半導体装置

【課題】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。
【解決手段】酸化物半導体を用いたトランジスタ（より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ）を用いた記憶回路と、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ（換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ）を用いた駆動回路などの周辺回路と、を一体に備える半導体装置とする。また、周辺回路を下部に設け、記憶回路を上部に設けることで、半導体装置の面積の縮小化及び小型化を実現することができる。

【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駆動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のものと、電力の供給がなくなっても記憶内容は保持される不揮発性のものとに大別される。
【０００３】
揮発性記憶装置の代表的な例としては、ＤＲＡＭ（ＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）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ため、情報の読み出しの度に、再度の書き込み動作が必要となる。また、記憶素子を構成するトランジスタにおいてはオフ状態でのソースとドレイン間のリーク電流（オフ電流）等によって、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、情報の保持期間が短い。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（ＳｔａｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）がある。ＳＲＡＭは、フリップフロップなどの回路を用いて記憶内容を保持するため、リフレッシュ動作が不要であり、この点においてはＤＲＡＭより有利である。しかし、フリップフロップなどの回路を用いているため、記憶容量あたりの単価が高くなるという問題がある。また、電力の供給がなくなると記憶内容が失われるという点については、ＤＲＡＭと変わるところはない。
【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、情報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、根本的な寿命の問題が解消するわけではない。つまり、フラッシュメモリは、情報の書き換え頻度が高い用途には不向きである。
【０００８】
また、フローティングゲートに電荷を注入させるため、または、その電荷を除去するためには、高い電圧が必要であり、また、そのための回路も必要である。さらに、電荷の注入、または除去のためには比較的長い時間を要し、書き込み、消去の高速化が容易ではないという問題もある。
【０００９】
不揮発性記憶装置の別の例としては、磁性材料を用いた記憶装置であるＭＲＡＭ（ＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）がある。ＭＲＡＭは、書き込み動作における消費電流が比較的高いため、複数のメモリセルに並列に書き込み動作を行うことが難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【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】
【００１１】
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】
【００１２】
本発明の一態様では、トランジスタのオフ電流を十分に小さくすることができる材料、例えば、ワイドギャップ半導体である酸化物半導体材料を用いて記憶回路を構成する。トランジスタのオフ電流を十分に小さくすることができる半導体材料を記憶回路に用いることで、長期間にわたって記憶内容を保持することが可能である。また、酸化物半導体以外の半導体材料を用いて駆動回路や制御回路などの周辺回路を構成する。酸化物半導体材料よりも高速動作が可能な酸化物半導体以外の半導体材料を、周辺回路に用いることで、記憶回路を高速動作させることができる。
【００１３】
本発明の一態様は、半導体基板に設けられたセンスラッチアレイと、センスラッチアレイ上に設けられたメモリセルアレイと、を有し、センスラッチアレイは、マトリクス状に配置された複数のセンスラッチを有し、メモリセルアレイは、マトリクス状に配置された複数のメモリセルを有し、複数のメモリセルのそれぞれは、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、ゲート絶縁層、及び酸化物半導体層を含むトランジスタと、容量素子と、を有し、センスラッチの第１の端子及び第２の端子の少なくとも一つは、センスラッチの上部に設けられたトランジスタのソース電極またはドレイン電極と、電気的に接続される、半導体装置である。
【００１４】
