JP5727892B2

JP5727892B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5727892B2
Application number: JP2011180482A
Authority: JP
Inventors: 山崎　舜平; 舜平山崎; 小山　潤; 潤小山
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2031-08-22
Also published as: KR20120027089A; JP2012069231A; US20120051119A1; KR101860568B1; US8582349B2

Description

本発明は、半導体素子を利用した半導体装置に関する。特に、半導体素子を利用した記憶装置を有する半導体装置に関する。なお、本明細書において、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。

半導体素子を利用した記憶装置は、電力の供給がなくなると記憶内容が失われる揮発性のものと、電力の供給がなくなっても記憶内容は保持される不揮発性のものとに大別される。

揮発性記憶装置の代表的な例としては、ＤＲＡＭ（ＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）がある。ＤＲＡＭは、メモリセルを構成するトランジスタを選択してキャパシタに電荷を蓄積することで、情報を記憶する。

上述の原理から、ＤＲＡＭでは、情報を読み出すとキャパシタの電荷は失われるため、情報の読み出しの度に、再度の書き込み動作が必要となる。また、メモリセルを構成するトランジスタにはリーク電流が存在し、トランジスタが選択されていない状況でも電荷が流出、または流入するため、データの保持期間が短い。このため、所定の周期で再度の書き込み動作（リフレッシュ動作）が必要であり、消費電力を十分に低減することは困難である。また、電力の供給がなくなると記憶内容が失われるため、長期間の記憶の保持には、磁性材料や光学材料を利用した別の記憶装置が必要となる。

揮発性記憶装置の別の例としてはＳＲＡＭ（ＳｔａｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）がある。ＳＲＡＭは、フリップフロップなどの回路を用いて記憶内容を保持するため、リフレッシュ動作が不要であり、この点においてはＤＲＡＭより有利である。しかし、フリップフロップなどの回路を用いているため、記憶容量あたりの単価が高くなるという問題がある。また、電力の供給がなくなると記憶内容が失われるという点については、ＤＲＡＭと変わるところはない。

不揮発性記憶装置の代表例としては、フラッシュメモリがある。フラッシュメモリは、トランジスタのゲート電極とチャネル領域との間にフローティングゲートを有し、当該フローティングゲートに電荷を保持させることで記憶を行うため、データの保持期間は極めて長く（半永久的）、揮発性記憶装置で必要なリフレッシュ動作が不要であるという利点を有している（例えば、特許文献１参照）。

しかし、書き込みの際に生じるトンネル電流によってメモリセルを構成するゲート絶縁膜が劣化するため、所定回数の書き込みによってメモリセルが機能しなくなるという問題が生じる。この問題の影響を緩和するために、例えば、各メモリセルの書き込み回数を均一化する手法が採られるが、これを実現するためには、複雑な周辺回路が必要になってしまう。そして、このような手法を採用しても、根本的な寿命の問題が解消するわけではない。つまり、フラッシュメモリは、情報の書き換え頻度が高い用途には不向きである。

また、フローティングゲートに電荷を注入させるため、または、その電荷を除去するためには、高い電圧が必要であり、また、そのための回路も必要である。さらに、電荷の注入、または除去のためには比較的長い時間を要し、書き込み、消去の高速化が容易ではないという問題もある。

特開昭５７−１０５８８９号公報

ところで、上述した記憶装置の記憶容量（保存できるデータ量）を大きくするための開発が盛んに行われている。ただし、記憶容量の増大には、回路規模の増大が伴う。そのため、メモリセルの保持データの多値化（メモリセルにおいて２ビット以上のデータを保持させること）などを図ることによって、回路規模の増大を抑制することが必要とされる。例えば、上述したフラッシュメモリにおいては、フローティングゲートに保持させる電荷量を制御することによって保持データの多値化を図ることが可能である。すなわち、当該電荷量に応じてトランジスタのしきい値電圧を所望の値に制御でき、この値を判別することで保持データの判別が可能である。

ただし、フローティングゲートに保持可能な電荷量は限られており、当該電荷量を細かく制御することは困難である。また、同一工程によって作製したトランジスタであっても、しきい値電圧などの特性にバラツキが存在する。そのため、メモリセルにおいて保持データの多値化を図る場合、正確なデータを保持できない蓋然性が高くなる。

上述の課題に鑑み、本発明の一態様は、メモリセルの保持データが多値化された場合であっても正確なデータを保持することが可能なメモリセルを有する半導体装置を供給することを目的の一とする。

本発明の一態様は、複数のメモリセルがマトリクス状に配設されたメモリセルアレイと、ロウアドレス信号に応じて前記メモリセルアレイの特定行を選択するロウデコーダと、カラムアドレス信号に応じて前記メモリセルアレイの特定列を選択するカラムデコーダと、前記ロウアドレス信号を保持し且つ前記ロウアドレス信号を前記ロウデコーダに出力するロウアドレスラッチと、前記カラムアドレス信号を保持し且つ前記カラムアドレス信号を前記カラムデコーダに出力するカラムアドレスラッチと、を有し、前記メモリセルは、酸化物半導体によってチャネル領域が形成されるトランジスタのソース及びドレインの一方が電気的に接続されたノードにおいてデータの保持を行い、前記ロウアドレスラッチに対する前記ロウアドレス信号の供給及び前記カラムアドレスラッチに対する前記カラムアドレス信号の供給が、共通の配線を介して行われることを特徴とする半導体装置である。

なお、当該酸化物半導体は、シリコンよりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコンよりも低いことを特徴とする。このような酸化物半導体によってトランジスタのチャネル領域が形成されることで、オフ電流（リーク電流）が極めて低いトランジスタを実現することができる。

加えて、当該酸化物半導体は、電子供与体（ドナー）となり得る水分または水素などの不純物濃度が低減されたｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄＯＳ）であることが好ましい。これにより、酸化物半導体によってチャネル領域が形成されるトランジスタのオフ電流（リーク電流）をさらに低減することが可能である。具体的には、当該酸化物半導体は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による水素濃度の測定値が、５×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、好ましくは５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、より好ましくは５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である。また、ホール効果測定により測定できる当該酸化物半導体のキャリア密度は、１×１０^１４／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１２／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１１／ｃｍ^３未満である。また、酸化物半導体のバンドギャップは、２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。

ここで、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で行う水素濃度の分析について触れておく。ＳＩＭＳ分析は、その原理上、試料表面近傍や、材質が異なる膜との積層界面近傍のデータを正確に得ることが困難であることが知られている。そこで、膜中における水素濃度の厚さ方向の分布をＳＩＭＳで分析する場合、対象となる膜が存在する範囲において、値に極端な変動が無く、ほぼ一定の値が得られる領域における平均値を、水素濃度として採用する。また、測定の対象となる膜の厚さが小さい場合、隣接する膜内の水素濃度の影響を受けて、ほぼ一定の値が得られる領域を見いだせない場合がある。この場合、当該膜が存在する領域における、水素濃度の最大値または最小値を、当該膜中の水素濃度として採用する。さらに、当該膜が存在する領域において、最大値を有する山型のピーク、最小値を有する谷型のピークが存在しない場合、変曲点の値を水素濃度として採用する。

酸化物半導体は不純物に対して鈍感であり、膜中にはかなりの金属不純物が含まれていても問題がなく、ナトリウムのようなアルカリ金属が多量に含まれる廉価なソーダ石灰ガラスも使えると指摘されている（神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物半導体の物性とデバイス開発の現状」、固体物理、２００９年９月号、Ｖｏｌ．４４、ｐｐ．６２１−６３３．）。しかし、このような指摘は適切でない。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は酸化物半導体にとっては悪性の不純物であり、少ないほうがよい。特にアルカリ金属のうち、ナトリウム（Ｎａ）は酸化物半導体に接する絶縁層が酸化物であった場合、その中に拡散し、Ｎａ^＋となる。また、酸化物半導体内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合中に割り込む。その結果、トランジスタ特性の劣化（例えば、ノーマリオン化（しきい値の負へのシフト）、移動度の低下等）をもたらす。加えて、特性のばらつきの原因ともなる。このような問題は、特に酸化物半導体中の水素の濃度が十分に低い場合において顕著となる。したがって、酸化物半導体中の水素濃度が５×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、特に５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である場合には、アルカリ金属の濃度を低減することが強く求められる。具体的には、当該酸化物半導体には、二次イオン質量分析法によって得られる濃度の最低値が、ナトリウム（Ｎａ）は５×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、好ましくは１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、さらに好ましくは１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であること、リチウム（Ｌｉ）は５×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、好ましくは１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であること、及びカリウム（Ｋ）は５×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、好ましくは１×１０^１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることが求められる。

なお、酸化物半導体は、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物半導体、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物半導体、及びＩｎ系酸化物半導体、Ｓｎ系酸化物半導体、Ｚｎ系酸化物半導体などを用いることができる。なお、本明細書においては、例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体とは、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する金属酸化物、という意味であり、その組成比は特に問わない。また、上記酸化物半導体は、シリコンを含んでいてもよい。

また、本明細書において、酸化物半導体は、例えば、化学式ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）で表記することができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数の金属元素を指す。

本発明の一態様の半導体装置は、酸化物半導体によってチャネル領域が形成されるトランジスタのソース及びドレインの一方が電気的に接続されたノードにおいてデータの保持を行うメモリセルを有する。なお、当該トランジスタのオフ電流（リーク電流）の値は、極めて低い。そのため、当該ノードの電位を所望の値に設定後、当該トランジスタをオフ状態とすることで当該電位を一定又はほぼ一定に維持することが可能である。これにより、当該メモリセルにおいて、正確なデータの保持が可能となる。

また、当該ノードは、当該トランジスタのソース及びドレインの一方に電気的に接続されている。そのため、当該ノードの電位は、当該トランジスタを介した電荷の授受によって容易に制御できる。すなわち、当該メモリセルでは、容易に保持データの多値化を行うことが可能である。

加えて、当該ノードにおいて保持されるデータは、上述したフラッシュメモリなどと比較して特定の半導体素子から受ける影響が少ない。すなわち、当該メモリセルは、半導体素子の特性バラツキなどに大きく依存することなくデータの保持を行うことが可能である。これにより、電位を細分化して当該ノードにおける保持データとすることができる。

また、本発明の一態様の半導体装置では、ロウアドレス信号の供給及びカラムアドレス信号の供給が共通の配線を介して行われる。そのため、当該半導体装置のピン数を低減することが可能である。

（Ａ）、（Ｂ）半導体装置の構成例を示す図。（Ａ）〜（Ｈ）トランジスタの作製方法の一例を示す図。（Ａ）〜（Ｃ）トランジスタのオフ電流の測定方法を説明するための図。（Ａ）、（Ｂ）トランジスタの特性を示す図。トランジスタの特性を示す図。トランジスタの特性を示す図。トランジスタの特性を示す図。トランジスタの特性を示す図。（Ａ）、（Ｂ）メモリセルの具体例を示す回路図。（Ａ）ロウアドレスラッチの具体例、（Ｂ）カラムアドレスラッチの具体例、（Ｃ）ロウアドレス信号ラッチ及びカラムアドレス信号ラッチの具体例、（Ｄ）スイッチの具体例、（Ｅ）インバータの具体例、並びに（Ｆ）ロウアドレスラッチ及びカラムアドレスラッチの動作の具体例を示す図。（Ａ）ロウアドレス信号ラッチ及びカラムアドレス信号ラッチの具体例、並びに（Ｂ）ロウアドレスラッチ及びカラムアドレスラッチの動作の具体例を示す図。トランジスタの具体例を示す図。（Ａ）〜（Ｈ）トランジスタの作製工程の具体例を示す図。（Ａ）〜（Ｇ）トランジスタの作製工程の具体例を示す図。（Ａ）〜（Ｄ）トランジスタの作製工程の具体例を示す図。トランジスタの変形例を示す図。（Ａ）、（Ｂ）トランジスタの変形例を示す図。（Ａ）、（Ｂ）トランジスタの変形例を示す図。（Ａ）、（Ｂ）トランジスタの変形例を示す図。トランジスタの変形例を示す図。トランジスタの変形例を示す図。（Ａ）〜（Ｃ）酸化物半導体層の作製工程の変形例を示す図。半導体装置の使用例を示す図。半導体装置の使用例を示す図。（Ａ）〜（Ｆ）半導体装置の使用例を示す図。

以下では、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、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す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。

まず、本発明の一態様の半導体装置について図１を参照して説明する。

＜半導体装置の構成例＞
図１（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置の構成例を示す図である。図１（Ａ）に示す半導体装置は、複数のメモリセル３０がマトリクス状に配設されたメモリセルアレイ１０と、ロウアドレス信号に応じてメモリセルアレイ１０の特定行を選択するロウデコーダ１１と、カラムアドレス信号に応じてメモリセルアレイ１０の特定列を選択するカラムデコーダ１２と、ロウアドレス信号を保持し且つロウアドレス信号をロウデコーダ１１に出力するロウアドレスラッチ２１と、カラムアドレス信号を保持し且つカラムアドレス信号をカラムデコーダ１２に出力するカラムアドレスラッチ２２と、それぞれがロウアドレスラッチ２１及びカラムアドレスラッチ２２に電気的に接続された、第１のアドレス信号（ＡＳ１）を供給する配線（第１のアドレス信号線ともいう）乃至第ｎのアドレス信号（ＡＳｎ（ｎは、３以上の自然数））を供給する配線（第ｎのアドレス信号線ともいう）と、を有する。

なお、図１（Ａ）に示す半導体装置においては、行及び列を選択することで特定のメモリセル３０が選択され（図１（Ａ）では、斜線を付したメモリセル３０が該当）、メモリセル３０に対してデータの書き込み又は読み出しを行うことが可能である。

また、第１のアドレス信号（ＡＳ１）乃至第ｎのアドレス信号（ＡＳｎ）のそれぞれは、第１の期間においてロウアドレス信号を示し、当該第１の期間と異なる期間である第２の期間においてカラムアドレス信号を示す信号である。つまり、図１（Ａ）に示す半導体装置では、当該第１の期間においてロウアドレス信号をロウアドレスラッチ２１に格納し、且つ当該第２の期間においてカラムアドレス信号をカラムアドレスラッチ２２に格納することが可能である。これにより図１（Ａ）に示す半導体装置においては、ロウアドレス信号の供給及びカラムアドレス信号の供給を共通の配線を介して行うことが可能である。そのため、当該半導体装置のピン数を低減することが可能である。

