特許 7578594 半導体装置、蓄電装置および半導体装置の動作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-28

(45)【発行日】2024-11-06

(54)【発明の名称】半導体装置、蓄電装置および半導体装置の動作方法

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/12 20060101AFI20241029BHJP

   H03H 11/44 20060101ALI20241029BHJP

【ＦＩ】

H03B5/12 B

H03H11/44

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021530328

(86)(22)【出願日】2020-06-24

(86)【国際出願番号】 IB2020055940

(87)【国際公開番号】W WO2021005439

(87)【国際公開日】2021-01-14

【審査請求日】2023-06-05

(31)【優先権主張番号】P 2019125872

(32)【優先日】2019-07-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000153878

【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所

(72)【発明者】

【氏名】井上 広樹

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 宏輔

(72)【発明者】

【氏名】八窪 裕人

(72)【発明者】

【氏名】高橋 圭

【審査官】石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－０１２１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０４７０６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１０３８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１０３８８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｂ ５／００－ ５／２８

Ｈ０３Ｈ １１／００－１１／５４

Ｈ０３Ｋ ３／００－ ３／８６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、発振器と、第１の配線と、第２の配線と、第１の回路と、二次電池と、コンパレータと、を有し、
前記発振器は、前記第１の配線、前記第２の配線および前記第１の回路のそれぞれと電気的に接続され、
前記第１のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウム及び亜鉛の少なくとも一を含む金属酸化物を有し、
前記発振器は、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第５のトランジスタと、第６のトランジスタと、第１の容量素子と、を有し、
前記第３のトランジスタのゲートおよび前記第４のトランジスタのゲートは、前記第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、前記第５のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第１の容量素子の一方の電極と、に電気的に接続され、
前記第４のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、前記第６のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第１の容量素子の他方の電極と、に電気的に接続され、
前記第５のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第６のトランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記第６のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第１の回路と、前記第５のトランジスタのゲートと、に電気的に接続され、
前記第１の配線は、前記第３のトランジスタのソースおよびドレインの他方と、前記第４のトランジスタのソースおよびドレインの他方と、に電気的に接続され、
前記コンパレータの非反転入力端子および反転入力端子の一方は、前記二次電池の正極と電気的に接続され、他方は、前記第２のトランジスタのソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウム及び亜鉛の少なくとも一を含む金属酸化物を有し、
前記第２のトランジスタをオン状態にすることにより、第１の電位を前記非反転入力端子および前記反転入力端子の他方に与え、前記第２のトランジスタをオフ状態にすることにより、前記第１の電位を前記非反転入力端子および前記反転入力端子の他方に保持する機能を有し、
前記コンパレータは、前記正極の電位と前記第１の電位の比較結果に応じた出力信号を出力する機能を有し、
前記発振器は、前記出力信号に応じて前記第１の配線と前記第２の配線の間の電流を遮断する機能を有する蓄電装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記第１の回路は、インバータおよびバッファの少なくとも一つと、入力端子と、を有し、
前記第５のトランジスタのゲートは、前記入力端子に電気的に接続され、
前記第１の回路は、前記入力端子に与えられる信号の整形および増幅の少なくとも一を行う機能を有する蓄電装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２において、
前記第３のトランジスタ乃至前記第６のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウム及び亜鉛の少なくとも一を含む金属酸化物を有する蓄電装置。

【請求項4】

請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
第２の容量素子を有し、
前記第２の容量素子の一方の電極は、前記第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、
前記第２の容量素子の他方の電極は、前記第１の配線に電気的に接続される蓄電装置。

【請求項5】

請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
抵抗素子と、第７のトランジスタと、第８のトランジスタと、を有し、
前記第１の配線は前記第６のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、電気的に接続され、
前記第７のトランジスタのソースおよびドレインの他方は前記第８のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、電気的に接続され、
前記第８のトランジスタのソースおよびドレインの他方は前記抵抗素子の一方の電極に、電気的に接続され、
前記抵抗素子の他方の電極は前記第２の配線に、電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第８のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、
前記第１の配線には低電位信号が与えられ、
前記第２の配線には高電位信号が与えられる蓄電装置。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
前記第１の回路は、ｎ個のトランジスタ（ｎは２以上の自然数）を有し、
前記第１の回路が有する前記ｎ個のトランジスタは、前記第１の配線と前記第２の配線の間に直列に接続され、
前記第１の回路が有するｎ個のトランジスタは、隣接する２のトランジスタにおいて、一方のトランジスタのソースまたはドレインと他方のトランジスタのソースまたはドレインが電気的に接続され、
前記第５のトランジスタのゲートは、前記第１の回路が有する前記ｎ個のトランジスタの少なくとも一つのゲートに電気的に接続される蓄電装置。

【請求項7】

発振器と、第１のトランジスタと、第１の回路と、第２の回路と、第１の配線と、を有し、
前記第１のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウム及び亜鉛の少なくとも一を含む金属酸化物を有し、
前記発振器は、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第５のトランジスタと、第１の容量素子と、を有し、
前記第１の回路は、入力端子を有し、
前記第１の配線は、前記第２のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第３のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、に電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのゲートおよび前記第３のトランジスタのゲートは、前記第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第４のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第１の容量素子の一方の電極と、に電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第５のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、前記第１の容量素子の他方の電極と、に電気的に接続され、
前記第４のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第５のトランジスタのゲートに電気的に接続され、
前記第５のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第１の回路と、前記第４のトランジスタのゲートと、に電気的に接続され、
前記第２の回路は、二次電池の正極に電気的に接続され、
第１の電位を前記第２の回路に与える第１のステップと、
前記第２の回路において、前記第１の電位を保持する第２のステップと、
前記第２の回路が、前記正極の電位と前記第１の電位の比較結果に応じた第１の信号を出力する第３のステップと、
前記第２の回路が、前記第１の配線に低電位信号を与える第４のステップと、
前記第１のトランジスタをオン状態とし、前記第２のトランジスタのゲートおよび前記第３のトランジスタのゲートに第２の電位を与える第５のステップと、
前記発振器が前記第１の電位に応じた第２の信号を前記第１の回路が有する前記入力端子に与える第６のステップと、
前記第１のトランジスタをオフ状態とし、前記第２のトランジスタのゲートおよび前記第３のトランジスタのゲートに与えられた前記第２の電位が保持される第７のステップと、
前記第１の回路が前記第２の信号の整形および増幅の少なくとも一を行う第８のステップと、を有する半導体装置の動作方法。

【請求項8】

請求項７において、
第２の配線と、抵抗素子と、第６のトランジスタと、第７のトランジスタと、を有し、
前記第１の配線は前記第６のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、前記第６のトランジスタのソースおよびドレインの他方は前記第７のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、前記第７のトランジスタのソースおよびドレインの他方は前記抵抗素子の一方の電極に、前記抵抗素子の他方の電極は前記第２の配線に、それぞれ電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、前記第７のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、
前記第７のステップにおいて、前記第１のトランジスタをオフ状態とした後、前記第６のトランジスタおよび前記第７のトランジスタの少なくとも一つをオフ状態とし、前記第１の配線と前記第２の配線との間に流れる電流が遮断される半導体装置の動作方法。

【請求項9】

請求項７または請求項８において、
第２の容量素子を有し、
前記第２の容量素子の一方の電極は、前記第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、
前記第２の容量素子の他方の電極は、前記第１の配線に電気的に接続される半導体装置の動作方法。

【請求項10】

請求項７乃至請求項９のいずれか一において、
前記第１の回路は、インバータおよびバッファの少なくとも一方を有する半導体装置の動作方法。

【請求項11】

請求項７乃至請求項１０のいずれか一において、
前記第２のトランジスタ乃至前記第５のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウム及び亜鉛の少なくとも一を含む金属酸化物を有する半導体装置の動作方法。

【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、及び半導体装置の動作方法に関する。また、本発明の一態様は、電池制御回路、電池保護回路、蓄電装置、及び電気機器に関する。

【0002】

なお本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の技術分野は、物、方法、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。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。

【背景技術】

【0003】

発振器は無線通信機等の様々な機器に広く用いられている。特許文献１には、発振器に用いられる負性インピーダンス回路の一例が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００６－３２４９５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の一態様は、新規な発振器、新規な増幅回路、新規なインバータ回路、新規な増幅回路、新規な電池制御回路、新規な電池保護回路、蓄電装置、半導体装置及び電気機器等を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、消費電力の低減を図ることができる、新規な構成の発振器、インバータ回路、増幅回路、電池制御回路、電池保護回路、蓄電装置、半導体装置及び電気機器等を提供することを課題の一とする。

【0006】

なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した課題、及び／又は他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、第１のトランジスタと、発振器と、第１の配線と、第２の配線と、第１の回路と、を有し、発振器は、第１の配線、第２の配線および第１の回路のそれぞれと電気的に接続され、第１のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、発振器は、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第５のトランジスタと、第１の容量素子と、を有し、第２のトランジスタのゲートおよび第３のトランジスタのゲートは、第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第２のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第４のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第１の容量素子の一方の電極と、に電気的に接続され、第３のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第５のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第１の容量素子の他方の電極と、に電気的に接続され、第４のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第５のトランジスタのゲートに電気的に接続され、第５のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第１の回路と、第４のトランジスタのゲートと、に電気的に接続され、第１の配線は、第２のトランジスタのソースおよびドレインの他方と、第３のトランジスタのソースおよびドレインの他方と、に電気的に接続される半導体装置である。

【0008】

また、上記構成において、第１の回路はインバータおよびバッファの少なくとも一と、入力端子と、を有し、第４のトランジスタのゲートは、入力端子に電気的に接続され、第１の回路は、入力端子に与えられる信号の整形および増幅の少なくとも一を行う機能を有する半導体装置である。

【0009】

また、上記構成において、第２のトランジスタ乃至第５のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有することが好ましい。

【0010】

また、上記構成において、第２の容量素子を有し、第２の容量素子の一方の電極は、第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第２の容量素子の他方の電極は、第１の配線に電気的に接続されることが好ましい。

【0011】

また、上記構成において、第２の配線を有し、第１の回路は、第１の配線と第２の配線の間に直列に接続される二以上のトランジスタを有し、第１の回路が有する二以上のトランジスタの一は、ソースおよびドレインの一方が第１の配線に電気的に接続され、ゲートが第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第１の配線には低電位信号が与えられ、第２の配線には高電位信号が与えられることが好ましい。

【0012】

また、上記構成において、抵抗素子と、第６のトランジスタと、第７のトランジスタと、を有し、第１の配線は第６のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、電気的に接続され、第６のトランジスタのソースおよびドレインの他方は第７のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、電気的に接続され、第７のトランジスタのソースおよびドレインの他方は抵抗素子の一方の電極に、電気的に接続され、抵抗素子の他方の電極は第２の配線に、電気的に接続され、第１のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第７のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、第１の電位が保持される期間において、第６のトランジスタおよび第７のトランジスタの少なくとも一をオフ状態とし、第１の配線と第２の配線の間に流れる電流を遮断する機能を有し、第１の配線には低電位信号が与えられ、第２の配線には高電位信号が与えられることが好ましい。

【0013】

また、上記構成において、第１の回路は、ｎ個のトランジスタ（ｎは２以上の自然数）を有し、第１の回路が有するｎ個のトランジスタは、第１の配線と第２の配線の間に直列に接続され、第１の回路が有するｎ個のトランジスタは、隣接する２つのトランジスタにおいて、一方のトランジスタのソースまたはドレインと他方のトランジスタのソースまたはドレインが電気的に接続され、第４のトランジスタのゲートは、第１の回路が有するｎ個のトランジスタの少なくとも一のゲートに電気的に接続されることが好ましい。

