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1. WO2018211398 - 半導体装置及び電子機器

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明 細 書

発明の名称

技術分野

0001   0002   0003  

背景技術

0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0006   0007  

課題を解決するための手段

0008   0009   0010   0011   0012  

発明の効果

0013   0014  

図面の簡単な説明

0015  

発明を実施するための形態

0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130   0131   0132   0133   0134   0135   0136   0137   0138   0139   0140   0141   0142   0143   0144   0145   0146   0147   0148   0149   0150   0151   0152   0153   0154   0155   0156   0157   0158   0159   0160   0161   0162   0163   0164   0165   0166   0167   0168   0169   0170   0171   0172   0173   0174   0175   0176   0177   0178   0179   0180   0181   0182   0183   0184   0185   0186   0187   0188   0189   0190   0191   0192   0193   0194   0195   0196   0197   0198   0199   0200   0201   0202   0203   0204   0205   0206   0207   0208   0209   0210   0211   0212   0213   0214   0215   0216   0217   0218   0219   0220   0221   0222   0223   0224   0225   0226   0227   0228   0229   0230   0231   0232   0233   0234   0235   0236   0237   0238   0239   0240   0241   0242   0243   0244   0245   0246   0247   0248   0249   0250   0251   0252   0253   0254   0255   0256   0257   0258   0259   0260   0261   0262   0263   0264   0265   0266   0267   0268   0269   0270   0271   0272   0273   0274   0275   0276   0277   0278   0279   0280   0281   0282   0283   0284   0285   0286   0287   0288   0289   0290   0291   0292   0293   0294   0295   0296   0297   0298   0299   0300   0301   0302   0303   0304   0305   0306   0307   0308   0309   0310   0311   0312   0313   0314   0315   0316   0317   0318   0319   0320   0321   0322   0323   0324   0325   0326   0327   0328   0329   0330   0331   0332   0333   0334   0335   0336   0337   0338   0339   0340   0341   0342   0343   0344   0345   0346   0347   0348   0349   0350   0351   0352   0353   0354   0355   0356   0357   0358   0359   0360   0361   0362   0363   0364   0365   0366   0367   0368   0369   0370   0371   0372   0373   0374   0375   0376   0377   0378   0379   0380   0381   0382   0383   0384   0385   0386   0387   0388   0389   0390   0391   0392   0393   0394   0395   0396   0397   0398   0399   0400   0401   0402   0403   0404   0405   0406   0407   0408   0409   0410   0411   0412   0413   0414   0415   0416   0417  

符号の説明

0418  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22  

明 細 書

発明の名称 : 半導体装置及び電子機器

技術分野

[0001]
 本発明の一態様は、半導体装置及び電子機器に関する。
[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本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、撮像装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、表示システム、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法、を一例として挙げることができる。
[0003]
 また、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路、演算装置、記憶装置等は半導体装置の一態様である。また、表示装置、撮像装置、電気光学装置、発電装置(薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む)、及び電子機器は半導体装置を有している場合がある。

背景技術

[0004]
 特許文献1には、酸化物半導体を用いたトランジスタと、単結晶シリコンを用いたトランジスタによって構成された記憶装置が記載されている。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が極めて小さいことが記載されている。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : 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

[0006]
 本発明の一態様は、新規な半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、消費電力の小さい半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、レイアウトの自由度が高い半導体装置の提供を課題とする。
[0007]
 なお、本発明の一態様は、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

[0008]
 本発明の一態様に係る半導体装置は、第1の層と、第1の層の上方の第2の層と、を有し、第1の層は、制御回路を有し、第2の層は、記憶回路を有し、制御回路は、記憶回路の動作を制御する機能を有し、記憶回路は、複数のメモリセルと駆動回路とを有し、メモリセルは、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有し、第1のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第2のトランジスタのゲート及び容量素子と電気的に接続され、制御回路は、半導体基板に形成されたトランジスタを有し、第1のトランジスタと第2のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する半導体装置である。
[0009]
 また、本発明の一態様に係る半導体装置において、駆動回路は、第1の駆動回路と、第2の駆動回路と、を有し、第1の駆動回路は、メモリセルを選択する機能を有し、第2の駆動回路は、メモリセルにデータを書き込む機能と、メモリセルに記憶されたデータを読み出す機能と、を有し、第1の駆動回路及び第2の駆動回路は、制御回路と電気的に接続され、第1の駆動回路及び第2の駆動回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを有していてもよい。
[0010]
 また、本発明の一態様に係る半導体装置において、制御回路は、クロック生成回路と、タイミングコントローラと、を有していてもよい。
[0011]
 また、本発明の一態様に係る半導体装置において、第1の層は、プロセッサと、周辺回路と、電源回路と、を有し、プロセッサ、周辺回路、及び電源回路は、半導体基板に形成されたトランジスタを有していてもよい。
[0012]
 また、本発明の一態様に係る電子機器は、上記の半導体装置を有する電子機器である。

発明の効果

[0013]
 本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、消費電力の小さい半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、レイアウトの自由度が高い半導体装置を提供することができる。
[0014]
 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、本発明の一態様は、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

[0015]
[図1] 半導体装置の構成例を示す図。
[図2] メモリセルの構成例を示す図。
[図3] 半導体装置の構成例を示す図。
[図4] 半導体装置の構成例を示す図。
[図5] 半導体装置の構成例を示す図。
[図6] 半導体装置の構成例を示す図。
[図7] 半導体装置の構成例を示す断面図。
[図8] 半導体装置の構成例を示す断面図。
[図9] 半導体装置の構成例を示す上面図および断面図。
[図10] 半導体装置の構成例を示す断面図。
[図11] 半導体装置の構成例を示す断面図。
[図12] 半導体装置の構成例を示す断面図。
[図13] 半導体装置の構成例を示す上面図および断面図。
[図14] 半導体装置の構成例を示す断面図。
[図15] 半導体装置の構成例を示す断面図。
[図16] 半導体装置の構成例を示す上面図および断面図。
[図17] 半導体装置の構成例を示す断面図。
[図18] 半導体装置の構成例を示す上面図および断面図。
[図19] 半導体装置の構成例を示す断面図。
[図20] 電子機器の構成例を示す図。
[図21] 電子機器の構成例を示す図。
[図22] 電子機器の構成例を示す図。