なお、メモリセルアレイ１０にメモリセル３０が２^ｎ行２^ｎ列に配設されている場合には、第１のアドレス信号線乃至第ｎのアドレス信号線の全てがロウアドレスラッチ２１及びカラムアドレスラッチ２２の双方に電気的に接続される必要があるが、メモリセルアレイ１０の行数と列数が異なる場合はその必要はない。すなわち、メモリセルアレイ１０にメモリセル３０が２^ｎ行２^ｍ列（ｍは、ｎ未満の自然数）に配設される場合は、カラムアドレスラッチ２２には第１のアドレス信号線乃至第ｎのアドレス信号線の少なくともｍ本のアドレス信号線が電気的に接続されればよい。同様に、メモリセルアレイ１０にメモリセル３０が２^ｍ行２^ｎ列に配設される場合は、ロウアドレスラッチ２１には第１のアドレス信号線乃至第ｎのアドレス信号線の少なくともｍ本のアドレス信号線が電気的に接続されればよい。端的に述べると、メモリセルアレイ１０に配設された特定のメモリセル３０をデコーダ（ロウデコーダ１１及びカラムデコーダ１２）によって選択できるように、アドレス信号（ロウアドレス信号及びカラムアドレス信号）を供給する配線（アドレス信号線）を適宜設ければよい。

また、図１（Ａ）に示す半導体装置においては、２つのラッチ（ロウアドレスラッチ２１及びカラムアドレスラッチ２２）のそれぞれに対して共通のアドレス信号線を介してアドレス信号（ロウアドレス信号又はカラムアドレス信号）が供給される構成としているが、より多くのラッチを用いてアドレス信号線の本数をさらに低減することも可能である。例えば、第１のロウアドレスラッチ、第２のロウアドレスラッチ、第１のカラムアドレスラッチ、及び第２のカラムアドレスラッチを設け、当該４つのラッチのそれぞれに対して共通のアドレス信号線を介してアドレス信号を供給することでアドレス信号線の本数を半減することも可能である。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した半導体装置が有するメモリセルの構成例を示す図である。図１（Ｂ）に示すメモリセル３０は、酸化物半導体（ＯＳ）によってチャネル領域が形成されるトランジスタ３１と、トランジスタ３１がオフ状態となることによって浮遊状態となるノード３２とを有する。なお、メモリセル３０は、ノード３２の電位の値をデータとして保持することが可能なメモリセルである。

また、ノード３２は、トランジスタ３１のソース及びドレインの一方に電気的に接続されている。そのため、ノード３２の電位は、トランジスタ３１を介した電荷の授受によって容易に制御できる。すなわち、メモリセル３０では、容易に保持データの多値化を行うことが可能である。

加えて、ノード３２において保持されるデータは、上述したフラッシュメモリなどと比較して特定の半導体素子から受ける影響が少ない。すなわち、メモリセル３０は、半導体素子の特性バラツキなどに大きく依存することなくデータの保持を行うことが可能である。これにより、電位を細分化してノード３２における保持データとすることができる。例えば、０Ｖ、１Ｖ、２Ｖ、及び３Ｖのそれぞれをノード３２に保持される電位とすることでメモリセル３０の保持データを４値とするのではなく、０Ｖ、０．２５Ｖ、０．５Ｖ、及び０．７５Ｖのそれぞれをノード３２に保持される電位とすることでメモリセル３０の保持データを４値とすることができる。

＜酸化物半導体によってチャネル領域が形成されるトランジスタのオフ電流＞
ここで、酸化物半導体によってチャネル領域が形成されるトランジスタのオフ電流（リーク電流）を測定した結果について示す。

まず、上記測定に用いたトランジスタの作製方法について図２を参照して説明する。

始めに、ガラス基板５０上に膜厚１００ｎｍの窒化シリコン層及び膜厚１５０ｎｍの酸化窒化シリコン層の積層からなる下地層５１をＣＶＤ法により形成した（図２（Ａ）参照）。

次いで、当該下地層５１上に膜厚１００ｎｍのタングステン層をスパッタリング法により形成した。さらに、当該タングステン層をフォトリソグラフィ法を用いて選択的にエッチングすることでゲート層５２を形成した（図２（Ｂ）参照）。

次いで、下地層５１上及びゲート層５２上に膜厚１００ｎｍの酸化窒化シリコン層からなるゲート絶縁層５３をＣＶＤ法により形成した（図２（Ｃ）参照）。

次いで、ゲート絶縁層５３上に膜厚２５ｎｍの酸化物半導体層をスパッタリング法により形成した。なお、当該酸化物半導体層の形成には、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ］の金属酸化物ターゲットを用いた。また、当該酸化物半導体層の形成は、基板温度を２００℃、チャンバー内圧を０．６Ｐａ、直流電源を５ｋＷ、酸素及びアルゴンの混合雰囲気（酸素流量５０ｓｃｃｍ、アルゴン流量５０ｓｃｃｍ）という条件において行っている。さらに、当該酸化物半導体層をフォトリソグラフィ法を用いて選択的にエッチングすることで酸化物半導体層５４を形成した（図２（Ｄ）参照）。

次いで、窒素及び酸素の混合雰囲気（窒素８０％、酸素２０％）下で４５０℃、１時間の熱処理を行った。

次いで、フォトリソグラフィ法を用いてゲート絶縁層５３を選択的にエッチングした（図示しない）。なお、当該エッチング工程は、ゲート層５２と、後に形成される導電層とのコンタクトホールを形成するための工程である。

次いで、ゲート絶縁層５３及び酸化物半導体層５４上に膜厚１００ｎｍのチタン層、膜厚２００ｎｍのアルミニウム層、及び膜厚１００ｎｍのチタン層の積層をスパッタリング法により形成した。さらに、当該積層をフォトリソグラフィ法を用いて選択的にエッチングすることでソース層５５ａ及びドレイン層５５ｂを形成した（図２（Ｅ）参照）。

次いで、窒素雰囲気下で３００℃、１時間の熱処理を行った。

次いで、ゲート絶縁層５３、酸化物半導体層５４、ソース層５５ａ、及びドレイン層５５ｂ上に膜厚３００ｎｍの酸化シリコン層からなる保護絶縁層５６を形成した。さらに、保護絶縁層５６をフォトリソグラフィ法を用いて選択的にエッチングした（図２（Ｆ）参照）。なお、当該エッチング工程は、ゲート層、ソース層、及びドレイン層と、後に形成される導電層とのコンタクトホールを形成するための工程である。

次いで、保護絶縁層５６上に膜厚１．５μｍのアクリル層を塗布し、該アクリル層を選択的に露光することによって平坦化絶縁層５７を形成した（図２（Ｇ）参照）。さらに、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行うことで、アクリル層からなる平坦化絶縁層５７を焼き固めた。

次いで、平坦化絶縁層５７上に膜厚２００ｎｍのチタン層をスパッタリング法により形成した。さらに、当該チタン層をフォトリソグラフィ法を用いて選択的にエッチングすることでゲート層５２に接続する導電層（図示しない）、ソース層５５ａに接続する導電層５８ａ、及びドレイン層５５ｂに接続する導電層５８ｂを形成した（図２（Ｈ）参照）。

次いで、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行った。

以上の工程によって、上記測定に用いたトランジスタを作製した。

さらに、上記測定に用いた特性評価用回路によるオフ電流の値の算出方法について以下に説明する。

特性評価用回路による電流測定について、図３を用いて説明する。図３は、特性評価用回路を説明するための図である。

まず、特性評価用回路の回路構成について図３（Ａ）を用いて説明する。図３（Ａ）は、特性評価用回路の回路構成を示す回路図である。

図３（Ａ）に示す特性評価用回路は、複数の測定系８０１を備える。複数の測定系８０１は、互いに並列に接続される。ここでは、８個の測定系８０１が並列に接続される構成とする。複数の測定系８０１を用いることにより、同時に複数の測定を行うことができる。

測定系８０１は、トランジスタ８１１と、トランジスタ８１２と、容量素子８１３と、トランジスタ８１４と、トランジスタ８１５と、を含む。

トランジスタ８１１、トランジスタ８１２、トランジスタ８１４、及びトランジスタ８１５は、Ｎチャネル型の電界効果トランジスタである。

トランジスタ８１１のソース及びドレインの一方には、電圧Ｖ１が入力され、トランジスタ８１１のゲートには、電圧Ｖｅｘｔ＿ａが入力される。トランジスタ８１１は、電荷注入用のトランジスタである。

トランジスタ８１２のソース及びドレインの一方は、トランジスタ８１１のソース及びドレインの他方に接続され、トランジスタ８１２のソース及びドレインの他方には、電圧Ｖ２が入力され、トランジスタ８１２のゲートには、電圧Ｖｅｘｔ＿ｂが入力される。トランジスタ８１２は、リーク電流評価用のトランジスタである。なお、ここでのリーク電流とは、トランジスタのオフ電流を含むリーク電流である。

容量素子８１３の一方の電極は、トランジスタ８１１のソース及びドレインの他方に接続され、容量素子８１３の他方の電極には、電圧Ｖ２が入力される。なお、ここでは、電圧Ｖ２は、０Ｖである。

トランジスタ８１４のソース及びドレインの一方には、電圧Ｖ３が入力され、トランジスタ８１４のゲートは、トランジスタ８１１のソース及びドレインの他方に接続される。なお、トランジスタ８１４のゲートと、トランジスタ８１１のソース及びドレインの他方、トランジスタ８１２のソース及びドレインの一方、並びに容量素子８１３の一方の電極との接続箇所をノードＡともいう。なお、ここでは、電圧Ｖ３は、５Ｖである。

トランジスタ８１５のソース及びドレインの一方は、トランジスタ８１４のソース及びドレインの他方に接続され、トランジスタ８１５のソース及びドレインの他方には、電圧Ｖ４が入力され、トランジスタ８１５のゲートには、電圧Ｖｅｘｔ＿ｃが入力される。なお、ここでは、電圧Ｖｅｘｔ＿ｃは、０．５Ｖである。

さらに、測定系８０１は、トランジスタ８１４のソース及びドレインの他方と、トランジスタ８１５のソース及びドレインの一方との接続箇所の電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。

ここでは、トランジスタ８１１として、図２を用いて説明した作製方法によって形成される、チャネル長Ｌ＝１０μｍ、チャネル幅Ｗ＝１０μｍのトランジスタを用いる。

また、トランジスタ８１４及びトランジスタ８１５として、図２を用いて説明した作製方法によって形成される、チャネル長Ｌ＝３μｍ、チャネル幅Ｗ＝１００μｍのトランジスタを用いる。

なお、少なくともトランジスタ８１２は、図３（Ｂ）に示すようにゲート層５２及びソース層５５ａと、ゲート層５２及びドレイン層５５ｂとが重畳せず、幅１μｍのオフセット領域を有する。当該オフセット領域を設けることにより、寄生容量を低減することができる。さらに、トランジスタ８１２としては、チャネル長Ｌ及びチャネル幅Ｗの異なる６つのトランジスタのサンプル（ＳＭＰともいう）を用いる（表１参照）。

図３（Ａ）に示すように、電荷注入用のトランジスタと、リーク電流評価用のトランジスタとを別々に設けることにより、電荷注入の際に、リーク電流評価用のトランジスタを常にオフ状態に保つことができる。

また、電荷注入用のトランジスタと、リーク電流評価用のトランジスタとを別々に設けることにより、それぞれのトランジスタを適切なサイズとすることができる。また、リーク電流評価用トランジスタのチャネル幅Ｗを、電荷注入用のトランジスタのチャネル幅Ｗよりも大きくすることにより、特性評価回路において、リーク電流評価用トランジスタに生じるリーク電流以外のリーク電流成分を相対的に小さくすることができる。その結果、リーク電流評価用トランジスタのリーク電流を高い精度で測定することができる。同時に、電荷注入の際に、リーク電流評価用トランジスタを一度オン状態とする必要がないため、リーク電流評価用トランジスタのチャネル領域の電荷の一部がノードＡに流れ込むことによるノードＡの電圧変動の影響もない。

次に、図３（Ａ）に示す特性評価回路のリーク電流測定方法について、図３（Ｃ）を用いて説明する。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）に示す特性評価回路を用いたリーク電流測定方法を説明するためのタイミングチャートである。

図３（Ａ）に示す特性評価回路を用いたリーク電流測定方法は、書き込み期間及び保持期間に分けられる。それぞれの期間における動作について、以下に説明する。

書き込み期間では、電圧Ｖｅｘｔ＿ｂとして、トランジスタ８１２がオフ状態となるような電圧ＶＬ（−３Ｖ）を入力する。また、電圧Ｖ１として、書き込み電圧Ｖｗを入力した後、電圧Ｖｅｘｔ＿ａとして、トランジスタ８１１がオン状態となるような電圧ＶＨ（５Ｖ）を一定期間入力する。これによって、ノードＡに電荷が蓄積され、ノードＡの電圧は、書き込み電圧Ｖｗと同等の値になる。その後、電圧Ｖｅｘｔ＿ａとして、トランジスタ８１１がオフ状態となるような電圧ＶＬを入力する。その後、電圧Ｖ１として、電圧ＶＳＳ（０Ｖ）を入力する。

また、保持期間では、ノードＡが保持する電荷量の変化に起因して生じるノードＡの電圧の変化量の測定を行う。電圧の変化量から、トランジスタ８１２のソースとドレインとの間を流れる電流値を算出することができる。以上により、ノードＡの電荷の蓄積とノードＡの電圧の変化量の測定とを行うことができる。

このとき、ノードＡの電荷の蓄積及びノードＡの電圧の変化量の測定（蓄積及び測定動作ともいう）を繰り返し行う。まず、第１の蓄積及び測定動作を１５回繰り返し行う。第１の蓄積及び測定動作では、書き込み期間に書き込み電圧Ｖｗとして５Ｖの電圧を入力し、保持期間に１時間の保持を行う。次に、第２の蓄積及び測定動作を２回繰り返し行う。第２の蓄積及び測定動作では、書き込み期間に書き込み電圧Ｖｗとして３．５Ｖの電圧を入力し、保持期間に５０時間の保持を行う。次に、第３の蓄積及び測定動作を１回行う。第３の蓄積及び測定動作では、書き込み期間に書き込み電圧Ｖｗとして４．５Ｖの電圧を入力し、保持期間に１０時間の保持を行う。蓄積及び測定動作を繰り返し行うことにより、測定した電流値が、定常状態における値であることを確認することができる。言い換えると、ノードＡを流れる電流Ｉ_Ａのうち、過渡電流（測定開始後から時間経過とともに減少していく電流成分）を除くことができる。その結果、より高い精度でリーク電流を測定することができる。