【0014】

また、上記構成において、第１の回路は、ｎ個のトランジスタ（ｎは２以上の自然数）を有し、第１の回路が有するｎ個のトランジスタは、第１の配線と第２の配線の間に直列に接続され、第１の回路が有するｎ個のトランジスタのうち、第（ｍ－１）のトランジスタ（ｍは３以上ｎ以下の自然数）のソースまたはドレインは、第（ｍ－２）のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、第１の回路が有するｎ個のトランジスタのうち、第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方は第１の配線に、他方は第２のトランジスタのソースまたはドレインに、それぞれ電気的に接続され、第１の回路が有するｎ個のトランジスタのうち、第ｎのトランジスタのソースおよびドレインの一方は第２の配線に、他方は第（ｎ－１）のトランジスタのソースまたはドレインに、それぞれ電気的に接続され、第４のトランジスタのゲートは、第１の回路が有するｎ個のトランジスタの少なくとも一つのゲートに電気的に接続されることが好ましい。

【0015】

または、本発明の一態様は、上記に記載の半導体装置と、コンパレータと、第８のトランジスタと、を有し、コンパレータの非反転入力端子および反転入力端子の一方は、二次電池の正極と電気的に接続され、他方は、第８のトランジスタのソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、第８のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、第８のトランジスタをオン状態にすることにより、第１の電位を非反転入力端子および反転入力端子の他方に与え、第８のトランジスタをオフ状態にすることにより、第１の電位を保持する機能を有し、コンパレータは、正極の電位と第２の電位の比較結果に応じた出力信号を出力する機能を有し、発振器は、出力信号に応じて第１の配線と第２の配線の間の電流を遮断する機能を有する蓄電装置である。

【0016】

または、本発明の一態様は、発振器と、第１のトランジスタと、第１の回路と、を有し、第１のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、発振器は、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第５のトランジスタと、第１の容量素子と、を有し、第１の回路は、入力端子を有し、第２のトランジスタのゲートおよび第３のトランジスタのゲートは、第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第２のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第４のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第１の容量素子の一方の電極と、に電気的に接続され、第３のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第５のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第１の容量素子の他方の電極と、に電気的に接続され、第４のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第５のトランジスタのゲートに電気的に接続され、第５のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第１の回路が有する入力端子と、第４のトランジスタのゲートと、に電気的に接続され、第１のトランジスタをオン状態とし、第２のトランジスタのゲートおよび第３のトランジスタのゲートに第１の電位を与える第１のステップと、発振器が第１の電位に応じた第１の信号を、第１の回路が有する入力端子に与える第２のステップと、第１のトランジスタをオフ状態とし、第２のトランジスタのゲートおよび第３のトランジスタのゲートに与えられた第１の電位が保持される第３のステップと、第１の回路が第１の信号の整形および増幅の少なくとも一を行う第４のステップと、を有する半導体装置の動作方法である。

【0017】

また、上記構成において、第１の配線と、第２の配線と、抵抗素子と、第６のトランジスタと、第７のトランジスタと、を有し、第１の配線は第６のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、第６のトランジスタのソースおよびドレインの他方は第７のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、第７のトランジスタのソースおよびドレインの他方は抵抗素子の一方の電極に、抵抗素子の他方の電極は第２の配線に、それぞれ電気的に接続され、第１のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第７のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、第１のステップにおいて、第１の配線には低電位信号が、第２の配線には高電位信号が、それぞれ与えられ、第３のステップにおいて、第１のトランジスタをオフ状態とした後、第６のトランジスタおよび第７のトランジスタの少なくとも一つをオフ状態とし、第１の配線と第２の配線との間に流れる電流が遮断されることが好ましい。

【0018】

また、上記構成において、第２の容量素子を有し、第２の容量素子の一方の電極は、第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第２の容量素子の他方の電極は、第１の配線に電気的に接続されることが好ましい。

【0019】

また、上記構成において、第１の回路は、インバータおよびバッファの少なくとも一方を有することが好ましい。

【0020】

また、上記構成において、第２のトランジスタ乃至第５のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有することが好ましい。

【0021】

または、本発明の一態様は、発振器と、第１のトランジスタと、第１の回路と、第２の回路と、第１の配線と、を有し、第１のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有し、発振器は、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第５のトランジスタと、第１の容量素子と、を有し、第１の回路は、入力端子を有し、第１の配線は、第２のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第３のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、に電気的に接続され、第２のトランジスタのゲートおよび第３のトランジスタのゲートは、第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第２のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第４のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第１の容量素子の一方の電極と、に電気的に接続され、第３のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第５のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、第１の容量素子の他方の電極と、に電気的に接続され、第４のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第５のトランジスタのゲートに電気的に接続され、第５のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第１の回路と、第４のトランジスタのゲートと、に電気的に接続され、第２の回路は、二次電池の正極と電気的に接続され、第１の電位を第２の回路に与える第１のステップと、第１の電位を保持する第２のステップと、第２の回路が、第２の信号を出力する第３のステップと、第２の回路が、第１の配線に低電位信号を与える第４のステップと、第１のトランジスタをオン状態とし、第２のトランジスタのゲートおよび第３のトランジスタのゲートに第２の電位を与える第５のステップと、発振器が第２の電位に応じた第２の信号を第１の回路が有する入力端子に与える第６のステップと、第１のトランジスタをオフ状態とし、第２のトランジスタのゲートおよび第３のトランジスタのゲートに与えられた第２の電位が保持される第７のステップと、第１の回路が第２の信号の整形および増幅の少なくとも一を行う第８のステップと、を有する半導体装置の動作方法である。

【0022】

また、上記構成において、第２の配線と、抵抗素子と、第６のトランジスタと、第７のトランジスタと、を有し、第１の配線は第６のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、第６のトランジスタのソースおよびドレインの他方は第７のトランジスタのソースおよびドレインの一方に、第７のトランジスタのソースおよびドレインの他方は抵抗素子の一方の電極に、抵抗素子の他方の電極は第２の配線に、それぞれ電気的に接続され、第１のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第７のトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、第７のステップにおいて、第１のトランジスタをオフ状態とした後、第６のトランジスタおよび第７のトランジスタの少なくとも一つをオフ状態とし、第１の配線と第２の配線との間に流れる電流が遮断されることが好ましい。

【0023】

また、上記構成において、第２の容量素子を有し、第２の容量素子の一方の電極は、第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、第２の容量素子の他方の電極は、第１の配線に電気的に接続されることが好ましい。

【0024】

また、上記構成において、第１の回路は、インバータおよびバッファの少なくとも一方を有することが好ましい。

【0025】

また、上記構成において、第２のトランジスタ乃至第５のトランジスタは、チャネル形成領域にインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を有することが好ましい。

【発明の効果】

【0026】

本発明の一態様により、新規な発振器、新規な増幅回路、新規なインバータ回路、新規な増幅回路、新規な電池制御回路、新規な電池保護回路、蓄電装置、半導体装置及び電気機器等を提供することができる。また、本発明の一態様により、消費電力の低減を図ることができる、新規な構成の発振器、インバータ回路、増幅回路、電池制御回路、電池保護回路、蓄電装置、半導体装置及び電気機器等を提供することができる。

【0027】

なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、及び／又は他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。従って本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。

【図面の簡単な説明】

【0028】

図１は半導体装置の構成例を示す回路図である。
図２は半導体装置の構成例を示す回路図である。
図３Ａは回路の構成例を示す図である。図３Ｂは回路の構成例を示す図である。図３Ｃは回路の構成例を示す図である。図３Ｄは回路の構成例を示す図である。
図４Ａは回路の構成例を示す図である。図４Ｂは回路の構成例を示す図である。図４Ｃは回路の構成例を示す図である。図４Ｄは回路の構成例を示す図である。図４Ｅは回路の構成例を示す図である。
図５は半導体装置の動作例を説明するタイミングチャートである。
図６Ａは半導体装置の構成例を示す回路図である。図６Ｂは半導体装置の構成例を示す回路図である。
図７Ａは増幅回路の構成例を示す回路図である。図７Ｂは増幅回路の構成例を示す回路図である。
図８Ａは二次電池および半導体装置の一例を示す回路図である。図８Ｂは半導体装置の動作の一例を説明する図である。
図９は半導体装置の構成例を示す断面図である。
図１０Ａはトランジスタの構造例を示す断面図である。図１０Ｂはトランジスタの構造例を示す断面図である。図１０Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１１Ａはトランジスタの構造例を示す上面図である。図１１Ｂはトランジスタの構造例を示す断面図である。図１１Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１２Ａはトランジスタの構造例を示す上面図である。図１２Ｂはトランジスタの構造例を示す断面図である。図１２Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１３Ａはトランジスタの構造例を示す上面図である。図１３Ｂはトランジスタの構造例を示す断面図である。図１３Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１４Ａはトランジスタの構造例を示す上面図である。図１４Ｂはトランジスタの構造例を示す断面図である。図１４Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１５Ａはトランジスタの構造例を示す上面図である。図１５Ｂはトランジスタの構造例を示す断面図である。図１５Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１６Ａはトランジスタの構造例を示す上面図である。図１６Ｂはトランジスタの構造例を示す断面図である。図１６Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。
図１７は半導体装置の構成例を示す断面図である。
図１８は半導体装置の構成例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

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、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下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。

【0030】

なお本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。

【0031】

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

【0032】

また、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲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。

【0033】

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

【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、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。

【0035】

また、本明細書等において「端子」は例えば、配線、あるいは配線に接続される電極を指す場合がある。また、本明細書等において「配線」の一部を「端子」と呼ぶ場合がある。

【0036】

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

【0037】

また、ソースおよびドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合など、動作条件などによって互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。

【0038】

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

【0039】

また、本明細書などにおいて、「平行」とは、例えば、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。従って、－５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」および「直交」とは、例えば、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。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

【0040】

なお、本明細書などにおいて、計数値および計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」または「均一」などと言う場合は、明示されている場合を除き、プラスマイナス２０％の誤差を含むものとする。

【0041】

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

【0042】

また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、「電圧」と「電位」は互いに言い換えることが可能な場合が多い。本明細書などでは、特段の明示が無いかぎり、「電圧」と「電位」を言い換えることができるものとする。

【0043】

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

【0044】

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

【0045】

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

【0046】

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

【0047】

また、本明細書等において、高電位信号とは、低電位信号よりも高い電位の電源電位を示す。また、低電位信号とは、高電位信号よりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位を高電位信号または低電位信号として用いることもできる。例えば高電位信号が接地電位の場合には、低電位信号は接地電位より低い電位であり、低電位信号が接地電位の場合には、高電位信号は接地電位より高い電位である。また、高電位信号を高電源電位と呼ぶ場合がある。また、低電位信号を低電源電位と呼ぶ場合がある。

【0048】

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

【0049】

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

【0050】

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

【0051】

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の例を説明する。

【0052】

＜半導体装置の例＞
図１に示す半導体装置２１は、発振器３０と、回路３１と、回路３２と、配線ＶＤ１と、配線ＶＳ１と、を有する。配線ＶＤ１および配線ＶＳ１はそれぞれ、発振器３０、回路３１および回路３２に電気的に接続される。例えば配線ＶＤ１には高電位信号が与えられ、配線ＶＳ１には低電位信号が与えられる。

【0053】

発振器３０は、トランジスタ４２、トランジスタ４３、トランジスタ４４、トランジスタ４５、容量素子５１、端子ＯＵ１および端子ＯＵ２を有する。回路３２が有する端子ＶＢＩ１は、発振器３０等に電気的に接続される。端子ＶＢＩ１は信号Ｓｖ１を発振器３０等に与える機能を有する。

【0054】

トランジスタ４２のソースおよびドレインの一方は、トランジスタ４４のソースおよびドレインの一方と、容量素子５１の一方の電極と、ノードＮＤ１と、に電気的に接続される。またトランジスタ４３のソースおよびドレインの一方は、トランジスタ４５のソースおよびドレインの一方と、容量素子５１の他方の電極と、ノードＮＤ２と、に電気的に接続される。またトランジスタ４４のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ４５のゲートと、端子ＯＵ２と、ノードＮＤ３と、に電気的に接続される。またトランジスタ４５のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ４４のゲートと、端子ＯＵ１と、ノードＮＤ４と、に電気的に接続される。トランジスタ４２のソースおよびドレインの他方と、トランジスタ４３のソースおよびドレインの他方と、は配線ＶＳ１に電気的に接続される。