また、本発明の一態様は、半導体基板に設けられたセンスラッチアレイと、センスラッチアレイ上に積層された複数のメモリセルアレイと、を有し、センスラッチアレイは、マトリクス状に配置された複数のセンスラッチを有し、複数のメモリセルアレイのそれぞれは、マトリクス状に配置された複数のメモリセルを有し、複数のメモリセルのそれぞれは、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、ゲート絶縁層、及び酸化物半導体層を含むトランジスタと、容量素子と、を有し、センスラッチの第１の端子及び第２の端子の少なくとも一つは、複数のメモリセルアレイのそれぞれにおいて、センスラッチの上部に設けられたトランジスタそれぞれのソース電極またはドレイン電極と、電気的に接続される、半導体装置である。
【００１５】
上記各半導体装置において、第１ワード線駆動回路と、第２ワード線駆動回路と、データ線駆動回路と、をさらに有し、第１ワード線駆動回路は、複数のメモリセルと第１ワード線を介して電気的に接続され、第２ワード線駆動回路は、複数のセンスラッチと第２ワード線を介して電気的に接続され、データ線駆動回路は、複数のセンスラッチと第１データ線及び第２データ線を介して電気的に接続される。
【００１６】
また、本発明の一態様は、半導体基板に設けられたセンスラッチアレイと、センスラッチアレイ上に積層された第１のメモリセルアレイ及び第２のメモリセルアレイと、を有し、センスラッチアレイは、マトリクス状に配置された複数のセンスラッチを有し、第１のメモリセルアレイ及び第２のメモリセルアレイのそれぞれは、マトリクス状に配置された複数のメモリセルを有し、第１のメモリセルアレイが有する複数のメモリセルのそれぞれは、第１のゲート電極、第１のソース電極、第１のドレイン電極、第１のゲート絶縁層、及び第１の酸化物半導体層を含む第１のトランジスタと、第１の容量素子と、を有し、第２のメモリセルアレイが有する複数のメモリセルのそれぞれは、第２のゲート電極、第２のソース電極、第２のドレイン電極、第２のゲート絶縁層、及び第２の酸化物半導体層を含む第２のトランジスタと、第２の容量素子と、を有し、センスラッチの第１の端子及び第２の端子の少なくとも一つは、センスラッチの上部に設けられた第１のトランジスタの第１のソース電極または第１のドレイン電極と、第２のトランジスタの第２のソース電極または第２のドレイン電極と、電気的に接続する、半導体装置である。
【００１７】
上記半導体装置において、第１ワード線駆動回路と、第２ワード線駆動回路と、データ線駆動回路と、をさらに有し、第１ワード線駆動回路は、第１のメモリセルアレイ及び第２のメモリセルアレイが有する複数のメモリセルのそれぞれと第１ワード線を介して電気的に接続され、第２ワード線駆動回路は、複数のセンスラッチと第２ワード線を介して電気的に接続され、データ線駆動回路は、複数のセンスラッチと第１データ線及び第２データ線を介して電気的に接続される。
【００１８】
また、上記半導体装置において、第１の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層とは、同じ酸化物半導体材料を含むことが好ましい。
【００１９】
また、上記半導体装置において、半導体基板は、酸化物半導体層とは異なる半導体材料を含むことが好ましい。
【００２０】
なお、上記半導体装置において、酸化物半導体材料を用いてトランジスタを構成することがあるが、開示する発明はこれに限定されない。酸化物半導体材料と同等のオフ電流特性が実現できる材料、例えば、炭化シリコンをはじめとするワイドギャップ材料（より具体的には、例えば、エネルギーギャップＥｇが３ｅＶより大きい半導体材料）などを適用しても良い。
【００２１】
なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が「直上」または「直下」で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」の用語は説明の便宜のために用いる表現に過ぎない。
【００２２】
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【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、本明細書等においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【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。
【発明の効果】
【００２５】
酸化物半導体材料を用いたトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、これを記憶回路に用いることにより、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（ただし、電位は固定されていることが望ましい）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。
【００２６】