一般に、ノードＡの電圧Ｖ_Ａは、出力電圧Ｖｏｕｔの関数として式（１）のように表される。

また、ノードＡの電荷Ｑ_Ａは、ノードＡの電圧Ｖ_Ａ、ノードＡに接続される容量Ｃ_Ａ、定数（ｃｏｎｓｔ）を用いて、式（２）のように表される。ここで、ノードＡに接続される容量Ｃ_Ａは、容量素子８１３の容量と容量素子８１３以外の容量成分の和である。

ノードＡの電流Ｉ_Ａは、ノードＡに流れ込む電荷（またはノードＡから流れ出る電荷）の時間微分であるから、ノードＡの電流Ｉ_Ａは、式（３）のように表される。

なお、ここでは、Δｔを約５４０００ｓｅｃとする。このように、ノードＡに接続される容量Ｃ_Ａと、出力電圧Ｖｏｕｔから、リーク電流であるノードＡの電流Ｉ_Ａを求めることができるため、特性評価回路のリーク電流を求めることができる。

次に、上記特性評価回路を用いた測定方法による出力電圧の測定結果及び該測定結果より算出した特性評価回路のリーク電流の値について、図４を用いて説明する。

図４（Ａ）に、ＳＭＰ１、ＳＭＰ２、及びＳＭＰ３におけるトランジスタの上記測定（第１の蓄積及び測定動作）に係る経過時間Ｔｉｍｅと、出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を示し、図４（Ｂ）に、上記測定に係る経過時間Ｔｉｍｅと、該測定によって算出された電流Ｉ_Ａとの関係を示す。測定開始後から出力電圧Ｖｏｕｔが変動しており、定常状態に到るためには１０時間以上必要であることがわかる。

また、図５に、上記測定により得られた値から見積もられたＳＭＰ１乃至ＳＭＰ６におけるノードＡの電圧とリーク電流の関係を示す。図５では、例えばＳＭＰ４において、ノードＡの電圧が３．０Ｖの場合、リーク電流は２８ｙＡ／μｍである。リーク電流にはトランジスタ８１２のオフ電流も含まれるため、トランジスタ８１２のオフ電流も２８ｙＡ／μｍ以下とみなすことができる。

また、図６乃至図８に、８５℃、１２５℃、及び１５０℃における上記測定により見積もられたＳＭＰ１乃至ＳＭＰ６におけるノードＡの電圧とリーク電流の関係を示す。図６乃至図８に示すように、１５０℃の場合であっても、リーク電流は、１００ｚＡ／μｍ以下であることがわかる。

以上のように、酸化物半導体によってチャネル領域が形成されるトランジスタを用いた特性評価用回路において、リーク電流が十分に低いため、該トランジスタのオフ電流が十分に小さいことがわかる。また、該トランジスタのオフ電流は、温度が上昇した場合であっても十分に低いことがわかる。

＜本明細書で開示される半導体装置について＞
本明細書で開示される半導体装置は、酸化物半導体によってチャネル領域が形成されるトランジスタのソース及びドレインの一方が電気的に接続されたノードにおいてデータの保持を行うメモリセルを有する。なお、当該トランジスタのオフ電流（リーク電流）は、極めて低い。そのため、当該ノードの電位を所望の値に設定後、当該トランジスタをオフ状態とすることで当該電位を一定又はほぼ一定に維持することが可能である。これにより、当該メモリセルにおいて、正確なデータの保持が可能となる。

また、本明細書で開示される半導体装置では、ロウアドレス信号の供給及びカラムアドレス信号の供給が共通の配線を介して行われる。そのため、当該半導体装置のピン数を低減することが可能である。

＜具体例＞
上述した半導体装置の具体例について図９〜図２２を参照して説明する。

＜メモリセル３０の具体例１＞
図９（Ａ）は、上述したメモリセル３０の具体例を示す回路図である。図９（Ａ）に示すメモリセル３０は、ゲートが書き込みワード線３５に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が書き込みビット線３８に電気的に接続されたトランジスタ３１と、ゲートがトランジスタ３１のソース及びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が読み出しビット線３７に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が固定電位線３９に電気的に接続されたトランジスタ３３と、一方の電極がトランジスタ３１のソース及びドレインの他方並びにトランジスタ３３のゲートに電気的に接続され、他方の電極が読み出しワード線３６に電気的に接続された容量素子３４と、を有する。なお、ノード３２は、トランジスタ３１のソース及びドレインの他方、トランジスタ３３のゲート、及び容量素子３４の一方の電極が電気的に接続するノードである。また、固定電位線３９に供給される電位として、接地電位（ＧＮＤ）又は０Ｖなどを適用することが可能である。また、トランジスタ３１は、酸化物半導体（ＯＳ）によってチャネル領域が形成されるトランジスタであるが、トランジスタ３３のチャネル領域を形成する半導体材料は特に限定されない。

図９（Ａ）に示すメモリセル３０では、ノード３２の電位に応じて、トランジスタ３３のスイッチングを制御することが可能である。加えて、ノード３２の電位は、読み出しワード線３６との容量結合によって制御することが可能である。そのため、図９（Ａ）に示すメモリセル３０では、多値の情報を記憶することが可能である。すなわち、読み出しワード線３６の電位が異なる複数の条件においてトランジスタ３３の状態（オン状態又はオフ状態）を判別することで、ノード３２の電位が多値化されていても読み出しを行うことが可能である。なお、当該読み出しは、トランジスタ３３を用いて構成された分圧回路の出力信号を判別することなどによって行うことができる。また、図９（Ａ）に示すメモリセル３０は、２値の情報を保持するメモリセルとして使用することもできる。

＜メモリセル３０の具体例２＞
図９（Ｂ）は、図９（Ａ）とは異なるメモリセル３０の具体例を示す回路図である。図９（Ｂ）に示すメモリセル３０は、一列に配設されたｎ個のメモリセルのいずれか一である。メモリセル３０は、ゲートが書き込みワード線４２に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方がビット線４４に電気的に接続されたトランジスタ３１と、ゲートがトランジスタ３１のソース及びドレインの他方に電気的に接続されたトランジスタ４０と、一方の電極がトランジスタ３１のソース及びドレインの他方並びにトランジスタ４０のゲートに電気的に接続され、他方の電極が読み出しワード線４３に電気的に接続された容量素子４１と、を有する。また、ｋ番目（ｋは、２以上ｎ未満の自然数）に配設されたメモリセル３０が有するトランジスタ４０のソース及びドレインの一方は、ｋ−１番目に配設されたメモリセル３０が有するトランジスタ４０のソース及びドレインの他方に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方は、ｋ＋１番目に配設されたメモリセル３０が有するトランジスタ４０のソース及びドレインの一方に電気的に接続される。なお、１番目に配設されたメモリセル３０が有するトランジスタ４０のソース及びドレインの一方は、出力端子として機能する。また、ｎ番目に配設されたメモリセル３０が有するトランジスタ４０のソース及びドレインの他方は接地される。なお、ノード３２は、トランジスタ３１のソース及びドレインの他方、トランジスタ４０のゲート、及び容量素子４１の一方の電極が電気的に接続するノードである。なお、メモリセル３０が有するトランジスタ３１は、酸化物半導体（ＯＳ）によってチャネル領域が形成されるトランジスタであるが、メモリセル３０が有するトランジスタ４０のチャネル領域を形成する半導体材料は特に限定されない。

図９（Ｂ）に示すメモリセル３０では、ノード３２の電位に応じて、トランジスタ４０のスイッチングを制御することが可能である。加えて、ノード３２の電位は、読み出しワード線４３との容量結合によって制御することが可能である。なお、図９（Ｂ）に示すメモリセル３０を有する半導体装置においては、一列に配設されたｎ個のメモリセル３０のいずれか一に保持されたデータの読み出しを行う際に、当該メモリセル３０以外のｎ−１個のメモリセル３０の読み出しワード線４３の電位をハイレベルに上昇させる。これにより、当該メモリセル３０以外のｎ−１個のメモリセル３０が有するトランジスタ４０がオン状態となる。そのため、当該メモリセル３０が有するトランジスタ４０のソース及びドレインの一方が出力端子に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方が接地される。ここで、当該メモリセル３０が有するトランジスタ４０の状態（オン状態又はオフ状態）を判別することでデータが得られる。具体的には、当該メモリセル３０が有するトランジスタ４０を用いて分圧回路を構成し、該分圧回路の出力信号を判別することなどでデータが得られる。なお、図９（Ｂ）に示すメモリセル３０において多値のデータを判別する場合は、読み出しワード線４３の電位が異なる複数の条件においてトランジスタ４０の状態（オン状態又はオフ状態）を判別する必要がある。また、図９（Ｂ）に示すメモリセル３０は、２値の情報を保持するメモリセルとして使用することもできる。

＜ロウアドレスラッチ２１及びカラムアドレスラッチ２２の具体例１＞
図１０（Ａ）は、上述したロウアドレスラッチ２１の具体例を示す図である。図１０（Ａ）に示すロウアドレスラッチ２１は、第１の入力端子が第１のアドレス信号線に電気的に接続され、第２の入力端子が第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）を供給する配線（第１のラッチ信号線ともいう）に電気的に接続され、出力端子がロウデコーダ１１に電気的に接続された第１のロウアドレス信号ラッチ２１０＿１、乃至、第１の入力端子が第ｎのアドレス信号線に電気的に接続され、第２の入力端子が第１のラッチ信号線に電気的に接続され、出力端子がロウデコーダ１１に電気的に接続された第ｎのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｎを有する。

図１０（Ａ）に示すロウアドレスラッチ２１が有する第１のロウアドレス信号ラッチ２１０＿１乃至第ｎのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｎのそれぞれは、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）に応じて第１の入力端子に入力される信号を回路内に格納することが可能である。そして、当該信号の保持及びロウデコーダ１１に対する当該信号の出力を行うことが可能である。これにより、ロウデコーダ１１がメモリセルアレイ１０の所望の行を選択することが可能となる。

図１０（Ｂ）は、上述したカラムアドレスラッチ２２の具体例を示す図である。同様に、図１０（Ｂ）に示すカラムアドレスラッチ２２は、第１の入力端子が第１のアドレス信号線に電気的に接続され、第２の入力端子が第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）を供給する配線（第２のラッチ信号線ともいう）に電気的に接続され、出力端子がカラムデコーダ１２に電気的に接続された第１のカラムアドレス信号ラッチ２２０＿１、乃至、第１の入力端子が第ｎのアドレス信号線に電気的に接続され、第２の入力端子が第２のラッチ信号線に電気的に接続され、出力端子がカラムデコーダ１２に電気的に接続された第ｎのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｎを有する。

図１０（Ｂ）に示すカラムアドレスラッチ２２が有する第１のカラムアドレス信号ラッチ２２０＿１乃至第ｎのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｎのそれぞれは、第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）に応じて第１の入力端子に入力される信号を回路内に格納することが可能である。そして、当該信号の保持及びカラムデコーダ１２に対する当該信号の出力を行うことが可能である。これにより、カラムデコーダ１２がメモリセルアレイ１０の所望の列を選択することが可能となる。

図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）に示した第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘ（ｘは、ｎ以下の自然数）の具体例を示す図である。図１０（Ｃ）に示す第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘは、入力端子及び出力端子の一方が第ｘのアドレス信号線に電気的に接続されたスイッチ２１１ａと、入力端子がスイッチ２１１ａの入力端子及び出力端子の他方に電気的に接続されたインバータ２１２ａと、入力端子がインバータ２１２ａの出力端子に電気的に接続され、出力端子が第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘの出力端子として機能するインバータ２１２ｂと、入力端子がインバータ２１２ａの出力端子及びインバータ２１２ｂの入力端子に電気的に接続されたインバータ２１２ｃと、入力端子及び出力端子の一方がインバータ２１２ｃの出力端子に電気的に接続され、入力端子及び出力端子の他方がスイッチ２１１ａの入力端子及び出力端子の他方並びにインバータ２１２ａの入力端子に電気的に接続されたスイッチ２１１ｂと、入力端子が第１のラッチ信号線に電気的に接続されたインバータ２１２ｄと、を有する。

なお、スイッチ２１１ａ、２１１ｂとしては、図１０（Ｄ）に示す回路を適用することができ、インバータ２１２ａ〜２１２ｄとしては、図１０（Ｅ）に示す回路を適用することができる。具体的に述べると、図１０（Ｄ）に示すスイッチは、ソース及びドレインの一方がスイッチの入力端子に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方がスイッチの出力端子に電気的に接続されたｐチャネル型トランジスタ及びｎチャネル型トランジスタを有する。また、図１０（Ｅ）に示すインバータは、ゲートがインバータの入力端子に電気的に接続され、ソースが高電源電位（ＶＤＤ）を供給する配線に電気的に接続され、ドレインがインバータの出力端子に電気的に接続されたｐチャネル型トランジスタと、ゲートがインバータの入力端子に電気的に接続され、ソースが低電源電位（ＶＳＳ）を供給する配線に電気的に接続され、ドレインがインバータの出力端子に電気的に接続されたｎチャネル型トランジスタとを有する。なお、図１０（Ｄ）に示す回路及び図１０（Ｅ）に示す回路が有するｎチャネル型トランジスタとして、酸化物半導体（ＯＳ）によってチャネル領域が形成されるトランジスタを適用することも可能である。

さらに、スイッチ２１１ａが有するｐチャネル型トランジスタのゲートは、第１のラッチ信号線に電気的に接続され、ｎチャネル型トランジスタのゲートはインバータ２１２ｄの出力端子に電気的に接続される。また、スイッチ２１１ｂが有するｐチャネル型トランジスタのゲートはインバータ２１２ｄの出力端子に電気的に接続され、ｎチャネル型トランジスタのゲートは第１のラッチ信号線に電気的に接続される。