【0055】

端子ＯＵ１は、回路３１が有する端子ＩＮ２に電気的に接続される。

【0056】

また発振器３０は、トランジスタ５４およびトランジスタ５５を有することが好ましい。図１において、トランジスタ５４のソースおよびドレインの一方は、トランジスタ４５のゲートと電気的に接続される。またトランジスタ５４のソースおよびドレインの他方と、ゲートと、は配線ＶＤ１に電気的に接続される。またトランジスタ５５のソースおよびドレインの一方は、トランジスタ４４のゲートと電気的に接続される。またトランジスタ５５のソースおよびドレインの他方と、ゲートと、は配線ＶＤ１に電気的に接続される。

【0057】

また、トランジスタ５４およびトランジスタ５５に替えて、抵抗素子を用いてもよい。あるいは、直列に接続され、互いのゲートが電気的に接続された複数のトランジスタを用いてもよい。

【0058】

発振器３０は、例えば、容量素子５１の容量値、トランジスタ４４およびトランジスタ４５のしきい値、トランジスタ４４およびトランジスタ４５に流れる電流、等に応じて決められる周波数の信号を、端子ＯＵ１等に出力する機能を有する。

【0059】

発振器３０はＳｏｕｒｃｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒと呼ばれる場合がある。

【0060】

トランジスタ４２およびトランジスタ４３のゲートは、端子ＶＢＩ１に電気的に接続される。トランジスタ４２およびトランジスタ４３のドレイン電流の大きさは、端子ＶＢＩ１より与えられる信号Ｓｖ１により制御することができる。よって、発振器３０において、トランジスタ４４およびトランジスタ４４を流れる電流の大きさは、信号Ｓｖ１により制御することができる。

【0061】

また、信号Ｓｖ１を変更することにより、発振器３０の周波数を調整することができる。

【0062】

回路３１はインバータ５３を有する。なお回路３１はインバータに替えてバッファ回路を有してもよい。回路３１は、端子ＩＮ２に与えられる信号の整形、増幅、等を行う機能を有することが好ましい。

【0063】

図１に示す回路３１は、インバータ５３と、トランジスタ６１と、端子ＩＮ２と、端子ＯＵ３と、を有する。インバータ５３は端子ＩＮ２から入力される信号を、端子ＯＵ３に出力する機能を有する。

【0064】

インバータ５３には配線ＶＤ１から高電位信号が与えられる。トランジスタ６１のソースおよびドレインの一方はインバータ５３に、他方は配線ＶＳ１に、それぞれ電気的に接続される。トランジスタ６１がオン状態の場合には、配線ＶＳ１からトランジスタ６１を介してインバータ５３に低電位信号が与えられる。

【0065】

トランジスタ６１のゲートは、端子ＶＢＩ１に電気的に接続される。トランジスタ６１のドレイン電流の大きさは、端子ＶＢＩ１より与えられる信号Ｓｖ１により制御することができる。よって、回路３１において、インバータ５３を経由して配線ＶＤ１と配線ＶＳ１の間を流れる電流は、信号Ｓｖ１により制御することができる。よって回路３１に必要以上の電力を流さず、回路３１の消費電力を低減することができる。

【0066】

図１に示す回路３２は、トランジスタ４１と、端子ＶＢＩ１と、端子ＳＨ１と、端子ＥＮ１と、を有する。トランジスタ４１のソースおよびドレインの一方は、端子ＶＢＩ１に電気的に接続される。トランジスタ４１のゲートには、端子ＳＨ１が電気的に接続される。また、回路３２は容量素子５２を有することが好ましい。図１において、容量素子５２の一方の電極はトランジスタ４１の端子ＳＨ１に電気的に接続され、他方は配線ＶＳ１に電気的に接続される。

【0067】

回路３２の詳細については後述する。

【0068】

半導体装置２１が有するトランジスタはバックゲートを有してもよい。図２に示す半導体装置２１において、トランジスタ４２、トランジスタ４３、トランジスタ４４、トランジスタ４５、トランジスタ５４、トランジスタ５５およびトランジスタ６１のバックゲートは、それぞれのトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続され、トランジスタ４１のバックゲートは、配線ＶＳ１に電気的に接続される。

【0069】

図２に示す半導体装置２１においては、トランジスタ４２、トランジスタ４３、トランジスタ４４、トランジスタ４５、トランジスタ５４、トランジスタ５５およびトランジスタ６１のバックゲートがソースまたはドレインに電気的に接続される例を示すが、トランジスタのバックゲートに所望の電位を与え、該電位を固定してもよい。所望の電位は例えば、配線ＶＳ１の電位でもよい。あるいはバックゲートに与えられる電位は、いくつかの電位から選ばれる１つの電位でもよい。あるいは、時間と共に変化する値でもよい。また、バックゲートが、ゲート絶縁体および半導体層を挟んで対となるゲートに電気的に接続されてもよい。

【0070】

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃおよび図３Ｄには、回路３２の具体的な構成の例を示す。回路３２は、端子ＶＢＩ１から所望の電位を出力し、保持する機能を有する。

【0071】

図３Ａに示す回路３２は、トランジスタ４１と、トランジスタ４６ａと、トランジスタ４７ａと、容量素子５２と、抵抗素子ＲＬ１と、を有する。図３Ａにおいて、トランジスタ４１のソースおよびドレインの一方は、端子ＶＢＩ１と、容量素子５２の一方の電極と、に電気的に接続される。容量素子５２の他方の電極は、配線ＶＳ１に電気的に接続される。トランジスタ４１のソースおよびドレインの他方は、抵抗素子ＲＬ１の一方の端子と、トランジスタ４７ａのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ４７ａのゲートと、に電気的に接続される。トランジスタ４１のゲートには、端子ＳＨ１が電気的に接続される。抵抗素子ＲＬ１の他方の端子は、配線ＶＤ１に電気的に接続される。トランジスタ４７ａのソースおよびドレインの他方は、トランジスタ４６ａのソースおよびドレインの一方に電気的に接続され、トランジスタ４６ａのソースおよびドレインの他方は、配線ＶＳ１に電気的に接続される。トランジスタ４６ａのゲートには端子ＥＮ１が電気的に接続される。

【0072】

抵抗素子として、トランジスタを用いてもよい。また、抵抗素子は電流源であってもよい。例えば、抵抗素子に替えて、電流生成回路を接続し、該回路からの電流を与えてもよい。

【0073】

図３Ｂに示す回路３２は、トランジスタ４１と、トランジスタ４６ａと、トランジスタ４７ａと、容量素子５２と、抵抗素子ＲＬ１と、を有する。図３Ｂに示す回路３２は、トランジスタ４１のソースおよびドレインの一方ではなく、端子ＶＢＩ１が、トランジスタ４７ａのゲートに電気的に接続される点が図３Ａと異なる。

【0074】

図３Ｃに示す回路３２は、トランジスタ４１と、トランジスタ４６ｂと、トランジスタ４７ｂと、容量素子５２と、抵抗素子ＲＬ１と、を有する。図３Ｃにおいて、トランジスタ４１のソースおよびドレインの一方は、端子ＶＢＩ１と、容量素子５２の一方の電極と、に電気的に接続される。容量素子５２の他方の電極は、配線ＶＳ１に電気的に接続される。トランジスタ４１のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ４７ｂのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ４６ｂのゲートと、トランジスタ４６ｂのソースおよびドレインの一方と、に電気的に接続される。トランジスタ４１のゲートには、端子ＳＨ１が電気的に接続される。トランジスタ４６ｂのソースおよびドレインの他方は、配線ＶＳ１に電気的に接続される。トランジスタ４７ｂのソースおよびドレインの他方は、抵抗素子ＲＬ１の一方の端子に接続される。抵抗素子ＲＬ１の他方の端子は配線ＶＤ１に電気的に接続される。トランジスタ４７ｂのゲートには端子ＥＮ１が電気的に接続される。

【0075】

図３Ｄに示す回路３２は、トランジスタ４１と、トランジスタ４６ｂと、トランジスタ４７ｂと、容量素子５２と、抵抗素子ＲＬ１と、を有する。図３Ｄに示す回路３２は、トランジスタ４１のソースおよびドレインの一方ではなく、端子ＶＢＩ１が、トランジスタ４６ｂのゲートに電気的に接続される点が図３Ｃと異なる。なお、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃおよび図３Ｄ等においては、トランジスタ４１のバックゲートが配線ＶＳ１に電気的に接続される例を示すが、トランジスタ４１のバックゲートは配線ＶＳ１とは異なる電位を出力する端子に電気的に接続されてもよい。あるいは、トランジスタ４１のバックゲートはトランジスタ４１のソースおよびドレインの一方に電気的に接続されてもよい。あるいは、トランジスタのバックゲートは、ゲート絶縁体および半導体層を挟んで対となるゲートに電気的に接続されてもよい。

【0076】

トランジスタ４１として、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタという）を用いることにより、そのオフ電流を極めて低くすることができる。トランジスタ４１をオン状態として端子ＶＢＩ１に好適な電位を与えた後、トランジスタ４１をオフ状態とすることにより浮遊状態とし、与えた電位を保持することにより、ノードＮＤ２に電位をプログラミングすることができる。

【0077】

ＯＳトランジスタについて、詳細は後述する。

【0078】

端子ＳＨ１にトランジスタ４１がオン状態となる電位を与えてトランジスタ４１をオン状態とし、端子ＶＢＩ１に信号Ｓｖ１として所望の電位を与える。その後、端子ＳＨ１にトランジスタがオフ状態となる電位を与えてトランジスタ４１をオフ状態とし、端子ＶＢＩ１の電位が保持される。トランジスタ４１としてＯＳトランジスタを用いることにより、端子ＶＢＩ１から与えられる電位を長時間、好ましくは１分以上、より好ましくは１時間以上、さらに好ましくは１０時間以上保持することができる。

【0079】

その後、端子ＥＮ１にトランジスタ４６ａまたはトランジスタ４６ｂがオフ状態となる電位を与え、回路３２において抵抗素子ＲＬ１等を経由して配線ＶＤ１と配線ＶＳ１の間を流れる電流を遮断することができる。該電流を遮断することにより、回路３２の消費電力を大幅に低減することができる。

【0080】

トランジスタ４６ａおよびトランジスタ４６ｂの少なくとも一方にＯＳトランジスタを用いることが好ましい。より具体的には、たとえば、トランジスタ４６ａおよびトランジスタ４６ｂのうち、端子ＥＮ１がゲートに電気的に接続されるトランジスタとして、ＯＳトランジスタを用いることにより、回路３２において配線ＶＤ１と配線ＶＳ１の間を流れる電流を遮断する場合において、リーク電流を極めて低くすることができる。

【0081】

また、端子ＥＮ１にトランジスタ４６ａまたはトランジスタ４６ｂがオフ状態となる電位を与えた後、回路３２に信号、電源、電流、等を与える各回路、例えば制御回路、電源回路、電流生成回路、電圧生成回路、電流源、定電流源、等をオフ状態としてもよい。これらの回路をオフ状態とすることにより消費電力を低減することができる。

【0082】

また、図１に示す半導体装置が有する発振器３０、回路３１および回路３２が有するトランジスタを全て、ＯＳトランジスタとしてもよい。図１に示す半導体装置が有する発振器３０、回路３１および回路３２が有するトランジスタを全て、単極性、例えばｎチャネル型トランジスタで構成することができる。例えば、全てのトランジスタをｎチャネル型のＯＳトランジスタで構成することができる。

【0083】

チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタという）を有する層の上に積層して、ＯＳトランジスタを設けることができる。発振器３０、回路３１および回路３２が有するトランジスタを全て、ＯＳトランジスタとすることにより、Ｓｉトランジスタを用いて構成された回路の上に、発振器３０、回路３１および回路３２を積層して配置し、回路面積の縮小を行うことができる。