発明を実施するための形態

[0016]
 以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態における説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下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。
[0017]
 また、本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む)、酸化物半導体(Oxide Semiconductorまたは単にOSともいう)などに分類される。例えば、トランジスタの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、及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)、略してOSと呼ぶことができる。以下、チャネル形成領域に金属酸化物を含むトランジスタを、OSトランジスタとも表記する。
[0018]
 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 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。金属酸化物の詳細については後述する。
[0019]
 また、本明細書等において、XとYとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図又は文章に示された接続関係に限定されず、図又は文章に示された接続関係以外のものも、図又は文章に記載されているものとする。ここで、X、Yは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。
[0020]
 XとYとが直接的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に接続されていない場合であり、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)を介さずに、XとYとが、接続されている場合である。
[0021]
 XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、オン状態、又は、オフ状態になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。又は、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、XとYとが電気的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
[0022]
 XとYとが機能的に接続されている場合の一例としては、XとYとの機能的な接続を可能とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変換回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅又は電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Xから出力された信号がYへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。なお、XとYとが機能的に接続されている場合は、XとYとが直接的に接続されている場合と、XとYとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
[0023]
 なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、XとYとが電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合)とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
[0024]
 また、図面上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
[0025]
 また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために省略して示すことがある。また、図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
[0026]
 また、特に上面図(「平面図」ともいう。)や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
[0027]
 また、本明細書などにおいて、第1、第2等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」又は「第3の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
[0028]
 また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
[0029]
 なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
[0030]
 チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
[0031]
 なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅(以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。)と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅(以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。)と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
[0032]
 なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは酸素が55原子%以上65原子%以下、窒素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは窒素が55原子%以上65原子%以下、酸素が1原子%以上20原子%以下、シリコンが25原子%以上35原子%以下、水素が0.1原子%以上10原子%以下の濃度範囲で含まれるものをいう。
[0033]
 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。
[0034]
 また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
[0035]
(実施の形態1)
 本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置について説明する。本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体基板に形成されたトランジスタを有する層と、OSトランジスタを有する層と、が積層された構造を有する。
[0036]
<半導体装置の構成例1>
 図1に、半導体装置10の構成例を示す。半導体装置10は、層20と、層20の上方に積層された層30を有する。層20は制御回路21を有し、層30は記憶回路MEMを有する。なお、層20と層30の間には、層間絶縁層を設けることができる。
[0037]
 制御回路21は、記憶回路MEMの動作を制御する機能を有する。具体的には、制御回路21は、記憶回路MEMに書き込まれるデータ、データの読み書きを行う記憶回路MEMのアドレスを指定するアドレス信号、及び記憶回路MEMの動作を制御するための各種の制御信号を供給する機能を有する。
[0038]
 制御回路21から出力される制御信号には、クロック信号及びタイミング信号が含まれる。また、制御回路21は、クロック信号を生成する機能を有するクロック生成回路と、タイミング信号を生成する機能を有するタイミングコントローラを有する。
[0039]
 制御回路21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ている。半導体基板SUBは、当該基板の表面近傍にトランジスタのチャネル形成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。また、SOI基板として、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(Epitaxial Layer Transfer:登録商標)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。
[0040]
 以下では一例として、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。以下、単結晶シリコン基板に形成されたトランジスタを、Siトランジスタともいう。
[0041]
 制御回路21は、層20と層30を接続する配線CLを介して、記憶回路MEMと接続されている。配線CLは、層20と層30の間のコンタクトホールに形成された導電体によって形成される。そして、制御回路21と記憶回路MEM間の信号の入出力は、配線CLを介して行われる。
[0042]
 層30に設けられた記憶回路MEMは、セルアレイ31、駆動回路33、駆動回路34を有する。また、セルアレイ31は、マトリクス状に配置された複数のメモリセル32によって構成されている。
[0043]
 メモリセル32は、データを記憶する機能を有する。メモリセル32は、2値(ハイレベル及びローレベル)のデータを記憶する機能を有していてもよいし、4値以上の多値データを記憶する機能を有していてもよい。また、メモリセル32はアナログデータを記憶する機能を有していてもよい。
[0044]
 駆動回路33は、メモリセル32を選択する機能を有する。具体的には、駆動回路33は、データの書き込み又は読み出しを行うメモリセル32を選択するための信号(以下、選択信号ともいう)を、メモリセル32と接続された配線に供給する機能を有する。
[0045]
 駆動回路34は、メモリセル32にデータを書き込む機能と、メモリセル32に記憶されたデータを読み出す機能と、を有する。具体的には、駆動回路34は、データの書き込みを行うメモリセル32と接続された配線に、メモリセル32に記憶されるデータに対応する電位(以下、書き込み電位ともいう)を供給する機能を有する。また、駆動回路34は、メモリセル32に記憶されたデータに対応する電位(以下、読み出し電位ともいう)を読み出し、配線CLを介して制御回路MEMに出力する機能を有する。
[0046]
 層20に設けられた制御回路21から駆動回路33には、アドレス信号、クロック信号、及びタイミング信号などが配線CLを介して入力される。そして、駆動回路33はこれらの信号を用いて選択信号を生成する。なお、駆動回路33から選択信号が出力されるタイミングは、制御回路21から入力されたタイミング信号によって制御される。
[0047]
 また、層20に設けられた制御回路21から駆動回路34には、アドレス信号、クロック信号、タイミング信号、及びメモリセル32に書き込まれるデータなどが、配線CLを介して供給される。そして、駆動回路34はこれらの信号を用いて書き込み電位を生成する。なお、駆動回路34から書き込み電位が出力されるタイミングは、制御回路21から入力されたタイミング信号によって制御される。
[0048]
 なお、図1には、駆動回路33と接続された配線CLと駆動回路34と接続された配線CLをそれぞれ1本ずつ図示しているが、これらの配線CLはそれぞれ、複数の配線によって構成されていてもよい。
[0049]
 メモリセル32、駆動回路33、及び駆動回路34は、OSトランジスタによって構成されている。酸化物半導体のバンドギャップは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、またオフ電流が極めて小さい。なお、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態のときにソースとドレインとの間に流れる電流をいう。トランジスタのチャネル形成領域に用いられる酸化物半導体は、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)、又は実質的に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2で説明する。
[0050]
 OSトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、メモリセル32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、又は10zA/μm以下、又は1zA/μm以下、又は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32に用いることにより、メモリセル32に記憶されたデータを極めて長期間に渡って保持することができる。
[0051]
 図2に、OSトランジスタを用いたメモリセル32の構成例を示す。図2(A)に示すメモリセル32は、トランジスタTr1、トランジスタTr2、容量素子C1を有する。なお、図中の「OS」の符号はOSトランジスタを示している。
[0052]
 トランジスタTr1のゲートはノードa1と接続され、ソース又はドレインの一方はトランジスタTr2のゲート、及び容量素子C1の一方の電極と接続され、ソース又はドレインの他方はノードa3と接続されている。トランジスタTr2のソース又はドレインの一方はノードa4と接続され、ソース又はドレインの他方はノードa5と接続されている。容量素子C1の他方の電極は、ノードa2と接続されている。また、ノードa1及びa2は図1における駆動回路33と接続され、ノードa3及びノードa4は図1における駆動回路34と接続されている。なお、トランジスタTr1のソース又はドレインの一方、トランジスタTr2のゲート、及び容量素子C1の一方の電極と接続されたノードを、ノードN1とする。
[0053]
 メモリセル32にデータを書き込む際は、ノードa3に書き込み電位を供給する。また、ノードa1に選択信号(ハイレベルの電位)を供給することにより、トランジスタTr1をオン状態にする。これにより、書き込み電位がノードN1に供給される。その後、ノードa1にローレベルの電位を供給することにより、トランジスタTr1をオフ状態にする。これにより、ノードN1がフローティング状態となり、書き込み電位が保持される。
[0054]
 メモリセル32に記憶されたデータを読み出す際は、ノードa4の電位が読み出し電位となる。例えば、ノードa5の電位を固定し、ノードa4をプリチャージした後フローティング状態にする。このとき、トランジスタTr2にはノードN1の電位に応じた電流が流れる。そのため、ノードa4の電位がノードN1の電位に応じて決定される。このようにして、メモリセル32に記憶されたデータが読み出される。なお、ノードa2に所定の電位を供給することにより、ノードN1の電位を制御し、読み出しを行うメモリセル32を選択することができる。
[0055]
 ここで、トランジスタTr1はOSトランジスタであり、オフ電流が極めて小さい。そのため、メモリセル32に電力が供給されていない期間においても、ノードN1の電位を極めて長期間に渡って保持することができる。すなわち、メモリセル32は不揮発性の特性を持つ。図2(A)のような、OSトランジスタを用いて構成されたゲインセルによってメモリセル32が構成される記憶回路MEMを、本明細書等では、NOSRAM(Nonvolatile Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ。
[0056]
 NOSRAMは、容量素子の充放電によってデータの書き換えを行うため、原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込み及び読み出しが可能である。また、メモリセルの回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。したがってNOSRAMは、容量が大きく、消費電力が小さく、且つ書き替え耐性が高いメモリである。
[0057]
 また、トランジスタTr2もOSトランジスタによって構成されている。すなわち、メモリセル32はSiトランジスタを含まず、nチャネル型のOSトランジスタによって構成されている。このように、同一の極性のトランジスタによって構成されている回路を、以下、単極性回路ともいう。
[0058]
 また、図2(B)に示すように、メモリセル32はデータの読み出しを選択するトランジスタTr3を有していてもよい。図2(B)においては、ノードa6にハイレベルの電位が供給され、トランジスタTr3がオン状態となったときに読み出しが行われる。
[0059]
 メモリセル32の一部のノードは、他のメモリセル32と共有されていてもよい。例えば図2(C)に示すように、隣接するメモリセル32間でノードa3を共有することができる。この場合、隣接するメモリセル32の書き込み電位は、ノードa3と接続された共通の配線から供給される。
[0060]
 また、メモリセル32として、図2(D)に示す構成を用いることもできる。図2(D)に示すメモリセル32は、トランジスタTr4、および容量素子C2を有する。
[0061]
 トランジスタTr4のゲートはノードa7と接続され、ソース又はドレインの一方は容量素子C2の一方の電極と接続され、ソース又はドレインの他方はノードa8と接続されている。容量素子C2の他方の電極は、定電位(例えば、低電源電位)が供給されるノードa9と接続されている。また、ノードa7は図1における駆動回路33と接続され、ノードa8は図1における駆動回路34と接続されている。なお、トランジスタTr4のソース又はドレインの一方、及び容量素子C2の一方の電極と接続されたノードを、ノードN2とする。
[0062]
 メモリセル32にデータを書き込む際は、ノードa8に書き込み電位を供給する。そして、ノードa7に選択信号(ハイレベルの電位)を供給することにより、トランジスタTr4をオン状態にする。これにより、書き込み電位がノードN2に書き込まれる。その後、ノードa7にローレベルの電位を供給することにより、トランジスタTr4をオフ状態にする。これにより、ノードN2がフローティング状態となり、書き込み電位が保持される。
[0063]
 メモリセル32に記憶されたデータを読み出す際は、ノードa8の電位が読み出し電位となる。ノードa7に選択信号(ハイレベルの電位)を供給することにより、トランジスタTr4をオン状態にする。これにより、ノードa8の電位がノードN2の電位に応じて決定される。このようにして、メモリセル32に記憶されたデータが読み出される。
[0064]
 トランジスタTr4にはOSトランジスタが用いられているため、ノードN2の電位は極めて長期間に渡って保持される。これにより、データのリフレッシュの頻度を極めて少なくすることが可能となり、消費電力を低減することができる。図2(D)に示す回路によってメモリセル32が構成される記憶回路MEMを、本明細書等では、DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)と呼ぶ。
[0065]
 図1に示す駆動回路33及び駆動回路34も、上記のメモリセル32と同様に、OSトランジスタを用いた単極性回路によって構成されている。すなわち層30は、OSトランジスタを用いた単極性回路によって構成された記憶回路MEMを有する。
[0066]
 ここで、例えば記憶回路MEMが、層20に形成されたpチャネル型のSiトランジスタと、層30に形成されたnチャネル型のOSトランジスタを用いて構成されている場合、これらのトランジスタを接続するための接続部(コンタクトホール及び配線)が多数必要になる。特に、複数のメモリセル32がSiトランジスタとOSトランジスタを用いて構成されている場合、各メモリセル32において層20と層30の接続が必要となり、接続部の数の増大はより顕著になる。この接続部の増加は、回路レイアウトの自由度低下の原因になる。
[0067]
 また、OSトランジスタに含まれる酸化物半導体への不純物(水素など)の混入は、OSトランジスタの劣化の原因になる。ここで、接続部が不純物の経路となり、接続部を介して層30に不純物が侵入し得る。そのため、層20と層30間の接続部が増加すると、酸化物半導体に混入する不純物が増加し、層30に形成されたOSトランジスタの劣化を招く。
[0068]
 本発明の一態様においては、記憶回路MEMがOSトランジスタを用いた単極性回路によって構成されている。そのため、記憶回路MEMの内部における層20と層30の間の接続が不要となる。具体的には、アドレス信号、データ、及び各種の制御信号など、記憶回路MEM全体の動作に必要な所定の情報は層20から供給されるが、記憶回路MEMの内部で生成される信号は、駆動回路34から最終的に出力されるデータ(記憶回路MEMの読み出しデータ)を除き、層20への出力が不要となる。これにより、接続部の数を削減することができ、回路レイアウトの自由度の向上、及びOSトランジスタの信頼性の向上を図ることができる。
[0069]
 特に、メモリセル32は多数設けられるため、メモリセル32を単極性回路によって構成することにより、接続部の数を大幅に削減することができる。また、駆動回路33及び駆動回路34をセルアレイ31と同じ層に設けることにより、駆動回路33とセルアレイ31、及び、駆動回路34とセルアレイ31を接続する多数の配線が、層20と層30に設けられることを回避することができ、接続部の数をさらに削減することができる。
[0070]
 なお、記憶回路MEMを制御する制御回路21は層20に設けられており、Siトランジスタを用いたCMOS回路などによって構成することができる。これにより、動作が高速で高性能な制御回路21を構成し、これを用いて記憶回路MEMを動作させることができる。例えば、記憶回路MEMに用いることができるクロック生成回路及びタイミングコントローラを、Siトランジスタを用いて構成することができる。
[0071]
 また、層20には制御回路21以外の回路を設けることもできる。例えば、図1に示すように、層20はプロセッサ22、周辺回路23、及び電源回路24を有していてもよい。この場合、プロセッサ22、周辺回路23、及び電源回路24はSiトランジスタを用いて構成される。
[0072]
 プロセッサ22としては、CPU(Central Processor Unit)、MPU(MicroProcessor Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)などを用いることができる。周辺回路23としては、記憶回路、入出力回路、パワーマネージメントユニット、タイマー、カウンター、変換回路(AD変換回路、DA変換回路など)などを用いることができる。なお、周辺回路23は複数設けられていてもよい。
[0073]
 周辺回路としてメモリを用いる場合、当該メモリとしては、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM(Static Random Access Memory)などの揮発性メモリ、又は、フラッシュメモリ、磁気記憶装置(ハードディスクドライブ、磁気メモリなど)、ROM(Read Only Memory)などの不揮発性メモリを用いることができる。また、揮発性メモリと不揮発性メモリの両方を用いて構成することもできる。
[0074]
 制御回路21、プロセッサ22及び周辺回路23は、バスBUSと接続されている。これにより、制御回路21、プロセッサ22及び周辺回路23間でデータ又は信号の送受信を、バスBUSを介して行うことができる。例えば、記憶回路MEMから制御回路21に出力されたデータを、プロセッサ22による処理に用いる、又は周辺回路23として設けられたメモリに格納する、などの処理を行うことができる。
[0075]
 電源回路24は、層20が有する各種回路に電力を供給する機能を有する。また、電源回路24は、層20と層30の間に設けられた配線を介して、層30が有する各種回路に電力を供給する機能を有していてもよい。
[0076]
 なお、図1にはプロセッサ22及び周辺回路23が層20に設けられた構成を示したが、これらの回路は層30に設けることもできる。この場合、プロセッサ22及び周辺回路23はOSトランジスタを用いた単極性回路によって構成される。
[0077]
 以上のように、本発明の一態様においては、記憶回路MEMを、OSトランジスタを用いた単極性回路によって構成することにより、層20と層30の間の接続部の数を削減することができる。なお、半導体装置10は、記憶装置や演算装置などとして用いることができる。
[0078]
 なお、上記では層30に設けられる回路にOSトランジスタが用いられる構成について説明したが、酸化物半導体以外の半導体材料を含む膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタを用いることもできる。このようなトランジスタとしては、例えば、非晶質シリコン膜、微結晶シリコン膜、多結晶シリコン膜、単結晶シリコン膜、非晶質ゲルマニウム膜、微結晶ゲルマニウム膜、多結晶ゲルマニウム膜、又は単結晶ゲルマニウム膜を半導体層に用いたトランジスタが挙げられる。
[0079]
<半導体装置の構成例2>
 図1には、層20上に記憶回路MEMを有する層30が1層設けられた構成例を示しているが、層20上に2層以上の層30を積層することもできる。図3に、層20上にN層(Nは2以上の整数)の層30(層30_1乃至30_N)が積層された構成を示す。層30_1乃至30_Nはそれぞれ、記憶回路MEM_1乃至記憶回路MEM_Nを有する。なお、記憶回路MEM_1乃至記憶回路MEM_Nの構成及び機能は、図1における記憶回路MEMと同様である。
[0080]
 また、記憶回路MEM_1乃至記憶回路MEM_Nはそれぞれ、配線CEを介して制御回路21と接続されている。配線CEは記憶回路MEMの選択線であり、制御回路21は配線CEに選択信号を供給することにより、記憶回路MEM_1乃至記憶回路MEM_Nから制御信号などを供給する記憶回路MEMを選択する。そして、選択された記憶回路MEMに、配線CLを介して制御信号などが供給される。
[0081]
 このように、記憶回路MEMを積層することにより、半導体装置10に記憶されるデータ量を増やすことができる。
[0082]
 また、図1には層20の上方(回路形成面側)に層30が設けられた構成例を示しているが、層20の下方(回路形成面の反対側)に層30が設けられていてもよい。図4に、層20の上方に層30_1が設けられ、層20の下方に層30_2が設けられた構成を示す。なお、層30_1の上方、又は/及び層30_2の下方に、さらに1層又は2層以上の層30を設けることもできる。
[0083]
<半導体装置の構成例3>
 図1には、層30に記憶回路MEMが設けられた構成例を示しているが、層30に設けられる回路は記憶回路MEMに限定されない。また、層30には機能の異なる複数の回路が設けられていてもよい。図5に、層30がNOSRAM、DOSRAM、FPGA、及びアナログ演算回路を有する構成例を示す。また、層20は制御回路25、制御回路26、制御回路27、及び制御回路28を有し、制御回路25、制御回路26、制御回路27、及び制御回路28はバスBUSと接続されている。
[0084]
 制御回路25はNOSRAMと接続されており、制御回路26はDOSRAMと接続されている。制御回路25と制御回路26の構成及び機能は、図1における制御回路21と同様である。
[0085]
 FPGAは、ユーザーが回路構成を任意に変更することが可能なデバイスである。FPGAの回路構成の変更は、FPGAのロジックエレメント及び配線間スイッチに設けられたコンフィギュレーションメモリに記憶されたデータ(コンフィギュレーションデータ)を変更することにより行われる。
[0086]
 上記のコンフィギュレーションメモリは、OSトランジスタを用いた単極性回路により構成することができる。例えば、コンフィギュレーションメモリに図2(A)、(B)に示す回路構成を用いることができる。
[0087]
 制御回路27はFPGAと接続されている。制御回路27からFPGAには各種の制御信号やデータ(コンフィギュレーションデータ、演算の入力データなど)などが出力され、FPGAによる演算の結果などがFPGAから制御回路27に出力される。
[0088]