なお、図１０（Ｂ）に示した第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘとして、図１０（Ｃ）に示す第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘと同じ回路を適用することが可能である。ただし、第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘでは、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）ではなく第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）が入力される点が第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘとは異なる（図１０（Ｃ）括弧書き参照）。

図１０（Ｆ）は、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）、第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘの出力信号（２１０＿ｘＯｕｔ）、及び第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘの出力信号（２２０＿ｘＯｕｔ）の特定の期間における電位の変化を示す図である。なお、図１０（Ｆ）中において、期間Ｔ１は、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）がロウアドレス信号を示す期間であり、期間Ｔ２は、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）がカラムアドレス信号を示す期間である。なお、ここでは、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）が示すハイレベルの電位が信号「１」であり、ロウレベルの電位が信号「０」に相当することとする。また、期間Ｔ１において第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）が示すロウアドレス信号及び期間Ｔ２において第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）が示すカラムアドレス信号は、共にハイレベルの電位（信号「１」）であることとする。

期間Ｔ１の初期において、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）の電位がハイレベルの電位へと上昇する。この時、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）の電位及び第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）の電位は共にロウレベルの電位である。そのため、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘが有するスイッチ２１１ａ及び第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘが有するスイッチ２１１ａはオン状態であり、それぞれが有するスイッチ２１１ｂはオフ状態である。これにより、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘの出力信号（２１０＿ｘＯｕｔ）及び第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘの出力信号（２２０＿ｘＯｕｔ）は、ハイレベルの電位（信号「１」）となる。

次いで、期間Ｔ１内において、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）の電位がハイレベルの電位へと上昇する。これに伴い、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘが有するスイッチ２１１ａがオフ状態となり、スイッチ２１１ｂがオン状態となる。なお、当該動作が、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘにおけるロウアドレス信号の格納に相当する。

次いで、期間Ｔ１末期において、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）の電位がロウレベルの電位へと下降する。これにより、スイッチ２１１ａがオン状態にある第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘの出力信号（２２０＿ｘＯｕｔ）は、ロウレベルの電位へと下降する。他方、スイッチ２１１ａがオフ状態にある第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘの出力信号（２１０＿ｘＯｕｔ）は、ロウレベルの電位へと下降することがない。また、スイッチ２１１ｂがオン状態（信号「１」）にあるため、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘの出力信号（２１０＿ｘＯｕｔ）は、ハイレベルの電位（信号「１」）を維持する。

次いで、期間Ｔ２の初期において、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）の電位がハイレベルの電位へと上昇する。この時、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）の電位はハイレベルの電位であり、第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）の電位はロウレベルの電位である。そのため、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘが有するスイッチ２１１ａはオフ状態であり、スイッチ２１１ｂはオン状態であるのに対し、第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘが有するスイッチ２１１ａはオン状態であり、スイッチ２１１ｂはオフ状態である。これにより、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘの出力信号（２１０＿ｘＯｕｔ）は、期間Ｔ１において格納されたロウアドレス信号であるハイレベルの電位（信号「１」）を維持し、第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘの出力信号（２２０＿ｘＯｕｔ）は、ハイレベルの電位（信号「１」）へと上昇する。

次いで、期間Ｔ２内において、第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）の電位がハイレベルの電位へと上昇する。これに伴い、第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘが有するスイッチ２１１ａがオフ状態となり、スイッチ２１１ｂがオン状態となる。なお、当該動作が、第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘにおけるカラムアドレス信号の格納に相当する。

次いで、期間Ｔ２末期において、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）の電位がロウレベルの電位へと下降する。しかしながら、スイッチ２１１ａがオフ状態にある第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘ及び第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘのそれぞれの出力信号（２１０＿ｘＯｕｔ及び２２０＿ｘ＿Ｏｕｔ）は、ロウレベルの電位へと下降することがない。また、スイッチ２１１ｂがオン状態（信号「１」）にあるため、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘ及び第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘのそれぞれの出力信号（２１０＿ｘＯｕｔ及び２２０＿ｘＯｕｔ）は、ハイレベルの電位（信号「１」）を維持する。

上記の動作を第１のロウアドレス信号ラッチ２１０＿１乃至第ｎのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｎのそれぞれにおいて行うことで、期間Ｔ２後にロウデコーダ１１にメモリセルアレイ１０の所望の行を選択させることが可能となる。また、上記の動作を第１のカラムアドレス信号ラッチ２２０＿１乃至第ｎのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｎのそれぞれにおいて行うことで、期間Ｔ２後にカラムデコーダ１２にメモリセルアレイ１０の所望の列を選択させることが可能となる。すなわち、メモリセルアレイ１０が有する複数のメモリセル３０のいずれか一を選択することが可能となる。

＜ロウアドレスラッチ２１及びカラムアドレスラッチ２２の具体例２＞
図１１（Ａ）は、図１０（Ｃ）とは異なる第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘの具体例を示す図である。図１１（Ａ）に示す第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘは、ゲートが第１のラッチ信号線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が第ｘのアドレス信号線に電気的に接続されたトランジスタ２１３と、一方の電極がトランジスタ２１３のソース及びドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が固定電位線に電気的に接続された容量素子２１４と、入力端子がトランジスタ２１３のソース及びドレインの他方並びに容量素子２１４の一方の電極に電気的に接続されたインバータ２１５ａと、入力端子がインバータ２１５ａの出力端子に電気的に接続され、出力端子が第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘの出力端子として機能するインバータ２１５ｂと、を有する。なお、トランジスタ２１３は、チャネル領域が酸化物半導体（ＯＳ）によって形成されるトランジスタである。また、当該固定電位線に供給される電位として、接地電位（ＧＮＤ）又は０（Ｖ）などを適用することが可能である。また、インバータ２１５ａ、２１５ｂとしては、図１０（Ｅ）に示す回路を適用することができる。

なお、図１０（Ｂ）に示した第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘとして、図１１（Ａ）に示す第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘと同じ回路を適用することが可能である。ただし、第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘでは、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）ではなく第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）が入力される点が第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘとは異なる（図１１（Ａ）括弧書き参照）。

図１１（Ｂ）は、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）、第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘの出力信号（２１０＿ｘＯｕｔ）、及び第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘの出力信号（２２０＿ｘＯｕｔ）の特定の期間における電位の変化を示す図である。なお、図１１（Ｂ）中において、期間ｔ１は、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）がロウアドレス信号を示す期間であり、期間ｔ２は、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）がカラムアドレス信号を示す期間である。なお、ここでは、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）が示すハイレベルの電位が信号「１」であり、ロウレベルの電位が信号「０」に相当することとする。また、期間ｔ１において第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）が示すロウアドレス信号及び期間ｔ２において第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）が示すカラムアドレス信号は、共にハイレベルの電位（信号「１」）であることとする。

期間ｔ１内において、まず、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）の電位がハイレベルの電位へと上昇する。この時、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）の電位及び第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）の電位は共にロウレベルの電位である。そのため、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘが有するトランジスタ２１３及び第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘが有するトランジスタ２１３はオフ状態である。次いで、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）の電位がハイレベルの電位へと上昇する。そのため、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘが有するトランジスタ２１３がオン状態となる。これにより、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘの出力信号（２１０＿ｘＯｕｔ）は、ハイレベルの電位（信号「１」）となる。次いで、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）の電位がロウレベルの電位へと下降する。そのため、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘが有するトランジスタ２１３がオフ状態となる。そのため、トランジスタ２１３のソース及びドレインの他方並びに容量素子の一方の電極が電気的に接続されたノードが浮遊状態となる。ここで、トランジスタ２１３は、チャネル領域が酸化物半導体（ＯＳ）によって形成されるオフ電流値の低いトランジスタであるため、当該ノードの電位を一定値又はほぼ一定値に保つことが可能である。これにより、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘの出力信号（２１０＿ｘＯｕｔ）は、ハイレベルの電位（信号「１」）を維持する。なお、当該動作（第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）の立ち下がりに伴う動作）が、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘにおけるロウアドレス信号の格納に相当する。

また、期間ｔ２内において、まず、第ｘのアドレス信号（ＡＳｘ）の電位がハイレベルの電位へと上昇する。この時、第１のラッチ信号（ＬＡＴ１）の電位及び第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）の電位は共にロウレベルの電位である。そのため、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘが有するトランジスタ２１３及び第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘが有するトランジスタ２１３はオフ状態である。次いで、第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）の電位がハイレベルの電位へと上昇する。そのため、第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘが有するトランジスタ２１３がオン状態となる。これにより、第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘの出力信号（２２０＿ｘＯｕｔ）は、ハイレベルの電位（信号「１」）となる。次いで、第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）の電位がロウレベルの電位へと下降する。そのため、第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘが有するトランジスタ２１３がオフ状態となる。これにより、第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘの出力信号（２２０＿ｘＯｕｔ）は、ハイレベルの電位（信号「１」）を維持する。なお、当該動作（第２のラッチ信号（ＬＡＴ２）の立ち下がりに伴う動作）が、第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘにおけるカラムアドレス信号の格納に相当する。

図１１（Ａ）に示す回路を第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘ及び第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘとして適用することで、図１０（Ｃ）に示す回路を第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘ及び第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘとして適用する場合と比較してトランジスタ数を低減することができる。

なお、第ｘのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｘ及び第ｘのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｘの一方として図１０（Ｃ）に示す回路を適用し、他方として図１１（Ａ）に示す回路を適用することも可能である。また、第１のロウアドレス信号ラッチ２１０＿１乃至第ｎのロウアドレス信号ラッチ２１０＿ｎに含まれる、ｍ個（ｍは、ｎ未満の自然数）のロウアドレス信号ラッチとして図１０（Ｃ）に示す回路を適用し、（ｎ−ｍ）個のロウアドレス信号ラッチとして図１１（Ａ）に示す回路を適用することも可能である。同様に、第１のカラムアドレス信号ラッチ２２０＿１乃至第ｎのカラムアドレス信号ラッチ２２０＿ｎに含まれる、ｍ個のカラムアドレス信号ラッチとして図１０（Ｃ）に示す回路を適用し、（ｎ−ｍ）個のカラムアドレス信号ラッチとして図１１（Ａ）に示す回路を適用することも可能である。

＜半導体装置を構成するトランジスタの具体例＞
以下では、上述した半導体装置が有するトランジスタの一例について説明する。具体的には、半導体材料を含む基板を用いて形成されるトランジスタ及び酸化物半導体を用いて形成されるトランジスタの一例について示す。

図１２に示すトランジスタ１６０は、半導体材料を含む基板１００に設けられたチャネル領域１１６と、チャネル領域１１６を挟むように設けられた一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂ及び一対の高濃度不純物領域１２０ａ、１２０ｂ（これらをあわせて単に不純物領域とも呼ぶ）と、チャネル領域１１６上に設けられたゲート絶縁膜１０８ａと、ゲート絶縁膜１０８ａ上に設けられたゲート層１１０ａと、不純物領域１１４ａと電気的に接続するソース層１３０ａと、不純物領域１１４ｂと電気的に接続するドレイン層１３０ｂとを有する。

なお、ゲート層１１０ａの側面にはサイドウォール絶縁層１１８が設けられている。また、半導体材料を含む基板１００のサイドウォール絶縁層１１８と重ならない領域には、一対の高濃度不純物領域１２０ａ、１２０ｂを有し、一対の高濃度不純物領域１２０ａ、１２０ｂ上には一対の金属化合物領域１２４ａ、１２４ｂが存在する。また、基板１００上にはトランジスタ１６０を囲むように素子分離絶縁層１０６が設けられており、トランジスタ１６０を覆うように、層間絶縁層１２６および層間絶縁層１２８が設けられている。ソース層１３０ａは、層間絶縁層１２６および層間絶縁層１２８に形成された開口を通じて、金属化合物領域１２４ａと電気的に接続され、ドレイン層１３０ｂは、層間絶縁層１２６および層間絶縁層１２８に形成された開口を通じて、金属化合物領域１２４ｂと電気的に接続されている。つまり、ソース層１３０ａは、金属化合物領域１２４ａを介して高濃度不純物領域１２０ａおよび不純物領域１１４ａと電気的に接続され、ドレイン層１３０ｂは、金属化合物領域１２４ｂを介して高濃度不純物領域１２０ｂおよび不純物領域１１４ｂと電気的に接続されている。

また、後述するトランジスタ１６４の下層には、ゲート絶縁膜１０８ａと同一材料からなる絶縁層１０８ｂ、ゲート層１１０ａと同一材料からなる電極層１１０ｂ、並びにソース層１３０ａ及びドレイン層１３０ｂと同一材料からなる電極層１３０ｃが設けられている。

図１２に示すトランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられたゲート層１３６ｄと、ゲート層１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁膜１３８と、ゲート絶縁膜１３８上に設けられた酸化物半導体層１４０と、酸化物半導体層１４０上に設けられ、酸化物半導体層１４０と電気的に接続されているソース層１４２ａと、ドレイン層１４２ｂとを有する。

ここで、ゲート層１３６ｄは、層間絶縁層１２８上に形成された絶縁層１３２に、埋め込むように設けられている。また、ゲート層１３６ｄと同様に、トランジスタ１６０が有する、ソース層１３０ａに接する電極層１３６ａ及びドレイン層１３０ｂに接する電極層１３６ｂが形成されている。また、電極層１３０ｃに接する電極層１３６ｃが形成されている。

また、トランジスタ１６４の上には、酸化物半導体層１４０の一部と接するように、保護絶縁層１４４が設けられており、保護絶縁層１４４上には層間絶縁層１４６が設けられている。ここで、保護絶縁層１４４および層間絶縁層１４６には、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂにまで達する開口が設けられており、当該開口を通じて、ソース層１４２ａに接する電極層１５０ｄ、ドレイン層１４２ｂに接する電極層１５０ｅが形成されている。また、電極層１５０ｄ、電極層１５０ｅと同様に、ゲート絶縁膜１３８、保護絶縁層１４４、層間絶縁層１４６に設けられた開口を通じて、電極層１３６ａに接する電極層１５０ａ、電極層１３６ｂに接する電極層１５０ｂ、及び電極層１３６ｃに接する電極層１５０ｃが形成されている。

