半導体装置
【課題】不揮発性を有し、書き込み回数に制限のない新たな構造の半導体装置を提供する。
【解決手段】複数の記憶素子が直列に接続され、複数の記憶素子の一は、第１〜第３のゲート電極、第１〜第３のソース電極、および第１〜第３のドレイン電極を有する第１〜第３のトランジスタを有し、第２のトランジスタは酸化物半導体層を含んで構成され、第１のゲート電極と、第２のソース電極または第２のドレイン電極の一方とは、電気的に接続され、第１の配線と、第１のソース電極と、第３のソース電極とは、電気的に接続され、第２の配線と、第１のドレイン電極と、第３のドレイン電極とは、電気的に接続され、第３の配線と、第２のソース電極または第２のドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第４の配線と、第２のゲート電極とは、電気的に接続され、第５の配線と、第３のゲート電極とは電気的に接続された半導体装置。
【解決手段】複数の記憶素子が直列に接続され、複数の記憶素子の一は、第１〜第３のゲート電極、第１〜第３のソース電極、および第１〜第３のドレイン電極を有する第１〜第３のトランジスタを有し、第２のトランジスタは酸化物半導体層を含んで構成され、第１のゲート電極と、第２のソース電極または第２のドレイン電極の一方とは、電気的に接続され、第１の配線と、第１のソース電極と、第３のソース電極とは、電気的に接続され、第２の配線と、第１のドレイン電極と、第３のドレイン電極とは、電気的に接続され、第３の配線と、第２のソース電極または第２のドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第４の配線と、第２のゲート電極とは、電気的に接続され、第５の配線と、第３のゲート電極とは電気的に接続された半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示する発明は、半導体素子を利用した半導体装置およびその作製方法に関するものであ
る。
【背景技術】
【０００２】
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記
憶装置と、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記憶装置とに大別さ
れる。
【０００３】
揮発性記憶装置の代表的な例としては、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃ
ｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）がある。ＤＲＡＭは、記憶素子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。
【０００４】
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ことにな
るため、データの読み出しの度に、再度の書き込み動作が必要となる。また、記憶素子を
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。
【０００５】
揮発性記憶装置の別の例としてはＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ
Ｍｅｍｏｒｙ）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。
【０００６】
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形成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）。
【０００７】
しかし、書き込みの際に生じるトンネル電流によって記憶素子を構成するゲート絶縁層が
劣化するため、所定回数の書き込みによって記憶素子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、各記憶素子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、寿命の根本的な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。
【０００８】
また、フローティングゲートに電荷を導入させるため、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る。さらに、電荷の導入、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５７−１０５８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の問題に鑑み、開示する発明の一態様では、電力が供給されない状況でも記憶内容の
保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い、新たな構造の半導体装置を提供する
ことを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、酸化物半導体を用いて形成されるトランジスタと、それ以外の材料を
用いて形成されるトランジスタとの積層構造に係る半導体装置である。例えば、次のよう
な構成を採用することができる。
【００１２】
本発明の一態様は、第１の配線（ソース線）と、第２の配線（ビット線）と、第３の配線
（第１信号線）と、第４の配線（第２信号線）と、第５の配線（ワード線）と、を有し、
第１の配線と、第２の配線との間には、複数の記憶素子が直列に接続され、複数の記憶素
子の一は、第１のゲート電極、第１のソース電極、および第１のドレイン電極を有する第
１のトランジスタと、第２のゲート電極、第２のソース電極、および第２のドレイン電極
を有する第２のトランジスタと、第３のゲート電極、第３のソース電極、および第３のド
レイン電極を有する第３のトランジスタと、を有し、第１のトランジスタは、半導体材料
を含む基板に設けられ、第２のトランジスタは酸化物半導体層を含んで構成され、第１の
ゲート電極と、第２のソース電極または第２のドレイン電極の一方とは、電気的に接続さ
れ、第１の配線（ソース線）と、第１のソース電極と、第３のソース電極とは、電気的に
接続され、第２の配線（ビット線）と、第１のドレイン電極と、第３のドレイン電極とは
、電気的に接続され、第３の配線（第１信号線）と、第２のソース電極または第２のドレ
イン電極の他方とは、電気的に接続され、第４の配線（第２信号線）と、第２のゲート電
極とは、電気的に接続され、第５の配線（ワード線）と、第３のゲート電極とは電気的に
接続された半導体装置である。
【００１３】
また、本発明の他の一態様は、第１の配線と、第２の配線と、第３の配線と、第４の配線
と、第５の配線と、を有し、第１の配線と、第２の配線との間には、複数の記憶素子が直
列に接続され、複数の記憶素子の一は、第１のゲート電極、第１のソース電極、および第
１のドレイン電極を有する第１のトランジスタと、第２のゲート電極、第２のソース電極
、および第２のドレイン電極を有する第２のトランジスタと、容量素子と、を有し、第１
のトランジスタは、半導体材料を含む基板に設けられ、第２のトランジスタは酸化物半導
体層を含んで構成され、第１のゲート電極と、第２のソース電極または第２のドレイン電
極の一方と、容量素子の一方の電極は、電気的に接続され、第１の配線と、第１のソース
電極とは、電気的に接続され、第２の配線と、第１のドレイン電極とは、電気的に接続さ
れ、第３の配線と、第２のソース電極または第２のドレイン電極の他方とは、電気的に接
続され、第４の配線と、第２のゲート電極とは、電気的に接続され、第５の配線と、容量
素子の他方の電極とは電気的に接続された半導体装置である。
【００１４】
上記において、半導体装置は、第６の配線と、第７の配線と、第６の配線と、ゲート電極
において電気的に接続された第４のトランジスタと、第７の配線と、ゲート電極において
電気的に接続された第５のトランジスタと、を有し、第２の配線は、第４のトランジスタ
を介して、第１のドレイン電極及び第３のドレイン電極と、電気的に接続され、第１の配
線は、第５のトランジスタを介して、第１のソース電極及び第３のソース電極と、電気的
に接続されるのが好適である。
【００１５】
また、上記において、第１のトランジスタは、半導体材料を含む基板に設けられたチャネ
ル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように設けられた不純物領域と、チャネル形成領
域上の第１のゲート絶縁層と、第１のゲート絶縁層上の第１のゲート電極と、不純物領域
と電気的に接続する第１のソース電極および第１のドレイン電極と、を有する。
【００１６】
また、上記において、第２のトランジスタは、半導体材料を含む基板上の第２のゲート電
極と、第２のゲート電極上の第２のゲート絶縁層と、第２のゲート絶縁層上の酸化物半導
体層と、酸化物半導体層と電気的に接続する第２のソース電極および第２のドレイン電極
と、を有する。
【００１７】
また、上記において、第３のトランジスタは、半導体材料を含む基板に設けられたチャネ
ル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように設けられた不純物領域と、チャネル形成領
域上の第３のゲート絶縁層と、第３のゲート絶縁層上の第３のゲート電極と、不純物領域
と電気的に接続する第３のソース電極および第３のドレイン電極と、を有する。
【００１８】
また、上記において、半導体材料を含む基板としては、単結晶半導体基板またはＳＯＩ基
板を採用するのが好適である。特に、半導体材料はシリコンとするのが好適である。
【００１９】
また、上記において、酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料を
含んでいることが好適である。特に、酸化物半導体層は、Ｉｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７の結晶を
含んでなることが好適である。さらに、酸化物半導体層の水素濃度は５×１０１９ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好適である。また、第２のトランジスタのオフ電流は１×
１０−１３Ａ以下とすることが好適である。
【００２０】
また、上記において、第２のトランジスタは、第１のトランジスタと重畳する領域に設け
られた構成とすることができる。
【００２１】
なお、本明細書等において「上」や「下」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」
または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上の第１の
ゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むも
のを除外しない。また、「上」「下」という用語は説明の便宜のために用いる表現に過ぎ
ず、特に言及する場合を除き、その上下を入れ替えたものも含む。
【００２２】
また、本明細書等において「電極」や「配線」という用語は、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」という用語は、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をも含む。
【００２３】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や
、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため
、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いること
ができるものとする。
【００２４】
なお、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの
」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの
」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。
【００２５】
例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線はもちろんのこと、トラ
ンジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機
能を有する素子などが含まれる。
【００２６】
また、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概念として用いる。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」における基板は、シリコ
ンウェハなどの半導体基板に限らず、ガラス基板や石英基板、サファイア基板、金属基板
などの非半導体基板をも含む。つまり、絶縁表面を有する導体基板や絶縁体基板上に半導
体材料からなる層を有するものも、広く「ＳＯＩ基板」に含まれる。さらに、本明細書等
において、「半導体基板」は、半導体材料のみからなる基板を指すに留まらず、半導体材
料を含む基板全般を示すものとする。つまり、本明細書等においては「ＳＯＩ基板」も広
く「半導体基板」に含まれる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の一態様では、下部に酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタを有し、上部
に酸化物半導体を用いたトランジスタを有する半導体装置が提供される。
【００２８】
酸化物半導体を用いたトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、これを用いることに
より極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動
作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となる
ため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても
、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【００２９】
また、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。さらに、トラ
ンジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速動作も容
易に実現しうる。また、フラッシュメモリなどにおいて必要とされる情報を消去するため
の動作が不要であるというメリットもある。
【００３０】
また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジ
スタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の
読み出しを高速に行うことが可能である。
【００３１】
このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたト
ランジスタとを一体に備えることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】半導体装置を説明するための回路図
【図２】半導体装置を説明するための断面図および平面図
【図３】半導体装置の作製工程を説明するための断面図
【図４】半導体装置の作製工程を説明するための断面図
【図５】半導体装置の作製工程を説明するための断面図
【図６】半導体装置を説明するための断面図
【図７】半導体装置を説明するための断面図
【図８】半導体装置を説明するための断面図
【図９】半導体装置を説明するための断面図
【図１０】半導体装置を説明するための回路図
【図１１】半導体装置を説明するためのブロック回路図
【図１２】半導体装置を説明するための書き込み動作のタイミングチャート図
【図１３】半導体装置を説明するための回路図
【図１４】半導体装置を説明するためのブロック回路図
【図１５】半導体装置を説明するための回路図
【図１６】半導体装置を説明するためのブロック回路図
【図１７】第５の配線ＷＬとノードＡの電位のグラフ
【図１８】半導体装置を説明するための回路図
【図１９】半導体装置を説明するための回路図
【図２０】半導体装置を説明するための回路図
【図２１】半導体装置を用いた電子機器を説明するための図
【図２２】酸化物半導体を用いた逆スタガー型のトランジスタの縦断面図
【図２３】図２２のＡ−Ａ’断面におけるエネルギーバンド図（模式図）
【図２４】（Ａ）ゲート（ＧＥ１）に正の電位（＋ＶＧ）が与えられた状態を示し、（Ｂ）ゲート（ＧＥ１）に負の電位（−ＶＧ）が与えられた状態を示す図
【図２５】真空準位と金属の仕事関数（φＭ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の実施の形態の一例について、図面を用いて以下に説明する。但し、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。従って、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。
【００３４】
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解を容易にするため
、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。よって、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。
【００３５】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数は、構成要素の混同
を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
【００３６】
（実施の形態１）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の構成および作製方法につい
て、図１乃至図９を参照して説明する。
【００３７】
＜半導体装置の回路構成＞
図１には、半導体装置の回路構成の一例を示す。当該半導体装置は、酸化物半導体以外の
材料を用いたトランジスタ１６０と酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２によって構
成される。
【００３８】
ここで、トランジスタ１６０のゲート電極と、トランジスタ１６２のソース電極またはド
レイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、第１の配線ＳＬ（１ｓｔ Ｌｉ
ｎｅ：ソース線とも呼ぶ）とトランジスタ１６０のソース電極とは、電気的に接続され、
第２の配線ＢＬ（２ｎｄ Ｌｉｎｅ：ビット線とも呼ぶ）とトランジスタ１６０のドレイ
ン電極とは、電気的に接続されている。そして、第３の配線Ｓ１（３ｒｄ Ｌｉｎｅ：第
１信号線とも呼ぶ）とトランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の他方とは、
電気的に接続され、第４の配線Ｓ２（４ｔｈ Ｌｉｎｅ：第２信号線とも呼ぶ）と、トラ
ンジスタ１６２のゲート電極とは、電気的に接続されている。
【００３９】
酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ１６０は、酸化物半導体を用いたトランジ
スタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の
読み出しなどを高速に行うことが可能である。また、酸化物半導体を用いたトランジスタ
１６２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ１
６２をオフ状態とすることで、トランジスタ１６０のゲート電極の電位を極めて長時間に
わたって保持することが可能である。
【００４０】
ゲート電極の電位を保持することができるという特徴を生かすことで、次のように、情報
の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【００４１】
はじめに、情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線Ｓ２の電位を
、トランジスタ１６２がオン状態となる電位として、トランジスタ１６２をオン状態とす
る。これにより、第３の配線Ｓ１の電位が、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられ
る（書き込み）。その後、第４の配線Ｓ２の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態とな
る電位として、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、トランジスタ１６０の
ゲート電極の電位が保持される（保持）。
【００４２】
トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいから、トランジスタ１６０のゲート電極の
電位は長時間にわたって保持される。例えば、トランジスタ１６０のゲート電極の電位が
トランジスタ１６０をオン状態とする電位であれば、トランジスタ１６０のオン状態が長
時間にわたって保持されることになる。また、トランジスタ１６０のゲート電極の電位が
トランジスタ１６０をオフ状態とする電位であれば、トランジスタ１６０のオフ状態が長
時間にわたって保持される。
【００４３】
次に、情報の読み出しについて説明する。上述のように、トランジスタ１６０のオン状態
またはオフ状態が保持された状態において、第１の配線ＳＬに所定の電位（低電位）が与
えられると、トランジスタ１６０のオン状態またはオフ状態に応じて、第２の配線ＢＬの
電位は異なる値をとる。例えば、トランジスタ１６０がオン状態の場合には、第１の配線
ＳＬの電位に応じて、第２の配線ＢＬの電位が低下することになる。逆に、トランジスタ
１６０がオフ状態の場合には、第２の配線ＢＬの電位は変化しない。
【００４４】
このように、情報が保持された状態において、第２の配線ＢＬの電位を所定の電位と比較
することで、情報を読み出すことができる。
【００４５】
次に、情報の書き換えについて説明する。情報の書き換えは、上記情報の書き込みおよび
保持と同様に行われる。つまり、第４の配線Ｓ２の電位を、トランジスタ１６２がオン状
態となる電位として、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線Ｓ
１の電位（新たな情報に係る電位）が、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられる。
その後、第４の配線Ｓ２の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位として、ト
ランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、新たな情報が保持された状態となる。
【００４６】
このように、開示する発明に係る半導体装置は、再度の情報の書き込みによって直接的に
情報を書き換えることが可能である。このためフラッシュメモリなどにおいて必要とされ
る消去動作が不要であり、消去動作に起因する動作速度の低下を抑制することができる。
つまり、半導体装置の高速動作が実現される。
【００４７】
なお、上記説明は、電子を多数キャリアとするｎ型トランジスタ（ｎチャネル型トランジ
スタ）を用いる場合についてのものであるが、ｎ型トランジスタに代えて、正孔を多数キ
ャリアとするｐ型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。
【００４８】
＜半導体装置の平面構成および断面構成＞
図２は、上記半導体装置の構成の一例である。図２（Ａ）には、半導体装置の断面を、図
２（Ｂ）には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）
の線Ａ１−Ａ２および線Ｂ１−Ｂ２における断面に相当する。図２（Ａ）および図２（Ｂ
）に示される半導体装置は、下部に酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ１６０
を有し、上部に酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２を有するものである。なお、ト
ランジスタ１６０およびトランジスタ１６２は、いずれもｎ型トランジスタとして説明す
るが、ｐ型トランジスタを採用しても良い。特に、トランジスタ１６０は、ｐ型とするこ
とが容易である。
【００４９】
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形成領域１１
６と、チャネル形成領域１１６を挟むように設けられた不純物領域１１４および高濃度不
純物領域１２０（これらをあわせて単に不純物領域とも呼ぶ）と、チャネル形成領域１１
６上に設けられたゲート絶縁層１０８と、ゲート絶縁層１０８上に設けられたゲート電極
１１０と、チャネル形成領域１１６の一方の側に設けられた不純物領域１１４と電気的に
接続するソース電極またはドレイン電極１３０ａと、チャネル形成領域１１６の他方の側
に設けられた不純物領域１１４と電気的に接続するソース電極またはドレイン電極１３０
ｂを有する。
【００５０】
ここで、ゲート電極１１０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、基板１００の、表面的にサイドウォール絶縁層１１８と重ならない領域には、高濃度
不純物領域１２０を有し、高濃度不純物領域１２０上には金属化合物領域１２４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１
２８が設けられている。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、ソース電極またはドレイン電極１３０ａは、チャネル形成領域１１６の一方の側に
設けられた金属化合物領域１２４と電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極１
３０ｂは、チャネル形成領域１１６の他方の側に設けられた金属化合物領域１２４と電気
的に接続されている。つまり、ソース電極またはドレイン電極１３０ａは、チャネル形成
領域１１６の一方の側に設けられた金属化合物領域１２４を介してチャネル形成領域１１
６の一方の側に設けられた高濃度不純物領域１２０およびチャネル形成領域１１６の一方
の側に設けられた不純物領域１１４と電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極
１３０ｂは、チャネル形成領域１１６の他方の側に設けられた金属化合物領域１２４を介
してチャネル形成領域１１６の他方の側に設けられた高濃度不純物領域１２０およびチャ
ネル形成領域１１６の他方の側に設けられた不純物領域１１４と電気的に接続されている
。また、ゲート電極１１０には、ソース電極またはドレイン電極１３０ａやソース電極ま
たはドレイン電極１３０ｂと同様に設けられた電極１３０ｃが電気的に接続されている。
【００５１】
酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２は、層間絶縁層１２８上に設けられたゲート電
極１３６ｄと、ゲート電極１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層
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電極またはドレイン電極１４２ａ、
ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、を有する。
【００５２】
ここで、ゲート電極１３６ｄは、層間絶縁層１２８上に形成された絶縁層１３２に、埋め
込まれるように設けられている。また、ゲート電極１３６ｄと同様に、トランジスタ１６
０のソース電極またはドレイン電極１３０ａに接して電極１３６ａが、トランジスタ１６
０のソース電極またはドレイン電極１３０ｂに接して電極１３６ｂが、電極１３０ｃに接
して電極１３６ｃが、それぞれ形成されている。
【００５３】
また、トランジスタ１６２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、ソース電極またはドレイ
ン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極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、電極１５０ｄ、電極１５０ｅが、ソース電極またはドレイン電
極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂに接して形成されている。また、電
極１５０ｄ、電極１５０ｅと同様に、ゲート絶縁層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１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃに接す
る電極１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１５０ｃが形成されている。
【００５４】
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
るものであることが望ましい。具体的には、酸化物半導体層１４０の水素濃度は５×１０
１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望
ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、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では、一般的なシリコンウェハ（リンやボロンな
どの不純物元素が微量に添加されたシリコンウェハ）におけるキャリア濃度（１×１０１
４／ｃｍ３程度）と比較して、十分に小さいキャリア濃度の値をとる。このように、水素
濃度が十分に低減されて高純度化され、ｉ型化または実質的にｉ型化された酸化物半導体
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１６２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の場合であって、ゲート電圧Ｖｇが−
５Ｖから−２０Ｖの範囲では、オフ電流は１×１０−１３Ａ以下である。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を適用し、トランジスタ
１６２のオフ電流を低減することにより、新たな構成の半導体装置を実現することができ
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（ＳＩＭ
Ｓ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定したも
のである。
【００５５】
また、層間絶縁層１４６上には絶縁層１５２が設けられており、当該絶縁層１５２に埋め
込まれるように、電極１５４ａ、電極１５４ｂ、電極１５４ｃ、電極１５４ｄが設けられ
ている。ここで、電極１５４ａは電極１５０ａと接しており、電極１５４ｂは電極１５０
ｂと接しており、電極１５４ｃは電極１５０ｃおよび電極１５０ｄと接しており、電極１
５４ｄは電極１５０ｅと接している。
【００５６】
つまり、図２に示される半導体装置では、トランジスタ１６０のゲート電極１１０と、ト
ランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極１４２ａとが、電極１３０ｃ、電極１
３６ｃ、電極１５０ｃ、電極１５４ｃおよび電極１５０ｄを介して電気的に接続されてい
る。
【００５７】
＜半導体装置の作製方法＞
次に、上記半導体装置の作製方法の一例について説明する。以下では、はじめに下部のト
ランジスタ１６０の作製方法について図３を参照して説明し、その後、上部のトランジス
タ１６２の作製方法について図４および図５を参照して説明する。
【００５８】
＜下部のトランジスタの作製方法＞
まず、半導体材料を含む基板１００を用意する（図３（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。
【００５９】
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３（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、トランジスタ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。
【００６０】
次に、上記の保護層１０２をマスクとして用い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３（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。
【００６１】
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３（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。
【００６２】
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。
【００６３】
絶縁層は後のゲート絶縁層となるものであり、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、窒化させることによ
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、水素など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１０
０ｎｍ以下とすることができる。
【００６４】
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、Ｃ
ＶＤ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、本実施の形態では、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。
【００６５】
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、ゲート絶縁層１０８
、ゲート電極１１０を形成する（図３（Ｃ）参照）。
【００６６】
次に、ゲート電極１１０を覆う絶縁層１１２を形成する（図３（Ｃ）参照）。そして、半
導体領域１０４にリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などを添加して、基板１００との浅い接合深
さの不純物領域１１４を形成する（図３（Ｃ）参照）。なお、ここではｎ型トランジスタ
を形成するためにリンやヒ素を添加しているが、ｐ型トランジスタを形成する場合には、
硼素（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）などの不純物元素を添加すればよい。なお、不純物領
域１１４の形成により、半導体領域１０４のゲート絶縁層１０８下部には、チャネル形成
領域１１６が形成される（図３（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を形成した後に不純物領域１１４を形成す
る工程を採用しているが、不純物領域１１４を形成した後に絶縁層１１２を形成する工程
としても良い。
【００６７】
次に、サイドウォール絶縁層１１８を形成する（図３（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、ゲート電極１１０の上面と、不純物領域１
１４の上面を露出させると良い。
【００６８】
