平坦な、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂを含む導電体２０５を形成すること
ができる（図６参照）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１６の一部が除去される
場合がある。

【0304】

次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２０を成膜する。絶縁体２２０
の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用
いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２２０として、ＣＶＤ法によって酸化
シリコンを成膜する。

【0305】

次に、絶縁体２２０上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２として、アルミニウム
およびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アル
ミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニ
ウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミ
ネート）などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方
の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２
２が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の周辺に設け
られた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体２２２を通じてトランジスタ２００の
内側へ拡散することが抑制され、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができ
る。

【0306】

絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡ
ＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0307】

次に、絶縁体２２２上に絶縁膜２２４Ａを成膜する。絶縁膜２２４Ａの成膜は、スパッ
タリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことがで
きる（図６参照）。本実施の形態では、絶縁膜２２４Ａとして、ＣＶＤ法によって酸化シ
リコンを成膜する。

【0308】

続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好まし
くは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよ
い。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以
上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行っ
てもよい。または、加熱処理は、窒素または不活性ガス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、または１０％以上含む雰
囲気で加熱処理を行ってもよい。

【0309】

本実施の形態では、絶縁膜２２４Ａの成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間
の加熱処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁膜２２４Ａに含まれる水素や水などの不
純物を除去することなどができる。

【0310】

また、加熱処理は、絶縁体２２０成膜後、および絶縁体２２２の成膜後のそれぞれのタ
イミングで行うこともできる。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることがで
きるが、絶縁体２２０成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。

【0311】

ここで、絶縁膜２２４Ａに過剰酸素領域を形成するために、減圧状態で酸素を含むプラ
ズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度
プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ
（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。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、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絶縁膜２２４Ａ内
に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った
後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プ
ラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁膜２２４Ａに含まれる水素や水などの
不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。

【0312】

次に、絶縁膜２２４Ａ上に、酸化膜２３０Ａと、酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図６
参照）。なお、上記酸化膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。
大気開放せずに成膜することで、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ上に大気環境か
らの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０
Ｂとの界面近傍を清浄に保つことができる。

【0313】

酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ
法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0314】

例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって成膜する
場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。ス
パッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素
を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は
、上記のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。

【0315】

特に、酸化膜２３０Ａの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁膜
２２４Ａに供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに
含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とす
ればよい。

【0316】

また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含ま
れる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると
、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領
域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。

【0317】

本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：
Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］（２：２：１［原子数比］）のターゲットを用いて成
膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝
４：２：２［原子数比］、４：２：１［原子数比］、あるいは４：２：０［原子数比］（
Ｉｎ：Ｇａ＝４：２［原子数比］）、のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は
、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせ
て形成するとよい。

【0318】

次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることがで
きる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水素や水などの不
純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で
１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行
う。

【0319】

次に、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを島状に加工して、酸化物２３０ａ、お
よび酸化物２３０ｂを形成する。なお、当該工程において、絶縁膜２２４Ａの酸化物２３
０ａと重ならない領域の膜厚が、絶縁膜２２４Ａの酸化物２３０ａと重なる領域よりも薄
くなるように絶縁体２２４を形成してもよい（図７参照）。

【0320】

ここで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と
重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面は、絶縁体
２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、および酸化物２
３０ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジス
タ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。または、酸化物２３０ａ、お
よび酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい
。その場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす
角は６０°以上７０°未満が好ましい。この様な形状とすることで、これより後の工程に
おいて、絶縁体２７３などの被覆性が向上し、鬆などの欠陥を低減することができる。

【0321】

また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と、酸化物２３０ｂの上面との間
に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい
（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、酸化物２３０ｂの端部において、曲
率半径が、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以上６ｎｍ以下とする。端部に
角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。

【0322】

なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はド
ライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法に
よる加工は微細加工に適している。

【0323】

また、ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因し
た不純物が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面または内部に付着または拡
散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。

【0324】

上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用い
たウェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、
上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。

【0325】

ウェット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純
水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用い
た超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄
を行う。

【0326】

続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理には、前述の加熱処理の条件を用いること
ができる。

【0327】

次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの上に、酸化膜２３０Ｃ
となる酸化膜を成膜する。

【0328】

酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜の成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ
法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化物２３０ｃに求める特性に合わ
せて、酸化膜２３０Ａ、または酸化膜２３０Ｂと同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０
Ｃとなる酸化膜を成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜とし
て、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲッ
トを用いて成膜する。

【0329】

次に、リソグラフィー法によって、酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜を加工し、酸化膜２３
０Ｃを形成する（図８参照）。

【0330】

続いて、酸化膜２３０Ｃ上に、絶縁膜２５０Ａおよびダミーゲート膜２６２Ａを順に成
膜する（図８参照）。

【0331】

まず、絶縁膜２５０Ａを成膜する。絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、
ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２５０
Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜
２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３５０℃以上４５０℃未満、特に４００℃前後とす
ることが好ましい。絶縁膜２５０Ａを、４００℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁
膜を成膜することができる。

【0332】

なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、当該酸素プラズ
マに絶縁膜２５０Ａを曝すことで、絶縁膜２５０Ａへ酸素を導入することができる。

【0333】

また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理には、前述の加熱処理条件を用いることがで
きる。当該加熱処理によって、絶縁膜２５０Ａの水分濃度および水素濃度を低減させるこ
とができる。

【0334】

ダミーゲート膜２６２Ａは、加工してダミーゲートとして使用する。ダミーゲートとは
、仮のゲート電極のことである。つまり、ダミーゲート膜２６２Ａを加工することで、仮
のゲート電極を形成し、後の工程において該ダミーゲートを除去し、代わりに導電膜等に
よるゲート電極を形成する。従って、ダミーゲート膜２６２Ａは微細加工が容易であり、
かつ、除去も容易な膜を用いることが好ましい。

【0335】

ダミーゲート膜２６２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法
またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体、半導体、または導電体
を用いることができる。具体的には、ポリシリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリ
コンなどのシリコン、アルミニウム、チタン、タングステンなどの金属膜などを用いれば
よい。または、塗布法を用いて、樹脂膜を形成しても良い。樹脂としては、例えば、フォ
トレジスト、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、
ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。樹脂膜を塗布法によって形成
することで、ダミーゲート膜２６２Ａの表面を平坦にすることができる。このように、ダ
ミーゲート膜２６２Ａの表面を平坦にすることで、微細加工が容易となり、さらに、除去
も容易となる。

【0336】

また、ダミーゲート膜２６２Ａは、異なる膜種を用いて多層膜とすることもできる。例
えば、ダミーゲート膜２６２Ａを導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造とする
ことができる。ダミーゲート膜をこのような構造とすることで、例えば、後のＣＭＰ工程
において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、ＣＭ
Ｐ処理の終点検出が可能となる場合があり、加工ばらつきの低減が可能となる場合がある
。

【0337】

次に、リソグラフィー法によって、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａおよびダミーゲー
ト膜２６２Ａをエッチングし、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６
２Ｂを形成する（図９参照）。酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６
２Ｂは、少なくとも一部が、導電体２０５および酸化物２３０と重なるように形成する。

【0338】

また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面およびダミーゲート層２６２Ｂの側
面は、同一面内であることが好ましい。

【0339】

また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面およびダミーゲート層２６２Ｂの側
面が共有する同一面は、基板の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。つまり、断
面形状において、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、ダミーゲート層２６２Ｂは、基板の上
面に対する角度が、９０°近傍であることが好ましい。

【0340】

次に、絶縁体２２４、酸化物２３０、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６２Ｂを覆
って、膜２４２Ａを成膜する（図１０参照）。なお、膜２４２Ａは、０．５ｎｍ以上５ｎ
ｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚にするとよい。膜２４２Ａには、金属
膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜２４２Ａは、
例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金
属元素を含む膜とする。なお、膜２４２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢ
Ｅ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0341】

続いて、加熱処理を行う。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００
℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、
加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行っても
よい。例えば、膜２４２Ａの成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理
を行う。

【0342】

窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜２４２Ａから、上述した金属元素が酸化物２
３０へ拡散し、酸化物２３０に金属元素を添加することができる。また、酸化物２３０の
膜２４２Ａとの界面近傍における酸素が膜２４２Ａに吸収される場合がある。その結果、
酸化物２３０の膜２４２Ａとの界面近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その
際、酸化物２３０の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の
一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０に添加された金属元素は、比較的安
定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

【0343】

また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損
の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の
水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、
領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理に
よって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純
物の低減）し、より高抵抗化する。

【0344】

また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上
、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５
０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０
℃以上４５０℃以下で行えばよい。

【0345】

また、膜２４２Ａに導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理
を行うことにより、導電性を有する領域を酸化させることで、膜２４２Ａは絶縁体となり
、高抵抗化する。膜２４２Ａを、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させ
ることができる。

【0346】

上記膜２４２Ａの成膜工程、または加熱処理において、膜２４２Ａに、酸化物２３０中
の酸素が吸収されることで、領域２３１に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中
の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１のキャリア密度は、増加する。従って
、酸化物２３０の領域２３１は、ｎ型となり、低抵抗化される。

【0347】

続いて、膜２４２Ａを除去する。なお、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属
元素を有する窒化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有す
る酸化膜、または金属元素を有する窒化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸
化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、当該膜を残存させてもよい。その場合、
当該膜は層間膜として機能する場合がある。本工程では、ドライエッチング法やウェット
エッチング法を用いることができる。膜２４２Ａを除去することで、膜２４２Ａに吸収さ
れた酸化物２３０中の水素を同時に除去することができる。従って、トランジスタ２００
中の不純物である水素を低減することができる。なお、酸化物２３０の低抵抗化した領域
近傍を層２４２として斜線を付して示す（図１１参照）。

【0348】

次に、絶縁膜２７３Ａを成膜する（図１２参照）。絶縁膜２７３Ａの成膜は、スパッタ
リング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができ
る。

【0349】

絶縁膜２７３Ａは、被覆性に優れたＡＬＤ法により成膜することが好ましい。ＡＬＤ法
を用いることで、ダミーゲート層２６２Ｂなどにより形成された段差部においても、酸化
物２３０ｃ、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６２Ｂの側面に対して、均一な厚さを
有する絶縁膜２７３Ａを形成することができる。また、ＡＬＤ法を用いることで、緻密な
薄膜を成膜することができる。

【0350】

絶縁膜２７３Ａとして、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シ
リコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素
を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好
ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい
。

【0351】

一方、絶縁膜２７３Ａとして、バリア性を有する酸化アルミニウムなどを設けてもよい
。例えば、導電体２６０が酸化しやすい金属膜である場合、バリア性を有する絶縁体を用
いることで、導電体２６０が絶縁体２７３の外方からの酸素で酸化することを抑制するこ
とができる。これにより、導電体２６０の抵抗値が上がることを抑制することができる。

【0352】

絶縁膜２７３Ａとして、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁膜２７
３Ａの膜厚は、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とす
る。

【0353】

次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜２７３Ａを加工し、開口を有する絶縁体２７
３Ｂを形成する。（図１３参照）。

【0354】

次に、絶縁体２７３Ｂ上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２８０とな
る絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法な
どを用いて行うことができる。

【0355】

次に、絶縁体２８０となる絶縁膜、ダミーゲート層２６２Ｂ、および絶縁体２７３Ｂの
一部をダミーゲート層２６２Ｂの一部が露出するまで除去し、絶縁体２８０、ダミーゲー
ト２６２および絶縁体２７３を形成する（図１４参照）。絶縁体２８０、ダミーゲート２
６２および絶縁体２７３の形成にはＣＭＰ処理を用いることが好ましい。

【0356】

また、上述のようにダミーゲート膜２６２Ａを、例えば、導電膜と該導電膜上に樹脂膜
を形成する２層構造の膜とすることで、ＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のス
トッパ膜として機能する場合がある。または、該導電膜によりＣＭＰ処理の終点検出が可
能となる場合があり、ダミーゲート２６２の高さのばらつきの低減が可能となる場合があ
る。図１４に示すように、ダミーゲート２６２の上面と、絶縁体２７３および絶縁体２８
０の上面が略一致する。

【0357】

次に、ダミーゲート２６２を除去する。ダミーゲート２６２の除去は、ウェットエッチ
ング、ドライエッチング、またはアッシングなどを用いて行うことができる。または、適
宜、上記の処理を複数組み合わせて行ってもよい。例えば、アッシング処理の後に、ウェ
ットエッチング処理を行ってもよい。ダミーゲート２６２を除去することにより、絶縁体
２５０の表面が露出する（図１５参照）。

【0358】

次に、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを成膜する。導電膜２６０Ａａおよび
導電膜２６０Ａｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡ
ＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、ＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実
施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａａを成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電膜
２６０Ａｂを成膜する（図１６参照）。

【0359】

次に、ＣＭＰ処理によって、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを絶縁体２８０
が露出するまで研磨することによって、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを有する導
電体２６０を形成する（図１７参照）。

【0360】

次に、酸素を絶縁体２８０へ注入する処理を行ってもよい。酸素を注入する処理として
は、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理、イオン注入装置を用いて酸素イオンを注入す
る処理などがある。例えば高密度プラズマ源を有する装置を用いて、酸素を含むガスによ
るプラズマを照射することによって、酸素を絶縁体２８０へ注入することができる。本実
施の形態では、イオン注入装置を用いて、酸素イオンを注入する（図１７参照）。

【0361】

イオン注入装置を用いたイオン注入は、イオン注入量、イオン注入の深さをそれぞれ独
立に制御することができるので好ましい。つまり、最適な注入量および最適な注入深さで
絶縁体２８０に酸素を注入する事ができるので、性能のバラツキの小さい高性能なトラン
ジスタを有する半導体装置の生産が可能となる。注入量および注入深さは、絶縁体２８０
の膜厚、トランジスタの大きさ、トランジスタの配置密度、トランジスタの配置によって
、適宜、最適化すればよい。

【0362】

また、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２となる絶縁膜を形成することによって、酸素を
絶縁体２８０へ注入してもよい。絶縁体２８２となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法
、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁
体２８２となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム
膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって、酸素を含むガスを用いて酸化
アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体２８０中へ酸素を注入することができる
。つまり、絶縁体２８０は過剰酸素を有する。また、絶縁体２８０が有する水素が酸化物
２３０へ拡散することを抑制することができる場合がある（図１８参照）。

【0363】

これ以降の工程で加熱処理を行ってもよい。加熱処理を行うことにより、絶縁体２８０
に含まれる過剰酸素を絶縁体２７３の開口を通り、絶縁体２２４を介して酸化物２３０へ
注入することができる。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以
上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱
処理は、酸素ガスを含む雰囲気で行うことが好ましい。また、加熱処理は減圧状態で行っ
てもよい。例えば、酸素を含む雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行う。

