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JP2024161124A - 半導体装置の駆動方法 - Google Patents

半導体装置の駆動方法 Download PDF

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JP2024161124A
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Kei Takahashi
健 青木
Takeshi Aoki
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Abstract

Figure 2024161124000001
【課題】新規な比較回路、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。
【解決手段】容量素子と、容量素子の第１電極に電気的に接続される第１の出力端子を有する第１の増幅回路と、入力端子、第２の出力端子、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタを有する第２の増幅回路と、を有し、容量素子の第２の電極は入力端子に電気的に接続され、入力端子は第１のトランジスタのゲートと第２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のトランジスタのソースおよびドレインの一方は第２の出力端子に電気的に接続され、第２のトランジスタは入力端子に電位を与えて保持する機能を有し、第２のトランジスタのチャネル形成領域はインジウムおよびガリウムの少なくとも一方を含む金属酸化物を有する半導体装置である。
【選択図】図１

Description

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。
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。
蓄電装置（バッテリ、二次電池ともいう）は、小型の電気機器から自動車に至るまで幅広い分野で利用されるようになっている。電池の応用範囲が広がるにつれて、複数の電池セルを直列に接続したマルチセル構成のバッテリスタックを使ったアプリケーションが増えている。
蓄電装置は、過放電、過充電、過電流、または短絡といった充放電時の異常を把握するための回路を備えている。このように、電池の保護、及び制御を行う回路において、充放電時の異常を検知するため、電圧や電流等のデータを取得する。また、このような回路においては、観測されるデータに基づいて、充放電の停止やセル・バランシングなどの制御を行う。
特許文献１は、電池保護回路として機能する保護ＩＣについて開示している。特許文献１に記載の保護ＩＣでは、内部に複数のコンパレータ（比較器）を設け、参照電圧と、電池が接続された端子の電圧と、を比較して充放電時の異常を検出する構成について開示している。
特許文献２では、電界効果トランジスタを用いたコンパレータが示されている。
米国特許出願公開第２０１１－２６７７２６号明細書 特開２００９－７１６５３号公報
本発明の一態様は、新規な比較回路、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、新規な構成の比較回路、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。
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。
本発明の一態様は、第１の増幅回路、第２の増幅回路および容量素子を有し、第１の増幅回路は第１の出力端子を有し、第２の増幅回路は入力端子、第２の出力端子、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタを有し、第１の出力端子は容量素子の第１の電極に電気的に接続され、容量素子の第２の電極は入力端子に電気的に接続され、第２の増幅回路の入力端子は、第１のトランジスタのゲートと、第２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１のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第２の出力端子に電気的に接続され、第２の増幅回路は、入力端子に与えられる信号を増幅して第２の出力端子に与える機能を有し、第２のトランジスタは、入力端子に電位を与えて保持する機能を有し、第２のトランジスタのチャネル形成領域はインジウムおよびガリウムの少なくとも一方を含む金属酸化物を有する半導体装置である。
または本発明の一態様は、第１の増幅回路、第２の増幅回路および容量素子を有し、第１の増幅回路は第１の出力端子を有し、第２の増幅回路は第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、高電位配線、低電位配線および第１の半導体素子を有し、第１の半導体素子は第３の電極と、第４の電極と、を有し、第１の出力端子は容量素子の第１の電極に電気的に接続され、容量素子の第２の電極は、第１のトランジスタのゲートと、第２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のトランジスタのチャネル形成領域はインジウムおよびガリウムの少なくとも一方を含む金属酸化物を有し、第３の電極は、高電位配線に電気的に接続され、第４の電極と前記第１のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第２の出力端子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、低電位配線に電気的に接続される半導体装置である。
また上記構成において、第１の半導体素子は第３のトランジスタを有し、第３の電極は第３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４の電極は第３のトランジスタのソースおよびドレインの他方に電気的に接続されることが好ましい。
また上記構成において、第１の半導体素子は直列に接続された複数のトランジスタを有し、第３の電極は直列に接続された複数のトランジスタの一方の端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４の電極は直列に接続された複数のトランジスタの他方の端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ことが好ましい。
または本発明の一態様は、第１の増幅回路、第２の増幅回路および容量素子を有し、第２の増幅回路は入力端子、第２の出力端子および第１のトランジスタを有し、第１の出力端子は容量素子の第１の電極に電気的に接続され、容量素子の第２の電極は、入力端子および第１のトランジスタのゲート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一方は、第２の出力端子に電気的に接続され、第１の出力端子から電位Ｖ１が出力され、入力端子に電位Ｖ２が与えられる第１ステップと、入力端子の電位Ｖ２が保持される第２ステップと、第１の出力端子から出力される電位を電位Ｖ１から電位（Ｖ１＋ΔＶ１）に変化させることにより入力端子の電位Ｖ２が電位（Ｖ２＋ΔＶ１）に変化し、電位（Ｖ２＋ΔＶ１）が増幅された信号が第２の出力端子から出力される第３ステップと、を有する半導体装置の動作方法である。
また上記構成において、第２の増幅回路は第２のトランジスタを有し、第１のトランジスタのゲートは、第２のトランジスタのソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、第１ステップにおいて、第２のトランジスタはオン状態であり、第２ステップおよび第３ステップにおいて、第１のトランジスタはオフ状態であることが好ましい。
また上記構成において、第２のトランジスタのチャネル形成領域はインジウムおよびガリウムの少なくとも一方を含む金属酸化物を有することが好ましい。
また上記構成において、第１の増幅回路は第３のトランジスタおよび第４のトランジスタを有し、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４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４のトランジスタのソースおよびドレインの他方は、第１の出力端子に電気的に接続され、第３ステップにおいて、第１の出力端子の電位は、第３のトランジスタのゲートに与えられる電位と第４のトランジスタのゲートに与えられる電位の比較結果に応じて生成されることが好ましい。
