特開 2024-177364 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】P2024177364

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H10B 12/00 20230101AFI20241212BHJP

   H10B 41/70 20230101ALI20241212BHJP

   H10B 99/00 20230101ALI20241212BHJP

   H01L 29/786 20060101ALI20241212BHJP

   H01L 21/8234 20060101ALI20241212BHJP

   H01L 27/088 20060101ALI20241212BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20241212BHJP

   H10B 80/00 20230101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

H10B12/00 801

H10B41/70

H10B99/00 441

H01L29/78 613B

H01L29/78 613Z

H01L29/78 617N

H01L29/78 618B

H01L27/06 102A

H01L27/088 E

H01L27/088 H

H01L27/088 331E

H01L25/08 C

H10B80/00

【審査請求】有

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024173977

(22)【出願日】2024-10-03

(62)【分割の表示】P 2024016208の分割

【原出願日】2019-11-22

(31)【優先権主張番号】P 2019013469

(32)【優先日】2019-01-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

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

(71)【出願人】

【識別番号】000153878

【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所

(72)【発明者】

【氏名】長塚 修平

(72)【発明者】

【氏名】大貫 達也

(72)【発明者】

【氏名】石津 貴彦

(72)【発明者】

【氏名】加藤 清

(72)【発明者】

【氏名】山崎 舜平

(57)【要約】

【課題】ゲインセル型のメモリセルを有し、単位面積あたりに記憶できるデータ量が多い
記憶装置を提供する。
【解決手段】半導体基板に形成されたトランジスタを用いて、記憶装置の周辺回路を構成
し、薄膜トランジスタを用いて、記憶装置のメモリセルを構成する。メモリセルが構成さ
れた薄膜トランジスタを含む層を、前記半導体基板の上方に複数積層して設けることで、
単位面積あたりに記憶できるデータ量を増やすことができる。また、薄膜トランジスタと
して、オフ電流が非常に小さいＯＳトランジスタを用いることで、電荷を蓄積する容量素
子の容量を小さくできる。すなわち、メモリセルの面積を小さくできる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板と、
第１の層乃至第ｌの層（ｌは１以上の整数）と、
前記第１の層の側面乃至前記第ｌの層の側面のそれぞれ及び前記第ｌの層の上面を覆う一の第１の絶縁体と、
第２の絶縁体と、
導電体と、
を有し、
前記半導体基板には、前記半導体基板に形成されたトランジスタを用いて、周辺回路が構成され、
前記第ｋ（ｋは１以上ｌ以下の整数）の層には、前記第ｋの層に形成された薄膜トランジスタを用いて、メモリセルアレイが構成され、
前記周辺回路は、第１のワード線ドライバ回路乃至第ｌのワード線ドライバ回路と、ビット線ドライバ回路とを有し、
前記第ｋの層に構成された前記メモリセルアレイは、前記第ｋのワード線ドライバ回路と電気的に接続され、
前記メモリセルアレイは、それぞれ、前記ビット線ドライバ回路と電気的に接続され、
前記メモリセルアレイは、それぞれ、複数のメモリセルを有し、
前記メモリセルは、第１の前記薄膜トランジスタと、第２の前記薄膜トランジスタとを有し、
前記第１の層は、前記半導体基板の上方に積層して設けられ、
前記第ｊ（ｊは２以上ｌ以下の整数）の層は、前記第ｊ－１の層の上方に積層して設けられ、
前記第１の絶縁体は、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを含み、
前記第１の絶縁体及び前記第２の絶縁体は、前記トランジスタの上方に配置され、
前記第２の絶縁体の膜厚は、前記第２の層乃至前記第ｌの層を積層した厚さよりも大きく、
前記第１の絶縁体及び前記第２の絶縁体がそれぞれ有する開口部には、前記トランジスタと電気的に接続された前記導電体が埋め込まれており、
前記第１の層の側面乃至前記第ｌの層の側面のそれぞれは、前記第１の絶縁体及び前記第２の絶縁体を介して、前記導電体と重なりを有する、
半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一形態は、記憶装置に関する。特に、半導体特性を利用することで機能しうる記
憶装置に関する。

【0002】

また、本発明の一形態は、半導体装置に関する。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。例えば、集積回路、集積回路を
備えたチップや、パッケージにチップを収納した電子部品、集積回路を備えた電子機器は
、半導体装置の一例である。

【0003】

なお、本発明の一形態は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の
技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一形態
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】

ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）は、各種電子
機器に内蔵される記憶装置（メモリともいう）として広く用いられている。ＤＲＡＭのメ
モリセルは、１個のトランジスタと１個の容量素子で構成され、ＤＲＡＭは容量素子に電
荷を蓄積することでデータを記憶するメモリである。

【0005】

ＤＲＡＭのメモリセルを、２個のトランジスタと１個の容量素子で構成してもよい。蓄積
した電荷を近くのトランジスタで増幅することで、容量素子の容量が小さい場合でも、メ
モリとしての動作を行うことができる（以後、ゲインセル型のメモリセルという）。

【0006】

また、トランジスタの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）に
金属酸化物を有するトランジスタ（酸化物半導体トランジスタ、ＯＳトランジスタともい
う）が近年注目されている。ＯＳトランジスタは、トランジスタがオフ状態にあるときの
ドレイン電流（オフ電流ともいう）が非常に小さいため、ＤＲＡＭのメモリセルに用いる
ことで、容量素子に蓄積した電荷を長時間にわたって保持することができる。

【0007】

ＯＳトランジスタは薄膜トランジスタであるため、積層して設けることができる。例えば
、単結晶シリコン基板に形成されたＳｉトランジスタを用いて第１の回路を構成し、その
上方にＯＳトランジスタを用いて第２の回路を構成することができる。ＯＳトランジスタ
をＤＲＡＭに用いることで、例えば、第１の回路として駆動回路や制御回路などの周辺回
路、第２の回路としてメモリセルを構成することができ、ＤＲＡＭのチップ面積を削減す
ることができる。

【0008】

特許文献１には、周辺回路を構成した半導体基板上に、ＯＳトランジスタを用いた複数の
メモリセルを有する半導体装置の例が開示されている。特許文献２には、ＯＳトランジス
タとＯＳトランジスタ以外のトランジスタ（例えば、Ｓｉトランジスタ）を、ゲインセル
型のメモリセル（容量素子は省略してもよい）に用いた例が開示されている。

【0009】

なお、本明細書等では、ＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記
憶装置または半導体装置を、ＮＯＳＲＡＭ（登録商標、Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉ
ｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と呼
ぶ。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１２－２５６８２０号公報

【特許文献2】特開２０１２－２５６４００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

ＤＲＡＭにおいて、ゲインセル型のメモリセルは、蓄積した電荷を近くのトランジスタで
増幅できるため、容量素子の容量を小さくすることができる。もしくは、トランジスタの
ゲート容量や、配線の寄生容量等を利用することで、容量素子を作成しなくてもよい（容
量素子を省略してもよい）。

【0012】

しかし、ゲインセル型のメモリセルは、１メモリセルあたり少なくとも２つのトランジス
タが必要であり、単位面積あたりに配置できるメモリセルの数（配置密度）を増やしにく
いという課題があった。すなわち、メモリセルの配置密度を増やすことで、記憶装置の記
憶密度（単位面積あたりに記憶できるデータ量）を増やすことが難しいという課題があっ
た。

【0013】

本発明の一形態は、ゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置において、単位面積あた
りに記憶できるデータ量が多い記憶装置を提供することを課題の一つとする。または、本
発明の一形態は、ゲインセル型のメモリセルを有し、単位面積あたりに記憶できるデータ
量が多い記憶装置を有する電子機器を提供することを課題の一つとする。

【0014】

なお、本発明の一形態は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも
一つの課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在
を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載
から自ずと明らかになるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、こ
れら以外の課題を抽出することが可能である。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明の一形態は、半導体基板と、第１乃至第ｌの層（ｌは１以上の整数）とを有する記
憶装置である。半導体基板には、半導体基板に形成されたトランジスタを用いて、周辺回
路が構成され、第ｋ（ｋは１以上ｌ以下の整数）の層には、第ｋの層に形成された薄膜ト
ランジスタを用いて、メモリセルアレイが構成される。第１の層は、半導体基板の上方に
積層して設けられ、第ｊ（ｊは２以上ｌ以下の整数）の層は、第ｊ－１の層の上方に積層
して設けられる。

【0016】

また、本発明の一形態は、半導体基板と、第１乃至第ｌの層（ｌは１以上の整数）とを有
する記憶装置である。半導体基板には、半導体基板に形成されたトランジスタを用いて、
周辺回路が構成され、第ｋ（ｋは１以上ｌ以下の整数）の層には、第ｋの層に形成された
薄膜トランジスタを用いて、メモリセルアレイが構成される。メモリセルアレイは、それ
ぞれ複数のメモリセルを有し、メモリセルは、第１の薄膜トランジスタと第２の薄膜トラ
ンジスタとを有する。第１の層は、半導体基板の上方に積層して設けられ、第ｊ（ｊは２
以上ｌ以下の整数）の層は、第ｊ－１の層の上方に積層して設けられる。

【0017】

また、本発明の一形態は、半導体基板と、第１乃至第ｌの層（ｌは１以上の整数）とを有
する記憶装置である。半導体基板には、半導体基板に形成されたトランジスタを用いて、
周辺回路が構成され、第ｋ（ｋは１以上ｌ以下の整数）の層には、第ｋの層に形成された
薄膜トランジスタを用いて、メモリセルアレイが構成される。周辺回路は、第１乃至第ｌ
のワード線ドライバ回路と、ビット線ドライバ回路とを有し、第ｋの層に構成されたメモ
リセルアレイは、第ｋのワード線ドライバ回路と電気的に接続され、メモリセルアレイは
、それぞれビット線ドライバ回路と電気的に接続される。第１の層は、半導体基板の上方
に積層して設けられ、第ｊ（ｊは２以上ｌ以下の整数）の層は、第ｊ－１の層の上方に積
層して設けられる。

【0018】

また、本発明の一形態は、半導体基板と、第１乃至第ｌの層（ｌは１以上の整数）とを有
する記憶装置である。半導体基板には、半導体基板に形成されたトランジスタを用いて、
周辺回路が構成され、第ｋ（ｋは１以上ｌ以下の整数）の層には、第ｋの層に形成された
薄膜トランジスタを用いて、メモリセルアレイが構成される。周辺回路は、第１乃至第ｌ
のワード線ドライバ回路と、ビット線ドライバ回路とを有し、第ｋの層に構成されたメモ
リセルアレイは、第ｋのワード線ドライバ回路と電気的に接続され、メモリセルアレイは
、それぞれビット線ドライバ回路と電気的に接続される。メモリセルアレイは、それぞれ
複数のメモリセルを有し、メモリセルは、第１の薄膜トランジスタと第２の薄膜トランジ
スタとを有する。第１の層は、半導体基板の上方に積層して設けられ、第ｊ（ｊは２以上
ｌ以下の整数）の層は、第ｊ－１の層の上方に積層して設けられる。

【0019】

また、上記形態において、薄膜トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する
。

【0020】

また、上記形態において、薄膜トランジスタは、それぞれ、フロントゲートとバックゲー
トとを有する。

【0021】

また、上記形態において、薄膜トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、
薄膜トランジスタは、それぞれ、フロントゲートとバックゲートとを有する。

【発明の効果】

【0022】

本発明の一形態により、ゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置において、単位面積
あたりに記憶できるデータ量が多い記憶装置を提供することができる。または、本発明の
一形態により、ゲインセル型のメモリセルを有し、単位面積あたりに記憶できるデータ量
が多い記憶装置を有する電子機器を提供することができる。

【0023】

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。また、本発明の一
形態は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。これら以外の効果は、明細
書、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特
許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、記憶装置の構成例を示す斜視図である。

【図2】図２は、記憶装置の構成例を示す斜視概略図である。

【図3】図３は、記憶装置の構成例を示すブロック図である。

【図4】図４は、メモリセルアレイの構成例を示すブロック図である。

【図5】図５Ａ、図５Ｂは、メモリセルの構成例を示す回路図である。

【図6】図６は、ビット線ドライバ回路を構成する回路について構成例を示す回路図である。

【図7】図７は、メモリセルの動作例を説明するタイミングチャートである。

【図8】図８Ａ、図８Ｂは、本発明の一態様に係る記憶装置の上面図および断面図である。

【図9】図９Ａ、図９Ｂは、本発明の一態様に係る記憶装置の上面図および断面図である。

【図10】図１０は、本発明の一態様に係る記憶装置の上面図である。

【図11】図１１は、本発明の一態様に係る記憶装置の断面図である。

【図12】図１２は、本発明の一態様に係る記憶装置の断面図である。

【図13】図１３は、本発明の一態様に係る記憶装置の断面図である。

【図14】図１４Ａは、ＩＧＺＯの結晶構造の分類を説明する図である。図１４Ｂは、石英ガラスのＸＲＤスペクトルを説明する図である。図１４Ｃは、結晶性ＩＧＺＯのＸＲＤスペクトルを説明する図である。

【図15】図１５Ａ、図１５Ｂは、電子部品の一例を説明する図である。

【図16】図１６Ａ、図１６Ｂ、図１６Ｃ、図１６Ｄ、図１６Ｅ、図１６Ｆは、電子機器の一例を説明する図である。

【図17】図１７Ａ、図１７Ｂは、電子機器の一例を説明する図である。

【図18】図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃは、電子機器の一例を説明する図である。

【図19】図１９は、各種の記憶装置を階層ごとに示す図である。

【図20】図２０Ａ、図２０Ｂは、電子機器の一例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

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
る形態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。従って、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。

【0026】

また、以下に示される複数の実施の形態は、適宜組み合わせることが可能である。また、
１つの実施の形態の中に複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせ
ることが可能である。

【0027】

なお、本明細書に添付した図面では、構成要素を機能ごとに分類し、互いに独立したブロ
ックとしてブロック図を示しているが、実際の構成要素は機能ごとに完全に切り分けるこ
とが難しく、一つの構成要素が複数の機能に係わることもあり得る。

【0028】

また、図面等において、大きさ、層の厚さ、領域等は、明瞭化のため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。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。

【0029】

また、図面等において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、
あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明
は省略する場合がある。

【0030】

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。

【0031】

また、本明細書等において、「上」や「下」などの配置を示す用語は、構成要素の位置関
係が、「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶
縁層上のゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素
を含むものを除外しない。

【0032】

また、本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、構成要素の
混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。

【0033】

また、本明細書等において、「電気的に接続」とは、「何らかの電気的作用を有するもの
」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの
」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。
例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタ
などのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、容量素子、その他の各種機能を有する
素子などが含まれる。また、「電気的に接続」と表現される場合であっても、実際の回路
において、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。

【0034】

また、本明細書等において、「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に
限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり
、その逆も同様である。

【0035】

また、本明細書等において、電気回路における「端子」とは、電流または電位の入力（ま
たは、出力）や、信号の受信（または、送信）が行なわれる部位を言う。よって、配線ま
たは電極の一部が端子として機能する場合がある。

【0036】

また、一般に、「容量」は、２つの電極が絶縁体（誘電体）を介して向かい合う構成を有
する。本明細書等において、「容量素子」とは、前述の「容量」である場合が含まれる。
すなわち、本明細書等において、「容量素子」とは、２つの電極が絶縁体を介して向かい
合う構成を有したもの、２本の配線が絶縁体を介して向かい合う構成を有したもの、また
は、２本の配線が絶縁体を介して配置されたもの、である場合が含まれる。

【0037】

また、本明細書等において、「電圧」とは、ある電位と基準の電位（例えば、グラウンド
電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位差とは言い換えることが
できる。

【0038】

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）
の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、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、チャネル形成領
域とは、電流が主として流れる領域をいう。

【0039】

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、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ものとする。

【0040】

また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状
態（非導通状態、遮断状態ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、
特に断りがない場合、ｎチャネル型のトランジスタでは、ソースに対するゲートの電圧Ｖ
ｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型のトランジスタでは、ソースに
対するゲートの電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高い状態をいう。つまり、ｎチャ
ネル型のトランジスタのオフ電流とは、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓがしきい値電
圧Ｖｔｈよりも低いときのドレイン電流、という場合がある。

【0041】

上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流
は、トランジスタがオフ状態にあるときのソース電流をいう場合がある。また、オフ電流
と同じ意味で、リーク電流という場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは
、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場
合がある。

【0042】

また、本明細書等において、オン電流とは、トランジスタがオン状態（導通状態、ともい
う）にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。

【0043】

また、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）、酸化物半導体などに分類される。

【0044】

例えば、トランジスタのチャネル形成領域に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を
酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、および
スイッチング作用の少なくとも１つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体
（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶことができる。すなわ
ち、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを、「酸化物半導体トランジス
タ」、「ＯＳトランジスタ」と呼ぶことができる。

【0045】

また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉ
ｄｅ）と呼称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔ
ａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。金属酸化物の詳細については後述する
。

【0046】

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一形態に係わる記憶装置の構成例について説明する。本発明
の一形態に係わる記憶装置は、半導体特性を利用することで機能しうる記憶装置であり、
メモリとも呼ばれている。また、本発明の一形態に係わる記憶装置は、半導体基板に形成
されたトランジスタを有する層の上方に、ＯＳトランジスタを有する層が複数積層して設
けられた構造を有する。

【0047】

図１は、本発明の一形態に係わる記憶装置１０の構成例を示す斜視図である。記憶装置１
０は、層１００、および、層２００＿１乃至層２００＿ｌを有する（ｌは１以上の整数）
。なお、本明細書等において、同様の機能を有する複数の要素を区別するために、「＿１
」あるいは［＿２］などの符号が用いられる。すなわち、層２００＿１乃至層２００＿ｌ
のうち、任意の層を指すときは、層２００の符号を用いて説明し、１つを特定する必要が
あるときは、層２００＿１、層２００＿２などの符号を用いて説明する。

【0048】

図１に示すように、記憶装置１０は、層１００の上方に層２００＿１が積層して設けられ
、層２００＿１の上方に層２００＿２が積層して設けられ、同様に、層２００＿３（図示
しない）乃至層２００＿ｌに関しても、順に積層して設けられた構造を有する。また、説
明をわかりやすくするため、本実施の形態においては、以後、ｌが２である場合について
説明する。

【0049】

＜記憶装置の斜視概略図＞
図２は、本発明の一形態に係わる記憶装置１０の構成例を示す斜視概略図である。

【0050】

図２に示す記憶装置１０は、層１００、層２００＿１、および、層２００＿２を有し、層
１００の上方に層２００＿１が積層して設けられ、層２００＿１の上方に層２００＿２が
積層して設けられている。

【0051】

層１００、層２００＿１、および、層２００＿２には、それぞれ、半導体特性を利用する
ことで機能しうる回路が設けられており、具体的には、層１００には周辺回路１０１が、
層２００＿１および層２００＿２にはメモリセルアレイ１１１が、設けられている。なお
、本明細書等で説明する図面においては、主な信号の流れを矢印または線で示しており、
電源線等は省略する場合がある。

【0052】

周辺回路１０１は、ローデコーダ１２１、ワード線ドライバ回路１２２、ワード線ドライ
バ回路１２３、カラムデコーダ１３１、ビット線ドライバ回路１３２、ページバッファ１
３８、出力回路１４１、および、コントロールロジック回路１５１を有する。周辺回路１
０１は、メモリセルアレイ１１１の駆動回路および制御回路としての機能を有する。

【0053】

周辺回路１０１は、半導体基板ＳＵＢに形成されたトランジスタを用いて構成される。半
導体基板ＳＵＢは、トランジスタのチャネル領域を形成することが可能であれば、特に限
定されない。例えば、単結晶シリコン基板、単結晶ゲルマニウム基板、化合物半導体基板
（ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板など）、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ
）基板などを用いることができる。