【0364】

次に絶縁体２８２上に、絶縁体２８３となる絶縁体を成膜してもよい。絶縁体２８３と
なる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ
法などを用いて行うことができる（図１９参照）。

【0365】

次に、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に、酸化物２３
０の領域２３１に達する開口を形成する（図２０参照）。当該開口の形成は、リソグラフ
ィー法を用いて行えばよい。

【0366】

次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４０ａ
および導電体２４０ｂとなる導電膜は、水または水素など不純物の透過を抑制する機能を
有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタ
ンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体
２４０となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法または
ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0367】

ここで、例えば、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に開
口を形成する際に、酸化物２３０における領域２３１の低抵抗化した領域を除去してもよ
い。当該開口に導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜すると、酸化物
２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜とが接する領域を有するた
め、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と、導電体２４０
ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜と、の接触領域を低抵抗化することができる。当該
接触領域を低抵抗化することで、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂ
と、の十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体２４０ａおよび導
電体２４０ｂとなる導電膜は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、
タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。

【0368】

次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜の
一部を除去し、絶縁体２８３を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存
することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（
図１参照）。

【0369】

また、開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成した後に、導電体２４０ａおよび導電体
２４０ｂを形成してもよい。開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成することで、外方か
らの酸素の透過を抑制し、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することが
できる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部
に拡散することを防ぐことができる。該酸化アルミニウムは、開口にＡＬＤ法などを用い
て酸化アルミニウムを成膜し、異方性エッチングを行うことで形成することができる。

【0370】

以上により、図６乃至図２０に示す半導体装置の作製方法を用いることで、図１に示す
トランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。

【0371】

＜半導体装置の作製方法２＞
次に、図４に示す、本発明に係るトランジスタ２００ａを有する半導体装置について、
作製方法を図２１乃至図３１を用いて説明する。また、図２１乃至図３１において、各図
の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で
示す部位に対応する断面図である。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖
線で示す部位に対応する断面図である。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化の
ために一部の要素を省いている。

【0372】

図１２に示す、絶縁膜２７３Ａの成膜までは、＜半導体装置の作製方法１＞に示すトラ
ンジスタ２００を有する半導体装置の作製方法を参酌する。

【0373】

次に、絶縁膜２７３Ａ上に、絶縁膜２７５Ａを成膜する。絶縁膜２７５Ａの成膜は、ス
パッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことが
できる（図２１参照）。

【0374】

次に、絶縁膜２７５Ａに異方性のエッチング処理を行い、絶縁体２７５Ｂを形成する（
図２２参照）。

【0375】

上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。
これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体２７５Ｂを
自己整合的に形成することができる。

【0376】

次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜２７３Ａを加工し、開口を有する絶縁体２７
３Ｂを形成する。（図２３参照）。

【0377】

次に、絶縁体２７３Ｂ、酸化物２３０、絶縁体２７５Ｂ、およびダミーゲート層２６２
Ｂを覆って、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２８０となる絶縁膜の成膜は
、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うこ
とができる。

【0378】

次に、絶縁体２８０となる絶縁膜、ダミーゲート層２６２Ｂ、絶縁体２７３Ｂおよび絶
縁体２７５Ｂの一部をダミーゲート層２６２Ｂの一部が露出するまで除去し、絶縁体２８
０、ダミーゲート２６２、絶縁体２７３、および絶縁体２７５を形成する（図２４参照）
。絶縁体２８０、ダミーゲート２６２、絶縁体２７３、および絶縁体２７５の形成にはＣ
ＭＰ処理を用いることが好ましい。

【0379】

また、上述のようにダミーゲート膜２６２Ａを、例えば、導電膜と該導電膜上に樹脂膜
を形成する２層構造の膜とすることで、ＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のス
トッパ膜として機能する場合がある。または、該導電膜によりＣＭＰ処理の終点検出が可
能となる場合があり、ダミーゲート２６２の高さのばらつきの低減が可能となる場合があ
る。図に示すように、ダミーゲート２６２の上面と、絶縁体２７３および絶縁体２８０の
上面が略一致する。

【0380】

次に、ダミーゲート２６２を除去する。ダミーゲート２６２の除去は、ウェットエッチ
ング、ドライエッチング、またはアッシングなどを用いて行うことができる。または、適
宜、上記の処理を複数組み合わせて行ってもよい。例えば、アッシング処理の後に、ウェ
ットエッチング処理を行ってもよい。ダミーゲート２６２を除去することにより、絶縁体
２５０の表面が露出する（図２５参照）。

【0381】

次に、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを成膜する。導電膜２６０Ａａおよび
導電膜２６０Ａｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡ
ＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、ＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実
施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａａを成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電膜
２６０Ａｂを成膜する（図２６参照）。

【0382】

次に、ＣＭＰ処理によって、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを絶縁体２８０
が露出するまで研磨することによって、導電体２６０Ｂａおよび導電体２６０Ｂｂを有す
る導電体２６０Ｂを形成する（図２７参照）。

【0383】

次に、導電体２６０Ｂａおよび導電体２６０Ｂｂの一部を除去し、導電体２６０Ｂを薄
膜化し、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを形成する。薄膜化は、ウェットエッチン
グまたはドライエッチングを用いることができる。また、薄膜化する厚さは導電体２６０
Ｂの厚さの１／４程度とすることが好ましい（図２８参照）。

【0384】

次に、絶縁体２７０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２７０となる絶縁膜の成膜は、ス
パッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことが
できる。例えば、絶縁体２７０となる絶縁膜として、絶縁体２７５と同様の材料を用いる
ことが好ましい。

【0385】

次に、ＣＭＰ処理によって、絶縁体２７０となる絶縁膜を絶縁体２８０が露出するまで
研磨することによって、絶縁体２７０を形成することができる（図２８参照）。

【0386】

次に、酸素を絶縁体２８０へ注入する処理を行ってもよい。酸素を注入する処理として
は、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理、イオン注入装置を用いて酸素イオンを注入す
る処理などがある。例えば高密度プラズマ源を有する装置を用いて、酸素を含むガスによ
るプラズマを照射することによって、酸素を絶縁体２８０へ注入することができる。本実
施の形態では、イオン注入装置を用いて、酸素イオンを注入する（図２８参照）。

【0387】

イオン注入装置を用いたイオン注入は、イオン注入量、イオン注入の深さをそれぞれ独
立に制御することができるので好ましい。つまり、最適な注入量および最適な注入深さで
絶縁体２８０に酸素を注入する事ができるので、性能のバラツキの小さい高性能なトラン
ジスタを有する半導体装置の生産が可能となる。注入量および注入深さは、絶縁体２８０
の膜厚、トランジスタの大きさ、トランジスタの配置密度、トランジスタの配置によって
、適宜、最適化すればよい。

【0388】

また、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２となる絶縁膜を形成することによって、酸素を
絶縁体２８０へ注入してもよい。絶縁体２８２となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法
、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁
体２８２となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム
膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって、酸素を含むガスを用いて酸化
アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体２８０中へ酸素を注入することができる
。つまり、絶縁体２８０は過剰酸素を有する。また、絶縁体２８０が有する水素が酸化物
２３０へ拡散することを抑制することができる場合がある（図２９参照）。

【0389】

これ以降の工程で加熱処理を行ってもよい。加熱処理を行うことにより、絶縁体２８０
に含まれる過剰酸素を絶縁体２７３の開口を通り、絶縁体２２４を介して酸化物２３０へ
注入することができる。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以
上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱
処理は、酸素ガスを含む雰囲気で行うことが好ましい。また、加熱処理は減圧状態で行っ
てもよい。例えば、酸素を含む雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行う。

【0390】

次に絶縁体２８２上に、絶縁体２８３となる絶縁体を成膜してもよい。絶縁体２８３と
なる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ
法などを用いて行うことができる（図３０参照）。

【0391】

次に、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に、酸化物２３
０の領域２３１に達する開口を形成する（図３１参照）。当該開口の形成は、リソグラフ
ィー法を用いて行えばよい。ここで、導電体２４０が、絶縁体２７５の側面に接して設け
られるように、当該開口を形成する。当該開口は、絶縁体２７５をほとんどエッチングし
ない条件で形成されることが好ましく、即ち絶縁体２７５のエッチング速度に比べて絶縁
体２８０のエッチング速度が大きいことが好ましい。絶縁体２７５のエッチング速度を１
とすると、絶縁体２８０のエッチング速度は好ましくは５以上であり、より好ましくは１
０以上である。この様な開口条件とすることで、開口部を領域２３１へ自己整合的に配置
することができるので微細なトランジスタの作製ができる。また、例えば、開口が絶縁体
２７０の上面と重なる位置にずれた場合でも、絶縁体２７０のエッチング速度が、絶縁体
２７５と同様に、絶縁体２８０のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすれば
開口が導電体２６０に達することがない。即ち、導電体２６０と、導電体２４０ａまたは
導電体２４０ｂと、が、電気的に短絡することを防ぐことができる。従って、リソグラフ
ィー工程において、導電体２６０と、開口と、の位置ずれに対する許容範囲が大きくなる
ので歩留まりの向上が期待できる。

【0392】

次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４０ａ
および導電体２４０ｂとなる導電膜は、水または水素など不純物の透過を抑制する機能を
有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタ
ンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体
２４０となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法または
ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0393】

ここで、例えば、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に開
口を形成する際に、酸化物２３０における領域２３１の低抵抗化した領域を除去してもよ
い。当該開口に導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜すると、酸化物
２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜とが接する領域を有するた
め、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と、導電体２４０
ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜と、の接触領域を低抵抗化することができる。当該
接触領域を低抵抗化することで、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂ
と、の十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体２４０ａおよび導
電体２４０ｂとなる導電膜は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、
タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。

【0394】

次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜の
一部を除去し、絶縁体２８３を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存
することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（
図４参照）。

【0395】

また、開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成した後に、導電体２４０ａおよび導電体
２４０ｂを形成してもよい。開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成することで、外方か
らの酸素の透過を抑制し、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することが
できる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部
に拡散することを防ぐことができる。該酸化アルミニウムは、開口にＡＬＤ法などを用い
て酸化アルミニウムを成膜し、異方性エッチングを行うことで形成することができる。

【0396】

以上により、図２１乃至図３１に示す半導体装置の作製方法を用いることで、図４に示
すトランジスタ２００ａを有する半導体装置を作製することができる。

【0397】

本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。
または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。
または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。
または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また
は、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することが
できる。または、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置を提供することができ
る。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。

【0398】

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

【0399】

＜半導体装置の変形例＞
以下では、図５を用いて、先の＜半導体装置の構成例１＞および＜半導体装置の構成例
２＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体
装置の一例について説明する。

【0400】

図５（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図５（
Ｂ）、および図５（Ｃ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図５（Ｂ）は、図
５（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャ
ネル長方向の断面図でもある。また、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線
で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。な
お、図５（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

【0401】

なお、図５に示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例１＞および＜半導体装置
の構成例２＞に示した半導体装置（図１および図４参照）を構成する構成要素と同機能を
有する構成要素には、同符号を付記する。

【0402】

以下、トランジスタ２００の構成について、それぞれ図５を用いて説明する。なお、本
項目においても、トランジスタ２００の構成材料については＜半導体装置の構成例１＞お
よび＜半導体装置の構成例２＞で詳細に説明した材料を用いることができる。

【0403】

図５に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例１＞および＜半導体装置の構成例２＞
に示した半導体装置（図１および図４参照）とは、絶縁体２２４と、酸化物２３０ａとの
間に、開口を有する酸化物２３０ｄが設けられている点が異なる。酸化物２３０ａは、酸
化物２３０ｄに設けられた開口を介して絶縁体２２４と接する。

【0404】

酸化物２３０ｄに用いる材料は、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂと比較して、
Ｇａ、およびＺｎの比率が大きいものが好ましい。具体的には、酸化物２３０ｄ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２３０ａに用いる金属酸
化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より小さく、酸化物２３０ｂに用いる金属
酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化
物２３０ｄ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２３
０ａ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、および酸化物２３０
ｂ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。例えば、酸化物２３０ｄとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１
：３：４［原子数比］のターゲットを用いて形成された酸化膜を用いることができる。

【0405】

酸化物２３０ｄとして、酸素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。一方、酸化
物２３０ｄは、領域２３４と重畳する位置に開口を有している。そのため、絶縁体２２４
に含まれる酸素は、該開口を通って、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに拡散する
。図５（Ｂ）に示す矢印は、絶縁体２８０、および絶縁体２２４に含まれる酸素が、拡散
する様子を可視化したものである。絶縁体２８０に含まれる酸素は、絶縁体２７３に設け
られた開口を通って絶縁体２２４に拡散する。また、絶縁体２２４の酸素は、酸化物２３
０ｄに設けられた開口を通って、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの領域２３４に
拡散する。なお、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに供給される酸素は、領域２３
１まで拡散してもよい。トランジスタ２００に酸化物２３０ｄを設けることにより、効率
よく領域２３４に酸素を供給することができる。

【0406】

酸化物２３０ｄを有するトランジスタ２００を作製する場合、絶縁体２２４上に酸化物
２３０ｄとなる酸化膜（以降、酸化膜２３０Ｄと称する）を形成する。次に、酸化膜２３
０Ｄに開口部を形成する。該開口部は、導電体２０５や、導電体２０３と重なるように形
成する。また、該開口は、後工程にて形成される、酸化物２３０の領域２３４と重なるよ
うに形成されることが好ましい。

【0407】

次に、酸化膜２３０Ｄ上に、上記＜半導体装置の作製方法１＞と同様に、酸化膜２３０
Ａ、酸化膜２３０Ｂを形成する。該膜の形成前後に、適宜熱処理を行ってもよい。

【0408】

次に、リソグラフィー法を用いて酸化膜２３０Ｂ、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３
０Ｄを島状に加工し、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｄを形成す
る。当該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドラ
イエッチング法による加工は微細加工に適している。

【0409】

以降、上記＜半導体装置の作製方法１＞と同様の工程を行うことにより、酸化物２３０
ｄを有するトランジスタ２００を作製することができる。

【0410】

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

【0411】

（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態とは異なる、記憶装置として機能する半導体装置の
一形態を、図３３乃至図３６を用いて説明する。

【0412】

＜記憶装置１＞
図３３（Ａ）（Ｂ）に記憶装置を構成するセル６００を示す。セル６００は、トランジ
スタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量素子１００ａ、および容量素子１００ｂを有
している。図３３（Ａ）は、セル６００の上面図である。また、図３３（Ｂ）は、図３３
（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図３３（Ａ）の上面図
では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