また、酸化物半導体材料を用いたトランジスタを含む記憶回路は、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、記憶素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性記憶装置のように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、酸化物半導体材料を用いたトランジスタを含む記憶回路では、従来の不揮発性記憶装置で問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。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、高速な動作も容易に実現しうる。また、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。
【００２７】
また、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体材料を用いたトランジスタよりも十分な高速動作が可能である。よって、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタを周辺回路（制御回路、駆動回路など）に用いることにより、高速動作を十分に確保した周辺回路を好適に実現することが可能である。したがって、これを、酸化物半導体材料を用いたトランジスタを含む記憶回路と組み合わせて用いることにより、半導体装置の動作（例えば、情報の読み出し動作や書き込み動作など）の高速動作を十分に確保することができる。
【００２８】
このように、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタ（換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ）を用いた周辺回路と、酸化物半導体材料を用いたトランジスタ（より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ）を用いた記憶回路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】
【００２９】
【図１】半導体装置の概念図。
【図２】半導体装置の回路図。
【図３】半導体装置の回路図。
【図４】タイミングチャート図。
【図５】タイミングチャート図。
【図６】半導体装置の回路図。
【図７】半導体装置の断面図。
【図８】半導体装置の作製工程に係る断面図。
【図９】半導体装置の作製工程に係る断面図。
【図１０】半導体装置の作製工程に係る断面図。
【図１１】半導体装置の作製工程に係る断面図。
【図１２】半導体装置の作製工程に係る断面図。
【図１３】電子機器を示す図。
【図１４】半導体装置の断面図。
【図１５】酸化物材料の結晶構造を説明する図。
【図１６】酸化物材料の結晶構造を説明する図。
【図１７】酸化物材料の結晶構造を説明する図。
【図１８】計算によって得られた移動度のゲート電圧依存性を説明する図。
【図１９】計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図。
【図２０】計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図。
【図２１】計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図。
【図２２】計算に用いたトランジスタの断面構造を説明する図。
【図２３】酸化物半導体層を用いたトランジスタ特性のグラフ。
【図２４】試料１のトランジスタのＢＴ試験後のＶ_ｇ−Ｉ_ｄ特性を示す図。
【図２５】試料２のトランジスタのＢＴ試験後のＶ_ｇ−Ｉ_ｄ特性を示す図。
【図２６】試料Ａおよび試料ＢのＸＲＤスペクトルを示す図。
【図２７】トランジスタのオフ電流と測定時基板温度との関係を示す図。
【図２８】Ｉ_ｄおよび電界効果移動度のＶ_ｇ依存性を示す図。
【図２９】基板温度としきい値電圧の関係および基板温度と電界効果移動度の関係を示す図。
【図３０】半導体装置の上面図及び断面図。
【図３１】半導体装置の上面図及び断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
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、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
【００３２】
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。
【００３３】
（実施の形態１）
本発明の一態様に係る半導体装置の構成について、図１乃至図６を参照して説明する。
【００３４】
〈半導体装置の構成〉
図１は、本発明の一態様に係る半導体装置の構成の一例を示す概念図である。本発明の一態様に係る半導体装置は、上部に記憶回路を有し、下部に記憶回路を駆動させるために高速動作が必要な駆動回路や制御回路などの周辺回路を有する、積層構造の半導体装置である。なお、駆動回路や制御回路は、論理回路であってもよいし、アナログ回路を有していても構わない。また、駆動回路や制御回路は、演算回路を有していてもよい。
【００３５】
図１（Ａ）に示す半導体装置は、下部にマトリクス状に配置された複数のセンスラッチ１９０を有するセンスラッチアレイ２０１を有し、上部にマトリクス状に配置された複数のメモリセル１７０（記憶素子とも記す）を有するメモリセルアレイ２０２（記憶回路とも記す）を有する。また、下部には、センスラッチアレイ２０１の他、第１ワード線駆動回路２０３、データ線駆動回路２０４、第２ワード線駆動回路２０５等の周辺回路が設けられている。なお、センスラッチアレイ２０１以外の第１ワード線駆動回路２０３、データ線駆動回路２０４及び第２ワード線駆動回路２０５を外部回路とも記す。