【0054】

また、ＳＯＩ基板としては、鏡面研磨ウェハーに酸素イオンを注入した後、高温加熱する
ことにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠陥を
消滅させて形成されたＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ
Ｏｘｙｇｅｎ）基板や、水素イオン注入により形成された微小ボイドの熱処理による成長
を利用して半導体基板を劈開するスマートカット法、ＥＬＴＲＡＮ法（登録商標：Ｅｐｉ
ｔａｘｉａｌ Ｌａｙｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）などを用いて形成されたＳＯＩ基板を用
いてもよい。単結晶基板を用いて形成されたトランジスタは、チャネル形成領域に単結晶
半導体を有する。

【0055】

本実施の形態においては、半導体基板ＳＵＢに、単結晶シリコン基板を用いた場合につい
て説明する。なお、単結晶シリコン基板に形成されたトランジスタを、Ｓｉトランジスタ
と呼ぶ。Ｓｉトランジスタを用いて構成された周辺回路１０１は、高速な動作が可能であ
る。

【0056】

メモリセルアレイ１１１は、複数のメモリセル１１２を有し、メモリセル１１２はＯＳト
ランジスタを用いて構成される。ＯＳトランジスタは薄膜トランジスタであるため、メモ
リセルアレイ１１１は、半導体基板ＳＵＢ上に積層して設けることができる。

【0057】

ここで、酸化物半導体のバンドギャップは２．５ｅＶ以上、好ましくは３．０ｅＶ以上で
あるため、ＯＳトランジスタは熱励起によるリーク電流が小さく、オフ電流が非常に小さ
い。

【0058】

ＯＳトランジスタのチャネル形成領域に用いられる金属酸化物は、インジウム（Ｉｎ）お
よび亜鉛（Ｚｎ）の少なくとも一方を含む酸化物半導体であることが好ましい。このよう
な酸化物半導体としては、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、例えばＡｌ、Ｇａ、Ｙまた
はＳｎ）が代表的である。電子供与体（ドナー）となる水分、水素などの不純物を低減し
、かつ酸素欠損も低減することで、酸化物半導体をｉ型（真性）、または実質的にｉ型に
することができる。このような酸化物半導体は、高純度化された酸化物半導体と呼ぶこと
ができる。なお、ＯＳトランジスタの詳細については、実施の形態３で説明する。

【0059】

メモリセル１１２は、電荷を蓄積し保持することで、データを記憶する機能を有する。メ
モリセル１１２は、２値（ハイレベルまたはローレベル）のデータを記憶する機能を有し
ていてもよいし、４値以上のデータを記憶する機能を有していてもよい。または、アナロ
グデータを記憶する機能を有していてもよい。

【0060】

ＯＳトランジスタは、オフ電流が非常に小さいため、メモリセル１１２に用いるトランジ
スタとして好適である。ＯＳトランジスタは、例えば、チャネル幅１μｍあたりのオフ電
流を１００ｚＡ／μｍ以下、または１０ｚＡ／μｍ以下、または１ｚＡ／μｍ以下、また
は１０ｙＡ／μｍ以下とすることができる。ＯＳトランジスタをメモリセル１１２に用い
ることにより、メモリセル１１２に記憶したデータを長時間に渡って保持することができ
る。

【0061】

ＯＳトランジスタは、高温下でもオフ電流が増加しにくい特徴を有するため、記憶装置１
０は、設置されている環境の温度が高い場合でも動作することができる。また、周辺回路
１０１の発熱による高温下においても、メモリセル１１２に記憶したデータの消失が生じ
にくい。ＯＳトランジスタを用いることで、記憶装置１０の信頼性を高めることができる
。

【0062】

もしくは、メモリセル１１２に用いるトランジスタとして、オフ電流が低ければＯＳトラ
ンジスタ以外のトランジスタを用いてもよい。例えば、チャネル形成領域にバンドギャッ
プが大きい半導体を有するトランジスタを用いてもよい。バンドギャップが大きい半導体
とは、バンドギャップが２．２ｅＶ以上の半導体を指す場合があり、例えば、炭化ケイ素
、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどが挙げられる。

【0063】

図２に示すように、メモリセルアレイ１１１において、メモリセル１１２は行列状（マト
リクス状ともいう）に配置され、各メモリセル１１２は、配線ＷＬおよび配線ＢＬと電気
的に接続される。メモリセル１１２は、配線ＷＬに印加される電位によって選択され、配
線ＢＬを介して、選択されたメモリセル１１２にデータが書き込まれる。または、メモリ
セル１１２は、配線ＷＬに印加される電位によって選択され、配線ＢＬを介して、選択さ
れたメモリセル１１２からデータが読み出される。すなわち、配線ＷＬはメモリセル１１
２のワード線としての機能を有し、配線ＢＬはメモリセル１１２のビット線としての機能
を有する。

【0064】

なお、図２に示す配線ＷＬおよび配線ＢＬは、それぞれ、複数の配線から構成される。例
えば、配線ＷＬは、プレート線ＰＬ、書き込みワード線ＷＷＬ、読み出しワード線ＲＷＬ
、配線ＢＧ１、および、配線ＢＧ２から構成され、配線ＢＬは、読み出しビット線ＲＢＬ
、および、書き込みビット線ＷＢＬから構成される（図３および図４、参照）。

【0065】

そして、層２００＿１に設けられたメモリセルアレイ１１１は、配線ＷＬを介してワード
線ドライバ回路１２２と電気的に接続され、層２００＿２に設けられたメモリセルアレイ
１１１は、配線ＷＬを介してワード線ドライバ回路１２３と電気的に接続される。また、
層２００＿１に設けられたメモリセルアレイ１１１と、層２００＿２に設けられたメモリ
セルアレイ１１１は、配線ＢＬを介して、ビット線ドライバ回路１３２と電気的に接続さ
れる。

【0066】

メモリセルアレイ１１１と、ワード線ドライバ回路１２２、ワード線ドライバ回路１２３
、および、ビット線ドライバ回路１３２との電気的な接続については、後ほど図４を用い
て説明し、周辺回路１０１については、図３を用いて説明する。

【0067】

＜記憶装置のブロック図＞
図３は、記憶装置１０の構成例を示すブロック図である。図３に示すブロック図では、層
２００＿２に設けられたメモリセルアレイ１１１と、ワード線ドライバ回路１２３を省略
し、メモリセルアレイ１１１が有するメモリセル１１２は、代表的に１つのみ図示してい
る。

【0068】

図３に示すように、記憶装置１０は、周辺回路１０１、および、メモリセルアレイ１１１
を有する。周辺回路１０１は、ローデコーダ１２１、ワード線ドライバ回路１２２、カラ
ムデコーダ１３１、ビット線ドライバ回路１３２、ページバッファ１３８、出力回路１４
１、および、コントロールロジック回路１５１を有する。

【0069】

メモリセルアレイ１１１は、複数のメモリセル１１２（図３では１つのみ図示）を有し、
メモリセル１１２は、プレート線ＰＬ、書き込みワード線ＷＷＬ、読み出しワード線ＲＷ
Ｌ、配線ＢＧ１、および、配線ＢＧ２を介してワード線ドライバ回路１２２と電気的に接
続され、読み出しビット線ＲＢＬ、および、書き込みビット線ＷＢＬを介してビット線ド
ライバ回路１３２と電気的に接続される。

【0070】

記憶装置１０には、電位Ｖｓｓ、電位Ｖｄｄ、電位Ｖｄｈ、プリチャージ電位Ｖｐｒｅ、
および、レファレンス電位Ｖｒｅｆが入力される。電位Ｖｄｈは、書き込みワード線ＷＷ
Ｌの高電源電位である。

【0071】

記憶装置１０には、クロック信号ＣＬＫ、チップイネーブル信号ＣＥ、グローバル書き込
みイネーブル信号ＧＷ、バイト書き込みイネーブル信号ＢＷ、アドレス信号ＡＤＤＲ、お
よび、データ信号ＷＤＡＴＡが入力され、記憶装置１０は、データ信号ＲＤＡＴＡを出力
する。なお、これらの信号は、ハイレベルまたはローレベル（ＨｉｇｈまたはＬｏｗ、Ｈ
またはＬ、１または０等で表される場合がある）で表されるデジタル信号である。

【0072】

なお、本実施の形態では、デジタル信号のハイレベルは電位Ｖｄｄを用いて表され、ロー
レベルは電位Ｖｓｓを用いて表される。また、書き込みワード線ＷＷＬのハイレベルには
電位Ｖｄｈが用いられ、ローレベルには電位Ｖｓｓが用いられる。そして、バイト書き込
みイネーブル信号ＢＷ、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡ、および、データ
信号ＲＤＡＴＡは、複数ビットを有する信号である。

【0073】

本明細書等では、複数ビットを有する信号に対して、例えば、バイト書き込みイネーブル
信号ＢＷが４ビットを有する場合、バイト書き込みイネーブル信号ＢＷ［３：０］と表記
する。これは、バイト書き込みイネーブル信号がＢＷ［０］乃至ＢＷ［３］を有すること
を意味し、１つのビットを特定する必要がある場合、例えば、バイト書き込みイネーブル
信号ＢＷ［０］と表記する。また、バイト書き込みイネーブル信号ＢＷと表記した場合、
任意のビットを指している。

【0074】

例えば、バイト書き込みイネーブル信号ＢＷを４ビット、データ信号ＷＤＡＴＡおよびデ
ータ信号ＲＤＡＴＡを３２ビットとすることができる。すなわち、バイト書き込みイネー
ブル信号ＢＷ、データ信号ＷＤＡＴＡ、および、データ信号ＲＤＡＴＡは、それぞれ、バ
イト書き込みイネーブル信号ＢＷ［３：０］、データ信号ＷＤＡＴＡ［３１：０］、デー
タ信号ＲＤＡＴＡ［３１：０］と表記される。

【0075】

なお、記憶装置１０において、上述の各回路、各信号、および、各電位は、必要に応じて
適宜取捨することができる。あるいは、他の回路、他の信号、または、他の電位を追加し
てもよい。

【0076】

コントロールロジック回路１５１は、チップイネーブル信号ＣＥ、グローバル書き込みイ
ネーブル信号ＧＷを処理して、ローデコーダ１２１、カラムデコーダ１３１の制御信号を
生成する。例えば、チップイネーブル信号ＣＥがハイレベル、グローバル書き込みイネー
ブル信号ＧＷがローレベルの場合、ローデコーダ１２１およびカラムデコーダ１３１は読
み出し動作を行い、チップイネーブル信号ＣＥがハイレベル、グローバル書き込みイネー
ブル信号ＧＷがハイレベルの場合、ローデコーダ１２１およびカラムデコーダ１３１は書
き込み動作を行い、チップイネーブル信号ＣＥがローレベルの場合、グローバル書き込み
イネーブル信号ＧＷのハイレベル、ローレベルにかかわらず、ローデコーダ１２１および
カラムデコーダ１３１はスタンバイ動作とすることができる。コントロールロジック回路
１５１が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて他の信号を入力
してもよい。

【0077】

また、コントロールロジック回路１５１は、バイト書き込みイネーブル信号ＢＷ［３：０
］を処理して、書き込み動作を制御する。具体的には、バイト書き込みイネーブル信号Ｂ
Ｗ［０］がハイレベルの場合、ローデコーダ１２１およびカラムデコーダ１３１は、デー
タ信号ＷＤＡＴＡ［７：０］の書き込み動作を行う。同様に、バイト書き込みイネーブル
信号ＢＷ［１］がハイレベルの場合、データ信号ＷＤＡＴＡ［１５：８］の書き込み動作
、バイト書き込みイネーブル信号ＢＷ［２］がハイレベルの場合、データ信号ＷＤＡＴＡ
［２３：１６］の書き込み動作、バイト書き込みイネーブル信号ＢＷ［３］がハイレベル
の場合、データ信号ＷＤＡＴＡ［３１：２４］の書き込み動作を行う。

【0078】

ローデコーダ１２１およびカラムデコーダ１３１には、上述した、コントロールロジック
回路１５１が生成する制御信号に加えて、アドレス信号ＡＤＤＲが入力される。

【0079】

ローデコーダ１２１は、アドレス信号ＡＤＤＲをデコードし、ワード線ドライバ回路１２
２の制御信号を生成する。ワード線ドライバ回路１２２は、プレート線ＰＬ、書き込みワ
ード線ＷＷＬ、読み出しワード線ＲＷＬ、配線ＢＧ１、および、配線ＢＧ２を駆動する機
能、または、所定の電位を印加する機能を有する。ワード線ドライバ回路１２２は、ロー
デコーダ１２１の制御信号に基づき、アクセス対象行の書き込みワード線ＷＷＬ、または
、読み出しワード線ＲＷＬを選択する。ワード線ドライバ回路１２２は、配線ＢＧ１、ま
たは、配線ＢＧ２を選択する機能を有していてもよい。

【0080】

また、メモリセルアレイ１１１が、複数のブロックに分割されている場合、プレデコーダ
１２４を設けてもよい。プレデコーダ１２４は、アドレス信号ＡＤＤＲをデコードして、
アクセスされるブロックを決定する機能を有する。

【0081】

カラムデコーダ１３１、ビット線ドライバ回路１３２、および、ページバッファ１３８は
、データ信号ＷＤＡＴＡにより入力されたデータをメモリセルアレイ１１１に書き込む機
能、メモリセルアレイ１１１からデータを読み出す機能、読み出したデータを増幅し、出
力回路１４１に出力する機能等を有する。

【0082】

出力回路１４１は、カラムデコーダ１３１およびビット線ドライバ回路１３２によって、
メモリセルアレイ１１１から読み出され、ページバッファ１３８に記憶されたデータを、
データ信号ＲＤＡＴＡとして出力する。

【0083】

なお、図３の例では、ビット線ドライバ回路１３２は、プリチャージ回路１３３、センス
アンプ回路１３４、出力ＭＵＸ（マルチプレクサ）回路１３５、および、書き込みドライ
バ回路１３６を有する。なお、プリチャージ回路１３３、センスアンプ回路１３４、出力
ＭＵＸ回路１３５、および、書き込みドライバ回路１３６については、後述する。

【0084】

＜メモリセルアレイ＞
図４は、メモリセルアレイ１１１の構成例を示すブロック図である。図４には、２つのメ
モリセルアレイ１１１と、ワード線ドライバ回路１２２、ワード線ドライバ回路１２３、
および、ビット線ドライバ回路１３２を図示し、図４は、メモリセルアレイ１１１がプレ
ート線ＰＬ、書き込みワード線ＷＷＬ、読み出しワード線ＲＷＬ、配線ＢＧ１、および、
配線ＢＧ２を介してワード線ドライバ回路１２２と電気的に接続される様子、メモリセル
アレイ１１１が配線ＷＬを介してワード線ドライバ回路１２３と電気的に接続される様子
、および、メモリセルアレイ１１１が読み出しビット線ＲＢＬ、および、書き込みビット
線ＷＢＬを介してビット線ドライバ回路１３２と電気的に接続される様子も示している。

【0085】

ここで、配線ＷＬを介してワード線ドライバ回路１２２と電気的に接続されたメモリセル
アレイ１１１は、層２００＿１に設けられたメモリセルアレイ１１１であり、配線ＷＬを
介してワード線ドライバ回路１２３と電気的に接続されたメモリセルアレイ１１１は、層
２００＿２に設けられたメモリセルアレイ１１１である。

【0086】

１つのメモリセルアレイ１１１は、一列にｍ（ｍは１以上の整数）個、一行にｎ（ｎは１
以上の整数）個、合計ｍ×ｎ個のメモリセル１１２を有し、メモリセル１１２は行列状に
配置されている。なお、図４では、層２００＿１および層２００＿２に同じメモリセルア
レイ１１１が設けられているとしたが、層２００＿１に設けられたメモリセルアレイ１１
１と、層２００＿２に設けられたメモリセルアレイ１１１において、有するメモリセル１
１２の個数等が異なっていてもよい。

【0087】

図４では、メモリセル１１２のアドレスも表記しており、［１，１］、［ｉ，１］、［ｍ
，１］、［１，ｊ］、［ｉ，ｊ］、［ｍ，ｊ］、［１，ｎ］、［ｉ，ｎ］、［ｍ，ｎ］（
ｉは１以上ｍ以下の整数、ｊは１以上ｎ以下の整数）は、メモリセル１１２のアドレスで
ある。例えば、［ｉ，ｊ］と表記されたメモリセル１１２は、ｉ行ｊ列に配置されたメモ
リセル１１２である。

【0088】

アドレスと同様に、プレート線ＰＬ、書き込みワード線ＷＷＬ、読み出しワード線ＲＷＬ
、配線ＢＧ１、配線ＢＧ２、読み出しビット線ＲＢＬ、書き込みビット線ＷＢＬの後に付
された、［１］、［ｉ］、［ｍ］、［ｊ］、［ｎ］も、行または列を表す番号である。

【0089】

ｉ行ｊ列に配置されたメモリセル１１２は、プレート線ＰＬ［ｉ］、書き込みワード線Ｗ
ＷＬ［ｉ］、読み出しワード線ＲＷＬ［ｉ］、配線ＢＧ１［ｉ］、配線ＢＧ２［ｉ］、読
み出しビット線ＲＢＬ［ｊ］、および、書き込みビット線ＷＢＬ［ｊ］と電気的に接続さ
れる。また、ｉ行ｊ列に配置されたメモリセル１１２は、プレート線ＰＬ［ｉ］、書き込
みワード線ＷＷＬ［ｉ］、読み出しワード線ＲＷＬ［ｉ］、配線ＢＧ１［ｉ］、および、
配線ＢＧ２［ｉ］を介してワード線ドライバ回路１２２、または、ワード線ドライバ回路
１２３と電気的に接続され、読み出しビット線ＲＢＬ［ｊ］、および、書き込みビット線
ＷＢＬ［ｊ］を介してビット線ドライバ回路１３２と電気的に接続される。

【0090】

すなわち、記憶装置１０は、２×ｍ本のプレート線ＰＬ、２×ｍ本の書き込みワード線Ｗ
ＷＬ、２×ｍ本の読み出しワード線ＲＷＬ、２×ｍ本の配線ＢＧ１、２×ｍ本の配線ＢＧ
２、ｎ本の読み出しビット線ＲＢＬ、および、ｎ本の書き込みビット線ＷＢＬを有する。

【0091】

＜メモリセル＞
図５Ａは、メモリセル１１２の構成例を示す回路図である。

【0092】

メモリセル１１２は、トランジスタ１１、トランジスタ１２、および、容量素子Ｃ１１を
有する。ここで、トランジスタ１１を書き込みトランジスタ、トランジスタ１２を読み出
しトランジスタと呼ぶ場合がある。また、トランジスタ１１およびトランジスタ１２は、
それぞれ、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある）、および、バックゲートを有
する。

【0093】

トランジスタ１１のソースまたはドレインの一方は、書き込みビット線ＷＢＬと電気的に
接続され、トランジスタ１１のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ１２のフロ
ントゲート、および、容量素子Ｃ１１の一方の端子と電気的に接続され、トランジスタ１
１のフロントゲートは、書き込みワード線ＷＷＬと電気的に接続され、トランジスタ１１
のバックゲートは配線ＢＧ１と電気的に接続される。

【0094】

トランジスタ１２のソースまたはドレインの一方は、読み出しビット線ＲＢＬと電気的に
接続され、トランジスタ１２のソースまたはドレインの他方は、読み出しワード線ＲＷＬ
と電気的に接続され、トランジスタ１２のバックゲートは配線ＢＧ２と電気的に接続され
る。また、容量素子Ｃ１１の他方の端子は、プレート線ＰＬと電気的に接続される。