ここで、酸化物半導体層１４０は水素などの不純物が十分に除去され、高純度化されている。具体的には、酸化物半導体層１４０の水素濃度は５×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である。なお、酸化物半導体層１４０の水素濃度は、５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることが望ましく、５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることがより望ましい。水素濃度が十分に低減されて高純度化された酸化物半導体層１４０を用いることで、極めて優れたオフ電流特性のトランジスタ１６４を得ることができる。例えば、ドレイン電圧Ｖｄが＋１Ｖまたは＋１０Ｖの場合、リーク電流は１×１０^−１３［Ａ］以下となる。このように、水素濃度が十分に低減されて高純度化された酸化物半導体層１４０を適用することで、トランジスタ１６４のリーク電流を低減することができる。なお、上述の酸化物半導体層１４０中の水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定したものである。

また、層間絶縁層１４６上には絶縁層１５２が設けられており、絶縁層１５２に埋め込まれるように、電極層１５４ａ、電極層１５４ｂ、電極層１５４ｃ、電極層１５４ｄが設けられている。なお、電極層１５４ａは電極層１５０ａと接しており、電極層１５４ｂは電極層１５０ｂと接しており、電極層１５４ｃは電極層１５０ｃおよび電極層１５０ｄと接しており、電極層１５４ｄは電極層１５０ｅと接している。

図１２に示すトランジスタ１６０が有するソース層１３０ａは、上層領域に設けられた電極層１３６ａ、電極層１５０ａ、及び電極層１５４ａに電気的に接続している。そのため、トランジスタ１６０のソース層１３０ａは、これらの導電層を適宜形成することにより、上層領域に設けられたトランジスタ１６４が有する電極層のいずれかと電気的に接続させることが可能である。また、トランジスタ１６０が有するドレイン層１３０ｂについても同様に、上層領域に設けられたトランジスタ１６４が有する電極層のいずれかと電気的に接続させることが可能である。なお、図１２には図示していないが、トランジスタ１６０が有するゲート層１１０ａが、上層領域に設けられた電極層を介して、トランジスタ１６４が有する電極層のいずれかと電気的に接続する構成にすることもできる。

同様に、図１２に示すトランジスタ１６４が有するソース層１４２ａは、下層領域に設けられた電極層１３０ｃ及び電極層１１０ｂに電気的に接続している。そのため、トランジスタ１６４のソース層１４２ａは、これらの導電層を適宜形成することにより、下層領域に設けられたトランジスタ１６０のゲート層１１０ａ、ソース層１３０ａ、又はドレイン層１３０ｂと電気的に接続させることが可能である。なお、図１２には図示していないが、トランジスタ１６４が有するゲート層１３６ｄ又はドレイン層１４２ｂが、下層領域に設けられた電極層を介して、トランジスタ１６０が有する電極層のいずれかと電気的に接続する構成にすることもできる。

＜トランジスタの作製工程例＞
次に、トランジスタ１６０及びトランジスタ１６４の作製方法の一例について説明する。以下では、はじめにトランジスタ１６０の作製方法について図１３を参照しながら説明し、その後、トランジスタ１６４の作製方法について図１４および図１５を参照しながら説明する。

まず、半導体材料を含む基板１００を用意する（図１３（Ａ）参照）。半導体材料を含む基板１００としては、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することができる。ここでは、半導体材料を含む基板１００として、単結晶シリコン基板を用いる場合の一例について示すものとする。なお、一般に「ＳＯＩ基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体層が設けられた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料からなる半導体層が設けられた構成の基板をも含むこととする。つまり、「ＳＯＩ基板」が有する半導体層は、シリコン半導体層に限定されない。また、ＳＯＩ基板には、ガラス基板などの絶縁基板上に絶縁層を介して半導体層が設けられた構成も含まれるものとする。

基板１００上には、素子分離絶縁層を形成するためのマスクとなる保護層１０２を形成する（図１３（Ａ）参照）。保護層１０２としては、例えば、酸化シリコンや窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを材料とする絶縁層を用いることができる。なお、この工程の前後において、半導体装置のしきい値電圧を制御するために、ｎ型の導電性を付与する不純物元素やｐ型の導電性を付与する不純物元素を基板１００に添加してもよい。半導体がシリコンの場合、ｎ型の導電性を付与する不純物としては、例えば、リンや砒素などを用いることができる。また、ｐ型の導電性を付与する不純物としては、例えば、硼素、アルミニウム、ガリウムなどを用いることができる。

次に、上記の保護層１０２をマスクとしてエッチングを行い、保護層１０２に覆われていない領域（露出している領域）の基板１００の一部を除去する。これにより分離された半導体領域１０４が形成される（図１３（Ｂ）参照）。当該エッチングには、ドライエッチングを用いるのが好適であるが、ウェットエッチングを用いても良い。エッチングガスやエッチング液については被エッチング材料に応じて適宜選択することができる。

次に、半導体領域１０４を覆うように絶縁層を形成し、半導体領域１０４に重畳する領域の絶縁層を選択的に除去することで、素子分離絶縁層１０６を形成する（図１３（Ｂ）参照）。当該絶縁層は、酸化シリコンや窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを用いて形成される。絶縁層の除去方法としては、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）などの研磨処理やエッチング処理などがあるが、そのいずれを用いても良い。なお、半導体領域１０４の形成後、または、素子分離絶縁層１０６の形成後には、上記保護層１０２を除去する。

次に、半導体領域１０４上に絶縁層を形成し、当該絶縁層上に導電材料を含む層を形成する。

絶縁層は後のゲート絶縁膜となるものであり、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて得られる酸化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル等を含む膜の単層構造または積層構造とすると良い。他に、高密度プラズマ処理や熱酸化処理によって、半導体領域１０４の表面を酸化、窒化することにより、上記絶縁層を形成してもよい。高密度プラズマ処理は、例えば、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガスと、酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素などとの混合ガスを用いて行うことができる。また、絶縁層の厚さは特に限定されないが、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。

導電材料を含む層は、アルミニウムや銅、チタン、タンタル、タングステン等の金属材料を用いて形成することができる。また、導電材料を含む多結晶シリコンなどの半導体材料を用いて、導電材料を含む層を形成しても良い。形成方法も特に限定されず、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用いることができる。なお、ここでは、導電材料を含む層を、金属材料を用いて形成する場合の一例について示すものとする。

その後、絶縁層および導電材料を含む層を選択的にエッチングして、ゲート絶縁膜１０８ａ、ゲート層１１０ａを形成する（図１３（Ｃ）参照）。

次に、ゲート層１１０ａを覆う絶縁層１１２を形成する（図１３（Ｃ）参照）。そして、半導体領域１０４に硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）などを添加して、浅い接合深さの一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂを形成する（図１３（Ｃ）参照）。なお、一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂの形成により、半導体領域１０４のゲート絶縁膜１０８ａ下部には、チャネル領域１１６が形成される（図１３（Ｃ）参照）。ここで、添加する不純物の濃度は適宜設定することができるが、半導体素子が高度に微細化される場合には、その濃度を高くすることが望ましい。また、ここでは、絶縁層１１２を形成した後に一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂを形成する工程を採用しているが、一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂを形成した後に絶縁層１１２を形成する工程としても良い。

次に、サイドウォール絶縁層１１８を形成する（図１３（Ｄ）参照）。サイドウォール絶縁層１１８は、絶縁層１１２を覆うように絶縁層を形成した後に、当該絶縁層に異方性の高いエッチング処理を適用することで、自己整合的に形成することができる。また、この際に、絶縁層１１２を部分的にエッチングして、ゲート層１１０ａの上面と、一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂの上面を露出させると良い。

次に、ゲート層１１０ａ、一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂ、サイドウォール絶縁層１１８等を覆うように、絶縁層を形成する。そして、一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂの一部に対して硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）などを添加して、一対の高濃度不純物領域１２０ａ、１２０ｂを形成する（図１３（Ｅ）参照）。その後、上記絶縁層を除去し、ゲート層１１０ａ、サイドウォール絶縁層１１８、一対の高濃度不純物領域１２０ａ、１２０ｂ等を覆うように金属層１２２を形成する（図１３（Ｅ）参照）。金属層１２２は、真空蒸着法やスパッタリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用いて形成することができる。金属層１２２は、半導体領域１０４を構成する半導体材料と反応して低抵抗な金属化合物となる金属材料を用いて形成することが望ましい。このような金属材料としては、例えば、チタン、タンタル、タングステン、ニッケル、コバルト、白金等がある。

次に、熱処理を施して、金属層１２２と半導体材料とを反応させる。これにより、一対の高濃度不純物領域１２０ａ、１２０ｂに接する一対の金属化合物領域１２４ａ、１２４ｂが形成される（図１３（Ｆ）参照）。なお、ゲート層１１０ａとして多結晶シリコンなどを用いる場合には、ゲート層１１０ａの金属層１２２と接触する部分にも、金属化合物領域が形成されることになる。

上記熱処理としては、例えば、フラッシュランプの照射による熱処理を用いることができる。もちろん、その他の熱処理方法を用いても良いが、金属化合物の形成に係る化学反応の制御性を向上させるためには、ごく短時間の熱処理が実現できる方法を用いることが望ましい。なお、上記の金属化合物領域は、金属材料と半導体材料との反応により形成されるものであり、十分に導電性が高められた領域である。当該金属化合物領域を形成することで、電気抵抗を十分に低減し、素子特性を向上させることができる。なお、一対の金属化合物領域１２４ａ、１２４ｂを形成した後には、金属層１２２は除去する。

次に、上述の工程により形成された各構成を覆うように、層間絶縁層１２６、層間絶縁層１２８を形成する（図１３（Ｇ）参照）。層間絶縁層１２６や層間絶縁層１２８は、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。また、ポリイミド、アクリル等の有機絶縁材料を用いて形成することも可能である。なお、ここでは、層間絶縁層１２６や層間絶縁層１２８の二層構造としているが、層間絶縁層の構成はこれに限定されない。層間絶縁層１２８の形成後には、その表面を、ＣＭＰやエッチング処理などによって平坦化しておくことが望ましい。

その後、上記層間絶縁層に、一対の金属化合物領域１２４ａ、１２４ｂにまで達する開口を形成し、当該開口に、ソース層１３０ａ、ドレイン層１３０ｂを形成する（図１３（Ｈ）参照）。ソース層１３０ａ及びドレイン層１３０ｂは、例えば、開口を含む領域にＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて導電層を形成した後、エッチング処理やＣＭＰといった方法を用いて、上記導電層の一部を除去することにより形成することができる。

なお、ソース層１３０ａ及びドレイン層１３０ｂを形成する際には、その表面が平坦になるように加工することが望ましい。例えば、開口を含む領域にチタン膜や窒化チタン膜を薄く形成した後に、開口に埋め込むようにタングステン膜を形成する場合には、その後のＣＭＰによって、不要なタングステン、チタン、窒化チタンなどを除去すると共に、その表面の平坦性を向上させることができる。このように、ソース層１３０ａ及びドレイン層１３０ｂを含む表面を平坦化することにより、後の工程において、良好な電極、配線、絶縁層、半導体層などを形成することが可能となる。

なお、ここでは、一対の金属化合物領域１２４ａ、１２４ｂと接触するソース層１３０ａ及びドレイン層１３０ｂのみを示しているが、この工程において、配線として機能する電極層（例えば、図１２における電極層１３０ｃ）などをあわせて形成することができる。ソース層１３０ａ及びドレイン層１３０ｂとして用いることができる材料について特に限定はなく、各種導電材料を用いることができる。例えば、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウムなどの導電性材料を用いることができる。

以上により、半導体材料を含む基板１００を用いたトランジスタ１６０が形成される。なお、上記工程の後には、さらに電極や配線、絶縁層などを形成しても良い。配線の構造として、層間絶縁層および導電層の積層構造でなる多層配線構造を採用することにより、高度に集積化した回路を提供することができる。

次に、図１４および図１５を用いて、層間絶縁層１２８上にトランジスタ１６４を作製する工程について説明する。なお、図１４および図１５は、層間絶縁層１２８上の各種電極層や、トランジスタ１６４などの作製工程を示すものであるから、トランジスタ１６４の下部に存在するトランジスタ１６０等については省略している。

まず、層間絶縁層１２８、ソース層１３０ａ、ドレイン層１３０ｂ、電極層１３０ｃ上に絶縁層１３２を形成する（図１４（Ａ）参照）。絶縁層１３２はＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて形成することができる。また、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。

次に、絶縁層１３２に対し、ソース層１３０ａ、ドレイン層１３０ｂ、および電極層１３０ｃにまで達する開口を形成する。この際、後にゲート層１３６ｄが形成される領域にも併せて開口を形成する。そして、上記開口に埋め込むように、導電層１３４を形成する（図１４（Ｂ）参照）。上記開口はマスクを用いたエッチングなどの方法で形成することができる。当該マスクは、フォトマスクを用いた露光などの方法によって形成することが可能である。エッチングとしてはウェットエッチング、ドライエッチングのいずれを用いても良いが、微細加工の観点からは、ドライエッチングを用いることが好適である。導電層１３４の形成は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などの成膜法を用いて行うことができる。導電層１３４の形成に用いることができる材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウムなどの導電性材料や、これらの合金、化合物（例えば窒化物）などが挙げられる。

より具体的には、例えば、ＰＶＤ法により開口を含む領域にチタン膜を薄く形成し、ＣＶＤ法により窒化チタン膜を薄く形成した後に、開口に埋め込むようにタングステン膜を形成する方法を適用することができる。ここで、ＰＶＤ法により形成されるチタン膜は、界面の酸化膜を還元し、下部電極層（ここでは、ソース層１３０ａ、ドレイン層１３０ｂ、電極層１３０ｃなど）との接触抵抗を低減させる機能を有する。また、その後に形成される窒化チタン膜は、導電性材料の拡散を抑制するバリア機能を備える。また、チタンや窒化チタンなどによるバリア膜を形成した後に、メッキ法により銅膜を形成してもよい。

導電層１３４を形成した後には、エッチング処理やＣＭＰといった方法を用いて導電層１３４の一部を除去し、絶縁層１３２を露出させて、電極層１３６ａ、電極層１３６ｂ、電極層１３６ｃ、ゲート層１３６ｄを形成する（図１４（Ｃ）参照）。なお、上記導電層１３４の一部を除去して電極層１３６ａ、電極層１３６ｂ、電極層１３６ｃ、ゲート層１３６ｄを形成する際には、表面が平坦になるように加工することが望ましい。このように、絶縁層１３２、電極層１３６ａ、電極層１３６ｂ、電極層１３６ｃ、ゲート層１３６ｄの表面を平坦化することにより、後の工程において、良好な電極、配線、絶縁層、半導体層などを形成することが可能となる。