 アナログ演算回路は、アナログデータを用いた演算を行う機能を有する。このアナログデータは、アナログ演算回路に設けられたアナログメモリに記憶される。アナログ演算回路は、例えばAI(Artificial Intelligence)の演算に用いることができる。具体的には、ニューラルネットワークの積和演算を、層30に設けられたアナログ演算回路によって行うことができる。積和演算をアナログ演算回路によって行うことにより、回路規模の縮小及び消費電力の向上を図ることができる。
[0089]
 アナログ演算回路に設けられるアナログメモリは、OSトランジスタを用いた単極性回路により構成することができる。例えば、アナログメモリに図2(A)、(B)に示す回路構成を用いることができる。
[0090]
 制御回路28はアナログ演算回路と接続されている。制御回路28からアナログ演算回路には各種の制御信号やデータ(演算の入力データなど)などが出力され、演算の結果などがアナログ演算回路から制御回路28に出力される。
[0091]
 なお、図5においては同一の層30にNOSRAM、DOSRAM、FPGA、及びアナログ演算回路が設けられた構成例を示しているが、これらの回路はそれぞれ別の層30に設けられていてもよい。
[0092]
<半導体装置の構成例4>
 半導体装置10は、撮像装置としての機能を有していてもよい。図6に、撮像装置としての機能を有する半導体装置10の構成例を示す。図6に示す半導体装置10は、記憶回路MEMを有する層30(図1参照)の上方に、さらに層40が積層された構造を有する。
[0093]
 層40は、複数の受光素子によって構成される受光部41を有する。受光部41は、照射された光を電気信号に変換し、撮像データとして出力する機能を有する。
[0094]
 受光素子としては、例えば、セレン系材料を光電変換層としたpn接合型フォトダイオードなどを用いることができる。セレン系材料を用いた光電変換素子は、可視光に対する外部量子効率が高く、高感度の光センサを実現することができる。
[0095]
 セレン系材料はp型半導体として用いることができる。セレン系材料としては、単結晶セレンや多結晶セレンなどの結晶性セレン、非晶質セレン、銅、インジウム、セレンの化合物(CIS)、または、銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物(CIGS)などを用いることができる。
[0096]
 上記pn接合型フォトダイオードのn型半導体は、バンドギャップが広く、可視光に対して透光性を有する材料で形成することが好ましい。例えば、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、インジウム酸化物、錫酸化物、またはそれらが混在した酸化物などを用いることができる。
[0097]
 また、層40が有する受光素子として、p型シリコン半導体とn型シリコン半導体により構成されたpn接合型フォトダイオードを用いてもよい。また、p型シリコン半導体とn型シリコン半導体の間にi型シリコン半導体層を設けたpin接合型フォトダイオードであってもよい。
[0098]
 上記シリコンを用いたフォトダイオードは単結晶シリコン、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンなどを用いて形成することもできる。
[0099]
 また、層20は、受光部41と接続された制御回路29を有する。受光部41によって取得された撮像データは、制御回路29に出力される。
[0100]
 図6に示す半導体装置10は、カメラなどに内蔵されるセンサなどとして用いることができる。
[0101]
 本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
[0102]
(実施の形態2)
 本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置の具体的な構成例について、図7乃至図19を用いて説明する。
[0103]
<半導体装置の構成例>
 図7乃至図11は、本発明の一態様に係る、トランジスタ300(トランジスタ300a、トランジスタ300b、およびトランジスタ300c)、トランジスタ700、メモリセル600、を有する記憶装置の上面図および断面図である。ここで、メモリセル600は、トランジスタ200、トランジスタ500、および容量素子100を有する。
[0104]
 図7は、本発明の一態様に係る記憶装置の断面図であり、トランジスタ300(トランジスタ300a、トランジスタ300b、およびトランジスタ300c)が配置された、下側の層が、実施の形態1に示す層20に対応しており、トランジスタ700およびメモリセル600が配置された、上側の層が、実施の形態1に示す層30に対応している。図8(A)は、図7でチャネル長方向の断面図が示されている、トランジスタ700のチャネル幅方向の断面図である。また、図8(B)は、図7でチャネル長方向の断面図が示されている、トランジスタ300aのチャネル幅方向の断面図である。図9(A)は、メモリセル600の上面図である。また、図9(B)、図10(A)、図10(B)、図11(A)および図11(B)はメモリセル600の断面図である。ここで、図9(B)は、図9(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向、およびトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図10(A)は、図9(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図10(B)は、図9(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ500のチャネル長方向の断面図でもある。また、図11(A)は、図9(A)にA7−A8の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のソース領域またはドレイン領域の一方の断面図でもある。また、図11(B)は、図9(A)にA9−A10の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のソース領域またはドレイン領域の他方の断面図でもある。なお、図9(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
[0105]
 ここで、トランジスタ300は、層20に設けられたトランジスタに対応し、特に、トランジスタ300aは制御回路21に設けられたトランジスタに対応する。また、トランジスタ700は、駆動回路33または駆動回路34に設けられたトランジスタに対応する。メモリセル600はメモリセル32と対応し、トランジスタ200はトランジスタTr1と対応し、トランジスタ500はトランジスタTr2と対応し、容量素子100は容量素子C1と対応する。
[0106]
 まず、本実施の形態に示す半導体装置の、下側の層(層20に対応する層)について説明する。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。また、各トランジスタ300は、素子分離絶縁層として機能する絶縁体321によって、電気的に分離されている。絶縁体321は、後述する絶縁体326などと同様の絶縁体を用いることができる。
[0107]
 トランジスタ300は、図8(B)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ので、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。
[0108]
 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。
[0109]
 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。
[0110]
 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。
[0111]
 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。
[0112]
 なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
[0113]
 なお、図7など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。
[0114]
 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。
[0115]
 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。
[0116]
 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。
[0117]
 また、絶縁体324には、基板311、またはトランジスタ300などから、トランジスタ200が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
[0118]
 水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ200と、トランジスタ300との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
[0119]
 水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法(TDS)などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体324の水素の脱離量は、TDS分析において、膜の表面温度が50℃から500℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体324の面積当たりに換算して、10×10 15atoms/cm 以下、好ましくは5×10 15atoms/cm 以下であればよい。
[0120]
 なお、絶縁体326は、絶縁体324よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体326の比誘電率は4未満が好ましく、3未満がより好ましい。また例えば、絶縁体326の比誘電率は、絶縁体324の比誘電率の0.7倍以下が好ましく、0.6倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
[0121]
 また、絶縁体320、絶縁体322、絶縁体324、および絶縁体326には、トランジスタ300のゲート、ソースまたはドレインとしての機能や、トランジスタ700に接続される配線CLとしての機能を有する導電体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。
[0122]
 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。
[0123]
 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7において、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354が順に積層して設けられている。また、絶縁体350、絶縁体352、及び絶縁体354には、導電体356が形成されている。導電体356は、プラグ、または配線としての機能を有する。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。
[0124]
 なお、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を含む層とトランジスタ700を含む層とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ300を含む層からトランジスタ700を含む層への水素の拡散を抑制することができる。
[0125]
 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。
[0126]
 また、絶縁体354、および導電体356上に、同様の構造の配線層を設けてもよい。導電体356を含む配線層と同様の配線層を2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3層以上にしてもよい。
[0127]
 絶縁体354上には絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216が、順に積層して設けられている。絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。なお、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216の詳細については後述する。
[0128]
 例えば、絶縁体210、および絶縁体214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200を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体324と同様の材料を用いることができる。
[0129]
 水素に対するバリア性を有する膜の一例として、CVD法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ200等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ700を含む層と、トランジスタ300を含む層との間に、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。
[0130]
 また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体210、および絶縁体214には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
[0131]
 特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ200への混入を防止することができる。また、トランジスタ200を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ200に対する保護膜として用いることに適している。
[0132]
 また、例えば、絶縁体212、および絶縁体216には、絶縁体320と同様の材料を用いることができる。また、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体212、および絶縁体216として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
[0133]
 また、絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、および絶縁体216には、導電体218、及びトランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700などを構成する導電体(例えば、導電体703、導電体705等)が埋め込まれている。
[0134]
 絶縁体216の上には、絶縁体220、および絶縁体222が設けられ、トランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700などの層を形成している。また、トランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700などを覆って絶縁体273、絶縁体274、絶縁体280が設けられる。ここで、トランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体273、絶縁体274、絶縁体280の詳細な構成については後述する。
[0135]
 絶縁体210、絶縁体212、絶縁体214、絶縁体216、絶縁体220、および絶縁体222に設けた開口に導電体745を設ける。なお、導電体745は、トランジスタ700とトランジスタ300を電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体745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。
[0136]
 特に、絶縁体210、および絶縁体214と接する領域の導電体745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を含む層とトランジスタ700を含む層とは、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を含む層からトランジスタ700を含む層への水素の拡散を抑制することができる。
[0137]
 絶縁体273、絶縁体274、および絶縁体280に設けた開口に導電体740a、導電体740b、導電体740c等を設ける。導電体740aおよび導電体740cは、トランジスタ700とトランジスタ300を電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体740a、導電体740b、導電体740cの詳細な構成については後述する。
[0138]
 なお、絶縁体280上に絶縁体214と同様の、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁体を設けることが好ましい。例えば、当該絶縁体として、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。これにより、水素、水などの不純物が、絶縁体280より上層からトランジスタ200側に拡散することを抑制することができる。このような金属酸化物を、スパッタリング法などを用いて成膜することにより、絶縁体280に酸素を添加し、トランジスタ200およびトランジスタ700中の酸化物半導体に酸素を供給することができる。また、絶縁体280上にこのようなバリア性を有する絶縁体を設ける場合、絶縁体273および絶縁体274のいずれか一方または両方を設けない構成にしてもよい。
[0139]
 また、絶縁体280上に、絶縁体150を設けてもよい。絶縁体150は、絶縁体280と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体150は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
[0140]
 また、絶縁体150に形成された開口に導電体112を設けることが好ましい。導電体112はトランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700、容量素子100などの配線として機能する。また、導電体112を用いて導電体740aと導電体740cを電気的に接続することが好ましい。
[0141]
 導電体112には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜(窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜)等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
[0142]
 図7に示すように、導電体112は2層以上の積層構造にすればよい。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。なお、導電体112は、これに限定されず、例えば単層構造にしてもよい。
[0143]
 ここで、トランジスタ300aのソースおよびドレインの一方は、導電体328、導電体330、導電体356、導電体745、導電体740c、導電体112、および導電体740a等を介してトランジスタ700のソースおよびドレインの一方と電気的に接続される。この一連の配線が、上記実施の形態に示す配線CLに対応する。
[0144]
 図7に示すように、本実施の形態に示す半導体装置において、層20に対応する層と、層30に対応する層は、一部の配線のみで接続される。これにより、層20に対応する層と、層30に対応する層の接続部の数を大幅に削減することができる。よって、当該接続部を通じて、トランジスタ200、トランジスタ500およびトランジスタ700などに水素などの不純物が拡散することを抑制することができる。
[0145]
 以上のような構成にすることにより、酸化物半導体を有するトランジスタを含む半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
[0146]
 本実施の形態に示す半導体装置の層30に対応する層は、トランジスタ200と、トランジスタ500と、トランジスタ700と、容量素子100と、層間膜として機能する絶縁体210、絶縁体212、絶縁体273、絶縁体274、絶縁体280を有する。また、トランジスタ200と電気的に接続し、配線として機能する導電体203、およびプラグとして機能する導電体240aを有する。また、トランジスタ500と電気的に接続し、配線として機能する導電体503、およびプラグとして機能する導電体540a、および導電体540bを有する。また、トランジスタ700と電気的に接続し、配線として機能する導電体703、およびプラグとして機能する導電体740a、導電体740b、および導電体740cを有する。また、容量素子100と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体240bとを有する。なお、以下において導電体240aおよび導電体240bをまとめて導電体240とする場合がある。なお、以下において導電体540aおよび導電体540bをまとめて導電体540とする場合がある。なお、以下において導電体740a、導電体740bおよび導電体740cをまとめて導電体740とする場合がある。ここで、導電体503および導電体703は導電体203と、導電体540および導電体740は導電体240と、同じ層に形成され、同様の構成を有する。よって、導電体503および導電体703は導電体203の、導電体540および導電体740は導電体240の、記載を参酌することができる。
[0147]
 なお、導電体203は、絶縁体212の開口の内壁に接して導電体203の第1の導電体が形成され、さらに内側に導電体203の第2の導電体が形成されている。ここで、導電体203の上面の高さと、絶縁体212の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体203の第1の導電体および導電体203の第2の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体203を単層、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。また、構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。なお、導電体503および導電体703も導電体203と同様の構成を有する。
[0148]
 絶縁体273は、トランジスタ200、トランジスタ500、トランジスタ700、および容量素子100の上に配置される。絶縁体274は絶縁体273上に配置される。絶縁体280は絶縁体274上に配置される。
[0149]
 また、導電体240は、絶縁体273、絶縁体274、および絶縁体280の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体240の上面の高さと、絶縁体280の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体240が2層の積層構造である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体240は、単層、又は3層以上の積層構造でもよい。なお、導電体540および導電体740も導電体240と同様の構成を有する。
[0150]
 図9、図10(A)に示すように、トランジスタ200は、基板(図示せず。)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体205と、絶縁体216と導電体205の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)と、酸化物230の上に配置された絶縁体250と、絶縁体250上に配置された金属酸化物252と、金属酸化物252の上に配置された導電体260(導電体260a、および導電体260b)と、導電体260の上に配置された絶縁体270と、絶縁体270上に配置された絶縁体271と、少なくとも酸化物230c、絶縁体250、金属酸化物252、および導電体260の側面と接して配置された絶縁体275と、酸化物230上に形成された層242と、を有する。また、層242の一方に接して導電体240aが配置される。
[0151]
 トランジスタ200において、層242の一方がソース及びドレインの一方として機能し、層242の他方がソース及びドレインの他方として機能し、導電体260がフロントゲートとして機能し、導電体205がバックゲートとして機能する。
[0152]
 また、図9、図10(B)に示すように、トランジスタ500は、基板(図示せず。)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体505と、絶縁体216と導電体505の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体524と、絶縁体524の上に配置された酸化物530(酸化物530a、酸化物530b、および酸化物530c)と、酸化物530の上に配置された絶縁体550と、絶縁体550上に配置された金属酸化物552と、金属酸化物552の上に配置された導電体560(導電体560a、および導電体560b)と、導電体560の上に配置された絶縁体570と、絶縁体570上に配置された絶縁体571と、少なくとも酸化物530c、絶縁体550、金属酸化物552、および導電体560の側面と接して配置された絶縁体575と、酸化物530上に形成された層542と、を有する。また、層542の一方に接して導電体540aが配置され、層542の他方に接して導電体540bが配置される。
[0153]
 トランジスタ500において、層542の一方がソース及びドレインの一方として機能し、層542の他方がソース及びドレインの他方として機能し、導電体560がフロントゲートとして機能し、導電体505がバックゲートとして機能する。
[0154]
 ここで、トランジスタ500は、トランジスタ200と同じ層に形成され、同様の構成を有する。よって、酸化物530は、酸化物230と同様の構成を有し、酸化物230の記載を参酌することができる。導電体505は、導電体205と同様の構成を有し、導電体205の記載を参酌することができる。絶縁体524は、絶縁体224と同様の構成を有し、絶縁体224の記載を参酌することができる。絶縁体550は、絶縁体250と同様の構成を有し、絶縁体250の記載を参酌することができる。金属酸化物552は、金属酸化物252と同様の構成を有し、金属酸化物252の記載を参酌することができる。導電体560は、導電体260と同様の構成を有し、導電体260の記載を参酌することができる。絶縁体570は、絶縁体270と同様の構成を有し、絶縁体270の記載を参酌することができる。絶縁体571は、絶縁体271と同様の構成を有し、絶縁体271の記載を参酌することができる。絶縁体575は、絶縁体275と同様の構成を有し、絶縁体275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500の構成は、トランジスタ200の構成の記載を参酌することができる。
[0155]
 また、図7、図8(A)に示すように、トランジスタ700は、基板(図示せず。)の上に配置された絶縁体214および絶縁体216と、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれるように配置された導電体705と、絶縁体216と導電体705の上に配置された絶縁体220と、絶縁体220の上に配置された絶縁体222と、絶縁体222の上に配置された絶縁体724と、絶縁体724の上に配置された酸化物730(酸化物730a、酸化物730b、および酸化物730c)と、酸化物730の上に配置された絶縁体750と、絶縁体750上に配置された金属酸化物752と、金属酸化物752の上に配置された導電体760(導電体760a、および導電体760b)と、導電体760の上に配置された絶縁体770と、絶縁体770上に配置された絶縁体771と、少なくとも酸化物730c、絶縁体750、金属酸化物752、および導電体760の側面と接して配置された絶縁体775と、酸化物730上に形成された層742と、を有する。また、層742の一方に接して導電体740aが配置され、層742の他方に接して導電体740bが配置される。