【0095】

ここで、配線ＢＧ１は、トランジスタ１１のバックゲートに、所定の電位を印加するため
の配線として機能し、配線ＢＧ２は、トランジスタ１２のバックゲートに、所定の電位を
印加するための配線として機能し、プレート線ＰＬは、容量素子Ｃ１１の他方の端子に、
所定の電位を印加するための配線として機能する。

【0096】

また、トランジスタ１１のソースまたはドレインの他方と、トランジスタ１２のフロント
ゲート、および、容量素子Ｃ１１の一方の端子が、電気的に接続された接続部をノードＮ
１１と呼称する。トランジスタ１１は、ノードＮ１１と、書き込みビット線ＷＢＬとを、
導通または非導通とするスイッチとしての機能を有する。また、メモリセル１１２は、容
量素子Ｃ１１を有さない構成としてもよい。

【0097】

データの書き込みは、書き込みワード線ＷＷＬにハイレベルの電位を印加してトランジス
タ１１を導通状態とし、ノードＮ１１と書き込みビット線ＷＢＬとを電気的に接続するこ
とによって行われる。具体的には、トランジスタ１１が導通状態のとき、書き込みビット
線ＷＢＬに書き込むデータに対応する電位を印加し、ノードＮ１１に当該電位を書き込む
。その後、書き込みワード線ＷＷＬにローレベルの電位を印加し、トランジスタ１１を非
導通状態とすることによって、ノードＮ１１の電位を保持する。

【0098】

データの読み出しは、読み出しビット線ＲＢＬに所定の電位を印加し、その後、読み出し
ビット線ＲＢＬを電気的に浮遊（フローティング）状態とし、かつ、読み出しワード線Ｒ
ＷＬにローレベルの電位を印加することによって行われる。以後、読み出しビット線ＲＢ
Ｌに所定の電位を印加し、その後、読み出しビット線ＲＢＬをフローティング状態とする
ことを、読み出しビット線ＲＢＬをプリチャージする、と表現する。

【0099】

例えば、読み出しビット線ＲＢＬに電位Ｖｄｄをプリチャージすることで、トランジスタ
１２はソースとドレインとの間に電位差を有し、トランジスタ１２のソースとドレインと
の間に流れる電流は、ノードＮ１１に保持されている電位によって決まる。そのため、読
み出しビット線ＲＢＬがフローティング状態のときの、読み出しビット線ＲＢＬの電位変
化を読み出すことによって、ノードＮ１１に保持されている電位を読み出すことができる
。

【0100】

また、データを書き込むメモリセル１１２が配置されている行は、ハイレベルの電位を印
加する書き込みワード線ＷＷＬによって選択され、データを読み出すメモリセル１１２が
配置されている行は、ローレベルの電位を印加する読み出しワード線ＲＷＬによって選択
される。逆に、データを書き込まないメモリセル１１２が配置されている行は、書き込み
ワード線ＷＷＬにローレベルの電位を印加し、データを読み出さないメモリセル１１２が
配置されている行は、読み出しワード線ＲＷＬに読み出しビット線ＲＢＬにプリチャージ
する電位と同じ電位を印加することで、非選択とすることができる。

【0101】

メモリセル１１２は、ノードＮ１１に電荷を蓄積し保持することで、データを記憶するこ
とができる。本実施の形態では、ノードＮ１１に、２値のデータを記憶できるものとする
。

【0102】

また、メモリセル１１２は、２トランジスタ１容量素子（または、２トランジスタ）で構
成されるゲインセル型のメモリセルである。ゲインセル型のメモリセルは、電荷を蓄積す
る容量が小さい場合でも、蓄積した電荷を直近のトランジスタで増幅することで、メモリ
としての動作を行うことができる。メモリセル１１２は、上述したＮＯＳＲＡＭである。

【0103】

＜トランジスタ＞
トランジスタ１１およびトランジスタ１２は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するト
ランジスタ（ＯＳトランジスタ）である。例えば、トランジスタ１１およびトランジスタ
１２のチャネル形成領域に、インジウム、元素Ｍ（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、
イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニ
ウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタ
ル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）、亜鉛の
いずれか一つを有する金属酸化物を用いることができる。特に、インジウム、ガリウム、
亜鉛からなる金属酸化物であることが好ましい。

【0104】

ＯＳトランジスタはオフ電流が非常に小さいため、トランジスタ１１にＯＳトランジスタ
を用いることで、ノードＮ１１に書き込んだ電位を長時間保持することができる。すなわ
ち、メモリセル１１２に書き込んだデータを長時間保持することができる。

【0105】

または、トランジスタ１１にＯＳトランジスタを用いることで、容量素子Ｃ１１の容量を
小さくすることができる。例えば、容量素子Ｃ１１として、トランジスタのゲート容量や
、配線の寄生容量等を利用することができる。そのため、メモリセル１１２において、ト
ランジスタや配線とは別に容量素子を作成する必要がなく、メモリセル１１２は、容量素
子Ｃ１１を有さない構成としてもよい。メモリセル１１２が容量素子Ｃ１１を有さない構
成とすることで、メモリセル１１２の面積を小さくできる。

【0106】

また、ＯＳトランジスタは薄膜トランジスタであるため、トランジスタ１１およびトラン
ジスタ１２にＯＳトランジスタを用いることで、メモリセルアレイ１１１は、周辺回路１
０１に積層して設けることができる。

【0107】

トランジスタ１１およびトランジスタ１２が有するバックゲートに関して、トランジスタ
１１およびトランジスタ１２のバックゲートに、配線ＢＧ１または配線ＢＧ２を介して所
定の電位を印加することで、トランジスタ１１およびトランジスタ１２のしきい値電圧を
増減することができる。

【0108】

具体的には、トランジスタ１１およびトランジスタ１２のバックゲートに印加する電位を
高くすることで、しきい値電圧はマイナスにシフトし、トランジスタ１１およびトランジ
スタ１２のバックゲートに印加する電位を低くすることで、しきい値電圧はプラスにシフ
トする。しきい値電圧をマイナスにシフトすることで、トランジスタのオン電流を増加す
ることができ、メモリセル１１２は、高速動作を行うことができる。しきい値電圧をプラ
スにシフトすることで、トランジスタのオフ電流を低減することができ、メモリセル１１
２は、データを長時間保持することができる。

【0109】

図５Ａに示すメモリセル１１２において、トランジスタ１１のバックゲートは配線ＢＧ１
と電気的に接続され、トランジスタ１２のバックゲートは配線ＢＧ２と電気的に接続され
るため、配線ＢＧ１に印加する電位を低くすることでトランジスタ１１のオフ電流を低減
し、配線ＢＧ２に印加する電位を高くすることでトランジスタ１２のオン電流を増加する
ことができる。トランジスタ１１およびトランジスタ１２を、それぞれの目的に合わせた
トランジスタとすることができる。または、配線ＢＧ１と配線ＢＧ２をまとめて一本の配
線とし、トランジスタ１１のバックゲートと、トランジスタ１２のバックゲートに、同じ
電位を印加してもよい。

【0110】

または、配線ＢＧ２を、ワード線ドライバ回路１２２またはワード線ドライバ回路１２３
を用いて、駆動してもよい。ワード線ドライバ回路１２２またはワード線ドライバ回路１
２３は、読み出し対象行の配線ＢＧ２に印加する電位を高くすることで、読み出し動作時
にトランジスタ１２のオン電流を増加することができる。逆に、読み出し対象行以外の配
線ＢＧ２に低い電位を印加することで、読み出し動作を行っていないトランジスタ１２の
オフ電流を低減することができる。

【0111】

データの読み出し動作が行われているメモリセル１１２が有するトランジスタ１２のオン
電流を増加することで、メモリセル１１２の読み出し動作を高速にし、それ以外のメモリ
セル１１２が有するトランジスタ１２のオフ電流を低減することで、読み出しビット線Ｒ
ＢＬにリークする電流を小さくすることができる。読み出しビット線ＲＢＬにリークする
電流を小さくすることで、読み出し動作の精度を高めることができる。

【0112】

＜メモリセル２＞
または、トランジスタ１１が有するバックゲートとトランジスタ１１が有するフロントゲ
ートとを電気的に接続し、トランジスタ１２が有するバックゲートとトランジスタ１２が
有するフロントゲートとを電気的に接続してもよい。図５Ｂは、メモリセル１１３の構成
例を示す回路図である。

【0113】

メモリセル１１３は、トランジスタ１１、トランジスタ１２、および、容量素子Ｃ１１を
有する。

【0114】

トランジスタ１１のソースまたはドレインの一方は、書き込みビット線ＷＢＬと電気的に
接続され、トランジスタ１１のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ１２のフロ
ントゲート、トランジスタ１２のバックゲート、および、容量素子Ｃ１１の一方の端子と
電気的に接続され、トランジスタ１１のフロントゲートは、書き込みワード線ＷＷＬ、お
よび、トランジスタ１１のバックゲートと電気的に接続される。

【0115】

トランジスタ１２のソースまたはドレインの一方は、読み出しビット線ＲＢＬと電気的に
接続され、トランジスタ１２のソースまたはドレインの他方は、読み出しワード線ＲＷＬ
と電気的に接続される。また、容量素子Ｃ１１の他方の端子は、プレート線ＰＬと電気的
に接続される。

【0116】

トランジスタ１１が有するバックゲートとトランジスタ１１が有するフロントゲートとを
電気的に接続することで、トランジスタ１１のオン電流を増加することができる。また、
トランジスタ１２が有するバックゲートとトランジスタ１２が有するフロントゲートとを
電気的に接続することで、トランジスタ１２のオン電流を増加することができる。すなわ
ち、メモリセル１１３は、高速動作を行うことができる。

【0117】

または、トランジスタ１１およびトランジスタ１２を、それぞれ、バックゲートを有さな
いトランジスタとしてもよい。トランジスタ１１およびトランジスタ１２を、それぞれ、
フロントゲートのみ有するトランジスタとすることで、トランジスタの製造工程を簡略化
することができる。

【0118】

＜ビット線ドライバ回路の構成例＞
ビット線ドライバ回路１３２には、列ごとに、図６に示す回路５０が設けられている。図
６は、回路５０の構成例を示す回路図である。本実施の形態では、メモリセルアレイ１１
１は、一行に１２８個のメモリセル１１２を有するものとする（ｎ＝１２８）。

【0119】

回路５０は、トランジスタ６１乃至トランジスタ６６、センスアンプ回路５１、ＡＮＤ回
路５２、アナログスイッチ５３、および、アナログスイッチ５４を有する。

【0120】

回路５０は、信号ＳＥＮ、信号ＳＥＰ、信号ＢＰＲ、信号ＲＳＥＬ［３：０］、信号ＷＳ
ＥＬ、信号ＧＲＳＥＬ［３：０］、信号ＧＷＳＥＬ［１５：０］に従い、動作する。なお
、１つの回路５０には、４ビットの信号ＲＳＥＬ［３：０］のうち、何れか１ビットの信
号が入力される。複数のビットを有する他の信号（ＧＲＳＥＬ［３：０］等）についても
同様である。

【0121】

ビット線ドライバ回路１３２によって、データＤＩＮ［３１：０］がメモリセルアレイ１
１１に書き込まれ、データＤＯＵＴ［３１：０］がメモリセルアレイ１１１から読み出さ
れる。１つの回路５０は、３２ビットのデータＤＩＮ［３１：０］のうち、何れか１ビッ
トのデータをメモリセルアレイ１１１に書き込み、３２ビットのデータＤＯＵＴ［３１：
０］のうち、何れか１ビットのデータをメモリセルアレイ１１１から読み出す機能を有す
る。

【0122】

なお、データＤＩＮ［３１：０］およびデータＤＯＵＴ［３１：０］は内部信号であり、
データＤＩＮ［３１：０］は、ページバッファ１３８からビット線ドライバ回路１３２に
供給される信号であり、データＤＯＵＴ［３１：０］は、ビット線ドライバ回路１３２か
らページバッファ１３８へ出力される信号である。また、ページバッファ１３８には、記
憶装置１０の外部からデータ信号ＷＤＡＴＡが入力され、ページバッファ１３８は、出力
回路１４１を介して、データ信号ＲＤＡＴＡを記憶装置１０の外部へ出力する。

【0123】

ページバッファ１３８は、少なくとも、メモリセルアレイ１１１において一行に記憶でき
るデータ量（ｎビット）を記憶できることが好ましい。本実施の形態では、１２８ビット
以上のデータを記憶できることが好ましい。

【0124】

＜＜プリチャージ回路＞＞
トランジスタ６１は、プリチャージ回路１３３を構成する。トランジスタ６１によって、
読み出しビット線ＲＢＬは、プリチャージ電位Ｖｐｒｅにプリチャージされる。なお、本
実施の形態では、プリチャージ電位Ｖｐｒｅとして、電位Ｖｄｄ（ハイレベル）を用いた
場合を説明する（図６、図７では、Ｖｄｄ（Ｖｐｒｅ）と表記する）。信号ＢＰＲはプリ
チャージ信号であり、信号ＢＰＲによって、トランジスタ６１の導通状態が制御される。

【0125】

＜＜センスアンプ回路＞＞
センスアンプ回路５１は、センスアンプ回路１３４を構成する。センスアンプ回路５１は
、読み出し動作時には、読み出しビット線ＲＢＬに入力されたデータのハイレベルまたは
ローレベルを判定する。また、センスアンプ回路５１は、書き込み動作時には、書き込み
ドライバ回路１３６から入力されたデータＤＩＮを一時的に保持するラッチ回路として機
能する。

【0126】

図６に示すセンスアンプ回路５１は、ラッチ型センスアンプである。センスアンプ回路５
１は、２個のインバータ回路を有し、一方のインバータ回路の入力ノードが他方のインバ
ータ回路の出力ノードと接続される。一方のインバータ回路の入力ノードをノードＮＳ、
出力ノードをノードＮＳＢとすると、ノードＮＳおよびノードＮＳＢにおいて相補データ
が保持される。

【0127】

信号ＳＥＮおよび信号ＳＥＰは、センスアンプ回路５１を活性化するためのセンスアンプ
イネーブル信号であり、レファレンス電位Ｖｒｅｆは、読み出し判定電位である。センス
アンプ回路５１は、レファレンス電位Ｖｒｅｆを基準に、活性化された時点のノードＮＳ
Ｂの電位が、ハイレベルであるか、ローレベルであるかを判定する。

【0128】

ＡＮＤ回路５２は、ノードＮＳと、書き込みビット線ＷＢＬとの導通状態を制御する。ま
た、アナログスイッチ５３は、ノードＮＳＢと、読み出しビット線ＲＢＬとの導通状態を
制御し、アナログスイッチ５４は、ノードＮＳと、レファレンス電位Ｖｒｅｆを供給する
配線との導通状態を制御する。

【0129】

すなわち、読み出しビット線ＲＢＬの電位はアナログスイッチ５３によってノードＮＳＢ
に伝えられ、読み出しビット線ＲＢＬの電位がレファレンス電位Ｖｒｅｆより低くなると
、センスアンプ回路５１は、読み出しビット線ＲＢＬはローレベルであると判定する。ま
た、読み出しビット線ＲＢＬの電位がレファレンス電位Ｖｒｅｆより低くならない場合、
センスアンプ回路５１は、読み出しビット線ＲＢＬはハイレベルであると判定する。

【0130】

信号ＷＳＥＬは、書き込み選択信号であり、ＡＮＤ回路５２を制御する。信号ＲＳＥＬ［
３：０］は、読み出し選択信号であり、アナログスイッチ５３およびアナログスイッチ５
４を制御する。

【0131】

＜＜出力ＭＵＸ回路＞＞
トランジスタ６２およびトランジスタ６３は、出力ＭＵＸ回路１３５を構成する。信号Ｇ
ＲＳＥＬ［３：０］は、グローバル読み出し選択信号であり、出力ＭＵＸ回路１３５を制
御する。出力ＭＵＸ回路１３５は、１２８本の読み出しビット線ＲＢＬから、データを読
み出す３２本の読み出しビット線ＲＢＬを選択する機能を有する。出力ＭＵＸ回路１３５
は、１２８入力３２出力のマルチプレクサとして機能する。

【0132】

出力ＭＵＸ回路１３５は、センスアンプ回路１３４から、データＤＯＵＴ［３１：０］を
読み出し、ページバッファ１３８に出力する。

【0133】

＜＜書き込みドライバ回路＞＞
トランジスタ６４乃至トランジスタ６６は、書き込みドライバ回路１３６を構成する。信
号ＧＷＳＥＬ［１５：０］は、グローバル書き込み選択信号であり、書き込みドライバ回
路１３６を制御する。書き込みドライバ回路１３６は、データＤＩＮ［３１：０］をセン
スアンプ回路１３４に書き込む機能を有する。

【0134】

書き込みドライバ回路１３６は、データＤＩＮ［３１：０］を書き込む列を選択する機能
を有する。書き込みドライバ回路１３６は、信号ＧＷＳＥＬ［１５：０］に従い、バイト
単位、ハーフワード単位、または、１ワード単位のデータ書き込みを行う。

【0135】

回路５０は、４列ごとに、データＤＩＮ［ｈ］（ｈは０以上３１以下の整数）と電気的に
接続される。また、回路５０は、４列ごとに、データＤＯＵＴ［ｈ］と電気的に接続され
る。

【0136】

＜メモリセルの動作例＞
図７は、メモリセル１１２の動作例を説明するタイミングチャートである。図７では、メ
モリセル１１２の書き込み動作および読み出し動作における、書き込みワード線ＷＷＬ、
読み出しワード線ＲＷＬ、読み出しビット線ＲＢＬ、および、書き込みビット線ＷＢＬの
電位関係について説明する。また、配線ＢＧ２を、ワード線ドライバ回路１２２またはワ
ード線ドライバ回路１２３を用いて駆動する場合についても、後ほど説明する。

【0137】

図７において、期間Ｔｗｒｉｔｅは、書き込み動作を行う期間であり、期間Ｔｒｅａｄは
、読み出し動作を行う期間である。また、読み出しワード線ＲＷＬ、読み出しビット線Ｒ
ＢＬ、および、書き込みビット線ＷＢＬのハイレベルは電位Ｖｄｄであり、ローレベルは
電位Ｖｓｓである。書き込みワード線ＷＷＬのハイレベルは電位Ｖｄｈであり、書き込み
ワード線ＷＷＬのローレベルは電位Ｖｓｓである。

【0138】

＜＜書き込み動作＞＞
期間Ｔｗｒｉｔｅにおいて、書き込みビット線ＷＢＬには、書き込むデータに対応する電
位Ｖｄａｔａが印加される。書き込みビット線ＷＢＬに書き込むデータに対応する電位Ｖ
ｄａｔａが印加された状態で、データを書き込むメモリセル１１２が配置されている行の
書き込みワード線ＷＷＬに電位Ｖｄｈが印加されると、トランジスタ１１が導通状態とな
り、書き込むデータに対応する電位ＶｄａｔａがノードＮ１１に書き込まれる。

【0139】

また、期間Ｔｗｒｉｔｅにおいて、読み出しワード線ＲＷＬおよび読み出しビット線ＲＢ
Ｌには、電位Ｖｄｄが印加される。

【0140】

＜＜読み出し動作＞＞
期間Ｔｒｅａｄにおいて、読み出しビット線ＲＢＬには、電位Ｖｄｄがプリチャージされ
ている。読み出しビット線ＲＢＬがフローティングの状態で、データを読み出すメモリセ
ル１１２が配置されている行の読み出しワード線ＲＷＬに電位Ｖｓｓが印加されると、ノ
ードＮ１１に書き込まれたデータがハイレベルの場合、トランジスタ１２が導通状態とな
り、読み出しビット線ＲＢＬの電位が下がり始める。