次に、絶縁層１３２、電極層１３６ａ、電極層１３６ｂ、電極層１３６ｃ、ゲート層１３６ｄを覆うように、ゲート絶縁膜１３８を形成する（図１４（Ｄ）参照）。ゲート絶縁膜１３８は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて形成することができる。また、ゲート絶縁膜１３８は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどを含むように形成するのが好適である。なお、ゲート絶縁膜１３８は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。例えば、原料ガスとして、シラン（ＳｉＨ_４）、酸素、窒素を用いたプラズマＣＶＤ法により、酸化窒化珪素でなるゲート絶縁膜１３８を形成することができる。ゲート絶縁膜１３８の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。積層構造の場合は、例えば、膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の第１のゲート絶縁膜と、第１のゲート絶縁膜上の膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の第２のゲート絶縁膜の積層とすると好適である。

なお、不純物を除去することによりｉ型化または実質的にｉ型化された酸化物半導体（高純度化された酸化物半導体）は、界面準位や界面電荷に対して極めて敏感であるため、このような酸化物半導体を酸化物半導体層に用いる場合には、ゲート絶縁膜との界面は重要である。つまり、高純度化された酸化物半導体層に接するゲート絶縁膜１３８には、高品質化が要求されることになる。

例えば、μ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤ法は、緻密で絶縁耐圧の高い高品質なゲート絶縁膜１３８を形成できる点で好適である。高純度化された酸化物半導体層と高品質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位密度を低減して界面特性を良好なものとすることができるからである。

もちろん、ゲート絶縁膜として良質な絶縁層を形成できるものであれば、高純度化された酸化物半導体層を用いる場合であっても、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法など他の方法を適用することができる。また、形成後の熱処理によって、膜質や界面特性が改質される絶縁層を適用しても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜１３８としての膜質が良好であると共に、酸化物半導体層との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるものを形成すれば良い。

次いで、ゲート絶縁膜１３８上に、酸化物半導体層を形成し、マスクを用いたエッチングなどの方法によって該酸化物半導体層を加工して、島状の酸化物半導体層１４０を形成する（図１４（Ｅ）参照）。

酸化物半導体層としては、少なくともＩｎ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｈｆ及びランタノイドから選ばれた一種以上の元素を含有する。例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系、Ｚｎ−Ｍｇ系、Ｓｎ−Ｍｇ系、Ｉｎ−Ｍｇ系、Ｉｎ−Ｇａ系、Ｉｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｚｎ系、Ｉｎ系、Ｓｎ系、Ｚｎ系の酸化物半導体層、特に非晶質酸化物半導体層を用いるのが好適である。ここでは、酸化物半導体層としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の金属酸化物ターゲットを用いて、非晶質の酸化物半導体層をスパッタ法により形成することとする。なお、非晶質の酸化物半導体層中にシリコンを添加することで、その結晶化を抑制することができるから、例えば、ＳｉＯ_２を２重量％以上１０重量％以下含むターゲットを用いて酸化物半導体層を形成しても良い。

酸化物半導体層をスパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、例えば、酸化亜鉛などを主成分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む金属酸化物ターゲット（組成比として、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［ａｔｏｍ比］）などを用いることもできる。また、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む金属酸化物ターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ比］、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ比］の組成比を有するターゲットなどを用いても良い。金属酸化物ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上（例えば９９．９％）である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、緻密な酸化物半導体層が形成される。

酸化物半導体層の形成雰囲気は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、または、希ガス（代表的にはアルゴン）と酸素との混合雰囲気とするのが好適である。具体的には、例えば、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が、数ｐｐｍ程度（望ましくは数ｐｐｂ程度）にまで除去された高純度ガスを用いるのが好適である。

酸化物半導体層の形成の際には、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上４００℃以下とする。基板を加熱しながら酸化物半導体層を形成することにより、酸化物半導体層に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。そして、処理室内の残留水分を除去しつつ水素および水が除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化物をターゲットとして酸化物半導体層を形成する。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることができる。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ_２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で形成した酸化物半導体層に含まれる不純物の濃度を低減できる。

形成条件としては、例えば、基板とターゲットの間との距離が１００ｍｍ、圧力が０．６Ｐａ、直流（ＤＣ）電力が０．５ｋＷ、雰囲気が酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気、といった条件を適用することができる。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、ごみが軽減でき、膜厚分布も均一となるため、好ましい。酸化物半導体層の厚さは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料により適切な厚さは異なるから、その厚さは用いる材料に応じて適宜選択すればよい。

なお、酸化物半導体層をスパッタ法により形成する前には、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁膜１３８の表面に付着しているゴミを除去するのが好適である。ここで、逆スパッタとは、通常のスパッタにおいては、スパッタターゲットにイオンを衝突させるところ、逆に、処理表面にイオンを衝突させることによってその表面を改質する方法のことをいう。処理表面にイオンを衝突させる方法としては、アルゴン雰囲気下で処理表面側に高周波電圧を印加して、基板付近にプラズマを生成する方法などがある。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いても良い。

上記酸化物半導体層のエッチングには、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれを用いても良い。もちろん、両方を組み合わせて用いることもできる。所望の形状にエッチングできるよう、材料に合わせてエッチング条件（エッチングガスやエッチング液、エッチング時間、温度等）を適宜設定する。

ドライエッチングに用いるエッチングガスには、例えば、塩素を含むガス（塩素系ガス、例えば塩素（Ｃｌ_２）、三塩化硼素（ＢＣｌ_３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）、四塩化炭素（ＣＣｌ_４）など）などがある。また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化炭素（ＣＦ_４）、六弗化硫黄（ＳＦ_６）、三弗化窒素（ＮＦ_３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ_２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などを用いても良い。

ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の形状にエッチングできるように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等）は適宜設定する。

ウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。また、ＩＴＯ−０７Ｎ（関東化学社製）などのエッチング液を用いてもよい。

次いで、酸化物半導体層に第１の熱処理を行うことが望ましい。この第１の熱処理によって酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行うことができる。第１の熱処理の温度は、３００℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満とする。例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層１４０に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の熱処理を行う。この間、酸化物半導体層１４０は、大気に触れることなく、水や水素の再混入が行われないようにする。

なお、熱処理装置は電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置であっても良い。例えば、ＧＲＴＡ（ＧａｓＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（ＬａｍｐＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。気体としては、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。

例えば、第１の熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を投入し、数分間加熱した後、当該不活性ガス中から基板を取り出すＧＲＴＡ処理を行ってもよい。ＧＲＴＡ処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、短時間の熱処理であるため、基板の歪み点を超える温度条件であっても適用が可能となる。

なお、第１の熱処理は、窒素、または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン等）を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気で行うことが望ましい。例えば、熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（すなわち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とする。

第１の熱処理の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、酸化物半導体層が結晶化し、微結晶または多結晶となる場合もある。例えば、結晶化率が９０％以上、または８０％以上の微結晶の酸化物半導体層となる場合もある。また、第１の熱処理の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物半導体層となる場合もある。

また、非晶質の酸化物半導体（例えば、酸化物半導体層の表面）に微結晶（粒径１ｎｍ以上２０ｎｍ以下（代表的には２ｎｍ以上４ｎｍ以下））が混在する酸化物半導体層となる場合もある。

また、非晶質中に微結晶を配列させることで、酸化物半導体層の電気的特性を変化させることも可能である。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の金属酸化物ターゲットを用いて酸化物半導体層を形成する場合には、電気的異方性を有するＩｎ_２Ｇａ_２ＺｎＯ_７の結晶粒が配向した微結晶部を形成することで、酸化物半導体層の電気的特性を変化させることができる。

より具体的には、例えば、Ｉｎ_２Ｇａ_２ＺｎＯ_７のｃ軸が酸化物半導体層の表面に垂直な方向をとるように配向させることで、酸化物半導体層の表面に平行な方向の導電性を向上させ、酸化物半導体層の表面に垂直な方向の絶縁性を向上させることができる。また、このような微結晶部は、酸化物半導体層中への水や水素などの不純物の侵入を抑制する機能を有する。

なお、上述の微結晶部を有する酸化物半導体層は、ＧＲＴＡ処理による酸化物半導体層の表面加熱によって形成することができる。また、Ｚｎの含有量がＩｎまたはＧａの含有量より小さいスパッタターゲットを用いることで、より好適に形成することが可能である。

酸化物半導体層１４０に対する第１の熱処理は、島状の酸化物半導体層１４０に加工する前の酸化物半導体層に行うこともできる。その場合には、第１の熱処理後に、加熱装置から基板を取り出し、フォトリソグラフィ工程を行うことになる。

なお、上記熱処理は、酸化物半導体層１４０に対する脱水化、脱水素化の効果があるから、脱水化処理、脱水素化処理などと呼ぶこともできる。このような脱水化処理、脱水素化処理は、酸化物半導体層の形成後、酸化物半導体層１４０上にソース層及びドレイン層を積層させた後、又はソース層及びドレイン層上に保護絶縁層を形成した後、などのタイミングにおいて行うことが可能である。また、このような脱水化処理、脱水素化処理は、一回に限らず複数回行っても良い。

次に、酸化物半導体層１４０に接するように、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂを形成する（図１４（Ｆ）参照）。ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂは、酸化物半導体層１４０を覆うように導電層を形成した後、当該導電層を選択的にエッチングすることにより形成することができる。

当該導電層は、スパッタ法をはじめとするＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法を用いて形成することができる。また、導電層の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、トリウムのいずれか一または複数から選択された材料を用いてもよい。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を単数、または複数組み合わせた材料を用いてもよい。導電層は、単層構造であっても良いし、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜が積層された２層構造、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜とが積層された３層構造などが挙げられる。

ここで、エッチングに用いるマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦレーザ光やＡｒＦレーザ光を用いるのが好適である。

トランジスタのチャネル長（Ｌ）は、ソース層１４２ａの下端部と、ドレイン層１４２ｂの下端部との間隔によって決定される。なお、チャネル長（Ｌ）が２５ｎｍ未満の露光を行う場合には、数ｎｍ〜数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いてマスク形成の露光を行う。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成されるトランジスタのチャネル長（Ｌ）を１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも可能であり、回路の動作速度を高速化できる。

なお、導電層のエッチングの際には、酸化物半導体層１４０が除去されないように、それぞれの材料およびエッチング条件を適宜調節する。なお、材料およびエッチング条件によっては、当該工程において、酸化物半導体層１４０の一部がエッチングされ、溝部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。

また、酸化物半導体層１４０とソース層１４２ａの間、又は酸化物半導体層１４０とドレイン層１４２ｂの間に、酸化物導電層を形成してもよい。酸化物導電層と、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂを形成するための金属層とは、連続して形成すること（連続成膜）が可能である。酸化物導電層は、ソース領域またはドレイン領域として機能しうる。このような酸化物導電層を設けることで、ソース領域またはドレイン領域の低抵抗化を図ることができるため、トランジスタの高速動作が実現される。

また、上記マスクの使用数や工程数を削減するため、透過した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによってレジストマスクを形成し、これを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは、複数の厚みを有する形状（階段状）となり、アッシングによりさらに形状を変形させることができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。つまり、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。よって、露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が図れる。

なお、上述の工程の後には、Ｎ_２Ｏ、Ｎ_２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行うのが好ましい。当該プラズマ処理によって、露出している酸化物半導体層の表面に付着した水などが除去される。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。

次に、大気に触れさせることなく、酸化物半導体層１４０の一部に接する保護絶縁層１４４を形成する（図１４（Ｇ）参照）。

保護絶縁層１４４は、スパッタ法など、保護絶縁層１４４に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。また、その厚さは、少なくとも１ｎｍ以上とする。保護絶縁層１４４に用いることができる材料としては、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素などがある。また、その構造は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。保護絶縁層１４４を形成する際の基板温度は、室温以上３００℃以下とするのが好ましく、雰囲気は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、または希ガス（代表的にはアルゴン）と酸素の混合雰囲気とするのが好適である。

保護絶縁層１４４に水素が含まれると、その水素の酸化物半導体層１４０への侵入や、水素による酸化物半導体層１４０中の酸素の引き抜き、などが生じ、酸化物半導体層１４０のバックチャネル側が低抵抗化してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、保護絶縁層１４４はできるだけ水素を含まないように、形成方法においては水素を用いないことが重要である。

また、処理室内の残留水分を除去しつつ保護絶縁層１４４を形成することが好ましい。これは、酸化物半導体層１４０および保護絶縁層１４４に水素、水酸基または水分が含まれないようにするためである。

処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ_２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が除去されているため、当該成膜室で形成した保護絶縁層１４４に含まれる不純物の濃度を低減できる。

保護絶縁層１４４を形成する際に用いるスパッタガスとしては、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が、数ｐｐｍ程度（望ましくは、数ｐｐｂ程度）にまで除去された高純度ガスを用いることが好ましい。

次いで、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の熱処理（好ましくは２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行うのが望ましい。例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の熱処理を行う。第２の熱処理を行うと、トランジスタの電気的特性のばらつきを軽減することができる。

また、大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下の熱処理を行ってもよい。この熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１００℃以上２００℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、この熱処理を、保護絶縁層の形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で熱処理を行うと、加熱時間を短縮することができる。なお、当該熱処理は、上記第２の熱処理に代えて行っても良いし、第２の熱処理の前後などに行っても良い。

次に、保護絶縁層１４４上に、層間絶縁層１４６を形成する（図１５（Ａ）参照）。層間絶縁層１４６はＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて形成することができる。また、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。層間絶縁層１４６の形成後には、その表面を、ＣＭＰやエッチングなどの方法によって平坦化しておくことが望ましい。

次に、層間絶縁層１４６、保護絶縁層１４４、およびゲート絶縁膜１３８に対し、電極層１３６ａ、電極層１３６ｂ、電極層１３６ｃ、ソース層１４２ａ、ドレイン層１４２ｂにまで達する開口を形成し、当該開口に埋め込むように導電層１４８を形成する（図１５（Ｂ）参照）。上記開口はマスクを用いたエッチングなどの方法で形成することができる。当該マスクは、フォトマスクを用いた露光などの方法によって形成することが可能である。エッチングとしてはウェットエッチング、ドライエッチングのいずれを用いても良いが、微細加工の観点からは、ドライエッチングを用いることが好適である。導電層１４８の形成は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などの成膜法を用いて行うことができる。導電層１４８の形成に用いることができる材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウムなどの導電性材料や、これらの合金、化合物（例えば窒化物）などが挙げられる。