次に、ゲート電極１１０、不純物領域１１４、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、当該絶縁層が不純物領域１１４と接する領域に、リン（
Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などを添加して、高濃度不純物領域１２０を形成する（図３（Ｅ）参
照）。その後、上記絶縁層を除去し、ゲート電極１１０、サイドウォール絶縁層１１８、
高濃度不純物領域１２０等を覆うように金属層１２２を形成する（図３（Ｅ）参照）。当
該金属層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。
【００６９】
次に、熱処理を施して、上記金属層１２２と半導体材料とを反応させる。これにより、高
濃度不純物領域１２０に接する金属化合物領域１２４が形成される（図３（Ｆ）参照）。
なお、ゲート電極１１０として多結晶シリコンなどを用いる場合には、ゲート電極１１０
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。
【００７０】
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、金属化合物
領域１２４を形成した後には、金属層１２２は除去する。
【００７１】
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３（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と層間絶縁層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。
【００７２】
その後、上記層間絶縁層に、金属化合物領域１２４にまで達する開口を形成し、当該開口
に、ソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソース電極またはドレイン電極１３０ｂを
形成する（図３（Ｈ）参照）。ソース電極またはドレイン電極１３０ａやソース電極また
はドレイン電極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などの方法を用いて、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。
【００７３】
なお、上記導電層の一部を除去してソース電極またはドレイン電極１３０ａやソース電極
またはドレイン電極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
要なタングステン膜、チタン膜、窒化チタン膜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、ソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソー
ス電極またはドレイン電極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。
【００７４】
なお、ここでは、金属化合物領域１２４と接触するソース電極またはドレイン電極１３０
ａやソース電極またはドレイン電極１３０ｂのみを示しているが、この工程において、ゲ
ート電極１１０と接触する電極（例えば、図２における電極１３０ｃ）などをあわせて形
成することができる。ソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソース電極またはドレイ
ン電極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。
【００７５】
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
度に集積化した半導体装置を提供することができる。
【００７６】
＜上部のトランジスタの作製方法＞
次に、図４および図５を用いて、層間絶縁層１２８上にトランジスタ１６２を作製する工
程について説明する。なお、図４および図５は、層間絶縁層１２８上の各種電極や、トラ
ンジスタ１６２などの作製工程を示すものであるから、トランジスタ１６２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。
【００７７】
まず、層間絶縁層１２８、ソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソース電極またはド
レイン電極１３０ｂ、電極１３０ｃ上に絶縁層１３２を形成する（図４（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。
【００７８】
次に、絶縁層１３２に対し、ソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソース電極または
ドレイン電極１３０ｂ、および、電極１３０ｃにまで達する開口を形成する。この際、後
にゲート電極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４（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。
【００７９】
より具体的には、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、ＣＶ
Ｄ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、下
部電極（ここではソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソース電極またはドレイン電
極１３０ｂ、電極１３０ｃなど）との界面の酸化膜を還元し、下部電極との接触抵抗を低
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。
【００８０】
導電層１３４を形成した後には、エッチング処理やＣＭＰなどの方法を用いて導電層１３
４の一部を除去し、絶縁層１３２を露出させて、電極１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３
６ｃ、ゲート電極１３６ｄを形成する（図４（Ｃ）参照）。なお、上記導電層１３４の一
部を除去して電極１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃ、ゲート電極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１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃ、ゲート電極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。
【００８１】
次に、絶縁層１３２、電極１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃ、ゲート電極１３６ｄ
を覆うように、ゲート絶縁層１３８を形成する（図４（Ｄ）参照）。ゲート絶縁層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、ゲート絶縁層
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
層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（ＳｉＨ４）、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
るゲート絶縁層１３８を形成することができる。ゲート絶縁層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のゲート絶縁層と、第１のゲート絶縁
層上の膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の第２のゲート絶縁層の積層とすると好適である。
【００８２】
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、ゲート絶縁層との界面は重要
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層１３８には、高品
質化が要求されることになる。
【００８３】
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層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層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。
【００８４】
もちろん、ゲート絶縁層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、膜質や酸化物半導体層と
の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、ゲート絶縁層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。
【００８５】
さらに、８５℃、２×１０６Ｖ／ｃｍ、１２時間のゲートバイアス・熱ストレス試験（Ｂ
Ｔ試験）においては、不純物が酸化物半導体に添加されていると、不純物と酸化物半導体
の主成分との結合が、強電界（Ｂ：バイアス）と高温（Ｔ：温度）により切断され、生成
された未結合手がしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフトを誘発することとなる。
【００８６】
これに対して、酸化物半導体の不純物、特に水素や水などを極力排除し、上記のようにゲ
ート絶縁層との界面特性を良好にすることにより、ＢＴ試験に対しても安定なトランジス
タを得ることが可能である。
【００８７】
次いで、ゲート絶縁層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４（Ｅ）参照）。
【００８８】
酸化物半導体層としては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａ
ｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ
−Ｏ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｏ系、Ｓｎ−
Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ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
。本実施の形態では、酸化物半導体層としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体成膜
用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、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、ＳｉＯ２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。
【００８９】
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
亜鉛を主成分とする酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることができる。また、Ｉｎ、
Ｇａ、およびＺｎを含む酸化物半導体成膜用ターゲット（組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇ
ａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］）などを用いることもできる。また、Ｉｎ
、Ｇａ、およびＺｎを含む酸化物半導体成膜用ターゲットとして、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ
３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］、またはＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：
１：４［ｍｏｌ数比］の組成比を有するターゲットなどを用いても良い。酸化物半導体成
膜用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。充填率の高い酸化物半導体成膜用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。
【００９０】
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、水酸基または水素化物などの不純物の濃度が数ｐｐｍ程度（
望ましくは数ｐｐｂ程度）にまで低減された高純度ガスを用いるのが好適である。
【００９１】
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（Ｈ２Ｏ）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。
【００９２】
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０．６
Ｐａ、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、成膜
時に発生する粉状物質（パーティクル、ゴミともいう）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５
ｎｍ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。
【００９３】
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、ゲート絶縁層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雰囲気、ヘリウム雰囲気、酸素雰
囲気などを用いても良い。
【００９４】
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
チングできるように、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。
【００９５】
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（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（
ＣＣｌ４）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（ＣＦ４）、弗化硫黄（ＳＦ６）、弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ
３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、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。
【００９６】
ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈ
ｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：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。
【００９７】
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、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）などを用いてもよい。
【００９８】
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
触れないようにし、水や水素の再混入が行われないようにする。
【００９９】
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（Ｇａｓ
Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ
Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎ
ｅａｌ）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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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−Ｏ系の酸化物半導体成膜用ターゲットを
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Ｉｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７
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。
【０１０５】
より具体的には、例えば、Ｉｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
なお、上記第１の熱処理は、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上にソース電極またはド
レイン電極を積層させた後、ソース電極またはドレイン電極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。
【０１０９】
次に、酸化物半導体層１４０に接するように、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、
ソース電極またはドレイン電極１４２ｂを形成する（図４（Ｆ）参照）。ソース電極また
はドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂは、酸化物半導体層１
４０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。
【０１１０】
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、トリウムから選択されたいずれか一または複数の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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
トランジスタのチャネル長（Ｌ）は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａの下端部と
、ソース電極またはドレイン電極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未満において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（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）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。さらにオフ電流値が極めて小さいため、
消費電力が大きくならずに済む。
【０１１３】
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。
【０１１４】
また、酸化物半導体層１４０とソース電極またはドレイン電極１４２ａの間や、酸化物半
導体層１４０とソース電極またはドレイン電極１４２ｂの間には、酸化物導電層を形成し
てもよい。酸化物導電層と、ソース電極またはドレイン電極１４２ａやソース電極または
ドレイン電極１４２ｂを形成するための金属層は、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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
なお、上述の工程の後には、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、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。
【０１１７】
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１４
４を形成する（図４（Ｇ）参照）。
【０１１８】
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、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。
【０１１９】
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への侵入や、水素によ
る酸化物半導体層中の酸素の引き抜き、などが生じ、酸化物半導体層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１
４４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。
【０１２０】
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。酸
化物半導体層１４０および保護絶縁層１４４に水素、水酸基または水が含まれないように
するためである。
【０１２１】
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（Ｈ２
Ｏ）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。
【０１２２】
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の濃度が数ｐｐｍ程度（望ましくは数ｐｐｂ程度）にまで低減され
た高純度ガスを用いることが好ましい。
【０１２３】
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２０
０℃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低減することができる。
【０１２４】
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。
【０１２５】
次に、保護絶縁層１４４上に、層間絶縁層１４６を形成する（図５（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。
【０１２６】
次に、層間絶縁層１４６、保護絶縁層１４４、およびゲート絶縁層１３８に対し、電極１
３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃ、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース
電極またはドレイン電極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５（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。
【０１２７】
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、下部電
極（ここでは、電極１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃ、ソース電極またはドレイン
電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂ）との界面の酸化膜を還元し、下
部電極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。
【０１２８】
導電層１４８を形成した後には、エッチングやＣＭＰなどの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１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１５
０ｃ、電極１５０ｄ、電極１５０ｅを形成する（図５（Ｃ）参照）。なお、上記導電層１
４８の一部を除去して電極１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１５０ｃ、電極１５０ｄ、電極
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１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１５０ｃ、電極１５０ｄ、電
極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。
【０１２９】
さらに、絶縁層１５２を形成し、絶縁層１５２に、電極１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１
５０ｃ、電極１５０ｄ、電極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１５４ａ、電極１５４ｂ、電極１５４ｃ、電極１５４
ｄを形成する（図５（Ｄ）参照）。当該工程は、電極１５０ａ等を形成する場合と同様で
あるから、詳細は省略する。
【０１３０】
上述のような方法でトランジスタ１６２を作製した場合、酸化物半導体層１４０の水素濃
度は５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となり、また、トランジスタ１６２のオフ電流
は１×１０−１３Ａ以下となる。このような、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、優れた特性のトランジスタ１６２を得ること
ができる。また、下部に酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ１６０を有し、上
部に酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２を有する優れた特性の半導体装置を作製す
ることができる。
【０１３１】
なお、酸化物半導体との比較対象たり得る半導体材料としては、炭化珪素（例えば、４Ｈ
−ＳｉＣ）がある。酸化物半導体と４Ｈ−ＳｉＣはいくつかの共通点を有している。キャ
リア密度はその一例である。常温での酸化物半導体の真性キャリア密度は１０−７／ｃｍ
３程度と見積もられるが、これは、４Ｈ−ＳｉＣにおける６．７×１０−１１／ｃｍ３と
同様、極めて低い値である。シリコンの真性キャリア密度（１．４×１０１０／ｃｍ３程
度）と比較すれば、その程度が並はずれていることが良く理解できる。
【０１３２】
また、酸化物半導体のエネルギーバンドギャップは３．０〜３．５ｅＶであり、４Ｈ−Ｓ
ｉＣのエネルギーバンドギャップは３．２６ｅＶであるから、ワイドギャップ半導体とい
う点においても、酸化物半導体と炭化珪素とは共通している。
【０１３３】
一方で、酸化物半導体と炭化珪素との間には極めて大きな相違点が存在する。それは、プ
ロセス温度である。炭化珪素は一般に１５００℃〜２０００℃の熱処理を必要とするから
、他の半導体材料を用いた半導体素子との積層構造は困難である。このような高い温度で
は、半導体基板や半導体素子などが破壊されてしまうためである。他方、酸化物半導体は
、３００℃〜５００℃（ガラス転移温度以下、最高でも７００℃程度）の熱処理で作製す
ることが可能であり、他の半導体材料を用いて集積回路を形成した上で、酸化物半導体に
よる半導体素子を形成することが可能となる。
【０１３４】
また、炭化珪素の場合と異なり、ガラス基板など、耐熱性の低い基板を用いることが可能
であるという利点を有する。さらに、高温での熱処理が不要という点で、炭化珪素と比較
してエネルギーコストを低くすることができるという利点を有する。
【０１３５】
なお、酸化物半導体において、物性研究は多くなされているが、これらの研究は、エネル
ギーギャップ中の局在準位そのものを十分に減らすという思想を含まない。開示する発明
の一態様では、局在準位の原因たり得る水や水素を酸化物半導体中より除去することで、
高純度化した酸化物半導体を作製する。これは、エネルギーギャップ中の局在準位そのも
のを十分に減らすという思想に立脚するものである。そして、これによって極めて優れた
工業製品の製造を可能とするものである。
【０１３６】
さらに、酸素欠乏により発生する金属の未結合手に対して酸素を供給し、酸素欠陥による
局在準位を減少させることにより、いっそう高純度化された（ｉ型の）酸化物半導体とす
ることも可能である。たとえば、チャネル形成領域に密接して酸素過剰の酸化膜を形成し
、当該酸化膜から酸素を供給して、酸素欠陥による局在準位を減少させることが可能であ
る。
【０１３７】
酸化物半導体中のドナーは、過剰な水素による伝導帯下０．１ｅＶ〜０．２ｅＶの浅い準
位や、酸素の不足による深い準位、などに起因するものとされている。これらの欠陥を無
くすために、水素を徹底的に除去し、酸素を十分に供給する、という技術思想は正しいも
のであろう。
【０１３８】
また、酸化物半導体は一般にｎ型とされているが、開示する発明の一態様では、不純物、
特に水や水素を除去することによりｉ型化を実現する。この点において、シリコンなどの
ように不純物を添加してのｉ型化ではないため、従来にない技術思想を含むものといえる
。
【０１３９】
＜酸化物半導体を用いたトランジスタの電導機構＞
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタの電導機構につき、図２２乃至図２５を用い
て説明する。なお、以下の説明は一考察に過ぎず、これに基づいて発明の有効性が否定さ
れるものではないことを付記する。
【０１４０】
図２２は、酸化物半導体を用いた逆スタガー型のトランジスタ（薄膜トランジスタ）の縦
断面図である。ゲート電極（ＧＥ１）上にゲート絶縁層（ＧＩ）を介して酸化物半導体層
（ＯＳ）が設けられ、その上にソース電極（Ｓ）およびドレイン電極（Ｄ）が設けられて
いる。
【０１４１】
図２３（Ａ）、図２３（Ｂ）には、図２２のＡ−Ａ’上におけるエネルギーバンド構造の
模式図を示す。図２３（Ｂ）は、ドレインに正の電圧（ＶＤ＞０）を印加した上で、破線
はゲートに電圧を印加しない場合（ＶＧ＝０）、実線はゲートに正の電圧（ＶＧ＞０）を
印加した場合を示す。ゲートに電圧を印加しない場合は高いポテンシャル障壁のために電
極から酸化物半導体側へキャリア（電子）が注入されず、電流を流さないオフ状態を示す
。一方、ゲートに正の電圧を印加するとポテンシャル障壁が低下し、電流を流すオン状態
を示す。
【０１４２】
図２４（Ａ）、図２４（Ｂ）には、図２２のＢ−Ｂ’の断面におけるエネルギーバンド図
（模式図）を示す。図２４（Ａ）は、ゲート（ＧＥ１）に正の電位＋ＶＧ（ＶＧ＞０）が
与えられた状態であり、ソースとドレインとの間にキャリア（電子）が流れるオン状態を
示している。また、図２４（Ｂ）は、ゲート（ＧＥ１）に負の電位 −ＶＧ（ＶＧ＞０）
が与えられた状態であり、オフ状態（少数キャリアは流れない状態）を示す。
【０１４３】
図２５は、真空準位と金属の仕事関数（φＭ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係
を示す。
【０１４４】
金属は縮退しており、フェルミ準位は伝導帯内に位置する。一方、従来の酸化物半導体は
ｎ型であり、そのフェルミ準位（Ｅｆ）は、バンドギャップ中央に位置する真性フェルミ
準位（Ｅｉ）から離れて、伝導帯寄りに位置している。なお、酸化物半導体において水素
の一部はドナーとなり、ｎ型化する要因の一つであることが知られている。
【０１４５】
これに対して開示する発明の一態様に係る酸化物半導体は、ｎ型化の要因である水素を酸
化物半導体から除去し、酸化物半導体の主成分以外の元素（不純物元素）が極力含まれな
いように高純度化することにより真性（ｉ型）とし、または真性に近づけたものである。
すなわち、不純物元素を添加してｉ型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去す
ることにより、高純度化されたｉ型（真性半導体）またはそれに近づけることを特徴とし
ている。これにより、フェルミ準位（Ｅｆ）は真性フェルミ準位（Ｅｉ）と同程度とする
ことができる。
【０１４６】
酸化物半導体のバンドギャップ（Ｅｇ）は３．１５ｅＶで、電子親和力（χ）は４．３ｅ
Ｖと言われている。ソース電極やドレイン電極を構成するチタン（Ｔｉ）の仕事関数は、
酸化物半導体の電子親和力（χ）とほぼ等しい。この場合、金属−酸化物半導体界面にお
いて、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。
【０１４７】
すなわち、金属の仕事関数（φＭ）と酸化物半導体の電子親和力（χ）が等しい場合、両
者が接触すると図２３（Ａ）で示すようなエネルギーバンド図（模式図）が示される。
【０１４８】
図２３（Ｂ）において黒丸（●）は電子を示す。ドレインに正の電位が与えられると、電
子はバリア（ｈ）をこえて酸化物半導体に注入され、ドレインに向かって流れる。バリア
（ｈ）の高さは、ゲート電圧とドレイン電圧に依存して変化するが、正のドレイン電圧が
印加される場合には、電圧印加のない図２３（Ａ）のバリアの高さ、すなわちバンドギャ
ップ（Ｅｇ）の１／２、より低くなる。
【０１４９】
このとき電子は、図２４（Ａ）で示すように、ゲート絶縁層と高純度化された酸化物半導
体との界面付近（酸化物半導体のエネルギー的に安定な最低部）を移動する。
【０１５０】
また、図２４（Ｂ）に示すように、ゲート電極（ＧＥ１）に負の電位が与えられると、少
数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、電流は限りなくゼロに近い値となる
。
【０１５１】
このように酸化物半導体の主成分以外の元素（不純物元素）が極力含まれないように酸化
物半導体を高純度化させることにより、真性（ｉ型）、または実質的に真性となるため、
ゲート絶縁層との界面特性が顕在化する。そのため、ゲート絶縁層には、酸化物半導体と
良好な界面を形成できるものが要求される。具体的には、例えば、ＶＨＦ帯〜μ波帯の電
源周波数で生成される高密度プラズマを用いたＣＶＤ法で作製される絶縁層や、スパッタ
リング法で作製される絶縁層などを用いることが好ましい。
【０１５２】
酸化物半導体を高純度化しつつ、酸化物半導体とゲート絶縁層との界面を良好なものとす
ることにより、例えば、トランジスタのチャネル幅Ｗが１×１０４μｍ、チャネル長が３
μｍの場合には、常温において１０−１３Ａ以下のオフ電流、０．１Ｖ／ｄｅｃ．のサブ
スレッショルドスイング値（Ｓ値）（ゲート絶縁層の厚さ：１００ｎｍ）が実現され得る
。
【０１５３】
このように、酸化物半導体の主成分以外の元素（不純物元素）が極力含まれないように酸
化物半導体を高純度化させることにより、トランジスタの動作を良好なものとすることが
できる。
【０１５４】
＜変形例＞
図６乃至図９には、半導体装置の構成の変形例を示す。なお、以下では、変形例として、
トランジスタ１６２の構成が上記とは異なるものについて説明する。つまり、トランジス
タ１６０の構成は上記と同様である。
【０１５５】
図６には、酸化物半導体層１４０の下にゲート電極１３６ｄを有し、ソース電極またはド
レイン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂが、酸化物半導体層１４
０の下側表面において酸化物半導体層１４０と接する構成のトランジスタ１６２を有する
半導体装置の例を示す。なお、平面の構造は、断面に対応して適宜変更すればよいから、
ここでは、断面についてのみ示すこととする。
【０１５６】
図６に示す構成と図２に示す構成の大きな相違点として、ソース電極またはドレイン電極
１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、酸化物半導体層１４０との接続
の位置がある。つまり、図２に示す構成では、酸化物半導体層１４０の上側表面において