また上記構成において、第１の増幅回路は、第５のトランジスタおよび第６のトランジスタを有し、第６のトランジスタのチャネル形成領域はインジウムおよびガリウムの少なくとも一方を含む金属酸化物を有し、第５のトランジスタのソースおよびドレインの一方は、第１の出力端子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一方は、第５のトランジスタのゲートに電気的に接続され、第１ステップにおいて、第６のトランジスタはオン状態であり、第２ステップおよび第３ステップにおいて、第６のトランジスタはオフ状態であることが好ましい。
本発明の一態様により、新規な比較回路、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、新規な構成の比較回路、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。
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１Ａは回路の構成例である。図１Ｂは回路の構成例である。図１Ｃは回路の構成例である。 図２Ａは回路の構成例である。図２Ｂは回路の構成例である。 図３Ａ、図３Ｂは回路の構成例である。 図４は回路の構成例である。 図５は回路の構成例である。 図６Ａは回路の構成例である。図６Ｂは回路の構成例である。 図７は半導体装置の構成例を示す断面図である。 図８Ａはトランジスタの構造例を示す断面図である。図８Ｂはトランジスタの構造例を示す断面図である。図８Ｃはトランジスタの構造例を示す断面図である。 図９Ａはトランジスタの構造例を示す上面図である。図９Ｂはトランジスタの構造例を示す断面図である。図９Ｃはトランジスタの構造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上面図である。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１５は半導体装置の構成例を示す断面図である。 図１６は半導体装置の構成例を示す断面図である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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ものを除外しない。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（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。
＜半導体装置の例＞
図１に示す半導体装置７０は、増幅回路１１、容量素子６１および増幅回路７１を有する。
容量素子６１の容量値は例えば、後述するトランジスタ８１の２倍以上、あるいは５倍以上である。また、容量素子６１の容量値は例えば、１００ｆＦ以上１０ｐＦ未満である。
増幅回路１１には端子ＯＵＴＢが電気的に接続される。端子ＯＵＴＢは容量素子６１の一方の電極に電気的に接続される。
ノードＮＤ１は、端子ＯＵＴＢおよび容量素子６１の一方の電極に電気的に接続される。
増幅回路７１には端子ＩＮ２、端子ＯＵＴ２、端子ＳＥＴ、端子ＶＤＤ、端子ＶＳＳおよび端子ＢＩＡＳ１が電気的に接続される。端子ＩＮ２は容量素子の他方の電極に電気的に接続される。
端子ＶＤＤおよび端子ＶＳＳにはそれぞれ例えば高電位信号、低電位信号が与えられる。低電位信号として接地電位を用いてもよい。
図１Ａに示す増幅回路７１はトランジスタ８１、トランジスタ８２および抵抗素子８９を有する。トランジスタ８１のソースおよびドレインの一方は端子ＶＳＳに電気的に接続され、他方は端子ＯＵＴ２と、抵抗素子８９の一方の電極とに電気的に接続される。抵抗素子８９の他方の電極は端子ＶＤＤに電気的に接続される。トランジスタ８２のソースおよびドレインの一方はトランジスタ８１のゲートと、端子ＩＮ２とに電気的に接続され、他方は端子ＢＩＡＳ１に電気的に接続される。端子ＳＥＴはトランジスタ８２のゲートに電気的に接続される。
端子ＶＤＤと端子ＶＳＳの間の電圧を、抵抗素子８９とトランジスタ８１の抵抗値に応じて抵抗分割された電位が、端子ＯＵＴ２から出力される。
ノードＮＤ２は、端子ＩＮ２と、トランジスタ８１のゲートと、トランジスタ８２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。端子ＳＥＴからトランジスタ８２がオン状態となる信号をトランジスタ８２のゲートに与えることにより、端子ＢＩＡＳ１からの信号がトランジスタ８２を介してノードＮＤ２に与えられる。
トランジスタ８１のゲートに接続されるノードＮＤ２に好適な電位を与えることにより、増幅回路７１の動作点（動作の中心点と呼ぶ場合がある）を好適な電位とし、増幅回路７１の利得をさらに高めることができる。また、増幅回路７１の出力レンジをさらに広くすることができる。
本発明の一態様の半導体装置において、トランジスタ８２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８２をオフ状態とすることによりノードＮＤ２に好適な電位を与えた後、浮遊状態とすることができる。すなわちノードＮＤ２に電位を与えた後、トランジスタ８２をオフ状態として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。
ノードＮＤ２が浮遊状態となることにより、端子ＢＩＡＳ１からの信号供給を停止してもノードＮＤ２の電位が保持される。このとき例えば、ノードＮＤ２には増幅回路７１の好適な動作点が保持される。ノードＮＤ２に動作点を保持した後、端子ＢＩＡＳ１への信号供給を停止することができるため、半導体装置７０の消費電力を低減することができる。
ノードＮＤ２が浮遊状態であるため、容量素子６１との容量結合によりノードＮＤ２の電位は、保持された好適な動作点を中心として、ノードＮＤ１の電位の変動に相当する量だけ変動する。よって、増幅回路７１は好適な動作点において動作することができる。
本発明の一態様の半導体装置において、増幅回路７１の特性に合わせて調整された電位を端子ＢＩＡＳ１から与え、ノードＮＤ２にプログラミングすることができる。増幅回路７１が有するトランジスタの特性により例えば好適な動作点が変化する場合には、該トランジスタの特性に合わせて、プログラミングする電位を好適な動作点に調整すればよい。
ここで、半導体装置７０が容量素子６１およびトランジスタ８２を有さない場合を考える。そのような場合には例えば、端子ＯＵＴＢからの信号がトランジスタ８１のゲートへ与えられ、増幅回路７１の動作点は増幅回路１１が初期化された状態における、端子ＯＵＴＢからの出力電位となる。一方、本発明の一態様の半導体装置は容量素子６１およびトランジスタ８２を有するため、増幅回路７１の動作点を所望の値とすることができる。
図１Ｂに示す増幅回路７１は、図１Ａに示す抵抗素子８９に替えて回路３０ａを有する点が異なる。
回路３０ａの一例について、図１Ｃを用いて説明する。回路３０ａは、トランジスタ８３およびトランジスタ８４を有する。回路３０ａにおいて、トランジスタ８３のソースおよびドレインの一方は端子ＶＤＤに、他方は端子ＯＵＴ２にそれぞれ電気的に接続される。トランジスタ８４のソースおよびドレインの一方はトランジスタ８３のゲートに、他方は端子ＶＢＣＳに、それぞれ電気的に接続される。トランジスタ８４のゲートは端子ＳＥＴに電気的に接続される。
回路３０ａは電流源としての機能を有する。
図１Ａ、図１Ｂに示す増幅回路７１が有するトランジスタはバックゲートを有してもよいし、有さなくてもよい。
図２Ａに示す増幅回路７１は、回路３０ａに替えて回路３０ｂを有する点が異なる。
回路３０ｂは電流源としての機能を有する。
図２Ｂに示すように、回路３０ｂは回路３０ａに比べて、端子ＶＤＤと端子ＯＵＴ２との間に直列に接続された２つのトランジスタ（トランジスタ８３およびトランジスタ８５）を有する点が異なる。容量素子８７は端子ＯＵＴ２とトランジスタ８３のゲートとの間に設けられ、容量素子８８は端子ＯＵＴ２とトランジスタ８５のゲートとの間に設けられる。また図２Ｂに示す例に限定されず、回路３０ｂにおいて端子ＶＤＤと端子ＯＵＴ２との間に３つ以上のトランジスタを有してもよい。
トランジスタ８３のソース－ドレイン間およびトランジスタ８５のソース－ドレイン間には、端子ＶＤＤと端子ＯＵＴ２との間の電圧がそれぞれのトランジスタの抵抗に応じて分配される。例えばトランジスタ８３においてソース－ドレイン間の電圧が高くなるとトランジスタ８３において流れる電流を高めようとするが、トランジスタ８５のゲート－ソース間の電圧は低くなるためにトランジスタ８５において流れる電流を低くしようとする。一方のトランジスタが他方のトランジスタを抑制する方向に動作するため、両方のトランジスタの動作は安定する。トランジスタの動作が安定することにより、増幅回路７１の出力信号が安定する。また増幅回路７１の利得を高められる場合がある。