具体的には、例えば、開口を含む領域にＰＶＤ法によりチタン膜を薄く形成し、ＣＶＤ法により窒化チタン膜を薄く形成した後に、開口に埋め込むようにタングステン膜を形成する方法を適用することができる。ここで、ＰＶＤ法により形成されるチタン膜は、界面の酸化膜を還元し、下部電極（ここでは、電極層１３６ａ、電極層１３６ｂ、電極層１３６ｃ、ソース層１４２ａ、ドレイン層１４２ｂ）との接触抵抗を低減させる機能を有する。また、その後の形成される窒化チタン膜は、導電性材料の拡散を抑制するバリア機能を備える。また、チタンや窒化チタンなどによるバリア膜を形成した後に、メッキ法により銅膜を形成してもよい。

導電層１４８を形成した後には、エッチングやＣＭＰといった方法を用いて導電層１４８の一部を除去し、層間絶縁層１４６を露出させて、電極層１５０ａ、電極層１５０ｂ、電極層１５０ｃ、電極層１５０ｄ、電極層１５０ｅを形成する（図１５（Ｃ）参照）。なお、上記導電層１４８の一部を除去して電極層１５０ａ、電極層１５０ｂ、電極層１５０ｃ、電極層１５０ｄ、電極層１５０ｅを形成する際には、表面が平坦になるように加工することが望ましい。このように、層間絶縁層１４６、電極層１５０ａ、電極層１５０ｂ、電極層１５０ｃ、電極層１５０ｄ、電極層１５０ｅの表面を平坦化することにより、後の工程において、良好な電極、配線、絶縁層、半導体層などを形成することが可能となる。

さらに、絶縁層１５２を形成し、絶縁層１５２に、電極層１５０ａ、電極層１５０ｂ、電極層１５０ｃ、電極層１５０ｄ、電極層１５０ｅにまで達する開口を形成し、当該開口に埋め込むように導電層を形成した後、エッチングやＣＭＰなどの方法を用いて導電層の一部を除去し、絶縁層１５２を露出させて、電極層１５４ａ、電極層１５４ｂ、電極層１５４ｃ、電極層１５４ｄを形成する（図１５（Ｄ）参照）。当該工程は、電極層１５０ａ等を形成する場合と同様であるから、詳細は省略する。

＜トランジスタの変形例＞
図１６乃至図１９には、トランジスタ１６４の構成の変形例を示す。つまり、トランジスタ１６０の構成は上記と同様である。

図１６には、酸化物半導体層１４０の下にゲート層１３６ｄを有し、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂが、酸化物半導体層１４０の下側表面において接する構成のトランジスタ１６４を示す。

図１６に示す構成と図１２に示す構成の大きな相違点として、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂと、酸化物半導体層１４０との接続の位置が挙げられる。つまり、図１２に示す構成では、酸化物半導体層１４０の上側表面において、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂと接するのに対して、図１６に示す構成では、酸化物半導体層１４０の下側表面において、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂと接する。そして、この接触の相違に起因して、その他の電極層、絶縁層などの配置が異なるものとなっている。なお、各構成要素の詳細は、図１２と同様である。

具体的には、図１６に示すトランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられたゲート層１３６ｄと、ゲート層１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁膜１３８と、ゲート絶縁膜１３８上に設けられた、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂと、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂの上側表面に接する酸化物半導体層１４０と、を有する。また、トランジスタ１６４の上には、酸化物半導体層１４０を覆うように、保護絶縁層１４４が設けられている。

図１７には、酸化物半導体層１４０の上にゲート層１３６ｄを有するトランジスタ１６４を示す。ここで、図１７（Ａ）は、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂが、酸化物半導体層１４０の下側表面において酸化物半導体層１４０と接する構成の例を示す図であり、図１７（Ｂ）は、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂが、酸化物半導体層１４０の上側表面において酸化物半導体層１４０と接する構成の例を示す図である。

図１２又は図１６に示す構成と図１７に示す構成の大きな相違点は、酸化物半導体層１４０の上にゲート層１３６ｄを有する点である。また、図１７（Ａ）に示す構成と図１７（Ｂ）に示す構成の大きな相違点は、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂが、酸化物半導体層１４０の下側表面または上側表面のいずれにおいて接するか、という点である。そして、これらの相違に起因して、その他の電極層、絶縁層などの配置が異なるものとなっている。なお、各構成要素の詳細は、図１２などと同様である。

具体的には、図１７（Ａ）に示すトランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられたソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂと、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂの上側表面に接する酸化物半導体層１４０と、酸化物半導体層１４０上に設けられたゲート絶縁膜１３８と、ゲート絶縁膜１３８上の酸化物半導体層１４０と重畳する領域のゲート層１３６ｄと、を有する。

また、図１７（Ｂ）に示すトランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられた酸化物半導体層１４０と、酸化物半導体層１４０の上側表面に接するように設けられたソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂと、酸化物半導体層１４０、ソース層１４２ａ、及びドレイン層１４２ｂ上に設けられたゲート絶縁膜１３８と、ゲート絶縁膜１３８上の酸化物半導体層１４０と重畳する領域に設けられたゲート層１３６ｄと、を有する。

なお、図１７に示す構成では、図１２に示す構成などと比較して、構成要素が省略される場合がある（例えば、電極層１５０ａや、電極層１５４ａなど）。この場合、作製工程の簡略化という副次的な効果も得られる。もちろん、図１２などに示す構成においても、必須ではない構成要素を省略できることはいうまでもない。

図１８には、素子のサイズが比較的大きい場合であって、酸化物半導体層１４０の下にゲート層１３６ｄを有する構成のトランジスタ１６４を示す。この場合、表面の平坦性やカバレッジに対する要求は比較的緩やかなものであるから、配線や電極などを絶縁層中に埋め込むように形成する必要はない。例えば、導電層の形成後にパターニングを行うことで、ゲート層１３６ｄなどを形成することが可能である。

図１８（Ａ）に示す構成と図１８（Ｂ）に示す構成の大きな相違点は、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂが、酸化物半導体層１４０の下側表面または上側表面のいずれにおいて接するか、という点である。そして、これらの相違に起因して、その他の電極層、絶縁層などの配置が異なるものとなっている。なお、各構成要素の詳細は、図１２などと同様である。

具体的には、図１８（Ａ）に示すトランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられたゲート層１３６ｄと、ゲート層１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁膜１３８と、ゲート絶縁膜１３８上に設けられた、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂと、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂの上側表面に接する酸化物半導体層１４０と、を有する。

また、図１８（Ｂ）に示すトランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられたゲート層１３６ｄと、ゲート層１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁膜１３８と、ゲート絶縁膜１３８上のゲート層１３６ｄと重畳する領域に設けられた酸化物半導体層１４０と、酸化物半導体層１４０の上側表面に接するように設けられたソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂと、を有する。

なお、図１８に示す構成においても、図１２に示す構成などと比較して、構成要素が省略される場合がある。この場合も、作製工程の簡略化という効果が得られる。

図１９には、素子のサイズが比較的大きい場合であって、酸化物半導体層１４０の上にゲート層１３６ｄを有する構成のトランジスタ１６４を示す。この場合にも、表面の平坦性やカバレッジに対する要求は比較的緩やかなものであるから、配線や電極などを絶縁層中に埋め込むように形成する必要はない。例えば、導電層の形成後にパターニングを行うことで、ゲート層１３６ｄなどを形成することが可能である。

図１９（Ａ）に示す構成と図１９（Ｂ）に示す構成の大きな相違点は、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂが、酸化物半導体層１４０の下側表面または上側表面のいずれにおいて接するか、という点である。そして、これらの相違に起因して、その他の電極層、絶縁層などの配置が異なるものとなっている。なお、各構成要素の詳細は、図１２などと同様である。

具体的には、図１９（Ａ）に示すトランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられたソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂと、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂの上側表面に接する酸化物半導体層１４０と、ソース層１４２ａ、ドレイン層１４２ｂ、及び酸化物半導体層１４０上に設けられたゲート絶縁膜１３８と、ゲート絶縁膜１３８上の酸化物半導体層１４０と重畳する領域に設けられたゲート層１３６ｄと、を有する。

また、図１９（Ｂ）に示すトランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられた酸化物半導体層１４０と、酸化物半導体層１４０の上側表面に接するように設けられたソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂと、ソース層１４２ａ、ドレイン層１４２ｂ、及び酸化物半導体層１４０上に設けられたゲート絶縁膜１３８と、ゲート絶縁膜１３８上に設けられたゲート層１３６ｄと、を有する。なお、ゲート層１３６ｄは、ゲート絶縁膜１３８を介して、酸化物半導体層１４０と重畳する領域に設けられる。

なお、図１９に示す構成においても、図１２に示す構成などと比較して、構成要素が省略される場合がある。この場合も、作製工程の簡略化という効果が得られる。

また、図１２に示す酸化物半導体層１４０と、ソース層１４２ａ、ドレイン層１４２ｂとの間に、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電層をバッファ層として設けてもよい。図２０、２１は、図１２のトランジスタ１６４に酸化物導電層を設けたトランジスタを示す図である。

図２０、２１のトランジスタ１６４は、酸化物半導体層１４０と、ソース層１４２ａ、ドレイン層１４２ｂとの間に、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電層１６２ａ、１６２ｂが形成されている。図２０、２１のトランジスタ１６４の違いは、作製工程により酸化物導電層１６２ａ、１６２ｂの形状が異なる点である。

図２０のトランジスタ１６４では、酸化物半導体層と酸化物導電層の積層を形成し、酸化物半導体層と酸化物導電層との積層を同じフォトリソグラフィ工程によって形状を加工して島状の酸化物半導体層１４０と酸化物導電層を形成する。酸化物半導体層及び酸化物導電層上にソース層１４２ａ、ドレイン層１４２ｂを形成した後、ソース層１４２ａ、ドレイン層１４２ｂをマスクとして、島状の酸化物導電層をエッチングし、ソース領域およびドレイン領域となる酸化物導電層１６２ａ、１６２ｂを形成する。

図２１のトランジスタ１６４では、酸化物半導体層１４０上に酸化物導電層を形成し、その上に金属導電層を形成し、酸化物導電層および金属導電層を同じフォトリソグラフィ工程によって加工して、ソース領域およびドレイン領域となる酸化物導電層１６２ａ、１６２ｂ、ソース層１４２ａ、ドレイン層１４２ｂを形成する。

なお、酸化物導電層の形状を加工するためのエッチング処理の際、酸化物半導体層が過剰にエッチングされないように、エッチング条件（エッチング材の種類、濃度、エッチング時間等）を適宜調整する。

酸化物導電層１６２ａ、１６２ｂの成膜方法は、スパッタリング法や真空蒸着法（電子ビーム蒸着法など）や、アーク放電イオンプレーティング法や、スプレー法を用いる。酸化物導電層の材料としては、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、酸化亜鉛ガリウム、インジウム錫酸化物などを適用することができる。また、上記材料に酸化珪素を含ませてもよい。

ソース領域及びドレイン領域として、酸化物導電層を酸化物半導体層１４０とソース層１４２ａ、ドレイン層１４２ｂとの間に設けることで、ソース領域及びドレイン領域の低抵抗化を図ることができ、トランジスタ１６４が高速動作をすることができる。

また、このような構成とすることによって、トランジスタ１６４の耐圧を向上させることができる。

なお、図２０、２１では、図１２に示したトランジスタ１６４の酸化物半導体層１４０と、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂとの間に酸化物導電層を設ける構成について示したが、図１６、１７、１８、１９に示したトランジスタ１６４の酸化物半導体層１４０と、ソース層１４２ａ及びドレイン層１４２ｂとの間に酸化物導電層を設ける構成とすることも可能である。

なお、ここでは、トランジスタ１６０上にトランジスタ１６４を積層して形成する例について説明したが、トランジスタ１６０及びトランジスタ１６４の構成はこれに限られるものではない。例えば、同一平面上にトランジスタ１６０及びトランジスタ１６４を形成することができる。さらに、トランジスタ１６０と、トランジスタ１６４とを重畳して設けても良い。

＜酸化物半導体層の作製工程の変形例＞
上述したトランジスタの作製工程と異なる酸化物半導体層の作製工程について図２２を用いて説明する。

当該酸化物半導体層は、第１の結晶性酸化物半導体層上に第１の結晶性酸化物半導体層よりも厚い第２の結晶性酸化物半導体層を有する。

絶縁層４００上に絶縁層４３７を形成する。ここでは、絶縁層４３７として、ＰＥＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて、５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の膜厚の酸化物絶縁層を形成する。例えば、当該酸化物絶縁層として、酸化シリコン層、酸化ガリウム層、酸化アルミニウム層、酸化窒化シリコン層、酸化窒化アルミニウム層、若しくは窒化酸化シリコン層から選ばれた一層またはこれらの積層を用いることができる。

次に、絶縁層４３７上に膜厚１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１の酸化物半導体層を形成する。第１の酸化物半導体層の形成は、スパッタリング法を用い、そのスパッタリング法による成膜時における基板温度は２００℃以上４００℃以下とする。

ここでは、金属酸化物ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物ターゲット（Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、基板温度２５０℃、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜厚５ｎｍの第１の酸化物半導体層を成膜する。

次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。第１の加熱処理によって第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａを形成する（図２２（Ａ）参照）。

成膜時における基板温度や第１の加熱処理の温度にもよるが、成膜や第１の加熱処理によって、膜表面から結晶化が起こり、膜の表面から内部に向かって結晶成長し、ｃ軸配向した結晶が得られる。第１の加熱処理によって、亜鉛と酸素が膜表面に多く集まり、上平面が六角形をなす亜鉛と酸素からなるグラフェンタイプの二次元結晶が最表面に１層または複数層形成され、これが膜厚方向に成長して重なり積層となる。加熱処理の温度を上げると表面から内部、そして内部から底部と結晶成長が進行する。

第１の加熱処理によって、酸化物絶縁層である絶縁層４３７中の酸素を第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａとの界面またはその近傍（界面からプラスマイナス５ｎｍ）に拡散させて、第１の結晶性酸化物半導体層の酸素欠損を低減する。従って、下地絶縁層として用いられる絶縁層４３７は、膜中（バルク中）、第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａと絶縁層４３７の界面、のいずれかには少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好ましい。