【0141】

読み出しビット線ＲＢＬの電位がΔＶ１下がり、レファレンス電位Ｖｒｅｆより低くなる
と、センスアンプ回路５１は、読み出しビット線ＲＢＬはローレベルであると判定する。

【0142】

また、読み出しビット線ＲＢＬがフローティングの状態で、データを読み出すメモリセル
１１２が配置されている行の読み出しワード線ＲＷＬに電位Ｖｓｓが印加されても、ノー
ドＮ１１に書き込まれたデータがローレベルの場合、トランジスタＭ１２が導通状態とな
らないため、読み出しビット線ＲＢＬの電位は変化しない。この場合、センスアンプ回路
５１は、読み出しビット線ＲＢＬはハイレベルであると判定する。

【0143】

期間Ｔｒｅａｄにおいて、書き込みビット線ＷＢＬおよび書き込みワード線ＷＷＬには、
電位Ｖｓｓが印加される。

【0144】

配線ＢＧ２を、ワード線ドライバ回路１２２またはワード線ドライバ回路１２３を用いて
駆動する場合、例えば、配線ＢＧ２のハイレベルを電位Ｖｄｈ、配線ＢＧ２のローレベル
を電位Ｖｓｓとすることができる。

【0145】

期間Ｔｗｒｉｔｅにおいて、配線ＢＧ２には電位Ｖｓｓが印加され、期間Ｔｒｅａｄにお
いて、データを読み出すメモリセル１１２が配置されている行の配線ＢＧ２には電位Ｖｄ
ｈが印加される。

【0146】

配線ＢＧ２に、電位Ｖｄｈが印加されることで、データを読み出すメモリセル１１２が有
するトランジスタ１２のオン電流を増加することができる。また、配線ＢＧ２に、電位Ｖ
ｓｓが印加されることで、トランジスタ１２のオフ電流を低減することができる。

【0147】

上述のように、記憶装置１０は、ｎチャネル型のトランジスタで構成されたゲインセル型
のメモリセルを有し、書き込みワード線ＷＷＬ、読み出しワード線ＲＷＬ、書き込みビッ
ト線ＷＢＬ、および、読み出しビット線ＲＢＬは、３種類の電位（電位Ｖｓｓ、電位Ｖｄ
ｄ、および、電位Ｖｄｈ）によって、ハイレベルまたはローレベルが表される。すなわち
、少ない電源数で記憶装置１０を動作させることができ、記憶装置１０を搭載する電子機
器のコストを低減することができる。

【0148】

ゲインセル型のメモリセルは、１メモリセルあたり少なくとも２つのトランジスタが必要
であり、単位面積あたりに配置できるメモリセルの数を増やすことが難しかったが、メモ
リセル１１２を構成するトランジスタにＯＳトランジスタを用いることで、メモリセルア
レイ１１１を、周辺回路１０１を形成した半導体基板ＳＵＢ上に複数積層して設けること
ができる。すなわち、単位面積あたりに記憶できるデータ量を増やすことができる。

【0149】

また、ゲインセル型のメモリセルは、電荷を蓄積する容量が小さい場合でも、蓄積した電
荷を直近のトランジスタで増幅することで、メモリとしての動作を行うことができる。さ
らに、オフ電流が非常に小さいＯＳトランジスタを、メモリセル１１２を構成するトラン
ジスタに用いることで、容量素子Ｃ１１の容量を小さくできる。または、容量素子Ｃ１１
として、トランジスタのゲート容量や配線の寄生容量等を利用することができ、容量素子
Ｃ１１を省略することができる。すなわち、メモリセル１１２の面積を小さくできる。

【0150】

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施する
ことができる。

【0151】

（実施の形態２）
以下では、上記実施の形態に係る記憶装置の一例について、図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ、図
９Ｂ、図１０乃至図１３を用いて説明する。まず、当該記憶装置を構成するメモリセルの
構成例について説明する。

【0152】

＜メモリセルの構成例＞
図８Ａおよび図８Ｂに、本発明の一態様に係る記憶装置を構成するメモリセル８６０の構
造を示す。図８Ａは、メモリセル８６０周辺の上面図である。また、図８Ｂは、メモリセ
ル８６０の断面図であり、図８Ｂは、図８ＡにＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応す
る。図８Ｂにおいて、トランジスタ６００のチャネル長方向の断面と、トランジスタ７０
０のチャネル幅方向の断面を示す。なお、図８Ａ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。なお、図８Ａに示す、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、それぞれ
が互いに直交または交差する方向である。ここで、Ｘ方向およびＹ方向は基板面に対して
平行または概略平行であり、Ｚ方向は基板面に対して垂直または概略垂直であることが好
ましい。

【0153】

本実施の形態に示す、メモリセル８６０は、トランジスタ６００、トランジスタ７００、
および容量素子６５５を有する。メモリセル８６０は、先の実施の形態に示すメモリセル
１１２と対応しており、トランジスタ６００、トランジスタ７００、および容量素子６５
５は、それぞれ、先の実施の形態に示す、トランジスタ１１、トランジスタ１２、容量素
子Ｃ１１と対応する。よって、トランジスタ６００のソースおよびドレインの一方と、ト
ランジスタ７００のゲートと、容量素子６５５の電極の一方は電気的に接続されている。

【0154】

図８Ａ、図８Ｂに示すように、メモリセル８６０では、絶縁体６１４上にトランジスタ６
００およびトランジスタ７００が配置され、また、トランジスタ６００およびトランジス
タ７００の一部の上に絶縁体６８０が配置され、トランジスタ６００、トランジスタ７０
０および絶縁体６８０の上に絶縁体６８２が配置され、絶縁体６８２の上に絶縁体６８５
が配置され、絶縁体６８５の上に容量素子６５５が配置され、容量素子６５５の上に絶縁
体６８８が配置される。絶縁体６１４、絶縁体６８０、絶縁体６８２、絶縁体６８５、お
よび絶縁体６８８は、層間膜として機能する。

【0155】

ここで、トランジスタ６００は、絶縁体６１４上の絶縁体６１６と、絶縁体６１６に埋め
込まれるように配置された導電体６０５（導電体６０５ａ、および導電体６０５ｂ）と、
絶縁体６１６上、および導電体６０５上の絶縁体６２２と、絶縁体６２２上の絶縁体６２
４と、絶縁体６２４上の酸化物６３０ａと、酸化物６３０ａ上の酸化物６３０ｂと、酸化
物６３０ｂ上の酸化物６４３ａおよび酸化物６４３ｂと、酸化物６４３ａ上の導電体６４
２ａと、酸化物６４３ｂ上の導電体６４２ｂと、絶縁体６２４の一部、酸化物６３０ａの
側面、酸化物６３０ｂの側面、酸化物６４３ａの側面、導電体６４２ａの側面、導電体６
４２ａの上面、酸化物６４３ｂの側面、導電体６４２ｂの側面、および導電体６４２ｂの
上面とそれぞれ接する絶縁体６７２と、絶縁体６７２上の絶縁体６７３と、酸化物６３０
ｂ上の酸化物６３０ｃと、酸化物６３０ｃ上の絶縁体６５０と、絶縁体６５０上に位置し
、酸化物６３０ｃと重なる導電体６６０（導電体６６０ａ、および導電体６６０ｂ）と、
を有する。また、酸化物６３０ｃは、酸化物６４３ａの側面、酸化物６４３ｂの側面、導
電体６４２ａの側面および導電体６４２ｂの側面とそれぞれ接する。ここで、図８Ｂに示
すように、導電体６６０の上面は、絶縁体６５０の上面、酸化物６３０ｃの上面、および
絶縁体６８０の上面と略一致して配置される。また、絶縁体６８２は、導電体６６０、絶
縁体６５０、酸化物６３０ｃ、および絶縁体６８０のそれぞれの上面と接する。

【0156】

なお、以下において、酸化物６３０ａ、酸化物６３０ｂ、および酸化物６３０ｃをまとめ
て酸化物６３０と呼ぶ場合がある。また、酸化物６４３ａと酸化物６４３ｂをまとめて酸
化物６４３と呼ぶ場合がある。また、導電体６４２ａと導電体６４２ｂをまとめて導電体
６４２と呼ぶ場合がある。

【0157】

トランジスタ６００において、導電体６６０は、ゲートとして機能し、導電体６４２ａお
よび導電体６４２ｂは、それぞれソースまたはドレインとして機能する。また、導電体６
０５は、バックゲートとして機能する。トランジスタ６００は、ゲートとして機能する導
電体６６０が、絶縁体６８０などによって形成される開口を埋めるように自己整合的に形
成される。このように、本実施の形態に係る記憶装置では、位置合わせをせずに、導電体
６６０を導電体６４２ａと導電体６４２ｂの間の領域に確実に配置することができる。

【0158】

また、トランジスタ７００は、絶縁体６１４上の絶縁体６１６と、絶縁体６１６に埋め込
まれるように配置された導電体７０５（導電体７０５ａ、および導電体７０５ｂ）と、絶
縁体６１６上、および導電体７０５上の絶縁体６２２と、絶縁体６２２上の絶縁体６２４
と、絶縁体６２４上の酸化物７３０ａと、酸化物７３０ａ上の酸化物７３０ｂと、酸化物
７３０ｂ上の酸化物７４３ａおよび酸化物７４３ｂと、酸化物７４３ａ上の導電体７４２
ａと、酸化物７４３ｂ上の導電体７４２ｂと、絶縁体６２４の一部、酸化物７３０ａの側
面、酸化物７３０ｂの側面、酸化物７４３ａの側面、導電体７４２ａの側面、導電体７４
２ａの上面、酸化物７４３ｂの側面、導電体７４２ｂの側面、および導電体７４２ｂの上
面とそれぞれ接する絶縁体６７２と、絶縁体６７２上の絶縁体６７３と、酸化物７３０ｂ
上の酸化物７３０ｃと、酸化物７３０ｃ上の絶縁体７５０と、絶縁体７５０上に位置し、
酸化物７３０ｃと重なる導電体７６０（導電体７６０ａ、および導電体７６０ｂ）と、を
有する。また、酸化物７３０ｃは、酸化物７４３ａの側面、酸化物７４３ｂの側面、導電
体７４２ａの側面および導電体７４２ｂの側面とそれぞれ接する。ここで、図８Ｂに示す
ように、導電体７６０の上面は、絶縁体７５０の上面、酸化物７３０ｃの上面、および絶
縁体６８０の上面と略一致して配置される。また、絶縁体６８２は、導電体７６０、絶縁
体７５０、酸化物７３０ｃ、および絶縁体６８０のそれぞれの上面と接する。

【0159】

また、以下において、酸化物７３０ａ、酸化物７３０ｂ、および酸化物７３０ｃをまとめ
て酸化物７３０と呼ぶ場合がある。また、酸化物７４３ａと酸化物７４３ｂをまとめて酸
化物７４３と呼ぶ場合がある。また、導電体７４２ａと導電体７４２ｂをまとめて導電体
７４２と呼ぶ場合がある。

【0160】

トランジスタ７００において、導電体７６０は、ゲートとして機能し、導電体７４２ａお
よび導電体７４２ｂは、それぞれソースまたはドレインとして機能する。また、導電体７
０５は、バックゲートとして機能する。トランジスタ７００は、ゲートとして機能する導
電体７６０が、絶縁体６８０などによって形成される開口を埋めるように自己整合的に形
成される。このように、本実施の形態に係る記憶装置では、位置合わせをせずに、導電体
７６０を導電体７４２ａと導電体７４２ｂの間の領域に確実に配置することができる。

【0161】

ここで、トランジスタ７００は、トランジスタ６００と同じ層に形成され、同様の構成を
有する。よって、トランジスタ７００のチャネル長方向の断面は図示されていないが、図
８Ｂに示すトランジスタ６００のチャネル長方向の断面と同様の構造を有する。つまり、
断面図において図示されていない、酸化物７４３と導電体７４２も、図８Ｂに示す、酸化
物６４３と導電体６４２と同様の構造を有する。なお、トランジスタ６００のチャネル幅
方向の断面は図示されていないが、図８Ｂに示すトランジスタ７００のチャネル幅方向の
断面と同様の構造を有する。

【0162】

よって、酸化物７３０は、酸化物６３０と同様の構成を有し、酸化物６３０の記載を参酌
することができる。導電体７０５は、導電体６０５と同様の構成を有し、導電体６０５の
記載を参酌することができる。酸化物７４３は、酸化物６４３と同様の構成を有し、酸化
物６４３の記載を参酌することができる。導電体７４２は、導電体６４２と同様の構成を
有し、導電体６４２の記載を参酌することができる。絶縁体７５０は、絶縁体６５０と同
様の構成を有し、絶縁体６５０の記載を参酌することができる。導電体７６０は、導電体
６６０と同様の構成を有し、導電体６６０の記載を参酌することができる。以下において
、特段の記載がない限り、上記のようにトランジスタ７００の構成は、トランジスタ６０
０の構成の記載を参酌することができる。

【0163】

ここで、トランジスタ６００およびトランジスタ７００は、チャネル形成領域を含む酸化
物６３０および酸化物７３０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。

【0164】

例えば、酸化物半導体として機能する金属酸化物は、エネルギーギャップが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。エネルギーギャップの大きい
金属酸化物を用いることで、トランジスタ６００の非導通状態におけるリーク電流（オフ
電流）を極めて小さくすることができる。

【0165】

酸化物半導体として、例えば、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、または錫を用いるとよい。また、酸化物半導体として、Ｉｎ－Ｍ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ
酸化物、またはＭ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。

【0166】

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６００およびトランジスタ７００
は、非導通状態におけるリーク電流（オフ電流）が極めて小さいため、低消費電力の記憶
装置を提供できる。また、トランジスタ６００およびトランジスタ７００は、高温環境下
でもオフ電流がほとんど増加しない。具体的には室温以上２００℃以下の環境温度下でも
オフ電流がほとんど増加しない。よって、高温環境下においても動作が安定し、信頼性の
良好な記憶装置を実現できる。

【0167】

トランジスタ６００のオフ電流が極めて小さいので、容量素子６５５の容量値を小さく設
定することができる。これにより、メモリセル８６０の占有面積を小さくし、記憶装置の
集積化を図ることができる。

【0168】

図８Ａに示すように、導電体７４２ａ、導電体６６０、導電体６０５、および導電体７０
５は、Ｙ方向に延在していることが好ましい。このような構造にすることで、導電体７４
２ａは、先の実施の形態に示す読み出しワード線ＲＷＬとして機能する。また、導電体６
６０は、先の実施の形態に示す書き込みワード線ＷＷＬとして機能する。また、導電体６
０５は、先の実施の形態に示す配線ＢＧ１として機能する。また、導電体７０５は、先の
実施の形態に示す配線ＢＧ２として機能する。

【0169】

容量素子６５５は、絶縁体６８５上の導電体６４６ａと、導電体６４６ａを覆う絶縁体６
８６と、導電体６４６ａの少なくとも一部と重畳して絶縁体６８６上に配置される導電体
６５６と、を有する。ここで、導電体６４６ａは、容量素子６５５の一方の電極として機
能し、導電体６５６は、容量素子６５５の他方の電極として機能する。また、絶縁体６８
６は容量素子６５５の誘電体として機能する。

【0170】

また、導電体６５６は、Ｙ方向に延在させて、先の実施の形態に示すプレート線ＰＬとし
て機能させることが好ましい。

【0171】

また、絶縁体６７２、絶縁体６７３、絶縁体６８０、絶縁体６８２、および絶縁体６８５
に開口が形成されており、プラグとして機能する導電体６４０（導電体６４０ａ、導電体
６４０ｂ、導電体６４０ｃ、および導電体６４０ｄ）が当該開口に埋め込まれるように設
けられる。また、導電体６４０は、絶縁体６８５の上面に露出して設けられる。

【0172】

導電体６４０ａは、下面が導電体６４２ａに接し、上面が導電体６４６ａに接する。導電
体６４０ｃは、下面が導電体７６０に接し、上面が導電体６４６ａに接する。このように
して、トランジスタ６００のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ７００のゲー
トと、容量素子６５５の電極の一方は電気的に接続される。

【0173】

導電体６４０ｂは、下面が導電体６４２ｂに接して設けられる。また、導電体６４０ｂの
上面に接して導電体６４６ｂが設けられる。導電体６４６ｂは導電体６４６ａと同じ層に
形成され、同様の構成を有する。図８Ａに示すように、導電体６４６ｂはＸ方向に延在し
ていることが好ましい。このような構造にすることで、導電体６４６ｂは、先の実施の形
態に示す書き込みビット線ＷＢＬとして機能する。

【0174】

また、断面図に図示していないが、導電体６４０ｄは、下面が導電体７４２ｂに接して設
けられる。また、導電体６４０ｄの上面に接して導電体７４６が設けられる。導電体７４
６は導電体６４６ａと同じ層に形成され、同様の構成を有する。図８Ａに示すように、導
電体７４６はＸ方向に延在していることが好ましい。このような構造にすることで、導電
体７４６は、先の実施の形態に示す読み出しビット線ＲＢＬとして機能する。

【0175】

図８Ｂに示すように、トランジスタ６００とトランジスタ７００を同じ層に形成すること
で、トランジスタ６００とトランジスタ７００を同じ工程で形成することができるので、
記憶装置製造の工程を短縮し、生産性を向上させることができる。

【0176】

なお、メモリセル８６０において、トランジスタ６００のチャネル長方向とトランジスタ
７００のチャネル幅方向が平行になるように、トランジスタ６００、トランジスタ７００
および容量素子６５５を設けているが、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。図８等に示すメモリセル８６０は、記憶装置の構成の一例であり、回路構成
や駆動方法に応じて、適切な構造のトランジスタまたは容量素子などを、適宜配置すれば
よい。

【0177】

［メモリセルの詳細な構成］
以下では、本発明の一態様に係るメモリセル８６０の詳細な構成について説明する。以下
において、トランジスタ７００の構成要素は、トランジスタ６００の構成要素の記載を参
酌できるものとする。

【0178】

図８に示すように、酸化物６３０は、絶縁体６２４上の酸化物６３０ａと、酸化物６３０
ａ上の酸化物６３０ｂと、酸化物６３０ｂ上に配置され、少なくとも一部が酸化物６３０
ｂの上面に接する酸化物６３０ｃと、を有することが好ましい。ここで、酸化物６３０ｃ
の側面は、酸化物６４３ａ、酸化物６４３ｂ、導電体６４２ａ、導電体６４２ｂ、絶縁体
６７２、絶縁体６７３、および絶縁体６８０に接して設けられていることが好ましい。

【0179】

酸化物６３０ｂ下に酸化物６３０ａを有することで、酸化物６３０ａよりも下方に形成
された構造物から、酸化物６３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸
化物６３０ｂ上に酸化物６３０ｃを有することで、酸化物６３０ｃよりも上方に形成され
た構造物から、酸化物６３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。

【0180】

なお、トランジスタ６００では、チャネル形成領域と、その近傍において、酸化物６３０
ａ、酸化物６３０ｂ、および酸化物６３０ｃ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６３０ｂの単層、酸化物６３０
ｂと酸化物６３０ａの２層構造、酸化物６３０ｂと酸化物６３０ｃ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。例えば、酸化物６３０ｃを２層構造にして
、４層の積層構造を設ける構成にしてもよい。

【0181】

また、酸化物６３０は、各金属原子の原子数比が異なる複数の酸化物層の積層構造を有す
ることが好ましい。具体的には、酸化物６３０ａ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６３０ｂ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６３０ａ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６３０ｂ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６３０ｂ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６３０ａ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６３０ｃは、酸化物６３０ａまたは酸化物６３０ｂ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。なお、酸化物６３０ｃ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６３０ｂ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くなってもよい。