、ソース電極またはドレイン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと
接するのに対して、図６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
ース電極またはドレイン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極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、絶縁層などの配置が異なるもの
となっている。各構成要素の詳細は、図２と同様である。
【０１５７】
具体的には、図６に示す半導体装置は層間絶縁層１２８上に設けられたゲート電極１３６
ｄと、ゲート電極１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層１３８上
に設けられた、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極
１４２ｂと、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１
４２ｂの上側表面に接する酸化物半導体層１４０と、を有する。
【０１５８】
ここで、ゲート電極１３６ｄは、層間絶縁層１２８上に形成された絶縁層１３２に、埋め
込まれるように設けられている。また、ゲート電極１３６ｄと同様に、ソース電極または
ドレイン電極１３０ａに接して電極１３６ａが、ソース電極またはドレイン電極１３０ｂ
に接して電極１３６ｂが、電極１３０ｃに接して電極１３６ｃが、それぞれ形成されてい
る。
【０１５９】
また、トランジスタ１６２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、ソース電極またはドレイ
ン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極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、電極１５０ｄ、電極１５０ｅが、ソース電極またはドレイン電
極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂに接して形成されている。また、電
極１５０ｄ、電極１５０ｅと同様に、ゲート絶縁層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１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃに接す
る電極１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１５０ｃが形成されている。
【０１６０】
また、層間絶縁層１４６上には絶縁層１５２が設けられており、当該絶縁層１５２に埋め
込まれるように、電極１５４ａ、電極１５４ｂ、電極１５４ｃ、電極１５４ｄが設けられ
ている。ここで、電極１５４ａは電極１５０ａと接しており、電極１５４ｂは電極１５０
ｂと接しており、電極１５４ｃは電極１５０ｃおよび電極１５０ｄと接しており、電極１
５４ｄは電極１５０ｅと接している。
【０１６１】
図７は、酸化物半導体層１４０の上にゲート電極１３６ｄを有する構成の例である。ここ
で、図７（Ａ）は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイ
ン電極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
する構成の例であり、図７（Ｂ）は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａや、ソース
電極またはドレイン電極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と接する構成の例である。
【０１６２】
図２や図６に示す構成と図７に示す構成の大きな相違点は、酸化物半導体層１４０の上に
ゲート電極１３６ｄを有する点である。また、図７（Ａ）に示す構成と図７（Ｂ）に示す
構成の大きな相違点は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａや、ソース電極またはド
レイン電極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
て接触するか、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、絶縁
層などの配置が異なるものとなっている。各構成要素の詳細は、図２などと同様である。
【０１６３】
具体的には、図７（Ａ）に示す半導体装置は、層間絶縁層１２８上に設けられたソース電
極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、ソース電極
またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極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層１３８と
、ゲート絶縁層１３８上の酸化物半導体層１４０と重畳する領域のゲート電極１３６ｄと
、を有する。
【０１６４】
また、図７（Ｂ）に示す半導体装置は、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電極または
ドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、酸化物半導体層１４
０、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、および、ソース電極またはドレイン電極１
４２ｂ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層１３８上の酸化物半導体層１
４０と重畳する領域のゲート電極１３６ｄと、を有する。
【０１６５】
なお、図７に示す構成では、図２に示す構成などと比較して、構成要素が省略できる場合
がある（例えば、電極１５０ａや、電極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２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。
【０１６６】
図８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
電極１３６ｄを有する構成の例である。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、ゲート電極１３６
ｄなどを形成することが可能である。なお、ここでは図示しないが、トランジスタ１６０
についても、同様に作製することが可能である。
【０１６７】
図８（Ａ）に示す構成と図８（Ｂ）に示す構成の大きな相違点は、ソース電極またはドレ
イン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極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触するか、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、絶縁層などの配置が異なるものとなっている。各構
成要素の詳細は、図２などと同様である。
【０１６８】
具体的には、図８（Ａ）に示す半導体装置は、層間絶縁層１２８上に設けられたゲート電
極１３６ｄと、ゲート電極１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層
１３８上に設けられた、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレ
イン電極１４２ｂと、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイ
ン電極１４２ｂの上側表面に接する酸化物半導体層１４０と、を有する。
【０１６９】
また、図８（Ｂ）に示す半導体装置は、層間絶縁層１２８上に設けられたゲート電極１３
６ｄと、ゲート電極１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層１３８
上のゲート電極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電極またはドレイン電極１４２
ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、を有する。
【０１７０】
なお、図８に示す構成においても、図２に示す構成などと比較して、構成要素が省略でき
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。
【０１７１】
図９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
電極１３６ｄを有する構成の例である。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、ゲート電極１
３６ｄなどを形成することが可能である。なお、ここでは図示しないが、トランジスタ１
６０についても、同様に作製することが可能である。
【０１７２】
図９（Ａ）に示す構成と図９（Ｂ）に示す構成の大きな相違点は、ソース電極またはドレ
イン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極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触するか、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、絶縁層などの配置が異なるものとなっている。各構
成要素の詳細は、図２などと同様である。
【０１７３】
具体的には、図９（Ａ）に示す半導体装置は、層間絶縁層１２８上に設けられたソース電
極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、ソース電極
またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂの上側表面に接す
る酸化物半導体層１４０と、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極または
ドレイン電極１４２ｂ、酸化物半導体層１４０上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲ
ート絶縁層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電極１３
６ｄと、を有する。
【０１７４】
また、図９（Ｂ）に示す半導体装置は、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電極または
ドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、ソース電極またはド
レイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂ、酸化物半導体層１４０上
に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層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電極１３６ｄと、を有する。
【０１７５】
なお、図９に示す構成においても、図２に示す構成などと比較して、構成要素が省略でき
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。
【０１７６】
以上に示したように、開示する発明の一態様によって、新たな構成の半導体装置が実現さ
れる。本実施の形態では、トランジスタ１６０とトランジスタ１６２を積層して形成する
例について説明したが、半導体装置の構成はこれに限られるものではない。また、本実施
の形態では、トランジスタ１６０とトランジスタ１６２のチャネル長方向が互いに垂直と
なる例を説明したが、トランジスタ１６０とトランジスタ１６２の位置関係などはこれに
限られるものではない。さらに、トランジスタ１６０とトランジスタ１６２とを重畳して
設けても良い。
【０１７７】
また、本実施の形態では理解の簡単のため、最小記憶単位（１ビット）の半導体装置につ
いて説明したが、半導体装置の構成はこれに限られるものではない。複数の半導体装置を
適当に接続して、より高度な半導体装置を構成することもできる。例えば、上記半導体装
置を複数用いて、ＮＡＮＤ型やＮＯＲ型の半導体装置を構成することが可能である。配線
の構成も図１に限定されず、適宜変更することができる。
【０１７８】
本実施の形態に係る半導体装置は、トランジスタ１６２の低オフ電流特性により、極めて
長時間にわたり情報を保持することが可能である。つまり、ＤＲＡＭなどで必要とされる
リフレッシュ動作が不要であり、消費電力を抑制することができる。また、実質的な不揮
発性記憶装置として用いることが可能である。
【０１７９】
また、トランジスタ１６２のスイッチング動作によって情報の書き込みなどを行うため、
高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。さらに、トランジスタのオン、オフに
よって、情報の書き込みや消去が行われるため、高速動作も容易に実現しうる。また、ト
ランジスタに入力する電位を制御することで情報を直接書き換えることが可能である。こ
のため、フラッシュメモリなどにおいて必要とされる消去動作が不要であり、消去動作に
起因する動作速度の低下を抑制することができる。
【０１８０】
また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジ
スタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の
読み出しを高速に行うことが可能である。
【０１８１】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み
合わせて用いることができる。
【０１８２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の回路構成および動作方法について
説明する。
【０１８３】
半導体装置が有する記憶素子（以下、メモリセルとも記載する）の回路図の一例を図１０
に示す。図１０に示すメモリセル２００は、第３の配線Ｓ１（第１信号線）と、第４の配
線Ｓ２（第２信号線）と、第５の配線ＷＬ（ワード線）と、トランジスタ２０１と、トラ
ンジスタ２０２と、トランジスタ２０３と、から構成されている。トランジスタ２０１及
びトランジスタ２０３は、酸化物半導体以外の材料を用いて形成されており、トランジス
タ２０２は酸化物半導体を用いて形成されている。ここで、トランジスタ２０１及びトラ
ンジスタ２０３は、実施の形態１に示すトランジスタ１６０と同様の構成とするのが好ま
しい。また、トランジスタ２０２は、実施の形態１に示すトランジスタ１６２と同様の構
成とするのが好ましい。また、メモリセル２００は、第１の配線ＳＬ（ソース線）及び第
２の配線ＢＬ（ビット線）と電気的に接続されており、トランジスタ（他のメモリセルを
構成するものも含む。）を介して、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬと電気的に接続さ
れるのが好適である。
【０１８４】
ここで、トランジスタ２０１のゲート電極と、トランジスタ２０２のソース電極またはド
レイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、第１の配線ＳＬと、トランジス
タ２０１のソース電極と、トランジスタ２０３のソース電極とは、電気的に接続され、第
２の配線ＢＬと、トランジスタ２０１のドレイン電極と、トランジスタ２０３のドレイン
電極とは、電気的に接続されている。そして、第３の配線Ｓ１と、トランジスタ２０２の
ソース電極またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第４の配線Ｓ２と、トラ
ンジスタ２０２のゲート電極とは、電気的に接続され、第５の配線ＷＬと、トランジスタ
２０３のゲート電極とは電気的に接続されている。なお、第１の配線ＳＬと、トランジス
タ２０１のソース電極及びトランジスタ２０３のソース電極とは、トランジスタ（他のメ
モリセルを構成するものも含む。）を介して接続されていてもよい。また、第２の配線Ｂ
Ｌと、トランジスタ２０１のドレイン電極及びトランジスタ２０３のドレイン電極とは、
トランジスタ（他のメモリセルを構成するものも含む。）を介して接続されていてもよい
。
【０１８５】
図１１に、ｍ×ｎビットの記憶容量を有する本発明の一態様に係る半導体装置のブロック
回路図を示す。ここでは一例として、メモリセル２００が直列に接続されたＮＡＮＤ型の
半導体装置を示す。
【０１８６】
本発明の一態様に係る半導体装置は、ｍ本の第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ）及び第４
の配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｍ）と、ｎ本の第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）、第２の配
線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）及び第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）と、２本の第６の配線
ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）と、複数のメモリセル２００（１、１）〜２００（ｍ、ｎ）
が縦ｍ個（行）×横ｎ個（列）（ｍ、ｎは自然数）のマトリクス状に配置されたメモリセ
ルアレイ２１０と、第６の配線ＳＥＬ（１）に沿って、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ
）とメモリセル２００（１、１）〜２００（１、ｎ）の間に配置されたトランジスタ２１
５（１、１）〜２１５（１、ｎ）と、第６の配線ＳＥＬ（２）に沿って、第１の配線ＳＬ
（１）〜ＳＬ（ｎ）とメモリセル２００（ｍ、１）〜２００（ｍ、ｎ）の間に配置された
トランジスタ２１５（２、１）〜２１５（２、ｎ）と、第２の配線及び第３の配線の駆動
回路２１１と、第４の配線及び第５の配線の駆動回路２１３と、読み出し回路２１２とい
った周辺回路によって構成されている。他の周辺回路として、リフレッシュ回路等が設け
られてもよい。
【０１８７】
各メモリセル２００（代表として、メモリセル２００（ｉ、ｊ）を考える。ここで、ｉは
１以上ｍ以下の整数、ｊは１以上ｎ以下の整数である。）は、第３の配線Ｓ１（ｊ）、第
４の配線Ｓ２（ｉ）及び第５の配線ＷＬ（ｉ）にそれぞれ接続されている。また、メモリ
セル２００（ｉ１、ｊ）（ｉ１は２〜ｍの整数）が有するトランジスタ２０１及びトラン
ジスタ２０３のドレイン電極は、メモリセル２００（ｉ１−１、ｊ）が有するトランジス
タ２０１及びトランジスタ２０３のソース電極に接続され、メモリセル２００（ｉ２、ｊ
）（ｉ２は１〜ｍ−１の整数）が有するトランジスタ２０１及びトランジスタ２０３のソ
ース電極は、メモリセル２００（ｉ２＋１、ｊ）が有するトランジスタ２０１及びトラン
ジスタ２０３のドレイン電極に接続される。メモリセル２００（１、ｊ）が有するトラン
ジスタ２０１及びトランジスタ２０３のドレイン電極は、トランジスタ２１５（１、ｊ）
のソース電極に接続され、メモリセル２００（ｍ、ｊ）が有するトランジスタ２０１及び
トランジスタ２０３のソース電極は、トランジスタ２１５（２、ｊ）のドレイン電極に接
続される。トランジスタ２１５（１、ｊ）のドレイン電極は第２の配線ＢＬ（ｊ）に接続
され、トランジスタ２１５（２、ｊ）のソース電極は第１の配線ＳＬ（ｊ）に接続される
。また、トランジスタ２１５（１，ｊ）のゲート電極は、第６の配線ＳＥＬ（１）に接続
され、トランジスタ２１５（２，ｊ）のゲート電極は、第６の配線ＳＥＬ（２）に接続さ
れる。
【０１８８】
また、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）及び第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は第２
の配線及び第３の配線の駆動回路２１１に、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ）、第４の
配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｍ）及び第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）は第４の配線及
び第５の配線の駆動回路２１３にそれぞれ接続されている。また、第２の配線ＢＬ（１）
〜ＢＬ（ｎ）は、読み出し回路２１２にも接続されている。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ
（ｎ）には電位Ｖｓが与えられている。なお、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）は必ず
しも分離されている必要はなく、互いに電気的に接続されているような構成にしてもよい
。
【０１８９】
図１１に示した半導体装置の動作について説明する。本構成では、行ごとの書き込みおよ
び読み出しを行う。
【０１９０】
第ｉ行のメモリセル２００（ｉ、１）〜２００（ｉ，ｎ）に書き込みを行う場合は、第４
の配線Ｓ２（ｉ）を２Ｖとし、選択したメモリセルのトランジスタ２０２をオン状態とす
る。一方、第ｉ行以外の第４の配線Ｓ２は０Ｖとし、非選択のメモリセルのトランジスタ
２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は、データ”１”を書き込
む列では２Ｖ、データ”０”を書き込む列では０Ｖとする。なお、書き込み終了にあたっ
ては、第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）の電位が変化する前に、第４の配線Ｓ２（ｉ）
を０Ｖとして、選択したメモリセルのトランジスタ２０２をオフ状態にする。他の配線は
、例えば、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）を０Ｖ、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ
）を０Ｖ、第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を０Ｖ、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ
（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとする。以上の書き込み動作のタイミングチャートの一例を図１
２に示す。
【０１９１】
その結果、データ”１”の書き込みを行ったメモリセルのトランジスタ２０１のゲート電
極に接続されるノード（以下、ノードＡ）の電位は約２Ｖ、データ”０”の書き込みを行
ったメモリセルのノードＡの電位は約０Ｖとなる。また、非選択メモリセルのノードＡの
電位は変わらない。ここで、トランジスタ２０２のオフ電流が極めて小さい、あるいは実
質０であることから、トランジスタ２０１のゲート電極（ノードＡ）の電位は長時間にわ
たって保持される。
【０１９２】
第ｉ行のメモリセル２００（ｉ、１）〜２００（ｉ，ｎ）の読み出しを行う場合は、第６
の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を２Ｖとし、トランジスタ２１５（１、１）〜２１５
（２、ｎ）をオン状態とする。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとす
る。第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）に接続されている読み出し回路２１２を動作状態
とする。第４の配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｍ）を０Ｖとし、全てのメモリセルのトランジス
タ２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）を０Ｖとする。
【０１９３】
そして、第５の配線ＷＬ（ｉ）を０Ｖ、第ｉ行以外の第５の配線ＷＬを２Ｖとする。この
とき、第ｉ行のメモリセルのトランジスタ２０３はオフ状態となる。第ｉ行以外のメモリ
セルのトランジスタ２０３はオン状態となる。その結果、第ｉ行のメモリセルのトランジ
スタ２０１がオン状態かオフ状態かでメモリセル列の抵抗状態が決まる。第ｉ行のメモリ
セルのうち、データ”０”を有するメモリセルでは、ノードＡが約０Ｖであるからトラン
ジスタ２０１はオフ状態となり、メモリセル列の抵抗は高い状態となる（以下、メモリセ
ル列が高抵抗状態であるとも言う。）。一方、第ｉ行のメモリセルのうち、データ”１”
を有するメモリセルでは、ノードＡが約２Ｖであるからトランジスタ２０１がオン状態と
なり、メモリセル列の抵抗は低い状態となる（以下、メモリセル列が低抵抗状態であると
も言う。）。その結果、読み出し回路は、メモリセルの抵抗状態の違いから、データ”０
”，”１”を読み出すことができる。
【０１９４】
なお、書き込み時において、ＳＯＩ基板上に薄膜トランジスタを形成した場合など、半導
体装置が基板電位を有さない場合には、第５の配線ＷＬ（ｉ＋１）〜ＷＬ（ｍ）を２Ｖ、
第６の配線ＳＥＬ（２）を２Ｖとすることが好ましい。これにより、第ｉ行のメモリセル
のトランジスタ２０１のソース電極またはドレイン電極の少なくとも一方を約０Ｖとする
ことができる。或いは、第６の配線ＳＥＬ（１）を２Ｖ、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（
ｉ−１）を２Ｖとしてもよい。一方、単結晶半導体基板上にトランジスタを形成した場合
など、半導体装置が基板電位を有する場合には、基板電位を０Ｖとしておけばよい。
【０１９５】
なお、書き込み時の第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）は０Ｖとしたが、第６の配線ＳＥ
Ｌ（１）が０Ｖの場合には、フローティング状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構
わない。読み出し時の第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は０Ｖとしたが、フローティン
グ状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構わない。
【０１９６】
なお、データ”１”とデータ”０”は便宜上の定義であって、逆であっても構わない。ま
た、上述した動作電圧は一例である。動作電圧は、データ”０”の場合にトランジスタ２
０１がオフ状態となり、データ”１”の場合にトランジスタ２０１がオン状態となるよう
に、また、書き込み時にトランジスタ２０２がオン状態、書き込み時以外ではオフ状態と
なるように、また、読み出し時に選択メモリセルのトランジスタ２０３がオフ状態、非選
択メモリセルのトランジスタ２０３がオン状態となるように選べばよい。特に、２Ｖの代
わりに、周辺の論理回路の電源電位ＶＤＤを用いてもよい。また、０Ｖの代わりに、接地
電位ＧＮＤを用いてもよい。
【０１９７】
次に、本発明の一態様に係る、半導体装置の回路構成及び動作の他の一例について説明す
る。
【０１９８】
半導体装置が有するメモリセル回路の一例を図１３に示す。図１３に示すメモリセル２２
０は、第３の配線Ｓ１と、第４の配線Ｓ２と、第５の配線ＷＬと、トランジスタ２０１と
、トランジスタ２０２と、トランジスタ２０３と、から構成されている。トランジスタ２
０１及びトランジスタ２０３は、酸化物半導体以外の材料を用いて形成されており、トラ
ンジスタ２０２は酸化物半導体を用いて形成されている。ここで、トランジスタ２０１及
びトランジスタ２０３は、実施の形態１に示すトランジスタ１６０と同様の構成とするの
が好ましい。また、トランジスタ２０２は、実施の形態１に示すトランジスタ１６２と同
様の構成とするのが好ましい。また、メモリセル２２０は、第１の配線ＳＬ及び第２の配
線ＢＬと電気的に接続されており、トランジスタ（他のメモリセルを構成するものも含む
。）を介して、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬと電気的に接続されるのが好適である
。
【０１９９】
図１３に示すメモリセル回路は、図１０に示したメモリセル回路と比較して、第３の配線
Ｓ１と、第４の配線Ｓ２の方向が異なる。つまり、図１３のメモリセル回路は、第４の配
線Ｓ２を第２の配線ＢＬ方向（列方向）に配置し、第３の配線Ｓ１を第５の配線ＷＬ方向
（行方向）に配置する構成としている。
【０２００】
図１４に、ｍ×ｎビットの記憶容量を有する本発明の一態様に係る半導体装置のブロック
回路図を示す。ここでは一例として、メモリセル２２０が直列に接続されたＮＡＮＤ型の
半導体装置を示す。
【０２０１】
本発明の一態様に係る半導体装置は、ｍ本の第５の配線ＷＬ及び第３の配線Ｓ１と、ｎ本
の第１の配線ＳＬ、第２の配線ＢＬ及び第４の配線Ｓ２と、２本の第６の配線ＳＥＬと、
複数のメモリセル２２０（１、１）〜２２０（ｍ、ｎ）が縦ｍ個（行）×横ｎ個（列）（
ｍ、ｎは自然数）のマトリクス状に配置されたメモリセルアレイ２３０と、第６の配線Ｓ
ＥＬ（１）に沿って、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）とメモリセル２２０（１、１）
〜２２０（１、ｎ）の間に配置されたトランジスタ２３５（１、１）〜２３５（１、ｎ）
と、第６の配線ＳＥＬ（２）に沿って、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）とメモリセル
２２０（ｍ、１）〜２２０（ｍ、ｎ）の間に配置されたトランジスタ２３５（２、１）〜
２３５（２、ｎ）と、第２の配線及び第４の配線の駆動回路２３１と、第３の配線及び第
５の配線の駆動回路２３３と、読み出し回路２３２といった周辺回路によって構成されて
いる。他の周辺回路として、リフレッシュ回路等が設けられてもよい。
【０２０２】
図１４に示す半導体装置は、図１１に示した半導体装置と比較して、第３の配線Ｓ１と、
第４の配線Ｓ２の方向が異なる。つまり、図１４の半導体装置は、第４の配線Ｓ２を第２
の配線ＢＬ方向（列方向）に配置し、第３の配線Ｓ１を第５の配線ＷＬ方向（行方向）に
配置する構成としている。
【０２０３】
各メモリセル２２０（代表として、メモリセル２２０（ｉ、ｊ）を考える。ここで、ｉは
１以上ｍ以下の整数、ｊは１以上ｎ以下の整数）は、第３の配線Ｓ１（ｉ）、第５の配線
ＷＬ（ｉ）及び第４の配線Ｓ２（ｊ）にそれぞれ接続されている。また、メモリセル２２
０（ｉ１、ｊ）（ｉ１は２〜ｍの整数）が有するトランジスタ２０１及びトランジスタ２
０３のドレイン電極は、メモリセル２２０（ｉ１−１、ｊ）が有するトランジスタ２０１
及びトランジスタ２０３のソース電極に接続され、メモリセル２２０（ｉ２、ｊ）（ｉ２
は１〜ｍ−１の整数）が有するトランジスタ２０１及びトランジスタ２０３のソース電極
は、メモリセル２２０（ｉ２＋１、ｊ）が有するトランジスタ２０１及びトランジスタ２
０３のドレイン電極に接続される。メモリセル２２０（１、ｊ）が有するトランジスタ２
０１及びトランジスタ２０３のドレイン電極は、トランジスタ２３５（１、ｊ）のソース
電極に接続され、メモリセル２２０（ｍ、ｊ）が有するトランジスタ２０１及びトランジ
スタ２０３のソース電極は、トランジスタ２３５（２、ｊ）のドレイン電極に接続される
。トランジスタ２３５（１、ｊ）のドレイン電極は第２の配線ＢＬ（ｊ）に接続され、ト
ランジスタ２３５（２、ｊ）のソース電極は第１の配線ＳＬ（ｊ）に接続される。また、
トランジスタ２３５（１，ｊ）のゲート電極は、第６の配線ＳＥＬ（１）に接続され、ト
ランジスタ２３５（２，ｊ）のゲート電極は、第６の配線ＳＥＬ（２）に接続される。
【０２０４】
また、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）及び第４の配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｎ）は第２
の配線及び第４の配線の駆動回路２３１に、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ）、第３の
配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｍ）及び第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）は第３の配線及
び第５の配線の駆動回路２３３にそれぞれ接続されている。また、第２の配線ＢＬ（１）
〜ＢＬ（ｎ）は、読み出し回路２３２にも接続されている。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ
（ｎ）には電位Ｖｓが与えられている。なお、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）は必ず
しも分離されている必要はなく、互いに電気的に接続されているような構成にしてもよい
。
【０２０５】
図１４に示した半導体装置の動作について説明する。本構成では、書き込みは列ごと、読
み出しは行ごとに行う。
【０２０６】
第ｊ列のメモリセル２２０（１、ｊ）〜２２０（ｍ，ｊ）に書き込みを行う場合は、第４
の配線Ｓ２（ｊ）を２Ｖとし、選択したメモリセルのトランジスタ２０２をオン状態とす
る。一方、第ｊ列以外の第４の配線Ｓ２は０Ｖとし、非選択のメモリセルのトランジスタ
２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｍ）は、データ”１”を書き込
む行では２Ｖ、データ”０”を書き込む行では０Ｖとする。なお、書き込み終了にあたっ
ては、第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｍ）の電位が変化する前に、第４の配線Ｓ２（ｊ）
を０Ｖとして、選択したメモリセルのトランジスタ２０２をオフ状態にする。他の配線は
、例えば、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）を０Ｖ、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ
）を０Ｖ、第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を０Ｖ、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ
（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとする。
【０２０７】
その結果、データ”１”の書き込みを行ったメモリセルのトランジスタ２０１のゲート電
極に接続されるノード（以下、ノードＡ）の電位は約２Ｖ、データ”０”の書き込みを行
ったメモリセルのノードＡの電位は約０Ｖとなる。また、非選択メモリセルのノードＡの
電位は変わらない。ここで、トランジスタ２０２のオフ電流が極めて小さい、あるいは実
質０であることから、トランジスタ２０１のゲート電極（ノードＡ）の電位は長時間にわ
たって保持される。
【０２０８】
第ｉ行のメモリセル２２０（ｉ、１）〜２２０（ｉ，ｎ）の読み出しを行う場合は、第６
の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を２Ｖとし、トランジスタ２３５（１、１）〜２３５
（２、ｎ）をオン状態とする。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとす
る。第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）に接続されている読み出し回路２３２を動作状態
とする。第４の配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｎ）を０Ｖとし、全てのメモリセルのトランジス
タ２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｍ）を０Ｖとする。
【０２０９】
そして、第５の配線ＷＬ（ｉ）を０Ｖ、第ｉ行以外の第５の配線ＷＬを２Ｖとする。この
とき、第ｉ行のメモリセルのトランジスタ２０３はオフ状態となる。第ｉ行以外のメモリ
セルのトランジスタ２０３はオン状態となる。その結果、第ｉ行のメモリセルのトランジ
スタ２０１がオン状態かオフ状態かでメモリセル列の抵抗状態が決まる。第ｉ行のメモリ
セルのうち、データ”０”を有するメモリセルでは、ノードＡが約０Ｖであるからトラン
ジスタ２０１はオフ状態となり、メモリセル列が高抵抗状態になる。一方、第ｉ行のメモ
リセルのうち、データ”１”を有するメモリセルでは、ノードＡが約２Ｖであるからトラ
ンジスタ２０１がオン状態となり、メモリセル列が低抵抗状態になる。その結果、読み出
し回路２３２は、メモリセルの抵抗状態の違いから、データ”０”，”１”を読み出すこ
とができる。
【０２１０】
なお、書き込み時において、ＳＯＩ基板上に薄膜トランジスタを形成した場合など、半導
体装置が基板電位を有さない場合には、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ）を２Ｖ、第６
の配線ＳＥＬ（１）または第６の配線ＳＥＬ（２）を２Ｖとすることが好ましい。これに
より、第ｉ行のメモリセルのトランジスタ２０１のソース電極またはドレイン電極の少な
くとも一方を約０Ｖとすることができる。一方、単結晶半導体基板上にトランジスタを形
成した場合など、半導体装置が基板電位を有する場合には、基板電位を０Ｖとしておけば
よい。
【０２１１】
なお、書き込み時の第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）は０Ｖとしたが、第６の配線ＳＥ
Ｌ（１）が０Ｖの場合には、フローティング状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構
わない。読み出し時の第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は０Ｖとしたが、フローティン
グ状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構わない。
【０２１２】
なお、データ”１”とデータ”０”は便宜上の定義であって、逆であっても構わない。ま
た、上述した動作電圧は一例である。動作電圧は、データ”０”の場合にトランジスタ２
０１がオフ状態となり、データ”１”の場合にトランジスタ２０１がオン状態となるよう
に、また、書き込み時にトランジスタ２０２がオン状態、書き込み時以外ではオフ状態と
なるように、また、読み出し時に選択メモリセルのトランジスタ２０３がオフ状態、非選
択メモリセルのトランジスタ２０３がオン状態となるように選べばよい。特に、２Ｖの代
わりに、周辺の論理回路の電源電位ＶＤＤを用いてもよい。また、０Ｖの代わりに、接地
電位ＧＮＤを用いてもよい。
【０２１３】
本実施の形態に係る半導体装置は、トランジスタ２０２の低オフ電流特性により、極めて
長時間にわたり情報を保持することが可能である。つまり、ＤＲＡＭなどで必要とされる
リフレッシュ動作が不要であり、消費電力を抑制することができる。また、実質的な不揮
発性の記憶装置として用いることが可能である。
【０２１４】
また、トランジスタ２０２のスイッチング動作によって情報の書き込みなどを行うため、
高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。さらに、トランジスタのオン、オフに
よって、情報の書き込みや消去が行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。また、
トランジスタに入力する電位を制御することで情報を直接書き換えることが可能である。
このため、フラッシュメモリなどにおいて必要とされる消去動作が不要であり、消去動作
に起因する動作速度の低下を抑制することができる。
【０２１５】
また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジ
スタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の
読み出しを高速に行うことが可能である。
【０２１６】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２とは異なる半導体装置の回路構成及び動作の一例につい
て説明する。
【０２１７】
半導体装置が有するメモリセルの回路図の一例を図１５に示す。図１５に示すメモリセル
２４０は、第３の配線Ｓ１と、第４の配線Ｓ２と、第５の配線ＷＬと、トランジスタ２０
１と、トランジスタ２０２と、容量素子２０４と、から構成されている。トランジスタ２
０１は、酸化物半導体以外の材料を用いて形成されており、トランジスタ２０２は酸化物
半導体を用いて形成されている。ここで、トランジスタ２０１は、実施の形態１に示すト
ランジスタ１６０と同様の構成とするのが好ましい。また、トランジスタ２０２は、実施
の形態１に示すトランジスタ１６２と同様の構成とするのが好ましい。また、メモリセル
２４０は、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬと電気的に接続されており、トランジスタ
（他のメモリセルを構成するものも含む）を介して、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬ
と電気的に接続されるのが好適である。
【０２１８】
ここで、トランジスタ２０１のゲート電極と、トランジスタ２０２のソース電極またはド
レイン電極の一方と、容量素子２０４の電極の一方とは、電気的に接続されている。また
、第１の配線ＳＬと、トランジスタ２０１のソース電極とは、電気的に接続され、トラン
ジスタ２０１のドレイン電極と、第２の配線ＢＬとは、電気的に接続されている。そして
、トランジスタ２０２のソース電極またはドレイン電極の他方と、第３の配線Ｓ１とは、
電気的に接続され、第４の配線Ｓ２と、トランジスタ２０２のゲート電極とは、電気的に
接続され、第５の配線ＷＬと、容量素子２０４の電極の他方とは、電気的に接続されてい
る。なお、第１の配線ＳＬと、トランジスタ２０１のソース電極とは、トランジスタ（他
のメモリセルを構成するものも含む）を介して接続されていてもよい。また、第２の配線
ＢＬと、トランジスタ２０１のドレイン電極とは、トランジスタ（他のメモリセルを構成
するものも含む）を介して接続されていてもよい。
【０２１９】
図１６に、ｍ×ｎビットの記憶容量を有する本発明の一態様に係る半導体装置のブロック
回路図を示す。ここでは一例として、メモリセル２４０が直列に接続されたＮＡＮＤ型の
半導体装置を示す。
【０２２０】
本発明の一態様に係る半導体装置は、ｍ本の第５の配線ＷＬ及び第４の配線Ｓ２と、ｎ本
の第１の配線ＳＬ、第２の配線ＢＬ及び第３の配線Ｓ１と、２本の第６の配線ＳＥＬ（１
）、ＳＥＬ（２）と、複数のメモリセル２４０（１、１）〜２４０（ｍ、ｎ）が縦ｍ個（
行）×横ｎ個（列）（ｍ、ｎは自然数）のマトリクス状に配置されたメモリセルアレイ２
５０と、第６の配線ＳＥＬ（１）に沿って、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）とメモリ
セル２４０（１、１）〜２４０（１、ｎ）の間に配置されたトランジスタ２５５（１、１
）〜２５５（１、ｎ）と、第６の配線ＳＥＬ（２）に沿って、第１の配線ＳＬ（１）〜Ｓ
Ｌ（ｎ）とメモリセル２４０（ｍ、１）〜２４０（ｍ、ｎ）の間に配置されたトランジス
タ２５５（２、１）〜２５５（２、ｎ）と、第２の配線及び第３の配線の駆動回路２５１
と、第４の配線及び第５の配線の駆動回路２５３と、読み出し回路２５２といった周辺回
路によって構成されている。他の周辺回路として、リフレッシュ回路等が設けられてもよ
い。
【０２２１】
各メモリセル２４０（代表として、メモリセル２４０（ｉ、ｊ）を考える。ここで、ｉは
１以上ｍ以下の整数、ｊは１以上ｎ以下の整数である。）は、第３の配線Ｓ１（ｊ）、第
４の配線Ｓ２（ｉ）及び第５の配線ＷＬ（ｉ）にそれぞれ接続されている。また、メモリ
セル２４０（ｉ１、ｊ）（ｉ１は２〜ｍの整数）が有するトランジスタ２０１のドレイン
電極は、メモリセル２４０（ｉ１−１、ｊ）が有するトランジスタ２０１のソース電極に
接続され、メモリセル２４０（ｉ２、ｊ）（ｉ２は１〜ｍ−１の整数）が有するトランジ
スタ２０１のソース電極は、メモリセル２４０（ｉ２＋１、ｊ）が有するトランジスタ２
０１のドレイン電極に接続される。メモリセル２４０（１、ｊ）が有するトランジスタ２
０１のドレイン電極は、トランジスタ２５５（１、ｊ）のソース電極に接続され、メモリ
セル２４０（ｍ、ｊ）が有するトランジスタ２０１のソース電極は、トランジスタ２５５
（２、ｊ）のドレイン電極に接続される。トランジスタ２５５（１、ｊ）のドレイン電極
は第２の配線ＢＬ（ｊ）に接続され、トランジスタ２５５（２、ｊ）のソース電極は第１
の配線ＳＬ（ｊ）に接続される。
【０２２２】
また、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）及び第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は第２
の配線及び第３の配線の駆動回路２５１に、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ）、第４の
配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｍ）及び第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）は第４の配線及
び第５の配線の駆動回路２５３にそれぞれ接続されている。また、第２の配線ＢＬ（１）
〜ＢＬ（ｎ）は、読み出し回路２５２にも接続されている。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ
（ｎ）には電位Ｖｓが与えられている。なお、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）は必ず
しも分離されている必要はなく、互いに電気的に接続されているような構成にしてもよい
。
【０２２３】
図１６に示した半導体装置の動作について説明する。本構成では、行ごとの書き込みおよ
び読み出しを行う。
【０２２４】
第ｉ行のメモリセル２４０（ｉ、１）〜２４０（ｉ，ｎ）に書き込みを行う場合は、第４
の配線Ｓ２（ｉ）を２Ｖとし、第ｉ行のメモリセルのトランジスタ２０２をオン状態とす
る。一方、第ｉ行以外の第４の配線Ｓ２は０Ｖとし、第ｉ行以外のメモリセルのトランジ
スタ２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は、データ”１”を書
き込む列では２Ｖ、データ”０”を書き込む列では０Ｖとする。なお、書き込み終了にあ
たっては、第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）の電位が変化する前に、第４の配線Ｓ２（
ｉ）を０Ｖとして、選択したメモリセルのトランジスタ２０２をオフ状態にする。他の配
線は、例えば、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）を０Ｖ、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ
（ｍ）を０Ｖ、第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を０Ｖ、第１の配線ＳＬ（１）〜
ＳＬ（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとする。
【０２２５】
その結果、データ”１”の書き込みを行ったメモリセルのトランジスタ２０１のゲート電
極に接続されるノード（以下、ノードＡ）の電位は約２Ｖ、データ”０”の書き込みを行
ったメモリセルのノードＡの電位は約０Ｖとなる。また、非選択メモリセルのノードＡの
電位は変わらない。ここで、トランジスタ２０２のオフ電流が極めて小さい、あるいは実
質０であることから、トランジスタ２０１のゲート電極（ノードＡ）の電位は長時間にわ
たって保持される。
【０２２６】
第ｉ行のメモリセル２４０（ｉ、１）〜２４０（ｉ，ｎ）の読み出しを行う場合は、第６
の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を２Ｖとし、トランジスタ２５５（１、１）〜２５５
（２、ｎ）をオン状態とする。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとす
る。第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）に接続されている読み出し回路２５２を動作状態
とする。第４の配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｍ）を０Ｖとし、全てのメモリセルのトランジス
タ２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）を０Ｖとする。
【０２２７】
そして、第５の配線ＷＬ（ｉ）を０Ｖ、第ｉ行以外の第５の配線ＷＬを２Ｖとする。ここ
で、第５の配線ＷＬ（ｉ）を０Ｖ、第ｉ行以外の第５の配線ＷＬを２Ｖとした場合の、ト
ランジスタ２０１の状態について説明する。トランジスタ２０１の状態を決めるノードＡ
の電位は、第５の配線ＷＬ−ノードＡ間容量Ｃ１と、トランジスタ２０１のゲート−ソー
ス及びドレイン間容量Ｃ２に依存する。図１７には、第５の配線ＷＬの電位とノードＡの
電位の関係を示す。ここでは、一例として、トランジスタ２０１がオフ状態でＣ１／Ｃ２
＞＞１、オン状態でＣ１／Ｃ２＝１であるとする。また、トランジスタ２０１のしきい値
電圧を０．５Ｖとする。図１７より、第５の配線ＷＬの電位が０Ｖのときには、データ”
０”を有するメモリセルでは、ノードＡが約０Ｖのためトランジスタ２０１はオフ状態と
なり、データ”１”を有するメモリセルでは、ノードＡが約２Ｖのためトランジスタ２０
１がオン状態となる。一方、第５の配線ＷＬの電位が２Ｖのときには、データ”０”を有
するメモリセルではノードＡが約１．２５Ｖ、データ”１”を有するメモリセルでは、ノ
ードＡが約３Ｖとなり、データ”０”、”１”に関わらずトランジスタ２０１がオン状態
となる。従って、第５の配線ＷＬ（ｉ）を０Ｖ、第ｉ行以外の第５の配線ＷＬを２Ｖとし
た場合、第ｉ行のメモリセルでデータ”０”を有するメモリセル列は高抵抗状態になるが
、データ”１”を有するメモリセル列は低抵抗状態になる。読み出し回路２５２は、メモ
リセルの抵抗状態の違いから、データ”０”，”１”を読み出すことができる。
【０２２８】
なお、書き込み時の第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）は０Ｖとしたが、第６の配線ＳＥ
Ｌ（１）が０Ｖの場合には、フローティング状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構
わない。読み出し時の第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は０Ｖとしたが、フローティン
グ状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構わない。
【０２２９】
なお、データ”１”とデータ”０”は便宜上の定義であって、逆であっても構わない。ま
た、上述した動作電圧は一例である。動作電圧は、書き込み時にトランジスタ２０２がオ
ン状態、書き込み時以外ではオフ状態となるように、また、読み出し時にデータ”０”の
選択メモリセルのトランジスタ２０１がオフ状態、データ”１”の選択メモリセルのトラ
ンジスタ２０１がオン状態、非選択メモリセルのトランジスタ２０１がオン状態となるよ
うに選べばよい。特に２Ｖの代わりに、周辺の論理回路の電源電位ＶＤＤを用いてもよい
。また、０Ｖの代わりに、接地電位ＧＮＤを用いてもよい。
【０２３０】
次に、本発明の一態様に係る半導体装置の回路構成及び動作の他の一例について説明する
。
【０２３１】
半導体装置が有するメモリセル回路の一例を図１８に示す。図１８に示すメモリセル２６
０は、第３の配線Ｓ１と、第４の配線Ｓ２と、第５の配線ＷＬと、トランジスタ２０１と
、トランジスタ２０２と、容量素子２０４と、から構成されている。トランジスタ２０１
は、酸化物半導体以外の材料を用いて構成されており、トランジスタ２０２は酸化物半導
体を用いて形成されている。ここで、トランジスタ２０１は、実施の形態１に示すトラン
ジスタ１６０と同様の構成とするのが好ましい。また、トランジスタ２０２は、実施の形
態１に示すトランジスタ１６２と同様の構成とするのが好ましい。また、メモリセル２６
０は、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬと電気的に接続されており、トランジスタ（他
のメモリセルを構成するものも含む。）を介して、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬと
電気的に接続されるのが好適である。
【０２３２】
図１８に示すメモリセル回路は、図１５のメモリセル回路と比較して、第３の配線Ｓ１と
第４の配線Ｓ２の方向が異なる。つまり、図１８のメモリセルでは第４の配線Ｓ２を第２
の配線ＢＬ方向（列方向）に配置し、第３の配線Ｓ１を第５の配線ＷＬ方向（行方向）に
配置する構成としている。
【０２３３】
また、ｍ×ｎビットの記憶容量を有する本発明の一態様に係る半導体装置のブロック回路
図は、図１４に示したブロック回路図のメモリセルに、図１８のメモリセル２６０を適用
すればよい。メモリセル２６０の動作に合わせて、駆動回路の駆動電圧とタイミングを設
定すれば、図１４に示したブロック回路図と同様に、列ごとの書き込みおよび行ごとの読
み出しを行うことができる。
【０２３４】
本実施の形態に係る半導体装置は、トランジスタ２０２の低オフ電流特性により、極めて
長時間にわたり情報を保持することが可能である。つまり、ＤＲＡＭなどで必要とされる
リフレッシュ動作が不要であり、消費電力を抑制することができる。また、実質的な不揮
発性記憶装置として用いることが可能である。
【０２３５】
また、トランジスタ２０２のスイッチング動作によって情報の書き込みなどを行うため、
高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。さらに、トランジスタのオン、オフに
よって、情報の書き込みや消去が行われるため、高速動作も容易に実現しうる。また、ト
ランジスタに入力する電位を制御することで情報を直接書き換えることが可能である。こ
のため、フラッシュメモリなどにおいて必要とされる消去動作が不要であり、消去動作に
起因する動作速度の低下を抑制することができる。
【０２３６】
また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジ
スタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の
読み出しを高速に行うことが可能である。
【０２３７】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態２または実施の形態３とは異なる半導体装置の回路構成及
び動作の一例について説明する。
【０２３８】
本発明の一態様に係る半導体装置が有するメモリセルの回路図の一例を図１９に示す。
【０２３９】
図１９に示すメモリセル２８０は、図１０のメモリセル回路と比較して、ノードＡと第１
の配線ＳＬとの間に容量素子２０５を有する構成としている。このような容量素子２０５
を有することで、保持特性が改善する。
【０２４０】
図１９に示すメモリセル回路の動作は、図１０に示したメモリセル回路の動作と同様であ
るため、詳細な説明は省略する。
【０２４１】
（実施の形態５）
本発明の一態様に係る半導体装置が有する読み出し回路の一例について図２０を用いて説
明する。
【０２４２】
図２０に示す読み出し回路は、トランジスタ２０６と差動アンプを有する。
【０２４３】
読み出し時には、端子Ａは読み出しを行うメモリセルが接続された第２の配線ＢＬに接続
される。トランジスタ２０６のソース電極またはドレイン電極のいずれかに電位Ｖｄｄが
印加される。また、トランジスタ２０６のゲート電極にはバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加
され、所定の電流を流す。
【０２４４】
メモリセルは格納するデータ”１”／”０”に応じて抵抗が異なる。具体的には、選択し
たメモリセルのトランジスタ２０１がオン状態の場合には低抵抗状態となり、選択したメ
モリセルのトランジスタ２０１がオフ状態の場合には高抵抗状態となる。
【０２４５】
メモリセルが高抵抗状態の場合、端子Ａの電位が参照電位Ｖｒｅｆより高くなり、差動ア
ンプの出力からはデータ”１”が出力される。一方、メモリセルが低抵抗状態場合、端子
Ａの電位が参照電位Ｖｒｅｆより低くなり、差動アンプの出力からはデータ”０”が出力
される。
【０２４６】
このようにして、読み出し回路は、メモリセルからデータを読み出すことができる。なお
、本実施の形態の読み出し回路は一例である。他の公知の回路を用いても良い。例えば、
プリチャージ回路を有しても良い。参照電位Ｖｒｅｆの代わりに参照用の第２の配線ＢＬ
が接続される構成でも良い。差動アンプの代わりに、ラッチ型センスアンプを用いても良
い。
【０２４７】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み
合わせて用いることができる。
【０２４８】
（実施の形態６）
本実施の形態では、先の実施の形態で得られる半導体装置を搭載した電子機器の例につい
て図２１を用いて説明する。先の実施の形態で得られる半導体装置は、電力の供給がない
場合でも、情報を保持することが可能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じな
い。さらに、その動作も高速である。このため、当該半導体装置を用いて新たな構成の電
子機器を提供することが可能である。なお、先の実施の形態に係る半導体装置は、集積化
されて回路基板などに実装され、各電子機器の内部に搭載されることになる。
【０２４９】
図２１（Ａ）は、先の実施の形態に係る半導体装置を含むノート型のパーソナルコンピュ
ータであり、本体３０１、筐体３０２、表示部３０３、キーボード３０４などによって構
成されている。本発明の一態様に係る半導体装置をノート型のパーソナルコンピュータに
適用することで、電力の供給がない場合でも、情報を保持することが可能である。また、
書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、その動作も高速である。このため、本発
明の一態様に係る半導体装置をノート型のパーソナルコンピュータに適用することは好適
である。
【０２５０】
図２１（Ｂ）は、先の実施の形態に係る半導体装置を含む携帯情報端末（ＰＤＡ）であり
、本体３１１には表示部３１３と、外部インターフェイス３１５と、操作ボタン３１４等
が設けられている。また操作用の付属品としてスタイラス３１２がある。本発明の一態様
に係る半導体装置をＰＤＡに適用することで、電力の供給がない場合でも、情報を保持す
ることが可能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、その動作も
高速である。このため、本発明の一態様に係る半導体装置をＰＤＡに適用することは好適
である。
【０２５１】
図２１（Ｃ）には、先の実施の形態に係る半導体装置を含む電子ペーパーの一例として、
電子書籍３２０を示す。電子書籍３２０は、筐体３２１および筐体３２３の２つの筐体で
構成されている。筐体３２１および筐体３２３は、軸部３３７により一体とされており、
該軸部３３７を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、電子書籍
３２０は、紙の書籍のように用いることが可能である。本発明の一態様に係る半導体装置
を電子ペーパーに適用することで、電力の供給がない場合でも、情報を保持することが可
能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、その動作も高速である
。このため、本発明の一態様に係る半導体装置を電子ペーパーに適用することは好適であ
る。
【０２５２】
筐体３２１には表示部３２５が組み込まれ、筐体３２３には表示部３２７が組み込まれて
いる。表示部３２５および表示部３２７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異
なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば
右側の表示部（図２１（Ｃ）では表示部３２５）に文章を表示し、左側の表示部（図２１
（Ｃ）では表示部３２７）に画像を表示することができる。
【０２５３】
また、図２１（Ｃ）では、筐体３２１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐
体３２１は、電源３３１、操作キー３３３、スピーカー３３５などを備えている。操作キ
ー３３３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポ
インティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部
接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなど
の各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい
。さらに、電子書籍３２０は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０２５４】
また、電子書籍３２０は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電
子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも
可能である。
【０２５５】
なお、電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野に適用することが可能
である。例えば、電子書籍以外にも、ポスター、電車などの乗り物の車内広告、クレジッ
トカード等の各種カードにおける表示などに適用することができる。
【０２５６】
図２１（Ｄ）は、先の実施の形態に係る半導体装置を含む携帯電話機である。当該携帯電
話機は、筐体３４０および筐体３４１の二つの筐体で構成されている。筐体３４１は、表
示パネル３４２、スピーカー３４３、マイクロフォン３４４、ポインティングデバイス３
４６、カメラ用レンズ３４７、外部接続端子３４８などを備えている。また、筐体３４０
は、当該携帯電話機の充電を行う太陽電池セル３４９、外部メモリスロット３５０などを
備えている。また、アンテナは筐体３４１に内蔵されている。本発明の一態様に係る半導
体装置を携帯電話機に適用することで、電力の供給がない場合でも、情報を保持すること
が可能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、その動作も高速で
ある。このため、本発明の一態様に係る半導体装置を携帯電話機に適用することは好適で
ある。
【０２５７】
表示パネル３４２はタッチパネル機能を備えており、図２１（Ｄ）には映像表示されてい
る複数の操作キー３４５を点線で示している。なお、当該携帯電話は、太陽電池セル３４
９で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路を実装している。ま
た、上記構成に加えて、非接触ＩＣチップ、小型記録装置などを内蔵した構成とすること
もできる。
【０２５８】
表示パネル３４２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル３
４２と同一面上にカメラ用レンズ３４７を備えているため、テレビ電話が可能である。ス
ピーカー３４３およびマイクロフォン３４４は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再
生などが可能である。さらに、筐体３４０と筐体３４１はスライドし、図２１（Ｄ）のよ
うに展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可
能である。
【０２５９】
外部接続端子３４８はＡＣアダプタやＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であ
り、充電やデータ通信が可能になっている。また、外部メモリスロット３５０に記録媒体
を挿入し、より大量のデータの保存および移動に対応できる。また、上記機能に加えて、
赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。
【０２６０】
図２１（Ｅ）は、先の実施の形態に係る半導体装置を含むデジタルカメラである。当該デ
ジタルカメラは、本体３６１、表示部（Ａ）３６７、接眼部３６３、操作スイッチ３６４
、表示部（Ｂ）３６５、バッテリー３６６などによって構成されている。本発明の一態様
に係る半導体装置をデジタルカメラに適用することで、電力の供給がない場合でも、情報
を保持することが可能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、そ
の動作も高速である。このため、本発明の一態様に係る半導体装置をデジタルカメラに適
用することは好適である。
【０２６１】
図２１（Ｆ）は、先の実施の形態に係る半導体装置を含むテレビジョン装置である。テレ
ビジョン装置３７０では、筐体３７１に表示部３７３が組み込まれている。表示部３７３
により、映像を表示することが可能である。なお、ここでは、スタンド３７５により筐体
３７１を支持した構成を示している。
【０２６２】
テレビジョン装置３７０の操作は、筐体３７１が備える操作スイッチや、別体のリモコン
操作機３８０により行うことができる。リモコン操作機３８０が備える操作キー３７９に
より、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部３７３に表示される映像を操作
することができる。また、リモコン操作機３８０に、当該リモコン操作機３８０から出力
する情報を表示する表示部３７７を設ける構成としてもよい。本発明の一態様に係る半導
体装置をテレビジョン装置に適用することで、電力の供給がない場合でも、情報を保持す
ることが可能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、その動作も
高速である。このため、本発明の一態様に係る半導体装置をテレビジョン装置に適用する
ことは好適である。
【０２６３】
なお、テレビジョン装置３７０は、受信機やモデムなどを備えた構成とするのが好適であ
る。受信機により、一般のテレビ放送の受信を行うことができる。また、モデムを介して
有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信
者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うこ
とが可能である。
【０２６４】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み
合わせて用いることができる。
【符号の説明】
【０２６５】
１００ 基板
１０２ 保護層
１０４ 半導体領域
１０６ 素子分離絶縁層
１０８ ゲート絶縁層
１１０ ゲート電極
１１２ 絶縁層
１１４ 不純物領域
１１６ チャネル形成領域
１１８ サイドウォール絶縁層
１２０ 高濃度不純物領域
１２２ 金属層
１２４ 金属化合物領域
１２６ 層間絶縁層
１２８ 層間絶縁層
１３０ａ ソース電極またはドレイン電極
１３０ｂ ソース電極またはドレイン電極
１３０ｃ 電極
１３２ 絶縁層
１３４ 導電層
１３６ａ 電極
１３６ｂ 電極
１３６ｃ 電極
１３６ｄ ゲート電極
１３８ ゲート絶縁層
１４０ 酸化物半導体層
１４２ａ ソース電極またはドレイン電極
１４２ｂ ソース電極またはドレイン電極
１４４ 保護絶縁層
１４６ 層間絶縁層
１４８ 導電層
１５０ａ 電極
１５０ｂ 電極
１５０ｃ 電極
１５０ｄ 電極
１５０ｅ 電極
１５２ 絶縁層
１５４ａ 電極
１５４ｂ 電極
１５４ｃ 電極
１５４ｄ 電極
１６０ トランジスタ
１６２ トランジスタ
２００ メモリセル
２０１ トランジスタ
２０２ トランジスタ
２０３ トランジスタ
２０４ 容量素子
２０５ 容量素子
２０６ トランジスタ
２１０ メモリセルアレイ
２１１ 第２の配線及び第３の配線の駆動回路
２１２ 読み出し回路
２１３ 第４の配線及び第５の配線の駆動回路
２１５ トランジスタ
２２０ メモリセル
２３０ メモリセルアレイ
２３１ 第２の配線及び第４の配線の駆動回路
２３２ 読み出し回路
２３３ 第３の配線及び第５の配線の駆動回路
２３５ トランジスタ
２４０ メモリセル
２５０ メモリセルアレイ
２５１ 第２の配線及び第３の配線の駆動回路
２５２ 読み出し回路
２５３ 第４の配線及び第５の配線の駆動回路
２５５ トランジスタ
２６０ メモリセル
２８０ メモリセル
３０１ 本体
３０２ 筐体
３０３ 表示部
３０４ キーボード
３１１ 本体
３１２ スタイラス
３１３ 表示部
３１４ 操作ボタン
３１５ 外部インターフェイス
３２０ 電子書籍
３２１ 筐体
３２３ 筐体
３２５ 表示部
３２７ 表示部
３３１ 電源
３３３ 操作キー
３３５ スピーカー
３３７ 軸部
３４０ 筐体
３４１ 筐体
３４２ 表示パネル
３４３ スピーカー
３４４ マイクロフォン
３４５ 操作キー
３４６ ポインティングデバイス
３４７ カメラ用レンズ
３４８ 外部接続端子
３４９ 太陽電池セル
３５０ 外部メモリスロット
３６１ 本体
３６３ 接眼部
３６４ 操作スイッチ
３６５ 表示部（Ｂ）
３６６ バッテリー
３６７ 表示部（Ａ）
３７０ テレビジョン装置
３７１ 筐体
３７３ 表示部
３７５ スタンド
３７７ 表示部
３７９ 操作キー
３８０ リモコン操作機
【技術分野】
【０００１】
開示する発明は、半導体素子を利用した半導体装置およびその作製方法に関するものであ
る。
【背景技術】
【０００２】
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記
憶装置と、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記憶装置とに大別さ
れる。
【０００３】
揮発性記憶装置の代表的な例としては、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃ
ｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）がある。ＤＲＡＭは、記憶素子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。
【０００４】
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ことにな
るため、データの読み出しの度に、再度の書き込み動作が必要となる。また、記憶素子を
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。
【０００５】
揮発性記憶装置の別の例としてはＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ
Ｍｅｍｏｒｙ）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。