【００３６】
データ線駆動回路２０４は、読み出し回路、書き込み回路を有する。また、データ線駆動回路２０４は、センスラッチアレイ２０１が有する複数のセンスラッチ１９０と、ｎ本の第１データ線ＤＳ（１）〜ＤＳ（ｎ）及び第２データ線ＤＳＢ（１）〜ＤＳＢ（ｎ）を介して接続される。また、データ線駆動回路２０４は、アドレス信号に従って、センスラッチアレイ２０１から、所定のセンスラッチ１９０の列を選択する。読み出し回路は、選択された列のセンスラッチ１９０の出力信号を入力信号として、センスラッチ１９０に格納された情報を読み出す。また、書き込み回路は、選択された列のセンスラッチ１９０へ書き込む情報に対応する信号を出力する。なお、データ線駆動回路２０４は、プリチャージ回路を有していてもよい。プリチャージ回路は、選択された列のセンスラッチの入出力端子に所定の電位（プリチャージ電位Ｖｐｃ）を与える。
【００３７】
第１ワード線駆動回路２０３は、メモリセルアレイ２０２が有する複数のメモリセル１７０と、ｍ２本の第１ワード線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｍ２）を介して接続される。また、第１ワード線駆動回路２０３は、アドレス信号に従って、メモリセルアレイ２０２の所定のメモリセル１７０の行を選択する。選択する行は、一行であってもよいし、複数行であってもよい。
【００３８】
第２ワード線駆動回路２０５は、センスラッチアレイ２０１が有する複数のセンスラッチ１９０と、ｍ本の第２ワード線ＷＳ（１）〜ＷＳ（ｍ）を介して接続される。また、第２ワード線駆動回路２０５は、アドレス信号に従って、センスラッチアレイ２０１の所定のセンスラッチ１９０の行を選択する。選択する行は、一行であっても良いし、複数の行であってもよい。
【００３９】
図１（Ｂ）に、図１（Ａ）とは一部異なる半導体装置の例を示す。図１（Ｂ）に示す半導体装置は、下部にマトリクス状に配置された複数のセンスラッチ１９０を有するセンスラッチアレイ２０１を有し、上部にマトリクス状に配置された複数のメモリセル１７０を有する複数のメモリセルアレイ２０２（１）〜２０２（ｋ）を有する。また、下部には、センスラッチアレイ２０１の他、第１ワード線駆動回路２０３、データ線駆動回路２０４、第２ワード線駆動回路２０５等の周辺回路が設けられている。なお、図１（Ｂ）に示す半導体装置の１層目はセンスラッチアレイ２０１とし、２層目はメモリセルアレイ２０２（１）とし、（ｋ＋１）層目はメモリセルアレイ２０２（ｋ）とする。ここで、ｋは自然数とする。
【００４０】
データ線駆動回路２０４は、読み出し回路、書き込み回路を有する。また、データ線駆動回路２０４は、センスラッチアレイ２０１が有する複数のセンスラッチ１９０と、ｎ本の第１データ線ＤＳ（１）〜ＤＳ（ｎ）及び第２データ線ＤＳＢ（１）〜ＤＳＢ（ｎ）を介して接続される。また、データ線駆動回路２０４は、アドレス信号に従って、センスラッチアレイ２０１から、所定のセンスラッチ１９０の列を選択する。読み出し回路は、選択された列のセンスラッチ１９０の出力信号を入力信号として、センスラッチ１９０に格納された情報を読み出す。また、書き込み回路は、選択された列のセンスラッチ１９０へ書き込む情報に対応する信号を出力する。なお、データ線駆動回路２０４は、プリチャージ回路を有していてもよい。プリチャージ回路は、選択された列のセンスラッチの入出力端子に所定の電位（プリチャージ電位Ｖｐｃ）を与える。
【００４１】
第１ワード線駆動回路２０３は、メモリセルアレイ２０２（１）〜２０２（ｋ）のそれぞれが有する複数のメモリセル１７０と、ｋ×ｍ２本の第１ワード線ＷＬ（１）〜ＷＬ（ｋ×ｍ２）を介して接続される。また、第１ワード線駆動回路２０３は、メモリセルアレイを有する層を選択するアドレス信号に従って、メモリセルアレイ２０２（１）〜２０２（ｋ）の所定のメモリセルアレイを選択し、行を選択するアドレス信号に従って、選択された層のメモリセルアレイの所定のメモリセル１７０の行を選択する。また、選択するメモリセル１７０の行は、一行であってもよいし、複数行であってもよい。
【００４２】
第２ワード線駆動回路２０５は、センスラッチアレイ２０１が有する複数のセンスラッチ１９０と、ｍ本の第２ワード線ＷＳ（１）〜ＷＳ（ｍ）を介して接続される。また、第２ワード線駆動回路２０５は、アドレス信号に従って、センスラッチアレイ２０１から所定のセンスラッチ１９０の行を選択する。選択するセンスラッチの行は、一行であってもよいし、複数の行であってもよい。
【００４３】
〈メモリセル及びセンスラッチの構成〉
図２に、図１における半導体装置において、（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）のｉｘ行ｉｙ列におけるメモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ）と、１層目のセンスラッチアレイ２０１のｉｘ行ｉｙ列におけるセンスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）の回路構成を示す。
【００４４】