【0182】

具体的には、例えば元素Ｍにガリウムを用いた場合、酸化物６３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ
：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］もしくはその近傍の組成、または１：１：０．５［原子
数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。

【0183】

また、酸化物６３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその
近傍の組成、または１：１：１［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用い
ればよい。また、酸化物６３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：３［原子数比］も
しくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１０：１：３［原子数比］もしくはそ
の近傍の組成の金属酸化物を用いてもよい。また、酸化物６３０ｂとして、Ｉｎ－Ｚｎ酸
化物（例えば、Ｉｎ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］もしくはその近傍の組成、Ｉｎ：Ｚｎ＝
５：１［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｚｎ＝１０：１［原子数比］
もしくはその近傍の組成）を用いてもよい。また、酸化物６３０ｂとして、Ｉｎ酸化物を
用いても良い。

【0184】

また、酸化物６３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比もしくはその近
傍の組成］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＧａ：Ｚ
ｎ＝２：５［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸
化物６３０ｃに、酸化物６３０ｂに用いることのできる材料を適用し、単層または積層で
設けてもよい。例えば、酸化物６３０ｃを積層構造とする場合の具体例としては、Ｉｎ：
Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１
：３：４［原子数比］もしくはその近傍の組成との積層構造、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子
数比］もしくはその近傍の組成と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくは
その近傍の組成との積層構造、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］もしくはその近傍の組成
と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成との積層構造、
酸化ガリウムと、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成と
の積層構造などが挙げられる。

【0185】

また、酸化物６３０ｂ、６３０ｃとして、膜中のインジウムの比率を高めることで、トラ
ンジスタのオン電流、または電界効果移動度などを高めることが出来るため、好適である
。また、上述した近傍の組成とは、所望の原子数比の±３０％の範囲を含む。

【0186】

また、酸化物６３０ｂは、結晶性を有していてもよい。例えば、後述するＣＡＡＣ－ＯＳ
（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏ
ｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることが好ましい。ＣＡＡＣ－ＯＳなどの結晶性を有する酸化物
は、不純物や欠陥（酸素欠損など）が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。
よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物６３０ｂからの酸素の引き抜きを
抑制することができる。また、加熱処理を行っても、酸化物６３０ｂから酸素が、引き抜
かれることを低減できるので、トランジスタ６００は、製造工程における高い温度（所謂
サーマルバジェット）に対して安定である。

【0187】

また、酸化物６３０ｃは、絶縁体６８０を含む層間膜に設けた開口内に設けられることが
好ましい。従って、絶縁体６５０、および導電体６６０は、酸化物６３０ｃを介して、酸
化物６３０ｂ、および酸化物６３０ａの積層構造と重畳する領域を有する。当該構造とす
ることで、酸化物６３０ｃと絶縁体６５０とを連続成膜により、形成することが可能とな
るため、酸化物６３０と絶縁体６５０との界面を清浄に保つことができる。従って、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６００は高いオン電流、お
よび高い周波数特性を得ることができる。

【0188】

酸化物６３０（例えば、酸化物６３０ｂ）には、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用い
ることが好ましい。酸化物半導体のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導
体中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純
物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。
なお、酸化物半導体中の不純物としては、例えば、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ
土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。

【0189】

特に、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため
、酸化物半導体中に酸素欠損（Ｖ_Ｏ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）を形成す
る場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥（以下、Ｖ_ＯＨと呼ぶ場合がある）
はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部
が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。従っ
て、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性
となりやすい。また、酸化物半導体中の水素は、熱、電界などのストレスによって動きや
すいため、酸化物半導体に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化する恐
れもある。

【0190】

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

【0191】

以上より、酸化物半導体を酸化物６３０に用いる場合、酸化物６３０中のＶ_ＯＨをできる
限り低減し、高純度真性または実質的に高純度真性にすることが好ましい。このように、
Ｖ_ＯＨが十分低減された酸化物半導体を得るには、酸化物半導体中の水分、水素などの不
純物を除去すること（脱水処理、脱水素化処理と記載する場合がある）と、酸化物半導体
に酸素を供給して酸素欠損を補填すること（加酸素化処理と記載する場合がある）が好ま
しい。Ｖ_ＯＨなどの不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形
成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。

【0192】

例えば、酸化物６３０ｂの二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏ
ｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０^２０ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましく
は５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ^３未満とすることができる。水素などの不純物が十分に低減された酸化物６３０をトラ
ンジスタ６００のチャネル形成領域に用いることで、ノーマリーオフ特性にすることがで
き、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させることができる。

【0193】

また、酸化物６３０に酸化物半導体を用いる場合、チャネル形成領域として機能する領域
の酸化物半導体のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３以下であることが好ましく、１
×１０^１７ｃｍ^－３未満であることがより好ましく、１×１０^１６ｃｍ^－３未満であるこ
とがさらに好ましく、１×１０^１３ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましく、１×１０
^１２ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域として機能する
領域の酸化物半導体のキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、１
×１０^－９ｃｍ^－３とすることができる。

【0194】

そこで、絶縁体６１４、絶縁体６２２、絶縁体６７２、絶縁体６７３、および絶縁体６８
２として、不純物の拡散を抑制する材料（以下、不純物に対するバリア性材料ともいう）
を用いて、水素などの不純物が酸化物６３０に拡散するのを低減することが好ましい。な
お、本明細書等において、バリア性とは、対応する物質の拡散を抑制する機能（透過性が
低いともいう）とする。または、対応する物質を、捕獲、および固着する（ゲッタリング
ともいう）機能とする。また、本明細書等において、バリア性を有する絶縁膜をバリア絶
縁膜と呼ぶ場合がある。

【0195】

例えば、水素、および酸素に対する拡散を抑制する機能を有する材料として、酸化アルミ
ニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、インジウムガリウム亜鉛酸化物、窒化シリコン
、または窒化酸化シリコンなどがある。特に、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンは、
水素に対するバリア性が高いため、封止する材質として用いることが好ましい。

【0196】

また、例えば、水素を捕獲、および固着する機能を有する材料として、酸化アルミニウム
、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、インジウムガリウム亜鉛酸化物、などの金属酸化物が
ある。

【0197】

例えば、絶縁体６１４として、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いること
が好ましい。これにより、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ６００
側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体６２４などに含まれる酸素が、
基板側に拡散するのを抑制することができる。

【0198】

導電体６０５は、酸化物６３０、および導電体６６０と、重なるように配置する。また、
導電体６０５は、絶縁体６１６に埋め込まれて設けることが好ましい。

【0199】

導電体６０５がゲート電極として機能する場合、導電体６０５に印加する電位を、導電体
６６０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６００
のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を制御することができる。特に、導電体６０５に負の電位を印
加することにより、トランジスタ６００のＶｔｈをより大きくし、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６０５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６６０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。

【0200】

なお、導電体６０５は、図８Ａに示すように、酸化物６３０の導電体６４２ａおよび導電
体６４２ｂと重ならない領域の大きさよりも、大きく設けるとよい。特に、図８Ｂに示す
ように、導電体６０５は、酸化物６３０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。つまり、酸化物６３０のチャネル幅方向にお
ける側面の外側において、導電体６０５と、導電体６６０とは、絶縁体を介して重畳して
いることが好ましい。または、導電体６０５を大きく設けることによって、導電体６０５
形成以降の作製工程のプラズマを用いた処理において、局所的なチャージング（チャージ
アップと言う）の緩和ができる場合がある。ただし、本発明の一態様はこれに限定されな
い。導電体６０５は、少なくとも導電体６４２ａと、導電体６４２ｂとの間に位置する酸
化物６３０と重畳すればよい。

【0201】

また、絶縁体６２４の底面を基準として、酸化物６３０ａおよび酸化物６３０ｂと、導電
体６６０とが、重ならない領域における導電体６６０の底面の高さは、酸化物６３０ｂの
底面の高さより低い位置に配置されていることが好ましい。

【0202】

図に示すように、ゲートとして機能する導電体６６０は、チャネル形成領域の酸化物６３
０ｂの側面および上面を酸化物６３０ｃおよび絶縁体６５０を介して覆う構造とすること
により、導電体６６０から生じる電界を、酸化物６３０ｂに生じるチャネル形成領域全体
に作用させやすくなる。従って、トランジスタ６００のオン電流を増大させ、周波数特性
を向上させることができる。本明細書において、第１のゲート、および第２のゲートの電
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、ｓｕｒｒｏｕ
ｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。

【0203】

また、導電体６０５ａ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導電体
が好ましい。例えば、チタン、窒化チタン、タンタル、または窒化タンタルを用いること
ができる。また、導電体６０５ｂ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６０５を２層で図示したが、３層
以上の多層構造としてもよい。

【0204】

また、絶縁体６１６、絶縁体６８０、絶縁体６８５、および絶縁体６８８は、絶縁体６１
４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間
に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体６１６、絶縁体６８０、絶縁
体６８５、および絶縁体６８８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、または空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用い
ればよい。

【0205】

また、絶縁体６１６、絶縁体６８０、絶縁体６８５、および絶縁体６８８は、水素原子を
含まない、または水素原子の含有量が少ない、化合物ガスを用いてＣＶＤ法またはＡＬＤ
法により成膜してもよい。

【0206】

上記絶縁膜の成膜では、成膜ガスとして、シリコン原子を含む分子を有するガスが主に用
いられる。上記絶縁膜に含まれる水素を低減するには、当該シリコン原子を含む分子に含
まれる水素原子が少ないことが好ましく、当該シリコン原子を含む分子が水素原子を含ま
ないことがより好ましい。もちろん、シリコン原子を含む分子を有するガス以外の成膜ガ
スも、含有される水素原子が少ないことが好ましく、水素原子を含まないことがより好ま
しい。

【0207】

上記のようなシリコン原子を含む分子をＳｉ_ｘ－Ｒ_ｙで表すと、例えば、官能基Ｒとして
、イソシアネート基（－Ｎ＝Ｃ＝Ｏ）、シアネート基（－Ｏ－Ｃ≡Ｎ）、シアノ基（－Ｃ
≡Ｎ）、ジアゾ基（＝Ｎ_２）、アジド基（－Ｎ_３）、ニトロソ基（－ＮＯ）、およびニト
ロ基（－ＮＯ_２）の少なくとも一つを用いることができる。例えば、１≦ｘ≦３、１≦ｙ
≦８、とすればよい。このようなシリコン原子を含む分子としては、例えば、テトライソ
シアネートシラン、テトラシアネートシラン、テトラシアノシラン、ヘキサイソシアネー
トシラン、オクタイソシアネートシラン等を用いることができる。ここでは、シリコン原
子に同じ種類の官能基が結合する分子を例示したが、本実施の形態はこれに限られるもの
ではない。シリコン原子に異なる種類の官能基が結合する構成にしてもよい。

【0208】

また、例えば、官能基Ｒとしてハロゲン（塩素、臭素、ヨウ素、またはフッ素）を用いる
構成にしてもよい。例えば、１≦ｘ≦２、１≦ｙ≦６、とすればよい。このようなシリコ
ン原子を含む分子としては、例えば、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４）、ヘキサクロロ
ジシラン（Ｓｉ_２Ｃｌ_６）等を用いることができる。塩素を官能基とする例を示したが、
塩素以外の、臭素、ヨウ素、フッ素等のハロゲンを官能基として用いてもよい。また、シ
リコン原子に異なる種類のハロゲンが結合する構成にしてもよい。

【0209】

絶縁体６２２、および絶縁体６２４は、ゲート絶縁体としての機能を有する。

【0210】

ここで、酸化物６３０と接する絶縁体６２４は、加熱により酸素を脱離することが好まし
い。本明細書では、加熱により離脱する酸素を過剰酸素と呼ぶことがある。例えば、絶縁
体６２４は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。酸素を含む
絶縁体を酸化物６３０に接して設けることにより、酸化物６３０中の酸素欠損を低減し、
トランジスタ６００の信頼性を向上させることができる。

【0211】

絶縁体６２４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（Ｔ
ｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析）にて、酸素分
子の脱離量が１．０×１０^１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．０×１
０^１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは２．０×１０^１９ｍｏｌｅｃ
ｕｌｅｓ／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７
００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。

【0212】

絶縁体６２２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６００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。例えば、絶縁体６２２は、
絶縁体６２４より水素透過性が低いことが好ましい。絶縁体６２２および絶縁体６７２等
によって、絶縁体６２４および酸化物６３０などを囲むことにより、外方から水または水
素などの不純物がトランジスタ６００に侵入することを抑制することができる。

【0213】

さらに、絶縁体６２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一つ）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。例えば、絶縁
体６２２は、絶縁体６２４より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体６２２が、酸素
や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物６３０が有する酸素が、絶縁体６
２２より下側へ拡散することを低減できるので、好ましい。また、導電体６０５が、絶縁
体６２４や、酸化物６３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。

【0214】

絶縁体６２２は、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６２２を形成した場合、絶縁体６２２は、酸化物６３０からの酸素
の放出や、トランジスタ６００の周辺部から酸化物６３０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。

【0215】

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
。

【0216】

また、絶縁体６２２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（ＳｒＴｉ
Ｏ_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てもよい。例えば、絶縁体６２２を積層とする場合、酸化
ジルコニウムと、酸化アルミニウムと、酸化ジルコニウムと、が順に形成された３層積層
や、酸化ジルコニウムと、酸化アルミニウムと、酸化ジルコニウムと、酸化アルミニウム
と、が順に形成された４層積層などを用いれば良い。また、絶縁体６２２としては、ハフ
ニウムと、ジルコニウムとが含まれる化合物などを用いても良い。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。

【0217】

なお、絶縁体６２２、および絶縁体６２４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。

【0218】

また、酸化物６３０ｂと、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電体６４２（
導電体６４２ａおよび導電体６４２ｂ）と、の間に酸化物６４３（酸化物６４３ａおよび
酸化物６４３ｂ）を配置してもよい。導電体６４２と、酸化物６３０とが接しない構成と
なるので、導電体６４２が、酸化物６３０の酸素を吸収することを抑制できる。つまり、
導電体６４２の酸化を防止することで、導電体６４２の導電率の低下を抑制することがで
きる。従って、酸化物６４３は、導電体６４２の酸化を抑制する機能を有することが好ま
しい。

【0219】

従って、酸化物６４３は、酸素の透過を抑制する機能を有することが好ましい。ソース電
極やドレイン電極として機能する導電体６４２と酸化物６３０ｂとの間に酸素の透過を抑
制する機能を有する酸化物６４３を配置することで、導電体６４２と、酸化物６３０ｂと
の間の電気抵抗が低減されるので好ましい。このような構成とすることで、トランジスタ
６００の電気特性およびトランジスタ６００の信頼性を向上させることができる。

【0220】

酸化物６４３として、元素Ｍを有する金属酸化物を用いてもよい。特に、元素Ｍは、アル
ミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。酸化物６４３は、酸化物
６３０ｂよりも元素Ｍの濃度が高いことが好ましい。また、酸化物６４３として、酸化ガ
リウムを用いてもよい。また、酸化物６４３として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物等の金属酸化
物を用いてもよい。具体的には、酸化物６４３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６３０ｂ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６４３の膜厚は、０．５ｎｍ以上
５ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下である。また、酸化物６
４３は、結晶性を有すると好ましい。酸化物６４３が結晶性を有する場合、酸化物６３０
中の酸素の放出を好適に抑制することが出来る。例えば、酸化物６４３としては、六方晶
などの結晶構造であれば、酸化物６３０中の酸素の放出を抑制できる場合がある。

【0221】

なお、酸化物６４３は必ずしも設けなくてもよい。その場合、導電体６４２（導電体６４
２ａ、および導電体６４２ｂ）と酸化物６３０とが接することで、酸化物６３０中の酸素
が導電体６４２へ拡散し、導電体６４２が酸化する場合がある。導電体６４２が酸化する
ことで、導電体６４２の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物６３０中の酸素が
導電体６４２へ拡散することを、導電体６４２が酸化物６３０中の酸素を吸収する、と言
い換えることができる。

【0222】

また、酸化物６３０中の酸素が導電体６４２（導電体６４２ａ、および導電体６４２ｂ）
へ拡散することで、導電体６４２ａと酸化物６３０ｂとの間、および、導電体６４２ｂと
酸化物６３０ｂとの間に異層が形成される場合がある。当該異層は、導電体６４２よりも
酸素を多く含むため、当該異層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体６４２
と、当該異層と、酸化物６３０ｂとの３層構造は、金属－絶縁体－半導体からなる３層構
造とみなすことができ、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕ
ｃｔｏｒ）構造と呼ぶ、またはＭＩＳ構造を主としたダイオード接合構造と呼ぶ場合があ
る。

【0223】

なお、上記異層は、導電体６４２と酸化物６３０ｂとの間に形成されることに限られず、
例えば、異層が、導電体６４２と酸化物６３０ｃとの間に形成される場合や、導電体６４
２と酸化物６３０ｂとの間、および導電体６４２と酸化物６３０ｃとの間に形成される場
合がある。

【0224】

酸化物６４３上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体６４２（導
電体６４２ａ、および導電体６４２ｂ）が設けられる。導電体６４２の膜厚は、例えば、
１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上２５ｎｍ以下、とすればよい。

【0225】

導電体６４２としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル
、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マ
グネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロ
ンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か
、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタ
ル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミ
ニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを
含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化
タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを
含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化
物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収
しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。

【0226】

絶縁体６７２は、導電体６４２上面に接して設けられており、バリア絶縁膜として機能す
ることが好ましい。また、絶縁体６７２上に、バリア絶縁膜として機能する絶縁体６７３
を設けることが好ましい。このような構成にすることで、導電体６４２による、絶縁体６
８０が有する過剰酸素の吸収を抑制することができる。また、導電体６４２の酸化を抑制
することで、トランジスタ６００と配線とのコンタクト抵抗の増加を抑制することができ
る。よって、トランジスタ６００に良好な電気特性および信頼性を与えることができる。

【0227】

従って、絶縁体６７２および絶縁体６７３は、酸素の拡散を抑制する機能を有することが
好ましい。例えば、絶縁体６７２は、絶縁体６８０よりも酸素の拡散を抑制する機能を有
することが好ましい。絶縁体６７２としては、例えば、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。絶縁体６７３としては、例えば
、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどを用いればよい。

【0228】

また、水または水素などの不純物が、絶縁体６７２および絶縁体６７３を介して配置され
ている絶縁体６８０などからトランジスタ６００側に拡散するのを抑制することができる
。このように、トランジスタ６００を、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を
抑制する機能を有する絶縁体６７２、および絶縁体６７３で取り囲む構造とすることが好
ましい。

【0229】

絶縁体６５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体６５０は、酸化物６３０ｃの上面
に接して配置することが好ましい。絶縁体６５０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。

【0230】

絶縁体６２４と同様に、絶縁体６５０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。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体６５０として、酸
化物６３０ｃの上面に接して設けることにより、酸化物６３０ｂのチャネル形成領域に効
果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体６２４と同様に、絶縁体６５０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６５０の膜厚は、
１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。

【0231】

また、絶縁体６５０と導電体６６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物
は、絶縁体６５０から導電体６６０へ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６５０から導電体６６０への酸素の拡散が
抑制される。つまり、酸化物６３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。ま
た、絶縁体６５０の酸素による導電体６６０の酸化を抑制することができる。

【0232】

また、当該金属酸化物は、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６５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、当該金属酸化
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。ゲー
ト絶縁体を、絶縁体６５０と当該金属酸化物との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、ゲート絶縁体の物理膜
厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。ま
た、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる
。