【0084】

また、ＯＳトランジスタに用いられる酸化物半導体は、スパッタリング法などの薄膜法を用いて形成することができる。よって、ガラス基板をはじめ、様々な基板上に簡便に形成することができ、半導体装置を低コストで作製できる場合がある。

【0085】

図４Ａには、回路３１の構成例を示す。図４Ａに示す回路３１は、トランジスタ６１と、トランジスタ６２と、回路６３と、を有する。トランジスタ６１のゲートは、端子ＶＢＩ１に電気的に接続される。トランジスタ６１のソースおよびドレインの一方はトランジスタ６２のソースおよびドレインの一方に、他方は配線ＶＳ１に、それぞれ電気的に接続される。トランジスタ６２のソースおよびドレインの他方は回路６３と、端子ＯＵ３と、に電気的に接続される。トランジスタ６２のゲートには端子ＩＮ２が電気的に接続される。

【0086】

図４Ａにおいて、トランジスタ６１およびトランジスタ６２はバックゲートを有し、それぞれのトランジスタのバックゲートはそれぞれのトランジスタのソースまたはドレインに電気的に接続される。

【0087】

図４Ｂには、回路３１の構成例を示す。図４Ｂに示す回路３１は、図４Ａに示す回路３１の構成に加えて、トランジスタ６４、トランジスタ６５および容量素子６６を有する。トランジスタ６１のゲートは、端子ＶＢＩ１に電気的に接続される。トランジスタ６１のソースおよびドレインの一方はトランジスタ６２のソースおよびドレインの一方に、他方は配線ＶＳ１に、それぞれ電気的に接続される。トランジスタ６２のソースおよびドレインの他方は、回路６３と、容量素子６６の一方の電極と、トランジスタ６５のゲートと、に電気的に接続される。容量素子６６の他方の電極は、トランジスタ６４のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ６５のソースおよびドレインの一方と、端子ＯＵ３と、に電気的に接続される。トランジスタ６２のゲートおよびトランジスタ６４のゲートには、端子ＩＮ２が電気的に接続される。トランジスタ６４のソースおよびドレインの他方は、配線ＶＳ１に電気的に接続され、トランジスタ６５のソースおよびドレインの他方は、配線ＶＤ１に電気的に接続される。

【0088】

図４Ｂにおいて、トランジスタ６４およびトランジスタ６５はそれぞれバックゲートを有する。トランジスタ６４のバックゲートは、例えば、配線ＶＳ１に電気的に接続される。またトランジスタ６５のバックゲートは、例えば、端子ＯＵ３に電気的に接続される。

【0089】

図４Ｃ、図４Ｄおよび図４Ｅはそれぞれ、回路６３の一例を示す。

【0090】

図４Ｃに示す回路６３はトランジスタ６３ａを有し、トランジスタ６３ａのソースおよびドレインの一方は、トランジスタ６３ａのゲートおよび配線ＶＤ１に電気的に接続され、他方は、トランジスタ６２のソースおよびドレインの他方に電気的に接続される。

【0091】

図４Ｄに示す回路６３はトランジスタ６３ａおよびトランジスタ６３ｂを有し、配線ＶＤ１は、トランジスタ６３ａのソースおよびドレインの一方と、ゲートと、に電気的に接続され、トランジスタ６３ａのソースおよびドレインの他方は、トランジスタ６３ｂのソースおよびドレインの一方と、ゲートと、に電気的に接続され、トランジスタ６３ｂのソースおよびドレインの他方は、トランジスタ６２のソースおよびドレインの他方に電気的に接続される。

【0092】

また、図４Ｅに示すように、回路６３は、ｎ個のトランジスタ（ｎは２以上の整数）を有してもよい。配線ＶＤ１は、第１のトランジスタ（図４Ｅにおいてはトランジスタ６３ａ）のソースおよびドレインの一方と、ゲートと、に電気的に接続され、第１のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第２のトランジスタ（図４Ｅにおいてはトランジスタ６３ｂ）のソースおよびドレインの一方と、ゲートと、に電気的に接続され、以下、順に、トランジスタのソースおよびドレインの他方が、次段のトランジスタのソースおよびドレインの一方と、ゲートと、に電気的に接続される。第ｎのトランジスタ（図４Ｅにおいてはトランジスタ６３ｎ）のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ６２のソースおよびドレインの他方に電気的に接続される。

【0093】

なお、図４Ｃ、図４Ｄおよび図４Ｅに示すトランジスタはバックゲートを有し、それぞれのバックゲートはそれぞれのトランジスタのソースまたはドレインと電気的に接続される。

【0094】

図５は発振器３０の動作の一例を説明するタイミングチャートである。

【0095】

ここで、トランジスタ５４、トランジスタ５５、トランジスタ４４およびトランジスタ４５のしきい値を電位Ｖｔとする。これらのトランジスタのしきい値はトランジスタ毎にばらつく場合もあるが、ここでは説明を簡単にするため、これらのトランジスタのしきい値が同じ値であるとする。

【0096】

発振器３０において、ある時刻において、トランジスタ４４およびトランジスタ４５の一方がオン状態、他方がオフ状態である場合について、その後の発振器３０の動作の一例を考える。ここでは例として時刻ｔ０においてトランジスタ４４がオン状態、トランジスタ４５がオフ状態である場合を考える。

【0097】

時刻ｔ０において、トランジスタ４５がオフ状態であり、ノードＮＤ４の電位は例えば、電位ＶＤ１からトランジスタ５５のしきい値分低い電位、すなわち電位（ＶＤ１－Ｖｔ）である。

【0098】

時刻ｔ０において、トランジスタ４４はオン状態であり、ノードＮＤ１とノードＮＤ３の電位はおおよそ等しい。時刻ｔ０におけるノードＮＤ１およびノードＮＤ３の電位を電位Ｖ０とする。電位Ｖ０は電位（ＶＤ１－Ｖｔ）よりも少なくともトランジスタ４４のしきい値分低い値、例えば電位（ＶＤ１－２Ｖｔ）である。

【0099】

トランジスタ４５はオフ状態であり、容量素子５１の電荷のトランジスタ４３等へのリークにより、ノードＮＤ２の電位は時間の経過とともに徐々に低下する。

【0100】

時刻ｔ１において、ノードＮＤ２の電位が、ノードＮＤ３の電位からトランジスタ４５のしきい値分低い電位、すなわち電位（Ｖ０－Ｖｔ）を下回ると、トランジスタ４５がオン状態となる。

【0101】

トランジスタ４５がオン状態となり、導通状態となると、ノードＮＤ４の電位が低下し、トランジスタ４４において、ソースに対するゲートの電位（Ｖｇｓ）が電位Ｖｔ以下となり（Ｖｇｓ≦Ｖｔ）、トランジスタ４４はオフ状態となる。

【0102】

トランジスタ４４がオフ状態となると、ノードＮＤ３の電位が例えば、電位ＶＤ１からトランジスタ５４のしきい値分低い電位、すなわち電位（ＶＤ１－Ｖｔ）まで上昇する。ノードＮＤ１の電位もノードＮＤ３とともに上昇する。その後、容量素子５１のリークにより、ノードＮＤ１の電位が時間の経過とともに徐々に低下する。

【0103】

時刻ｔ２において、ノードＮＤ１の電位が、ノードＮＤ４の電位からトランジスタ４４のしきい値分低い電位を下回ると、トランジスタ４４がオン状態となる。トランジスタ４４がオン状態となると、ノードＮＤ１およびノードＮＤ３の電位は電位Ｖ０となる。トランジスタ４５はオフ状態となり、ノードＮＤ４の電位は電位（ＶＤ１－Ｖｔ）まで上昇する。ノードＮＤ２の電位もノードＮＤ４とともに上昇するが、時間と共に低下する。

【0104】

ノードＮＤ４の電位は時刻ｔ０から時刻ｔ１の間には電位ＶＤ１－Ｖｔとなり、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は電位Ｖ０となり、以後、電位ＶＤ１－Ｖｔと、電位Ｖ０と、を交互に繰り返し、発振器として機能する。また、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間の長さおよび時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間の長さは、容量素子５１の容量値の大きさ、トランジスタ４２およびトランジスタ４３を流れる電流の大きさ、トランジスタ５４、トランジスタ５５、トランジスタ４４およびトランジスタ４５のしきい値、等で決められる。

【0105】

図６Ａには、半導体装置２１の構成例を示す。図６Ａに示す半導体装置２１は図１等に示す構成要素に加えて、増幅回路３６を有する。増幅回路３６には発振器３０の端子ＯＵ１および端子ＯＵ２から出力されるそれぞれの信号が与えられる。増幅回路３６は、端子ＯＵ１および端子ＯＵ２から与えられる信号を基に、増幅信号を生成し、回路３１の端子ＩＮ２に与える機能を有する。

【0106】

また、図１、図２、図６Ａ等に示す半導体装置２１の構成において、出力部において回路３１を２段重ねて用いてもよい。図６Ｂは、図６Ａにおいて、出力部の回路３１を２段重ねて用いる構成とする例である。

【0107】

図７Ａおよび図７Ｂには、増幅回路３６の一例を示す。

【0108】

図７Ａに示す増幅回路３６は、トランジスタ７１、トランジスタ７２、トランジスタ７３、回路６３ｘおよび回路６３ｙを有する。回路６３ｘおよび回路６３ｙとして、図４Ｃ、図４Ｄおよび図４Ｅに示す回路６３等を用いることができる。

【0109】

図７Ａにおいて、回路６３ｘは、配線ＶＤ１と、トランジスタ７２のソースおよびドレインの一方と、の間に配置され、それぞれと電気的に接続される。回路６３ｙは、配線ＶＤ１と、トランジスタ７３のソースおよびドレインの一方と、の間に配置され、それぞれと電気的に接続される。トランジスタ７３のソースおよびドレインの一方は、端子ＩＮ２に電気的に接続される。トランジスタ７２のゲートは端子ＯＵ１に電気的に接続される。トランジスタ７３のゲートは端子ＯＵ２に電気的に接続される。トランジスタ７２のバックゲートと、トランジスタ７２のソースおよびドレインの他方と、トランジスタ７３のバックゲートと、トランジスタ７３のソースおよびドレインの他方と、はトランジスタ７１のソースおよびドレインの一方に電気的に接続される。トランジスタ７１のソースおよびドレインの他方と、バックゲートと、は配線ＶＳ１に電気的に接続される。トランジスタ７１のゲートは、回路３２の端子ＶＢＩ１に電気的に接続される。

【0110】

図７Ａに示す増幅回路３６は、端子ＯＵ１に与えられる信号と端子ＯＵ２に与えられる信号の差分を増幅する機能を有する。

【0111】

図７Ｂに示す増幅回路３６は、図７Ａに示す構成要素に加えて、トランジスタ７４、トランジスタ７５、トランジスタ７６およびトランジスタ７７を有する。

【0112】

図７Ａでは、トランジスタ７３のソースおよびドレインの一方は、端子ＩＮ２に電気的に接続されるが、図７Ｂにおいては、トランジスタ７７のゲートに電気的に接続される。また図７Ｂにおいて、トランジスタ７２のソースおよびドレインの一方と、回路６３ｘと、はトランジスタ７６のゲートに電気的に接続される。

【0113】

トランジスタ７６のソースおよびドレインの一方は、配線ＶＤ１に電気的に接続され、他方はトランジスタ７４のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ７４のゲートと、トランジスタ７５のゲートと、に電気的に接続される。トランジスタ７４のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ７４のバックゲートと、配線ＶＳ１と、に電気的に接続される。

【0114】

トランジスタ７７のソースおよびドレインの一方は、配線ＶＤ１に、他方はトランジスタ７５のソースおよびドレインの一方と、端子ＩＮ２と、に電気的に接続される。トランジスタ７５のソースおよびドレインの他方は、トランジスタ７５のバックゲートと、配線ＶＳ１と、に電気的に接続される。

【0115】

半導体装置２１が上記に述べた増幅回路３６および回路３１を有することにより、発振器３０により生成される所望の周波数の信号の増幅および整形を行うことができ、好ましい出力信号を得ることができる。