図２に示すメモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ）は、酸化物半導体材料を用いたトランジスタ１６２と、容量素子１６４とによって構成される。なお、図２において、酸化物半導体材料を用いたことを明示するために、ＯＳの符号を合わせて付している。
【００４５】
図２に示すメモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ）は、第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）とトランジスタ１６２のゲート電極とは電気的に接続され、容量線ＣＰ（ｉｘ、ｉｚ）と容量素子１６４の一方の端子とは電気的に接続され、容量素子１６４の他方の端子とトランジスタ１６２のソース電極又はドレイン電極とは電気的に接続され、トランジスタ１６２のソース電極又はドレイン電極とセンスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｐとは電気的に接続されている。なお、第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）とは、メモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ｉｘ行目の第１ワード線ＷＬを表し、容量線ＣＰ（ｉｘ、ｉｚ）とは、メモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ｉｘ行目の容量線ＣＰを表す。
【００４６】
また、図２に示すセンスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）は、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタ１８１〜１８８によって構成される。なお、酸化物半導体以外の半導体材料として、例えば、シリコン等を用いることができる。また、トランジスタ１８１〜１８３は、ｐチャネル型トランジスタであり、トランジスタ１８４〜１８８は、ｎチャネル型トランジスタである。
【００４７】
図２に示すセンスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）は、第１データ線ＤＳ（ｉｙ）とトランジスタ１８４のソース電極又はドレイン電極と電気的に接続され、第２データ線ＤＳＢ（ｉｙ）とトランジスタ１８５のソース電極又はドレイン電極と電気的に接続されている。また、信号線Ｓｐ（ｉｘ）は、トランジスタ１８１のゲート電極と電気的に接続され、第２ワード線ＷＳ（ｉｘ）は、トランジスタ１８４のゲート電極及びトランジスタ１８５のゲート電極と電気的に接続され、信号線Ｓｎ（ｉｘ）は、トランジスタ１８８のゲート電極と電気的に接続されている。
【００４８】
また、ｐチャネル型トランジスタであるトランジスタ１８２と、ｎチャネル型トランジスタであるトランジスタ１８６とによって、ＣＭＯＳ回路Ａが構成されている。同様に、ｐチャネル型トランジスタであるトランジスタ１８３と、ｎチャネル型トランジスタであるトランジスタ１８７とによって、ＣＭＯＳ回路Ｂが構成されている。ＣＭＯＳ回路Ａの出力端子は、ＣＭＯＳ回路Ｂの入力端子と、トランジスタ１８５のソース電極又はドレイン電極と接続され、ＣＭＯＳ回路Ａの入力端子は、ＣＭＯＳ回路Ｂの出力端子と、トランジスタ１８４のソース電極又はドレイン電極と接続されている。また、トランジスタ１８２のソース電極及びトランジスタ１８３のソース電極は、トランジスタ１８１のドレイン電極と接続され、トランジスタ１８６のソース電極及びトランジスタ１８７のソース電極は、トランジスタ１８８のドレイン電極と接続されている。
【００４９】
ここで、ＣＭＯＳ回路Ａの出力端子と、トランジスタ１８４のソース電極又はドレイン電極との間のノードをノードｐとする。また、ＣＭＯＳ回路Ｂの出力端子と、トランジスタ１８５のソース電極又はドレイン電極との間のノードをノードｑとする。
【００５０】
図２においては、センスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｐにメモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ）が接続される場合について説明したが、センスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｑにメモリセル１７０が接続されてもよいし、センスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｐ及びノードｑのそれぞれにメモリセル１７０が接続されてもよい。センスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｐ及びノードｑのそれぞれにメモリセルが接続される場合には、メモリセルアレイ２０２の集積度を高めることができる。
【００５１】