【0413】

セル６００は、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂを有し、トランジス
タ２００ａの上に重畳して容量素子１００ａを有し、トランジスタ２００ｂの上に重畳し
て容量素子１００ｂを有する。セル６００では、トランジスタ２００ａとトランジスタ２
００ｂ、および容量素子１００ａと容量素子１００ｂは、対称に配置される場合がある。
よって、トランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂは同様の構成を有することが好ま
しく、容量素子１００ａと容量素子１００ｂは同様の構成を有することが好ましい。

【0414】

セル６００は、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂ上の絶縁体２８３の
上に絶縁体１３０を有し、絶縁体１３０の上に絶縁体１５０を有する。ここで、絶縁体１
５０は、絶縁体２８３に用いることができる絶縁体を用いればよい。

【0415】

さらに、絶縁体１５０の上に導電体１６０を有する。また、絶縁体２７３、絶縁体２８
０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体１３０、および絶縁体１５０に形成された開口
に埋め込まれるように導電体２４０が設けられる。導電体２４０の下面は領域２３１と接
し、導電体２４０の上面は導電体１６０と接している。

【0416】

トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂは、上記実施の形態に示すトランジ
スタ２００を用いることができる。よって、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２
００ｂの構成については、上記トランジスタ２００の記載を参酌することができる。また
、図３３（Ａ）（Ｂ）において、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂの要素の
符号は省略している。なお、図３３（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ２００ａおよびトラ
ンジスタ２００ｂ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。

【0417】

トランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂは、両方とも酸化物２３０を共有してお
り、トランジスタ２００ａのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ２００ｂのソ
ースおよびドレインの一方は、共有されている。よって、トランジスタ２００ａのソース
およびドレインの一方と、トランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方は、導電
体２４０と電気的に接続している。これにより、トランジスタ２００ａおよびトランジス
タ２００ｂのコンタクト部が共有され、プラグとコンタクトホールの数を低減することが
できる。このように、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続する配線を共有するこ
とで、メモリセルアレイの占有面積を縮小することができる。

【0418】

［容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂ］
図３３（Ａ）（Ｂ）に示すように、容量素子１００ａは、トランジスタ２００ａと重畳
する領域に設ける。同様に、容量素子１００ｂは、トランジスタ２００ｂと重畳する領域
に設ける。なお、容量素子１００ｂは、容量素子１００ａが有する構造と、それぞれ対応
する構造を有する。以下において、容量素子１００ａの詳細な構造について説明するが、
特にことわりが無い限り容量素子１００ｂについては、容量素子１００ａの説明を参酌す
ることができる。

【0419】

容量素子１００ａは、導電体１１０、絶縁体１３０、絶縁体１３０上の導電体１２０を
有する。ここで、導電体１１０および導電体１２０は、導電体２０３、導電体２０５、ま
たは導電体２６０などに用いることができる導電体を用いればよい。

【0420】

容量素子１００ａは、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８
３が有する開口に形成されている。当該開口の、底面、および側面において、下部電極と
して機能する導電体１１０と、上部電極として機能する導電体１２０が、誘電体として機
能する絶縁体１３０を挟んで対向する。ここで、容量素子１００ａの導電体１１０は、ト
ランジスタ２００ａのソースまたはドレインの他方に接して形成されている。

【0421】

特に、絶縁体２８０、および絶縁体２８３が有する開口の深さを深くすることで、投影
面積は変わらず、容量素子１００ａの静電容量を大きくすることができる。従って、容量
素子１００ａは、シリンダー型（底面積よりも、側面積の方が大きい）とすることが好ま
しい。

【0422】

上記構成とすることで、容量素子１００ａの単位面積当たりの静電容量を大きくでき、
半導体装置の微細化または高集積化を推し進めることができる。また、絶縁体２８０、お
よび絶縁体２８３の膜厚により、容量素子１００ａの静電容量の値を、適宜設定すること
ができる。従って、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。

【0423】

また、絶縁体１３０は、比誘電率の大きい絶縁体を用いることが好ましい。例えば、ア
ルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることができる
。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アル
ミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムア
ルミネート）などを用いることが好ましい。

【0424】

また、絶縁体１３０は、積層構造であってもよい、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シ
リコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミ
ニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などから、２層以上を
選び積層構造としても良い。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化ハフニウム、酸化アルミニ
ウムおよび酸化ハフニウムを順に成膜し、積層構造とすることが好ましい。酸化ハフニウ
ムおよび酸化アルミニウムの膜厚は、それぞれ、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。この
ような積層構造とすることで、静電容量値が大きく、かつ、リーク電流の小さな容量素子
１００ａとすることができる。

【0425】

なお、導電体１１０、または導電体１２０は、積層構造であってもよい。例えば、導電
体１１０、または導電体１２０は、チタン、窒化チタン、タンタル、または窒化タンタル
を主成分とする導電性材料と、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導
電性材料と、の積層構造としてもよい。また、導電体１１０、または導電体１２０は、単
層構造としてもよいし、３層以上の積層構造としてもよい。

【0426】

［セルアレイの構造］
次に、上記のセルを行列またはマトリクス状に配置した、セルアレイの一例について、
図３４乃至図３７を用いて説明する。

【0427】

図３４は、図３３に示すセル６００を、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図で
ある。図３５は、図３４に示す回路図のセル６００と、セル６００に隣接するセル６０１
の近傍の断面構造を示す模式図である。図３６は、図３４に示す回路図の配線ＷＬ、配線
ＢＬ、および酸化物２３０のレイアウトを示した模式図である。図３４乃至図３７では、
配線ＢＬの延伸方向をｘ方向とし、配線ＷＬの延伸方向をｙ方向とし、ｘｙ平面に垂直な
方向をｚ方向とする。なお、図３４、図３６および図３７では、セルを３×３個配置する
例を示しているが、本実施の形態はこれに限られることなく、セルアレイに含まれるメモ
リセルまたは配線等の、個数及び配置は、適宜設定すればよい。また、図３６および図３
７の上面図では、図の明瞭化のために、図３４に示す一部の要素を省いている。

【0428】

図３４に示すように、セルを構成するトランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂの
ソースおよびドレインの一方が共通の配線ＢＬ（ＢＬ０１、ＢＬ０２、ＢＬ０３）と電気
的に接続する。また、当該配線ＢＬは、ｘ方向に配列されたセルが有するトランジスタ２
００ａとトランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一
方、セルを構成する、トランジスタ２００ａの第１のゲートと、トランジスタ２００ｂの
第１のゲートは、それぞれ異なる配線ＷＬ（ＷＬ０１乃至ＷＬ０６）と電気的に接続する
。また、これらの配線ＷＬは、ｙ方向に配列されたセルが有する、トランジスタ２００ａ
の第１のゲートと、トランジスタ２００ｂの第１のゲートと、それぞれ電気的に接続する
。

【0429】

また、セルが有する、容量素子１００ａの一方の電極、および容量素子１００ｂの一方
の電極は、配線ＰＬと電気的に接続する。例えば、配線ＰＬはｙ方向に延伸して形成すれ
ばよい。

【0430】

また、各セルが有するトランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂには第２のゲ
ートＢＧが設けられていてもよい。第２のゲートＢＧに印加される電位により、トランジ
スタのしきい値を制御することができる。当該第２のゲートＢＧはトランジスタ４００と
接続されており、第２のゲートＢＧに印加される電位は、トランジスタ４００によって制
御することができる。

【0431】

例えば、図３５に示すように、導電体１６０をｘ方向に延伸させて配線ＢＬとして機能
させ、導電体２６０をｙ方向に延伸させて配線ＷＬとして機能させ、導電体１２０をｙ方
向に延伸させて配線ＰＬとして機能させることができる。また、導電体２０３をｙ方向に
延伸させて第２のゲートＢＧに接続する配線として機能させることもできる。

【0432】

また、図３５に示すように、セル６００が有する容量素子１００ｂの一方の電極として
機能する導電体１２０が、セル６０１が有する容量素子１００ａの一方の電極をも兼ねる
構成とすることが好ましい。また、図示しないが、セル６００が有する容量素子１００ａ
の一方の電極として機能する導電体１２０が、セル６００の左側に隣接するセルの容量素
子の一方の電極を兼ねている。セル６０１の右側のセルについても同様の構成となってい
る。従って、セルアレイを構成することができる。当該セルアレイの構成とすることで、
隣り合うセルの間隔を小さくすることができるので、セルアレイの投影面積を小さくする
ことができ、高集積化が可能となる。

【0433】

また、図３６に示すように、酸化物２３０および配線ＷＬをマトリクス状に配置するこ
とで、図３４に示す回路図の半導体装置を形成することができる。ここで、配線ＢＬは、
配線ＷＬおよび酸化物２３０とは異なる層に設けることが好ましい。特に、配線ＢＬより
も、下層に容量素子１００ａ、および容量素子１００ｂを設けることで、酸化物２３０の
長辺方向と、配線ＢＬが、概略平行になるレイアウトを実現することができる。従って、
セルのレイアウトを単純化することができ、設計の自由度が向上し、工程コストを低減す
ることができる。

【0434】

また、図３６では、酸化物２３０の長辺が配線ＷＬの延伸方向と概略直交するように、
酸化物２３０および配線ＷＬを設けたが、これに限られるものではない。例えば、図３７
に示すように酸化物２３０の長辺が配線ＷＬの延伸方向と直交せず、酸化物２３０の長辺
が配線ＷＬの延伸方向に対して傾けて配置されるレイアウトにしてもよい。このように傾
けて配置することにより、例えば、容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂと、配線Ｂ
Ｌとが、交錯することなく配置することができるので、容量素子１００ａおよび容量素子
１００ｂが、ｚ方向に伸長することができ、容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂの
容量を大きくすることができる。好ましくは、酸化物２３０の長辺と配線ＷＬのなす角が
、２０°以上７０°以下、好ましくは３０°以上６０°以下になるように、酸化物２３０
と配線ＷＬを設ければよい。

【0435】

また、当該セルアレイを平面のみでなく積層する構成としてもよい。複数のセルアレイ
を積層することにより、セルアレイの占有面積を増やすことなく、セルを集積して配置す
ることができる。つまり、３Ｄセルアレイを構成することができる。

【0436】

以上のように、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提
供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装
置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装
置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きいトランジ
スタを提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置
を提供することができる。または、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置を提
供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供す
ることができる。

【0437】

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

【0438】

（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図３８乃至図４０を用いて説明する。

【0439】

＜記憶装置１＞
図３８および図４０に示す記憶装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、
および容量素子１００を有している。図３８および図４０は、トランジスタ２００および
トランジスタ３００のチャネル長方向の断面図である。図３９には、トランジスタ３００
とその近傍のチャネル幅方向の断面図を示す。

【0440】

トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトラン
ジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いる
ことにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動
作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の
消費電力を十分に低減することができる。

【0441】

図３８、および図４０に示す記憶装置において、配線１００１はトランジスタ３００の
ソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接
続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方
と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００のトップゲートと電気的に接続
され、配線１００６はトランジスタ２００のボトムゲートと電気的に接続されている。そ
して、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレイン
の他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１
００の電極の他方と電気的に接続されている。

【0442】

図３８、および図４０に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可
能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可
能である。

【0443】

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線１００４の電位を、トランジ
スタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これに
より、配線１００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電
極の一方と電気的に接続するノードＳＮに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲー
トには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与
える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のどちらかが与えられる
ものとする。その後、配線１００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電
位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＳＮに電荷が保持
される（保持）。

【0444】

トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＳＮの電荷は長期間にわたって保
持される。

【0445】

次に情報の読み出しについて説明する。配線１００１に所定の電位（定電位）を与えた
状態で、配線１００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、配線１００２は、ノー
ドＳＮに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネ
ル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合
の見かけ上のしきい値電圧Ｖ_ｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電
荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖ_ｔｈ＿Ｌより低くなるためである。
ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために
必要な配線１００５の電位をいうものとする。したがって、配線１００５の電位をＶ_{ｔｈ
＿Ｈ}とＶ_ｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ_０とすることにより、ノードＳＮに与えられた電荷を判別
できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＳＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた
場合には、配線１００５の電位がＶ_０（＞Ｖ_ｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は
「導通状態」となる。一方、ノードＳＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、
配線１００５の電位がＶ_０（＜Ｖ_ｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通
状態」のままである。このため、配線１００２の電位を判別することで、ノードＳＮに保
持されている情報を読み出すことができる。

【0446】

＜記憶装置１の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図３８に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ
２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設
けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設け
られている。

【0447】

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

【0448】

トランジスタ３００は、図３９に示すように、半導体領域３１３の上面およびチャネル
幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トラン
ジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効的なチャネル幅が増大することによりト
ランジスタ３００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与
を高くすることができるため、トランジスタ３００のオフ特性を向上させることができる
。

【0449】

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。

【0450】

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

【0451】

低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半
導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ
型の導電性を付与する元素を含む。

【0452】

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

【0453】

なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、
しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタル
などの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体
にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特に
タングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。

【0454】

なお、図３８に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構
成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。

【0455】

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

【0456】

絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、例えば、酸
化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、
酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。

【0457】

絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を
平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、
平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化され
ていてもよい。

【0458】

また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジ
スタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を
用いることが好ましい。

【0459】

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリ
コンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導
体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、
トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いる
ことが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜と
する。

【0460】

水素の脱離量は、例えば、ＴＤＳなどを用いて分析することができる。例えば、絶縁体
３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範
囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０
×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下、好ましくは５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下で
あればよい。

【0461】

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。

【0462】

また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子
１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３
０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配
線として機能する。また、プラグまたは配線として機能する導電体は、複数の構造をまと
めて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気
的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機
能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。

【0463】

各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属
材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層また
は積層で用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなど
の高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また
は、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性
材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。

【0464】

絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３８にお
いて、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。
また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されて
いる。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３５６は、導電
体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて形成することができる。

【0465】

なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有す
る絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有す
る導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有
する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成されることが好ましい。当該
構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００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２００への水素の拡散を抑制することが
できる。

【0466】

なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用い
るとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線とし
ての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができ
る。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性
を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。

【0467】

絶縁体３５０、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３８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、または配線として機能する。なお導電体３６６は、導電
体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて形成することができる。

【0468】

なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有す
る絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有す
る導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０が有
する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成されることが好ましい。当該
構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００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２００への水素の拡散を抑制することが
できる。

【0469】

絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３８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、または配線として機能する。なお導電体３７６は、導電
体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて形成することができる。

【0470】

なお、例えば、絶縁体３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有す
る絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３７６は、水素に対するバリア性を有す
る導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３７０が有
する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成されることが好ましい。当該
構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００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２００への水素の拡散を抑制することが
できる。

【0471】

絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３８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、または配線として機能する。なお導電体３８６は、導電
体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて形成することができる。

【0472】

なお、例えば、絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有す
る絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３８６は、水素に対するバリア性を有す
る導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３８０が有
する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、ト
ランジスタ３００とトランジスタ２００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２００への水素の拡散を抑制することができる。