次いで、第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａ上に１０ｎｍよりも厚い第２の酸化物半導体層を形成する。第２の酸化物半導体層の形成は、スパッタリング法を用い、その成膜時における基板温度は２００℃以上４００℃以下とする。成膜時における基板温度を２００℃以上４００℃以下とすることにより、第１の結晶性酸化物半導体層の表面上に接して成膜する酸化物半導体層にプリカーサの整列が起き、所謂、秩序性を持たせることができる。

ここでは、金属酸化物ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物ターゲット（Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、基板温度４００℃、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜厚２５ｎｍの第２の酸化物半導体層を成膜する。

次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、或いは窒素と酸素の混合雰囲気下とし、第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。第２の加熱処理によって第２の結晶性酸化物半導体層４５０ｂを形成する（図２２（Ｂ）参照）。第２の加熱処理は、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、または窒素と酸素の混合雰囲気下で行うことにより、第２の結晶性酸化物半導体層の高密度化及び欠陥数の減少を図る。第２の加熱処理によって、第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａを核として膜厚方向、即ち底部から内部に結晶成長が進行して第２の結晶性酸化物半導体層４５０ｂが形成される。

また、絶縁層４３７の形成から第２の加熱処理までの工程を大気に触れることなく連続的に行うことが好ましい。絶縁層４３７の形成から第２の加熱処理までの工程は、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気（不活性雰囲気、減圧雰囲気、乾燥空気雰囲気など）下に行うことが好ましく、例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−５０℃以下の乾燥窒素雰囲気とする。

次いで、第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａと第２の結晶性酸化物半導体層４５０ｂからなる酸化物半導体積層を加工して島状の酸化物半導体積層からなる酸化物半導体層４５３を形成する（図２２（Ｃ）参照）。図では、第１の結晶性酸化物半導体層４５０ａと第２の結晶性酸化物半導体層４５０ｂの界面を点線で示し、酸化物半導体積層と説明しているが、明確な界面が存在しているのではなく、あくまで分かりやすく説明するために図示している。

酸化物半導体積層の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体積層上に形成した後、当該酸化物半導体積層をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット法などの方法を用いてマスクを形成しても良い。

なお、酸化物半導体積層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。もちろん、これらを組み合わせて用いてもよい。

また、上記作製方法により、得られる第１の結晶性酸化物半導体層及び第２の結晶性酸化物半導体層は、ｃ軸配向を有していることを特徴の一つとしている。ただし、第１の結晶性酸化物半導体層及び第２の結晶性酸化物半導体層は、単結晶構造ではなく、非晶質構造でもない構造であり、ｃ軸配向を有した結晶（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌ；ＣＡＡＣとも呼ぶ）を含む酸化物を有する。なお、第１の結晶性酸化物半導体層及び第２の結晶性酸化物半導体層は、一部に結晶粒界を有している。

なお、第１の結晶性酸化物半導体層および第２の結晶性酸化物半導体層は、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料（ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料（ＩＴＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料、一元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ−Ｏ系の材料などがある。また、上記の材料にＳｉＯ_２を含ませてもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物、という意味であり、その組成比は特に問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでいてもよい。

また、第１の結晶性酸化物半導体層上に第２の結晶性酸化物半導体層を形成する２層構造に限定されず、第２の結晶性酸化物半導体層の形成後に第３の結晶性酸化物半導体層を形成するための成膜と加熱処理のプロセスを繰り返し行って、３層以上の積層構造としてもよい。

酸化物半導体層４５３のような第１の結晶性酸化物半導体層と第２の結晶性酸化物半導体層の積層をトランジスタに用いることで、安定した電気的特性を有し、且つ、信頼性の高いトランジスタを実現できる。

＜半導体装置の利用例＞
以下では、上述した半導体装置の使用例として、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグ５００を示す（図２３参照）。

ＲＦＩＤタグ５００は、アンテナ回路５０１及び信号処理回路５０２を有する。信号処理回路５０２は、整流回路５０３、電源回路５０４、復調回路５０５、発振回路５０６、論理回路５０７、メモリコントロール回路５０８、メモリ回路５０９、論理回路５１０、アンプ５１１、変調回路５１２を有する。メモリ回路５０９は、上述した半導体装置を有する。

アンテナ回路５０１によって受信された通信信号は復調回路５０５に入力される。受信される通信信号、すなわちアンテナ回路５０１とリーダ／ライタ間で送受信される信号の周波数は極超短波帯においては９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚなどがあり、それぞれＩＳＯ規格などで規定される。もちろん、アンテナ回路５０１とリーダ／ライタ間で送受信される信号の周波数はこれに限定されず、例えばサブミリ波である３００ＧＨｚ〜３ＴＨｚ、ミリ波である３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ、マイクロ波である３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ、極超短波である３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ、超短波である３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚのいずれの周波数も用いることができる。また、アンテナ回路５０１とリーダ／ライタ間で送受信される信号は、搬送波を変調した信号である。搬送波の変調方式は、アナログ変調またはデジタル変調であり、振幅変調、位相変調、周波数変調及びスペクトラム拡散のいずれかでよい。好ましくは、振幅変調または周波数変調である。

発振回路５０６から出力された発振信号は、クロック信号として論理回路５０７に供給される。また、変調された搬送波は、復調回路５０５で復調される。復調後の信号も論理回路５０７に送られ解析される。論理回路５０７で解析された信号は、メモリコントロール回路５０８に送られる。メモリコントロール回路５０８は、メモリ回路５０９を制御し、メモリ回路５０９に記憶されたデータを取り出し、当該データを論理回路５１０に送る。論理回路５１０では当該データに対してエンコード処理を行う。その後、エンコード処理された当該データは、アンプ５１１で増幅され、これに基づいて変調回路５１２は搬送波に変調をかける。この変調された搬送波によりリーダ／ライタがＲＦＩＤタグ５００からの信号を認識する。

整流回路５０３に入った搬送波は整流された後、電源回路５０４に入力される。このようにして得られた電源電圧を電源回路５０４より復調回路５０５、発振回路５０６、論理回路５０７、メモリコントロール回路５０８、メモリ回路５０９、論理回路５１０、アンプ５１１、変調回路５１２などに供給する。

信号処理回路５０２とアンテナ回路５０１におけるアンテナとの接続については特に限定されない。例えば、アンテナと信号処理回路５０２をワイヤボンディング接続やバンプ接続を用いて接続する、またはチップ化した信号処理回路５０２の一面を電極にしてアンテナに貼り付ける。信号処理回路５０２とアンテナとの貼り付けにはＡＣＦ（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｆｉｌｍ：異方性導電性フィルム）を用いることができる。

アンテナは、信号処理回路５０２と共に同じ基板上に積層して設けるか、外付けのアンテナを用いる。もちろん、信号処理回路の上部もしくは下部にアンテナが設けられる。

整流回路５０３は、アンテナ回路５０１が受信する搬送波により誘導される交流信号を直流信号に変換する。

ＲＦＩＤタグ５００はバッテリー５６１を有してもよい（図２４参照）。整流回路５０３から出力される電源電圧が、信号処理回路５０２を動作させるのに十分でないときには、バッテリー５６１からも信号処理回路５０２を構成する各回路（復調回路５０５、発振回路５０６、論理回路５０７、メモリコントロール回路５０８、メモリ回路５０９、論理回路５１０、アンプ５１１、変調回路５１２など）に電源電圧を供給する。

整流回路５０３から出力される電源電圧のうちの余剰分をバッテリー５６１に充電すれば良い。ＲＦＩＤタグ５００にアンテナ回路５０１及び整流回路５０３とは別にさらにアンテナ回路及び整流回路を設けることにより、無作為に生じている電磁波等からバッテリー５６１に蓄えるエネルギーを得ることができる。

バッテリーに充電することで連続的に使用できる。バッテリーはシート状に形成された電池を用いる。例えば、ゲル状電解質を用いるリチウムポリマー電池や、リチウムイオン電池、リチウム２次電池等を用いると、バッテリーの小型化が可能である。例えば、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、または大容量のコンデンサーなどが挙げられる。

なお、図２５に示すように、ＲＦＩＤの用途は広範囲にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図２５（Ａ）参照）、記録媒体（ＤＶＤソフトやビデオテープ等、図２５（Ｂ）参照）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図２５（Ｃ）参照）、乗り物類（自転車等、図２５（Ｄ）参照）、身の回り品（鞄や眼鏡等）、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、または電子機器（液晶表示装置、ＥＬ表示装置、テレビジョン受像機、または携帯電話）等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札（図２５（Ｅ）、図２５（Ｆ）参照）等に設けて使用することができる。

ＲＦＩＤタグ１５００は、プリント基板に実装する、表面に貼る、または埋め込むことにより、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込む、または有機樹脂からなるパッケージであれば当該有機樹脂に埋め込み、各物品に固定される。ＲＦＩＤタグ１５００は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書類等にＲＦＩＤタグ１５００を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等にＲＦＩＤタグ１５００を取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、ＲＦＩＤタグ１５００を取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティを高めることができる。

以上のように、上述した半導体装置を各用途に用いることにより、情報のやりとりに用いられるデータを正確の値のまま維持することができるため、物品の認証性、またはセキュリティを高めることができる。

１０メモリセルアレイ
１１ロウデコーダ
１２カラムデコーダ
２１ロウアドレスラッチ
２２カラムアドレスラッチ
３０メモリセル
３１トランジスタ
３２ノード
３３トランジスタ
３４容量素子
３５書き込みワード線
３６読み出しワード線
３７読み出しビット線
３８書き込みビット線
３９固定電位線
４０トランジスタ
４１容量素子
４２書き込みワード線
４３読み出しワード線
４４ビット線
５０基板
５１下地層
５２ゲート層
５３ゲート絶縁層
５４酸化物半導体層
５５ａソース層
５５ｂドレイン層
５６保護絶縁層
５７平坦化絶縁層
５８ａ導電層
５８ｂ導電層
１００基板
１０２保護層
１０４半導体領域
１０６素子分離絶縁層
１０８ａゲート絶縁膜
１０８ｂ絶縁層
１１０ａゲート層
１１０ｂ電極層
１１２絶縁層
１１４ａ不純物領域
１１４ｂ不純物領域
１１６チャネル領域
１１８サイドウォール絶縁層
１２０ａ高濃度不純物領域
１２０ｂ高濃度不純物領域
１２２金属層
１２４ａ金属化合物領域
１２４ｂ金属化合物領域
１２６層間絶縁層
１２８層間絶縁層
１３０ａソース層
１３０ｂドレイン層
１３０ｃ電極層
１３２絶縁層
１３４導電層
１３６ａ電極層
１３６ｂ電極層
１３６ｃ電極層
１３６ｄゲート層
１３８ゲート絶縁膜
１４０酸化物半導体層
１４２ａソース層
１４２ｂドレイン層
１４４保護絶縁層
１４６層間絶縁層
１４８導電層
１５０ａ電極層
１５０ｂ電極層
１５０ｃ電極層
１５０ｄ電極層
１５０ｅ電極層
１５２絶縁層
１５４ａ電極層
１５４ｂ電極層
１５４ｃ電極層
１５４ｄ電極層
１６０トランジスタ
１６２ａ酸化物導電層
１６２ｂ酸化物導電層
１６４トランジスタ
２１０＿１〜２１０＿ｎロウアドレス信号ラッチ
２１０＿ｘロウアドレス信号ラッチ
２１１ａスイッチ
２１１ｂスイッチ
２１２ａインバータ
２１２ｂインバータ
２１２ｃインバータ
２１２ｄインバータ
２１３トランジスタ
２１４容量素子
２１５ａインバータ
２１５ｂインバータ
２２０＿１〜２２０＿ｎカラムアドレス信号ラッチ
２２０＿ｘカラムアドレス信号ラッチ
４００絶縁層
４３７絶縁層
４５０ａ結晶性酸化物半導体層
４５０ｂ結晶性酸化物半導体層
４５３酸化物半導体層
５００ＲＦＩＤタグ
５０１アンテナ回路
５０２信号処理回路
５０３整流回路
５０４電源回路
５０５復調回路
５０６発振回路
５０７論理回路
５０８メモリコントロール回路
５０９メモリ回路
５１０論理回路
５１１アンプ
５１２変調回路
８０１測定系
８１１トランジスタ
８１２トランジスタ
８１３容量素子
８１４トランジスタ
８１５トランジスタ
１５００ＲＦＩＤタグ

Claims

メモリセルアレイと、
ロウデコーダと、
カラムデコーダと、
ロウアドレスラッチと、
カラムアドレスラッチと、を有し、
前記ロウデコーダは、ロウアドレス信号に応じて前記メモリセルアレイの特定行を選択する機能を有し、
前記カラムデコーダは、カラムアドレス信号に応じて前記メモリセルアレイの特定列を選択する機能を有し、
前記ロウアドレスラッチは、前記ロウアドレス信号を保持する機能を有し、
前記ロウアドレスラッチは、前記ロウアドレス信号を前記ロウデコーダに出力する機能を有し、
前記カラムアドレスラッチは、前記カラムアドレス信号を保持する機能を有し、
前記カラムアドレスラッチは、前記カラムアドレス信号を前記カラムデコーダに出力する機能を有し、
前記メモリセルアレイは、メモリセルを有し、
前記メモリセルは、トランジスタを有し、
前記トランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続されたノードを有し、
前記ノードにおいてデータの保持を行うことができ、
前記ロウアドレス信号の供給及び前記カラムアドレス信号の供給は、共通の配線を介して行われ、
前記トランジスタのチャネル領域は、酸化物半導体層を有し、
前記酸化物半導体層は、高純度化され、
前記酸化物半導体層は、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層とを有し、
前記第２の酸化物半導体層は、前記第１の酸化物半導体層の膜厚よりも厚い膜厚を有し、
前記第１の酸化物半導体層及び前記第２の酸化物半導体層はそれぞれ、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を有し、
前記第１の酸化物半導体層及び前記第２の酸化物半導体層はそれぞれ、表面に垂直な方向に沿うようＣ軸配向した結晶を有することを特徴とする半導体装置。
請求項１において、
前記メモリセルに保持されたデータは、多値化されていることを特徴とする半導体装置。