図２Ｂの詳細を以下に説明する。回路３０ｂは、トランジスタ８３、トランジスタ８４、トランジスタ８５、トランジスタ８６、容量素子８７および容量素子８８を有する。端子ＯＵＴ２はトランジスタ８３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８３のソースおよびドレインの他方はトランジスタ８５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８５のソースおよびドレインの他方は端子ＶＤＤに電気的に接続される。トランジスタ８４のソースおよびドレインの一方はトランジスタ８３のゲートに、他方は端子ＶＢＣＳにそれぞれ電気的に接続される。トランジスタ８６のソースおよびドレインの一方はトランジスタ８５のゲートに、他方は端子ＶＣＡＳＬにそれぞれ電気的に接続される。端子ＳＥＴはトランジスタ８４のゲートおよびトランジスタ８６のゲートに電気的に接続される。容量素子８７の一方の電極は端子ＯＵＴ２に、他方の電極はトランジスタ８３のゲートに、それぞれ電気的に接続される。容量素子８８の一方の電極は端子ＯＵＴ２に、他方の電極はトランジスタ８５のゲートに、それぞれ電気的に接続される。
トランジスタ８４およびトランジスタ８６としてＯＳトランジスタを用いることにより、端子ＶＢＣＳからトランジスタ８４を介してトランジスタ８３のゲートに、端子ＶＣＡＳＬからトランジスタ８６を介してトランジスタ８５のゲートに、それぞれ電位を与えた後、トランジスタ８４およびトランジスタ８６をオフ状態とすることにより、トランジスタ８３のゲートおよびトランジスタ８５のゲートのそれぞれに、電位が保持される。トランジスタ８４およびトランジスタ８６をオフ状態とすることにより、端子ＶＢＣＳおよび端子ＶＣＡＳＬへの信号供給を停止することができ、消費電力を低減することができる。
また図２Ａおよび図２Ｂに示すように、増幅回路７１が有するトランジスタはバックゲートを有してもよい。トランジスタのバックゲートに電位を与えることにより、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。
トランジスタ８２のバックゲートは端子ＶＢＧに電気的に接続される。トランジスタ８１のバックゲートは端子ＶＳＳに電気的に接続される。
また図２Ｂに示すように回路３０ｂが有するトランジスタはバックゲートを有してもよい。トランジスタ８５において例えばソースおよびドレインの一方が端子ＶＤＤに、他方がトランジスタ８５のバックゲートに、それぞれ電気的に接続される。トランジスタ８３において例えばバックゲートが端子ＯＵＴ２に電気的に接続される。
トランジスタ８４およびトランジスタ８６のバックゲートは端子ＶＢＧに電気的に接続される。
＜トランジスタの極性＞
本発明の一態様の増幅回路が有するトランジスタとしてｎチャネル型トランジスタ、ｐチャネル型トランジスタのいずれを用いてもよく、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、増幅回路７１が有する主たるトランジスタとして、ｎチャネル型トランジスタを用いてもよい。本発明の一態様の半導体装置において、増幅回路が有する主たるトランジスタとしてｎチャネル型トランジスタを用い、かつ、高い利得および広い出力レンジを有する増幅回路を実現することができる。
＜半導体装置の動作例＞
半導体装置７０の動作の一例を説明する。半導体装置７０の動作において、ゲートが端子ＳＥＴに接続されたトランジスタは時刻ｔ１においてオン状態となり、時刻ｔ２においてオフ状態となる。
時刻ｔ１において、端子ＳＥＴからトランジスタ８２のゲートに信号が与えられてトランジスタ８２がオン状態となる。よって端子ＢＩＡＳ１からトランジスタ８２を介してノードＮＤ２に信号が与えられ、ノードＮＤ２の電位は電位Ｖ２となる。また、端子ＯＵＴＢから信号が出力され、ノードＮＤ１の電位は電位Ｖ１となる。
時刻ｔ２において、端子ＳＥＴからトランジスタ８２のゲートに信号が与えられてトランジスタ８２がオフ状態となる。トランジスタ８２としてＯＳトランジスタを用いる場合にはそのオフ電流が極めて低いため、ノードＮＤ２が浮遊状態となる。
ノードＮＤ１の電位が一定の場合には、ノードＮＤ２の電位も概略一定に保持される。
ノードＮＤ１の電位が変動する場合には、容量素子６１との容量結合により、ノードＮＤ２の電位は、ノードＮＤ１の電位の変動に相当する量だけ変動する。
電位Ｖ２を動作点として増幅回路７１を動作させることができる。電位Ｖ２が好適な値となるように、端子ＢＩＡＳ１から好適な信号を与えればよい。電位Ｖ２は例えば、トランジスタ８１の動作領域が好適となるように調整すればよい。トランジスタ８１を例えば飽和領域において動作させればよい。
あるいは電位Ｖ２は端子ＶＤＤに与えられる電位と端子ＶＳＳに与えられる電位の中間の電位であることが好ましい。
電位Ｖ２を好適な値とすることにより、増幅回路７１の利得をさらに高めることができる。また、増幅回路７１の出力レンジをさらに広くすることができる。
＜半導体装置の例２＞
次に、増幅回路１１の一例について説明する。
図３Ａに示す増幅回路１１は、比較回路としての機能を有する。増幅回路１１には端子ＩＮＭおよび端子ＩＮＰが電気的に接続される。端子ＩＮＭには第１の入力信号が与えられ、端子ＩＮＰには第２の入力信号が与えられ、端子ＯＵＴＢからは出力信号が出力される。増幅回路１１に用いるトランジスタにバックゲートを設けてもよいし、設けなくてもよい。
増幅回路１１は、トランジスタ３１、トランジスタ３２、トランジスタ３４、トランジスタ４５、回路３０ｃおよび回路３０ｄを有する。また、増幅回路１１には、端子ＶＤＤ、端子ＶＳＳ、端子ＢＩＡＳ１、端子ＶＳＨ、端子ＳＥＴ、及び端子ＶＢＣＳが電気的に接続される。回路３０ｃ、及び回路３０ｄは電流源としての機能を有する。
トランジスタ３１のゲートは端子ＩＮＭに電気的に接続され、トランジスタ３２のゲートは端子ＩＮＰに電気的に接続される。トランジスタ３４のソースおよびドレインの一方は端子ＶＳＳと電気的に接続され、他方はノードＮＤ５に電気的に接続される。ノードＮＤ５は、トランジスタ３１のソースおよびドレインの一方と、トランジスタ３２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３１のソースおよびドレインの他方はノードＮＤ３に電気的に接続され、トランジスタ３２のソースおよびドレインの他方は端子ＯＵＴＢに電気的に接続される。
ノードＮＤ３に端子を接続し、該端子を出力端子として機能させてもよい。
トランジスタ４５のソースおよびドレインの一方はトランジスタ３４のゲートに、他方は端子ＢＩＡＳ１に、それぞれ電気的に接続される。
端子ＯＵＴはノードＮＤ３に電気的に接続される。本発明の一態様の半導体装置においては、端子ＯＵＴは例えば、浮遊状態とすればよい。あるいは図３Ｂに示すように、複数段の増幅回路１１が接続される場合には次段の増幅回路１１に接続されてもよい。
図３Ｂには、複数段の増幅回路１１が接続される例を示す。図３Ｂには２段の増幅回路１１が接続される例を示すが、増幅回路１１は例えば５段以上、２０段以下、あるいは例えば７段以上１４段以下接続されてもよい。増幅回路１１の出力端子として機能する端子ＯＵＴＢおよび端子ＯＵＴが次段の増幅回路１１の入力端子に電気的に接続される。例えば次段の増幅回路１１の入力端子として、端子ＩＮＰおよび端子ＩＮＭに電気的に接続される。例えば端子ＯＵＴＢを端子ＩＮＰおよび端子ＩＮＭの一方に、端子ＯＵＴを他方に、それぞれ接続すればよい。
図４において、図３Ａに示す増幅回路１１と共通する接続は、その説明を省く。
図４において、回路３０ｃおよび回路３０ｄには、図１Ｃに示す回路３０ａ、および図２Ｂに示す回路３０ｂの構成の全てあるいはその一部を適用することができる。回路３０ｃは端子ＶＤＤとトランジスタ３１との間に配置される。回路３０ｄは端子ＶＤＤとトランジスタ３２との間に配置される。
図４に示す増幅回路１１は容量素子４１および容量素子４２を有する。容量素子４１の一方の電極、および容量素子４２の一方の電極は、トランジスタ３４のゲートに電気的に接続される。容量素子４１の他方の電極はノードＮＤ３に、容量素子４２の他方の電極は端子ＯＵＴＢに、それぞれ電気的に接続される。ノードＮＤ４はトランジスタ３４のゲートに電気的に接続される。端子ＶＳＨにトランジスタ４５がオフ状態となる電位、例えば低電位信号を与えることによりノードＮＤ４は浮遊状態となる。容量素子４１および容量素子４２はノードＮＤ４に電気的に接続されており、トランジスタ３１とトランジスタ３２の特性のばらつきによるノードＮＤ４の変動を抑制し、増幅回路１１の動作点を安定させる効果を備えている。
トランジスタ４５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３４のゲートに電位を与えた後、トランジスタ４５をオフ状態とし、該電位が保持される。端子ＶＳＨへの信号供給を停止することができ、消費電力を低減することができる。
また図４に示すように、増幅回路１１が有するトランジスタはバックゲートを有してもよい。トランジスタ３４において例えばバックゲートは端子ＶＳＳに電気的に接続される。また、トランジスタ４５、トランジスタ４６およびトランジスタ４７において例えばバックゲートは端子ＶＢＧに電気的に接続される。