【0473】

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、および導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に
係る記憶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、５層以上にしてもよい。

【0474】

絶縁体３８４上には絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６
が、順に積層して設けられている。絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および
絶縁体２１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ま
しい。

【0475】

例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、例えば、基板３１１、またはトラン
ジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００を設ける領域に、水素や不純物
が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４
と同様の材料を用いることができる。

【0476】

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用
いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に
、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジ
スタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好
ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。

【0477】

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体２１０、および絶縁体
２１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用い
ることが好ましい。

【0478】

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水
素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、
酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分など
の不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２
００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジス
タ２００に対する保護膜として用いることに適している。

【0479】

また、例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６には、絶縁体３２０と同様の材料を
用いることができる。また、比較的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。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６と
して、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。

【0480】

また、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体
２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体等が埋め込まれている。なお、導電体
２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、また
は配線としての機能を有する。導電体２１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同
様の材料を用いて形成することができる。

【0481】

特に、絶縁体２１０、および絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、酸素、水素
、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、ト
ランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を
有する層で、分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素
の拡散を抑制することができる。

【0482】

絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。なお、トランジスタ
２００の構造には、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタの構造を
用いればよい。また、図３８に示すトランジスタ２００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。

【0483】

トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０を設ける。

【0484】

絶縁体２８０上には、絶縁体２８２が設けられている。絶縁体２８２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。従って、絶縁体２８２には、絶縁体
２１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体２８２には、酸化アルミニウ
ム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。

【0485】

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水
素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、
酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分など
の不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２
００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジス
タ２００に対する保護膜として用いることに適している。

【0486】

また、絶縁体２８２上には、絶縁体２８３が設けられている。絶縁体２８３は、絶縁体
３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的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。例えば、絶縁体２８３と
して、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。

【0487】

また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８
３には、導電体２４６、および導電体２４８等が埋め込まれている。

【0488】

導電体２４６、および導電体２４８は、容量素子１００、トランジスタ２００、または
トランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する。導電体２４
６、および導電体２４８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて形
成することができる。

【0489】

続いて、トランジスタ２００の上方には、容量素子１００が設けられている。容量素子
１００は、導電体１１０と、導電体１２０、および絶縁体１３０とを有する。

【0490】

また、導電体２４６、および導電体２４８上に、導電体１１２を設けてもよい。導電体
１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に
接続するプラグ、または配線として機能する。導電体１１０は、容量素子１００の電極と
して機能する。なお、導電体１１２、および導電体１１０は、同時に形成することができ
る。

【0491】

導電体１１２、および導電体１１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステ
ン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜
、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化
モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化
物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛
酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、イ
ンジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を用い
ることもできる。

【0492】

図３８では、導電体１１２、および導電体１１０を単層構造で示したが、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、および導電性が高い導電体に対して密着性
が高い導電体を形成してもよい。

【0493】

また、導電体１１２、および導電体１１０上に、容量素子１００の誘電体として、絶縁
体１３０を設ける。絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸
化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミ
ニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム
、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。

【0494】

例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いると
よい。当該構成により、容量素子１００は、絶縁体１３０を有することで、絶縁耐力が向
上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。

【0495】

絶縁体１３０上に、導電体１１０と重畳するように、導電体１２０を設ける。なお、導
電体１２０は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いるこ
とができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用
いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他
の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム
）等を用いればよい。

【0496】

導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。絶縁体１
５０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１５０は
、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。

【0497】

本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置におい
て、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン
電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ
電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、低消
費電力の半導体装置を提供することができる。

【0498】

＜記憶装置１の変形例＞
以下では、図４０を用いて、本発明の一態様に係る記憶装置の一例について説明する。

【0499】

図４０は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００を有する
記憶装置の断面図である。なお、図４０に示す記憶装置において、先の実施の形態、およ
び＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構成要素と同機
能を有する構成要素には、同符号を付記する。

【0500】

図４０に示す記憶装置は、＜記憶装置１の構造＞に示した記憶装置と、先の実施の形態
で説明したセル６００を設けた点において異なる。

【0501】

具体的には、図４０に示す記憶装置は、一部の構成が容量素子１００とトランジスタ２
００とで共有されているセル６００を有する

【0502】

上記構造により、セル６００と、トランジスタ３００との一部、または全体が、重畳す
ることで、記憶装置の投影面積を小さくすることができる。従って、セル６００の微細化
、または高集積化が容易となる。また、工程短縮が可能となる。

【0503】

（実施の形態４）
本実施の形態では、図４１乃至図４３を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導
体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ）、および容量素子が適用され
ている記憶装置の一例として、ＮＯＳＲＡＭ（登録商標）について説明する。ＮＯＳＲＡ
Ｍとは「Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ」
の略称であり、ゲインセル型（２Ｔ型、３Ｔ型）のメモリセルを有するＲＡＭを指す。な
お、以下において、ＮＯＳＲＡＭのようにＯＳトランジスタを用いたメモリ装置を、ＯＳ
メモリと呼ぶ場合がある。

【0504】

ＮＯＳＲＡＭでは、メモリセルにＯＳトランジスタが用いられるメモリ装置（以下、「
ＯＳメモリ」と呼ぶ）が適用されている。ＯＳメモリは、少なくとも容量素子と、容量素
子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有するメモリである。ＯＳトランジスタが極小
オフ電流のトランジスタであるので、ＯＳメモリは優れた保持特性をもち、不揮発性メモ
リとして機能させることができる。

【0505】

＜ＮＯＳＲＡＭ＞
図４１にＮＯＳＲＡＭ１６００の構成例を示す。図４１に示すＮＯＳＲＡＭ１６００は
、メモリセルアレイ１６１０、コントローラ１６４０、行ドライバ１６５０、列ドライバ
１６６０、出力ドライバ１６７０を有する。なお、ＮＯＳＲＡＭ１６００は、１のメモリ
セルで多値データを記憶する多値ＮＯＳＲＡＭである。

【0506】

メモリセルアレイ１６１０は複数のメモリセル１６１１、複数のワード線ＷＷＬ、ＲＷ
Ｌ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬを有する。ワード線ＷＷＬは書き込みワード線であり、
ワード線ＲＷＬは読み出しワード線である。ＮＯＳＲＡＭ１６００では、１のメモリセル
１６１１で３ビット（８値）のデータを記憶する。

【0507】

コントローラ１６４０は、ＮＯＳＲＡＭ１６００全体を統括的に制御し、データＷＤＡ
［３１：０］の書き込み、データＲＤＡ［３１：０］の読み出しを行う。コントローラ１
６４０は、外部からのコマンド信号（例えば、チップイネーブル信号、書き込みイネーブ
ル信号など）を処理して、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０および出力ドライバ
１６７０の制御信号を生成する。

【0508】

行ドライバ１６５０は、アクセスする行を選択する機能を有する。行ドライバ１６５０
は、行デコーダ１６５１、およびワード線ドライバ１６５２を有する。

【0509】

列ドライバ１６６０は、ソース線ＳＬおよびビット線ＢＬを駆動する。列ドライバ１６
６０は、列デコーダ１６６１、書き込みドライバ１６６２、ＤＡＣ（デジタル－アナログ
変換回路）１６６３を有する。

【0510】

ＤＡＣ１６６３は３ビットのデジタルデータをアナログ電圧に変換する。ＤＡＣ１６６
３は３２ビットのデータＷＤＡ［３１：０］を３ビットごとに、アナログ電圧に変換する
。

【0511】

書き込みドライバ１６６２は、ソース線ＳＬをプリチャージする機能、ソース線ＳＬを
電気的に浮遊状態にする機能、ソース線ＳＬを選択する機能、選択されたソース線ＳＬに
ＤＡＣ１６６３で生成した書き込み電圧を入力する機能、ビット線ＢＬをプリチャージす
る機能、ビット線ＢＬを電気的に浮遊状態にする機能等を有する。

【0512】

出力ドライバ１６７０は、セレクタ１６７１、ＡＤＣ（アナログ－デジタル変換回路）
１６７２、出力バッファ１６７３を有する。セレクタ１６７１は、アクセスするソース線
ＳＬを選択し、選択されたソース線ＳＬの電圧をＡＤＣ１６７２に送信する。ＡＤＣ１６
７２は、アナログ電圧を３ビットのデジタルデータに変換する機能を持つ。ソース線ＳＬ
の電圧はＡＤＣ１６７２において、３ビットのデータに変換され、出力バッファ１６７３
はＡＤＣ１６７２から出力されるデータを保持する。

【0513】

なお、本実施の形態に示す、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、および出力ド
ライバ１６７０の構成は、上記に限定されるものではない。メモリセルアレイ１６１０の
構成または駆動方法などに応じて、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配
線の配置を変更してもよいし、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の
有する機能を変更または追加してもよい。例えば、上記のソース線ＳＬが有する機能の一
部を、ビット線ＢＬに有せしめる構成にしてもよい。

【0514】

なお、上記においては、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を３ビットとしたが
、本実施の形態に示す記憶装置の構成はこれに限られない。各メモリセル１６１１に保持
させる情報量を２ビット以下にしてもよいし、４ビット以上にしてもよい。例えば、各メ
モリセル１６１１に保持させる情報量を１ビットにする場合、ＤＡＣ１６６３およびＡＤ
Ｃ１６７２を設けない構成にしてもよい。

【0515】

＜メモリセル＞
図４２（Ａ）はメモリセル１６１１の構成例を示す回路図である。メモリセル１６１１
は２Ｔ型のゲインセルであり、メモリセル１６１１はワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線
ＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１１は、ノ
ードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６１、トランジスタＭＰ６１、容量素子Ｃ６１を有する
。ＯＳトランジスタＭＯ６１は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６１は読
み出しトランジスタであり、例えばｐチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。容量素
子Ｃ６１はノードＳＮの電圧を保持するための保持容量である。ノードＳＮはデータの保
持ノードであり、ここではトランジスタＭＰ６１のゲートに相当する。

【0516】

メモリセル１６１１の書き込みトランジスタがＯＳトランジスタＭＯ６１で構成されて
いるため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は長時間データを保持することが可能である。

【0517】

図４２（Ａ）の例では、書き込みと読み出しで共通のビット線が設けられているが、図
４２（Ｂ）に示すように、書き込みビット線として機能する、ビット線ＷＢＬと、読み出
しビット線として機能する、ビット線ＲＢＬとを設けてもよい。

【0518】

図４２（Ｃ）－図４２（Ｅ）にメモリセルの他の構成例を示す。図４２（Ｃ）－図４２
（Ｅ）には、書き込み用のビット線ＷＢＬと読み出し用のビット線ＲＢＬを設けた例を示
しているが、図４２（Ａ）のように書き込みと読み出しで共有されるビット線を設けても
よい。

【0519】

図４２（Ｃ）に示すメモリセル１６１２は、メモリセル１６１１の変形例であり、読み
出しトランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６１）に変更したものである。トラ
ンジスタＭＮ６１はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよ
い。

【0520】

メモリセル１６１１、１６１２において、ＯＳトランジスタＭＯ６１はバックゲートの
無いＯＳトランジスタであってもよい。

【0521】

図４２（Ｄ）に示すメモリセル１６１３は、３Ｔ型ゲインセルであり、ワード線ＷＷＬ
、ＲＷＬ、ビット線ＷＢＬ、ＲＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬ、ＰＣＬに電気的に接続
されている。メモリセル１６１３は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６２、トランジ
スタＭＰ６２、トランジスタＭＰ６３、容量素子Ｃ６２を有する。ＯＳトランジスタＭＯ
６２は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６２は読み出しトランジスタであ
り、トランジスタＭＰ６３は選択トランジスタである。

【0522】

図４２（Ｅ）に示すメモリセル１６１４は、メモリセル１６１３の変形例であり、読み
出しトランジスタおよび選択トランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６２、ＭＮ
６３）に変更したものである。トランジスタＭＮ６２、ＭＮ６３はＯＳトランジスタであ
ってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。

【0523】

メモリセル１６１１－１６１４に設けられるＯＳトランジスタは、バックゲートの無い
トランジスタでもよいし、バックゲートが有るトランジスタであってもよい。

【0524】

上記においては、メモリセル１６１１などが並列に接続された、いわゆるＮＯＲ型の記
憶装置について説明したが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない
。例えば、以下に示すようなメモリセル１６１５が直列に接続された、いわゆるＮＡＮＤ
型の記憶装置にしてもよい。

【0525】

図４３はＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０の構成例を示す回路図である。図４３
に示すメモリセルアレイ１６１０は、ソース線ＳＬ、ビット線ＲＢＬ、ビット線ＷＢＬ、
ワード線ＷＷＬ、ワード線ＲＷＬ、配線ＢＧＬ、およびメモリセル１６１５を有する。メ
モリセル１６１５は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６３、トランジスタＭＮ６４、
容量素子Ｃ６３を有する。ここで、トランジスタＭＮ６４は、例えばｎチャネル型Ｓｉト
ランジスタで構成される。これに限られず、トランジスタＭＮ６４は、ｐチャネル型Ｓｉ
トランジスタ、であってもよいし、ＯＳトランジスタであってもよい。

【0526】

以下では、図４３に示すメモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂを例として
説明する。ここで、メモリセル１６１５ａまたはメモリセル１６１５ｂのいずれかに接続
する配線、または回路素子の符号については、ａまたはｂの符号を付して表す。

【0527】

メモリセル１６１５ａにおいて、トランジスタＭＮ６４ａのゲートと、ＯＳトランジス
タＭＯ６３ａのソースおよびドレインの一方と、容量素子Ｃ６３ａの電極の一方とは、電
気的に接続されている。また、ビット線ＷＢＬとＯＳトランジスタＭＯ６３ａのソースお
よびドレインの他方とは、電気的に接続されている。また、ワード線ＷＷＬａと、ＯＳト
ランジスタＭＯ６３ａのゲートとは、電気的に接続されている。また、配線ＢＧＬａと、
ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのバックゲートとは、電気的に接続されている。そして、ワ
ード線ＲＷＬａと、容量素子Ｃ６３ａの電極の他方は電気的に接続されている。

【0528】

メモリセル１６１５ｂは、ビット線ＷＢＬとのコンタクト部を対称の軸として、メモリ
セル１６１５ａと対称的に設けることができる。よって、メモリセル１６１５ｂに含まれ
る回路素子も、上記メモリセル１６１５ａと同じように配線と接続される。

【0529】

さらに、メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのソースは、メモリセ
ル１６１５ｂのトランジスタＭＮ６４ｂのドレインと電気的に接続される。メモリセル１
６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのドレインは、ビット線ＲＢＬと電気的に接続
される。メモリセル１６１５ｂが有するトランジスタＭＮ６４ｂのソースは、複数のメモ
リセル１６１５が有するトランジスタＭＮ６４を介してソース線ＳＬと電気的に接続され
る。このように、ＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０では、ビット線ＲＢＬとソース
線ＳＬの間に、複数のトランジスタＭＮ６４が直列に接続される。