【0233】

具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タン
グステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから
選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。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。

【0234】

または、当該金属酸化物は、ゲートの一部としての機能を有する場合がある。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。

【0235】

特に、ゲート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。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。

【0236】

導電体６６０は、底面および側面が絶縁体６５０に接して配置される。導電体６６０は、
図８では２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であっ
てもよい。

【0237】

導電体６６０ａ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
とも一つ）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。

【0238】

また、導電体６６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体６５０に含
まれる酸素により、導電体６６０ｂ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。

【0239】

また、導電体６６０ｂ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６６０は、配線としても機能するため、導電
体６６０ｂに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６６
０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン又は窒化チタンと上記導電性材料との積層
構造としてもよい。

【0240】

絶縁体６８０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、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などを用いることが好ましい。特に、酸化シ
リコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン
、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料は、加熱により脱離する酸素
を含む領域を容易に形成することができるため好ましい。また、絶縁体６８０は、上記の
材料が積層された構造でもよく、例えば、スパッタリング法で成膜した酸化シリコンと、
その上に積層されたＣＶＤ法で成膜された酸化窒化シリコンの積層構造とすればよい。ま
た、さらに上に窒化シリコンを積層してもよい。

【0241】

ここで、絶縁体６８０は、過剰酸素を有することが好ましい。例えば、絶縁体６８０は、
酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。過剰酸素を含む絶縁体６
８０を酸化物６３０に接して設けることにより、酸化物６３０中の酸素欠損を低減し、ト
ランジスタ６００の信頼性を向上させることができる。絶縁体６８０に過剰酸素を含ませ
るには、例えば、絶縁体６８２の成膜を、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて
行えばよい。スパッタリング法を用いて、酸素を含む雰囲気で絶縁体６８２の成膜を行う
ことで、成膜しながら、絶縁体６８０に酸素を添加することができる。

【0242】

絶縁体６８０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
、絶縁体６８０の上面は、平坦化されていてもよい。

【0243】

絶縁体６８２は、水または水素などの不純物が、上方から絶縁体６８０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。また、絶縁体６８２は、酸素の透過
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。絶縁体６８２としては、例えば
、酸化アルミニウム、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよ
い。例えば、絶縁体６８２として、酸素に対してバリア性が高い酸化アルミニウムを用い
ればよい。

【0244】

図８Ｂに示すように、絶縁体６８２は、酸化物６３０ｃに直接接する構造となっている。
当該構造とすることで、絶縁体６８０に含まれる酸素の導電体６６０への拡散を抑制する
ことができる。従って、絶縁体６８０に含まれる酸素は、酸化物６３０ｃを介して、酸化
物６３０ａおよび酸化物６３０ｂへ効率よく供給することができるので、酸化物６３０ａ
中および酸化物６３０ｂ中の酸素欠損を低減し、トランジスタ６００の電気特性および信
頼性を向上させることができる。

【0245】

また、絶縁体６８２の上に、層間膜として機能する絶縁体６８５を設けることが好ましい
。絶縁体６８５は、絶縁体６２４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。

【0246】

導電体６４０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６４０は積層構造としてもよい。なお、図８Ａで導電
体６４０は、上面視において円形状にしているが、これに限られるものではない。例えば
、導電体６４０が、上面視において、楕円などの略円形状、四角形などの多角形状、四角
形等の多角形の角部を丸めた形状になっていてもよい。

【0247】

また、導電体６４０を積層構造とする場合、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、および酸素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
６８０などから拡散する水または水素などの不純物が、導電体６４０を通じて酸化物６３
０に混入するのをさらに低減することができる。また、絶縁体６８０に添加された酸素が
導電体６４０に吸収されるのを防ぐことができる。

【0248】

また、導電体６４０ａの上面、および導電体６４０ｃの上面に接して導電体６４６ａが配
置され、導電体６４０ｂの上面に接して導電体６４６ｂが配置され、導電体６４０ｄの上
面に接して導電体７４６が配置される。導電体６４６ａ、導電体６４６ｂ、および導電体
７４６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６４６ａ、導電体６４６ｂ、および導電体７４６は、積層構
造としてもよく、例えば、チタン又は窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい
。なお、当該導電体は、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。

【0249】

絶縁体６８５、導電体６４６ａ、導電体６４６ｂ、および導電体７４６を覆って、絶縁体
６８６が設けられる。絶縁体６８６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、酸化ジルコ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。

【0250】

例えば、絶縁体６８６には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料と、高誘電率
（ｈｉｇｈ－ｋ）材料との積層構造を用いてもよい。当該構成により、容量素子６５５は
、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力
が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子６５５の静電破壊を抑制す
ることができる。

【0251】

なお、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料（高い比誘電率の材料）の絶縁体としては、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。

【0252】

一方、絶縁耐力が大きい材料（低い比誘電率の材料）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。

【0253】

絶縁体６８６を介して導電体６４６ａの少なくとも一部と重畳するように導電体６５６が
配置される。導電体６５６は、導電体６４６に用いることができる導電体を用いればよい
。

【0254】

また、絶縁体６８６および導電体６５６の上に、層間膜として機能する絶縁体６８８を設
けることが好ましい。絶縁体６８８は、絶縁体６２４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。

【0255】

＜＜メモリセルの変形例＞＞
以下では、図９を用いてメモリセルの変形例について説明する。図９Ａは、メモリセル８
６０周辺の上面図である。また、図９Ｂは、メモリセル８６０の断面図であり、図９Ｂは
、図９ＡにＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する。図９Ｂにおいて、トランジスタ
６９０のチャネル長方向の断面と、トランジスタ７９０のチャネル幅方向の断面を示す。
なお、図９Ａ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。なお、図９Ａ
に示す、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、それぞれが互いに直交または交差する方向で
ある。ここで、Ｘ方向およびＹ方向は基板面に対して平行または概略平行であり、Ｚ方向
は基板面に対して垂直または概略垂直であることが好ましい。

【0256】

図９に示すメモリセル８６０は、トランジスタ６００およびトランジスタ７００の代わり
に、トランジスタ６９０およびトランジスタ７９０が用いられている点において、図８に
示すメモリセル８６０と異なる。ここで、トランジスタ７９０は、トランジスタ６９０と
同じ層に形成され、同様の構成を有する。以下において、トランジスタ７９０の構成要素
は、トランジスタ６９０の構成要素の記載を参酌できるものとする。

【0257】

トランジスタ６９０は、酸化物６３０ｃが、絶縁体６８０、絶縁体６７２、絶縁体６７３
、導電体６４２（導電体６４２ａ、導電体６４２ｂ）、及び酸化物６３０ｂに形成された
開口部を沿うようにＵ字状（Ｕ－Ｓｈａｐｅ）に形成される点において、トランジスタ６
００と異なる。

【0258】

例えば、トランジスタのチャネル長を微細化（代表的には５ｎｍ以上６０ｎｍ未満、好ま
しくは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下）した場合に、トランジスタ６００が上記の構造を有す
ることで、実効Ｌ長を長くすることができる。一例としては、導電体６４２ａと、導電体
６４２ｂとの間の距離が２０ｎｍである場合、実効Ｌ長を４０ｎｍ以上６０ｎｍ以下と、
導電体６４２ａと導電体６４２ｂとの間の距離、すなわち最小加工寸法よりも２倍以上３
倍以下程度長くすることができる。したがって、図９に示すメモリセル８６０は、微細化
に優れたトランジスタ６９０、トランジスタ７９０、および容量素子６５５を有する構造
となる。

【0259】

＜＜金属酸化物＞＞
酸化物６３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。
以下では、本発明に係る酸化物６３０に適用可能な金属酸化物について説明する。

【0260】

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、ガリウム、イットリウム、
錫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、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。

【0261】

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。

【0262】

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 ｏｘｉ
ｄｅ）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（ｍｅｔ
ａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。

【0263】

酸化物半導体（金属酸化物）としては、ＣＡＣ－ＯＳ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃ
ｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－
ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ
ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏ
ｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、および非晶質酸
化物半導体などを用いることができる。これらの詳細については、後の実施の形態で説明
する。

【0264】

［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。

【0265】

酸化物半導体に不純物が混入すると、欠陥準位または酸素欠損が形成される場合がある。
よって、酸化物半導体のチャネル形成領域に不純物が混入することで、酸化物半導体を用
いたトランジスタの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、チャ
ネル形成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。

【0266】

また、上記欠陥準位には、トラップ準位が含まれる場合がある。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。

【0267】

また、酸化物半導体のチャネル形成領域に不純物が存在すると、チャネル形成領域の結晶
性が低くなる場合がある、また、チャネル形成領域に接して設けられる酸化物の結晶性が
低くなる場合がある。チャネル形成領域の結晶性が低いと、トランジスタの安定性または
信頼性が悪化する傾向がある。また、チャネル形成領域に接して設けられる酸化物の結晶
性が低いと、界面準位が形成され、トランジスタの安定性または信頼性が悪化する場合が
ある。

【0268】

したがって、トランジスタの安定性または信頼性を向上させるには、酸化物半導体のチャ
ネル形成領域およびその近傍の不純物濃度を低減することが有効である。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。

【0269】

具体的には、当該酸化物半導体のチャネル形成領域およびその近傍において、ＳＩＭＳに
より得られる上記不純物の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２
×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にする。または、当該酸化物半導体のチャネル形成領
域およびその近傍において、ＥＤＸを用いた元素分析により得られる上記不純物の濃度を
、１．０ａｔｏｍｉｃ％以下にする。なお、当該酸化物半導体として元素Ｍを含む酸化物
を用いる場合、当該酸化物半導体のチャネル形成領域およびその近傍において、元素Ｍに
対する上記不純物の濃度比を、０．１０未満、好ましくは０．０５未満にする。ここで、
上記濃度比を算出する際に用いる元素Ｍの濃度は、上記不純物の濃度を算出した領域と同
じ領域の濃度でもよいし、当該酸化物半導体中の濃度でもよい。

【0270】

また、不純物濃度を低減した金属酸化物は、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。

【0271】

また、金属酸化物中の酸素欠損に水素が入った場合、酸素欠損と水素とが結合しＶ_ＯＨを
形成する場合がある。Ｖ_ＯＨはドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されるこ
とがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子
を生成する場合がある。

【0272】

従って、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン
特性となりやすい。また、酸化物半導体中の水素は、熱、電界などのストレスによって動
きやすいため、酸化物半導体に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化す
る恐れもある。

【0273】

つまり、金属酸化物中のＶ_ＯＨをできる限り低減し、高純度真性または実質的に高純度真
性にすることが好ましい。このように、Ｖ_ＯＨが十分低減された酸化物半導体を得るには
、酸化物半導体中の水分、水素などの不純物を除去すること（脱水処理、脱水素化処理と
記載する場合がある）と、酸化物半導体に酸素を供給して酸素欠損を補填すること（加酸
素化処理と記載する場合がある）が重要である。Ｖ_ＯＨなどの不純物が十分に低減された
酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付
与することができる。

【0274】

また、トランジスタには、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸
化物半導体のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低
くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準
位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。なお、酸化物半導体中
の不純物としては、例えば、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケ
ル、シリコン等がある。

【0275】

特に、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため
、酸化物半導体中に酸素欠損を形成する場合がある。酸化物半導体中のチャネル形成領域
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る場合がある。さ
らに、酸素欠損に水素が入った欠陥はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成さ
れることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアであ
る電子を生成する場合がある。従って、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたト
ランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。

【0276】

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

【0277】

よって、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には
、酸化物半導体において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏ
ｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０^２０ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましく
は５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ^３未満とする。水素などの不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチ
ャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。

【0278】

また、チャネル形成領域の酸化物半導体のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３以下で
あることが好ましく、１×１０^１７ｃｍ^－３未満であることがより好ましく、１×１０^１
６ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１３ｃｍ^－３未満であることがさ
らに好ましく、１×１０^１２ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル
形成領域の酸化物半導体のキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば
、１×１０^－９ｃｍ^－３とすることができる。

【0279】

本発明の一態様により、信頼性が良好な記憶装置または半導体装置を提供することができ
る。また、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する記憶装置または半導体装置を
提供することができる。また、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な記
憶装置または半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、低消費
電力の記憶装置または半導体装置を提供することができる。

【0280】

＜＜その他の半導体材料＞＞
酸化物６３０に用いることができる半導体材料は、上述の金属酸化物に限られない。酸化
物６３０として、バンドギャップを有する半導体材料（ゼロギャップ半導体ではない半導
体材料）を用いてもよい。例えば、シリコンなどの単体元素の半導体、ヒ化ガリウムなど
の化合物半導体、半導体として機能する層状物質（原子層物質、２次元材料などともいう
）などを半導体材料に用いることが好ましい。特に、半導体として機能する層状物質を半
導体材料に用いると好適である。

【0281】

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

【0282】

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

【0283】

酸化物６３０として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いるこ
とが好ましい。酸化物６３０として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的に
は、硫化モリブデン（代表的にはＭｏＳ_２）、セレン化モリブデン（代表的にはＭｏＳｅ
_２）、モリブデンテルル（代表的にはＭｏＴｅ_２）、硫化タングステン（代表的にはＷＳ
_２）、セレン化タングステン（代表的にはＷＳｅ_２）、タングステンテルル（代表的には
ＷＴｅ_２）、硫化ハフニウム（代表的にはＨｆＳ_２）、セレン化ハフニウム（代表的には
ＨｆＳｅ_２）、硫化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳ_２）、セレン化ジルコニウム（代表
的にはＺｒＳｅ_２）などが挙げられる。

【0284】

＜メモリセル配置の構成例＞
次に、上述のメモリセル８６０の配置の一例について、図１０および図１１を用いて説明
する。図１０および図１１に、上記メモリセル８６０を２×２×２個配置した、メモリセ
ルブロックを示す。図１０は、メモリセルブロックの上面図である。また、図１１は、メ
モリセルブロックの断面図であり、図１１は、図１０にＢ１－Ｂ２の一点鎖線で示す部位
に対応する。図１１において、トランジスタ６００のチャネル長方向の断面と、トランジ
スタ７００のチャネル幅方向の断面を示す。なお、図１０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。なお、図１０に示す、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、
それぞれが互いに直交または交差する方向である。ここで、Ｘ方向およびＹ方向は基板面
に対して平行または概略平行であり、Ｚ方向は基板面に対して垂直または概略垂直である
ことが好ましい。

【0285】

図１０および図１１に示すメモリセルブロックにおいて、メモリセル８６０＿１のＸ方向
に隣接してメモリセル８６０＿２が配置される。また、メモリセル８６０＿１、およびメ
モリセル８６０＿２のＹ方向に隣接してメモリセル８６０＿３、およびメモリセル８６０
＿４が配置される。また、メモリセル８６０＿１、およびメモリセル８６０＿２のＺ方向
に隣接してメモリセル８６０＿５、およびメモリセル８６０＿６が配置される。

【0286】

図１０および図１１に示すように、メモリセル８６０＿１とメモリセル８６０＿２は、そ
れぞれの構成要素を線対称に配置することができる。このとき、メモリセル８６０＿１の
トランジスタ６００と、メモリセル８６０＿２のトランジスタ６００を、同一の酸化物６
３０ａおよび酸化物６３０ｂを用いて形成してもよい。さらに、図１０および図１１に示
すように、酸化物６４３ｂ、導電体６４２ｂ、導電体６４０ｂ、および導電体６４６ｂも
、メモリセル８６０＿１のトランジスタ６００と、メモリセル８６０＿２のトランジスタ
６００で、共通で用いることができる。このように、メモリセル８６０＿１とメモリセル
８６０＿２に接続する配線等として機能する、酸化物６４３ｂ、導電体６４２ｂ、導電体
６４０ｂ、および導電体６４６ｂを共通化することで、メモリセルの占有面積をさらに縮
小することができる。

【0287】

また、図１０に示すように、メモリセル８６０＿１とメモリセル８６０＿２で共通化され
た導電体６４６ｂは、Ｘ方向に延在して設けられている。このようにして書き込みビット
線ＷＢＬをＸ方向に延在させることができる。また、図１０に示すように、メモリセル８
６０＿１の導電体７４６は、メモリセル８６０＿２に延在して設けられている。このよう
にして読み出しビット線ＲＢＬをＸ方向に延在させることができる。

【0288】

また、図１０に示すように、メモリセル８６０＿１の導電体６６０は、メモリセル８６０
＿３に延在して設けられている。このようにして書き込みワード線ＷＷＬをＹ方向に延在
させることができる。また、図１０に示すように、メモリセル８６０＿１の導電体７４２
ａは、メモリセル８６０＿３に延在して設けられている。このようにして読み出しワード
線ＲＷＬをＹ方向に延在させることができる。また、図１０に示すように、メモリセル８
６０＿１の導電体６０５は、メモリセル８６０＿３に延在して設けられている。このよう
にして配線ＢＧ１をＹ方向に延在させることができる。また、図１０に示すように、メモ
リセル８６０＿１の導電体７０５は、メモリセル８６０＿３に延在して設けられている。
このようにして配線ＢＧ２をＹ方向に延在させることができる。

【0289】

なお、図１１に示すように、メモリセル８６０＿１およびメモリセル８６０＿２の上層に
は、メモリセル８６０＿１およびメモリセル８６０＿２と同様の構成を有する、メモリセ
ル８６０＿５およびメモリセル８６０＿６を設けることができる。

【0290】

なお、図１０では、導電体６６０に重ねて酸化物６３０ｃを延在させる構成にしているが
、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、酸化物６３０ｃ
をメモリセル８６０ごとにパターン形成して、酸化物６３０ｃをトランジスタ６００ごと
に離隔して設ける構成にしてもよい。また、例えば、酸化物６３０ｃを２層の積層構造に
する場合、酸化物６３０ｃの上層および下層のいずれか一方を、トランジスタ６００ごと
に離隔して設ける構成にしてもよい。

【0291】

＜記憶装置の構成例＞
次に、上述のメモリセル８６０を積層させた記憶装置の一例について、図１２を用いて説
明する。図１２は、シリコン層８７１の上に、メモリセル８６０を含むメモリセル層８７
０が複数積層された、記憶装置の断面図である。図１２に示す記憶装置は、図１等に示す
記憶装置１０に対応しており、シリコン層８７１は層１００に対応し、メモリセル層８７
０は層２００に対応する。

【0292】

まず、シリコン層８７１について説明する。シリコン層８７１には複数のトランジスタ８
００が設けられており、図２に示す周辺回路１０１（例えば、ビット線ドライバ回路１３
２など）を構成している。

【0293】

トランジスタ８００は、基板８１１上に設けられ、ゲートとして機能する導電体８１６、
ゲート絶縁体として機能する絶縁体８１５、基板８１１の一部からなる半導体領域８１３
、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８１４ａ、および低抵
抗領域８１４ｂを有する。トランジスタ８００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。

【0294】

ここで、図１２に示すトランジスタ８００はチャネルが形成される半導体領域８１３（基
板８１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域８１３の側面および上面を、絶縁
体８１５を介して、導電体８１６が覆うように設けられている。なお、導電体８１６は仕
事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ８００は半導体基板の凸
部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接し
て、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここ
では半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して
凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。

【0295】

なお、図１２に示すトランジスタ８００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。

【0296】

また、各構造体の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられ
ていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、プラ
グまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与す
る場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが
一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電
体の一部がプラグとして機能する場合もある。

【0297】

例えば、トランジスタ８００上には、層間膜として、絶縁体８２０、絶縁体８２２、絶縁
体８２４、および絶縁体８２６が順に積層して設けられている。また、絶縁体８２０、絶
縁体８２２、絶縁体８２４、および絶縁体８２６には、プラグまたは配線として機能する
導電体８２８、および導電体８３０等が埋め込まれている。