[0156]
 トランジスタ700において、層742の一方がソース及びドレインの一方として機能し、層742の他方がソース及びドレインの他方として機能し、導電体760がフロントゲートとして機能し、導電体705がバックゲートとして機能する。
[0157]
 ここで、トランジスタ700は、トランジスタ200と同じ層に形成され、同様の構成を有する。よって、酸化物730は、酸化物230と同様の構成を有し、酸化物230の記載を参酌することができる。導電体705は、導電体205と同様の構成を有し、導電体205の記載を参酌することができる。絶縁体724は、絶縁体224と同様の構成を有し、絶縁体224の記載を参酌することができる。絶縁体750は、絶縁体250と同様の構成を有し、絶縁体250の記載を参酌することができる。金属酸化物752は、金属酸化物252と同様の構成を有し、金属酸化物252の記載を参酌することができる。導電体760は、導電体260と同様の構成を有し、導電体260の記載を参酌することができる。絶縁体770は、絶縁体270と同様の構成を有し、絶縁体270の記載を参酌することができる。絶縁体771は、絶縁体271と同様の構成を有し、絶縁体271の記載を参酌することができる。絶縁体775は、絶縁体275と同様の構成を有し、絶縁体275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200の構成の記載を参酌することができる。
[0158]
 なお、トランジスタ200では、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの3層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物230bの単層、酸化物230bと酸化物230aの2層構造、酸化物230bと酸化物230cの2層構造、または4層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ500の酸化物530、トランジスタ700の酸化物730についても同様である。また、トランジスタ200では、導電体260aおよび導電体260bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。また、トランジスタ500の導電体560、トランジスタ700の導電体760についても同様である。
[0159]
 容量素子100は、導電体110と、導電体110上の絶縁体130と、絶縁体130上の導電体120と、を有する。導電体120は、絶縁体130を介して、少なくとも一部が導電体110と重なるように、配置されることが好ましい。また、導電体120の上に接して導電体240bが配置される。導電体110は、トランジスタ200のソース及びドレインの一方として機能する層242と接し、且つ絶縁体570および絶縁体571の開口を介して導電体560と接する。
[0160]
 容量素子100において、導電体110は電極の一方として機能し、導電体120は電極の他方として機能する。また、絶縁体130は容量素子100の誘電体として機能する。ここで、導電体110は、トランジスタ200のソースおよびドレインの一方、およびトランジスタ500のゲートと、接続されており、ノードN1として機能する。
[0161]
 図9(A)に示すように、容量素子100の一部が、トランジスタ200またはトランジスタ500と重畳するように形成される。これにより、トランジスタ200、トランジスタ500、および容量素子100の投影面積の合計を小さくし、メモリセル600の占有面積を低減することができる。よって、上記半導体装置の微細化および高集積化が容易になる。また、トランジスタ200、およびトランジスタ500を同じ工程で形成することができるので、工程を短縮し、生産性を向上させることができる。
[0162]
 なお、メモリセル600において、トランジスタ200のチャネル長方向とトランジスタ500のチャネル長方向が直交するように、トランジスタ200、トランジスタ500および容量素子100を設けているが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。図1等に示すメモリセル600は、半導体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を、適宜配置すればよい。
[0163]
 次に、トランジスタ200に用いる酸化物230に係る詳細の説明を行う。以下において、特段の記載を行わない場合、トランジスタ500の酸化物530、トランジスタ700の酸化物730についても酸化物230の記載を参酌するものとする。トランジスタ200は、チャネルが形成される領域(以下、チャネル形成領域ともいう。)を含む酸化物230(酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230c)に、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう。)を用いることが好ましい。
[0164]
 チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ200は、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ200に用いることができる。
[0165]
 例えば、酸化物230として、In−M−Zn酸化物(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、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230として、In−Ga酸化物、In−Zn酸化物を用いてもよい。
[0166]
 ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素が添加されることで、金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。
[0167]
 酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。
[0168]
 また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜から、当該膜の成分である金属元素が酸化物半導体へ、または酸化物半導体の成分である金属元素が当該膜へと、拡散し、酸化物半導体と、当該膜とが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物半導体に添加された金属元素は、酸化物半導体と金属元素と、金属化合物を形成することで、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
[0169]
 また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜と、酸化物半導体との界面に、化合物層(以下、異層ともいう。)が形成されていてもよい。なお、化合物層(異層)とは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜の成分と、酸化物半導体の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、化合物層として、酸化物半導体の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。当該合金化した層は、比較的安定な状態であり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
[0170]
 また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域、または金属化合物が形成された領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化(水または水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する傾向がある。
[0171]
 また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ると、キャリア密度は増加する。また、水素の一部が、金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。
[0172]
 従って、酸化物半導体に、金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を、選択的に添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物230を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物230に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域と、を設けることができる。
[0173]
 ここで、図9(B)において破線で囲む、領域239の拡大図を図12に示す。図12に示すように、領域239は、選択的に低抵抗化した酸化物230bを含んでいる。
[0174]
 図12に示すように、酸化物230は、トランジスタのチャネル形成領域として機能する領域234と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231(領域231a、および領域231b)と、領域234と領域231との間に設けられる、領域232(領域232a、および領域232b)と、を有する。
[0175]
 ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231は、酸素濃度が低く、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域234は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い高抵抗領域である。また、領域232は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域231よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低く、かつ、チャネル形成領域として機能する領域234よりも、酸素濃度が低く、キャリア密度が高い領域である。
[0176]
 なお、領域231は、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域232、および領域234よりも高いことが好ましい。
[0177]
 例えば、領域231は、酸化物230が有する金属元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。
[0178]
 領域231を形成するために、例えば、酸化物230の領域231に接して、金属元素を有する膜を設ければよい。当該金属元素を有する膜は、領域231の形成後に、島状にパターニングして導電体110となる。なお、当該金属元素を有する膜として、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜を用いることができる。その際、当該金属元素を有する膜と、酸化物230との界面に、層242が形成されていてもよい。例えば層242は、酸化物230の上面および側面に形成される場合がある。なお、層242は、当該金属元素を有する膜の成分と、酸化物230の成分とを含む金属化合物を有する層とし、化合物層と呼ぶこともできる。例えば、層242として、酸化物230中の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。
[0179]
 酸化物230に、金属元素が添加されることで、酸化物230中に、金属化合物が形成され、領域231を低抵抗化することができる。なお、当該金属化合物は、必ずしも、酸化物230中に形成されていなくともよい。例えば、上記金属元素を有する膜(導電体110)に、金属化合物が形成されていてもよい。また、例えば、酸化物230の表面、導電体110の表面、または導電体110と酸化物230との界面に形成された層242に設けられていてもよい。
[0180]
 従って、領域231は、層242の低抵抗化領域も含む場合がある。よって、層242の少なくとも一部がトランジスタ200のソース領域またはドレイン領域として機能する場合がある。
[0181]
 領域232は、絶縁体275と重畳する領域を有する。領域232は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域234よりも高いことが好ましい。例えば、酸化物230の領域231に接して、上記金属元素を有する膜を設けることで、上記金属元素を有する膜中の成分と、酸化物半導体の成分とが、金属化合物を形成する場合がある。当該金属化合物は、酸化物230に含まれる水素を引き寄せる場合がある。従って、領域231の近傍である領域232の水素の濃度が高くなる場合がある。
[0182]
 なお、領域232a、および領域232bのいずれか一方または双方は、導電体260と重畳する領域を有する構成としてもよい。
[0183]
 また、図12では、領域234、領域231、および領域232が、酸化物230bに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は層242、酸化物230a、および酸化物230cにも、形成されていてもよい。また、図12では、各領域の境界を、酸化物230の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域232が酸化物230bの表面近傍では導電体260側に張り出し、酸化物230bの下面近傍では、導電体240a側または導電体240b側に後退する形状になる場合がある。
[0184]
 また、酸化物230において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化(グラデーションともいう。)していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
[0185]
 酸化物230を、選択的に低抵抗化するには、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、希ガス元素等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。
[0186]
 領域231は、上述の導電性を高める金属元素、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
[0187]
 領域231を低抵抗化するために、例えば、酸化物230の領域231に接して、上記金属元素を有する膜を成膜するとよい。当該金属元素を有する膜としては、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜などを用いることができる。当該金属元素を有する膜は、少なくとも、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、絶縁体270、絶縁体271、および絶縁体275を介して、酸化物230上に設けることが好ましい。なお、上記金属元素を有する膜は、10nm以上200nm以下の膜厚にするとよい。上記金属元素を有する膜は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、上記金属元素を有する膜の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法、またはALD法などを用いて行うことができる。
[0188]
 酸化物230と上記金属元素を有する膜とが接することにより、当該金属元素を有する膜の成分と、酸化物230の成分とが、金属化合物を形成し、領域231となり、低抵抗化する。また、酸化物230と当該金属元素を有する膜との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物230中の酸素の一部が層242に吸収され、酸化物230に酸素欠損を形成し、低抵抗化し、領域231を形成する場合がある。
[0189]
 また、酸化物230と、上記金属元素を有する膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、当該金属元素を有する膜から、当該金属元素を有する膜の成分である金属元素が酸化物230へ、または酸化物230の成分である金属元素が当該金属元素を有する膜へと、拡散し、酸化物230と、当該金属元素を有する膜とが金属化合物を形成し、低抵抗化する。このようにして、酸化物230と当該金属元素を有する膜との間に層242が形成される。なお、その際、酸化物230の金属元素と、当該金属元素を有する膜の金属元素とが、合金化してもよい。従って、層242は合金を含む場合がある。当該合金は、比較的安定な状態であり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
[0190]
 上記熱処理は、例えば、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下、さらに好ましくは320℃以上450℃以下で行えばよい。なお、熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、熱処理は減圧状態で行ってもよい。また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
[0191]
 また、酸化物230中の水素は、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域234に存在する酸素欠損中の水素は、250℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域231に拡散し、領域231に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域231は、より低抵抗化し、領域234は、高純度化(水または水素などの不純物の低減)し、より高抵抗化する。
[0192]
 一方、酸化物230の一部の領域(領域234、および領域232)は、導電体260、および絶縁体275と重畳しているため、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物230の領域234、および領域232において、酸化物230中の酸素が、上述した上記金属元素を有する膜へ吸収されることが抑制される。
[0193]
 また、上記金属元素を有する膜に、酸化物230の領域231、および領域231に近接する領域232の酸素が吸収されることで、領域231、および領域232に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物230中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域231、および領域232のキャリア密度は増加する。従って、酸化物230の領域231、および領域232は、低抵抗化される。
[0194]
 ここで、上記金属元素を有する膜が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物230中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、酸化物230中の不純物である水素を低減することができる。上記金属元素を有する膜は、後に導電体110にパターニングされるので、酸化物230から吸収した水素の大部分は除去される。
[0195]
 層242を形成した後で、上記金属元素を有する膜の一部を除去して、島状の導電体110を形成する。当該金属元素を有する膜の膜厚を十分厚く、例えば10nm以上200nm以下程度にしておくことで、導電体110に十分な導電性を与えることができる。よって、導電体110も、上記金属元素を有する膜と同様に、膜厚は10nm以上200nm以下が好ましく、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。また、導電体110は、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜としてもよい。
[0196]
 導電体110と酸化物230の間には、層242が形成される。層242は、上記金属元素を有する膜の金属元素と、酸化物230の金属元素とが、合金化している場合があり、導電体110と領域231bの間の抵抗が低減される場合がある。
[0197]
 図9(B)に示すように、導電体110は、絶縁体570および絶縁体571の開口を介して、トランジスタ500のゲートとして機能する導電体560に接する。このように十分な導電性を有する導電体110を用いることにより、トランジスタ200とトランジスタ500の間の導電性を良好にし、ノードN1にデータに対応する電荷を正確に保持することができる。さらに、このようにトランジスタ200とトランジスタ500を同じ層に形成し、導電体110で接続することができるので、余計なプラグを形成して、トランジスタ200とその上層または下層に形成されたトランジスタ500を接続しなくてもよい。よって、トランジスタ200及びトランジスタ500を形成する層に、形成するプラグの数を減らすことができるので、当該プラグを通じて、トランジスタ200及びトランジスタ500に水素などの不純物が拡散することを抑制することができる。
[0198]
 上記において、領域231および領域232を形成する方法として、酸化物230の領域231に接して、金属元素を有する膜を設けて層242を形成する方法を示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、酸化物230のキャリア密度を増大させ、低抵抗化させることができる元素をドーパントとして添加することによって、層242を形成してもよい。
[0199]
 ドーパントとしては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素などを用いればよい。このような元素としては、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。また、希ガス元素の代表例としては、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。また、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、ランタンなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を添加してもよい。上述した中でもドーパントとしては、ホウ素、及びリンが好ましい。ホウ素、リンをドーパントとして用いる場合、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、設備投資を抑制することができる。上記元素の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)などを用いて測定すればよい。
[0200]
 特に、層242に添加する元素として、酸化物を形成しやすい元素を用いることが好ましい。このような元素としては、代表的にはホウ素、リン、アルミニウム、マグネシウム等がある。層242に添加された当該元素は、酸化物230中の酸素を奪って酸化物を形成しうる。その結果、層242には多くの酸素欠損が生じる。当該酸素欠損と、酸化物230中の水素とが結合することでキャリアが生じ、極めて低抵抗な領域となる。さらに、層242に添加された元素は安定な酸化物の状態で層242に存在するため、その後の工程で高い温度を要する処理が行われたとしても、層242から脱離しにくい。すなわち、層242に添加する元素として、酸化物を形成しやすい元素を用いることで、酸化物230中に高温のプロセスを経ても高抵抗化しにくい領域を形成できる。
[0201]
 ドーパントの添加によって層242を形成する場合、例えば、絶縁体271、絶縁体270、導電体260、金属酸化物252、絶縁体250、酸化物230c、および絶縁体275をマスクとしてドーパントを添加すればよい。これにより、酸化物230の当該マスクが重畳していない領域に、上記の元素を含む層242を形成することができる。また、絶縁体271、絶縁体270、導電体260、金属酸化物252、絶縁体250、酸化物230c、および絶縁体275をマスクとする代わりに、ダミーゲートを形成してマスクとしてもよい。この場合、ドーパントの添加後に絶縁体271、絶縁体270、導電体260、金属酸化物252、絶縁体250、酸化物230c、および絶縁体275を形成すればよい。
[0202]
 ドーパント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。質量分離を行う場合、添加するイオン種およびその濃度を厳密に制御することができる。一方、質量分離を行わない場合、短時間で高濃度のイオンを添加することができる。また、原子または分子のクラスターを生成してイオン化するイオンドーピング法を用いてもよい。なお、ドーパントを、イオン、ドナー、アクセプター、不純物または元素などと言い換えてもよい。
[0203]
 また、層242に酸素欠損を形成する元素を添加して、熱処理を行うことで、チャネル形成領域として機能する領域234に含まれる水素を、層242に含まれる酸素欠損で捕獲できる場合がある。これにより、トランジスタ200に安定な電気特性を与え、信頼性の向上を図ることができる。
[0204]
 ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネルが形成される領域234中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
[0205]
 そこで、図12に示すように、絶縁体250、酸化物230bの領域232、および酸化物230cに接して、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素(過剰酸素ともいう。)を含む絶縁体275を設けることが好ましい。つまり、絶縁体275が有する過剰酸素が、酸化物230の領域234へと拡散することで、酸化物230の領域234における酸素欠損を低減することができる。
[0206]
 また、絶縁体275に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体275に接する絶縁体273として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜に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。スパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくく成膜することができるので、絶縁体273となる絶縁体の成膜時に酸化物230への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いた成膜法を、VDSP(Vapor Deposition SP)(登録商標)と呼ぶことができる。
[0207]
 スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位E0が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位E1が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位E2となる領域が存在する。各電位の大小関係は、E2>E1>E0である。
[0208]