【0530】

図４３に示すメモリセルアレイ１６１０を有する記憶装置では、同じワード線ＷＷＬ（
またはワード線ＲＷＬ）に接続された複数のメモリセル（以下、メモリセル列と呼ぶ）ご
とに、書き込み動作および読み出し動作を行う。例えば、書き込み動作は次のように行う
ことができる。書き込みを行うメモリセル列に接続されたワード線ＷＷＬにＯＳトランジ
スタＭＯ６３がオン状態となる電位を与え、書き込みを行うメモリセル列のＯＳトランジ
スタＭＯ６３をオン状態にする。これにより、指定したメモリセル列のトランジスタＭＮ
６４のゲートおよび容量素子Ｃ６３の電極の一方にビット線ＷＢＬの電位が与えられ、該
ゲートに所定の電荷が与えられる。それから当該メモリセル列のＯＳトランジスタＭＯ６
３をオフ状態にすると、該ゲートに与えられた所定の電荷を保持することができる。この
ようにして、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５にデータを書き込むことができ
る。

【0531】

また、例えば、読み出し動作は次のように行うことができる。まず、読み出しを行うメ
モリセル列に接続されていないワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートに与え
られた電荷によらず、トランジスタＭＮ６４がオン状態となるような電位を与え、読み出
しを行うメモリセル列以外のトランジスタＭＮ６４をオン状態とする。それから、読み出
しを行うメモリセル列に接続されたワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートが
有する電荷によって、トランジスタＭＮ６４のオン状態またはオフ状態が選択されるよう
な電位（読み出し電位）を与える。そして、ソース線ＳＬに定電位を与え、ビット線ＲＢ
Ｌに接続されている読み出し回路を動作状態とする。ここで、ソース線ＳＬ－ビット線Ｒ
ＢＬ間の複数のトランジスタＭＮ６４は、読み出しを行うメモリセル列を除いてオン状態
となっているため、ソース線ＳＬ－ビット線ＲＢＬ間のコンダクタンスは、読み出しを行
うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４の状態（オン状態またはオフ状態）によって決定
される。読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によ
って、トランジスタのコンダクタンスは異なるから、それに応じて、ビット線ＲＢＬの電
位は異なる値をとることになる。ビット線ＲＢＬの電位を読み出し回路によって読み出す
ことで、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５から情報を読み出すことができる。

【0532】

容量素子Ｃ６１、容量素子Ｃ６２、または容量素子Ｃ６３の充放電によってデータを書
き換えるため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低
エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、長時間データを保
持することが可能であるので、リフレッシュ頻度を低減できる。

【0533】

上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１６１１、１６１２、１６１３、１６１
４、１６１５に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ６１、ＭＯ６２、ＭＯ６３としてトラ
ンジスタ２００を用い、容量素子Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ６３として容量素子１００を用い、
トランジスタＭＰ６１、ＭＰ６２、ＭＰ６３、ＭＮ６１、ＭＮ６２、ＭＮ６３、ＭＮ６４
としてトランジスタ３００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子
一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る
記憶装置をさらに高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の
単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。

【0534】

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態などに示す構成と適宜組み合わせて用いる
ことができる。

【0535】

（実施の形態５）
本実施の形態では、図４４および図４５を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半
導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ）、および容量素子が適用さ
れている記憶装置の一例として、ＤＯＳＲＡＭ（登録商標）について説明する。ＤＯＳＲ
ＡＭとは、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ」の略
称であり、１Ｔ（トランジスタ）１Ｃ（容量）型のメモリセルを有するＲＡＭを指す。

【0536】

ＤＯＳＲＡＭでは、メモリセルにＯＳトランジスタが用いられるメモリ装置（以下、「
ＯＳメモリ」と呼ぶ）が適用されている。ＯＳメモリは、少なくとも容量素子と、容量素
子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有するメモリである。ＯＳトランジスタが極小
オフ電流のトランジスタであるので、ＯＳメモリは優れた保持特性をもち、不揮発性メモ
リとして機能させることができる。

【0537】

＜ＤＯＳＲＡＭ１４００＞
図４４にＤＯＳＲＡＭの構成例を示す。図４４に示すように、ＤＯＳＲＡＭ１４００は
、コントローラ１４０５、行回路１４１０、列回路１４１５、メモリセルおよびセンスア
ンプアレイ１４２０（以下、「ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０」と呼ぶ）を有する。

【0538】

行回路１４１０はデコーダ１４１１、ワード線ドライバ回路１４１２、列セレクタ１４
１３、センスアンプドライバ回路１４１４を有する。列回路１４１５はグローバルセンス
アンプアレイ１４１６、入出力回路１４１７を有する。グローバルセンスアンプアレイ１
４１６は複数のグローバルセンスアンプ１４４７を有する。ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０は
メモリセルアレイ１４２２、センスアンプアレイ１４２３、グローバルビット線ＧＢＬＬ
、ＧＢＬＲを有する。

【0539】

（ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０）
ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０は、メモリセルアレイ１４２２をセンスアンプアレイ１４２
３上に積層した積層構造をもつ。グローバルビット線ＧＢＬＬ、ＧＢＬＲはメモリセルア
レイ１４２２上に積層されている。ＤＯＳＲＡＭ１４００では、ビット線の構造に、ロー
カルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている
。

【0540】

メモリセルアレイ１４２２は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のローカルメモリセルアレイ
１４２５＜０＞－１４２５＜Ｎ－１＞を有する。図４５（Ａ）にローカルメモリセルアレ
イ１４２５の構成例を示す。ローカルメモリセルアレイ１４２５は、複数のメモリセル１
４４５、複数のワード線ＷＬ、複数のビット線ＢＬＬ、ＢＬＲを有する。図４５（Ａ）の
例では、ローカルメモリセルアレイ１４２５の構造はオープンビット線型であるが、フォ
ールデッドビット線型であってもよい。

【0541】

図４５（Ｂ）に共通のビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される、一組のメモリセル１４
４５ａおよびメモリセル１４４５ｂの回路構成例を示す。メモリセル１４４５ａはトラン
ジスタＭＷ１ａ、容量素子ＣＳ１ａ、端子Ｂ１ａ、Ｂ２ａを有し、ワード線ＷＬａ、ビッ
ト線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される。また、メモリセル１４４５ｂはトランジスタＭＷ１
ｂ、容量素子ＣＳ１ｂ、端子Ｂ１ｂ、Ｂ２ｂを有し、ワード線ＷＬｂ、ビット線ＢＬＬ（
ＢＬＲ）に接続される。なお、以下において、メモリセル１４４５ａおよびメモリセル１
４４５ｂのいずれかを特に限定しない場合は、メモリセル１４４５およびそれに付属する
構成にａまたはｂの符号を付さない場合がある。

【0542】

トランジスタＭＷ１ａは容量素子ＣＳ１ａの充放電を制御する機能をもち、トランジス
タＭＷ１ｂは容量素子ＣＳ１ｂの充放電を制御する機能をもつ。トランジスタＭＷ１ａの
ゲートはワード線ＷＬａに電気的に接続され、第１端子はビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に電
気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ａの第１端子に電気的に接続されている。ま
た、トランジスタＭＷ１ｂのゲートはワード線ＷＬｂに電気的に接続され、第１端子はビ
ット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ｂの第１端子に
電気的に接続されている。

【0543】

容量素子ＣＳ１の第２端子は端子Ｂ２に電気的に接続されている。端子Ｂ２には、定電
圧（例えば、低電源電圧）が入力される。

【0544】

上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４４５ａ、１４４５ｂに用いる場合、
トランジスタＭＷ１ａとしてトランジスタ２００ａ、トランジスタＭＷ１ｂとしてトラン
ジスタ２００ｂを用い、容量素子ＣＳ１ａとして容量素子１００ａ、容量素子ＣＳ１ｂと
して容量素子１００ｂを用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組
当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶
装置を高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当
たりの記憶容量を増加させることができる。

【0545】

トランジスタＭＷ１はバックゲートを備えており、バックゲートは端子Ｂ１に電気的に
接続されている。そのため、端子Ｂ１の電圧によって、トランジスタＭＷ１の閾値電圧を
変更することができる。例えば、端子Ｂ１の電圧は固定電圧（例えば、負の定電圧）であ
ってもよいし、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作に応じて、端子Ｂ１の電圧を変化させてもよ
い。

【0546】

トランジスタＭＷ１のバックゲートをトランジスタＭＷ１のゲート、第１端子、または
第２端子に電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭＷ１にバックゲートを設
けなくてもよい。

【0547】

センスアンプアレイ１４２３は、Ｎ個のローカルセンスアンプアレイ１４２６＜０＞－
１４２６＜Ｎ－１＞を有する。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、１のスイッチア
レイ１４４４、複数のセンスアンプ１４４６を有する。センスアンプ１４４６には、ビッ
ト線対が電気的に接続されている。センスアンプ１４４６は、ビット線対をプリチャージ
する機能、ビット線対の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。ス
イッチアレイ１４４４は、ビット線対を選択し、選択したビット線対とグローバルビット
線対との間を導通状態にする機能を有する。

【0548】

ここで、ビット線対とは、センスアンプによって、同時に比較される２本のビット線の
ことをいう。グローバルビット線対とは、グローバルセンスアンプによって、同時に比較
される２本のグローバルビット線のことをいう。ビット線対を一対のビット線と呼ぶこと
ができ、グローバルビット線対を一対のグローバルビット線と呼ぶことができる。ここで
は、ビット線ＢＬＬとビット線ＢＬＲが１組のビット線対を成す。グローバルビット線Ｇ
ＢＬＬとグローバルビット線ＧＢＬＲとが１組のグローバルビット線対をなす。以下、ビ
ット線対（ＢＬＬ，ＢＬＲ）、グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）とも表す。

【0549】

（コントローラ１４０５）
コントローラ１４０５は、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作全般を制御する機能を有する。
コントローラ１４０５は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モー
ドを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路１４１０、列回路１
４１５の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内
部アドレス信号を生成する機能を有する。

【0550】

（行回路１４１０）
行回路１４１０は、ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０を駆動する機能を有する。デコーダ１４
１１はアドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路１４１２は、ア
クセス対象行のワード線ＷＬを選択する選択信号を生成する。

【0551】

列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４はセンスアンプアレイ１４２
３を駆動するための回路である。列セレクタ１４１３は、アクセス対象列のビット線を選
択するための選択信号を生成する機能をもつ。列セレクタ１４１３の選択信号によって、
各ローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４が制御される。センス
アンプドライバ回路１４１４の制御信号によって、複数のローカルセンスアンプアレイ１
４２６は独立して駆動される。

【0552】

（列回路１４１５）
列回路１４１５は、データ信号ＷＤＡ［３１：０］の入力を制御する機能、データ信号
ＲＤＡ［３１：０］の出力を制御する機能を有する。データ信号ＷＤＡ［３１：０］は書
き込みデータ信号であり、データ信号ＲＤＡ［３１：０］は読み出しデータ信号である。

【0553】

グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）に電
気的に接続されている。グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢ
ＬＬ，ＧＢＬＲ）間の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。グロ
ーバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）へのデータの書き込み、および読み出しは、入
出力回路１４１７によって行われる。

【0554】

ＤＯＳＲＡＭ１４００の書き込み動作の概要を説明する。入出力回路１４１７によって
、データがグローバルビット線対に書き込まれる。グローバルビット線対のデータは、グ
ローバルセンスアンプアレイ１４１６によって保持される。アドレス信号が指定するロー
カルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４によって、グローバルビット
線対のデータが、対象列のビット線対に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４
２６は、書き込まれたデータを増幅し、保持する。指定されたローカルメモリセルアレイ
１４２５において、行回路１４１０によって、対象行のワード線ＷＬが選択され、選択行
のメモリセル１４４５にローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データが書き込まれ
る。

【0555】

ＤＯＳＲＡＭ１４００の読み出し動作の概要を説明する。アドレス信号によって、ロー
カルメモリセルアレイ１４２５の１行が指定される。指定されたローカルメモリセルアレ
イ１４２５において、対象行のワード線ＷＬが選択状態となり、メモリセル１４４５のデ
ータがビット線に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６によって、各列の
ビット線対の電圧差がデータとして検出され、かつ保持される。スイッチアレイ１４４４
によって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データの内、アドレス信号が指定
する列のデータが、グローバルビット線対に書き込まれる。グローバルセンスアンプアレ
イ１４１６は、グローバルビット線対のデータを検出し、保持する。グローバルセンスア
ンプアレイ１４１６の保持データは入出力回路１４１７に出力される。以上で、読み出し
動作が完了する。

【0556】

容量素子ＣＳ１の充放電によってデータを書き換えるため、ＤＯＳＲＡＭ１４００には
原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび
読み出しが可能である。また、メモリセル１４４５の回路構成が単純であるため、大容量
化が容易である。

【0557】

トランジスタＭＷ１はＯＳトランジスタである。ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて
小さいため、容量素子ＣＳ１から電荷がリークすることを抑えることができる。したがっ
て、ＤＯＳＲＡＭ１４００の保持時間はＤＲＡＭに比べて非常に長い。したがってリフレ
ッシュの頻度を低減できるため、リフレッシュ動作に要する電力を削減できる。よって、
ＤＯＳＲＡＭ１４００は大容量のデータを高頻度で書き換えるメモリ装置、例えば、画像
処理に利用されるフレームメモリに好適である。

【0558】

ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０が積層構造であることよって、ローカルセンスアンプアレイ
１４２６の長さと同程度の長さにビット線を短くすることができる。ビット線を短くする
ことで、ビット線容量が小さくなり、メモリセル１４４５の保持容量を低減することがで
きる。また、ローカルセンスアンプアレイ１４２６にスイッチアレイ１４４４を設けるこ
とで、長いビット線の本数を減らすことができる。以上の理由から、ＤＯＳＲＡＭ１４０
０のアクセス時に駆動する負荷が低減され、消費電力を低減することができる。

【0559】

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態などに示す構成と適宜組み合わせて用いる
ことができる。

【0560】

（実施の形態６）
本実施の形態では、図４６を用いて、上記実施の形態に示す半導体装置を適用した、Ａ
Ｉシステムについて説明を行う。

【0561】

図４６はＡＩシステム４０４１の構成例を示すブロック図である。ＡＩシステム４０４
１は、演算部４０１０と、制御部４０２０と、入出力部４０３０を有する。

【0562】

演算部４０１０は、アナログ演算回路４０１１と、ＤＯＳＲＡＭ４０１２と、ＮＯＳＲ
ＡＭ４０１３と、ＦＰＧＡ４０１４と、を有する。ＤＯＳＲＡＭ４０１２およびＮＯＳＲ
ＡＭ４０１３として、上記実施の形態に示す、ＤＯＳＲＡＭ１４００およびＮＯＳＲＡＭ
１６００を用いることができる。