【０００６】
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形成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）。
【０００７】
しかし、書き込みの際に生じるトンネル電流によって記憶素子を構成するゲート絶縁層が
劣化するため、所定回数の書き込みによって記憶素子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、各記憶素子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、寿命の根本的な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。
【０００８】
また、フローティングゲートに電荷を導入させるため、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る。さらに、電荷の導入、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５７−１０５８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の問題に鑑み、開示する発明の一態様では、電力が供給されない状況でも記憶内容の
保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い、新たな構造の半導体装置を提供する
ことを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、酸化物半導体を用いて形成されるトランジスタと、それ以外の材料を
用いて形成されるトランジスタとの積層構造に係る半導体装置である。例えば、次のよう
な構成を採用することができる。
【００１２】
本発明の一態様は、第１の配線（ソース線）と、第２の配線（ビット線）と、第３の配線
（第１信号線）と、第４の配線（第２信号線）と、第５の配線（ワード線）と、を有し、
第１の配線と、第２の配線との間には、複数の記憶素子が直列に接続され、複数の記憶素
子の一は、第１のゲート電極、第１のソース電極、および第１のドレイン電極を有する第
１のトランジスタと、第２のゲート電極、第２のソース電極、および第２のドレイン電極
を有する第２のトランジスタと、第３のゲート電極、第３のソース電極、および第３のド
レイン電極を有する第３のトランジスタと、を有し、第１のトランジスタは、半導体材料
を含む基板に設けられ、第２のトランジスタは酸化物半導体層を含んで構成され、第１の
ゲート電極と、第２のソース電極または第２のドレイン電極の一方とは、電気的に接続さ
れ、第１の配線（ソース線）と、第１のソース電極と、第３のソース電極とは、電気的に
接続され、第２の配線（ビット線）と、第１のドレイン電極と、第３のドレイン電極とは
、電気的に接続され、第３の配線（第１信号線）と、第２のソース電極または第２のドレ
イン電極の他方とは、電気的に接続され、第４の配線（第２信号線）と、第２のゲート電
極とは、電気的に接続され、第５の配線（ワード線）と、第３のゲート電極とは電気的に
接続された半導体装置である。
【００１３】
また、本発明の他の一態様は、第１の配線と、第２の配線と、第３の配線と、第４の配線
と、第５の配線と、を有し、第１の配線と、第２の配線との間には、複数の記憶素子が直
列に接続され、複数の記憶素子の一は、第１のゲート電極、第１のソース電極、および第
１のドレイン電極を有する第１のトランジスタと、第２のゲート電極、第２のソース電極
、および第２のドレイン電極を有する第２のトランジスタと、容量素子と、を有し、第１
のトランジスタは、半導体材料を含む基板に設けられ、第２のトランジスタは酸化物半導
体層を含んで構成され、第１のゲート電極と、第２のソース電極または第２のドレイン電
極の一方と、容量素子の一方の電極は、電気的に接続され、第１の配線と、第１のソース
電極とは、電気的に接続され、第２の配線と、第１のドレイン電極とは、電気的に接続さ
れ、第３の配線と、第２のソース電極または第２のドレイン電極の他方とは、電気的に接
続され、第４の配線と、第２のゲート電極とは、電気的に接続され、第５の配線と、容量
素子の他方の電極とは電気的に接続された半導体装置である。
【００１４】
上記において、半導体装置は、第６の配線と、第７の配線と、第６の配線と、ゲート電極
において電気的に接続された第４のトランジスタと、第７の配線と、ゲート電極において
電気的に接続された第５のトランジスタと、を有し、第２の配線は、第４のトランジスタ
を介して、第１のドレイン電極及び第３のドレイン電極と、電気的に接続され、第１の配
線は、第５のトランジスタを介して、第１のソース電極及び第３のソース電極と、電気的
に接続されるのが好適である。
【００１５】
また、上記において、第１のトランジスタは、半導体材料を含む基板に設けられたチャネ
ル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように設けられた不純物領域と、チャネル形成領
域上の第１のゲート絶縁層と、第１のゲート絶縁層上の第１のゲート電極と、不純物領域
と電気的に接続する第１のソース電極および第１のドレイン電極と、を有する。
【００１６】
また、上記において、第２のトランジスタは、半導体材料を含む基板上の第２のゲート電
極と、第２のゲート電極上の第２のゲート絶縁層と、第２のゲート絶縁層上の酸化物半導
体層と、酸化物半導体層と電気的に接続する第２のソース電極および第２のドレイン電極
と、を有する。
【００１７】
また、上記において、第３のトランジスタは、半導体材料を含む基板に設けられたチャネ
ル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように設けられた不純物領域と、チャネル形成領
域上の第３のゲート絶縁層と、第３のゲート絶縁層上の第３のゲート電極と、不純物領域
と電気的に接続する第３のソース電極および第３のドレイン電極と、を有する。
【００１８】
また、上記において、半導体材料を含む基板としては、単結晶半導体基板またはＳＯＩ基
板を採用するのが好適である。特に、半導体材料はシリコンとするのが好適である。
【００１９】
また、上記において、酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料を
含んでいることが好適である。特に、酸化物半導体層は、Ｉｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７の結晶を
含んでなることが好適である。さらに、酸化物半導体層の水素濃度は５×１０１９ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好適である。また、第２のトランジスタのオフ電流は１×
１０−１３Ａ以下とすることが好適である。
【００２０】
また、上記において、第２のトランジスタは、第１のトランジスタと重畳する領域に設け
られた構成とすることができる。
【００２１】
なお、本明細書等において「上」や「下」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」
または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上の第１の
ゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むも
のを除外しない。また、「上」「下」という用語は説明の便宜のために用いる表現に過ぎ
ず、特に言及する場合を除き、その上下を入れ替えたものも含む。
【００２２】
また、本明細書等において「電極」や「配線」という用語は、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」という用語は、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をも含む。
【００２３】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や
、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため
、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いること
ができるものとする。
【００２４】
なお、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの
」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの
」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。
【００２５】
例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線はもちろんのこと、トラ
ンジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機
能を有する素子などが含まれる。
【００２６】
また、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概念として用いる。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」における基板は、シリコ
ンウェハなどの半導体基板に限らず、ガラス基板や石英基板、サファイア基板、金属基板
などの非半導体基板をも含む。つまり、絶縁表面を有する導体基板や絶縁体基板上に半導
体材料からなる層を有するものも、広く「ＳＯＩ基板」に含まれる。さらに、本明細書等
において、「半導体基板」は、半導体材料のみからなる基板を指すに留まらず、半導体材
料を含む基板全般を示すものとする。つまり、本明細書等においては「ＳＯＩ基板」も広
く「半導体基板」に含まれる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の一態様では、下部に酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタを有し、上部
に酸化物半導体を用いたトランジスタを有する半導体装置が提供される。
【００２８】
酸化物半導体を用いたトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、これを用いることに
より極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動
作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となる
ため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても
、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【００２９】
また、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。さらに、トラ
ンジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速動作も容
易に実現しうる。また、フラッシュメモリなどにおいて必要とされる情報を消去するため
の動作が不要であるというメリットもある。
【００３０】
また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジ
スタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の
読み出しを高速に行うことが可能である。
【００３１】
このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたト
ランジスタとを一体に備えることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】半導体装置を説明するための回路図
【図２】半導体装置を説明するための断面図および平面図
【図３】半導体装置の作製工程を説明するための断面図
【図４】半導体装置の作製工程を説明するための断面図
【図５】半導体装置の作製工程を説明するための断面図
【図６】半導体装置を説明するための断面図
【図７】半導体装置を説明するための断面図
【図８】半導体装置を説明するための断面図
【図９】半導体装置を説明するための断面図
【図１０】半導体装置を説明するための回路図
【図１１】半導体装置を説明するためのブロック回路図
【図１２】半導体装置を説明するための書き込み動作のタイミングチャート図
【図１３】半導体装置を説明するための回路図
【図１４】半導体装置を説明するためのブロック回路図
【図１５】半導体装置を説明するための回路図
【図１６】半導体装置を説明するためのブロック回路図
【図１７】第５の配線ＷＬとノードＡの電位のグラフ
【図１８】半導体装置を説明するための回路図
【図１９】半導体装置を説明するための回路図
【図２０】半導体装置を説明するための回路図
【図２１】半導体装置を用いた電子機器を説明するための図
【図２２】酸化物半導体を用いた逆スタガー型のトランジスタの縦断面図
【図２３】図２２のＡ−Ａ’断面におけるエネルギーバンド図（模式図）
【図２４】（Ａ）ゲート（ＧＥ１）に正の電位（＋ＶＧ）が与えられた状態を示し、（Ｂ）ゲート（ＧＥ１）に負の電位（−ＶＧ）が与えられた状態を示す図
【図２５】真空準位と金属の仕事関数（φＭ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の実施の形態の一例について、図面を用いて以下に説明する。但し、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。従って、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。
【００３４】
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解を容易にするため
、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。よって、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。
【００３５】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数は、構成要素の混同
を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
【００３６】
（実施の形態１）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の構成および作製方法につい
て、図１乃至図９を参照して説明する。
【００３７】
＜半導体装置の回路構成＞
図１には、半導体装置の回路構成の一例を示す。当該半導体装置は、酸化物半導体以外の
材料を用いたトランジスタ１６０と酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２によって構
成される。
【００３８】
ここで、トランジスタ１６０のゲート電極と、トランジスタ１６２のソース電極またはド
レイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、第１の配線ＳＬ（１ｓｔ Ｌｉ
ｎｅ：ソース線とも呼ぶ）とトランジスタ１６０のソース電極とは、電気的に接続され、
第２の配線ＢＬ（２ｎｄ Ｌｉｎｅ：ビット線とも呼ぶ）とトランジスタ１６０のドレイ
ン電極とは、電気的に接続されている。そして、第３の配線Ｓ１（３ｒｄ Ｌｉｎｅ：第
１信号線とも呼ぶ）とトランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の他方とは、
電気的に接続され、第４の配線Ｓ２（４ｔｈ Ｌｉｎｅ：第２信号線とも呼ぶ）と、トラ
ンジスタ１６２のゲート電極とは、電気的に接続されている。
【００３９】
酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ１６０は、酸化物半導体を用いたトランジ
スタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の
読み出しなどを高速に行うことが可能である。また、酸化物半導体を用いたトランジスタ
１６２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ１
６２をオフ状態とすることで、トランジスタ１６０のゲート電極の電位を極めて長時間に
わたって保持することが可能である。
【００４０】
ゲート電極の電位を保持することができるという特徴を生かすことで、次のように、情報
の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【００４１】
はじめに、情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線Ｓ２の電位を
、トランジスタ１６２がオン状態となる電位として、トランジスタ１６２をオン状態とす
る。これにより、第３の配線Ｓ１の電位が、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられ
る（書き込み）。その後、第４の配線Ｓ２の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態とな
る電位として、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、トランジスタ１６０の
ゲート電極の電位が保持される（保持）。
【００４２】
トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいから、トランジスタ１６０のゲート電極の
電位は長時間にわたって保持される。例えば、トランジスタ１６０のゲート電極の電位が
トランジスタ１６０をオン状態とする電位であれば、トランジスタ１６０のオン状態が長
時間にわたって保持されることになる。また、トランジスタ１６０のゲート電極の電位が
トランジスタ１６０をオフ状態とする電位であれば、トランジスタ１６０のオフ状態が長
時間にわたって保持される。
【００４３】
次に、情報の読み出しについて説明する。上述のように、トランジスタ１６０のオン状態
またはオフ状態が保持された状態において、第１の配線ＳＬに所定の電位（低電位）が与
えられると、トランジスタ１６０のオン状態またはオフ状態に応じて、第２の配線ＢＬの
電位は異なる値をとる。例えば、トランジスタ１６０がオン状態の場合には、第１の配線
ＳＬの電位に応じて、第２の配線ＢＬの電位が低下することになる。逆に、トランジスタ
１６０がオフ状態の場合には、第２の配線ＢＬの電位は変化しない。
【００４４】
このように、情報が保持された状態において、第２の配線ＢＬの電位を所定の電位と比較
することで、情報を読み出すことができる。
【００４５】
次に、情報の書き換えについて説明する。情報の書き換えは、上記情報の書き込みおよび
保持と同様に行われる。つまり、第４の配線Ｓ２の電位を、トランジスタ１６２がオン状
態となる電位として、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線Ｓ
１の電位（新たな情報に係る電位）が、トランジスタ１６０のゲート電極に与えられる。
その後、第４の配線Ｓ２の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位として、ト
ランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、新たな情報が保持された状態となる。
【００４６】
このように、開示する発明に係る半導体装置は、再度の情報の書き込みによって直接的に
情報を書き換えることが可能である。このためフラッシュメモリなどにおいて必要とされ
る消去動作が不要であり、消去動作に起因する動作速度の低下を抑制することができる。
つまり、半導体装置の高速動作が実現される。
【００４７】
なお、上記説明は、電子を多数キャリアとするｎ型トランジスタ（ｎチャネル型トランジ
スタ）を用いる場合についてのものであるが、ｎ型トランジスタに代えて、正孔を多数キ
ャリアとするｐ型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。
【００４８】
＜半導体装置の平面構成および断面構成＞
図２は、上記半導体装置の構成の一例である。図２（Ａ）には、半導体装置の断面を、図
２（Ｂ）には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）
の線Ａ１−Ａ２および線Ｂ１−Ｂ２における断面に相当する。図２（Ａ）および図２（Ｂ
）に示される半導体装置は、下部に酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ１６０
を有し、上部に酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２を有するものである。なお、ト
ランジスタ１６０およびトランジスタ１６２は、いずれもｎ型トランジスタとして説明す
るが、ｐ型トランジスタを採用しても良い。特に、トランジスタ１６０は、ｐ型とするこ
とが容易である。
【００４９】
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形成領域１１
６と、チャネル形成領域１１６を挟むように設けられた不純物領域１１４および高濃度不
純物領域１２０（これらをあわせて単に不純物領域とも呼ぶ）と、チャネル形成領域１１
６上に設けられたゲート絶縁層１０８と、ゲート絶縁層１０８上に設けられたゲート電極
１１０と、チャネル形成領域１１６の一方の側に設けられた不純物領域１１４と電気的に
接続するソース電極またはドレイン電極１３０ａと、チャネル形成領域１１６の他方の側
に設けられた不純物領域１１４と電気的に接続するソース電極またはドレイン電極１３０
ｂを有する。
【００５０】
ここで、ゲート電極１１０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、基板１００の、表面的にサイドウォール絶縁層１１８と重ならない領域には、高濃度
不純物領域１２０を有し、高濃度不純物領域１２０上には金属化合物領域１２４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１
２８が設けられている。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、ソース電極またはドレイン電極１３０ａは、チャネル形成領域１１６の一方の側に
設けられた金属化合物領域１２４と電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極１
３０ｂは、チャネル形成領域１１６の他方の側に設けられた金属化合物領域１２４と電気
的に接続されている。つまり、ソース電極またはドレイン電極１３０ａは、チャネル形成
領域１１６の一方の側に設けられた金属化合物領域１２４を介してチャネル形成領域１１
６の一方の側に設けられた高濃度不純物領域１２０およびチャネル形成領域１１６の一方
の側に設けられた不純物領域１１４と電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極
１３０ｂは、チャネル形成領域１１６の他方の側に設けられた金属化合物領域１２４を介
してチャネル形成領域１１６の他方の側に設けられた高濃度不純物領域１２０およびチャ
ネル形成領域１１６の他方の側に設けられた不純物領域１１４と電気的に接続されている
。また、ゲート電極１１０には、ソース電極またはドレイン電極１３０ａやソース電極ま
たはドレイン電極１３０ｂと同様に設けられた電極１３０ｃが電気的に接続されている。
【００５１】
酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２は、層間絶縁層１２８上に設けられたゲート電
極１３６ｄと、ゲート電極１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層
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電極またはドレイン電極１４２ａ、
ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、を有する。
【００５２】
ここで、ゲート電極１３６ｄは、層間絶縁層１２８上に形成された絶縁層１３２に、埋め
込まれるように設けられている。また、ゲート電極１３６ｄと同様に、トランジスタ１６
０のソース電極またはドレイン電極１３０ａに接して電極１３６ａが、トランジスタ１６
０のソース電極またはドレイン電極１３０ｂに接して電極１３６ｂが、電極１３０ｃに接
して電極１３６ｃが、それぞれ形成されている。
【００５３】
また、トランジスタ１６２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、ソース電極またはドレイ
ン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極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、電極１５０ｄ、電極１５０ｅが、ソース電極またはドレイン電
極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂに接して形成されている。また、電
極１５０ｄ、電極１５０ｅと同様に、ゲート絶縁層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１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃに接す
る電極１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１５０ｃが形成されている。
【００５４】
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
るものであることが望ましい。具体的には、酸化物半導体層１４０の水素濃度は５×１０
１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望
ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、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では、一般的なシリコンウェハ（リンやボロンな
どの不純物元素が微量に添加されたシリコンウェハ）におけるキャリア濃度（１×１０１
４／ｃｍ３程度）と比較して、十分に小さいキャリア濃度の値をとる。このように、水素
濃度が十分に低減されて高純度化され、ｉ型化または実質的にｉ型化された酸化物半導体
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１６２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の場合であって、ゲート電圧Ｖｇが−
５Ｖから−２０Ｖの範囲では、オフ電流は１×１０−１３Ａ以下である。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を適用し、トランジスタ
１６２のオフ電流を低減することにより、新たな構成の半導体装置を実現することができ
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（ＳＩＭ
Ｓ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定したも
のである。
【００５５】
また、層間絶縁層１４６上には絶縁層１５２が設けられており、当該絶縁層１５２に埋め
込まれるように、電極１５４ａ、電極１５４ｂ、電極１５４ｃ、電極１５４ｄが設けられ
ている。ここで、電極１５４ａは電極１５０ａと接しており、電極１５４ｂは電極１５０
ｂと接しており、電極１５４ｃは電極１５０ｃおよび電極１５０ｄと接しており、電極１
５４ｄは電極１５０ｅと接している。
【００５６】
つまり、図２に示される半導体装置では、トランジスタ１６０のゲート電極１１０と、ト
ランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極１４２ａとが、電極１３０ｃ、電極１
３６ｃ、電極１５０ｃ、電極１５４ｃおよび電極１５０ｄを介して電気的に接続されてい
る。
【００５７】
＜半導体装置の作製方法＞
次に、上記半導体装置の作製方法の一例について説明する。以下では、はじめに下部のト
ランジスタ１６０の作製方法について図３を参照して説明し、その後、上部のトランジス
タ１６２の作製方法について図４および図５を参照して説明する。
【００５８】
＜下部のトランジスタの作製方法＞
まず、半導体材料を含む基板１００を用意する（図３（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。
【００５９】
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３（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、トランジスタ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。
【００６０】
次に、上記の保護層１０２をマスクとして用い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３（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。
【００６１】
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３（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。
【００６２】
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。
【００６３】
絶縁層は後のゲート絶縁層となるものであり、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、窒化させることによ
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、水素など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１０
０ｎｍ以下とすることができる。
【００６４】
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、Ｃ
ＶＤ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、本実施の形態では、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。
【００６５】
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、ゲート絶縁層１０８
、ゲート電極１１０を形成する（図３（Ｃ）参照）。
【００６６】
次に、ゲート電極１１０を覆う絶縁層１１２を形成する（図３（Ｃ）参照）。そして、半
導体領域１０４にリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などを添加して、基板１００との浅い接合深
さの不純物領域１１４を形成する（図３（Ｃ）参照）。なお、ここではｎ型トランジスタ
を形成するためにリンやヒ素を添加しているが、ｐ型トランジスタを形成する場合には、
硼素（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）などの不純物元素を添加すればよい。なお、不純物領
域１１４の形成により、半導体領域１０４のゲート絶縁層１０８下部には、チャネル形成
領域１１６が形成される（図３（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を形成した後に不純物領域１１４を形成す
る工程を採用しているが、不純物領域１１４を形成した後に絶縁層１１２を形成する工程
としても良い。
【００６７】
次に、サイドウォール絶縁層１１８を形成する（図３（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、ゲート電極１１０の上面と、不純物領域１
１４の上面を露出させると良い。
【００６８】
次に、ゲート電極１１０、不純物領域１１４、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、当該絶縁層が不純物領域１１４と接する領域に、リン（
Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などを添加して、高濃度不純物領域１２０を形成する（図３（Ｅ）参
照）。その後、上記絶縁層を除去し、ゲート電極１１０、サイドウォール絶縁層１１８、
高濃度不純物領域１２０等を覆うように金属層１２２を形成する（図３（Ｅ）参照）。当
該金属層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。
【００６９】
次に、熱処理を施して、上記金属層１２２と半導体材料とを反応させる。これにより、高
濃度不純物領域１２０に接する金属化合物領域１２４が形成される（図３（Ｆ）参照）。
なお、ゲート電極１１０として多結晶シリコンなどを用いる場合には、ゲート電極１１０
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。
【００７０】
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、金属化合物
領域１２４を形成した後には、金属層１２２は除去する。
【００７１】
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３（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と層間絶縁層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。
【００７２】
その後、上記層間絶縁層に、金属化合物領域１２４にまで達する開口を形成し、当該開口
に、ソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソース電極またはドレイン電極１３０ｂを
形成する（図３（Ｈ）参照）。ソース電極またはドレイン電極１３０ａやソース電極また
はドレイン電極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などの方法を用いて、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。
【００７３】
なお、上記導電層の一部を除去してソース電極またはドレイン電極１３０ａやソース電極
またはドレイン電極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
要なタングステン膜、チタン膜、窒化チタン膜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、ソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソー
ス電極またはドレイン電極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。
【００７４】
なお、ここでは、金属化合物領域１２４と接触するソース電極またはドレイン電極１３０
ａやソース電極またはドレイン電極１３０ｂのみを示しているが、この工程において、ゲ
ート電極１１０と接触する電極（例えば、図２における電極１３０ｃ）などをあわせて形
成することができる。ソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソース電極またはドレイ