【0116】

図８Ａには、二次電池に本発明の一態様の半導体装置を適用する例を示す。本発明の一態様の半導体装置を二次電池に接続し、蓄電装置を構成することができる。

【0117】

図８Ａには、二次電池１２１と、二次電池１２１に電気的に接続される半導体装置２１と、を示す。図８Ａに示す半導体装置２１は、回路３３と、トランジスタ４９と、回路３２と、発振器３０と、回路３１と、を有する。

【0118】

回路３３は、コンパレータ５６と、トランジスタ４８と、容量素子５７と、を有する。コンパレータ５６は、基準電位と、二次電池１２１の正極電位と、を比較し、比較結果に対応する信号を出力する機能を有する。図８Ａに示す例では、二次電池１２１の正極がコンパレータの非反転入力端子に電気的に接続され、コンパレータ５６の反転入力端子には基準電位が与えられる。なお、図８Ａに示す例では、基準電位が反転入力端子に、基準電位との比較を行う電位が非反転入力端子に、それぞれ与えられるが、基準電位を非反転入力端子に、比較を行う電位を反転入力端子に、それぞれ与えてもよい。

【0119】

コンパレータ５６に与えられる基準電位は、端子ＶＴ１からトランジスタ４８を介して与えられる。トランジスタ４８としてＯＳトランジスタを用いることが好ましい。例えば端子ＳＨ２からトランジスタ４８のゲートに高電位信号を与えてトランジスタ４８をオン状態としてコンパレータ５６の反転入力端子に好適な電位を与えた後、端子ＳＨ２からトランジスタ４８のゲートに低電位信号を与えてトランジスタ４８をオフ状態とすることにより浮遊状態とし、与えた電位を保持することにより、コンパレータ５６の反転入力端子に電位をプログラミングすることができる。

【0120】

コンパレータ５６の出力端子（端子ＯＵ４とよぶ）は、トランジスタ４９のゲートに電気的に接続される。トランジスタ４９のソースおよびドレインの一方（図８Ａでは端子ＳＧ１と呼ぶ）は、配線ＶＳ１に電気的に接続され、他方は回路３２、発振器３０および回路３１に電気的に接続される。トランジスタ４９は、それぞれの回路と、配線ＶＳ１と、が電気的に接続される状態と、切断される状態と、を制御する機能を有する。トランジスタ４９は、例えば、図１等に示す発振器３０のトランジスタ４２およびトランジスタ４３、回路３１のトランジスタ６１、図３Ａ等に示す回路３２のトランジスタ４６ａ、図３Ｃ等に示す回路３２のトランジスタ４６ｂ、等に電気的に接続される。

【0121】

回路３３に二次電池１２１の制御、あるいは保護を行うための基準電位を与えることにより、半導体装置２１を、二次電池１２１の制御、あるいは保護を行う回路として動作させることができる。以下に、回路３３に基準電位として過充電検知のための電位を与える例について、図８Ｂに示すタイミングチャートを用いて説明する。回路３２、発振器３０および回路３１に流れる電流の合計を電流ＩＤ１とする。

【0122】

時刻ｔ１１において、端子ＯＵ４の電位は低電位信号である。端子ＳＧ１は浮遊状態である。

【0123】

時刻ｔ１２において、二次電池１２１の正極電位が基準電位を超えると、すなわち二次電池１２１が過充電状態と判断されると、コンパレータ５６は端子ＯＵ４から高電位信号を出力する。コンパレータ５６から高電位信号がトランジスタ４９のゲートに与えられ、トランジスタ４９がオン状態となる。

【0124】

トランジスタ４９がオン状態となると、配線ＶＳ１と、回路３２、発振器３０および回路３１が導通状態となり、端子ＳＧ１には配線ＶＳ１の電位（図８Ｂに示す例では低電位信号）が与えられ、各回路に端子ＳＧ１を介して配線ＶＳ１からの電位が与えられ、回路３２、発振器３０および回路３１と配線ＶＳ１が導通状態となる。

【0125】

時刻ｔ１３に、端子ＥＮ１に信号が与えられ、回路３２においてトランジスタ４６ａまたはトランジスタ４７ａがオン状態となる。また、端子ＳＨ１に信号が与えられ、トランジスタ４１がオン状態となり、端子ＶＢＩ１から電位ＶＢＩ１が発振器３０に与えられると、端子ＯＵ３から所望の周波数の信号が出力される。

【0126】

時刻ｔ１４において、端子ＳＨ１に信号が与えられ、トランジスタ４１がオフ状態となる。端子ＶＢＩ１から出力される電位は一定の値に保持される。

【0127】

時刻ｔ１５に端子ＥＮ１に信号が与えられ、トランジスタ４６ａまたはトランジスタ４７ａのゲートにオフ状態となる電位が与えられる。回路３２に流れる電流が遮断され、電流ＩＤ１が低くなる。

【0128】

時刻ｔ１６に端子ＯＵ４から低電位信号が出力され、回路３２、発振器３０および回路３１に流れる電流が遮断される。端子ＳＧ１は浮遊状態となる。

【0129】

端子ＯＵ３からの信号を例えば、二次電池の充電を制御する回路に与えて充電を停止する、あるいは充電条件を変更することにより、二次電池の保護、あるいは制御を行うことができる。本発明の一態様の半導体装置を用いて二次電池を制御することにより、本発明の一態様の蓄電装置を構成することができる。本発明の一態様の蓄電装置は、少ない消費電流で二次電池の安全性を高めることができ、また、二次電池の寿命を高めることができる。また、安全性の高い状態を保ちながら、二次電池の容量を向上させることができる場合がある。

【0130】

トランジスタ４９がオフ状態のときには配線ＶＳ１と回路３２、発振器３０および回路３１の電流は遮断されるため、各回路において消費電力を大幅に低減することができる。トランジスタ４９としてＯＳトランジスタを用いることにより、トランジスタ４９のオフ状態におけるリーク電流を極めて小さくすることができ、消費電力を極限まで低くすることができる。

【0131】

また、例えば過放電検知の場合には、非反転入力端子に、過放電状態と判断される基準電位を与え、二次電池の正極電位を反転入力端子に与えてもよい。この場合には、二次電池の正極電位が該基準電位より低くなると、コンパレータから高電位信号が出力される。

【0132】

本発明の一態様の半導体装置には例えば、電池の制御を行う機能を有する回路が搭載されてもよい。本発明の一態様の半導体装置に電池の制御を行う機能を有する回路を搭載し、二次電池と接続することにより、蓄電装置を構成することができる。電池の制御を行う機能を有する回路として、図８において、制御回路３８を有する。端子ＯＵ３からの信号が制御回路３８に与えられる。また制御回路３８は、端子ＳＨ１、ＥＮ１、ＶＴ１、ＳＨ２、等の信号を生成し、各回路に与えてもよい。あるいは、これらの信号を生成する回路に制御信号を与えてもよい。

【0133】

制御回路３８には例えば、電池の充電または放電の条件を変更する機能を有する回路が搭載されてもよい。該条件は例えば、電流密度、上限電圧、下限電圧、モードの切り替え、等を含む。モードとして例えば、定電流モード、定電圧モード、等が挙げられる。また、本発明の一態様の半導体装置は例えば、電池の保護を行う機能を有する。例えば、電池の充電または放電を停止する機能を有する。例えば、過充電の検出に伴い、電池を放電する機能を有する。例えば、電池の異常を検出し、電池の動作を停止、あるいは電池の条件を変更する機能を有する。電池の動作を停止とは、例えば、充電の停止、あるいは放電の停止が挙げられる。電池の異常とは例えば、過充電、過放電、充電時の過電流、放電時の過電流、ショート、後述するマイクロショート、動作温度の所定の範囲からの逸脱、等が挙げられる。

【0134】

制御回路３８は、例えば、Ｓｉトランジスタを用いて構成することができる。あるいは、制御回路３８が、ＯＳトランジスタと、Ｓｉトランジスタと、を用いて構成されてもよい。あるいは制御回路３８が、ＯＳトランジスタで構成される場合がある。

【0135】

また、本発明の一態様の半導体装置は、温度センサ、圧力センサ、照度センサ、モーションセンサ、光学センサ、湿度センサ、等を有してもよい。本発明の一態様の半導体装置は、例えば、これらのセンサの検知結果に応じて電池の制御を行う機能を有する。

【0136】

（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置に用いることができる、ＯＳトランジスタの構成例について説明する。なお、ＯＳトランジスタは薄膜トランジスタであり、積層して設けることができるため、本実施の形態では、単結晶シリコン基板に形成されたＳｉトランジスタの上方に、ＯＳトランジスタを設けた半導体装置の構成例について説明する。

【0137】

＜半導体装置の構成例＞
図９に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ５００、および容量素子６００を有している。図１０Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図１０Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図であり、図１０Ｃはトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図である。

【0138】

トランジスタ５００は、チャネル形成領域にＯＳトランジスタである。トランジスタ５００は、オフ電流が非常に小さい特徴を有する。

【0139】

本実施の形態で説明する半導体装置は、図９に示すように、トランジスタ３００、トランジスタ５００、および容量素子６００を有する。トランジスタ５００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子６００は、トランジスタ３００およびトランジスタ５００の上方に設けられている。

【0140】

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。

【0141】

トランジスタ３００は、図１０Ｃ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、実効上の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。

【0142】

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

【0143】

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 Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。

【0144】

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。

【0145】

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。

【0146】

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、トランジスタのＶｔｈ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。

【0147】

なお、図９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。

【0148】

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。

【0149】

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。

【0150】

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。

【0151】

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５００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。

【0152】

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

【0153】

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析（ＴＤＳ分析）法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の面積あたりに換算して、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。

【0154】

なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。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。

【0155】

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６００、またはトランジスタ５００と接続する導電体３２８、および導電体３３０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の機能を有する。また、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。

【0156】

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。

【0157】

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９において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体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、および絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、トランジスタ３００と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。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設けることができる。

【0158】

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。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0159】

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。

【0160】

絶縁体３５４、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図９において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体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、および絶縁体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の機能を有する。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設けることができる。

【0161】

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。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0162】

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９において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、および絶縁体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、および絶縁体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の機能を有する。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設けることができる。

【0163】

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。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0164】

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９において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体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、および絶縁体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の機能を有する。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設けることができる。

【0165】

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５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0166】

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半導体装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を５層以上にしてもよい。

【0167】

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

【0168】

例えば、絶縁体５１０、および絶縁体５１４には、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５００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。

【0169】

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

【0170】

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

【0171】

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５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。

【0172】

また、例えば、絶縁体５１２、および絶縁体５１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的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５１２、および絶縁体５１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。

【0173】

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

【0174】

特に、絶縁体５１０、および絶縁体５１４と接する領域の導電体５１８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５００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５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0175】

絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００が設けられている。

【0176】

図９においては、容量素子６００が有する導電体６１０が絶縁体５８０等の開口部に設けられる導電体を介してトランジスタ５００のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ３００のゲートと、に接続される例を示すが、トランジスタ５００と同じ層にＯＳトランジスタをもう一つ設け、導電体６１０が、絶縁体５８０等の開口部に設けられる導電体を介して該ＯＳトランジスタのゲートに接続されてもよい。

【0177】

図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１４および絶縁体５１６に埋め込まれるように配置された導電体５０３と、絶縁体５１６と導電体５０３の上に配置された絶縁体５２０と、絶縁体５２０の上に配置された絶縁体５２２と、絶縁体５２２の上に配置された絶縁体５２４と、絶縁体５２４の上に配置された酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａの上に配置された酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上に、互いに離して配置された導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂと、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂ上に配置され、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体５８０と、開口の中に配置された導電体５６０と、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、導電体５４２ｂ、および絶縁体５８０と、導電体５６０と、の間に配置された絶縁体５５０と、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、導電体５４２ｂ、および絶縁体５８０と、絶縁体５５０と、の間に配置された酸化物５３０ｃと、を有する。