【0563】

制御部４０２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０
２１と、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０２２と、Ｐ
ＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）４０２３と、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒ
ａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４０２４と、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａ
ｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４０２５と、メモリコントローラ４０２６
と、電源回路４０２７と、ＰＭＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）４０
２８と、を有する。

【0564】

入出力部４０３０は、外部記憶制御回路４０３１と、音声コーデック４０３２と、映像
コーデック４０３３と、汎用入出力モジュール４０３４と、通信モジュール４０３５と、
を有する。

【0565】

演算部４０１０は、ニューラルネットワークによる学習または推論を実行することがで
きる。

【0566】

アナログ演算回路４０１１はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、Ｄ／Ａ（デジタ
ル／アナログ）変換回路、および積和演算回路を有する。

【0567】

アナログ演算回路４０１１はＯＳトランジスタを用いて形成することが好ましい。ＯＳ
トランジスタを用いたアナログ演算回路４０１１は、アナログメモリを有し、学習または
推論に必要な積和演算を、低消費電力で実行することが可能になる。

【0568】

ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを用いて形成されたＤＲＡＭであり、ＤＯ
ＳＲＡＭ４０１２は、ＣＰＵ４０２１から送られてくるデジタルデータを一時的に格納す
るメモリである。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを含むメモリセルと、Ｓｉ
トランジスタを含む読み出し回路部を有する。上記メモリセルと読み出し回路部は、積層
された異なる層に設けることができるため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、全体の回路面積を
小さくすることができる。

【0569】

ニューラルネットワークを用いた計算は、入力データが１０００を超えることがある。
上記入力データをＳＲＡＭ４０２４に格納する場合、ＳＲＡＭ４０２４は回路面積に制限
があり、記憶容量が小さいため、上記入力データを小分けにして格納せざるを得ない。Ｄ
ＯＳＲＡＭ４０１２は、限られた回路面積でも、メモリセルを高集積に配置することが可
能であり、ＳＲＡＭ４０２４に比べて記憶容量が大きい。そのため、ＤＯＳＲＡＭ４０１
２は、上記入力データを効率よく格納することができる。

【0570】

ＮＯＳＲＡＭ４０１３はＯＳトランジスタを用いた不揮発性メモリである。ＮＯＳＲＡ
Ｍ４０１３は、フラッシュメモリや、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ
Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎ
ｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの他の不揮発性メモリと比べて、データを書
き込む際の消費電力が小さい。また、フラッシュメモリやＲｅＲＡＭのように、データを
書き込む際に素子が劣化することもなく、データの書き込み可能回数に制限が無い。

【0571】

また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、１ビットの２値データの他に、２ビット以上の多値デ
ータを記憶することができる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は多値データを記憶することで、１
ビット当たりのメモリセル面積を小さくすることができる。

【0572】

また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、デジタルデータの他にアナログデータを記憶すること
ができる。そのため、アナログ演算回路４０１１は、ＮＯＳＲＡＭ４０１３をアナログメ
モリとして用いることもできる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、アナログデータのまま記憶す
ることができるため、Ｄ／Ａ変換回路やＡ／Ｄ変換回路が不要である。そのため、ＮＯＳ
ＲＡＭ４０１３は周辺回路の面積を小さくすることができる。なお、本明細書においてア
ナログデータとは、３ビット（８値）以上分解能を有するデータのことを指す。上述した
多値データがアナログデータに含まれる場合もある。

【0573】

ニューラルネットワークの計算に用いられるデータやパラメータは、一旦、ＮＯＳＲＡ
Ｍ４０１３に格納することができる。上記データやパラメータは、ＣＰＵ４０２１を介し
て、ＡＩシステム４０４１の外部に設けられたメモリに格納してもよいが、内部に設けら
れたＮＯＳＲＡＭ４０１３の方が、より高速且つ低消費電力に上記データやパラメータを
格納することができる。また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２よりもビ
ット線を長くすることができるので、記憶容量を大きくすることができる。

【0574】

ＦＰＧＡ４０１４は、ＯＳトランジスタを用いたＦＰＧＡである。本実施の形態のＦＰ
ＧＡは、コンフィギュレーションメモリ、およびレジスタにＯＳメモリを適用することが
できる。ここでは、このようなＦＰＧＡを「ＯＳ－ＦＰＧＡ」と呼ぶ。ＡＩシステム４０
４１は、ＦＰＧＡ４０１４を用いることによって、後述する、ディープニューラルネット
ワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネッ
トワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネット
ワーク（ＤＢＮ）などの、ニューラルネットワークの接続をハードウェアで構成すること
ができる。上記のニューラルネットワークの接続をハードウェアで構成することで、より
高速に実行することができる。

【0575】

ＦＰＧＡ４０１４はＯＳ－ＦＰＧＡである。ＯＳ－ＦＰＧＡは、ＳＲＡＭで構成される
ＦＰＧＡよりもメモリの面積を小さくすることができる。そのため、コンテキスト切り替
え機能を追加しても面積増加が少ない。また、ＯＳ－ＦＰＧＡはブースティングによりデ
ータやパラメータを高速に伝えることができる。

【0576】

ＡＩシステム４０４１は、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳ
ＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を１つのダイ（チップ）の上に設けることがで
きる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワ
ークの計算を実行することができる。また、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４
０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４は、同じ製造プロセスで作製す
ることができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、低コストで作製することができる
。

【0577】

なお、演算部４０１０は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰ
ＧＡ４０１４を、全て有する必要はない。ＡＩシステム４０４１が解決したい課題に応じ
て、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４の一または
複数を、選択して設ければよい。

【0578】

ＡＩシステム４０４１は、解決したい課題に応じて、ディープニューラルネットワーク
（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワー
ク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク
（ＤＢＮ）などの手法を実行することができる。ＰＲＯＭ４０２５は、これらの手法の少
なくとも１つを実行するためのプログラムを保存することができる。また、当該プログラ
ムの一部または全てを、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に保存してもよい。

【0579】

ライブラリとして存在する既存のプログラムは、ＧＰＵの処理を前提としているものが
多い。そのため、ＡＩシステム４０４１はＧＰＵ４０２２を有することが好ましい。ＡＩ
システム４０４１は、学習と推論で用いられる積和演算のうち、律速となる積和演算を演
算部４０１０で実行し、それ以外の積和演算をＧＰＵ４０２２で実行することができる。
そうすることで、学習と推論を高速に実行することができる。

【0580】

電源回路４０２７は、論理回路用の低電源電位を生成するだけではなく、アナログ演算
のための電位生成も行う。電源回路４０２７はＯＳメモリを用いてもよい。電源回路４０
２７は、基準電位をＯＳメモリに保存することで、消費電力を下げることができる。

【0581】

ＰＭＵ４０２８は、ＡＩシステム４０４１の電力供給を一時的にオフにする機能を有す
る。

【0582】

ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２は、レジスタとしてＯＳメモリを有することが好
ましい。ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２はＯＳメモリを有することで、電力供給が
オフになっても、ＯＳメモリ中にデータ（論理値）を保持し続けることができる。その結
果、ＡＩシステム４０４１は、電力を節約することができる。

【0583】

ＰＬＬ４０２３は、クロックを生成する機能を有する。ＡＩシステム４０４１は、ＰＬ
Ｌ４０２３が生成したクロックを基準に動作を行う。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有す
ることが好ましい。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することで、クロックの発振周期を
制御するアナログ電位を保持することができる。

【0584】

ＡＩシステム４０４１は、ＤＲＡＭなどの外部メモリにデータを保存してもよい。その
ため、ＡＩシステム４０４１は、外部のＤＲＡＭとのインターフェースとして機能するメ
モリコントローラ４０２６を有することが好ましい。また、メモリコントローラ４０２６
は、ＣＰＵ４０２１またはＧＰＵ４０２２の近くに配置することが好ましい。そうするこ
とで、データのやり取りを高速に行うことができる。

【0585】

制御部４０２０に示す回路の一部または全ては、演算部４０１０と同じダイの上に形成
することができる。そうすることで、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、
ニューラルネットワークの計算を実行することができる。

【0586】

ニューラルネットワークの計算に用いられるデータは外部記憶装置（ＨＤＤ（Ｈａｒｄ
Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）など）に保
存される場合が多い。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部記憶装置とのインターフ
ェースとして機能する外部記憶制御回路４０３１を有することが好ましい。

【0587】

ニューラルネットワークを用いた学習と推論は、音声や映像を扱うことが多いので、Ａ
Ｉシステム４０４１は音声コーデック４０３２および映像コーデック４０３３を有する。
音声コーデック４０３２は、音声データのエンコード（符号化）およびデコード（復号）
を行い、映像コーデック４０３３は、映像データのエンコードおよびデコードを行う。

【0588】

ＡＩシステム４０４１は、外部センサから得られたデータを用いて学習または推論を行
うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は汎用入出力モジュール４０３４を有
する。汎用入出力モジュール４０３４は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒ
ｉａｌ Ｂｕｓ）やＩ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ－Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）など
を含む。

【0589】

ＡＩシステム４０４１は、インターネットを経由して得られたデータを用いて学習また
は推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、通信モジュール４０３
５を有することが好ましい。

【0590】

アナログ演算回路４０１１は、多値のフラッシュメモリをアナログメモリとして用いて
もよい。しかし、フラッシュメモリは書き換え可能回数に制限がある。また、多値のフラ
ッシュメモリは、エンベディッドで形成する（演算回路とメモリを同じダイの上に形成す
る）ことが非常に難しい。

【0591】

また、アナログ演算回路４０１１は、ＲｅＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい
。しかし、ＲｅＲＡＭは書き換え可能回数に制限があり、記憶精度の点でも問題がある。
さらに、２端子でなる素子であるため、データの書き込みと読み出しを分ける回路設計が
複雑になる。

【0592】

また、アナログ演算回路４０１１は、ＭＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。
しかし、ＭＲＡＭは抵抗変化率が低く、記憶精度の点で問題がある。

【0593】

以上を鑑み、アナログ演算回路４０１１は、ＯＳメモリをアナログメモリとして用いる
ことが好ましい。

【0594】

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態などに示す構成と適宜組み合わせて用いる
ことができる。

【0595】

（実施の形態７）
＜ＡＩシステムの応用例＞
本実施の形態では、上記実施の形態に示すＡＩシステムの応用例について図４７を用い
て説明を行う。

【0596】

図４７（Ａ）は、図４６で説明したＡＩシステム４０４１を並列に配置し、バス線を介
してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ａである。

【0597】

図４７（Ａ）に図示するＡＩシステム４０４１Ａは、複数のＡＩシステム４０４１＿１
乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎ（ｎは自然数）を有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至
ＡＩシステム４０４１＿ｎは、バス線４０９８を介して互いに接続されている。

【0598】

また図４７（Ｂ）は、図４６で説明したＡＩシステム４０４１を図４７（Ａ）と同様に
並列に配置し、ネットワークを介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシ
ステム４０４１Ｂである。

【0599】

図４７（Ｂ）に図示するＡＩシステム４０４１Ｂは、複数のＡＩシステム４０４１＿１
乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎを有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４
０４１＿ｎは、ネットワーク４０９９を介して互いに接続されている。

【0600】

ネットワーク４０９９は、ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎの
それぞれに通信モジュールを設け、無線または有線による通信を行う構成とすればよい。
通信モジュールは、アンテナを介して通信を行うことができる。例えばＷｏｒｌｄ Ｗｉ
ｄｅ Ｗｅｂ（ＷＷＷ）の基盤であるインターネット、イントラネット、エクストラネッ
ト、ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａ
ｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＣＡＮ（Ｃａｍｐｕｓ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＭＡ
Ｎ（Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒ
ｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＧＡＮ（Ｇｌｏｂａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等のコン
ピュータネットワークに各電子装置を接続させ、通信を行うことができる。無線通信を行
う場合、通信プロトコル又は通信技術として、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕ
ｔｉｏｎ）、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕ
ｎｉｃａｔｉｏｎ：登録商標）、ＥＤＧＥ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｄａｔａ Ｒａｔｅｓ
ｆｏｒ ＧＳＭ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＣＤＭＡ２０００（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏ
ｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ２０００）、Ｗ－ＣＤＭＡ（登録商標）などの通
信規格、またはＷｉ－Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅ
ｅ（登録商標）等のＩＥＥＥにより通信規格化された仕様を用いることができる。

【0601】

図４７（Ａ）、（Ｂ）の構成とすることで、外部のセンサ等で得られたアナログ信号を
別々のＡＩシステムで処理することができる。例えば、生体情報のように、脳波、脈拍、
血圧、体温等といった情報を脳波センサ、脈波センサ、血圧センサ、温度センサといった
各種センサで取得し、別々のＡＩシステムでアナログ信号を処理することができる。別々
のＡＩシステムのそれぞれで信号の処理、または学習を行うことで一つのＡＩシステムあ
たりの情報処理量を少なくできる。そのため、より少ない演算量で信号の処理、または学
習を行うことができる。その結果、認識精度を高めることができる。それぞれのＡＩシス
テムで得られた情報から、複雑に変化する生体情報を瞬時に統合的に把握することができ
るといったことが期待できる。

【0602】

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いること
ができる。

【0603】

（実施の形態８） 本実施の形態は、上記実施の形態に示すＡＩシステムが組み込まれた
ＩＣの一例を示す。

【0604】

上記実施の形態に示すＡＩシステムは、ＣＰＵ等のＳｉトランジスタでなるデジタル処
理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ－ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲ
ＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリを、１のダイに集積することができる。

【0605】

図４８に、ＡＩシステムを組み込んだＩＣの一例を示す。図４８に示すＡＩシステムＩ
Ｃ７０００は、リード７００１及び回路部７００３を有する。ＡＩシステムＩＣ７０００
は、例えばプリント基板７００２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７００２上で電気的に接続されることで電子部品が実装さ
れた基板（実装基板７００４）が完成する。回路部７００３には、上記実施の形態で示し
た各種の回路が１のダイに設けられている。回路部７００３は、先の実施の形態に示すよ
うに、積層構造をもち、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２、ＯＳトランジス
タ層７０３３に大別される。ＯＳトランジスタ層７０３３をＳｉトランジスタ層７０３１
に積層して設けることができるため、ＡＩシステムＩＣ７０００の小型化が容易である。

【0606】

図４８では、ＡＩシステムＩＣ７０００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。

【0607】

ＣＰＵ等のデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ－
ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリは、全て、Ｓｉトランジスタ
層７０３１、配線層７０３２およびＯＳトランジスタ層７０３３に形成することができる
。すなわち、上記ＡＩシステムを構成する素子は、同一の製造プロセスで形成することが
可能である。そのため、本実施の形態に示すＩＣは、構成する素子が増えても製造プロセ
スを増やす必要がなく、上記ＡＩシステムを低コストで組み込むことができる。