ン電極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。
【００７５】
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
度に集積化した半導体装置を提供することができる。
【００７６】
＜上部のトランジスタの作製方法＞
次に、図４および図５を用いて、層間絶縁層１２８上にトランジスタ１６２を作製する工
程について説明する。なお、図４および図５は、層間絶縁層１２８上の各種電極や、トラ
ンジスタ１６２などの作製工程を示すものであるから、トランジスタ１６２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。
【００７７】
まず、層間絶縁層１２８、ソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソース電極またはド
レイン電極１３０ｂ、電極１３０ｃ上に絶縁層１３２を形成する（図４（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。
【００７８】
次に、絶縁層１３２に対し、ソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソース電極または
ドレイン電極１３０ｂ、および、電極１３０ｃにまで達する開口を形成する。この際、後
にゲート電極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４（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。
【００７９】
より具体的には、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、ＣＶ
Ｄ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、下
部電極（ここではソース電極またはドレイン電極１３０ａ、ソース電極またはドレイン電
極１３０ｂ、電極１３０ｃなど）との界面の酸化膜を還元し、下部電極との接触抵抗を低
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。
【００８０】
導電層１３４を形成した後には、エッチング処理やＣＭＰなどの方法を用いて導電層１３
４の一部を除去し、絶縁層１３２を露出させて、電極１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３
６ｃ、ゲート電極１３６ｄを形成する（図４（Ｃ）参照）。なお、上記導電層１３４の一
部を除去して電極１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃ、ゲート電極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１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃ、ゲート電極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。
【００８１】
次に、絶縁層１３２、電極１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃ、ゲート電極１３６ｄ
を覆うように、ゲート絶縁層１３８を形成する（図４（Ｄ）参照）。ゲート絶縁層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、ゲート絶縁層
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
層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（ＳｉＨ４）、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
るゲート絶縁層１３８を形成することができる。ゲート絶縁層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のゲート絶縁層と、第１のゲート絶縁
層上の膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の第２のゲート絶縁層の積層とすると好適である。
【００８２】
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、ゲート絶縁層との界面は重要
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層１３８には、高品
質化が要求されることになる。
【００８３】
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層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層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。
【００８４】
もちろん、ゲート絶縁層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、膜質や酸化物半導体層と
の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、ゲート絶縁層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。
【００８５】
さらに、８５℃、２×１０６Ｖ／ｃｍ、１２時間のゲートバイアス・熱ストレス試験（Ｂ
Ｔ試験）においては、不純物が酸化物半導体に添加されていると、不純物と酸化物半導体
の主成分との結合が、強電界（Ｂ：バイアス）と高温（Ｔ：温度）により切断され、生成
された未結合手がしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフトを誘発することとなる。
【００８６】
これに対して、酸化物半導体の不純物、特に水素や水などを極力排除し、上記のようにゲ
ート絶縁層との界面特性を良好にすることにより、ＢＴ試験に対しても安定なトランジス
タを得ることが可能である。
【００８７】
次いで、ゲート絶縁層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４（Ｅ）参照）。
【００８８】
酸化物半導体層としては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａ
ｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ
−Ｏ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｏ系、Ｓｎ−
Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ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
。本実施の形態では、酸化物半導体層としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体成膜
用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、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、ＳｉＯ２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。
【００８９】
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
亜鉛を主成分とする酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることができる。また、Ｉｎ、
Ｇａ、およびＺｎを含む酸化物半導体成膜用ターゲット（組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇ
ａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］）などを用いることもできる。また、Ｉｎ
、Ｇａ、およびＺｎを含む酸化物半導体成膜用ターゲットとして、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ
３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］、またはＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：
１：４［ｍｏｌ数比］の組成比を有するターゲットなどを用いても良い。酸化物半導体成
膜用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。充填率の高い酸化物半導体成膜用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。
【００９０】
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、水酸基または水素化物などの不純物の濃度が数ｐｐｍ程度（
望ましくは数ｐｐｂ程度）にまで低減された高純度ガスを用いるのが好適である。
【００９１】
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（Ｈ２Ｏ）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。
【００９２】
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０．６
Ｐａ、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、成膜
時に発生する粉状物質（パーティクル、ゴミともいう）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５
ｎｍ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。
【００９３】
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、ゲート絶縁層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雰囲気、ヘリウム雰囲気、酸素雰
囲気などを用いても良い。
【００９４】
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
チングできるように、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。
【００９５】
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（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（
ＣＣｌ４）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（ＣＦ４）、弗化硫黄（ＳＦ６）、弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ
３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、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。
【００９６】
ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈ
ｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：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。
【００９７】
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、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）などを用いてもよい。
【００９８】
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
触れないようにし、水や水素の再混入が行われないようにする。
【００９９】
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（Ｇａｓ
Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ
Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎ
ｅａｌ）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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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−Ｏ系の酸化物半導体成膜用ターゲットを
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Ｉｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７
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。
【０１０５】
より具体的には、例えば、Ｉｎ２Ｇａ２ＺｎＯ７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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
なお、上記第１の熱処理は、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上にソース電極またはド
レイン電極を積層させた後、ソース電極またはドレイン電極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。
【０１０９】
次に、酸化物半導体層１４０に接するように、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、
ソース電極またはドレイン電極１４２ｂを形成する（図４（Ｆ）参照）。ソース電極また
はドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂは、酸化物半導体層１
４０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。
【０１１０】
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、トリウムから選択されたいずれか一または複数の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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
トランジスタのチャネル長（Ｌ）は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａの下端部と
、ソース電極またはドレイン電極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未満において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（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）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。さらにオフ電流値が極めて小さいため、
消費電力が大きくならずに済む。
【０１１３】
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。
【０１１４】
また、酸化物半導体層１４０とソース電極またはドレイン電極１４２ａの間や、酸化物半
導体層１４０とソース電極またはドレイン電極１４２ｂの間には、酸化物導電層を形成し
てもよい。酸化物導電層と、ソース電極またはドレイン電極１４２ａやソース電極または
ドレイン電極１４２ｂを形成するための金属層は、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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
なお、上述の工程の後には、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、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。
【０１１７】
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１４
４を形成する（図４（Ｇ）参照）。
【０１１８】
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、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。
【０１１９】
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への侵入や、水素によ
る酸化物半導体層中の酸素の引き抜き、などが生じ、酸化物半導体層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１
４４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。
【０１２０】
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。酸
化物半導体層１４０および保護絶縁層１４４に水素、水酸基または水が含まれないように
するためである。
【０１２１】
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（Ｈ２
Ｏ）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。
【０１２２】
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の濃度が数ｐｐｍ程度（望ましくは数ｐｐｂ程度）にまで低減され
た高純度ガスを用いることが好ましい。
【０１２３】
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２０
０℃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低減することができる。
【０１２４】
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。
【０１２５】
次に、保護絶縁層１４４上に、層間絶縁層１４６を形成する（図５（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。
【０１２６】
次に、層間絶縁層１４６、保護絶縁層１４４、およびゲート絶縁層１３８に対し、電極１
３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃ、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース
電極またはドレイン電極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５（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。
【０１２７】
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、下部電
極（ここでは、電極１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃ、ソース電極またはドレイン
電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂ）との界面の酸化膜を還元し、下
部電極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。
【０１２８】
導電層１４８を形成した後には、エッチングやＣＭＰなどの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１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１５
０ｃ、電極１５０ｄ、電極１５０ｅを形成する（図５（Ｃ）参照）。なお、上記導電層１
４８の一部を除去して電極１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１５０ｃ、電極１５０ｄ、電極
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１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１５０ｃ、電極１５０ｄ、電
極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。
【０１２９】
さらに、絶縁層１５２を形成し、絶縁層１５２に、電極１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１
５０ｃ、電極１５０ｄ、電極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１５４ａ、電極１５４ｂ、電極１５４ｃ、電極１５４
ｄを形成する（図５（Ｄ）参照）。当該工程は、電極１５０ａ等を形成する場合と同様で
あるから、詳細は省略する。
【０１３０】
上述のような方法でトランジスタ１６２を作製した場合、酸化物半導体層１４０の水素濃
度は５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となり、また、トランジスタ１６２のオフ電流
は１×１０−１３Ａ以下となる。このような、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、優れた特性のトランジスタ１６２を得ること
ができる。また、下部に酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ１６０を有し、上
部に酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２を有する優れた特性の半導体装置を作製す
ることができる。
【０１３１】
なお、酸化物半導体との比較対象たり得る半導体材料としては、炭化珪素（例えば、４Ｈ
−ＳｉＣ）がある。酸化物半導体と４Ｈ−ＳｉＣはいくつかの共通点を有している。キャ
リア密度はその一例である。常温での酸化物半導体の真性キャリア密度は１０−７／ｃｍ
３程度と見積もられるが、これは、４Ｈ−ＳｉＣにおける６．７×１０−１１／ｃｍ３と
同様、極めて低い値である。シリコンの真性キャリア密度（１．４×１０１０／ｃｍ３程
度）と比較すれば、その程度が並はずれていることが良く理解できる。
【０１３２】
また、酸化物半導体のエネルギーバンドギャップは３．０〜３．５ｅＶであり、４Ｈ−Ｓ
ｉＣのエネルギーバンドギャップは３．２６ｅＶであるから、ワイドギャップ半導体とい
う点においても、酸化物半導体と炭化珪素とは共通している。
【０１３３】
一方で、酸化物半導体と炭化珪素との間には極めて大きな相違点が存在する。それは、プ
ロセス温度である。炭化珪素は一般に１５００℃〜２０００℃の熱処理を必要とするから
、他の半導体材料を用いた半導体素子との積層構造は困難である。このような高い温度で
は、半導体基板や半導体素子などが破壊されてしまうためである。他方、酸化物半導体は
、３００℃〜５００℃（ガラス転移温度以下、最高でも７００℃程度）の熱処理で作製す
ることが可能であり、他の半導体材料を用いて集積回路を形成した上で、酸化物半導体に
よる半導体素子を形成することが可能となる。
【０１３４】
また、炭化珪素の場合と異なり、ガラス基板など、耐熱性の低い基板を用いることが可能
であるという利点を有する。さらに、高温での熱処理が不要という点で、炭化珪素と比較
してエネルギーコストを低くすることができるという利点を有する。
【０１３５】
なお、酸化物半導体において、物性研究は多くなされているが、これらの研究は、エネル
ギーギャップ中の局在準位そのものを十分に減らすという思想を含まない。開示する発明
の一態様では、局在準位の原因たり得る水や水素を酸化物半導体中より除去することで、
高純度化した酸化物半導体を作製する。これは、エネルギーギャップ中の局在準位そのも
のを十分に減らすという思想に立脚するものである。そして、これによって極めて優れた
工業製品の製造を可能とするものである。
【０１３６】
さらに、酸素欠乏により発生する金属の未結合手に対して酸素を供給し、酸素欠陥による
局在準位を減少させることにより、いっそう高純度化された（ｉ型の）酸化物半導体とす
ることも可能である。たとえば、チャネル形成領域に密接して酸素過剰の酸化膜を形成し
、当該酸化膜から酸素を供給して、酸素欠陥による局在準位を減少させることが可能であ
る。
【０１３７】
酸化物半導体中のドナーは、過剰な水素による伝導帯下０．１ｅＶ〜０．２ｅＶの浅い準
位や、酸素の不足による深い準位、などに起因するものとされている。これらの欠陥を無
くすために、水素を徹底的に除去し、酸素を十分に供給する、という技術思想は正しいも
のであろう。
【０１３８】
また、酸化物半導体は一般にｎ型とされているが、開示する発明の一態様では、不純物、
特に水や水素を除去することによりｉ型化を実現する。この点において、シリコンなどの
ように不純物を添加してのｉ型化ではないため、従来にない技術思想を含むものといえる
。
【０１３９】
＜酸化物半導体を用いたトランジスタの電導機構＞
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタの電導機構につき、図２２乃至図２５を用い
て説明する。なお、以下の説明は一考察に過ぎず、これに基づいて発明の有効性が否定さ
れるものではないことを付記する。
【０１４０】
図２２は、酸化物半導体を用いた逆スタガー型のトランジスタ（薄膜トランジスタ）の縦
断面図である。ゲート電極（ＧＥ１）上にゲート絶縁層（ＧＩ）を介して酸化物半導体層
（ＯＳ）が設けられ、その上にソース電極（Ｓ）およびドレイン電極（Ｄ）が設けられて
いる。
【０１４１】
図２３（Ａ）、図２３（Ｂ）には、図２２のＡ−Ａ’上におけるエネルギーバンド構造の
模式図を示す。図２３（Ｂ）は、ドレインに正の電圧（ＶＤ＞０）を印加した上で、破線
はゲートに電圧を印加しない場合（ＶＧ＝０）、実線はゲートに正の電圧（ＶＧ＞０）を
印加した場合を示す。ゲートに電圧を印加しない場合は高いポテンシャル障壁のために電
極から酸化物半導体側へキャリア（電子）が注入されず、電流を流さないオフ状態を示す
。一方、ゲートに正の電圧を印加するとポテンシャル障壁が低下し、電流を流すオン状態
を示す。
【０１４２】
図２４（Ａ）、図２４（Ｂ）には、図２２のＢ−Ｂ’の断面におけるエネルギーバンド図
（模式図）を示す。図２４（Ａ）は、ゲート（ＧＥ１）に正の電位＋ＶＧ（ＶＧ＞０）が
与えられた状態であり、ソースとドレインとの間にキャリア（電子）が流れるオン状態を
示している。また、図２４（Ｂ）は、ゲート（ＧＥ１）に負の電位 −ＶＧ（ＶＧ＞０）
が与えられた状態であり、オフ状態（少数キャリアは流れない状態）を示す。
【０１４３】
図２５は、真空準位と金属の仕事関数（φＭ）、酸化物半導体の電子親和力（χ）の関係
を示す。
【０１４４】
金属は縮退しており、フェルミ準位は伝導帯内に位置する。一方、従来の酸化物半導体は
ｎ型であり、そのフェルミ準位（Ｅｆ）は、バンドギャップ中央に位置する真性フェルミ
準位（Ｅｉ）から離れて、伝導帯寄りに位置している。なお、酸化物半導体において水素
の一部はドナーとなり、ｎ型化する要因の一つであることが知られている。
【０１４５】
これに対して開示する発明の一態様に係る酸化物半導体は、ｎ型化の要因である水素を酸
化物半導体から除去し、酸化物半導体の主成分以外の元素（不純物元素）が極力含まれな
いように高純度化することにより真性（ｉ型）とし、または真性に近づけたものである。
すなわち、不純物元素を添加してｉ型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去す
ることにより、高純度化されたｉ型（真性半導体）またはそれに近づけることを特徴とし
ている。これにより、フェルミ準位（Ｅｆ）は真性フェルミ準位（Ｅｉ）と同程度とする
ことができる。
【０１４６】
酸化物半導体のバンドギャップ（Ｅｇ）は３．１５ｅＶで、電子親和力（χ）は４．３ｅ
Ｖと言われている。ソース電極やドレイン電極を構成するチタン（Ｔｉ）の仕事関数は、
酸化物半導体の電子親和力（χ）とほぼ等しい。この場合、金属−酸化物半導体界面にお
いて、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。
【０１４７】
すなわち、金属の仕事関数（φＭ）と酸化物半導体の電子親和力（χ）が等しい場合、両
者が接触すると図２３（Ａ）で示すようなエネルギーバンド図（模式図）が示される。
【０１４８】
図２３（Ｂ）において黒丸（●）は電子を示す。ドレインに正の電位が与えられると、電
子はバリア（ｈ）をこえて酸化物半導体に注入され、ドレインに向かって流れる。バリア
（ｈ）の高さは、ゲート電圧とドレイン電圧に依存して変化するが、正のドレイン電圧が
印加される場合には、電圧印加のない図２３（Ａ）のバリアの高さ、すなわちバンドギャ
ップ（Ｅｇ）の１／２、より低くなる。
【０１４９】
このとき電子は、図２４（Ａ）で示すように、ゲート絶縁層と高純度化された酸化物半導
体との界面付近（酸化物半導体のエネルギー的に安定な最低部）を移動する。
【０１５０】
また、図２４（Ｂ）に示すように、ゲート電極（ＧＥ１）に負の電位が与えられると、少
数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、電流は限りなくゼロに近い値となる
。
【０１５１】
このように酸化物半導体の主成分以外の元素（不純物元素）が極力含まれないように酸化
物半導体を高純度化させることにより、真性（ｉ型）、または実質的に真性となるため、
ゲート絶縁層との界面特性が顕在化する。そのため、ゲート絶縁層には、酸化物半導体と
良好な界面を形成できるものが要求される。具体的には、例えば、ＶＨＦ帯〜μ波帯の電
源周波数で生成される高密度プラズマを用いたＣＶＤ法で作製される絶縁層や、スパッタ
リング法で作製される絶縁層などを用いることが好ましい。
【０１５２】
酸化物半導体を高純度化しつつ、酸化物半導体とゲート絶縁層との界面を良好なものとす
ることにより、例えば、トランジスタのチャネル幅Ｗが１×１０４μｍ、チャネル長が３
μｍの場合には、常温において１０−１３Ａ以下のオフ電流、０．１Ｖ／ｄｅｃ．のサブ
スレッショルドスイング値（Ｓ値）（ゲート絶縁層の厚さ：１００ｎｍ）が実現され得る
。
【０１５３】
このように、酸化物半導体の主成分以外の元素（不純物元素）が極力含まれないように酸
化物半導体を高純度化させることにより、トランジスタの動作を良好なものとすることが
できる。
【０１５４】
＜変形例＞
図６乃至図９には、半導体装置の構成の変形例を示す。なお、以下では、変形例として、
トランジスタ１６２の構成が上記とは異なるものについて説明する。つまり、トランジス
タ１６０の構成は上記と同様である。
【０１５５】
図６には、酸化物半導体層１４０の下にゲート電極１３６ｄを有し、ソース電極またはド
レイン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂが、酸化物半導体層１４
０の下側表面において酸化物半導体層１４０と接する構成のトランジスタ１６２を有する
半導体装置の例を示す。なお、平面の構造は、断面に対応して適宜変更すればよいから、
ここでは、断面についてのみ示すこととする。
【０１５６】
図６に示す構成と図２に示す構成の大きな相違点として、ソース電極またはドレイン電極
１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、酸化物半導体層１４０との接続
の位置がある。つまり、図２に示す構成では、酸化物半導体層１４０の上側表面において
、ソース電極またはドレイン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと
接するのに対して、図６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
ース電極またはドレイン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極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、絶縁層などの配置が異なるもの
となっている。各構成要素の詳細は、図２と同様である。
【０１５７】
具体的には、図６に示す半導体装置は層間絶縁層１２８上に設けられたゲート電極１３６
ｄと、ゲート電極１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層１３８上
に設けられた、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極
１４２ｂと、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１
４２ｂの上側表面に接する酸化物半導体層１４０と、を有する。
【０１５８】
ここで、ゲート電極１３６ｄは、層間絶縁層１２８上に形成された絶縁層１３２に、埋め
込まれるように設けられている。また、ゲート電極１３６ｄと同様に、ソース電極または
ドレイン電極１３０ａに接して電極１３６ａが、ソース電極またはドレイン電極１３０ｂ
に接して電極１３６ｂが、電極１３０ｃに接して電極１３６ｃが、それぞれ形成されてい
る。
【０１５９】
また、トランジスタ１６２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、ソース電極またはドレイ
ン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極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、電極１５０ｄ、電極１５０ｅが、ソース電極またはドレイン電
極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂに接して形成されている。また、電
極１５０ｄ、電極１５０ｅと同様に、ゲート絶縁層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１３６ａ、電極１３６ｂ、電極１３６ｃに接す
る電極１５０ａ、電極１５０ｂ、電極１５０ｃが形成されている。
【０１６０】
また、層間絶縁層１４６上には絶縁層１５２が設けられており、当該絶縁層１５２に埋め
込まれるように、電極１５４ａ、電極１５４ｂ、電極１５４ｃ、電極１５４ｄが設けられ
ている。ここで、電極１５４ａは電極１５０ａと接しており、電極１５４ｂは電極１５０
ｂと接しており、電極１５４ｃは電極１５０ｃおよび電極１５０ｄと接しており、電極１
５４ｄは電極１５０ｅと接している。
【０１６１】
図７は、酸化物半導体層１４０の上にゲート電極１３６ｄを有する構成の例である。ここ
で、図７（Ａ）は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイ
ン電極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