【0178】

また、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂと、絶縁体５８０の間に絶縁体５４４が配置されることが好ましい。また、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、導電体５６０は、絶縁体５５０の内側に設けられた導電体５６０ａと、導電体５６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体５６０ｂと、を有することが好ましい。また、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、絶縁体５８０、導電体５６０、および絶縁体５５０の上に絶縁体５７４が配置されることが好ましい。

【0179】

なお、以下において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃをまとめて酸化物５３０という場合がある。また、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂをまとめて導電体５４２という場合がある。

【0180】

なお、トランジスタ５００では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物５３０ｂの単層、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ａの２層構造、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃの２層構造、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５００では、導電体５６０を２層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５６０が、単層構造であってもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。また、図９、図１０Ａ、図１０Ｂに示すトランジスタ５００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。

【0181】

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

【0182】

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

【0183】

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

【0184】

導電体５０３は、酸化物５３０、および導電体５６０と、重なるように配置する。これにより、導電体５６０、および導電体５０３に電位を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０３から生じる電界と、がつながり、酸化物５３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、第１のゲート電極、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。

【0185】

また、本明細書等において、Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造は、ソース電極およびドレイン電極として機能する導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂに接する酸化物５３０の側面及び周辺が、チャネル形成領域と同じくＩ型であるといった特徴を有する。また、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂに接する酸化物５３０の側面及び周辺は、絶縁体５４４と接しているため、チャネル形成領域と同様にＩ型となりうる。なお、本明細書等において、Ｉ型とは後述する、高純度真性と同様として扱うことができる。また、本明細書等で開示するＳ－ｃｈａｎｎｅｌ構造は、Ｆｉｎ型構造及びプレーナ型構造とは異なる。Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。

【0186】

また、導電体５０３は、導電体５１８と同様の構成であり、絶縁体５１４および絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０３ａが形成され、さらに内側に導電体５０３ｂが形成されている。

【0187】

絶縁体５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、および絶縁体５５０は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。

【0188】

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

【0189】

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、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７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。

【0190】

また、絶縁体５２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体５２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）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）ことが好ましい。

【0191】

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

【0192】

絶縁体５２２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、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。

【0193】

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５２２を形成した場合、絶縁体５２２は、酸化物５３０からの酸素の放出や、トランジスタ５００の周辺部から酸化物５３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。

【0194】

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。

【0195】

また、絶縁体５２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコン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５２０を得ることができる。

【0196】

なお、絶縁体５２０、絶縁体５２２、および絶縁体５２４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。

【0197】

トランジスタ５００は、チャネル形成領域を含む酸化物５３０に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物５３０として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、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。また、酸化物５３０として、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。

【0198】

また、トランジスタ５００には、キャリア濃度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物のキャリア濃度を低くする場合においては、金属酸化物中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。なお、金属酸化物中の不純物としては、例えば、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。

【0199】

特に、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、金属酸化物中に酸素欠損を形成する場合がある。金属酸化物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。

【0200】

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

【0201】

よって、金属酸化物を酸化物５３０に用いる場合、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。水素などの不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。

【0202】

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

【0203】

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

【0204】

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

【0205】

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

【0206】

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

【0207】

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

【0208】

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

【0209】

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

【0210】

ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化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５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。

【0211】

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

【0212】

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

【0213】

酸化物５３０ｂ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５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）が設けられる。導電体５４２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。

【0214】

また、図１０Ａに示すように、酸化物５３０の、導電体５４２との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域５４３（領域５４３ａ、および領域５４３ｂ）が形成される場合がある。このとき、領域５４３ａはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域５４３ｂはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。また、領域５４３ａと領域５４３ｂに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。

【0215】

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

【0216】

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

【0217】

絶縁体５４４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、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。

【0218】

特に、絶縁体５４４として、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、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。なお、導電体５４２が耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体５４４は、必須の構成要素ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。

【0219】

絶縁体５５０は、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５５０は、酸化物５３０ｃの内側（上面および側面）に接して配置することが好ましい。絶縁体５５０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。例えば、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、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７００℃以下の範囲が好ましい。

【0220】

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。

【0221】

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体５５０として、酸化物５３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体５５０から、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体５２４と同様に、絶縁体５５０中の水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５５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。

【0222】

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

【0223】

第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、図１０Ａ、図１０Ｂ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。

【0224】

導電体５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２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。導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体５５０に含まれる酸素により、導電体５６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。

【0225】

また、導電体５６０ｂ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５６０ｂは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、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５６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタンまた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。

【0226】

絶縁体５８０は、絶縁体５４４を介して、導電体５４２上に設けられる。絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体５８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素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。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。

【0227】

絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体５８０を、酸化物５３０ｃと接して設けることで、絶縁体５８０中の酸素を、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体５８０中の水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。

【0228】

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

【0229】

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

【0230】

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

【0231】

例えば、絶縁体５７４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、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。

【0232】

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。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。

【0233】

また、絶縁体５７４の上に、層間膜として機能する絶縁体５８１を設けることが好ましい。絶縁体５８１は、絶縁体５２４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。

【0234】

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

【0235】

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

【0236】

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５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。

【0237】

また、絶縁体５８２上には、絶縁体５８６が設けられている。絶縁体５８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的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５８６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。

【0238】

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

【0239】

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

【0240】

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

【0241】

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

【0242】

図９等には、容量素子の誘電体として絶縁体６３０を用いる例を示すが、容量素子の誘電体として、他の絶縁体を用いてもよい。また、容量素子の電極として、他の導電体等を用いてもよい。

【0243】

例えば、トランジスタ３００のゲート絶縁体として機能する絶縁体３１５を用いてもよい。絶縁体３１５を容量素子の誘電体として用いる場合には、導電体３１６を容量素子の一方の電極、低抵抗領域３１４ａ等を他方の電極として用いてもよい。

【0244】

導電体６１２、および導電体６１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、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。または、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適用することもできる。

【0245】

図９では、導電体６１２、および導電体６１０は単層構造として示しているが、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。

【0246】

絶縁体６３０を介して、導電体６１０と重畳するように、導電体６２０を設ける。なお、導電体６２０は、金属材料、合金材料、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。

【0247】

導電体６２０、および絶縁体６３０上には、絶縁体６５０が設けられている。絶縁体６５０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６５０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。

【0248】

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ともに、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、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。

【0249】

＜トランジスタの構造例＞
なお、本実施の形態に示す半導体装置のトランジスタ５００は、上記の構造に限られるものではない。以下、トランジスタ５００に用いることができる構造例について説明する。

【0250】

＜トランジスタの構造例１＞
図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃを用いてトランジスタ５１０Ａの構造例を説明する。図１１Ａはトランジスタ５１０Ａの上面図である。図１１Ｂは、図１１Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１１Ｃは、図１１Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１１Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0251】

図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃでは、トランジスタ５１０Ａと、層間膜として機能する絶縁体５１１、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５１６、絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４を示している。また、トランジスタ５１０Ａと電気的に接続し、コンタクトプラグとして機能する導電体５４６（導電体５４６ａ、および導電体５４６ｂ）と、配線として機能する導電体５０３と、を示している。

【0252】

トランジスタ５１０Ａは、第１のゲート電極として機能する導電体５６０（導電体５６０ａ、および導電体５６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電体５０５（導電体５０５ａ、および導電体５０５ｂ）と、第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁体５５０と、第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁体５２１、絶縁体５２２、および絶縁体５２４と、チャネルが形成される領域を有する酸化物５３０（酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃ）と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体５４２ａと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体５４２ｂと、絶縁体５７４とを有する。

【0253】

また、図１１に示すトランジスタ５１０Ａでは、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０が、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、絶縁体５７４を介して配置される。また、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０は、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂとの間に配置される。

【0254】

絶縁体５１１、および絶縁体５１２は、層間膜として機能する。

【0255】

層間膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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、ＰＺＴ、ＳｒＴｉＯ_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。

【0256】

例えば、絶縁体５１１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５１０Ａに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体５１１は、水素原子、水素分子、水分子、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）絶縁性材料を用いることが好ましい。また、例えば、絶縁体５１１として酸化アルミニウムや窒化シリコンなどを用いてもよい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体５１１よりも基板側からトランジスタ５１０Ａ側に拡散するのを抑制することができる。

【0257】

例えば、絶縁体５１２は、絶縁体５１１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。

【0258】

導電体５０３は、絶縁体５１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体５０３の上面の高さと、絶縁体５１２の上面の高さは同程度にできる。なお導電体５０３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５０３を２層以上の多層膜構造としてもよい。なお、導電体５０３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が高い導電性材料を用いることが好ましい。

【0259】

トランジスタ５１０Ａにおいて、導電体５６０は、第１のゲート（トップゲート、ともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体５０５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５０５に印加する電位を、導電体５６０に印加する電位と連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ５１０Ａのしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体５０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ５１０Ａのしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体５０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体５６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。

【0260】

また、例えば、導電体５０５と、導電体５６０とを重畳して設けることで、導電体５６０、および導電体５０５に電位を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０５から生じる電界と、がつながり、酸化物５３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。

【0261】

つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体５６０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５０５の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。すなわち、先に記載のトランジスタ５００と同様に、Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造である。

【0262】

絶縁体５１４、および絶縁体５１６は、絶縁体５１１または絶縁体５１２と同様に、層間膜として機能する。例えば、絶縁体５１４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５１０Ａに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体５１４よりも基板側からトランジスタ５１０Ａ側に拡散するのを抑制することができる。また、例えば、絶縁体５１６は、絶縁体５１４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。

【0263】

第２のゲートとして機能する導電体５０５は、絶縁体５１４および絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０５ａが形成され、さらに内側に導電体５０５ｂが形成されている。ここで、導電体５０５ａおよび導電体５０５ｂの上面の高さと、絶縁体５１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ５１０Ａでは、導電体５０５ａおよび導電体５０５ｂ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５０５は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。

【0264】

ここで、導電体５０５ａは、水素原子、水素分子、水分子、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）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書等において、不純物、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つ、または、すべての拡散を抑制する機能とする。

【0265】

例えば、導電体５０５ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５０５ｂ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。

【0266】

また、導電体５０５が配線の機能を兼ねる場合、導電体５０５ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電体５０３は、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体５０５ｂを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。

【0267】

絶縁体５２１、絶縁体５２２、および絶縁体５２４は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。

【0268】

また、絶縁体５２２は、バリア性を有することが好ましい。絶縁体５２２がバリア性を有することで、トランジスタ５１０Ａの周辺部からトランジスタ５１０Ａ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。

【0269】

絶縁体５２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、ＰＺＴ、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、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。

【0270】

また、絶縁体５２１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５２１を得ることができる。

【0271】

なお、図１１には、第２のゲート絶縁膜として、３層の積層構造を示したが、単層、または２層以上の積層構造としてもよい。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。

【0272】

チャネル形成領域として機能する領域を有する酸化物５３０は、酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａ上の酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上の酸化物５３０ｃと、を有する。酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物５３０ｂ上に酸化物５３０ｃを有することで、酸化物５３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。酸化物５３０として、上述した金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。

【0273】

なお、酸化物５３０ｃは、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、絶縁体５７４を介して設けられることが好ましい。絶縁体５７４がバリア性を有する場合、絶縁体５８０からの不純物が酸化物５３０へと拡散することを抑制することができる。

【0274】

導電体５４２は、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。

【0275】

導電体５４２ａと、導電体５４２ｂとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。

【0276】

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

【0277】

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

【0278】

また、導電体５４２上に、バリア層を設けてもよい。バリア層は、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、絶縁体５７４を成膜する際に、導電体５４２が酸化することを抑制することができる。

【0279】

バリア層には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。

【0280】

バリア層を有することで、導電体５４２の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体５４２に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。

【0281】

絶縁体５５０は、第１のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５５０は、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、酸化物５３０ｃ、および絶縁体５７４を介して設けられることが好ましい。

【0282】

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

【0283】

第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、および導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａは、導電体５０５ａと同様に、水素原子、水素分子、水分子、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。

【0284】

導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。

【0285】

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。また、導電体５６０ａとして、酸化物５３０として用いることができる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体５６０ｂをスパッタリング法で成膜することで、導電体５６０ａの電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。