また、図２においては、センスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｐに、メモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ）が接続される場合について示したが、本発明の一態様はこれに限定されない。センスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｐに複数のメモリセルが接続されていてもよい。例えば、センスラッチアレイ２０１上に、複数のメモリセルアレイが積層されている場合、複数のメモリセルアレイが有するメモリセルのそれぞれと接続することができる。具体的には、メモリセルアレイがｉｚ層積層されている場合、センスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｐに、メモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、２）〜メモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ＋１）のそれぞれを接続することができる。なお、ノードｑにおいても同様である。
【００５２】
次に、図２に示すメモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ）に、情報の書き込み及び保持を行う場合について説明する。
【００５３】
まず、第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）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、センスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｐの電位が、容量素子１６４の第１端子に与えられる（書き込み）。その後、第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）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、容量素子１６４の第１の端子の電位（あるいは、容量素子１６４に蓄積された電荷）が保持される（保持）。
【００５４】
トランジスタ１６２のチャネル形成領域には、酸化物半導体材料が用いられている。チャネル形成領域に酸化物半導体材料が用いられたトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。これにより、トランジスタ１６２をオフ状態とすることで、容量素子１６４の第１の端子の電位（あるいは、容量素子１６４に蓄積された電荷）を極めて長時間にわたって保持することが可能となる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体材料を用いたトランジスタ１６２では、短チャネル効果が現れにくいというメリットもある。
【００５５】
次に、メモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ）に保持された情報の読み出しについて説明する。まず、第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）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、浮遊状態であるノードｐと、容量素子１６４とが導通し、ノードｐと容量素子１６４の間で電荷が再分配される。その結果、ノードｐの電位が変化する。ノードｐの電位の変化量は、容量素子１６４の第１の端子の電位（あるいは、容量素子１６４に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
【００５６】
例えば、容量素子１６４の第１の端子の電位をＶ、容量素子１６４の容量をＣ、ノードｐが有する容量成分（以下、ノードｐの容量とも呼ぶ）をＣＢ、電荷が再分配される前のノードｐの電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後のノードｐの電位は、Ｖｐ＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ）の状態として、容量素子１６４の第１の端子の電位が、Ｖ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合のノードｐの電位Ｖｐ１（＝ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合のノードｐの電位Ｖｐ０（＝ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
【００５７】
そして、ノードｐ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。センスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）においては、ノードｐの電位Ｖｐをノードｑの電位Ｖｑと比較する。ノードｑの電位Ｖｑは、ノードｐの電位Ｖｐ０とＶｐ１の間の値とすればよい。
【００５８】
酸化物半導体材料を用いたトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、これをメモリセルに用いることにより、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（ただし、電位は固定されていることが望ましい）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。これにより、磁性材料や光学材料を利用した別の記憶装置が不要となるため、半導体装置の小型化を図ることができる。
【００５９】