する構成の例であり、図７（Ｂ）は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａや、ソース
電極またはドレイン電極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と接する構成の例である。
【０１６２】
図２や図６に示す構成と図７に示す構成の大きな相違点は、酸化物半導体層１４０の上に
ゲート電極１３６ｄを有する点である。また、図７（Ａ）に示す構成と図７（Ｂ）に示す
構成の大きな相違点は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａや、ソース電極またはド
レイン電極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
て接触するか、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、絶縁
層などの配置が異なるものとなっている。各構成要素の詳細は、図２などと同様である。
【０１６３】
具体的には、図７（Ａ）に示す半導体装置は、層間絶縁層１２８上に設けられたソース電
極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、ソース電極
またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極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層１３８と
、ゲート絶縁層１３８上の酸化物半導体層１４０と重畳する領域のゲート電極１３６ｄと
、を有する。
【０１６４】
また、図７（Ｂ）に示す半導体装置は、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電極または
ドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、酸化物半導体層１４
０、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、および、ソース電極またはドレイン電極１
４２ｂ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層１３８上の酸化物半導体層１
４０と重畳する領域のゲート電極１３６ｄと、を有する。
【０１６５】
なお、図７に示す構成では、図２に示す構成などと比較して、構成要素が省略できる場合
がある（例えば、電極１５０ａや、電極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２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。
【０１６６】
図８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
電極１３６ｄを有する構成の例である。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、ゲート電極１３６
ｄなどを形成することが可能である。なお、ここでは図示しないが、トランジスタ１６０
についても、同様に作製することが可能である。
【０１６７】
図８（Ａ）に示す構成と図８（Ｂ）に示す構成の大きな相違点は、ソース電極またはドレ
イン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極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触するか、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、絶縁層などの配置が異なるものとなっている。各構
成要素の詳細は、図２などと同様である。
【０１６８】
具体的には、図８（Ａ）に示す半導体装置は、層間絶縁層１２８上に設けられたゲート電
極１３６ｄと、ゲート電極１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層
１３８上に設けられた、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレ
イン電極１４２ｂと、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイ
ン電極１４２ｂの上側表面に接する酸化物半導体層１４０と、を有する。
【０１６９】
また、図８（Ｂ）に示す半導体装置は、層間絶縁層１２８上に設けられたゲート電極１３
６ｄと、ゲート電極１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層１３８
上のゲート電極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電極またはドレイン電極１４２
ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、を有する。
【０１７０】
なお、図８に示す構成においても、図２に示す構成などと比較して、構成要素が省略でき
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。
【０１７１】
図９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
電極１３６ｄを有する構成の例である。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、ゲート電極１
３６ｄなどを形成することが可能である。なお、ここでは図示しないが、トランジスタ１
６０についても、同様に作製することが可能である。
【０１７２】
図９（Ａ）に示す構成と図９（Ｂ）に示す構成の大きな相違点は、ソース電極またはドレ
イン電極１４２ａや、ソース電極またはドレイン電極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触するか、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、絶縁層などの配置が異なるものとなっている。各構
成要素の詳細は、図２などと同様である。
【０１７３】
具体的には、図９（Ａ）に示す半導体装置は、層間絶縁層１２８上に設けられたソース電
極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、ソース電極
またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂの上側表面に接す
る酸化物半導体層１４０と、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極または
ドレイン電極１４２ｂ、酸化物半導体層１４０上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲ
ート絶縁層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電極１３
６ｄと、を有する。
【０１７４】
また、図９（Ｂ）に示す半導体装置は、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電極または
ドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂと、ソース電極またはド
レイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂ、酸化物半導体層１４０上
に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層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電極１３６ｄと、を有する。
【０１７５】
なお、図９に示す構成においても、図２に示す構成などと比較して、構成要素が省略でき
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。
【０１７６】
以上に示したように、開示する発明の一態様によって、新たな構成の半導体装置が実現さ
れる。本実施の形態では、トランジスタ１６０とトランジスタ１６２を積層して形成する
例について説明したが、半導体装置の構成はこれに限られるものではない。また、本実施
の形態では、トランジスタ１６０とトランジスタ１６２のチャネル長方向が互いに垂直と
なる例を説明したが、トランジスタ１６０とトランジスタ１６２の位置関係などはこれに
限られるものではない。さらに、トランジスタ１６０とトランジスタ１６２とを重畳して
設けても良い。
【０１７７】
また、本実施の形態では理解の簡単のため、最小記憶単位（１ビット）の半導体装置につ
いて説明したが、半導体装置の構成はこれに限られるものではない。複数の半導体装置を
適当に接続して、より高度な半導体装置を構成することもできる。例えば、上記半導体装
置を複数用いて、ＮＡＮＤ型やＮＯＲ型の半導体装置を構成することが可能である。配線
の構成も図１に限定されず、適宜変更することができる。
【０１７８】
本実施の形態に係る半導体装置は、トランジスタ１６２の低オフ電流特性により、極めて
長時間にわたり情報を保持することが可能である。つまり、ＤＲＡＭなどで必要とされる
リフレッシュ動作が不要であり、消費電力を抑制することができる。また、実質的な不揮
発性記憶装置として用いることが可能である。
【０１７９】
また、トランジスタ１６２のスイッチング動作によって情報の書き込みなどを行うため、
高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。さらに、トランジスタのオン、オフに
よって、情報の書き込みや消去が行われるため、高速動作も容易に実現しうる。また、ト
ランジスタに入力する電位を制御することで情報を直接書き換えることが可能である。こ
のため、フラッシュメモリなどにおいて必要とされる消去動作が不要であり、消去動作に
起因する動作速度の低下を抑制することができる。
【０１８０】
また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジ
スタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の
読み出しを高速に行うことが可能である。
【０１８１】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み
合わせて用いることができる。
【０１８２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の回路構成および動作方法について
説明する。
【０１８３】
半導体装置が有する記憶素子（以下、メモリセルとも記載する）の回路図の一例を図１０
に示す。図１０に示すメモリセル２００は、第３の配線Ｓ１（第１信号線）と、第４の配
線Ｓ２（第２信号線）と、第５の配線ＷＬ（ワード線）と、トランジスタ２０１と、トラ
ンジスタ２０２と、トランジスタ２０３と、から構成されている。トランジスタ２０１及
びトランジスタ２０３は、酸化物半導体以外の材料を用いて形成されており、トランジス
タ２０２は酸化物半導体を用いて形成されている。ここで、トランジスタ２０１及びトラ
ンジスタ２０３は、実施の形態１に示すトランジスタ１６０と同様の構成とするのが好ま
しい。また、トランジスタ２０２は、実施の形態１に示すトランジスタ１６２と同様の構
成とするのが好ましい。また、メモリセル２００は、第１の配線ＳＬ（ソース線）及び第
２の配線ＢＬ（ビット線）と電気的に接続されており、トランジスタ（他のメモリセルを
構成するものも含む。）を介して、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬと電気的に接続さ
れるのが好適である。
【０１８４】
ここで、トランジスタ２０１のゲート電極と、トランジスタ２０２のソース電極またはド
レイン電極の一方とは、電気的に接続されている。また、第１の配線ＳＬと、トランジス
タ２０１のソース電極と、トランジスタ２０３のソース電極とは、電気的に接続され、第
２の配線ＢＬと、トランジスタ２０１のドレイン電極と、トランジスタ２０３のドレイン
電極とは、電気的に接続されている。そして、第３の配線Ｓ１と、トランジスタ２０２の
ソース電極またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第４の配線Ｓ２と、トラ
ンジスタ２０２のゲート電極とは、電気的に接続され、第５の配線ＷＬと、トランジスタ
２０３のゲート電極とは電気的に接続されている。なお、第１の配線ＳＬと、トランジス
タ２０１のソース電極及びトランジスタ２０３のソース電極とは、トランジスタ（他のメ
モリセルを構成するものも含む。）を介して接続されていてもよい。また、第２の配線Ｂ
Ｌと、トランジスタ２０１のドレイン電極及びトランジスタ２０３のドレイン電極とは、
トランジスタ（他のメモリセルを構成するものも含む。）を介して接続されていてもよい
。
【０１８５】
図１１に、ｍ×ｎビットの記憶容量を有する本発明の一態様に係る半導体装置のブロック
回路図を示す。ここでは一例として、メモリセル２００が直列に接続されたＮＡＮＤ型の
半導体装置を示す。
【０１８６】
本発明の一態様に係る半導体装置は、ｍ本の第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ）及び第４
の配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｍ）と、ｎ本の第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）、第２の配
線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）及び第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）と、２本の第６の配線
ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）と、複数のメモリセル２００（１、１）〜２００（ｍ、ｎ）
が縦ｍ個（行）×横ｎ個（列）（ｍ、ｎは自然数）のマトリクス状に配置されたメモリセ
ルアレイ２１０と、第６の配線ＳＥＬ（１）に沿って、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ
）とメモリセル２００（１、１）〜２００（１、ｎ）の間に配置されたトランジスタ２１
５（１、１）〜２１５（１、ｎ）と、第６の配線ＳＥＬ（２）に沿って、第１の配線ＳＬ
（１）〜ＳＬ（ｎ）とメモリセル２００（ｍ、１）〜２００（ｍ、ｎ）の間に配置された
トランジスタ２１５（２、１）〜２１５（２、ｎ）と、第２の配線及び第３の配線の駆動
回路２１１と、第４の配線及び第５の配線の駆動回路２１３と、読み出し回路２１２とい
った周辺回路によって構成されている。他の周辺回路として、リフレッシュ回路等が設け
られてもよい。
【０１８７】
各メモリセル２００（代表として、メモリセル２００（ｉ、ｊ）を考える。ここで、ｉは
１以上ｍ以下の整数、ｊは１以上ｎ以下の整数である。）は、第３の配線Ｓ１（ｊ）、第
４の配線Ｓ２（ｉ）及び第５の配線ＷＬ（ｉ）にそれぞれ接続されている。また、メモリ
セル２００（ｉ１、ｊ）（ｉ１は２〜ｍの整数）が有するトランジスタ２０１及びトラン
ジスタ２０３のドレイン電極は、メモリセル２００（ｉ１−１、ｊ）が有するトランジス
タ２０１及びトランジスタ２０３のソース電極に接続され、メモリセル２００（ｉ２、ｊ
）（ｉ２は１〜ｍ−１の整数）が有するトランジスタ２０１及びトランジスタ２０３のソ
ース電極は、メモリセル２００（ｉ２＋１、ｊ）が有するトランジスタ２０１及びトラン
ジスタ２０３のドレイン電極に接続される。メモリセル２００（１、ｊ）が有するトラン
ジスタ２０１及びトランジスタ２０３のドレイン電極は、トランジスタ２１５（１、ｊ）
のソース電極に接続され、メモリセル２００（ｍ、ｊ）が有するトランジスタ２０１及び
トランジスタ２０３のソース電極は、トランジスタ２１５（２、ｊ）のドレイン電極に接
続される。トランジスタ２１５（１、ｊ）のドレイン電極は第２の配線ＢＬ（ｊ）に接続
され、トランジスタ２１５（２、ｊ）のソース電極は第１の配線ＳＬ（ｊ）に接続される
。また、トランジスタ２１５（１，ｊ）のゲート電極は、第６の配線ＳＥＬ（１）に接続
され、トランジスタ２１５（２，ｊ）のゲート電極は、第６の配線ＳＥＬ（２）に接続さ
れる。
【０１８８】
また、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）及び第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は第２
の配線及び第３の配線の駆動回路２１１に、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ）、第４の
配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｍ）及び第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）は第４の配線及
び第５の配線の駆動回路２１３にそれぞれ接続されている。また、第２の配線ＢＬ（１）
〜ＢＬ（ｎ）は、読み出し回路２１２にも接続されている。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ
（ｎ）には電位Ｖｓが与えられている。なお、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）は必ず
しも分離されている必要はなく、互いに電気的に接続されているような構成にしてもよい
。
【０１８９】
図１１に示した半導体装置の動作について説明する。本構成では、行ごとの書き込みおよ
び読み出しを行う。
【０１９０】
第ｉ行のメモリセル２００（ｉ、１）〜２００（ｉ，ｎ）に書き込みを行う場合は、第４
の配線Ｓ２（ｉ）を２Ｖとし、選択したメモリセルのトランジスタ２０２をオン状態とす
る。一方、第ｉ行以外の第４の配線Ｓ２は０Ｖとし、非選択のメモリセルのトランジスタ
２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は、データ”１”を書き込
む列では２Ｖ、データ”０”を書き込む列では０Ｖとする。なお、書き込み終了にあたっ
ては、第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）の電位が変化する前に、第４の配線Ｓ２（ｉ）
を０Ｖとして、選択したメモリセルのトランジスタ２０２をオフ状態にする。他の配線は
、例えば、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）を０Ｖ、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ
）を０Ｖ、第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を０Ｖ、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ
（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとする。以上の書き込み動作のタイミングチャートの一例を図１
２に示す。
【０１９１】
その結果、データ”１”の書き込みを行ったメモリセルのトランジスタ２０１のゲート電
極に接続されるノード（以下、ノードＡ）の電位は約２Ｖ、データ”０”の書き込みを行
ったメモリセルのノードＡの電位は約０Ｖとなる。また、非選択メモリセルのノードＡの
電位は変わらない。ここで、トランジスタ２０２のオフ電流が極めて小さい、あるいは実
質０であることから、トランジスタ２０１のゲート電極（ノードＡ）の電位は長時間にわ
たって保持される。
【０１９２】
第ｉ行のメモリセル２００（ｉ、１）〜２００（ｉ，ｎ）の読み出しを行う場合は、第６
の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を２Ｖとし、トランジスタ２１５（１、１）〜２１５
（２、ｎ）をオン状態とする。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとす
る。第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）に接続されている読み出し回路２１２を動作状態
とする。第４の配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｍ）を０Ｖとし、全てのメモリセルのトランジス
タ２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）を０Ｖとする。
【０１９３】
そして、第５の配線ＷＬ（ｉ）を０Ｖ、第ｉ行以外の第５の配線ＷＬを２Ｖとする。この
とき、第ｉ行のメモリセルのトランジスタ２０３はオフ状態となる。第ｉ行以外のメモリ
セルのトランジスタ２０３はオン状態となる。その結果、第ｉ行のメモリセルのトランジ
スタ２０１がオン状態かオフ状態かでメモリセル列の抵抗状態が決まる。第ｉ行のメモリ
セルのうち、データ”０”を有するメモリセルでは、ノードＡが約０Ｖであるからトラン
ジスタ２０１はオフ状態となり、メモリセル列の抵抗は高い状態となる（以下、メモリセ
ル列が高抵抗状態であるとも言う。）。一方、第ｉ行のメモリセルのうち、データ”１”
を有するメモリセルでは、ノードＡが約２Ｖであるからトランジスタ２０１がオン状態と
なり、メモリセル列の抵抗は低い状態となる（以下、メモリセル列が低抵抗状態であると
も言う。）。その結果、読み出し回路は、メモリセルの抵抗状態の違いから、データ”０
”，”１”を読み出すことができる。
【０１９４】
なお、書き込み時において、ＳＯＩ基板上に薄膜トランジスタを形成した場合など、半導
体装置が基板電位を有さない場合には、第５の配線ＷＬ（ｉ＋１）〜ＷＬ（ｍ）を２Ｖ、
第６の配線ＳＥＬ（２）を２Ｖとすることが好ましい。これにより、第ｉ行のメモリセル
のトランジスタ２０１のソース電極またはドレイン電極の少なくとも一方を約０Ｖとする
ことができる。或いは、第６の配線ＳＥＬ（１）を２Ｖ、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（
ｉ−１）を２Ｖとしてもよい。一方、単結晶半導体基板上にトランジスタを形成した場合
など、半導体装置が基板電位を有する場合には、基板電位を０Ｖとしておけばよい。
【０１９５】
なお、書き込み時の第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）は０Ｖとしたが、第６の配線ＳＥ
Ｌ（１）が０Ｖの場合には、フローティング状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構
わない。読み出し時の第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は０Ｖとしたが、フローティン
グ状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構わない。
【０１９６】
なお、データ”１”とデータ”０”は便宜上の定義であって、逆であっても構わない。ま
た、上述した動作電圧は一例である。動作電圧は、データ”０”の場合にトランジスタ２
０１がオフ状態となり、データ”１”の場合にトランジスタ２０１がオン状態となるよう
に、また、書き込み時にトランジスタ２０２がオン状態、書き込み時以外ではオフ状態と
なるように、また、読み出し時に選択メモリセルのトランジスタ２０３がオフ状態、非選
択メモリセルのトランジスタ２０３がオン状態となるように選べばよい。特に、２Ｖの代
わりに、周辺の論理回路の電源電位ＶＤＤを用いてもよい。また、０Ｖの代わりに、接地
電位ＧＮＤを用いてもよい。
【０１９７】
次に、本発明の一態様に係る、半導体装置の回路構成及び動作の他の一例について説明す
る。
【０１９８】
半導体装置が有するメモリセル回路の一例を図１３に示す。図１３に示すメモリセル２２
０は、第３の配線Ｓ１と、第４の配線Ｓ２と、第５の配線ＷＬと、トランジスタ２０１と
、トランジスタ２０２と、トランジスタ２０３と、から構成されている。トランジスタ２
０１及びトランジスタ２０３は、酸化物半導体以外の材料を用いて形成されており、トラ
ンジスタ２０２は酸化物半導体を用いて形成されている。ここで、トランジスタ２０１及
びトランジスタ２０３は、実施の形態１に示すトランジスタ１６０と同様の構成とするの
が好ましい。また、トランジスタ２０２は、実施の形態１に示すトランジスタ１６２と同
様の構成とするのが好ましい。また、メモリセル２２０は、第１の配線ＳＬ及び第２の配
線ＢＬと電気的に接続されており、トランジスタ（他のメモリセルを構成するものも含む
。）を介して、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬと電気的に接続されるのが好適である
。
【０１９９】
図１３に示すメモリセル回路は、図１０に示したメモリセル回路と比較して、第３の配線
Ｓ１と、第４の配線Ｓ２の方向が異なる。つまり、図１３のメモリセル回路は、第４の配
線Ｓ２を第２の配線ＢＬ方向（列方向）に配置し、第３の配線Ｓ１を第５の配線ＷＬ方向
（行方向）に配置する構成としている。
【０２００】
図１４に、ｍ×ｎビットの記憶容量を有する本発明の一態様に係る半導体装置のブロック
回路図を示す。ここでは一例として、メモリセル２２０が直列に接続されたＮＡＮＤ型の
半導体装置を示す。
【０２０１】
本発明の一態様に係る半導体装置は、ｍ本の第５の配線ＷＬ及び第３の配線Ｓ１と、ｎ本
の第１の配線ＳＬ、第２の配線ＢＬ及び第４の配線Ｓ２と、２本の第６の配線ＳＥＬと、
複数のメモリセル２２０（１、１）〜２２０（ｍ、ｎ）が縦ｍ個（行）×横ｎ個（列）（
ｍ、ｎは自然数）のマトリクス状に配置されたメモリセルアレイ２３０と、第６の配線Ｓ
ＥＬ（１）に沿って、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）とメモリセル２２０（１、１）
〜２２０（１、ｎ）の間に配置されたトランジスタ２３５（１、１）〜２３５（１、ｎ）
と、第６の配線ＳＥＬ（２）に沿って、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）とメモリセル
２２０（ｍ、１）〜２２０（ｍ、ｎ）の間に配置されたトランジスタ２３５（２、１）〜
２３５（２、ｎ）と、第２の配線及び第４の配線の駆動回路２３１と、第３の配線及び第
５の配線の駆動回路２３３と、読み出し回路２３２といった周辺回路によって構成されて
いる。他の周辺回路として、リフレッシュ回路等が設けられてもよい。
【０２０２】
図１４に示す半導体装置は、図１１に示した半導体装置と比較して、第３の配線Ｓ１と、
第４の配線Ｓ２の方向が異なる。つまり、図１４の半導体装置は、第４の配線Ｓ２を第２
の配線ＢＬ方向（列方向）に配置し、第３の配線Ｓ１を第５の配線ＷＬ方向（行方向）に
配置する構成としている。
【０２０３】
各メモリセル２２０（代表として、メモリセル２２０（ｉ、ｊ）を考える。ここで、ｉは
１以上ｍ以下の整数、ｊは１以上ｎ以下の整数）は、第３の配線Ｓ１（ｉ）、第５の配線
ＷＬ（ｉ）及び第４の配線Ｓ２（ｊ）にそれぞれ接続されている。また、メモリセル２２
０（ｉ１、ｊ）（ｉ１は２〜ｍの整数）が有するトランジスタ２０１及びトランジスタ２
０３のドレイン電極は、メモリセル２２０（ｉ１−１、ｊ）が有するトランジスタ２０１
及びトランジスタ２０３のソース電極に接続され、メモリセル２２０（ｉ２、ｊ）（ｉ２
は１〜ｍ−１の整数）が有するトランジスタ２０１及びトランジスタ２０３のソース電極
は、メモリセル２２０（ｉ２＋１、ｊ）が有するトランジスタ２０１及びトランジスタ２
０３のドレイン電極に接続される。メモリセル２２０（１、ｊ）が有するトランジスタ２
０１及びトランジスタ２０３のドレイン電極は、トランジスタ２３５（１、ｊ）のソース
電極に接続され、メモリセル２２０（ｍ、ｊ）が有するトランジスタ２０１及びトランジ
スタ２０３のソース電極は、トランジスタ２３５（２、ｊ）のドレイン電極に接続される
。トランジスタ２３５（１、ｊ）のドレイン電極は第２の配線ＢＬ（ｊ）に接続され、ト
ランジスタ２３５（２、ｊ）のソース電極は第１の配線ＳＬ（ｊ）に接続される。また、
トランジスタ２３５（１，ｊ）のゲート電極は、第６の配線ＳＥＬ（１）に接続され、ト
ランジスタ２３５（２，ｊ）のゲート電極は、第６の配線ＳＥＬ（２）に接続される。
【０２０４】
また、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）及び第４の配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｎ）は第２
の配線及び第４の配線の駆動回路２３１に、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ）、第３の
配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｍ）及び第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）は第３の配線及
び第５の配線の駆動回路２３３にそれぞれ接続されている。また、第２の配線ＢＬ（１）
〜ＢＬ（ｎ）は、読み出し回路２３２にも接続されている。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ
（ｎ）には電位Ｖｓが与えられている。なお、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）は必ず
しも分離されている必要はなく、互いに電気的に接続されているような構成にしてもよい
。
【０２０５】
図１４に示した半導体装置の動作について説明する。本構成では、書き込みは列ごと、読
み出しは行ごとに行う。
【０２０６】
第ｊ列のメモリセル２２０（１、ｊ）〜２２０（ｍ，ｊ）に書き込みを行う場合は、第４
の配線Ｓ２（ｊ）を２Ｖとし、選択したメモリセルのトランジスタ２０２をオン状態とす
る。一方、第ｊ列以外の第４の配線Ｓ２は０Ｖとし、非選択のメモリセルのトランジスタ
２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｍ）は、データ”１”を書き込
む行では２Ｖ、データ”０”を書き込む行では０Ｖとする。なお、書き込み終了にあたっ
ては、第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｍ）の電位が変化する前に、第４の配線Ｓ２（ｊ）
を０Ｖとして、選択したメモリセルのトランジスタ２０２をオフ状態にする。他の配線は
、例えば、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）を０Ｖ、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ
）を０Ｖ、第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を０Ｖ、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ
（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとする。
【０２０７】
その結果、データ”１”の書き込みを行ったメモリセルのトランジスタ２０１のゲート電
極に接続されるノード（以下、ノードＡ）の電位は約２Ｖ、データ”０”の書き込みを行
ったメモリセルのノードＡの電位は約０Ｖとなる。また、非選択メモリセルのノードＡの
電位は変わらない。ここで、トランジスタ２０２のオフ電流が極めて小さい、あるいは実
質０であることから、トランジスタ２０１のゲート電極（ノードＡ）の電位は長時間にわ
たって保持される。
【０２０８】
第ｉ行のメモリセル２２０（ｉ、１）〜２２０（ｉ，ｎ）の読み出しを行う場合は、第６
の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を２Ｖとし、トランジスタ２３５（１、１）〜２３５
（２、ｎ）をオン状態とする。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとす
る。第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）に接続されている読み出し回路２３２を動作状態
とする。第４の配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｎ）を０Ｖとし、全てのメモリセルのトランジス
タ２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｍ）を０Ｖとする。
【０２０９】
そして、第５の配線ＷＬ（ｉ）を０Ｖ、第ｉ行以外の第５の配線ＷＬを２Ｖとする。この
とき、第ｉ行のメモリセルのトランジスタ２０３はオフ状態となる。第ｉ行以外のメモリ
セルのトランジスタ２０３はオン状態となる。その結果、第ｉ行のメモリセルのトランジ
スタ２０１がオン状態かオフ状態かでメモリセル列の抵抗状態が決まる。第ｉ行のメモリ
セルのうち、データ”０”を有するメモリセルでは、ノードＡが約０Ｖであるからトラン
ジスタ２０１はオフ状態となり、メモリセル列が高抵抗状態になる。一方、第ｉ行のメモ
リセルのうち、データ”１”を有するメモリセルでは、ノードＡが約２Ｖであるからトラ
ンジスタ２０１がオン状態となり、メモリセル列が低抵抗状態になる。その結果、読み出
し回路２３２は、メモリセルの抵抗状態の違いから、データ”０”，”１”を読み出すこ
とができる。
【０２１０】
なお、書き込み時において、ＳＯＩ基板上に薄膜トランジスタを形成した場合など、半導
体装置が基板電位を有さない場合には、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ）を２Ｖ、第６
の配線ＳＥＬ（１）または第６の配線ＳＥＬ（２）を２Ｖとすることが好ましい。これに
より、第ｉ行のメモリセルのトランジスタ２０１のソース電極またはドレイン電極の少な
くとも一方を約０Ｖとすることができる。一方、単結晶半導体基板上にトランジスタを形
成した場合など、半導体装置が基板電位を有する場合には、基板電位を０Ｖとしておけば
よい。
【０２１１】
なお、書き込み時の第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）は０Ｖとしたが、第６の配線ＳＥ
Ｌ（１）が０Ｖの場合には、フローティング状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構
わない。読み出し時の第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は０Ｖとしたが、フローティン
グ状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構わない。
【０２１２】
なお、データ”１”とデータ”０”は便宜上の定義であって、逆であっても構わない。ま
た、上述した動作電圧は一例である。動作電圧は、データ”０”の場合にトランジスタ２
０１がオフ状態となり、データ”１”の場合にトランジスタ２０１がオン状態となるよう
に、また、書き込み時にトランジスタ２０２がオン状態、書き込み時以外ではオフ状態と
なるように、また、読み出し時に選択メモリセルのトランジスタ２０３がオフ状態、非選
択メモリセルのトランジスタ２０３がオン状態となるように選べばよい。特に、２Ｖの代
わりに、周辺の論理回路の電源電位ＶＤＤを用いてもよい。また、０Ｖの代わりに、接地
電位ＧＮＤを用いてもよい。
【０２１３】
本実施の形態に係る半導体装置は、トランジスタ２０２の低オフ電流特性により、極めて
長時間にわたり情報を保持することが可能である。つまり、ＤＲＡＭなどで必要とされる
リフレッシュ動作が不要であり、消費電力を抑制することができる。また、実質的な不揮
発性の記憶装置として用いることが可能である。
【０２１４】
また、トランジスタ２０２のスイッチング動作によって情報の書き込みなどを行うため、