【0286】

導電体５６０ｂ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５６０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５６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。

【0287】

絶縁体５８０と、トランジスタ５１０Ａとの間に絶縁体５７４を配置する。絶縁体５７４は、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性材料を用いるとよい。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。また、他にも、例えば、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ることができる。

【0288】

絶縁体５７４を有することで、絶縁体５８０が有する水、および水素などの不純物が酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０を介して、酸化物５３０ｂに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０が有する過剰酸素により、導電体５６０が酸化するのを抑制することができる。

【0289】

絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４は、層間膜として機能する。

【0290】

絶縁体５８２は、絶縁体５１４と同様に、水または水素などの不純物が、外部からトランジスタ５１０Ａ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。

【0291】

また、絶縁体５８０、および絶縁体５８４は、絶縁体５１６と同様に、絶縁体５８２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。

【0292】

また、トランジスタ５１０Ａは、絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４に埋め込まれた導電体５４６などのプラグや配線を介して、他の構造と電気的に接続してもよい。

【0293】

また、導電体５４６の材料としては、導電体５０５と同様に、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。例えば、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。または、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。

【0294】

例えば、導電体５４６として、水素、および酸素に対してバリア性を有する導電体である窒化タンタル等と、導電性が高いタングステンとの積層構造を用いることで、配線としての導電性を保持したまま、外部からの不純物の拡散を抑制することができる。

【0295】

上記構造を有することで、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用いた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。

【0296】

＜トランジスタの構造例２＞
図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１２Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｂの構造例を説明する。図１２Ａはトランジスタ５１０Ｂの上面図である。図１２Ｂは、図１２Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１２Ｃは、図１２Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１２Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0297】

トランジスタ５１０Ｂはトランジスタ５１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５１０Ａと異なる点について説明する。

【0298】

トランジスタ５１０Ｂは、導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）と、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。

【0299】

第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、および導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａは、導電体５０５ａと同様に、水素原子、水素分子、水分子、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。

【0300】

導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。

【0301】

また、導電体５６０の上面および側面、絶縁体５５０の側面、および酸化物５３０ｃの側面を覆うように、絶縁体５７４を設けることが好ましい。なお、絶縁体５７４は、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性材料を用いるとよい。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。また、他にも、例えば、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ることができる。

【0302】

絶縁体５７４を設けることで、導電体５６０の酸化を抑制することができる。また、絶縁体５７４を有することで、絶縁体５８０が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ５１０Ｂへ拡散することを抑制することができる。

【0303】

また、導電体５４６と、絶縁体５８０との間に、バリア性を有する絶縁体５７６（絶縁体５７６ａ、および絶縁体５７６ｂ）を配置してもよい。絶縁体５７６を設けることで、絶縁体５８０の酸素が導電体５４６と反応し、導電体５４６が酸化することを抑制することができる。

【0304】

また、バリア性を有する絶縁体５７６を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体５４６に、酸素を吸収する性質を持つ一方で、導電性が高い金属材料を用いることで、低消費電力の半導体装置を提供することができる。具体的には、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。

【0305】

＜トランジスタの構造例３＞
図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１３Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｃの構造例を説明する。図１３Ａはトランジスタ５１０Ｃの上面図である。図１３Ｂは、図１３Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１３Ｃは、図１３Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１３Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0306】

トランジスタ５１０Ｃはトランジスタ５１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５１０Ａと異なる点について説明する。

【0307】

図１３に示すトランジスタ５１０Ｃは、導電体５４２ａと酸化物５３０ｂの間に導電体５４７ａが配置され、導電体５４２ｂと酸化物５３０ｂの間に導電体５４７ｂが配置されている。ここで、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）は、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）の上面および導電体５６０側の側面を越えて延在し、酸化物５３０ｂの上面に接する領域を有する。ここで、導電体５４７は、導電体５４２に用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電体５４７の膜厚は、少なくとも導電体５４２より厚いことが好ましい。

【0308】

図１３に示すトランジスタ５１０Ｃは、上記のような構成を有することにより、トランジスタ５１０Ａよりも、導電体５４２を導電体５６０に近づけることができる。または、導電体５４２ａの端部および導電体５４２ｂの端部と、導電体５６０を重ねることができる。これにより、トランジスタ５１０Ｃの実質的なチャネル長を短くし、オン電流および周波数特性の向上を図ることができる。

【0309】

また、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）は、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電体５４６ａ（導電体５４６ｂ）を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）がストッパとして機能し、酸化物５３０ｂがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。

【0310】

また、図１３に示すトランジスタ５１０Ｃは、絶縁体５４４の上に接して絶縁体５４５を配置する構成にしてもよい。絶縁体５４４としては、水または水素などの不純物や、過剰な酸素が、絶縁体５８０側からトランジスタ５１０Ｃ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。絶縁体５４５としては、絶縁体５４４に用いることができる絶縁体を用いることができる。また、絶縁体５４４としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、窒化物絶縁体を用いてもよい。

【0311】

また、図１３に示すトランジスタ５１０Ｃは、図１１に示すトランジスタ５１０Ａと異なり、導電体５０５を単層構造で設けてもよい。この場合、形成された導電体５０５の上に絶縁体５１６となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜の上部を、導電体５０５の上面が露出するまでＣＭＰ法などを用いて除去すればよい。ここで、導電体５０５の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体５０５上面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下にすればよい。これにより、導電体５０５の上に形成される、絶縁層の平坦性を良好にし、酸化物５３０ｂおよび酸化物５３０ｃの結晶性の向上を図ることができる。

【0312】

＜トランジスタの構造例４＞
図１４Ａ、図１４Ｂおよび図１４Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｄの構造例を説明する。図１４Ａはトランジスタ５１０Ｄの上面図である。図１４Ｂは、図１４Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１４Ｃは、図１４Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１４Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0313】

トランジスタ５１０Ｄは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。

【0314】

図１４Ａ乃至図１４Ｃでは、導電体５０３を設けずに、第２のゲートとしての機能を有する導電体５０５を配線としても機能させている。また、酸化物５３０ｃ上に絶縁体５５０を有し、絶縁体５５０上に金属酸化物５５２を有する。また、金属酸化物５５２上に導電体５６０を有し、導電体５６０上に絶縁体５７０を有する。また、絶縁体５７０上に絶縁体５７１を有する。

【0315】

金属酸化物５５２は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体５５０と、導電体５６０との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物５５２を設けることで、導電体５６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。

【0316】

なお、金属酸化物５５２は、第１のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物５３０として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物５５２として用いることができる。その場合、導電体５６０をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物５５２の電気抵抗値を低下させて導電層とすることができる。これをＯＣ電極と呼ぶことができる。

【0317】

また、金属酸化物５５２は、ゲート絶縁膜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５５０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５５２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化が可能となる。また、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。

【0318】

トランジスタ５１０Ｄにおいて、金属酸化物５５２を単層で示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁膜の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。

【0319】

金属酸化物５５２を有することで、ゲート電極として機能する場合は、導電体５６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ５１０Ｄのオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁膜として機能する場合は、絶縁体５５０と、金属酸化物５５２との物理的な厚みにより、導電体５６０と、酸化物５３０との間の距離を保つことで、導電体５６０と酸化物５３０との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体５５０、および金属酸化物５５２との積層構造を設けることで、導電体５６０と酸化物５３０との間の物理的な距離、および導電体５６０から酸化物５３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。

【0320】

具体的には、金属酸化物５５２として、酸化物５３０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５５２として用いることができる。または、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。

【0321】

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層である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、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。なお、金属酸化物５５２は、必須の構成要素ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。

【0322】

絶縁体５７０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絶縁性材料を用いるとよい。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。これにより、絶縁体５７０よりも上方からの酸素で導電体５６０が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体５７０よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体５６０および絶縁体５５０を介して、酸化物５３０に混入することを抑制することができる。

【0323】

絶縁体５７１はハードマスクとして機能する。絶縁体５７１を設けることで、導電体５６０の加工の際、導電体５６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体５６０の側面と基板表面のなす角を、７５度以上１００度以下、好ましくは８０度以上９５度以下とすることができる。

【0324】

なお、絶縁体５７１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絶縁性材料を用いることで、バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体５７０は設けなくともよい。

【0325】

絶縁体５７１をハードマスクとして用いて、絶縁体５７０、導電体５６０、金属酸化物５５２、絶縁体５５０、および酸化物５３０ｃの一部を選択的に除去することで、これらの側面を略一致させて、かつ、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させることができる。

【0326】

また、トランジスタ５１０Ｄは、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａおよび領域５３１ｂを有する。領域５３１ａまたは領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。

【0327】

領域５３１ａおよび領域５３１ｂの形成は、例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、またはプラズマ処理などを用いて、露出した酸化物５３０ｂ表面にリンまたはボロンなどの不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態などにおいて「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。

【0328】

また、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜し、その後加熱処理することにより、該金属膜に含まれる元素を酸化物５３０ｂに拡散させて領域５３１ａおよび領域５３１ｂを形成することもできる。

【0329】

酸化物５３０ｂの不純物元素が導入された領域は、電気抵抗率が低下する。このため、領域５３１ａおよび領域５３１ｂを「不純物領域」または「低抵抗領域」という場合がある。

【0330】

絶縁体５７１および／または導電体５６０をマスクとして用いることで、領域５３１ａおよび領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することができる。よって、領域５３１ａおよび／または領域５３１ｂと、導電体５６０が重ならず、寄生容量を低減することができる。また、チャネル形成領域とソースドレイン領域（領域５３１ａまたは領域５３１ｂ）の間にオフセット領域が形成されない。領域５３１ａおよび領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することにより、オン電流の増加、しきい値電圧の低減、動作周波数の向上などを実現できる。

【0331】

なお、オフ電流を更に低減するため、チャネル形成領域とソースドレイン領域の間にオフセット領域を設けてもよい。オフセット領域とは、電気抵抗率が高い領域であり、前述した不純物元素の導入が行なわれない領域である。オフセット領域の形成は、絶縁体５７５の形成後に前述した不純物元素の導入を行なうことで実現できる。この場合、絶縁体５７５も絶縁体５７１などと同様にマスクとして機能する。よって、酸化物５３０ｂの絶縁体５７５と重なる領域に不純物元素が導入されず、該領域の電気抵抗率を高いままとすることができる。

【0332】

また、トランジスタ５１０Ｄは、絶縁体５７０、導電体５６０、金属酸化物５５２、絶縁体５５０、および酸化物５３０ｃの側面に絶縁体５７５を有する。絶縁体５７５は、比誘電率の低い絶縁体であることが好ましい。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、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、または樹脂などであることが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体５７５に用いると、後の工程で絶縁体５７５中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、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。また、絶縁体５７５は、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。

【0333】

また、トランジスタ５１０Ｄは、絶縁体５７５、酸化物５３０上に絶縁体５７４を有する。絶縁体５７４は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体５７４として、酸化アルミニウムを用いるとよい。

【0334】

なお、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、絶縁体５７４が酸化物５３０および絶縁体５７５から水素および水を吸収することで、酸化物５３０および絶縁体５７５の水素濃度を低減することができる。

【0335】

＜トランジスタの構造例５＞
図１５Ａ乃至図１５Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｅの構造例を説明する。図１５Ａはトランジスタ５１０Ｅの上面図である。図１５Ｂは、図１５Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１５Ｃは、図１５Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１５Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0336】

トランジスタ５１０Ｅは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。

【0337】

図１５Ａ乃至図１５Ｃでは、導電体５４２を設けずに、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａおよび領域５３１ｂを有する。領域５３１ａまたは領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。また、酸化物５３０ｂと、絶縁体５７４の間に、絶縁体５７３を有する。

【0338】

図１５に示す、領域５３１（領域５３１ａ、および領域５３１ｂ）は、酸化物５３０ｂに下記の元素が添加された領域である。領域５３１は、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。

【0339】

具体的には、酸化物５３０ｂ上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、上記酸化物５３０ｂを低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、酸化物５３０が、ダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、領域５３１が形成される。なお、当該元素の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。