 プラズマ内のイオンが、電位差E2−E0によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁体275に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差E2−E1によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体275内部まで到達する。イオンが絶縁体275に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体275に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体275に過剰酸素領域が形成される。
[0209]
 絶縁体275に過剰な酸素を導入することで、絶縁体275中に過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体275の過剰な酸素は、酸化物230の領域234に供給され、酸化物230の酸素欠損を補償することができる。
[0210]
 なお、絶縁体275は、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用いることが好ましい。酸化窒化シリコンなどの材料は、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化窒化シリコンなどの材料と比較して、酸化物230は、スパッタリング法を用いた酸化膜を、酸化物230上に形成したとしても、過剰酸素領域が形成しにくい傾向がある。従って、過剰酸素領域を有する絶縁体275を、酸化物230の領域234の周辺に設けることで、酸化物230の領域234へ、絶縁体275の過剰酸素を効果的に供給することができる。
[0211]
 また、絶縁体273は、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。酸化アルミニウムは、酸化物230と近接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物230中の水素を引き抜く場合がある。なお、酸化物230と、酸化アルミニウムとの間に層242が設けられている場合、層242中の水素を酸化アルミニウムが吸収し、水素が低減された層242は、酸化物230中の水素を吸収する場合がある。従って、酸化物230中の水素濃度を低減することができる。また、絶縁体273と、酸化物230とを近接した状態で熱処理を行うことで、絶縁体273から酸化物230、絶縁体224、または絶縁体222に酸素を供給できる場合がある。
[0212]
 上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物230の選択的な低抵抗化を行うことができる。
[0213]
 つまり、酸化物230に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体260、および絶縁体275をマスクとすることで、自己整合的に酸化物230は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ200を同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくすることができる。また、トランジスタ200のチャネル長は、導電体260の幅、または絶縁体275の成膜膜厚により決定され、導電体260の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ200の微細化が可能となる。
[0214]
 以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
[0215]
 また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流(オフ電流)が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、トランジスタ200は、オフ電流が小さいため、これを半導体装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、半導体装置の消費電力を十分に低減することができる。
[0216]
 以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
[0217]
 以下では、本実施の形態に示す半導体装置の層30に対応する層の詳細な構成について説明する。以下において、特段の記載を行わない場合、トランジスタ500、トランジスタ700の詳細な構成についてもトランジスタ200の詳細な構成の記載を参酌するものとする。
[0218]
 導電体203は、図9(A)、および図10(A)に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、導電体205に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体203は、絶縁体212に埋め込まれて設けることが好ましい。
[0219]
 導電体205は、酸化物230、および導電体260と、重なるように配置する。また、導電体205は、導電体203の上に接して設けるとよい。また、導電体205は、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれて設けることが好ましい。
[0220]
 ここで、導電体260は、第1のゲート(フロントゲートともいう。)電極として機能する場合がある。また、導電体205は、第2のゲート(バックゲートともいう。)電極として機能する場合がある。その場合、導電体205に印加する電位を、導電体260に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ200の閾値電圧を制御することができる。特に、導電体205に負の電位を印加することにより、トランジスタ200の閾値電圧を0Vより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体205に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体260に印加する電位が0Vのときのドレイン電流を小さくすることができる。
[0221]
 また、導電体203上に導電体205を設けることで、第1のゲート電極、および配線としての機能を有する導電体260と、導電体203との距離を適宜設計することが可能となる。つまり、導電体203と導電体260の間に絶縁体214および絶縁体216などが設けられることで、導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減し、導電体203と導電体260の間の絶縁耐圧を高めることができる。
[0222]
 また、導電体203と導電体260の間の寄生容量を低減することで、トランジスタ200のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体203と導電体260の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体214および絶縁体216の膜厚を厚くすることが好ましい。なお、導電体203の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ200のチャネル長方向に延伸されてもよい。
[0223]
 なお、導電体205は、図9(A)に示すように、酸化物230、および導電体260と重なるように配置する。また、導電体205は、酸化物230における領域234よりも、大きく設けるとよい。特に、図10(A)に示すように、導電体205は、酸化物230の領域234のチャネル幅方向の端部よりも外側の領域に延伸していることが好ましい。つまり、酸化物230のチャネル幅方向における側面において、導電体205と、導電体260とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。
[0224]
 上記構成を有することで、導電体260、および導電体205に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体205から生じる電界と、がつながり、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
[0225]
 つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体205の電界によって、領域234のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第1のゲート電極、および第2のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(S−channel)構造とよぶ。
[0226]
 また、導電体205は、絶縁体214および絶縁体216の開口の内壁に接して第1の導電体が形成され、さらに内側に第2の導電体が形成されている。ここで、第1の導電体および第2の導電体の上面の高さと、絶縁体216の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体205の第1の導電体および導電体205の第2の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体205は、単層、または3層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
[0227]
 ここで、導電体205、または導電体203の第1の導電体は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N O、NO、NO など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。
[0228]
 導電体205、または導電体203の第1の導電体が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体205、または導電体203の第2の導電体が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体205、または導電体203の第1の導電体としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体203、および導電体205を通じて、トランジスタ200側に拡散するのを抑制することができる。
[0229]
 また、導電体205の第2の導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体205の第2の導電体を単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
[0230]
 また、導電体203の第2の導電体は、配線として機能するため、導電体205の第2の導電体より導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体203の第2の導電体は積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
[0231]
 特に、導電体203に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物230に拡散することで、トランジスタ200の電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体214には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。
[0232]
 なお、導電体205、絶縁体214、および絶縁体216は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体203の一部が第2のゲート電極として機能することができる。
[0233]
 絶縁体210、および絶縁体214は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ200に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体210、および絶縁体214は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N O、NO、NO など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する(上記不純物が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)絶縁性材料を用いることが好ましい。また、絶縁体280の上に、絶縁体210または絶縁体214と同様のバリア絶縁膜として機能する絶縁体を設けてもよい。これにより、絶縁体280の上から、水または水素などの不純物が、トランジスタ200に混入するのを抑制することができる。
[0234]
 例えば、絶縁体210として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体214として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体210および絶縁体214よりも基板側からトランジスタ200側に拡散することを抑制することができる。または、絶縁体224などに含まれる酸素が、絶縁体210および絶縁体214よりも基板側に、拡散することを抑制することができる。
[0235]
 また、導電体203の上に導電体205を積層して設ける構成にすることにより、導電体203と導電体205の間に絶縁体214を設けることができる。ここで、導電体203の第2の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体214として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを抑制することができる。
[0236]
 また、層間膜として機能する絶縁体212、絶縁体216、および絶縁体280は、絶縁体210、または絶縁体214よりも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。
[0237]
 例えば、絶縁体212、絶縁体216、および絶縁体280として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO )または(Ba、Sr)TiO (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。
[0238]
 絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、ゲート絶縁体としての機能を有する。また、トランジスタ500に設けられる絶縁体524、およびトランジスタ700に設けられる絶縁体724も、絶縁体224と同様にゲート絶縁体としての機能を有する。なお、本実施の形態では、絶縁体224と、絶縁体524および絶縁体724は分離されているが、絶縁体224と、絶縁体524および絶縁体724がつながっていてもよい。
[0239]
 ここで、酸化物230と接する絶縁体224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224には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物230に接して設けることにより、酸化物230中の酸素欠損を低減し、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。
[0240]
 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、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が1.0×10 18molecules/cm 以上、好ましくは1.0×10 19molecules/cm 以上、さらに好ましくは2.0×10 19molecules/cm 以上、または3.0×10 20molecules/cm 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。
[0241]
 また、絶縁体224が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体222は、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)ことが好ましい。
[0242]
 絶縁体222が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体224が有する過剰酸素領域の酸素は、絶縁体220側へ拡散することなく、効率よく酸化物230へ供給することができる。また、導電体205が、絶縁体224が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。
[0243]
 絶縁体222は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO )または(Ba、Sr)TiO (BST)などのいわゆるhigh−k材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にhigh−k材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
[0244]
 特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する(上記酸素が透過しにくい。)絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体222を形成した場合、絶縁体222は、酸化物230からの酸素の放出や、トランジスタ200の周辺部から酸化物230への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
[0245]
 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。
[0246]
 また、絶縁体220は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、high−k材料の絶縁体と絶縁体220とを組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
[0247]
 なお、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224が、2層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
[0248]
 酸化物230は、酸化物230aと、酸化物230a上の酸化物230bと、酸化物230b上の酸化物230cと、を有する。酸化物230b下に酸化物230aを有することで、酸化物230aよりも下方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物230b上に酸化物230cを有することで、酸化物230cよりも上方に形成された構造物から、酸化物230bへの不純物の拡散を抑制することができる。
[0249]
 なお、酸化物230は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物230aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物230aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、酸化物230bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、酸化物230aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物230cは、酸化物230aまたは酸化物230bに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
[0250]
 また、酸化物230aおよび酸化物230cの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物230b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230aおよび酸化物230cの電子親和力が、酸化物230bの電子親和力より小さいことが好ましい。
[0251]
 ここで、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部において、伝導帯下端はなだらかに変化する。換言すると、酸化物230a、酸化物230b、および酸化物230cの接合部における伝導帯下端は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230cとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
[0252]
 具体的には、酸化物230aと酸化物230b、酸化物230bと酸化物230cが、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする。)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物230bがIn−Ga−Zn酸化物の場合、酸化物230aおよび酸化物230cとして、In−Ga−Zn酸化物、Ga−Zn酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
[0253]
 このとき、キャリアの主たる経路は酸化物230bとなる。酸化物230a、酸化物230cを上述の構成とすることで、酸化物230aと酸化物230bとの界面、および酸化物230bと酸化物230cとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ200は高いオン電流を得られる。
[0254]
 また、酸化物230は、領域231、領域232、および領域234を有する。なお、領域231の少なくとも一部は、絶縁体273と近接する領域を有する。また、領域232は、少なくとも、絶縁体275と重畳する領域を有する。
[0255]
 なお、トランジスタ200をオンさせると、領域231a、または領域231bは、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域234の少なくとも一部は、チャネル形成領域として機能する。領域231と、領域234の間に領域232を有することで、トランジスタ200において、オン電流を大きくし、かつ、非導通時のリーク電流(オフ電流)を小さくすることができる。
[0256]
 トランジスタ200において、領域232を設けることで、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域231と、チャネルが形成される領域234との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域232を有することで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、第1のゲート電極(導電体260)とが重ならないため、両者の間で不要な容量が形成されることを抑制できる。また、領域232を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。
[0257]
 つまり、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。例えば、トランジスタ200をオフ電流が小さくなる構成とし、トランジスタ500をオン電流が大きくなる構成にすることができる。
[0258]
 酸化物230は、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう。)を用いることが好ましい。例えば、領域234となる金属酸化物としては、バンドギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
[0259]
 酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
[0260]
 絶縁体250は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体250は、酸化物230cの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体250は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が1.0×10 18molecules/cm 以上、好ましくは1.0×10 19molecules/cm 以上、さらに好ましくは2.0×10 19molecules/cm 以上、または3.0×10 20molecules/cm 以上である絶縁膜である。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。
[0261]
 絶縁体250として、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。
[0262]
 絶縁体250として、加熱により酸素が放出される絶縁体を、酸化物230cの上面に接して設けることにより、絶縁体250から、酸化物230bの領域234に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体250中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体250の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましい。
[0263]
 また、絶縁体250が有する過剰酸素を、効率的に酸化物230へ供給するために、金属酸化物252を設けてもよい。従って、金属酸化物252は、絶縁体250からの酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物252を設けることで、絶縁体250から導電体260への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物230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260の酸化を抑制することができる。
[0264]
 なお、金属酸化物252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230として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物252として用いることができる。その場合、導電体260をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物252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。
[0265]
 また、金属酸化物252は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体250に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物252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。
[0266]
 トランジスタ200において、金属酸化物252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、ゲート絶縁体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。
[0267]
 金属酸化物252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260からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ200のオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁体として機能する場合は、絶縁体250と、金属酸化物252との物理的な厚みにより、導電体260と、酸化物230との間の距離を保つことで、導電体260と酸化物230との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体250、および金属酸化物252との積層構造を設けることで、導電体260と酸化物230との間の物理的な距離、および導電体260から酸化物230へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