トランジスタ３１およびトランジスタ３２のバックゲートに例えばトランジスタのソースに比べて高い電位を与えることにより、トランジスタ３１およびトランジスタ３２の閾値をマイナスシフトすることができる。トランジスタの閾値をマイナスシフトさせることにより、より低いレベルの入力信号の検知が可能となる。
ノードＮＤ５はトランジスタ３４を介して端子ＶＳＳに電気的に接続される。トランジスタ３４のソースおよびドレインの一方は端子ＶＳＳに電気的に接続され、他方はノードＮＤ５に電気的に接続される。
トランジスタ３１のバックゲートにはトランジスタ４６および容量素子４８が接続され、端子ＭＶＢからの信号がトランジスタ４６を介して与えられる。トランジスタ４６およびトランジスタ４７のゲートにはそれぞれ端子ＳＥＴが電気的に接続される。トランジスタ４６のソースおよびドレインの一方は端子ＭＶＢに電気的に接続され、他方はトランジスタ３１のバックゲートと、容量素子４８の一方の電極とに電気的に接続される。容量素子４８の他方の電極はノードＮＤ５に電気的に接続される。
トランジスタ３２のバックゲートにはトランジスタ４７および容量素子４９が接続され、端子ＰＶＢからの信号がトランジスタ４７を介して与えられる。トランジスタ４７のソースおよびドレインの一方は端子ＭＶＢに電気的に接続され、他方はトランジスタ３２のバックゲートと、容量素子４９の一方の電極とに電気的に接続される。容量素子４９の他方の電極はノードＮＤ５に電気的に接続される。
トランジスタ３１およびトランジスタ３２のバックゲートに電位が与えられた後、トランジスタ４６およびトランジスタ４７をオフ状態とすることにより、トランジスタ３１のバックゲートの電位は容量素子４８により保持され、トランジスタ３２のバックゲートの電位は容量素子４９により保持される。
図５には、増幅回路１１の一例を示す。図５に示す増幅回路１１は、回路３０ｃとトランジスタ３１の間にトランジスタ３６を、回路３０ｄとトランジスタ３２の間にトランジスタ３７を有する点が、図４に示す増幅回路１１と異なる。
図５に示す増幅回路１１において、トランジスタ３１のソースおよびドレインの一方はノードＮＤ５に、他方はトランジスタ３６のソースおよびドレインの一方に、それぞれ電気的に接続される。トランジスタ３６のソースおよびドレインの他方は回路３０ｃに電気的に接続される。トランジスタ３２のソースおよびドレインの一方はノードＮＤ５に、他方はトランジスタ３７のソースおよびドレインの一方に、それぞれ電気的に接続される。トランジスタ３７のソースおよびドレインの他方は回路３０ｄに電気的に接続される。トランジスタ３６およびトランジスタ３７のゲートには、端子ＶＣＡＳＤから電位が与えられる。
トランジスタ３６およびトランジスタ３７はバックゲートを有してもよい。トランジスタ３６のバックゲートは例えば、ソースおよびドレインの一方に電気的に接続される。あるいはトランジスタ３６のバックゲートは例えば、所望の電位を与える端子に接続されてもよく、具体的には例えば端子ＶＳＳ、端子ＶＢＧ等の端子に接続されてもよい。トランジスタ３７のバックゲートは例えば、ソースおよびドレインの一方に電気的に接続される。あるいはトランジスタ３７のバックゲートは例えば、所望の電位を与える端子に接続されてもよく、具体的には例えば端子ＶＳＳ、端子ＶＢＧ等の端子に接続されてもよい。
また図５には増幅回路１１が容量素子４１および容量素子４２を有さない構成を例として示すが、図５に示す増幅回路１１が容量素子４１および容量素子４２を有してもよい。
また、図５に示す増幅回路１１においては、トランジスタ３４、４５、４６および４７はバックゲートを有さない例を示しているが、バックゲートを有してもよい。
トランジスタ３６のソース－ドレイン間およびトランジスタ３１のソース－ドレイン間には、端子ＯＵＴとノードＮＤ５との間の電圧がそれぞれのトランジスタ抵抗に応じて分配される。例えばトランジスタ３６においてソース－ドレイン間の電圧が高くなるとトランジスタ３６において流れる電流を高めようとするが、トランジスタ３６のゲート－ソース間の電圧は低くなるためにトランジスタ３１において流れる電流を低くしようとする。一方のトランジスタが他方のトランジスタを抑制する方向に動作するため、両方のトランジスタの動作は安定する。トランジスタの動作が安定することにより、増幅回路１１の出力信号が安定する。また増幅回路１１の利得を高められる場合がある。同様に、トランジスタ３６に替えてトランジスタ３７、トランジスタ３１に替えてトランジスタ３２として上記の記載をあてはめると、トランジスタ３１およびトランジスタ３２の一方のトランジスタが他方のトランジスタを抑制する方向に動作するため、両方のトランジスタの動作は安定する、といえる。
トランジスタ４６およびトランジスタ４７は、端子ＶＢＧから与えられる電位を保持する機能を有する。例えば端子ＳＥＴから高電位信号を与えてトランジスタ４６およびトランジスタ４７をオン状態とし、端子ＶＢＧからの電位をトランジスタ３１およびトランジスタ３２に与えた後、端子ＳＥＴから低電位信号を与えて、端子ＶＢＧからの電位を保持することができる。ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて低い。よって、トランジスタ４６およびトランジスタ４７としてＯＳトランジスタを用いることにより、端子ＶＢＧ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。
＜半導体装置の動作例２＞
増幅回路１１を含めた半導体装置７０の動作の一例を説明する。
時刻ｔ１において、端子ＳＥＴに高電位信号を与え、それぞれの端子に接続されるトランジスタをオン状態とする。
先に述べた通り、端子ＢＩＡＳ１からトランジスタ８２を介して、ノードＮＤ２に電位Ｖ２が与えられる。
また端子ＶＢＣＳ、端子ＶＣＡＳＬ等にそれぞれ好適な信号を与えることにより、回路３０ａ、回路３０ｂ、回路３０ｃ、回路３０ｄ等を電流源として機能させることができる。
また時刻ｔ１において、端子ＶＳＨに高電位信号を与え、トランジスタ４５をオン状態とする。端子ＢＩＡＳ１に好適な信号を与えることにより、該信号はトランジスタ４５を介してトランジスタ３４のゲートに与えられ、トランジスタ３４を電流源として機能させることができる。トランジスタ３４は例えば飽和領域にて動作させることが好ましい。
端子ＩＮＭおよび端子ＩＮＰには、概略同じ電位を入力する。概略同じ電位とは、電位差が２０ｍＶ以内であることが好ましい。もしくは、電位差が１０ｍＶ以内であることが好ましい。もしくは、電位差が５ｍＶ以内であることが好ましい。
次に時刻ｔ２において、端子ＳＥＴおよび端子ＶＳＨに低電位信号を与える。
トランジスタ８２がオフ状態となり、端子ＩＮ２は浮遊状態となる。またトランジスタ８４およびトランジスタ８６がオフ状態となり、トランジスタ８３のゲート電位およびトランジスタ８５のゲート電位が浮遊状態となる。
次に時刻ｔ３において、比較される２つの信号を端子ＩＮＭおよび端子ＩＮＰに入力する。ここでは例えば端子ＩＮＭを基準値として時刻ｔ２の電位を引き続き保持し、端子ＩＮＰの値を変化させる。これにより端子ＯＵＴＢに接続されるノードＮＤ１の電位は変化する。例えば端子ＩＮＰの電位が低くなればノードＮＤ１の電位は高くなり、端子ＩＮＰの電位が高くなればノードＮＤ１の電位は低くなる。ノードＮＤ２は浮遊状態であるため、容量結合によりノードＮＤ２の電位はノードＮＤ１の電位の変動に相当する量だけ変動する。
＜半導体装置の例３＞
図６Ａには本発明の一態様の半導体装置において、本発明の一態様の増幅回路を比較回路（コンパレータともいう）に適用し、比較回路の一方の入力端子に記憶素子が接続される例を示す。
図１Ａ、図１Ｂおよび図２Ａで示した増幅回路１１、容量素子６１および増幅回路７１が接続された構成を以下、増幅回路８０と呼ぶ。
増幅回路８０は、入力端子として機能する端子ＩＮＰおよび端子ＩＮＭの２つの端子と、出力端子として機能する端子ＯＵＴ２と、を有する比較回路として機能する。端子ＩＮＰと端子ＩＮＭのそれぞれに入力される信号の比較結果に応じて、端子ＯＵＴ２から信号が出力される。端子ＩＮＰおよび端子ＩＮＭの一方は非反転入力端子、他方は反転入力端子として機能することが好ましい。
増幅回路８０を比較回路として用いる一例を説明する。非反転入力端子および反転入力端子の一方には基準信号が与えられ、他方には該基準信号と比較される信号が与えられる。図６Ａにおいては、端子ＩＮＭに基準信号が与えられる例を示す。
ここで、基準信号は記憶素子に保持されることが好ましい。基準信号を記憶素子に保持することにより、信号供給回路から基準信号を与えた後、該信号供給回路との接続を切断することができる。これにより例えば、該信号供給回路の全体、あるいは一部において、電源を遮断することができる。