【0340】

なお、酸化物５３０を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。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、及びキセノン等がある。当該元素の濃度は、ＳＩＭＳなどを用いて測定すればよい。

【0341】

特に、ホウ素、及びリンは、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、好ましい。既存の設備を転用することができ、設備投資を抑制することができる。

【0342】

続いて、酸化物５３０ｂ、およびダミーゲート上に、絶縁体５７３となる絶縁膜、および絶縁体５７４となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁体５７３となる絶縁膜、および絶縁体５７４となる絶縁膜を積層して設けることで、領域５３１と、酸化物５３０ｃおよび絶縁体５５０とが重畳する領域を設けることができる。

【0343】

具体的には、絶縁体５７４となる絶縁膜上に絶縁体５８０となる絶縁膜を設けた後、絶縁体５８０となる絶縁膜にＣＭＰ処理を行うことで、絶縁体５８０となる絶縁膜の一部を除去し、ダミーゲートを露出する。続いて、ダミーゲートを除去する際に、ダミーゲートと接する絶縁体５７３の一部も除去するとよい。従って、絶縁体５８０に設けられた開口部の側面には、絶縁体５７４、および絶縁体５７３が露出し、当該開口部の底面には、酸化物５３０ｂに設けられた領域５３１の一部が露出する。次に、当該開口部に酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁体５５０となる絶縁膜、および導電体５６０となる導電膜を順に成膜した後、絶縁体５８０が露出するまでＣＭＰ処理などにより、酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁体５５０となる絶縁膜、および導電体５６０となる導電膜の一部を除去することで、図１５に示すトランジスタを形成することができる。

【0344】

なお、絶縁体５７３、および絶縁体５７４は必須の構成要素ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。

【0345】

図１５に示すトランジスタは、既存の装置を転用することができ、さらに、導電体５４２を設けないため、コストの低減を図ることができる。

【0346】

＜トランジスタの構造例６＞
図１６Ａ乃至図１６Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｆの構造例を説明する。図１６Ａはトランジスタ５１０Ｆの上面図である。図１６Ｂは、図１６Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１６Ｃは、図１６Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１６Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。

【0347】

トランジスタ５１０Ｆはトランジスタ５１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。

【0348】

トランジスタ５１０Ａでは、絶縁体５７４の一部が絶縁体５８０に設けられた開口部内に設けられ、導電体５６０の側面を覆うように設けられている。一方で、トランジスタ５１０Ｆでは絶縁体５８０と絶縁体５７４の一部を除去して開口が形成されている。

【0349】

また、導電体５４６と、絶縁体５８０との間に、バリア性を有する絶縁体５７６（絶縁体５７６ａ、および絶縁体５７６ｂ）を配置してもよい。絶縁体５７６を設けることで、絶縁体５８０の酸素が導電体５４６と反応し、導電体５４６が酸化することを抑制することができる。

【0350】

なお、酸化物５３０として酸化物半導体を用いる場合は、各金属原子の原子数比が異なる複数の酸化物層の積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｃは、酸化物５３０ａまたは酸化物５３０ｂに用いることができる金属酸化物を用いることができる。

【0351】

酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃは、結晶性を有することが好ましく、特に、ＣＡＡＣ－ＯＳを用いることが好ましい。ＣＡＡＣ－ＯＳ等の結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥（酸素欠損等）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５３０ｂからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物５３０ｂ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５１０Ｆ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。

【0352】

なお、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの一方または双方を省略してもよい。酸化物５３０を酸化物５３０ｂの単層としてもよい。酸化物５３０を、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの積層とする場合は、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物５３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの電子親和力が、酸化物５３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。この場合、酸化物５３０ｃは、酸化物５３０ａに用いることができる金属酸化物を用いることが好ましい。具体的には、酸化物５３０ｃに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｃに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物５３０ｃ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。

【0353】

ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化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５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。

【0354】

具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂ、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物５３０ｂがＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の場合、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化ガリウム等を用いてもよい。また、酸化物５３０ｃを積層構造としてもよい。例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物と、当該Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物上のＧａ－Ｚｎ酸化物との積層構造、またはＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物と、当該Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物上の酸化ガリウムとの積層構造を用いることができる。別言すると、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物と、Ｉｎを含まない酸化物との積層構造を、酸化物５３０ｃとして用いてもよい。

【0355】

具体的には、酸化物５３０ａ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。また、酸化物５３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］もしくはその近傍の組成、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、または１０：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物、または、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物を用いればよい。酸化物５３０ａまたは酸化物５３０ｂに用いることができる金属酸化物を用いればよい。なお、近傍の組成とは、所望の原子数比の±３０％の範囲を含む。

【0356】

また、酸化物５３０ｃは、２層以上の積層構造を有していてもよい。酸化物５３０ｃを積層構造とする場合の具体例としては、酸化物５３０ｃの下層として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、または１０：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物、または、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物を用い、酸化物５３０ｃの上層として、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：Ｚｎ＝２：５［原子数比］もしくはその近傍の組成、または酸化ガリウムを用いればよい。

【0357】

酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ５１０Ｆ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。なお、酸化物５３０ｃを積層構造とした場合、上述の酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くする効果に加え、酸化物５３０ｃが有する構成元素が、絶縁体５５０側に拡散するのを抑制することが期待される。より具体的には、酸化物５３０ｃを積層構造とし、積層構造の上方にＩｎを含まない酸化物を位置させるため、絶縁体５５０側に拡散しうるＩｎを抑制することができる。絶縁体５５０は、ゲート絶縁体として機能するため、Ｉｎが拡散した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、酸化物５３０ｃを積層構造とすることで、信頼性の高い表示装置を提供することが可能となる。

【0358】

酸化物５３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物５３０のチャネル形成領域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。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半導体装置を提供できる。

【0359】

＜半導体装置の構成例２＞
図１７には、図９に示す半導体装置において、絶縁体６５０上に導電体６９２を有する例を示す。導電体６９２は半導体装置の一方の面を覆うように形成される。図１７には図示されないが、導電体６９２は開口部を有してもよい。また絶縁体６５０よりも下層の導電体に電気的に接続される導電体が該開口部内に設けられてもよい。

【0360】

導電体６９２として金属を用いることができる。また導電性を有する金属窒化物や金属酸化物を用いてもよい。導電体６９２として例えば、チタン、窒化チタン、酸化チタン等を用いる事ができる。導電体６９２は半導体装置よりも外部からの電磁波を遮断する、あるいは弱める機能を有する。また導電体６９２は静電気を拡散して逃がす、または電荷の局在化を防ぐ機能を有する。導電体６９２を設けることにより、半導体装置の動作をさらに安定させることができる。

【0361】

図１８には、絶縁体６５０と導電体６９２との間に絶縁体６９３を有する例を示す。絶縁体６９３として例えば、繊維体に有機樹脂が含浸された構造体を用いることができる。繊維体として例えばガラス繊維を用いてもよい。また有機樹脂として例えば臭素化エポキシ樹脂を用いてもよい。

【0362】

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。

【0363】

（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の構成について説明する。

【0364】

＜＜金属酸化物＞＞
酸化物５３０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５３０に適用可能な金属酸化物について説明する。

【0365】

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、インジウムおよび亜鉛に加えて、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。

【0366】

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、または錫より選ばれる一以上の元素とする。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。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。

【0367】

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 ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。

【0368】

［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、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、および非晶質酸化物半導体などがある。

【0369】

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。

【0370】

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。

【0371】

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。

【0372】

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。

【0373】

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。

【0374】

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、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ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。特に、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の結晶、または数ｃｍの結晶）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。

【0375】

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－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。

【0376】

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－ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。

【0377】

［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。

【0378】

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。

【0379】

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。

【0380】

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。

【0381】

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。

【0382】

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。

【0383】

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。

【0384】

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。

【0385】

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。

【0386】

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、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。

【0387】

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。

【0388】

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。

【0389】

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。

【0390】

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、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。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。

【0391】

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、１×１０^１６ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１３ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１２ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の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。

【0392】

本発明の一態様により、信頼性が良好な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、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、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、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。

【0393】

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

【0394】

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。

【0395】

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。

【0396】

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

【0397】

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】

【0398】

ＥＮ１：端子、ＩＤ１：電流、ＩＮ２：端子、ＮＤ１：ノード、ＮＤ２：ノード、ＮＤ３：ノード、ＮＤ４：ノード、ＯＵ１：端子、ＯＵ２：端子、ＯＵ３：端子、ＯＵ４：端子、ＲＬ１：抵抗素子、ＳＧ１：端子、ＳＨ１：端子、ＳＨ２：端子、Ｓｖ１：信号、ＶＢＩ１：端子、ＶＤ１：配線、ＶＳ１：配線、ＶＴ１：端子、２１：半導体装置、３０：発振器、３１：回路、３２：回路、３３：回路、３６：増幅回路、３８：制御回路、４１：トランジスタ、４２：トランジスタ、４３：トランジスタ、４４：トランジスタ、４５：トランジスタ、４６ａ：トランジスタ、４６ｂ：トランジスタ、４７ａ：トランジスタ、４７ｂ：トランジスタ、４８：トランジスタ、４９：トランジスタ、５１：容量素子、５２：容量素子、５３：インバータ、５４：トランジスタ、５５：トランジスタ、５６：コンパレータ、５７：容量素子、６１：トランジスタ、６２：トランジスタ、６３：回路、６３ａ：トランジスタ、６３ｂ：トランジスタ、６３ｎ：トランジスタ、６３ｘ：回路、６３ｙ：回路、６４：トランジスタ、６５：トランジスタ、６６：容量素子、７１：トランジスタ、７２：トランジスタ、７３：トランジスタ、７４：トランジスタ、７５：トランジスタ、７６：トランジスタ、７７：トランジスタ、１２１：二次電池、３００：トランジスタ、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体、３６０：絶縁体、３６２：絶縁体、３６４：絶縁体、３６６：導電体、３７０：絶縁体、３７２：絶縁体、３７４：絶縁体、３７６：導電体、３８０：絶縁体、３８２：絶縁体、３８４：絶縁体、３８６：導電体、５００：トランジスタ、５０３：導電体、５０３ａ：導電体、５０３ｂ：導電体、５０５：導電体、５０５ａ：導電体、５０５ｂ：導電体、５１０：絶縁体、５１０Ａ：トランジスタ、５１０Ｂ：トランジスタ、５１０Ｃ：トランジスタ、５１０Ｄ：トランジスタ、５１０Ｅ：トランジスタ、５１０Ｆ：トランジスタ、５１１：絶縁体、５１２：絶縁体、５１４：絶縁体、５１６：絶縁体、５１８：導電体、５２０：絶縁体、５２１：絶縁体、５２２：絶縁体、５２４：絶縁体、５３０：酸化物、５３０ａ：酸化物、５３０ｂ：酸化物、５３０ｃ：酸化物、５３１：領域、５３１ａ：領域、５３１ｂ：領域、５４０ａ：導電体、５４０ｂ：導電体、５４２：導電体、５４２ａ：導電体、５４２ｂ：導電体、５４３：領域、５４３ａ：領域、５４３ｂ：領域、５４４：絶縁体、５４５：絶縁体、５４６：導電体、５４６ａ：導電体、５４６ｂ：導電体、５４７：導電体、５４７ａ：導電体、５４７ｂ：導電体、５４８：導電体、５５０：絶縁体、５５２：金属酸化物、５６０：導電体、５６０ａ：導電体、５６０ｂ：導電体、５７０：絶縁体、５７１：絶縁体、５７３：絶縁体、５７４：絶縁体、５７５：絶縁体、５７６：絶縁体、５７６ａ：絶縁体、５７６ｂ：絶縁体、５８０：絶縁体、５８１：絶縁体、５８２：絶縁体、５８４：絶縁体、５８６：絶縁体、６００：容量素子、６１０：導電体、６１２：導電体、６２０：導電体、６３０：絶縁体、６５０：絶縁体、６９２：導電体、６９３：絶縁体

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図15A】

【図15B】

【図15C】

【図16A】

【図16B】

【図16C】

【図17】

【図18】