[0268]
 具体的には、酸化物230に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物252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。
[0269]
 特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物252は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
[0270]
 第1のゲート電極として機能する導電体260は、導電体260a、および導電体260a上の導電体260bを有する。導電体260aは、導電体205の第1の導電体と同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N O、NO、NO など)、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一)の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
[0271]
 導電体260aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体250、および金属酸化物252が有する過剰酸素により、導電体260bが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
[0272]
 また、導電体260は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体260bとして、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体260bは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
[0273]
 また、図10(A)に示すように、導電体205が、酸化物230のチャネル幅方向の端部よりも外側の領域に延伸している場合、導電体260は、当該領域において、絶縁体250を介して、導電体205と重畳していることが好ましい。つまり、酸化物230の側面の外側において、導電体205と、絶縁体250と、導電体260とは、積層構造を形成することが好ましい。
[0274]
 上記構成を有することで、導電体260、および導電体205に電位を印加した場合、導電体260から生じる電界と、導電体205から生じる電界と、がつながり、酸化物230に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
[0275]
 つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電体260の電界と、第2のゲート電極としての機能を有する導電体205の電界によって、領域234のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
[0276]
 また、導電体260bの上に、バリア膜として機能する絶縁体270を配置してもよい。絶縁体270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270よりも上方から拡散する酸素で導電体260が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体270よりも上方から拡散する水または水素などの不純物が、導電体260および絶縁体250を介して、酸化物230に混入することを抑制することができる。
[0277]
 また、絶縁体270上に、ハードマスクとして機能する絶縁体271を配置することが好ましい。絶縁体271を設けることで、導電体260の加工の際、導電体260の側面が概略垂直、具体的には、導電体260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。導電体260をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体275を所望の形状に形成することができる。
[0278]
 なお、絶縁体271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、バリア膜としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体270は設けなくともよい。
[0279]
 バッファ層として機能する絶縁体275は、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、金属酸化物252の側面、導電体260の側面、および絶縁体270の側面に接して設ける。
[0280]
 例えば、絶縁体275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。
[0281]
 また、絶縁体275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を、絶縁体275として、酸化物230c、および絶縁体250と接して設けることで、絶縁体250から、酸化物230bの領域234に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体275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。
[0282]
 絶縁体130は、比誘電率の大きい絶縁体を用いることが好ましく、絶縁体222などに用いることができる絶縁体を用いればよい。例えば、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。また、絶縁体130は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。絶縁体130は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などから、2層以上を選び積層構造としても良い。例えば、ALD法によって、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムおよび酸化ハフニウムを順に成膜し、積層構造とすることが好ましい。酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムの膜厚は、それぞれ、0.5nm以上5nm以下とする。このような積層構造とすることで、容量値が大きく、かつ、リーグ電流の小さな容量素子100とすることができる。
[0283]
 図9(A)(B)に示すように、上面視において、絶縁体130の側面は、導電体110および導電体120の側面と一致しているが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体130をパターン形成せずに、絶縁体130がトランジスタ200およびトランジスタ500を覆う構成にしてもよい。
[0284]
 導電体120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、図示しないが、導電体120は積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
[0285]
 また、図11(B)に示すように、導電体110、絶縁体130および導電体120は、酸化物230の側面まで覆っ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、酸化物230の側面方向でも容量素子100を形成することができるので、容量素子100の単位面積当たりの電気容量を大きくすることができる。
[0286]
 絶縁体273は、少なくとも層242、絶縁体275、層542、絶縁体575、層742、絶縁体775、および導電体120上に設けられる。絶縁体273をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体275、絶縁体575、および絶縁体775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230、酸化物530、および酸化物730中に酸素を供給することができる。また、絶縁体273を、酸化物230の層242、酸化物530の層542、および酸化物730の層742上に設けることで、酸化物230、酸化物530、および酸化物730中の水素を、絶縁体273へと引き抜くことができる。
[0287]
 例えば、絶縁体273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。
[0288]
 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。
[0289]
 また、絶縁体273の上に、絶縁体274を設ける。絶縁体274は、バリア性を有し、水素濃度が低減された膜を用いることが好ましい。例えば、絶縁体274としては、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などを用いるとよい。バリア性を有する絶縁体273と、バリア性を有する絶縁体274を設けることで、層間膜など、他の構造体から不純物がトランジスタ200へ拡散することを抑制することができる。
[0290]
 また、絶縁体274の上に、層間膜として機能する絶縁体280を設けることが好ましい。絶縁体280は、絶縁体224などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。なお、絶縁体280の上に絶縁体210と同様の絶縁体を設けてもよい。当該絶縁体をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体280の不純物を低減することができる。
[0291]
 また、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273に形成された開口に、導電体240a、導電体240b、導電体540a、導電体540b、導電体740a、導電体740b、および導電体740cを配置する。導電体240aおよび導電体240bは、導電体260を挟んで対向して設ける。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740aおよび導電体740bは、導電体760を挟んで対向して設ける。なお、導電体240a、導電体240b、導電体540a、導電体540b、導電体740a、導電体740b、および導電体740cの上面は、絶縁体280の上面と、同一平面上としてもよい。
[0292]
 なお、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273の開口の内壁に接して導電体240aが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物230の領域231aが位置しており、導電体240aが領域231aと接する。導電体540a、導電体540b、導電体740a、および導電体740bについても同様である。
[0293]
 ここで、図11(A)に示すように、導電体240aは、酸化物230の側面と重畳することが好ましい。特に、導電体240aは、酸化物230のチャネル幅方向と交わる側面において、A7側の側面、およびA8側の側面の双方または一方と重畳することが好ましい。また、導電体240aが、酸化物230のチャネル長方向と交わる側面において、A1側(A2側)の側面と重畳する構成にしてもよい。このように、導電体240aが、ソース領域またはドレイン領域となる領域231、および酸化物230の側面と重畳する構成とすることで、導電体240aとトランジスタ200のコンタクト部の投影面積を増やすことなく、コンタクト部の接触面積を増加させ、導電体240aとトランジスタ200の接触抵抗を低減することができる。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。また、酸化物230のソース領域またはドレイン領域となる領域231と接する導電体110も同様に酸化物230および層242と接することが好ましい。また、導電体540a、導電体540b、導電体740a、および導電体740bについても同様である。
[0294]
 導電体240a、導電体240b、導電体540a、導電体540b、導電体740a、導電体740b、および導電体740cは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体240a、導電体240b、導電体540a、導電体540b、導電体740a、導電体740b、および導電体740cは積層構造としてもよい。
[0295]
 ここで、例えば、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273に開口を形成する際に、酸化物230において、領域231の低抵抗化した領域が除去され、低抵抗化していない酸化物230が露出する場合がある。その場合、導電体240の酸化物230と接する導電体(以下、導電体240の第1の導電体ともいう。)に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、低抵抗化していない酸化物230と導電体240の第1の導電体とが接することで、金属化合物、または酸化物230に酸素欠損が形成され、酸化物230の領域231が、低抵抗化する。従って、導電体240の第1の導電体と接する酸化物230を低抵抗化することで、酸化物230と導電体240とのコンタクト抵抗を低減することができる。従って、導電体240の第1の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。導電体540および導電体740も同様の構造にすればよい。
[0296]
 また、導電体240、導電体540、および導電体740を積層構造とする場合、絶縁体280、絶縁体274、および絶縁体273と接する導電体には、導電体205の第1の導電体などと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体280より上層から水素、水などの不純物が、導電体240、導電体540、および導電体740を通じて酸化物230および酸化物530に混入するのを抑制することができる。
[0297]
 なお、導電体240、導電体540、および導電体740を設ける開口において、当該開口の内壁を、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁体が覆っている構成にしてもよい。ここで、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁体としては、絶縁体214と同様の絶縁体を用いればよく、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体280などから水素、水などの不純物が、導電体240、導電体540、および導電体740を通じて酸化物230、酸化物530、および酸化物730に混入するのを抑制することができる。また、当該絶縁体は、例えばALD法またはCVD法などを用いて成膜することで被覆性良く成膜することができる。
[0298]
 また、図示しないが、導電体240、導電体540、および導電体740の上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、導電体203などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
[0299]
<半導体装置の構成材料>
 以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。以下において、特段の記載を行わない場合、トランジスタ200に用いることができる構成材料は、トランジスタ500およびトランジスタ700に用いることができるものとする。
[0300]
 以下に示す構成材料の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、パルスレーザ堆積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法、または原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことができる。
[0301]
 なお、CVD法は、プラズマを利用するプラズマCVD(PECVD:Plasma Enhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal CVD)法、光を利用する光CVD(Photo CVD)法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属CVD(MCVD:Metal CVD)法、有機金属CVD(MOCVD:Metal Organic CVD)法に分けることができる。
[0302]
 プラズマCVD法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱CVD法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを抑制することが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子(トランジスタ、容量素子など)などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱CVD法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱CVD法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
[0303]
 また、ALD法も、被処理物へのプラズマダメージを抑制することが可能な成膜方法である。よって、欠陥の少ない膜が得られる。なお、ALD法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ALD法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、X線光電子分光法(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて行うことができる。
[0304]
 CVD法およびALD法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ALD法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ALD法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いCVD法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
[0305]
 CVD法およびALD法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、CVD法およびALD法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、CVD法およびALD法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
[0306]
 また、当該構成材料の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
[0307]
 リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、KrFエキシマレーザ光、ArFエキシマレーザ光、EUV(Extreme Ultra violet)光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体(例えば水)を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、レジスト上に直接描画を行うため、上述のレジスト露光用のマスクは不要となる。なお、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウエットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウエットエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処理後にドライエッチング処理を行う、などで、除去することができる。
[0308]
 また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、当該構成材料上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。当該構成材料のエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。当該構成材料のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去してもよい。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。
[0309]
 ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)エッチング装置などを用いることができる。
[0310]
<<絶縁体>>
 絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
[0311]
 例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、high−k材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
[0312]
 また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
[0313]
 また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。
[0314]
 また、特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定である。そのため、例えば、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。また、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
[0315]
 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。
[0316]
 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。
[0317]
 例えば、絶縁体273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。
[0318]
 特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、0.5nm以上3.0nm以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めることができる。したがって、酸化ハフニウムの膜厚を調整することで、水素、および窒素の適切な添加量を調整することができる。
[0319]
 例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体224および絶縁体250は、過剰酸素領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、過剰酸素領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物230と接する構造とすることで、酸化物230が有する酸素欠損を補償することができる。
[0320]
 また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体222において、アルミニウム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物(ハフニウムアルミネート)などを用いることが好ましい。
[0321]
 例えば、絶縁体220には、熱に対して安定である酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いることが好ましい。ゲート絶縁体として、熱に対して安定な膜と、比誘電率が高い膜との積層構造とすることで、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜厚(EOT)の薄膜化が可能となる。
[0322]
 上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域との間のリーク電流を抑制することができる。
[0323]
 絶縁体212、絶縁体216、絶縁体271、絶縁体275、および絶縁体280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、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、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。
[0324]
 絶縁体210、絶縁体214、絶縁体270、および絶縁体273としては、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。絶縁体210、絶縁体214、絶縁体270および絶縁体273としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。
[0325]
<<導電体>>
 導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
[0326]
 また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
[0327]
 なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
[0328]
 特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
[0329]
 導電体260、導電体203、導電体205、および導電体240としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
[0330]
<<金属酸化物>>
 酸化物230として、酸化物半導体として機能する金属酸化物(以下、酸化物半導体ともいう。)を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物230に適用可能な金属酸化物について説明する。
[0331]
 金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
[0332]
 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スズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
[0333]
 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。
[0334]
[金属酸化物の構成]
 以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。
[0335]
 なお、本明細書等において、CAAC(c−axis aligned crystal)、およびCAC(Cloud−Aligned Composite)と記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、または材料の構成の一例を表す。