記憶素子として、図６Ａに示す記憶素子１１４の構成を用いることができる。図６Ａに示す記憶素子１１４は、容量素子１６１およびトランジスタ１６２を有する。トランジスタ１６２のソースおよびドレインの一方は端子ＩＮＭに電気的に接続され、他方（図６においては端子ＶＴ）には基準信号が与えられる。容量素子１６１の一方の電極は端子ＩＮＭに電気的に接続され、他方には例えば第２の基準信号が与えられる。ここで第２の基準信号として、接地電位、低電位信号、高電位信号、二次電池の正極または負極の電位、二次電池の正極と負極の電位間を抵抗分割した値、等を用いてもよい。
トランジスタ１６２として、ＯＳトランジスタを用いることが好ましい。なお図６Ａにおいてトランジスタ１６２はバックゲートを有するが、有さない構成としてもよい。
記憶素子１１４への基準信号の保持を行うための動作例を示す。まずトランジスタ１６２をオン状態とし、端子ＶＴへ信号を与え、トランジスタ１６２を介して端子ＩＮＭに該信号に対応する電位を与える。その後、トランジスタ１６２をオフ状態とする。トランジスタ１６２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１６２のオフ電流を極めて低くすることができる。よって端子ＩＮＭに与えられた電位を保持することができる。
図６Ｂには、本発明の一態様の半導体装置を蓄電システムに適用する一例を示す。蓄電システム１００は半導体装置７０および二次電池１２１を有する。増幅回路８０の端子ＩＮＰには二次電池１２１の正極が電気的に接続される。端子ＩＮＭには例えば、正極として好ましい範囲の電圧領域の上限、あるいは下限が保持される。二次電池１２１として二次電池、キャパシタ、等の蓄電デバイスを用いることができる。例えば二次電池１２１としてリチウムイオン二次電池を用いることができる。またリチウムイオン二次電池に限定されず、二次電池の正極材料として例えば、元素Ａ、元素Ｘ、及び酸素を有する材料を用いることができる。元素Ａは第１族の元素および第２族の元素から選ばれる一以上である。第１族の元素として例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属を用いることができる。また、第２族の元素として例えば、カルシウム、ベリリウム、マグネシウム等を用いることができる。元素Ｘとして例えば金属元素、シリコン及びリンから選ばれる一以上を用いることができる。また、元素Ｘはコバルト、ニッケル、マンガン、鉄、及びバナジウムから選ばれる一以上である。代表的には、リチウムコバルト複合酸化物ＬｉＣｏＯ２や、リン酸鉄リチウムＬｉＦｅＰＯ４が挙げられる。
端子ＩＮＭに電圧領域の上限が保持される場合には、端子ＩＮＰの電位が端子ＩＮＭの電位を上回ると、端子ＯＵＴ２からの信号が反転する。信号の反転とは例えば高電位信号が低電位信号に、低電位信号が高電位信号に変化することを指す。信号の反転に伴い、端子ＯＵＴ２からの出力が与えられる回路において、与えられた信号に応じて二次電池１２１の制御が行われる。
＜ＯＳトランジスタ＞
ＯＳトランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有する。酸化物半導体として、少なくともインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物を用いることが好ましい。特に、インジウムおよび亜鉛を含む金属酸化物を用いる事が好ましい。またそれらに加えて、ガリウム、イットリウム、錫などが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫とする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（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。
＜半導体装置の構成例１＞
図７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８Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図８Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図であり、図８Ｃはトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図である。
トランジスタ５００は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）である。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。
本実施の形態で説明する半導体装置は、図７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。
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。
トランジスタ３００は、図８Ｃ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。
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。
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。
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。
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。
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。
なお、図７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。
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。
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。
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。
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。
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。
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の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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７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。
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。
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７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。
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。
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７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。
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。
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。
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。
例えば、絶縁体５１０、および絶縁体５１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００が設けられている。
図８Ａ、図８Ｂ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。
また、図８Ａ、図８Ｂ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８Ａ、図８Ｂ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８Ａ、図８Ｂ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。
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。
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７、図８Ａ、図８Ｂ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。