高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。さらに、トランジスタのオン、オフに
よって、情報の書き込みや消去が行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。また、
トランジスタに入力する電位を制御することで情報を直接書き換えることが可能である。
このため、フラッシュメモリなどにおいて必要とされる消去動作が不要であり、消去動作
に起因する動作速度の低下を抑制することができる。
【０２１５】
また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジ
スタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の
読み出しを高速に行うことが可能である。
【０２１６】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２とは異なる半導体装置の回路構成及び動作の一例につい
て説明する。
【０２１７】
半導体装置が有するメモリセルの回路図の一例を図１５に示す。図１５に示すメモリセル
２４０は、第３の配線Ｓ１と、第４の配線Ｓ２と、第５の配線ＷＬと、トランジスタ２０
１と、トランジスタ２０２と、容量素子２０４と、から構成されている。トランジスタ２
０１は、酸化物半導体以外の材料を用いて形成されており、トランジスタ２０２は酸化物
半導体を用いて形成されている。ここで、トランジスタ２０１は、実施の形態１に示すト
ランジスタ１６０と同様の構成とするのが好ましい。また、トランジスタ２０２は、実施
の形態１に示すトランジスタ１６２と同様の構成とするのが好ましい。また、メモリセル
２４０は、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬと電気的に接続されており、トランジスタ
（他のメモリセルを構成するものも含む）を介して、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬ
と電気的に接続されるのが好適である。
【０２１８】
ここで、トランジスタ２０１のゲート電極と、トランジスタ２０２のソース電極またはド
レイン電極の一方と、容量素子２０４の電極の一方とは、電気的に接続されている。また
、第１の配線ＳＬと、トランジスタ２０１のソース電極とは、電気的に接続され、トラン
ジスタ２０１のドレイン電極と、第２の配線ＢＬとは、電気的に接続されている。そして
、トランジスタ２０２のソース電極またはドレイン電極の他方と、第３の配線Ｓ１とは、
電気的に接続され、第４の配線Ｓ２と、トランジスタ２０２のゲート電極とは、電気的に
接続され、第５の配線ＷＬと、容量素子２０４の電極の他方とは、電気的に接続されてい
る。なお、第１の配線ＳＬと、トランジスタ２０１のソース電極とは、トランジスタ（他
のメモリセルを構成するものも含む）を介して接続されていてもよい。また、第２の配線
ＢＬと、トランジスタ２０１のドレイン電極とは、トランジスタ（他のメモリセルを構成
するものも含む）を介して接続されていてもよい。
【０２１９】
図１６に、ｍ×ｎビットの記憶容量を有する本発明の一態様に係る半導体装置のブロック
回路図を示す。ここでは一例として、メモリセル２４０が直列に接続されたＮＡＮＤ型の
半導体装置を示す。
【０２２０】
本発明の一態様に係る半導体装置は、ｍ本の第５の配線ＷＬ及び第４の配線Ｓ２と、ｎ本
の第１の配線ＳＬ、第２の配線ＢＬ及び第３の配線Ｓ１と、２本の第６の配線ＳＥＬ（１
）、ＳＥＬ（２）と、複数のメモリセル２４０（１、１）〜２４０（ｍ、ｎ）が縦ｍ個（
行）×横ｎ個（列）（ｍ、ｎは自然数）のマトリクス状に配置されたメモリセルアレイ２
５０と、第６の配線ＳＥＬ（１）に沿って、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）とメモリ
セル２４０（１、１）〜２４０（１、ｎ）の間に配置されたトランジスタ２５５（１、１
）〜２５５（１、ｎ）と、第６の配線ＳＥＬ（２）に沿って、第１の配線ＳＬ（１）〜Ｓ
Ｌ（ｎ）とメモリセル２４０（ｍ、１）〜２４０（ｍ、ｎ）の間に配置されたトランジス
タ２５５（２、１）〜２５５（２、ｎ）と、第２の配線及び第３の配線の駆動回路２５１
と、第４の配線及び第５の配線の駆動回路２５３と、読み出し回路２５２といった周辺回
路によって構成されている。他の周辺回路として、リフレッシュ回路等が設けられてもよ
い。
【０２２１】
各メモリセル２４０（代表として、メモリセル２４０（ｉ、ｊ）を考える。ここで、ｉは
１以上ｍ以下の整数、ｊは１以上ｎ以下の整数である。）は、第３の配線Ｓ１（ｊ）、第
４の配線Ｓ２（ｉ）及び第５の配線ＷＬ（ｉ）にそれぞれ接続されている。また、メモリ
セル２４０（ｉ１、ｊ）（ｉ１は２〜ｍの整数）が有するトランジスタ２０１のドレイン
電極は、メモリセル２４０（ｉ１−１、ｊ）が有するトランジスタ２０１のソース電極に
接続され、メモリセル２４０（ｉ２、ｊ）（ｉ２は１〜ｍ−１の整数）が有するトランジ
スタ２０１のソース電極は、メモリセル２４０（ｉ２＋１、ｊ）が有するトランジスタ２
０１のドレイン電極に接続される。メモリセル２４０（１、ｊ）が有するトランジスタ２
０１のドレイン電極は、トランジスタ２５５（１、ｊ）のソース電極に接続され、メモリ
セル２４０（ｍ、ｊ）が有するトランジスタ２０１のソース電極は、トランジスタ２５５
（２、ｊ）のドレイン電極に接続される。トランジスタ２５５（１、ｊ）のドレイン電極
は第２の配線ＢＬ（ｊ）に接続され、トランジスタ２５５（２、ｊ）のソース電極は第１
の配線ＳＬ（ｊ）に接続される。
【０２２２】
また、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）及び第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は第２
の配線及び第３の配線の駆動回路２５１に、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ）、第４の
配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｍ）及び第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）は第４の配線及
び第５の配線の駆動回路２５３にそれぞれ接続されている。また、第２の配線ＢＬ（１）
〜ＢＬ（ｎ）は、読み出し回路２５２にも接続されている。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ
（ｎ）には電位Ｖｓが与えられている。なお、第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）は必ず
しも分離されている必要はなく、互いに電気的に接続されているような構成にしてもよい
。
【０２２３】
図１６に示した半導体装置の動作について説明する。本構成では、行ごとの書き込みおよ
び読み出しを行う。
【０２２４】
第ｉ行のメモリセル２４０（ｉ、１）〜２４０（ｉ，ｎ）に書き込みを行う場合は、第４
の配線Ｓ２（ｉ）を２Ｖとし、第ｉ行のメモリセルのトランジスタ２０２をオン状態とす
る。一方、第ｉ行以外の第４の配線Ｓ２は０Ｖとし、第ｉ行以外のメモリセルのトランジ
スタ２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は、データ”１”を書
き込む列では２Ｖ、データ”０”を書き込む列では０Ｖとする。なお、書き込み終了にあ
たっては、第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）の電位が変化する前に、第４の配線Ｓ２（
ｉ）を０Ｖとして、選択したメモリセルのトランジスタ２０２をオフ状態にする。他の配
線は、例えば、第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）を０Ｖ、第５の配線ＷＬ（１）〜ＷＬ
（ｍ）を０Ｖ、第６の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を０Ｖ、第１の配線ＳＬ（１）〜
ＳＬ（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとする。
【０２２５】
その結果、データ”１”の書き込みを行ったメモリセルのトランジスタ２０１のゲート電
極に接続されるノード（以下、ノードＡ）の電位は約２Ｖ、データ”０”の書き込みを行
ったメモリセルのノードＡの電位は約０Ｖとなる。また、非選択メモリセルのノードＡの
電位は変わらない。ここで、トランジスタ２０２のオフ電流が極めて小さい、あるいは実
質０であることから、トランジスタ２０１のゲート電極（ノードＡ）の電位は長時間にわ
たって保持される。
【０２２６】
第ｉ行のメモリセル２４０（ｉ、１）〜２４０（ｉ，ｎ）の読み出しを行う場合は、第６
の配線ＳＥＬ（１）、ＳＥＬ（２）を２Ｖとし、トランジスタ２５５（１、１）〜２５５
（２、ｎ）をオン状態とする。第１の配線ＳＬ（１）〜ＳＬ（ｎ）の電位Ｖｓを０Ｖとす
る。第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）に接続されている読み出し回路２５２を動作状態
とする。第４の配線Ｓ２（１）〜Ｓ２（ｍ）を０Ｖとし、全てのメモリセルのトランジス
タ２０２をオフ状態とする。第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）を０Ｖとする。
【０２２７】
そして、第５の配線ＷＬ（ｉ）を０Ｖ、第ｉ行以外の第５の配線ＷＬを２Ｖとする。ここ
で、第５の配線ＷＬ（ｉ）を０Ｖ、第ｉ行以外の第５の配線ＷＬを２Ｖとした場合の、ト
ランジスタ２０１の状態について説明する。トランジスタ２０１の状態を決めるノードＡ
の電位は、第５の配線ＷＬ−ノードＡ間容量Ｃ１と、トランジスタ２０１のゲート−ソー
ス及びドレイン間容量Ｃ２に依存する。図１７には、第５の配線ＷＬの電位とノードＡの
電位の関係を示す。ここでは、一例として、トランジスタ２０１がオフ状態でＣ１／Ｃ２
＞＞１、オン状態でＣ１／Ｃ２＝１であるとする。また、トランジスタ２０１のしきい値
電圧を０．５Ｖとする。図１７より、第５の配線ＷＬの電位が０Ｖのときには、データ”
０”を有するメモリセルでは、ノードＡが約０Ｖのためトランジスタ２０１はオフ状態と
なり、データ”１”を有するメモリセルでは、ノードＡが約２Ｖのためトランジスタ２０
１がオン状態となる。一方、第５の配線ＷＬの電位が２Ｖのときには、データ”０”を有
するメモリセルではノードＡが約１．２５Ｖ、データ”１”を有するメモリセルでは、ノ
ードＡが約３Ｖとなり、データ”０”、”１”に関わらずトランジスタ２０１がオン状態
となる。従って、第５の配線ＷＬ（ｉ）を０Ｖ、第ｉ行以外の第５の配線ＷＬを２Ｖとし
た場合、第ｉ行のメモリセルでデータ”０”を有するメモリセル列は高抵抗状態になるが
、データ”１”を有するメモリセル列は低抵抗状態になる。読み出し回路２５２は、メモ
リセルの抵抗状態の違いから、データ”０”，”１”を読み出すことができる。
【０２２８】
なお、書き込み時の第２の配線ＢＬ（１）〜ＢＬ（ｎ）は０Ｖとしたが、第６の配線ＳＥ
Ｌ（１）が０Ｖの場合には、フローティング状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構
わない。読み出し時の第３の配線Ｓ１（１）〜Ｓ１（ｎ）は０Ｖとしたが、フローティン
グ状態や０Ｖ以上の電位に充電されていても構わない。
【０２２９】
なお、データ”１”とデータ”０”は便宜上の定義であって、逆であっても構わない。ま
た、上述した動作電圧は一例である。動作電圧は、書き込み時にトランジスタ２０２がオ
ン状態、書き込み時以外ではオフ状態となるように、また、読み出し時にデータ”０”の
選択メモリセルのトランジスタ２０１がオフ状態、データ”１”の選択メモリセルのトラ
ンジスタ２０１がオン状態、非選択メモリセルのトランジスタ２０１がオン状態となるよ
うに選べばよい。特に２Ｖの代わりに、周辺の論理回路の電源電位ＶＤＤを用いてもよい
。また、０Ｖの代わりに、接地電位ＧＮＤを用いてもよい。
【０２３０】
次に、本発明の一態様に係る半導体装置の回路構成及び動作の他の一例について説明する
。
【０２３１】
半導体装置が有するメモリセル回路の一例を図１８に示す。図１８に示すメモリセル２６
０は、第３の配線Ｓ１と、第４の配線Ｓ２と、第５の配線ＷＬと、トランジスタ２０１と
、トランジスタ２０２と、容量素子２０４と、から構成されている。トランジスタ２０１
は、酸化物半導体以外の材料を用いて構成されており、トランジスタ２０２は酸化物半導
体を用いて形成されている。ここで、トランジスタ２０１は、実施の形態１に示すトラン
ジスタ１６０と同様の構成とするのが好ましい。また、トランジスタ２０２は、実施の形
態１に示すトランジスタ１６２と同様の構成とするのが好ましい。また、メモリセル２６
０は、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬと電気的に接続されており、トランジスタ（他
のメモリセルを構成するものも含む。）を介して、第１の配線ＳＬ及び第２の配線ＢＬと
電気的に接続されるのが好適である。
【０２３２】
図１８に示すメモリセル回路は、図１５のメモリセル回路と比較して、第３の配線Ｓ１と
第４の配線Ｓ２の方向が異なる。つまり、図１８のメモリセルでは第４の配線Ｓ２を第２
の配線ＢＬ方向（列方向）に配置し、第３の配線Ｓ１を第５の配線ＷＬ方向（行方向）に
配置する構成としている。
【０２３３】
また、ｍ×ｎビットの記憶容量を有する本発明の一態様に係る半導体装置のブロック回路
図は、図１４に示したブロック回路図のメモリセルに、図１８のメモリセル２６０を適用
すればよい。メモリセル２６０の動作に合わせて、駆動回路の駆動電圧とタイミングを設
定すれば、図１４に示したブロック回路図と同様に、列ごとの書き込みおよび行ごとの読
み出しを行うことができる。
【０２３４】
本実施の形態に係る半導体装置は、トランジスタ２０２の低オフ電流特性により、極めて
長時間にわたり情報を保持することが可能である。つまり、ＤＲＡＭなどで必要とされる
リフレッシュ動作が不要であり、消費電力を抑制することができる。また、実質的な不揮
発性記憶装置として用いることが可能である。
【０２３５】
また、トランジスタ２０２のスイッチング動作によって情報の書き込みなどを行うため、
高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。さらに、トランジスタのオン、オフに
よって、情報の書き込みや消去が行われるため、高速動作も容易に実現しうる。また、ト
ランジスタに入力する電位を制御することで情報を直接書き換えることが可能である。こ
のため、フラッシュメモリなどにおいて必要とされる消去動作が不要であり、消去動作に
起因する動作速度の低下を抑制することができる。
【０２３６】
また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジ
スタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の
読み出しを高速に行うことが可能である。
【０２３７】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態２または実施の形態３とは異なる半導体装置の回路構成及
び動作の一例について説明する。
【０２３８】
本発明の一態様に係る半導体装置が有するメモリセルの回路図の一例を図１９に示す。
【０２３９】
図１９に示すメモリセル２８０は、図１０のメモリセル回路と比較して、ノードＡと第１
の配線ＳＬとの間に容量素子２０５を有する構成としている。このような容量素子２０５
を有することで、保持特性が改善する。
【０２４０】
図１９に示すメモリセル回路の動作は、図１０に示したメモリセル回路の動作と同様であ
るため、詳細な説明は省略する。
【０２４１】
（実施の形態５）
本発明の一態様に係る半導体装置が有する読み出し回路の一例について図２０を用いて説
明する。
【０２４２】
図２０に示す読み出し回路は、トランジスタ２０６と差動アンプを有する。
【０２４３】
読み出し時には、端子Ａは読み出しを行うメモリセルが接続された第２の配線ＢＬに接続
される。トランジスタ２０６のソース電極またはドレイン電極のいずれかに電位Ｖｄｄが
印加される。また、トランジスタ２０６のゲート電極にはバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加
され、所定の電流を流す。
【０２４４】
メモリセルは格納するデータ”１”／”０”に応じて抵抗が異なる。具体的には、選択し
たメモリセルのトランジスタ２０１がオン状態の場合には低抵抗状態となり、選択したメ
モリセルのトランジスタ２０１がオフ状態の場合には高抵抗状態となる。
【０２４５】
メモリセルが高抵抗状態の場合、端子Ａの電位が参照電位Ｖｒｅｆより高くなり、差動ア
ンプの出力からはデータ”１”が出力される。一方、メモリセルが低抵抗状態場合、端子
Ａの電位が参照電位Ｖｒｅｆより低くなり、差動アンプの出力からはデータ”０”が出力
される。
【０２４６】
このようにして、読み出し回路は、メモリセルからデータを読み出すことができる。なお
、本実施の形態の読み出し回路は一例である。他の公知の回路を用いても良い。例えば、
プリチャージ回路を有しても良い。参照電位Ｖｒｅｆの代わりに参照用の第２の配線ＢＬ
が接続される構成でも良い。差動アンプの代わりに、ラッチ型センスアンプを用いても良
い。
【０２４７】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み
合わせて用いることができる。
【０２４８】
（実施の形態６）
本実施の形態では、先の実施の形態で得られる半導体装置を搭載した電子機器の例につい
て図２１を用いて説明する。先の実施の形態で得られる半導体装置は、電力の供給がない
場合でも、情報を保持することが可能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じな
い。さらに、その動作も高速である。このため、当該半導体装置を用いて新たな構成の電
子機器を提供することが可能である。なお、先の実施の形態に係る半導体装置は、集積化
されて回路基板などに実装され、各電子機器の内部に搭載されることになる。
【０２４９】
図２１（Ａ）は、先の実施の形態に係る半導体装置を含むノート型のパーソナルコンピュ
ータであり、本体３０１、筐体３０２、表示部３０３、キーボード３０４などによって構
成されている。本発明の一態様に係る半導体装置をノート型のパーソナルコンピュータに
適用することで、電力の供給がない場合でも、情報を保持することが可能である。また、
書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、その動作も高速である。このため、本発
明の一態様に係る半導体装置をノート型のパーソナルコンピュータに適用することは好適
である。
【０２５０】
図２１（Ｂ）は、先の実施の形態に係る半導体装置を含む携帯情報端末（ＰＤＡ）であり
、本体３１１には表示部３１３と、外部インターフェイス３１５と、操作ボタン３１４等
が設けられている。また操作用の付属品としてスタイラス３１２がある。本発明の一態様
に係る半導体装置をＰＤＡに適用することで、電力の供給がない場合でも、情報を保持す
ることが可能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、その動作も
高速である。このため、本発明の一態様に係る半導体装置をＰＤＡに適用することは好適
である。
【０２５１】
図２１（Ｃ）には、先の実施の形態に係る半導体装置を含む電子ペーパーの一例として、
電子書籍３２０を示す。電子書籍３２０は、筐体３２１および筐体３２３の２つの筐体で
構成されている。筐体３２１および筐体３２３は、軸部３３７により一体とされており、
該軸部３３７を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、電子書籍
３２０は、紙の書籍のように用いることが可能である。本発明の一態様に係る半導体装置
を電子ペーパーに適用することで、電力の供給がない場合でも、情報を保持することが可
能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、その動作も高速である
。このため、本発明の一態様に係る半導体装置を電子ペーパーに適用することは好適であ
る。
【０２５２】
筐体３２１には表示部３２５が組み込まれ、筐体３２３には表示部３２７が組み込まれて
いる。表示部３２５および表示部３２７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異
なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば
右側の表示部（図２１（Ｃ）では表示部３２５）に文章を表示し、左側の表示部（図２１
（Ｃ）では表示部３２７）に画像を表示することができる。
【０２５３】
また、図２１（Ｃ）では、筐体３２１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐
体３２１は、電源３３１、操作キー３３３、スピーカー３３５などを備えている。操作キ
ー３３３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポ
インティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部
接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなど
の各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい
。さらに、電子書籍３２０は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０２５４】
また、電子書籍３２０は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電
子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも
可能である。
【０２５５】
なお、電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野に適用することが可能
である。例えば、電子書籍以外にも、ポスター、電車などの乗り物の車内広告、クレジッ
トカード等の各種カードにおける表示などに適用することができる。
【０２５６】
図２１（Ｄ）は、先の実施の形態に係る半導体装置を含む携帯電話機である。当該携帯電
話機は、筐体３４０および筐体３４１の二つの筐体で構成されている。筐体３４１は、表
示パネル３４２、スピーカー３４３、マイクロフォン３４４、ポインティングデバイス３
４６、カメラ用レンズ３４７、外部接続端子３４８などを備えている。また、筐体３４０
は、当該携帯電話機の充電を行う太陽電池セル３４９、外部メモリスロット３５０などを
備えている。また、アンテナは筐体３４１に内蔵されている。本発明の一態様に係る半導
体装置を携帯電話機に適用することで、電力の供給がない場合でも、情報を保持すること
が可能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、その動作も高速で
ある。このため、本発明の一態様に係る半導体装置を携帯電話機に適用することは好適で
ある。
【０２５７】
表示パネル３４２はタッチパネル機能を備えており、図２１（Ｄ）には映像表示されてい
る複数の操作キー３４５を点線で示している。なお、当該携帯電話は、太陽電池セル３４
９で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路を実装している。ま
た、上記構成に加えて、非接触ＩＣチップ、小型記録装置などを内蔵した構成とすること
もできる。
【０２５８】
表示パネル３４２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル３
４２と同一面上にカメラ用レンズ３４７を備えているため、テレビ電話が可能である。ス
ピーカー３４３およびマイクロフォン３４４は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再
生などが可能である。さらに、筐体３４０と筐体３４１はスライドし、図２１（Ｄ）のよ
うに展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可
能である。
【０２５９】
外部接続端子３４８はＡＣアダプタやＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であ
り、充電やデータ通信が可能になっている。また、外部メモリスロット３５０に記録媒体
を挿入し、より大量のデータの保存および移動に対応できる。また、上記機能に加えて、
赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。
【０２６０】
図２１（Ｅ）は、先の実施の形態に係る半導体装置を含むデジタルカメラである。当該デ
ジタルカメラは、本体３６１、表示部（Ａ）３６７、接眼部３６３、操作スイッチ３６４
、表示部（Ｂ）３６５、バッテリー３６６などによって構成されている。本発明の一態様
に係る半導体装置をデジタルカメラに適用することで、電力の供給がない場合でも、情報
を保持することが可能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、そ
の動作も高速である。このため、本発明の一態様に係る半導体装置をデジタルカメラに適
用することは好適である。
【０２６１】
図２１（Ｆ）は、先の実施の形態に係る半導体装置を含むテレビジョン装置である。テレ
ビジョン装置３７０では、筐体３７１に表示部３７３が組み込まれている。表示部３７３
により、映像を表示することが可能である。なお、ここでは、スタンド３７５により筐体
３７１を支持した構成を示している。
【０２６２】
テレビジョン装置３７０の操作は、筐体３７１が備える操作スイッチや、別体のリモコン
操作機３８０により行うことができる。リモコン操作機３８０が備える操作キー３７９に
より、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部３７３に表示される映像を操作
することができる。また、リモコン操作機３８０に、当該リモコン操作機３８０から出力
する情報を表示する表示部３７７を設ける構成としてもよい。本発明の一態様に係る半導
体装置をテレビジョン装置に適用することで、電力の供給がない場合でも、情報を保持す
ることが可能である。また、書き込み、消去に伴う劣化が生じない。さらに、その動作も
高速である。このため、本発明の一態様に係る半導体装置をテレビジョン装置に適用する
ことは好適である。
【０２６３】
なお、テレビジョン装置３７０は、受信機やモデムなどを備えた構成とするのが好適であ
る。受信機により、一般のテレビ放送の受信を行うことができる。また、モデムを介して
有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信
者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うこ
とが可能である。
【０２６４】
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み
合わせて用いることができる。
【符号の説明】
【０２６５】
１００ 基板
１０２ 保護層
１０４ 半導体領域
１０６ 素子分離絶縁層
１０８ ゲート絶縁層
１１０ ゲート電極
１１２ 絶縁層
１１４ 不純物領域
１１６ チャネル形成領域
１１８ サイドウォール絶縁層
１２０ 高濃度不純物領域
１２２ 金属層
１２４ 金属化合物領域
１２６ 層間絶縁層
１２８ 層間絶縁層
１３０ａ ソース電極またはドレイン電極
１３０ｂ ソース電極またはドレイン電極
１３０ｃ 電極
１３２ 絶縁層
１３４ 導電層
１３６ａ 電極
１３６ｂ 電極
１３６ｃ 電極
１３６ｄ ゲート電極
１３８ ゲート絶縁層
１４０ 酸化物半導体層
１４２ａ ソース電極またはドレイン電極
１４２ｂ ソース電極またはドレイン電極
１４４ 保護絶縁層
１４６ 層間絶縁層
１４８ 導電層
１５０ａ 電極
１５０ｂ 電極
１５０ｃ 電極
１５０ｄ 電極
１５０ｅ 電極
１５２ 絶縁層
１５４ａ 電極
１５４ｂ 電極
１５４ｃ 電極
１５４ｄ 電極
１６０ トランジスタ
１６２ トランジスタ
２００ メモリセル
２０１ トランジスタ
２０２ トランジスタ
２０３ トランジスタ
２０４ 容量素子
２０５ 容量素子
２０６ トランジスタ
２１０ メモリセルアレイ
２１１ 第２の配線及び第３の配線の駆動回路
２１２ 読み出し回路
２１３ 第４の配線及び第５の配線の駆動回路
２１５ トランジスタ
２２０ メモリセル
２３０ メモリセルアレイ
２３１ 第２の配線及び第４の配線の駆動回路
２３２ 読み出し回路
２３３ 第３の配線及び第５の配線の駆動回路
２３５ トランジスタ
２４０ メモリセル
２５０ メモリセルアレイ
２５１ 第２の配線及び第３の配線の駆動回路
２５２ 読み出し回路
２５３ 第４の配線及び第５の配線の駆動回路
２５５ トランジスタ
２６０ メモリセル
２８０ メモリセル
３０１ 本体
３０２ 筐体
３０３ 表示部
３０４ キーボード
３１１ 本体
３１２ スタイラス
３１３ 表示部
３１４ 操作ボタン
３１５ 外部インターフェイス
３２０ 電子書籍
３２１ 筐体
３２３ 筐体
３２５ 表示部
３２７ 表示部
３３１ 電源
３３３ 操作キー
３３５ スピーカー
３３７ 軸部
３４０ 筐体
３４１ 筐体
３４２ 表示パネル
３４３ スピーカー
３４４ マイクロフォン
３４５ 操作キー
３４６ ポインティングデバイス
３４７ カメラ用レンズ
３４８ 外部接続端子
３４９ 太陽電池セル
３５０ 外部メモリスロット
３６１ 本体
３６３ 接眼部
３６４ 操作スイッチ
３６５ 表示部（Ｂ）
３６６ バッテリー
３６７ 表示部（Ａ）
３７０ テレビジョン装置
３７１ 筐体
３７３ 表示部
３７５ スタンド
３７７ 表示部
３７９ 操作キー
３８０ リモコン操作機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の配線と、
第２の配線と、
第３の配線と、
第４の配線と、
第５の配線と、を有し、
前記第１の配線と、前記第２の配線との間には、複数のメモリセルが直列に接続され、
前記複数のメモリセルの一は、
第１のゲート、第１のソース、および第１のドレインを有する第１のトランジスタと、
第２のゲート、第２のソース、および第２のドレインを有する第２のトランジスタと、
容量素子と、を有し、
前記第１のトランジスタは、半導体材料を含む基板に設けられたチャネル形成領域を有し、
前記第２のトランジスタは、酸化物半導体を含んで構成され、
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又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのゲートは、前記容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第１の配線は、前記第１のトランジスタのソースと電気的に接続され、
前記第２の配線は、前記第１のトランジスタのドレインと電気的に接続され、
前記第３の配線は、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方と電気的に接続され、
前記第４の配線は、前記第２のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第５の配線は、前記容量素子の他方の電極と電気的に接続された半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置は、
第６の配線と、
第７の配線と、
第４のトランジスタと、
第５のトランジスタと、を有し、
前記第６の配線は、前記第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第７の配線は、前記第５のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第２の配線は、前記第４のトランジスタを介して、前記第１のトランジスタのドレインと電気的に接続され、
前記第１の配線は、前記第５のトランジスタを介して、前記第１のトランジスタのソースと電気的に接続された請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記酸化物半導体は、インジウムとガリウムと亜鉛を含む、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項１】
第１の配線と、
第２の配線と、
第３の配線と、
第４の配線と、
第５の配線と、を有し、
前記第１の配線と、前記第２の配線との間には、複数のメモリセルが直列に接続され、
前記複数のメモリセルの一は、
第１のゲート、第１のソース、および第１のドレインを有する第１のトランジスタと、
第２のゲート、第２のソース、および第２のドレインを有する第２のトランジスタと、
容量素子と、を有し、
前記第１のトランジスタは、半導体材料を含む基板に設けられたチャネル形成領域を有し、
前記第２のトランジスタは、酸化物半導体を含んで構成され、
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又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのゲートは、前記容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第１の配線は、前記第１のトランジスタのソースと電気的に接続され、
前記第２の配線は、前記第１のトランジスタのドレインと電気的に接続され、
前記第３の配線は、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方と電気的に接続され、
前記第４の配線は、前記第２のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第５の配線は、前記容量素子の他方の電極と電気的に接続された半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置は、
第６の配線と、
第７の配線と、
第４のトランジスタと、
第５のトランジスタと、を有し、
前記第６の配線は、前記第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第７の配線は、前記第５のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第２の配線は、前記第４のトランジスタを介して、前記第１のトランジスタのドレインと電気的に接続され、
前記第１の配線は、前記第５のトランジスタを介して、前記第１のトランジスタのソースと電気的に接続された請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記酸化物半導体は、インジウムとガリウムと亜鉛を含む、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１３−４８００７（Ｐ２０１３−４８００７Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２００３１８（Ｐ２０１２−２００３１８）
【出願日】平成２４年９月１２日（２０１２．９．１２）
【分割の表示】特願２０１０−２３９８５０（Ｐ２０１０−２３９８５０）の分割
【原出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月１２日（２０１２．９．１２）
【分割の表示】特願２０１０−２３９８５０（Ｐ２０１０−２３９８５０）の分割
【原出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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