[0336]
 CAC−OSまたはCAC−metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC−OSまたはCAC−metal oxideを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(または正孔)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/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。
[0337]
 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。
[0338]
 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。
[0339]
 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 oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC−OS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。
[0340]
 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。
[0341]
[金属酸化物の構造]
 酸化物半導体(金属酸化物)は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC−OS(c−axis aligned crystalline oxide 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:amorphous−like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがある。
[0342]
 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。
[0343]
 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。
[0344]
 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。
[0345]
 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。
[0346]
 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。
[0347]
 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。
[0348]
 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。
[0349]
[金属酸化物を有するトランジスタ]
 続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
[0350]
 なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
[0351]
 また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が8×10 11/cm 未満、好ましくは1×10 11/cm 未満、さらに好ましくは1×10 10/cm 未満であり、1×10 −9/cm 以上とすればよい。
[0352]
 また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
[0353]
 また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
[0354]
 したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
[0355]
[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。
[0356]
 金属酸化物において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度(SIMSにより得られる濃度)を、2×10 18atoms/cm 以下、好ましくは2×10 17atoms/cm 以下とする。
[0357]
 また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×10 18atoms/cm 以下、好ましくは2×10 16atoms/cm 以下にする。
[0358]
 また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、金属酸化物中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×10 19atoms/cm 未満、好ましくは5×10 18atoms/cm 以下、より好ましくは1×10 18atoms/cm 以下、さらに好ましくは5×10 17atoms/cm 以下とする。
[0359]
 また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。したがって、水素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×10 20atoms/cm 未満、好ましくは1×10 19atoms/cm 未満、より好ましくは5×10 18atoms/cm 未満、さらに好ましくは1×10 18atoms/cm 未満とする。
[0360]
 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。
[0361]
<半導体装置の変形例>
 以下では、図13乃至図19を用いて、本発明の一態様に係る半導体装置の一例について説明する。
[0362]
 図13、図14、および図15に示す半導体装置は、トランジスタ200において、絶縁体275ではなく絶縁体272が設けられている点において、図9乃至図12に示す半導体装置と異なる。なお、その他の構成の記載については、図9乃至図12に示す半導体装置に係る記載を参酌することができる。また、トランジスタ500も同様に絶縁体575ではなく、絶縁体572が設けられている。また、図示しないが、トランジスタ700も同様に絶縁体775の代わりに絶縁体572相当の絶縁体が設けられている。以下、絶縁体572および当該絶縁体572相当の絶縁体は、絶縁体272の記載を参酌することができる。
[0363]
 図13(A)は、メモリセル600を有する半導体装置の上面図である。また、図13(B)、図14(A)、図14(B)は当該半導体装置の断面図である。ここで、図13(B)は、図13(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向、およびトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図14(A)は、図13(A)にA3−A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図14(B)は、図13(A)にA5−A6の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ500のチャネル長方向の断面図でもある。なお、図13(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、図13(A)のA7−A8の一点鎖線で示す部位の断面は、図11(A)に示す構造と同じである。また、図13(A)のA9−A10の一点鎖線で示す部位の断面は、図11(B)に示す構造と同じである。また図13(B)において破線で囲む、領域239の拡大図を図15に示す。
[0364]
 絶縁体272は、酸化物230cの側面、絶縁体250の側面、金属酸化物252の側面、導電体260の側面、および絶縁体270の側面に接して設ける。ここで、絶縁体272は、バッファ層としての機能を有する。なお、絶縁体272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てもよい。その場合、絶縁体272はバリア層としての機能も有する。
[0365]
 例えば、絶縁体272として、ALD法を用いて成膜することが好ましい。ALD法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。絶縁体272は、例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。絶縁体272として、ALD法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁体272の膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下とすることが好ましい。
[0366]
 絶縁体272を設けることで、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体で、絶縁体250、金属酸化物252、および導電体260の側面を覆うことができる。従って、絶縁体250、および金属酸化物252の端部などから酸化物230に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。そのため、酸化物230と、絶縁体250との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。つまり、絶縁体272は、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとしての機能を有する。
[0367]
 図16、および図17に示す半導体装置は、トランジスタ200およびトランジスタ500の上に絶縁体135が設けられ、導電体120aによって、トランジスタ200とトランジスタ500が接続されている点において、図9乃至図12に示す半導体装置と異なる。なお、その他の構成の記載については、図9乃至図12に示す半導体装置に係る記載を参酌することができる。
[0368]
 図16(A)は、メモリセル600を有する半導体装置の上面図である。また、図16(B)、図17は当該半導体装置の断面図である。ここで、図16(B)は、図16(A)にA1−A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向、およびトランジスタ500のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図17は、図16(A)にA9−A10の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図16(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、図16(A)の、A3−A4、A5−A6、およびA7−A8の一点鎖線で示す部位の断面は、図10、図11(A)に示す構造とほぼ同じなので省略する。
[0369]
 酸化物230の低抵抗化のために酸化物230に接して成膜された、金属元素を有する膜は、酸化物230から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。上記金属元素を有する膜を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。当該絶縁体を絶縁体135とする。すなわち、絶縁体135は上記金属元素を有する膜と同じ金属元素を有する。
[0370]
 絶縁体135を形成する場合、上記金属元素を有する膜は、後工程で、絶縁化させることができる程度の膜厚で設ける。例えば、上記金属元素を有する膜は、0.5nm以上5nm以下、好ましくは1nm以上2nm以下の膜厚で設けるとよい。
[0371]
 また、絶縁体135を形成する場合、窒素を含む雰囲気下において一度熱処理を行ったあとに、酸化性雰囲気下で熱処理を行うと好適である。窒素を含む雰囲気下において、一度熱処理を行うことで、酸化物230中の酸素が上記金属元素を有する膜に拡散しやすくなる。
[0372]
 絶縁体135を形成する場合、図16および図17に示すように、トランジスタ200において、絶縁体135は、少なくとも、絶縁体250、金属酸化物252、導電体260、絶縁体270、絶縁体271、および絶縁体275を介して、酸化物230上に設けられる。絶縁体135と酸化物230の間に層242が形成される場合がある。これは、トランジスタ500、トランジスタ700についても同様である。
[0373]
 図16および図17に示すメモリセル600では、図9乃至図12に示すメモリセル600とは異なり、トランジスタ200およびトランジスタ500のコンタクト部と、容量素子100が重ならない。
[0374]
 トランジスタ200およびトランジスタ500のコンタクト部は、酸化物230の領域231b上の絶縁体135および絶縁体130aに形成された開口と、導電体560上の絶縁体135、絶縁体130a、絶縁体570、および絶縁体571に形成された開口を介して、導電体120aがトランジスタ200のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ500のゲートを電気的に接続する。ここで、導電体120aは導電体120と、絶縁体130aは絶縁体130と同様の構造を有する。
[0375]
 容量素子100は、層242(酸化物230の領域231b)と、層242上の絶縁体135と、絶縁体135上の絶縁体130bと、絶縁体130b上の導電体120bと、を有する。さらに、絶縁体130bの上に、少なくとも一部が酸化物230の領域231bと重なるように、導電体120bが配置されることが好ましい。また、導電体120bの上に接して導電体240cが配置されることが好ましい。ここで、導電体120bは導電体120と、絶縁体130bは絶縁体130と、導電体240cは導電体240bと同様の構造を有する。
[0376]
 酸化物230の領域231bは、容量素子100の電極の一方として機能し、導電体120bは容量素子100の電極の他方として機能する。絶縁体130bおよび絶縁体135は容量素子100の誘電体として機能する。酸化物230の領域231bは低抵抗化されており、導電性酸化物である。従って、容量素子100の電極の一方として機能することができる。
[0377]
 また、上記実施の形態において、図2(C)に示すように2つのメモリセルを隣接して配置する場合、図18に示すように、2つのメモリセル600(メモリセル600a、メモリセル600b)を配置してもよい。メモリセル600aは、トランジスタ200a、トランジスタ500a、および容量素子100aを有する。また、メモリセル600bは、トランジスタ200b、トランジスタ500b、および容量素子100bを有する。
[0378]
 ここで、図18に示すメモリセル600aおよびメモリセル600bに含まれる、導電体260_aおよび導電体260_bは導電体260に対応し、絶縁体275_aおよび絶縁体275_bは絶縁体275に対応し、導電体203_aおよび導電体203_bは導電体203に対応し、導電体110_aおよび導電体110_bは導電体110に対応し、導電体120_aおよび導電体120_bは導電体120に対応し、導電体540a_aおよび導電体540a_bは導電体540aに対応し、導電体540b_aおよび導電体540b_bは導電体540bに対応する。
[0379]
 トランジスタ200aのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ200bのソースおよびドレインの一方は、いずれも導電体240と電気的に接続している。また、導電体240の上に設けられた導電体112は、導電体240と接続している。このように、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続する配線を共通化することで、メモリセルアレイの占有面積をさらに縮小することができる。なお、導電体540a_a、導電体540a_b、導電体540b_a、および導電体540b_bのいずれか一または複数の上に、導電体112と平行に延伸される導電体を設けてもよい。
[0380]
 また、図18に示すように、トランジスタ200aのゲートの側面に絶縁体275_aを、トランジスタ200bのゲートの側面に絶縁体275_bを、設けておくことにより、共通する導電体240をトランジスタ200aおよびトランジスタ200bのゲートと短絡させずに、自己整合的に形成することができる。ここで、導電体240は、絶縁体275_aおよび絶縁体275_bの側面のいずれか一方または両方と接する領域を有することが好ましい。
[0381]
 導電体240を埋め込む開口を形成するには、絶縁体280、絶縁体274、絶縁体273の開口形成時に、絶縁体275のエッチング速度が、絶縁体273のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体275のエッチング速度を1とすると、絶縁体273のエッチング速度は5以上が好ましく、より好ましくは10以上である。ここで、絶縁体275として用いる絶縁性材料は、上記のエッチング速度を満たすように、エッチング条件および絶縁体273として用いる絶縁性材料に合わせて適宜選択することが好ましい。例えば、絶縁体275として用いる絶縁性材料として、上記の絶縁性材料だけでなく、絶縁体270に用いることができる絶縁性材料を用いてもよい。
[0382]
 このように導電体240を埋め込む開口を形成することで、当該開口の形成時に絶縁体275_aおよび絶縁体275_bがエッチングストッパーとして機能するので、当該開口が導電体260_a及び導電体260_bに達することを防ぐことができる。よって、導電体240、およびそれを埋め込む開口を、自己整合的に形成することができる。例えば、導電体240を形成する開口がA1側またはA2側にずれて形成されても、導電体240と導電体260_aまたは導電体260_bは接触しない。また、導電体240を形成する開口のトランジスタ200のチャネル長方向の幅を、絶縁体275_aと絶縁体275_bの距離より大きくすることで、当該開口の位置がずれて形成されても導電体240は層242と十分なコンタクトを取ることができる。
[0383]
 よって、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bのコンタクト部と、トランジスタ200aのゲートと、トランジスタ200bのゲートと、の位置合わせのマージンを広くすることができ、これらの構成の間隔を小さく設計することができる。以上のようにして、上記半導体装置の微細化および高集積化を図ることができる。
[0384]
 また、図18に示すように、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bの導電体240bに対応する導電体は必ずしも設けなくてもよい。例えば、図18に示すように、導電体120_aおよび導電体120_bを延伸させて配線としても機能させる場合は、トランジスタ200aおよびトランジスタ200bの導電体240bを設けなくてもよい。また、導電体120_aおよび導電体120_bと同様に、導電体260_a、導電体260_b、導電体203_a、および導電体203_bも配線として機能させてよく、その場合、トランジスタ200aまたはトランジスタ200bのチャネル幅方向に延伸して設けてもよい。なお、図18では、配線として機能する導電体120_a、導電体120_b、導電体203_a、および導電体203_bを導電体260_aおよび導電体260_bと同じ方向に延伸させているが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではなく、メモリセルアレイの回路配置や駆動方法に合わせて適宜配置すればよい。
[0385]
 図18に示すメモリセル600aおよびメモリセル600bは、配線として機能する導電体260_aおよび導電体260_bと、配線として機能する導電体112とが直交するように設ける構成とすることができる。
[0386]
 また、上記実施の形態において、図3に示すように、メモリセル600を含む層を複数積層して配置する場合、図19に示すように、トランジスタ300a乃至トランジスタ300cを含む層310の上に、トランジスタ700およびメモリセル600を含む層610を積層して配置してもよい。図19では、層610を第1層から第N層まで積層している。ここで、トランジスタ300aのソースおよびドレインの一方は、配線CLとして機能する導電体を介して、各層610のトランジスタ700のソースおよびドレインの一方と電気的に接続されることが好ましい。図19に示すように、複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの専有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、3Dセルアレイを構成することができる。
[0387]
 本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、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、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
[0388]
 本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
[0389]
(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半導体装置が搭載された電子機器の例について説明する。
[0390]
 図20(A)に示すロボット2100は、演算装置2110、照度センサ2101、マイクロフォン2102、上部カメラ2103、スピーカ2104、ディスプレイ2105、下部カメラ2106、障害物センサ2107、および移動機構2108を備える。
[0391]
 ロボット2100において、演算装置2110、照度センサ2101、上部カメラ2103、下部カメラ2106および障害物センサ2107等に、上記半導体装置を使用することができる。
[0392]
 マイクロフォン2102は、使用者の話し声及び環境音等を検知する機能を有する。また、スピーカ2104は、音声を発する機能を有する。ロボット2100は、マイクロフォン2102およびスピーカ2104を用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。
[0393]
 ディスプレイ2105は、種々の情報の表示を行う機能を有する。ロボット2100は、使用者の望みの情報をディスプレイ2105に表示することが可能である。ディスプレイ2105は、タッチパネルを搭載していてもよい。
[0394]
 上部カメラ2103および下部カメラ2106は、ロボット2100の周囲を撮像する機能を有する。また、障害物センサ2107は、移動機構2108を用いてロボット2100が前進する際の進行方向における障害物の有無を察知することができる。ロボット2100は、上部カメラ2103、下部カメラ2106および障害物センサ2107を用いて、周囲の環境を認識し、安全に移動することが可能である。
[0395]
 図20(B)に示す飛行体2120は、演算装置2121と、プロペラ2123と、カメラ2122と、を有し、自立して飛行する機能を有する。
[0396]
 飛行体2120において、演算装置2121およびカメラ2122に上記半導体装置を用いることができる。
[0397]
 図20(C)は、自動車の一例を示す外観図である。自動車2980は、カメラ2981等を有する。また、自動車2980は、赤外線レーダー、ミリ波レーダー、レーザーレーダーなど各種センサなどを備える。自動車2980は、カメラ2981が撮影した画像を解析し、歩行者の有無など、周囲の交通状況を判断し、自動運転を行うことができる。
[0398]
 自動車2980において、カメラ2981に上記半導体装置を用いることができる。
[0399]
 図20(D)に、互いに別々の言語で話す複数の人間のコミュニケーションにおいて、携帯電子機器2130に同時通訳を行わせる状況を示す。
[0400]
 携帯電子機器2130は、マイクロフォンおよびスピーカ等を有し、使用者の話し声を認識してそれを話し相手の話す言語に翻訳する機能を有する。携帯電子機器2130の演算装置に、上記半導体装置を使用することができる。
[0401]
 また、図20(D)において、使用者は携帯型マイクロフォン2131を有する。携帯型マイクロフォン2131は、無線通信機能を有し、検知した音声を携帯電子機器2130に送信する機能を有する。
[0402]
 図21(A)は、ペースメーカの一例を示す断面模式図である。
[0403]
 ペースメーカ本体5300は、バッテリー5301a、5301bと、レギュレータと、制御回路と、アンテナ5304と、右心房へのワイヤ5302、右心室へのワイヤ5303とを少なくとも有している。
[0404]
 ペースメーカ本体5300に上記半導体装置を用いることができる。
[0405]
 ペースメーカ本体5300は手術により体内に設置され、二本のワイヤは、人体の鎖骨下静脈5305及び上大静脈5306を通過させて一方のワイヤ先端が右心室、もう一方のワイヤ先端が右心房に設置されるようにする。
[0406]
 また、アンテナ5304で電力が受信でき、その電力は複数のバッテリー5301a、5301bに充電され、ペースメーカの交換頻度を少なくすることができる。ペースメーカ本体5300は複数のバッテリーを有しているため、安全性が高く、一方が故障したとしてももう一方が機能させることができるため、補助電源としても機能する。
[0407]
 また、電力を受信できるアンテナ5304とは別に、生理信号を送信できるアンテナを有していてもよく、例えば、脈拍、呼吸数、心拍数、体温などの生理信号を外部のモニタ装置で確認できるような心臓活動を監視するシステムを構成してもよい。
[0408]
 図21(B)に示すセンサ5900は、接着パッド等を用いて人体に取り付けられる。センサ5900は、配線5932を介して人体に取り付けられた電極5931等に信号を与えて心拍数や心電図などの生体情報を取得する。取得された情報は無線信号として、読み取り器等の端末に送信される。
[0409]
 センサ5900に、上記半導体装置を用いることができる。
[0410]
 図22は、掃除ロボットの一例を示す模式図である。
[0411]
 掃除ロボット5100は、上面に配置されたディスプレイ5101、側面に配置された複数のカメラ5102、ブラシ5103、操作ボタン5104を有する。また図示されていないが、掃除ロボット5100の下面には、タイヤ、吸い込み口等が備えられている。掃除ロボット5100は、その他に赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなどの各種センサを備えている。また、掃除ロボット5100は、無線による通信手段を備えている。
[0412]
 カメラ5102に、上記半導体装置を用いることができる。
[0413]
 掃除ロボット5100は自走し、ゴミ5120を検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。
[0414]
 また、掃除ロボット5100はカメラ5102が撮影した画像を解析し、壁、家具または段差などの障害物の有無を判断することができる。また、画像解析により、配線などブラシ5103に絡まりそうな物体を検知した場合は、ブラシ5103の回転を止めることができる。
[0415]
 ディスプレイ5101には、バッテリーの残量や、吸引したゴミの量などを表示することができる。また、掃除ロボット5100が走行した経路をディスプレイ5101に表示させてもよい。また、ディスプレイ5101をタッチパネルとし、操作ボタン5104をディスプレイ5101に設けてもよい。
[0416]
 掃除ロボット5100は、スマートフォンなどの携帯電子機器5140と通信することができる。カメラ5102が撮影した画像は、携帯電子機器5140に表示させることができる。そのため、掃除ロボット5100の持ち主は、外出先からでも、部屋の様子を知ることができる。
[0417]
 本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。