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。
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せしめることができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
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。
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。
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（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
よって、金属酸化物を酸化物５３０に用いる場合、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。水素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。
また、酸化物５３０に金属酸化物を用いる場合、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ－３以下であることが好ましく、１×１０１７ｃｍ－３未満であることがより好ましく、１×１０１６ｃｍ－３未満であることがさらに好ましく、１×１０１３ｃｍ－３未満であることがさらに好ましく、１×１０１２ｃｍ－３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、１×１０－９ｃｍ－３とすることができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
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。
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。
また、図８Ａ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。
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。
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。
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。
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、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。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。
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１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下の範囲が好ましい。
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。
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。
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。
第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、図８Ａ、図８Ｂ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。
導電体５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２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。
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。
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。
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５３０ｂへと効率良く供給することができる。なお、絶縁体５８０中の水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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図７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。
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。
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。
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。
＜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。
＜トランジスタの構造例１＞
図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃを用いてトランジスタ５１０Ａの構造例を説明する。図９Ａはトランジスタ５１０Ａの上面図である。図９Ｂは、図９Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図９Ｃは、図９Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図９Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃ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。
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。
また、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ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。
絶縁体５１１、および絶縁体５１２は、層間膜として機能する。
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、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
絶縁体５２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム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）、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（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。
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。
なお、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ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。
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。
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。
導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂ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。
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。
また、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
＜トランジスタの構造例２＞
図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｂの構造例を説明する。図１０Ａはトランジスタ５１０Ｂの上面図である。図１０Ｂは、図１０Ａに一点鎖線Ｌ１－Ｌ２で示す部位の断面図である。図１０Ｃは、図１０Ａに一点鎖線Ｗ１－Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１０Ａ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