【0608】

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いること
ができる。

【0609】

（実施の形態９）
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図４９お
よび図５０に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。

【0610】

図４９（Ａ）に示すロボット２０００は、演算装置２００１、センサ２００２、ライト
２００３、リフト２００４、駆動部２００５、移動機構２０１１を備えており、移動しな
がら静止画や動画を撮影することができる。このようなロボットは、警備システムや、監
視システムとして用いることができる。

【0611】

ロボット２０００は、さらに、通信手段２００６、スピーカ２００７、マイクロフォン
２００８、表示部２００９、発光部２０１０などを備えていてもよい。

【0612】

演算装置２００１には、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。また
、演算装置２００１には、本発明の一態様に係るＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用い
ることができる。センサ２００２は、ロボット２０００の周囲を撮影する、カメラとして
の機能を有する。ライト２００３は、センサ２００２でロボット２０００の周囲を撮影す
る際のライトとして用いることができる。なお、センサ２００２で、静止画を撮影する際
には、ライト２００３は、フラッシュライトとして機能することが好ましい。センサ２０
０２は、リフト２００４を介して、ロボット本体と接続されている。センサ２００２の高
さは、リフト２００４により調整することができる。リフト２００４は、伸縮式であるこ
とが好ましい。また、リフト２００４は、複数のブームにより構成された折り畳み式のも
のでもよい。また、ロボット２０００には、駆動部２００５と、駆動部２００５に接続さ
れた移動機構２０１１が設けられているため、センサ２００２による撮像範囲、すなわち
監視範囲が広がり、好ましい。

【0613】

通信手段２００６は、センサ２００２により撮像された情報を管理者や、管理者が所有
するサーバへ送信することができる。また、センサ２００２により撮像された情報を演算
装置２００１にて解析し、犯罪、事故、火災などの非常事態と判断された場合は、警備会
社、警察、消防署、医療機関、土地や建物のオーナーへ連絡することができる。スピーカ
２００７は、犯罪者への警告、怪我人や急病人への問いかけ、避難の誘導など、ロボット
周囲に情報の発信を行うことができる。マイクロフォン２００８は、ロボット２０００の
周囲の音声の取得に用いることができる。また、通信手段２００６、およびスピーカ２０
０７と合わせて用いることで、ロボット２０００は電話としての機能を有することができ
る。ロボット２０００の周囲にいる人は、管理者や任意の人と会話することができる。表
示部２００９は、任意の情報を表示することができる。非常時の場合は、災害情報や避難
経路を表示することができる。また、通信手段２００６、スピーカ２００７、およびマイ
クロフォン２００８と合わせて用いることで、ロボット２０００はテレビ電話としての機
能を有することができる。ロボット２０００の周囲にいる人は、管理者や任意の人と表示
部２００９を見ながら会話することができる。

【0614】

発光部２０１０は、ロボット２０００の進行方向や停止状態を文字や光で示すことがで
きる。また、非常事態を示してもよい。

【0615】

図４９（Ｂ）は、ロボット２０００の構成を示すブロック図である。演算装置２００１
は、センサ２００２により得られた映像などの情報から、ライト２００３の点灯や消灯、
明るさの調整を行う。また、リフト２００４の高さの調整、あるいは、駆動部２００５の
制御を行い、ロボット２０００や、センサ２００２の位置合わせを行う。また、駆動部２
００５の動作状況を、発光部２０１０を用いて示すことができる。また、通信手段２００
６を用いて、センサ２００２やマイクロフォン２００８から得られたロボット２０００の
周囲の情報を管理者、または管理者が所有するサーバに送信することができる。また、演
算装置２００１や、管理者の判断により、スピーカ２００７や表示部２００９を用いて、
ロボット２０００の周囲に情報を発信することができる。

【0616】

センサ２００２に用いるセンサとして、周囲が暗くても撮像が可能なセンサを用いる場
合は、ライト２００３は設けなくてもよい。このようなセンサとして、受光部にセレン（
Ｓｅ）を用いたイメージセンサを用いることができる。

【0617】

このようなロボット２０００は、商業施設や、オフィスの警備に用いることができる。
センサ２００２やマイクロフォン２００８から得られた情報は、演算装置２００１やサー
バに保存される。保存された情報は、ＡＩシステムにより解析され、物品の紛失や破損、
不審者の侵入、火災などの災害などの異常の有無を判断する。情報の解析には、ディープ
ラーニングを用いてもよい。異常が発生したと判断した場合、ロボット２０００は、管理
者への連絡および周囲への情報発信を行い、周囲の状況を記録する。

【0618】

また、ロボット２０００は、農作物の生育状況の監視に用いてもよい。田んぼや畑に設
置されたロボット２０００は、センサ２００２により、農作物の葉、あるいは実の形、大
きさ、色を監視し、病気になっていないか、害虫の付着が無いかを判断する。ロボット２
０００には、移動機構２０１１が設けられているため、広範囲の農作物の生育状況を監視
することができる。また、ロボット２０００には、リフト２００４が設けられているため
、農作物の種類や、生育状況によらず、任意の高さの葉や実を監視することができる。監
視結果は、通信手段２００６を用いて生産者に送られ、生産者は、農作物に必要な肥料や
農薬の種類、量、散布時期を判断することができる。また、演算装置２００１を用いて、
監視結果を、ＡＩシステムにより解析し、農作物に必要な、肥料や農薬の種類、量、散布
時期を判断して、生産者に通知してもよい。監視結果の解析には、ディープラーニングを
用いてもよい。

【0619】

図５０（Ａ）は、ロボット６００１を用いた、仕分けシステム６０００を示す。ロボッ
ト６００１は、演算装置６００２、ブーム６００３、およびアーム６００４を備えている
。また、ロボット６００１は有線、または無線の通信手段６０１１を備えていてもよい。
また、仕分けシステム６０００は、センサ６００９を有する筐体６００８を備えている。
筐体６００８は、通信手段６０１０を有している。筐体６００８は、仕分けシステム６０
００、または仕分け作業エリアの天井、壁、梁（いずれも図示せず）に設けられる。また
、筐体６００８は、ロボット６００１に設けられていてもよい。例えば、ブーム６００３
、またはアーム６００４に設けられていてもよい。筐体６００８がロボット６００１に設
けられている場合は、センサ６００９により得られた情報は、通信手段６０１０、および
通信手段６０１１を介さず、演算装置６００２に送られ、処理されてもよい。

【0620】

ブーム６００３は、可動式となっており、アーム６００４を所望の位置に配置すること
ができる。また、アーム６００４は伸縮式としてもよい。所望の物品６００７上に配置さ
れたアームを伸ばし、所望の物品６００７を掴み、アーム６００４を縮めた後、ブーム６
００３によりアーム６００４を移動してもよい。

【0621】

仕分けシステム６０００は、容器６００５内の物品６００７を容器６００６に移動させ
ることができる。容器６００５と容器６００６は、同一形状でも良いし、異なる形状でも
よい。また、一つの容器６００５に入れられた複数の物品６００７を複数の容器６００６
に移動して振り分けてもよい。

【0622】

容器６００５、および容器６００６として、コンテナ、段ボール箱、商品を梱包する箱
、ケース、フィルム、または袋、食品保管用のバット、弁当箱などが用いられる。また、
容器６００５、および容器６００６の少なくとも一方は、鍋やフライパンなどの調理器具
でもよい。

【0623】

演算装置６００２には、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる。また
、演算装置６００２には、本発明の一態様に係るＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用い
ることができる。

【0624】

センサ６００９は、容器６００５の位置、容器６００６の位置、容器６００５内、およ
び容器６００５内の物品６００７の状態を読み取り、通信手段６０１０を用いて演算装置
６００２に情報を送信する。情報の送信は無線または、有線で行う。また、通信手段６０
１０を用いずに、有線にて情報を送信してもよい。演算装置６００２は、送信された情報
の解析を行う。ここで、物品６００７の状態とは、形、数、物品６００７同士の重なりな
どのことを指す。演算装置６００２は、センサ６００９からの情報をもとに解析を行い、
物品６００７の詳細情報を導出する。演算装置６００２、またはロボット６００１と通信
可能なサーバに保存されたデータと比較し、物品６００７の三次元形状や、堅さ（柔らか
さ）を導出する。また、物品６００７の三次元形状や堅さ（柔らかさ）から、アーム６０
０４の形状を変えることができる。

【0625】

物品６００７の詳細情報を導出するには、ＡＩシステムを用いた解析を利用することが
できる。情報の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。

【0626】

図５０（Ｂ）は、一対の板６０２１が水平方向に移動し、物品６００７を挟むことがで
きるアームである。一対の板６０２１が中心に向かって水平方向に移動することで、物品
６００７を挟むことができる。このようなアームは、物品６００７を面で捉えることがで
き、立方体や直方体など、柱状の形を有する物品６００７を掴むのに適している。図５０
（Ｃ）は、複数のバー６０２２が水平方向に移動し、物品６００７を挟むことができるア
ームである。複数のバー６０２２が中心に向かって水平方向に移動することで、物品６０
０７を挟むことができる。このようなアームは、物品６００７を点で捉えることができ、
球状の形を有する物品６００７、または物品６００７の形が一定でない場合、すなわち不
定型な物品６００７を掴むに適している。なお、図５０（Ｃ）では、バー６０２２の数を
４本としたが、本実施の形態はこれに限らない。バー６０２２は３本でもよいし、５本以
上でも良い。図５０（Ｄ）は、一対の板６０２３が、共通の軸を中心に、お互いが近づく
ように回転することで物品６００７を挟むことができるアームである。このようなアーム
は、物品６００７を面で捉えることができ、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品
６００７を掴むのに適している。図５０（Ｅ）は、一対のかぎ状の板６０２４が、共通の
軸を中心に、お互いの先端が近づくように回転することで物品６００７を挟むことができ
るアームである。このようなアームは、物品６００７を点、または線で捉えることができ
、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品６００７や、より小さい粒状の形を有する
物品６００７を掴むのに適している。また、図５０（Ｆ）に示すように、アームの先端に
ヘラ６０２５を取り付け、より小さい粒状の形を有する物品６００７をすくってもよい。

【0627】

図５０（Ａ）乃至図５０（Ｆ）に示すアームは、一例であり、本発明の一態様はこれら
の形状に限らない。また、各アームの用途の説明も一例であり、本発明の一態様はこれら
の記載に限らない。

【0628】

ロボット６００１は、演算装置６００２からの信号に基づき、ブーム６００３を動かし
、アーム６００４を、容器６００５内の所望の物品６００７上に移動する。伸縮式のアー
ム６００４の場合、アーム６００４を伸ばし、アーム６００４の先端を物品６００７の高
さまで降ろす。アームの先端を動かし、所望の物品６００７を掴む。物品６００７を掴ん
だまま、アームを縮める。再びブーム６００３を動かし、アーム６００４を、容器６００
６の所望の位置に移動する。このとき、容器６００６に対する物品６００７の角度を調整
する為、アーム６００４を回転してもよい。アーム６００４を伸ばし、物品６００７を容
器６００６に配置し、アーム６００４は、物品６００７を放す。以上の操作を繰り返し行
い、ロボット６００１は、物品６００７を容器６００５から容器６００６に移動させるこ
とができる。

【0629】

容器６００５、および容器６００６の位置情報、および物品６００７の状態をＡＩシス
テムを用いて解析しているため、物品６００７の形状や堅さによらず、確実に物品６００
７を移動することができる。物品６００７の例としては、立方体、または直方体の箱、ま
たは任意の形状の箱やケースに詰められた物品だけでなく、卵、ハンバーグやコロッケな
ど、成形された加工食品、ジャガイモやトマトなど、不定形な野菜などの食品、ネジやナ
ットなどの機械部品、紙やフィルムなどの薄膜などが挙げられる。本実施の形態に示した
仕分けシステム６０００は、物品６００７の形状や堅さを考慮してアームの形状を変える
ことができるため、上記に例示した物品６００７を、形状や堅さによらず、容器６００５
から容器６００６に移動させることができる。

【0630】

例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情
報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体
装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。

【0631】

また、例えば、上述した電子機器の演算装置などに、上記ＡＩシステムが組み込まれた
ＩＣを用いることができる。これにより、本実施の形態に示す電子機器は、ＡＩシステム
によって、状況に応じた的確な動作を、低消費電力で行うことができる。

【0632】

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。

【0633】

（実施の形態１０）
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図５１に
、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。

【0634】

図５１（Ａ）に、モニタ８３０を示す。モニタ８３０は、表示部８３１、筐体８３２、
スピーカ８３３等を有する。さらに、ＬＥＤランプ、操作キー（電源スイッチ、または操
作スイッチを含む）、接続端子、各種センサ、マイクロフォン等を有することができる。
またモニタ８３０は、リモコン操作機８３４により、操作することができる。

【0635】

またモニタ８３０は、放送電波を受信して、テレビジョン装置として機能することがで
きる。

【0636】

モニタ８３０が受信できる放送電波としては、地上波、または衛星から送信される電波
などが挙げられる。また放送電波として、アナログ放送、デジタル放送などがあり、また
映像及び音声、または音声のみの放送などがある。例えばＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ以上３
ＧＨｚ以下）またはＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下）のうちの特定の周波数
帯域で送信される放送電波を受信することができる。また例えば、複数の周波数帯域で受
信した複数のデータを用いることで、転送レートを高くすることができ、より多くの情報
を得ることができる。これによりフルハイビジョンを超える解像度を有する映像を、表示
部８３１に表示させることができる。例えば、４Ｋ－２Ｋ、８Ｋ－４Ｋ、１６Ｋ－８Ｋ、
またはそれ以上の解像度を有する映像を表示させることができる。

【0637】

また、インターネットやＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｗｉ－Ｆ
ｉ（登録商標）などのコンピュータネットワークを介したデータ伝送技術により送信され
た放送のデータを用いて、表示部８３１に表示する画像を生成する構成としてもよい。こ
のとき、モニタ８３０にチューナを有さなくてもよい。

【0638】

また、モニタ８３０は、コンピュータと接続し、コンピュータ用モニタとして用いるこ
とができる。また、コンピュータと接続したモニタ８３０は、複数の人が同時に閲覧可能
となり、会議システムに用いることができる。また、ネットワークを介したコンピュータ
の情報の表示や、モニタ８３０自体のネットワークへの接続により、モニタ８３０をテレ
ビ会議システムに用いることができる。

【0639】

また、モニタ８３０はデジタルサイネージとして用いることもできる。

【0640】

例えば、本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いること
ができる。本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いること
で、高速な動作や信号処理を低消費電力にて実現できる。