符号の説明

[0418]
10:半導体装置、20:層、21:制御回路、22:プロセッサ、23:周辺回路、24:電源回路、25:制御回路、26:制御回路、27:制御回路、28:制御回路、29:制御回路、30:層、31:セルアレイ、32:メモリセル、33:駆動回路、34:駆動回路、40:層、41:受光部、100:容量素子、100a:容量素子、100b:容量素子、110:導電体、112:導電体、120:導電体、120a:導電体、120b:導電体、130:絶縁体、130a:絶縁体、130b:絶縁体、135:絶縁体、150:絶縁体、200:トランジスタ、200a:トランジスタ、200b:トランジスタ、203:導電体、205:導電体、210:絶縁体、212:絶縁体、214:絶縁体、216:絶縁体、218:導電体、220:絶縁体、222:絶縁体、224:絶縁体、230:酸化物、230a:酸化物、230b:酸化物、230c:酸化物、231:領域、231a:領域、231b:領域、232:領域、232a:領域、232b:領域、234:領域、239:領域、240:導電体、240a:導電体、240b:導電体、240c:導電体、242:層、250:絶縁体、252:金属酸化物、260:導電体、260a:導電体、260b:導電体、270:絶縁体、271:絶縁体、272:絶縁体、273:絶縁体、274:絶縁体、275:絶縁体、280:絶縁体、300:トランジスタ、300a:トランジスタ、300b:トランジスタ、300c:トランジスタ、310:層、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、321: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、500:トランジスタ、500a:トランジスタ、500b:トランジスタ、503:導電体、505:導電体、524:絶縁体、530:酸化物、530a:酸化物、530b:酸化物、530c:酸化物、540:導電体、540a:導電体、540b:導電体、542:層、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、572:絶縁体、575:絶縁体、600:メモリセル、600a:メモリセル、600b:メモリセル、610:層、700:トランジスタ、703:導電体、705:導電体、724:絶縁体、730:酸化物、730a:酸化物、730b:酸化物、730c:酸化物、740:導電体、740a:導電体、740b:導電体、740c:導電体、742:層、745:導電体、750:絶縁体、752:金属酸化物、760:導電体、760a:導電体、760b:導電体、770:絶縁体、771:絶縁体、775:絶縁体、2100:ロボット、2101:照度センサ、2102:マイクロフォン、2103:上部カメラ、2104:スピーカ、2105:ディスプレイ、2106:下部カメラ、2107:障害物センサ、2108:移動機構、2110:演算装置、2120:飛行体、2121:演算装置、2122:カメラ、2123:プロペラ、2130:携帯電子機器、2131:携帯型マイクロフォン、2980:自動車、2981:カメラ、5100:掃除ロボット、5101:ディスプレイ、5102:カメラ、5103:ブラシ、5104:操作ボタン、5120:ゴミ、5140:携帯電子機器、5300:ペースメーカ本体、5301a:バッテリー、5301b:バッテリー、5302:ワイヤ、5303:ワイヤ、5304:アンテナ、5305:鎖骨下静脈、5306:上大静脈、5900:センサ、5931:電極、5932:配線

請求の範囲

[請求項1]
 第1の層と、前記第1の層の上方の第2の層と、を有し、
 前記第1の層は、制御回路を有し、
 前記第2の層は、記憶回路を有し、
 前記制御回路は、前記記憶回路の動作を制御する機能を有し、
 前記記憶回路は、複数のメモリセルと、駆動回路と、を有し、
 前記メモリセルは、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有し、
 前記第1のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第2のトランジスタのゲート及び前記容量素子と電気的に接続され、
 前記制御回路は、半導体基板に形成されたトランジスタを有し、
 前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する半導体装置。
[請求項2]
 請求項1において、
 前記駆動回路は、第1の駆動回路と、第2の駆動回路と、を有し、
 前記第1の駆動回路は、前記メモリセルを選択する機能を有し、
 前記第2の駆動回路は、前記メモリセルにデータを書き込む機能と、前記メモリセルに記憶されたデータを読み出す機能と、を有し、
 前記第1の駆動回路及び前記第2の駆動回路は、前記制御回路と電気的に接続され、
 前記第1の駆動回路及び前記第2の駆動回路は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを有する半導体装置。
[請求項3]
 請求項1又は2において、
 前記第1のトランジスタと第2のトランジスタの極性は同一である半導体装置。
[請求項4]
 請求項1又は2において、
 前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタは同一の絶縁層上に形成されている半導体装置。
[請求項5]
 請求項1又は2において、
 前記制御回路は、クロック生成回路と、タイミングコントローラと、を有する半導体装置。
[請求項6]
 請求項1又は2において、
 第1の層は、プロセッサと、周辺回路と、電源回路と、を有し、
 前記プロセッサ、前記周辺回路、及び前記電源回路は、前記半導体基板に形成されたトランジスタを有する半導体装置。
[請求項7]
 請求項1又は2に記載の半導体装置を有する電子機器。
[請求項8]
 請求項1又は2において、前記第2の層の上方に更に第3の層を有し、
 前記第3の層は、受光部を有する半導体装置。
[請求項9]
 第1の層は更に、第2の制御回路を有し、
 第2の制御回路は、受光部に電気的に接続されている半導体装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]

[ 図 15]

[ 図 16]

[ 図 17]

[ 図 18]

[ 図 19]

[ 図 20]

[ 図 21]

[ 図 22]