＜トランジスタの構造例３＞
図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｃの構造例を説明する。図１１Ａはトランジスタ５１０Ｃ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。
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。
図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ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。
図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ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。
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。
また、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ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。
また、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃに示すトランジスタ５１０Ｃは、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ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、パターン形成された導電体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。
＜トランジスタの構造例４＞
図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１２Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｄの構造例を説明する。図１２Ａはトランジスタ５１０Ｄ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。
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。
図１２Ａ乃至図１２Ｃ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。
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。
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（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
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。
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。
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。
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。
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、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物５５２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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
＜トランジスタの構造例５＞
図１３Ａ乃至図１３Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｅの構造例を説明する。図１３Ａはトランジスタ５１０Ｅ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。
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。
図１３Ａ乃至図１３Ｃ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。
図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ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。
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。
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、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。
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。
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。
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（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）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１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃに示すトランジスタを形成することができる。
なお、絶縁体５７３、および絶縁体５７４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。
図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ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。
＜トランジスタの構造例６＞
図１４Ａ乃至図１４Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｆの構造例を説明する。図１４Ａはトランジスタ５１０Ｆ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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５３０ｃとして、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。
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。
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、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
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。
＜半導体装置の構成例２＞
図１５には、図７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１５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。
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。
図１６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。
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。
（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。
＜＜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。
金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、ガリウム、イットリウム、錫などが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫とする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