【0641】

また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムをモニタ８３０の画像処理部
に用いることで、ノイズ除去処理、階調変換処理、色調補正処理、輝度補正処理などの画
像処理を行うことができる。また、解像度のアップコンバートに伴う画素間補間処理や、
フレーム周波数のアップコンバートに伴うフレーム間補間処理などを実行することができ
る。また、階調変換処理は、画像の階調数を変換するだけでなく、階調数を大きくする場
合の階調値の補間を行うことができる。また、ダイナミックレンジを広げる、ハイダイナ
ミックレンジ（ＨＤＲ）処理も、階調変換処理に含まれる。

【0642】

図５１（Ｂ）に示すビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１、筐体２９４２、表示部２
９４３、操作スイッチ２９４４、レンズ２９４５、および接続部２９４６等を有する。操
作スイッチ２９４４およびレンズ２９４５は筐体２９４１に設けられており、表示部２９
４３は筐体２９４２に設けられている。また、ビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１の
内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体２９４１と筐体２９４２は、接続
部２９４６により接続されており、筐体２９４１と筐体２９４２の間の角度は、接続部２
９４６により変えることが可能な構造となっている。筐体２９４１に対する筐体２９４２
の角度によって、表示部２９４３に表示される画像の向きの変更や、画像の表示／非表示
の切り換えを行うことができる。

【0643】

例えば、本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いること
ができる。本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いること
で、高速な動作や信号処理を低消費電力にて実現できる。

【0644】

また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムをビデオカメラ２９４０の画
像処理部に用いることで、ビデオカメラ２９４０周囲の環境に応じた撮影が実現できる。
具体的には、周囲の明るさに応じて最適な露出で撮影を行うことができる。また、逆光に
おける撮影や屋内と屋外など、明るさの異なる状況を同時に撮影する場合では、ハイダイ
ナミックレンジ（ＨＤＲ）撮影を行うことができる。

【0645】

また、ＡＩシステムは、撮影者の癖を学習し、撮影のアシストを行うことができる。具
体的には、撮影者の手振れの癖を学習し、撮影中の手振れを補正することで、撮影した画
像には手振れによる画像の乱れが極力含まれないようにすることができる。また、撮影中
にズーム機能を用いる際には、被写体が常に画像の中心で撮影されるようにレンズの向き
などを制御することができる。

【0646】

図５１（Ｃ）に示す情報端末２９１０は、筐体２９１１、表示部２９１２、マイク２９
１７、スピーカ部２９１４、カメラ２９１３、外部接続部２９１６、および操作スイッチ
２９１５等を有する。表示部２９１２には、可撓性基板が用いられた表示パネルおよびタ
ッチスクリーンを備える。また、情報端末２９１０は、筐体２９１１の内側にアンテナ、
バッテリなどを備える。情報端末２９１０は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブ
レット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いる
ことができる。

【0647】

例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した情報端末２９１０
の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。

【0648】

また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムを情報端末２９１０の画像処
理部に用いることで、ノイズ除去処理、階調変換処理、色調補正処理、輝度補正処理など
の画像処理を行うことができる。また、解像度のアップコンバートに伴う画素間補間処理
や、フレーム周波数のアップコンバートに伴うフレーム間補間処理などを実行することが
できる。また、階調変換処理は、画像の階調数を変換するだけでなく、階調数を大きくす
る場合の階調値の補間を行うことができる。また、ダイナミックレンジを広げる、ハイダ
イナミックレンジ（ＨＤＲ）処理も、階調変換処理に含まれる。

【0649】

また、ＡＩシステムは、ユーザーの癖を学習し、情報端末２９１０の操作のアシストを
行うことができる。ＡＩシステムを搭載した情報端末２９１０は、ユーザーの指の動きや
、目線などからタッチ入力を予測することができる。

【0650】

図５１（Ｄ）に示すラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１
、表示部２９２２、キーボード２９２３、およびポインティングデバイス２９２４等を有
する。また、ラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１の内側に
アンテナ、バッテリなどを備える。

【0651】

例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、ラップトップ型パーソナル
コンピュータ２９２０の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる
。

【0652】

また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムをラップトップ型パーソナル
コンピュータ２９２０の画像処理部に用いることで、ノイズ除去処理、階調変換処理、色
調補正処理、輝度補正処理などの画像処理を行うことができる。また、解像度のアップコ
ンバートに伴う画素間補間処理や、フレーム周波数のアップコンバートに伴うフレーム間
補間処理などを実行することができる。また、階調変換処理は、画像の階調数を変換する
だけでなく、階調数を大きくする場合の階調値の補間を行うことができる。また、ダイナ
ミックレンジを広げる、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）処理も、階調変換処理に含ま
れる。

【0653】

また、ＡＩシステムは、ユーザーの癖を学習し、ラップトップ型パーソナルコンピュー
タ２９２０の操作のアシストを行うことができる。ＡＩシステムを搭載したラップトップ
型パーソナルコンピュータ２９２０は、ユーザーの指の動きや、目線などから表示部２９
２２へのタッチ入力を予測することができる。また、テキストの入力においては、過去の
テキスト入力情報や、前後のテキストや写真などの図から入力予測を行い、変換のアシス
トを行う。これにより、入力ミスや変換ミスを極力低減することができる。

【0654】

図５１（Ｅ）は、自動車の一例を示す外観図、図５１（Ｆ）は、ナビゲーション装置８
６０を示している。自動車２９８０は、車体２９８１、車輪２９８２、ダッシュボード２
９８３、およびライト２９８４等を有する。また、自動車２９８０は、アンテナ、バッテ
リなどを備える。ナビゲーション装置８６０は、表示部８６１、操作ボタン８６２、及び
外部入力端子８６３を具備する。自動車２９８０とナビゲーション装置８６０は、それぞ
れ独立していても良いが、ナビゲーション装置８６０が自動車２９８０に組み込まれ、連
動して機能する構成とするのが好ましい。

【0655】

例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、自動車２９８０やナビゲー
ション装置８６０の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。ま
た、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムを自動車２９８０の制御装置など
に用いることで、ＡＩシステムは、ドライバーの運転技術や癖を学習し、安全運転のアシ
ストや、ガソリンやバッテリなどの燃料を効率的に利用する運転のアシストを行うことが
できる。安全運転のアシストとしては、ドライバーの運転技術や癖を学習するだけでなく
、自動車２９８０の速度や移動方法といった自動車の挙動、ナビゲーション装置８６０に
保存された道路情報などを複合的に学習し、走行中のレーンから外れることの防止や、他
の自動車、歩行者、構造体などとの衝突回避が実現できる。具体的には、進行方向に急カ
ーブが存在する場合、ナビゲーション装置８６０はその道路情報を自動車２９８０に送信
し、自動車２９８０の速度の制御や、ハンドル操作のアシストを行うことができる。

【0656】

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。

【符号の説明】

【0657】

１００：容量素子、１００ａ：容量素子、１００ｂ：容量素子、１１０：導電体、１１２
：導電体、１２０：導電体、１３０：絶縁体、１５０：絶縁体、１６０：導電体、２００
：トランジスタ、２００ａ：トランジスタ、２００ｂ：トランジスタ、２０３：導電体、
２０５：導電体、２０５ａ：導電体、２０５ｂ：導電体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁
体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１８：導電体、２２０：絶縁体、２２２：絶縁
体、２２４：絶縁体、２２４Ａ：絶縁膜、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０Ａ
：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｃ：酸化物、２３０Ｃ：酸化膜
、２３０ｄ：酸化物、２３０Ｄ：酸化膜、２３１：領域、２３１ａ：領域、２３１ｂ：領
域、２３２ａ：領域、２３２ｂ：領域、２３４：領域、２３９：領域、２４０：導電体、
２４０ａ：導電体、２４０ｂ：導電体、２４２：層、２４２Ａ：膜、２４６：導電体、２
４８：導電体、２５０：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２６０：導電体、２６０ａ：導電体
、２６０Ａａ：導電膜、２６０Ａｂ：導電膜、２６０ｂ：導電体、２６０Ｂ：導電体、２
６０Ｂａ：導電体、２６０Ｂｂ：導電体、２６２：ダミーゲート、２６２Ａ：ダミーゲー
ト膜、２６２Ｂ：ダミーゲート層、２７０：絶縁体、２７３：絶縁体、２７３Ａ：絶縁膜
、２７３Ｂ：絶縁体、２７５：絶縁体、２７５Ａ：絶縁膜、２７５Ｂ：絶縁体、２８０：
絶縁体、２８２：絶縁体、２８３：絶縁体、２８６：絶縁体、３００：トランジスタ、３
１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１
５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２
６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５
４：絶縁体、３５６：導電体、３６０：絶縁体、３６２：絶縁体、３６４：絶縁体、３６
６：導電体、３７０：絶縁体、３７２：絶縁体、３７４：絶縁体、３７６：導電体、３８
０：絶縁体、３８２：絶縁体、３８４：絶縁体、３８６：導電体、４００：トランジスタ
、６００：セル、６０１：セル、８３０：モニタ、８３１：表示部、８３２：筐体、８３
３：スピーカ、８３４：リモコン操作機、８６０：ナビゲーション装置、８６１：表示部
、８６２：操作ボタン、８６３：外部入力端子、１００１：配線、１００２：配線、１０
０３：配線、１００４：配線、１００５：配線、１００６：配線、１４００：ＤＯＳＲＡ
Ｍ、１４０５：コントローラ、１４１０：行回路、１４１１：デコーダ、１４１２：ワー
ド線ドライバ回路、１４１３：列セレクタ、１４１４：センスアンプドライバ回路、１４
１５：列回路、１４１６：グローバルセンスアンプアレイ、１４１７：入出力回路、１４
２０：ＭＣ－ＳＡアレイ、１４２２：メモリセルアレイ、１４２３：センスアンプアレイ
、１４２５：ローカルメモリセルアレイ、１４２６：ローカルセンスアンプアレイ、１４
４４：スイッチアレイ、１４４５：メモリセル、１４４５ａ：メモリセル、１４４５ｂ：
メモリセル、１４４６：センスアンプ、１４４７：グローバルセンスアンプ、１６００：
ＮＯＳＲＡＭ、１６１０：メモリセルアレイ、１６１１：メモリセル、１６１２：メモリ
セル、１６１３：メモリセル、１６１４：メモリセル、１６１５：メモリセル、１６１５
ａ：メモリセル、１６１５ｂ：メモリセル、１６４０：コントローラ、１６５０：行ドラ
イバ、１６５１：行デコーダ、１６５２：ワード線ドライバ、１６６０：列ドライバ、１
６６１：列デコーダ、１６６２：書き込みドライバ、１６６３：ＤＡＣ、１６７０：出力
ドライバ、１６７１：セレクタ、１６７２：ＡＤＣ、１６７３：出力バッファ、２０００
：ロボット、２００１：演算装置、２００２：センサ、２００３：ライト、２００４：リ
フト、２００５：駆動部、２００６：通信手段、２００７：スピーカ、２００８：マイク
ロフォン、２００９：表示部、２０１０：発光部、２０１１：移動機構、２９１０：情報
端末、２９１１：筐体、２９１２：表示部、２９１３：カメラ、２９１４：スピーカ部、
２９１５：操作スイッチ、２９１６：外部接続部、２９１７：マイク、２９２０：ラップ
トップ型パーソナルコンピュータ、２９２１：筐体、２９２２：表示部、２９２３：キー
ボード、２９２４：ポインティングデバイス、２９４０：ビデオカメラ、２９４１：筐体
、２９４２：筐体、２９４３：表示部、２９４４：操作スイッチ、２９４５：レンズ、２
９４６：接続部、２９８０：自動車、２９８１：車体、２９８２：車輪、２９８３：ダッ
シュボード、２９８４：ライト、、４０１０：演算部、４０１１：アナログ演算回路、４
０１２：ＤＯＳＲＡＭ、４０１３：ＮＯＳＲＡＭ、４０１４：ＦＰＧＡ、４０２０：制御
部、４０２１：ＣＰＵ、４０２２：ＧＰＵ、４０２３：ＰＬＬ、４０２４：ＳＲＡＭ、４
０２５：ＰＲＯＭ、４０２６：メモリコントローラ、４０２７：電源回路、４０２８：Ｐ
ＭＵ、４０３０：入出力部、４０３１：外部記憶制御回路、４０３２：音声コーデック、
４０３３：映像コーデック、４０３４：汎用入出力モジュール、４０３５：通信モジュー
ル、４０４１：ＡＩシステム、４０４１＿ｎ：ＡＩシステム、４０４１＿１：ＡＩシステ
ム、４０４１Ａ：ＡＩシステム、４０４１Ｂ：ＡＩシステム、４０９８：バス線、４０９
９：ネットワーク、６０００：システム、６００１：ロボット、６００２：演算装置、６
００３：ブーム、６００４：アーム、６００５：容器、６００６：容器、６００７：物品
、６００８：筐体、６００９：センサ、６０１０：通信手段、６０１１：通信手段、６０
２１：板、６０２２：バー、６０２３：板、６０２４：板、６０２５：ヘラ、７０００：
ＡＩシステムＩＣ、７００１：リード、７００２：プリント基板、７００３：回路部、７
００４：実装基板、７０３１：Ｓｉトランジスタ層、７０３２：配線層、７０３３：ＯＳ
トランジスタ層

【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】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】

【図42】

【図43】

【図44】

【図45】

【図46】

【図47】

【図48】

【図49】

【図50】

【図51】

【手続補正書】

【提出日】2024-07-18

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体上の酸化物と、
前記酸化物上の第２の絶縁体と、
前記第２の絶縁体上の第１の導電体と、
前記第１の導電体上の第２の導電体と、
前記酸化物上の第３の絶縁体と、
前記第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、
前記第４の絶縁体上の第５の絶縁体と、を有し、
前記酸化物は、Ｉｎを有し、
前記第３の絶縁体は、前記第１の絶縁体の上面に接する領域と、前記酸化物の側面に接する領域と、前記酸化物の上面に接する領域と、前記第２の絶縁体の側面に接する領域と、前記第１の導電体の側面に接する領域と、を有し、
前記第３の絶縁体は、前記第１の絶縁体を露出する開口を有し、
前記第４の絶縁体は、前記第３の絶縁体の開口を介して前記第１の絶縁体に接する領域を有し、
前記第５の絶縁体は、前記第４の絶縁体に接する領域と、前記第３の絶縁体に接する領域と、前記第２の導電体に接する領域と、前記第１の導電体に接する領域と、を有する、半導体装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記第１の絶縁体および前記第４の絶縁体は、前記第３の絶縁体よりも酸素を透過し易い、半導体装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２において、
前記第３の絶縁体は、アルミニウム、およびハフニウムの一方または両方を含む酸化物である、半導体装置。