【0298】

また、層間膜として機能する絶縁体は、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。例えば、絶縁体８２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（Ｃ
ＭＰ）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。

【0299】

絶縁体８２６、および導電体８３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１２におい
て、絶縁体８５０、絶縁体８５２、及び絶縁体８５４が順に積層して設けられている。ま
た、絶縁体８５０、絶縁体８５２、及び絶縁体８５４には、導電体８５６が形成されてい
る。導電体８５６は、プラグ、または配線として機能する。

【0300】

層間膜として用いることができる絶縁体としては、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。

【0301】

例えば、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。

【0302】

例えば、絶縁体８２０、絶縁体８２２、絶縁体８２６、絶縁体８５２、および絶縁体８５
４等には、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、窒化
酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリ
コン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂な
どを有することが好ましい。または、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、
窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化
シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、
樹脂との積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱
的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構
造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリア
ミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどが
ある。

【0303】

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。従って、絶縁体８２４および絶縁体８５０等には、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を用いればよい。

【0304】

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。

【0305】

配線、プラグに用いることができる導電体としては、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。

【0306】

例えば、導電体８２８、導電体８３０、および導電体８５６等としては、上記の材料で形
成される金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料
を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンや
モリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ま
しい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低
抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。

【0307】

シリコン層８７１の上に、絶縁体６１１および絶縁体６１２が配置され、絶縁体６１１お
よび絶縁体６１２の上に、メモリセル層８７０＿１乃至メモリセル層８７０＿ｎ（ｎは１
以上の整数）が積層される。なお、上記ｎの値については、特に限定は無いが１以上２０
０以下、好ましくは１以上１００以下、さらに好ましくは、１以上１０以下である。

【0308】

各メモリセル層８７０においては、図１０と同様に、メモリセル８６０および各種配線が
マトリクス状に配置されている。

【0309】

また、図１２に示すように、各メモリセル層８７０において延在された導電体６４６ｂは
、メモリセル層８７０の端部で、導電体６１５、導電体６４０ｅ、および導電体６５７を
介して、隣接する上下の層の導電体６４６ｂと接続される。ここで、導電体６１５は、導
電体６０５と同じ層に形成され、同様の構成を有する。導電体６４０ｅは、絶縁体６２２
、絶縁体６２４、絶縁体６７２、絶縁体６７３、絶縁体６８０、絶縁体６８２、および絶
縁体６８５に形成された開口を埋め込むように配置され（図８Ｂ参照）、導電体６４０ｂ
などと同様の構成を有する。導電体６５７は、絶縁体６８６、絶縁体６８８、および絶縁
体６１４に形成された開口を埋め込むように配置され、導電体６４０ｂなどと同様の構成
を有する。

【0310】

導電体６４６ｂの下面に接して導電体６４０ｅが設けられ、導電体６４０ｅの下面に接し
て導電体６１５が設けられ、導電体６１５の下面に接して導電体６５７が設けられ、導電
体６５７の下面は、一つ下層の導電体６４６ｂの上面に接する。このようにして導電体６
４６ｂは、メモリセル層８７０の端部で、隣接する上下の層の導電体６４６ｂと接続され
る。

【0311】

また、図１２に示すように、最下層のメモリセル層８７０＿１において、導電体６１５の
下に、絶縁体６１１および絶縁体６１２に埋め込まれるように、導電体６０７が配置され
ている。導電体６０７は、導電体８５６と同じ層に設けられた導電体８５７と接している
。このようにして、メモリセル８６０に接続された書き込みビット線ＷＢＬは、導電体８
５７を介して、ビット線ドライバ回路１３２に接続される。また、図示してはいないが、
上記と同様の方法でメモリセル８６０に接続された読み出しビット線ＲＢＬも、導電体８
５７を介して、ビット線ドライバ回路１３２に接続することができる。このようにして、
先の実施の形態で図２に示したように、配線ＢＬをメモリセルアレイの端部において連結
させて、ビット線ドライバ回路１３２に接続させることができる。

【0312】

また、メモリセル層８７０＿１乃至メモリセル層８７０＿ｎは、絶縁体６１１、絶縁体６
１２、絶縁体６８７、絶縁体６８３、および絶縁体６８４によって、封止された構造であ
ることが好ましい。ここで、シリコン層８７１の上に絶縁体６１１が配置され、絶縁体６
１１の上に絶縁体６１２が配置される。絶縁体６１２の上にメモリセル層８７０＿１乃至
メモリセル層８７０＿ｎが配置されており、絶縁体６１２も、上面視において、メモリセ
ル層８７０＿１乃至メモリセル層８７０＿ｎと同じパターンに形成されている。絶縁体６
１１の上面、絶縁体６１２の側面、およびメモリセル層８７０＿１乃至メモリセル層８７
０＿ｎの側面に接して絶縁体６８７が配置される。つまり、絶縁体６８７は、メモリセル
層８７０＿１乃至メモリセル層８７０＿ｎに対してサイドウォール状に形成される。絶縁
体６１１、絶縁体６８７、およびメモリセル層８７０＿１乃至メモリセル層８７０＿ｎを
覆って絶縁体６８３が配置される。さらに、絶縁体６８３を覆って絶縁体６８４が配置さ
れる。

【0313】

絶縁体６１１、絶縁体６１２、絶縁体６８７、絶縁体６８３、および絶縁体６８４は、絶
縁体６８２などと同様に、バリア性材料を用いることが好ましい。

【0314】

ここで、各メモリセル層８７０は、絶縁体６１４、絶縁体６８７、および絶縁体６８２に
よって封止されている。絶縁体６１４、絶縁体６８７、および絶縁体６８２には、同じ材
料を用いることが好ましい。また、絶縁体６１４、絶縁体６８７、および絶縁体６８２の
成膜方法は、同じ条件を用いて成膜することが好ましい。膜質が等しい絶縁体６１４、絶
縁体６８７、および絶縁体６８２が接することで、密閉性が高い封止構造とすることがで
きる。

【0315】

また、絶縁体６１４、絶縁体６８７、および絶縁体６８２には、水素を捕獲、および固着
する機能を有する材料を用いることが好ましい。具体的には、酸化アルミニウム、酸化ハ
フニウム、酸化ガリウム、インジウムガリウム亜鉛酸化物などの金属酸化物を用いること
ができる。

【0316】

封止構造を形成する絶縁体６１４、絶縁体６８７、および絶縁体６８２は、絶縁体６８０
に接して設けられる。従って、絶縁体６８０中に混入した水素を捕獲、および固着するこ
とで、メモリセル８６０が有する酸化物半導体の水素濃度を低減することができる。

【0317】

また、メモリセル層８７０を封止する構造である絶縁体６１４、絶縁体６８７、および絶
縁体６８２は、絶縁体６１１、絶縁体６１２、絶縁体６８３によってさらに覆われている
。例えば、図１２に示すように、メモリセル層８７０＿１乃至メモリセル層８７０＿ｎの
外側で、絶縁体６１１と絶縁体６８３とが接することで、２重目の封止構造を形成する。

【0318】

ここで、絶縁体６１１、絶縁体６１２と絶縁体６８３には、水素、および酸素に対する拡
散を抑制する機能を有する材料を用いることが好ましい。特に、窒化シリコンまたは窒化
酸化シリコンは、水素に対するバリア性が高いため、封止する材質として用いることが好
ましい。

【0319】

また、トランジスタ６００の上方を被覆する絶縁体６８３の上方に、被覆性が高い絶縁体
６８４を設けることが好ましい。なお、絶縁体６８４は、絶縁体６１２および絶縁体６８
３と同じ材料を用いることが好ましい。

【0320】

例えば、絶縁体６１２、絶縁体６８３は、スパッタリング法を用いて成膜することで、膜
中の水素濃度が比較的低い膜により封止構造を設けることができる。

【0321】

一方、スパッタリング法を用いて成膜した膜は、比較的被覆性が低い。そこで、絶縁体６
１１、および絶縁体６８４を、被覆性が高いＣＶＤ法などを用いて成膜することで、より
密閉性を高めることができる。

【0322】

従って、絶縁体６１２および絶縁体６８３は、絶縁体６１１と絶縁体６８４よりも水素濃
度が低いことが好ましい。

【0323】

以上のようにして、メモリセル層８７０＿１乃至メモリセル層８７０＿ｎを、バリア絶縁
膜を用いて封止することで、各メモリセル８６０に含まれる酸化物半導体に拡散する水素
を低減することができるので、信頼性の高い記憶装置を提供することができる。

【0324】

なお、好ましくは、絶縁体６１１、絶縁体６１２、絶縁体６１４、絶縁体６８２、絶縁体
６８７、絶縁体６８３、および絶縁体６８４は、酸素に対するバリア性を有する材料を用
いてもよい。上記封止構造が、酸素に対するバリア性を有することで、絶縁体６８０が有
する過剰酸素の外方拡散を抑制し、効率的にトランジスタ６００へと供給することができ
る。

【0325】

また、メモリセル層８７０＿１乃至メモリセル層８７０＿ｎ、および絶縁体６８４などを
埋め込むように絶縁体６７４が設けられることが好ましい。絶縁体６７４は、絶縁体６８
０に用いることができる絶縁体を用いればよい。図１２に示すように、絶縁体６７４と絶
縁体６８４は、上面の高さが概略一致することが好ましい。

【0326】

また、図１２に示すように、絶縁体６７４、絶縁体６８４、絶縁体６８３、および絶縁体
６１１に開口を設け、当該開口に導電体８７６を配置してもよい。導電体８７６は、下面
が導電体８５６に接する。導電体８７６の上面に接して配線として機能する導電体８７８
を設ければよい。また、メモリセル層８７０＿ｎ、絶縁体６７４、および導電体８７８を
覆って、層間膜として機能する絶縁体６８９を設けることが好ましい。このような構造に
することで、メモリセル層８７０を介さず、上層の配線（導電体８７８）とシリコン層８
７１の回路を電気的に接続することができる。

【0327】

なお、図１２では、メモリセル層８７０＿１乃至メモリセル層８７０＿ｎを絶縁体６１１
、絶縁体６１２、絶縁体６８７、絶縁体６８３、および絶縁体６８４で一括して封止する
構成を示したが、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。たとえば
、図１３に示すように、各メモリセル層８７０が絶縁体６１１、絶縁体６１２、絶縁体６
８７、絶縁体６８３、および絶縁体６８４で封止される構成にしてもよい。ここで、絶縁
体６１４の下に絶縁体６１２および絶縁体６１１が配置される。

【0328】

絶縁体６８０、絶縁体６７３、絶縁体６７２、絶縁体６２４、絶縁体６２２、絶縁体６１
６、および絶縁体６１４の側面に接して絶縁体６８７が配置される。絶縁体６８０および
絶縁体６８７を覆って、絶縁体６８３が設けられ、絶縁体６８３の上に絶縁体６８４が配
置される。この場合、絶縁体６８２より上に設けられる、容量素子６５５および絶縁体６
８８は、絶縁体６８４の上に配置すればよい。

【0329】

なお、本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態や実
施例と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したＯＳトランジスタに用いることができる金
属酸化物である、ＣＡＣ－ＯＳ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏ
ｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、およびＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ Ａｌ
ｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の構成につい
て説明する。

【0330】

＜金属酸化物の構成＞
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、トランジスタのチャネ
ル形成領域に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す
機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能
と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（
Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳ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。

【0331】

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。

【0332】

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

【0333】

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 ｏｘｉ
ｄｅ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Ｃ
ＡＣ－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。

【0334】

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。

【0335】

＜金属酸化物の構造＞
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けら
れる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉ
ｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結
晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉ
ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏ
ｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体
などがある。

【0336】

また、酸化物半導体は、結晶構造に着目した場合、上記とは異なる分類となる場合がある
。ここで、酸化物半導体における、結晶構造の分類について、図１４Ａを用いて説明を行
う。図１４Ａは、酸化物半導体、代表的にはＩＧＺＯ（Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を含む
金属酸化物）の結晶構造の分類を説明する図である。

【0337】

図１４Ａに示すように、ＩＧＺＯは、大きく分けてＡｍｏｒｐｈｏｕｓと、Ｃｒｙｓｔａ
ｌｌｉｎｅと、Ｃｒｙｓｔａｌと、に分類される。また、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓの中には、
ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓが含まれる。また、Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ
の中には、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、ｎｃ
（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、およびＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃ
ｏｍｐｏｓｉｔｅ）が含まれる。また、Ｃｒｙｓｔａｌの中には、ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙ
ｓｔａｌ、およびｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌが含まれる。

【0338】

なお、図１４Ａに示す太枠内の構造は、Ｎｅｗ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｈａｓｅに
属する構造である。当該構造は、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓと、Ｃｒｙｓｔａｌとの間の境界領
域にある。すなわち、エネルギー的に不安定なＡｍｏｒｐｈｏｕｓと、Ｃｒｙｓｔａｌｌ
ｉｎｅとは全く異なる構造と言い換えることができる。

【0339】

なお、膜または基板の結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉ
ｏｎ）像を用いて評価することができる。ここで、石英ガラス、およびＣｒｙｓｔａｌｌ
ｉｎｅに分類される結晶構造を有するＩＧＺＯ（結晶性ＩＧＺＯともいう）のＸＲＤスペ
クトルを、図１４Ｂ、図１４Ｃに示す。また、図１４Ｂが石英ガラス、図１４Ｃが結晶性
ＩＧＺＯのＸＲＤスペクトルである。なお、図１４Ｃに示す結晶性ＩＧＺＯとしては、Ｉ
ｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の組成である。また、図１４Ｃに示す結晶性Ｉ
ＧＺＯとしては、厚さ５００ｎｍである。

【0340】

図１４Ｂの矢印に示すように、石英ガラスは、ＸＲＤスペクトルのピークがほぼ対称であ
る。一方で、図１４Ｃの矢印に示すように、結晶性ＩＧＺＯは、ＸＲＤスペクトルのピー
クが非対称である。ＸＲＤスペクトルのピークが非対称であることは、結晶の存在を明示
している。別言すると、ＸＲＤスペクトルのピークで左右対称でないと、Ａｍｏｒｐｈｏ
ｕｓであるとは言えない。

【0341】

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。

【0342】

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）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界
の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向におい
て酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変
化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。なお、明確な
結晶粒界（グレインバウンダリ―）が確認される結晶構造は、いわゆる多結晶（ｐｏｌｙ
ｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれる。結晶粒界は、再結合中心となり、キャリアが捕獲されトラ
ンジスタのオン電流の低下、または電界効果移動度の低下を引き起こす可能性が高い。よ
って、明確な結晶粒界が確認されないＣＡＡＣ－ＯＳは、トランジスタの半導体層に好適
な結晶構造を有する結晶性の酸化物の一つである。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳを構成するには
、Ｚｎを有する構成が好ましい。例えば、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、及びＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化
物は、Ｉｎ酸化物よりも結晶粒界の発生を抑制できるため好適である。

【0343】

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。

【0344】

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

【0345】

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３
ｎｍ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。

【0346】

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

【0347】

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一形態の
酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ
－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。

【0348】

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

【0349】

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

【0350】

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

【0351】

また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、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。

【0352】

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

【0353】

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

【0354】

＜不純物＞
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。

【0355】

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

【0356】

また、酸化物半導体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。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が
含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。こ
のため、酸化物半導体中のアルカリ金属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により得られる酸化物半導体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２×１０^１
６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にする。

【0357】

また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア
濃度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体をチャネル
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。従って、該酸化物半
導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、酸化物半導体
中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは
５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３
以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

【0358】

また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため
、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子
が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャ
リアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用い
たトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素は
できる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、ＳＩＭ
Ｓにより得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１
０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、
さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。

【0359】

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

【0360】

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施する
ことができる。

【0361】

（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した記憶装置などが組み込まれた電子部品およ
び電子機器の一例について説明する。

【0362】

＜電子部品＞
まず、記憶装置１０が組み込まれた電子部品の例を、図１５Ａ、図１５Ｂを用いて説明す
る。

【0363】

図１５Ａに、電子部品３０００および電子部品３０００が実装された基板（実装基板３０
０４）の斜視図を示す。図１５Ａに示す電子部品３０００は、モールド３０１１内に記憶
装置１０を有している。図１５Ａは、電子部品３０００の内部を示すために、一部を省略
している。電子部品３０００は、モールド３０１１の外側にランド３０１２を有する。ラ
ンド３０１２は電極パッド３０１３と電気的に接続され、電極パッド３０１３は記憶装置
１０とワイヤ３０１４によって電気的に接続されている。電子部品３０００は、例えばプ
リント基板３００２に実装される。このような電子部品が複数組み合わされて、それぞれ
がプリント基板３００２上で電気的に接続されることで実装基板３００４が完成する。

【0364】

図１５Ｂに、電子部品３０３０の斜視図を示す。電子部品３０３０は、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔ
ｅｍ ｉｎ ｐａｃｋａｇｅ）またはＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）の
一例である。電子部品３０３０は、パッケージ基板３０３２（プリント基板）上にインタ
ーポーザ３０３１が設けられ、インターポーザ３０３１上に半導体装置３０３５、および
複数の記憶装置１０が設けられている。

【0365】

電子部品３０３０では、記憶装置１０を広帯域メモリ（ＨＢＭ：Ｈｉｇｈ Ｂａｎｄｗｉ
ｄｔｈ Ｍｅｍｏｒｙ）として用いる例を示している。また、半導体装置３０３５として
は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈ
ｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍ
ａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などの集積回路（半導体装置）を用いることができる
。

【0366】

パッケージ基板３０３２は、セラミック基板、プラスチック基板、またはガラスエポキシ
基板などを用いることができる。インターポーザ３０３１は、シリコンインターポーザ、
樹脂インターポーザなどを用いることができる。

【0367】

インターポーザ３０３１は、複数の配線を有し、端子ピッチの異なる複数の集積回路を電
気的に接続する機能を有する。複数の配線は、単層または多層で設けられる。また、イン
ターポーザ３０３１は、インターポーザ３０３１上に設けられた集積回路をパッケージ基
板３０３２に設けられた電極と電気的に接続する機能を有する。これらのことから、イン
ターポーザを「再配線基板」または「中間基板」と呼ぶ場合がある。また、インターポー
ザ３０３１に貫通電極を設けて、当該貫通電極を用いて集積回路とパッケージ基板３０３
２を電気的に接続する場合もある。また、シリコンインターポーザでは、貫通電極として
、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）を用いることも出来る。

【0368】

インターポーザ３０３１として、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。シリ
コンインターポーザでは能動素子を設ける必要が無いため、集積回路よりも低コストで作
製することができる。一方で、シリコンインターポーザの配線形成は半導体プロセスで行
なうことができるため、樹脂インターポーザでは難しい微細配線の形成が容易である。

【0369】

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

【0370】

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

【0371】

また、電子部品３０３０と重ねてヒートシンク（放熱板）を設けてもよい。ヒートシンク
を設ける場合は、インターポーザ３０３１上に設ける集積回路の高さを揃えることが好ま
しい。例えば、本実施の形態に示す電子部品３０３０では、記憶装置１０と半導体装置３
０３５の高さを揃えることが好ましい。

【0372】

電子部品３０３０を他の基板に実装するため、パッケージ基板３０３２の底部に電極３０
３３を設けてもよい。図１５Ｂでは、電極３０３３を半田ボールで形成する例を示してい
る。パッケージ基板３０３２の底部に半田ボールをマトリクス状に設けることで、ＢＧＡ
（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）実装を実現できる。また、電極３０３３を導電性の
ピンで形成してもよい。パッケージ基板３０３２の底部に導電性のピンをマトリクス状に
設けることで、ＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）実装を実現できる。