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。
［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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
［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。
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。
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。
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。
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。
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、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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。
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。
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ＶＯＨを形成する場合がある。ＶＯＨはドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。
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。
つまり、金属酸化物中のＶＯＨ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、ＶＯＨ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。ＶＯＨ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。
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。
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。
酸素欠損に水素が入った欠陥（ＶＯＨ）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。
よって、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。水素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。
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、１×１０１８ｃｍ－３以下であることが好ましく、１×１０１７ｃｍ－３未満であることがより好ましく、１×１０１６ｃｍ－３未満であることがさらに好ましく、１×１０１３ｃｍ－３未満であることがさらに好ましく、１×１０１２ｃｍ－３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の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。
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。
＜＜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。
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。
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。
酸化物５３０として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いることが好ましい。酸化物５３０として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的には、硫化モリブデン（代表的にはＭｏＳ２）、セレン化モリブデン（代表的にはＭｏＳｅ２）、モリブデンテルル（代表的にはＭｏＴｅ２）、硫化タングステン（代表的にはＷＳ２）、セレン化タングステン（代表的にはＷＳｅ２）、タングステンテルル（代表的にはＷＴｅ２）、硫化ハフニウム（代表的にはＨｆＳ２）、セレン化ハフニウム（代表的にはＨｆＳｅ２）、硫化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳ２）、セレン化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳｅ２）などが挙げられる。
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。
ＢＩＡＳ１、ＩＮ２、ＩＮＭ、ＩＮＰＭＶＢ、ＯＵＴ、ＯＵＴ２、ＯＵＴＢ、ＰＶＢ、ＳＥＴ、ＶＢＣＳ、ＶＢＧ、ＶＣＡＳＤ、ＶＣＡＳＬ、ＶＤＤ、ＶＳＨ、ＶＳＳ、ＶＴ：端子
ＮＤ１、ＮＤ２、ＮＤ３、ＮＤ４、ＮＤ５：ノード
１１：増幅回路、３０ａ：回路、３０ｂ：回路、３０ｃ：回路、３０ｄ：回路、３１：トランジスタ、３２：トランジスタ、３４：トランジスタ、３６：トランジスタ、３７：トランジスタ、４１：容量素子、４２：容量素子、４５：トランジスタ、４６：トランジスタ、４７：トランジスタ、４８：容量素子、４９：容量素子、６１：容量素子、７０：半導体装置、７１：増幅回路、８０：増幅回路、８１：トランジスタ、８２：トランジスタ、８３：トランジスタ、８４：トランジスタ、８５：トランジスタ、８６：トランジスタ、８７：容量素子、８８：容量素子、８９：抵抗素子、１００：蓄電システム、１１４：記憶素子、１２１：二次電池、１６１：容量素子、１６２：トランジスタ、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

Claims (4)

  1. 第１の増幅回路、第２の増幅回路及び容量素子を有し、
    前記第１の増幅回路は第１の出力端子を有し、
    前記第２の増幅回路は入力端子、第２の出力端子及び第１のトランジスタを有し、
    前記第１の出力端子は前記容量素子の第１の電極に電気的に接続され、
    前記容量素子の第２の電極は、前記入力端子及び前記第１のトランジスタのゲートに電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのソース及びドレインの一方は、前記第２の出力端子に電気的に接続され、
    前記第１の出力端子から電位Ｖ１が出力され、前記入力端子に電位Ｖ２が与えられる第１ステップと、
    前記入力端子の前記電位Ｖ２が保持される第２ステップと、
    前記第１の出力端子から出力される電位を前記電位Ｖ１から電位（Ｖ１＋ΔＶ１）に変化させることにより前記入力端子の前記電位Ｖ２が電位（Ｖ２＋ΔＶ１）に変化し、前記電位（Ｖ２＋ΔＶ１）が増幅された信号が前記第２の出力端子から出力される第３ステップと、
    を有する半導体装置の駆動方法。
  2. 請求項１において、
    前記第２の増幅回路は第２のトランジスタを有し、
    前記第１のトランジスタのゲートは、前記第２のトランジスタのソース及びドレインの一方と電気的に接続され、
    前記第１ステップにおいて、前記第２のトランジスタはオン状態であり、
    前記第２ステップ及び前記第３ステップにおいて、前記第１のトランジスタはオフ状態である半導体装置の駆動方法。
  3. 請求項２において、
    前記第２のトランジスタのチャネル形成領域はインジウム及びガリウムの少なくとも一方を含む金属酸化物を有する半導体装置の駆動方法。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
    前記第１の増幅回路は第３のトランジスタ及び第４のトランジスタを有し、
    前記第３のトランジスタのソース及びドレインの一方は前記第４のトランジスタのソース及びドレインの一方と電気的に接続され、
    前記第４のトランジスタのソース及びドレインの他方は、前記第１の出力端子に電気的に接続され、
    前記第３ステップにおいて、前記第１の出力端子の電位は、前記第３のトランジスタのゲートに与えられる電位と前記第４のトランジスタのゲートに与えられる電位の比較結果に応じて生成される半導体装置の駆動方法。
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