【0373】

電子部品３０３０は、ＢＧＡおよびＰＧＡに限らず様々な実装方法を用いて他の基板に実
装することができる。例えば、ＳＰＧＡ（Ｓｔａｇｇｅｒｅｄ Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒ
ｒａｙ）、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ
Ｐａｃｋａｇｅ）、ＱＦＪ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｊ－ｌｅａｄｅｄ ｐａｃｋａｇｅ）
、またはＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ－ｌｅａｄｅｄ ｐａｃｋａｇｅ）などの
実装方法を用いることができる。

【0374】

＜電子機器＞
次に、記憶装置１０を搭載した電子機器の例を、図１６Ａ乃至図１６Ｆ、図１７Ａ、図１
７Ｂ、図１８Ａ乃至図１８Ｃ、および、図２０Ａ、図２０Ｂを用いて説明する。

【0375】

本発明の一形態に係わる記憶装置は、様々な電子機器に用いることができる。特に、本発
明の一形態に係わる記憶装置は、電子機器に内蔵されるメモリとして用いることができる
。以下、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、情報端
末、ゲーム機、電化製品、移動体、並列計算機、サーバを含むシステム等を例に挙げ、説
明する。

【0376】

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、情報端
末５５００を、図１６Ａに図示する。情報端末５５００は、携帯電話（スマートフォン）
である。情報端末５５００は、筐体５５１０と、表示部５５１１とを有しており、入力用
インターフェースとして、タッチパネルが表示部５５１１に備えられ、ボタンが筐体５５
１０に備えられている。

【0377】

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、デスク
トップ型情報端末５３００を、図１６Ｂに図示する。デスクトップ型情報端末５３００は
、情報端末の本体５３０１と、ディスプレイ５３０２と、キーボード５３０３とを有する
。

【0378】

図１６Ａおよび図１６Ｂでは、スマートフォンおよびデスクトップ型情報端末を例として
図示したが、それ以外の情報端末として、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉ
ｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型情報端末、ワークステーションなどに、本発明
の一形態に係わる記憶装置を用いてもよい。

【0379】

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、携帯ゲ
ーム機５２００を、図１６Ｃに図示する。携帯ゲーム機５２００は、筐体５２０１、表示
部５２０２、ボタン５２０３等を有する。

【0380】

図１６Ｃでは、携帯ゲーム機を例として図示したが、それ以外のゲーム機として、例えば
、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置される
アーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどに
、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いてもよい。

【0381】

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、電気冷
凍冷蔵庫５８００を、図１６Ｄに図示する。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、
冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。

【0382】

図１６Ｄでは、電気冷凍冷蔵庫を例として図示したが、それ以外の電化製品として、例え
ば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーター
サーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュ
アル機器、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどに、本発明の一形態に係わる記憶
装置を用いてもよい。

【0383】

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、自動車
５７００を、図１６Ｅに図示する。また、図１６Ｆは、自動車の室内におけるフロントガ
ラス周辺を示す図である。図１６Ｆでは、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５
７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パ
ネル５７０４を図示している。

【0384】

表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーターやタコメーター、走行
距離、燃料計、ギア状態、エアコンの設定などを表示することで、様々な情報を提供する
ことができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好
みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることができる。表示パネル５
７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることもできる。

【0385】

表示パネル５７０４には、自動車５７００に設けられた撮像装置（図示しない）からの画
像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。す
なわち、自動車５７００の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって
、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する画像を映す
ことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４
は、照明装置として用いることもできる。

【0386】

図１６Ｅおよび図１６Ｆでは、自動車および自動車のフロントガラス周辺に取り付けられ
た表示パネルを例として図示したが、それ以外の移動体として、例えば、電車、モノレー
ル、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）などに、
本発明の一形態に係わる記憶装置を用いてもよい。

【0387】

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、情報端
末７０００を、図１７Ａおよび図１７Ｂに図示する。情報端末７０００は、筐体７０１０
、モニタ部７０１２、キーボード７０１３、ポート７０１５等を有する。

【0388】

キーボード７０１３およびポート７０１５は、筐体７０１０に設けられている。また、ポ
ート７０１５として、例えば、ＵＳＢポート、ＬＡＮポート、ＨＤＭＩ（Ｈｉｇｈ－Ｄｅ
ｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ＨＤＭＩは登録商標）
ポート等を有している。

【0389】

筐体７０１０に取り付けられているモニタ部７０１２は、開閉可能である。図１７Ａに、
モニタ部７０１２が開いている状態を図示し、図１７Ｂに、モニタ部７０１２が閉じてい
る状態を図示する。例えば、モニタ部７０１２が開く最大の角度は１３５°程度である（
図１７Ａ参照）。

【0390】

筐体７０１０には、開閉可能なカバー７０１１が設けられている（図１７Ｂ参照）。筐体
７０１０の内部には、本発明の一形態に係わる記憶装置１０が組み込まれており、記憶装
置１０は着脱可能である。筐体７０１０の内部に、記憶装置１０を冷却する装置、または
放熱する装置を設けてもよい。カバー７０１１を開けて、記憶装置１０を着脱できるため
、情報端末７０００の拡張性は高い。情報端末７０００に複数の記憶装置１０を組み込む
ことで、高度なグラフィック処理、科学技術計算、人工知能の演算等を行うことができる
。

【0391】

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、大型の
並列計算機５４００を、図１８Ａに図示する。並列計算機５４００は、ラック５４１０内
に、ラックマウント型の計算機５４２０を複数有している。

【0392】

図１８Ｂは、計算機５４２０の構成例を示す斜視概略図である。計算機５４２０は、マザ
ーボード５４３０を有し、マザーボードは、複数のスロット５４３１を有する。スロット
５４３１には、ＰＣカード５４２１が挿されている。ＰＣカード５４２１は、接続端子５
４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５を有し、それぞれ、マザーボード５４３０
に接続されている。

【0393】

図１８Ｃは、ＰＣカード５４２１の構成例を示す斜視概略図である。ＰＣカード５４２１
は、ボード５４２２を有し、ボード５４２２上に、接続端子５４２３、接続端子５４２４
、接続端子５４２５、チップ５４２６、チップ５４２７等を有する。

【0394】

チップ５４２６、チップ５４２７等として、本発明の一形態に係わる記憶装置、ＣＰＵ、
ＧＰＵ、ＦＰＧＡ等が搭載されている。チップ５４２６、チップ５４２７等は、信号の入
出力を行う複数の端子（図示しない）を有しており、当該端子をＰＣカード５４２１が備
えるソケット（図示しない）に差し込むことで、ＰＣカード５４２１との電気的な接続を
行ってもよいし、当該端子をＰＣカード５４２１が備える配線に、例えば、リフロー方式
のはんだ付けを行うことで、電気的な接続を行ってもよい。

【0395】

接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５は、例えば、ＰＣカード５４２
１に対する電力供給、信号入出力などを行うためのインターフェースとすることができる
。接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５の規格として、例えば、ＵＳ
Ｂ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、ＳＡＴＡ（Ｓｅｒｉａｌ ＡＴＡ）
、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）、ま
た映像信号を出力する場合はＨＤＭＩ（登録商標）等が挙げられる。

【0396】

また、ＰＣカード５４２１は、ボード５４２２上に、接続端子５４２８を有する。接続端
子５４２８は、マザーボード５４３０のスロット５４３１に挿すことができる形状であり
、接続端子５４２８は、ＰＣカード５４２１とマザーボード５４３０とを接続するための
インターフェースとして機能する。接続端子５４２８の規格として、例えば、ＰＣＩ Ｅ
ｘｐｒｅｓｓ（ＰＣＩｅともいう：ＰＣＩ ＥｘｐｒｅｓｓおよびＰＣＩｅは、登録商標
）が挙げられる。

【0397】

並列計算機５４００は、例えば、大規模な科学技術計算、人工知能の学習および推論に必
要な大規模な演算を行うことができる。

【0398】

一般に、コンピュータなどの半導体装置では、用途に応じて様々な記憶装置（メモリ）が
用いられる。図１９に、各種の記憶装置を階層ごとに示す。上層に位置する記憶装置ほど
速いアクセス速度が求められ、下層に位置する記憶装置ほど大きな記憶容量と高い記録密
度が求められる。図１９では、最上層から順に、ＣＰＵなどの演算処理装置にレジスタと
して混載されるメモリ、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍ
ｏｒｙ）、ＤＲＡＭ、３Ｄ ＮＡＮＤメモリを示している。

【0399】

ＣＰＵなどの演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリは、演算結果の一時保存な
どに用いられるため、演算処理装置からのアクセス頻度が高い。よって、記憶容量よりも
速い動作速度が求められる。また、レジスタは演算処理装置の設定情報などを保持する機
能も有する。

【0400】

ＳＲＡＭは、例えばキャッシュに用いられる。キャッシュは、メインメモリに保持されて
いる情報の一部を複製して保持する機能を有する。使用頻繁が高いデータをキャッシュに
複製しておくことで、データへのアクセス速度を高めることができる。

【0401】

ＤＲＡＭは、例えばメインメモリに用いられる。メインメモリは、ストレージから読み出
されたプログラムやデータを保持する機能を有する。ＤＲＡＭの記録密度は、おおよそ０
．１乃至０．３Ｇｂｉｔ／ｍｍ^２である。

【0402】

３Ｄ ＮＡＮＤメモリは、例えばストレージに用いられる。ストレージは、長期保存が必
要なデータや、演算処理装置で使用する各種のプログラムなどを保持する機能を有する。
よって、ストレージには動作速度よりも大きな記憶容量と高い記録密度が求められる。ス
トレージに用いられる記憶装置の記録密度は、おおよそ０．６乃至６．０Ｇｂｉｔ／ｍｍ
^２である。

【0403】

本発明の一形態に係わる記憶装置は、動作速度が速く、長期間のデータ保持が可能である
。本発明の一形態に係わる記憶装置は、キャッシュが位置する階層とメインメモリが位置
する階層の双方を含む境界領域９０１に位置する記憶装置として好適に用いることができ
る。また、本発明の一形態に係わる記憶装置は、メインメモリが位置する階層とストレー
ジが位置する階層の双方を含む境界領域９０２に位置する記憶装置として好適に用いるこ
とができる。

【0404】

本発明の一形態に係わる記憶装置は、サーバ、ノートＰＣ、スマートフォン、ゲーム機、
イメージセンサ、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）、ヘルスケアなどに
用いる記憶装置として好適に用いることができる。

【0405】

例えば、本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることができる電子機器として、サーバ
５１００を含むシステムを、図２０Ａに図示する。図２０Ａは、サーバ５１００と、情報
端末５５００およびデスクトップ型情報端末５３００との間で、通信５１１０を行う様子
を模式的に示している。

【0406】

ユーザは、情報端末５５００、デスクトップ型情報端末５３００等から、サーバ５１００
にアクセスすることができる。そして、インターネットを介した通信５１１０によって、
ユーザは、サーバ５１００の管理者が提供するサービスを受けることができる。当該サー
ビスとして、例えば、電子メール、ＳＮＳ（Ｓｏｃｉａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ Ｓｅ
ｒｖｉｃｅ）、オンラインソフトウェア、クラウドストレージ、ナビゲーションシステム
、翻訳システム、インターネットゲーム、オンラインショッピング、株・為替・債権など
の金融取引、公共施設・商業施設・宿泊施設・病院などの予約システム、インターネット
番組・講演・講義などの視聴等が挙げられる。

【0407】

また、科学技術計算、人工知能の学習および推論に必要な演算等、ユーザの手元にある情
報端末５５００またはデスクトップ型情報端末５３００では処理能力が足りない場合、ユ
ーザは、通信５１１０によってサーバ５１００にアクセスし、サーバ５１００上で当該計
算または演算を行うことができる。

【0408】

例えば、サーバ５１００上で提供されるサービスにおいて、人工知能を利用することがで
きる。例えば、ナビゲーションシステムに人工知能を導入することで、当該システムは、
道路の混雑状況、電車の運行情報などに応じて臨機応変に案内できる場合がある。例えば
、翻訳システムに人工知能を導入することで、当該システムは、方言・スラングなど独特
の言い回しを適切に翻訳できる場合がある。例えば、病院などの予約システムに人工知能
を利用することで、当該システムは、ユーザの症状・怪我の度合いなどを判断し、適切な
病院・診察所等を紹介できる場合がある。

【0409】

図２０Ａでは、サーバ５１００と、情報端末５５００およびデスクトップ型情報端末５３
００との間で、通信５１１０を行う様子を示しているが、サーバ５１００と、情報端末以
外の電子機器との間で、通信５１１０を行ってもよい。例えば、電子機器をインターネッ
トに接続したＩｏＴの形態であってもよい。

【0410】

図２０Ｂは、一例として、サーバ５１００と、電子機器（電気冷凍冷蔵庫５８００、携帯
ゲーム機５２００、自動車５７００、テレビジョン装置５６００）との間で、通信５１１
０を行う様子を模式的に示している。

【0411】

図２０Ｂにおいて、それぞれの電子機器は人工知能を利用してもよい。人工知能の学習お
よび推論に必要な演算等を、サーバ５１００上で行うことができる。例えば、演算に必要
なデータが、通信５１１０によって、電子機器の一つからサーバ５１００に送信され、サ
ーバ５１００上で人工知能の演算が行われ、出力データが、通信５１１０によって、サー
バ５１００から電子機器の一つに送信される。これにより、当該電子機器は、人工知能の
演算によって出力されたデータを利用することができる。

【0412】

なお、図２０Ｂに示す電子機器は一例であり、サーバ５１００と、図２０Ｂに示されてい
ない電子機器との間で、通信５１１０を行ってもよい。

【0413】

上述のように、本発明の一形態に係わる記憶装置は、様々な電子機器に用いることができ
る。本発明の一形態に係わる記憶装置は、少ない電源数で動作させることができ、当該記
憶装置を用いた電子機器のコストを低減することができる。また、本発明の一形態に係わ
る記憶装置は、チップ面積が小さく、電子機器を小型化することができる。もしくは、よ
り多くの記憶装置を、電子機器に搭載することができる。また、本発明の一形態に係わる
記憶装置は、温度の高い環境においても、データの消失が生じにくく、高速動作を行うこ
とができる。本発明の一形態に係わる記憶装置を用いることで、温度の高い環境において
も確実に動作する、信頼性の高い電子機器を提供することができる。

【0414】

なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施する
ことができる。

【符号の説明】

【0415】

ＢＧ１：配線、ＢＧ２：配線、Ｃ１１：容量素子、Ｍ１２：トランジスタ、Ｎ１１：ノー
ド、１０：記憶装置、１１：トランジスタ、１２：トランジスタ、５０：回路、５１：セ
ンスアンプ回路、５２：ＡＮＤ回路、５３：アナログスイッチ、５４：アナログスイッチ
、６１：トランジスタ、６２：トランジスタ、６３：トランジスタ、６４：トランジスタ
、６６：トランジスタ、１００：層、１０１：周辺回路、１１１：メモリセルアレイ、１
１２：メモリセル、１１３：メモリセル、１２１：ローデコーダ、１２２：ワード線ドラ
イバ回路、１２３：ワード線ドライバ回路、１２４：プレデコーダ、１３１：カラムデコ
ーダ、１３２：ビット線ドライバ回路、１３３：プリチャージ回路、１３４：センスアン
プ回路、１３５：出力ＭＵＸ回路、１３６：ドライバ回路、１３８：ページバッファ、１
４１：出力回路、１５１：コントロールロジック回路、２００：層、２００＿ｌ：層、２
００＿１：層、２００＿２：層、２００＿３：層、６００：トランジスタ、６０５：導電
体、６０５ａ：導電体、６０５ｂ：導電体、６０７：導電体、６１１：絶縁体、６１２：
絶縁体、６１４：絶縁体、６１５：導電体、６１６：絶縁体、６２２：絶縁体、６２４：
絶縁体、６３０：酸化物、６３０ａ：酸化物、６３０ｂ：酸化物、６３０ｃ：酸化物、６
４０：導電体、６４０ａ：導電体、６４０ｂ：導電体、６４０ｃ：導電体、６４０ｄ：導
電体、６４０ｅ：導電体、６４２：導電体、６４２ａ：導電体、６４２ｂ：導電体、６４
３：酸化物、６４３ａ：酸化物、６４３ｂ：酸化物、６４６：導電体、６４６ａ：導電体
、６４６ｂ：導電体、６５０：絶縁体、６５５：容量素子、６５６：導電体、６５７：導
電体、６６０：導電体、６６０ａ：導電体、６６０ｂ：導電体、６７２：絶縁体、６７３
：絶縁体、６７４：絶縁体、６８０：絶縁体、６８２：絶縁体、６８３：絶縁体、６８４
：絶縁体、６８５：絶縁体、６８６：絶縁体、６８７：絶縁体、６８８：絶縁体、６８９
：絶縁体、６９０：トランジスタ、７００：トランジスタ、７０５：導電体、７０５ａ：
導電体、７０５ｂ：導電体、７３０：酸化物、７３０ａ：酸化物、７３０ｂ：酸化物、７
３０ｃ：酸化物、７４２：導電体、７４２ａ：導電体、７４２ｂ：導電体、７４３：酸化
物、７４３ａ：酸化物、７４３ｂ：酸化物、７４６：導電体、７５０：絶縁体、７６０：
導電体、７６０ａ：導電体、７６０ｂ：導電体、７９０：トランジスタ、８００：トラン
ジスタ、８１１：基板、８１３：半導体領域、８１４ａ：低抵抗領域、８１４ｂ：低抵抗
領域、８１５：絶縁体、８１６：導電体、８２０：絶縁体、８２２：絶縁体、８２４：絶
縁体、８２６：絶縁体、８２８：導電体、８３０：導電体、８５０：絶縁体、８５２：絶
縁体、８５４：絶縁体、８５６：導電体、８５７：導電体、８６０：メモリセル、８６０
＿１：メモリセル、８６０＿２：メモリセル、８６０＿３：メモリセル、８６０＿４：メ
モリセル、８６０＿５：メモリセル、８６０＿６：メモリセル、８７０：メモリセル層、
８７０＿ｎ：メモリセル層、８７０＿１：メモリセル層、８７０＿２：メモリセル層、８
７１：シリコン層、８７６：導電体、８７８：導電体、９０１：境界領域、９０２：境界
領域、３０００：電子部品、３００２：プリント基板、３００４：実装基板、３０１１：
モールド、３０１２：ランド、３０１３：電極パッド、３０１４：ワイヤ、３０３０：電
子部品、３０３１：インターポーザ、３０３２：パッケージ基板、３０３３：電極、３０
３５：半導体装置、５１００：サーバ、５１１０：通信、５２００：携帯ゲーム機、５２
０１：筐体、５２０２：表示部、５２０３：ボタン、５３００：デスクトップ型情報端末
、５３０１：本体、５３０２：ディスプレイ、５３０３：キーボード、５４００：並列計
算機、５４１０：ラック、５４２０：計算機、５４２１：ＰＣカード、５４２２：ボード
、５４２３：接続端子、５４２４：接続端子、５４２５：接続端子、５４２６：チップ、
５４２７：チップ、５４２８：接続端子、５４３０：マザーボード、５４３１：スロット
、５５００：情報端末、５５１０：筐体、５５１１：表示部、５６００：テレビジョン装
置、５７００：自動車、５７０１：表示パネル、５７０２：表示パネル、５７０３：表示
パネル、５７０４：表示パネル、５８００：電気冷凍冷蔵庫、５８０１：筐体、５８０２
：冷蔵室用扉、５８０３：冷凍室用扉、７０００：情報端末、７０１０：筐体、７０１１
：カバー、７０１２：モニタ部、７０１３：キーボード、７０１５：ポート

【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】