また、酸化物半導体材料を用いたトランジスタを含むメモリセルは、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、メモリセルの劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性記憶装置のように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、酸化物半導体材料を用いたトランジスタを含むメモリセルでは、従来の不揮発性記憶装置で問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。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、高速な動作も容易に実現しうる。また、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。
【００６０】
また、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体材料を用いたトランジスタよりも十分な高速動作が可能である。よって、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタを含むセンスラッチと、酸化物半導体材料を用いたトランジスタを含むメモリセルとを組み合わせて用いることにより、半導体装置の動作（例えば、情報の読み出し動作や書き込み動作など）の高速動作を十分に確保することができる。
【００６１】
〈半導体装置の駆動方法〉
次に、図２に示す半導体装置において、メモリセルアレイからセンスラッチアレイへの情報の読み出し、センスラッチアレイからメモリセルアレイへの情報の書き込み、及びメモリセルアレイの情報の保持について、図３乃至図６を参照して説明する。なお、メモリセルは、容量素子の第１端子に電位ＶＤＤまたは電位ＶＳＳの２状態を保持するとし、電位ＶＤＤを保持している状態をデータ”１”、電位ＶＳＳを保持している状態をデータ”０”とする。
【００６２】
図３に、データ線駆動回路２０４と、センスラッチアレイ２０１と、メモリセルアレイ２０２（ｉｚ）と、を示す。また、図３は、図１（Ｂ）に示す半導体装置の一部である。メモリセルアレイ２０２（ｉｚ）は、ｍ本の第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ）及び容量線ＣＰ（１、ｉｚ）〜ＣＰ（ｍ、ｉｚ）と、マトリクス状に配置された縦ｍ個×横ｎ個のメモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）と、を有する。また、センスラッチアレイ２０１は、ｍ本の信号線Ｓｐ（１）〜Ｓｐ（ｍ）、信号線Ｓｎ（１）〜Ｓｎ（ｍ）、及び第２ワード線ＷＳ（１）〜ＷＳ（ｍ）と、マトリクス状に配置された縦ｍ個×横ｎ個のセンスラッチ１９０（１、１、１）〜１９０（ｍ、ｎ、１）と、を有する。なお、ここでは、第１ワード線の本数と第２ワード線の本数ｍとを等しい構成とした（図１（Ｂ）におけるｍ２をｍとした）。なお、容量線ＣＰ（１、ｉｚ）〜ＣＰ（ｍ、ｉｚ）は共通の信号線としてもよい。
【００６３】
また、（１＋ｉｚ）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ｉｘ行ｉｙ列のメモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ）は、１層目のセンスラッチアレイ２０１において、ｉｘ行ｉｙ列のセンスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｐと接続される。他のメモリセル及びセンスラッチにおいても同様である。
【００６４】
また、データ線駆動回路２０４は、第１データ線ＤＳ（１）〜ＤＳ（ｎ）、第２データ線ＤＳＢ（１）〜ＤＳＢ（ｎ）を介してセンスラッチアレイ２０１と接続される。データ線駆動回路２０４は、信号線φｐｃと、ｎ個の読み出し回路２４１（１）〜２４１（ｎ）と、ｎ個の書き込み回路２４２（１）〜２４２（ｎ）と、ｎ個のプリチャージ回路２４３（１）〜２４３（ｎ）と、を有する。例えば、ｉｙ列において、読み出し回路２４１（ｉｙ）と、書き込み回路２４２（ｉｙ）と、プリチャージ回路２４３（ｉｙ）と、センスラッチ１９０（１、ｉｙ、１）〜１９０（ｍ、ｉｙ、１）とは、第１データ線ＤＳ（ｉｙ）及び第２データ線ＤＳＢ（ｉｙ）を介して電気的に接続される。
【００６５】
ここでは、（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ｉｘ行目のメモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）から、情報を読み出し、書き込み、及び保持を行う場合について、図４に示すタイミングチャートを参照して説明する。
【００６６】
図４（Ａ）は、信号線φｐｃ及び第２ワード線ＷＳ（ｉｘ）のタイミングチャートであり、図４（Ｂ）は、信号線Ｓｐ（ｉｘ）、信号線Ｓｎ（ｉｘ）及び第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）のタイミングチャートであり、図４（Ｃ）は、データ”１”を読み出す、あるいは書き込む場合に、メモリセル１７０に接続されるノードｐ及びノードｑのタイミングチャートであり、図４（Ｄ）は、データ”０”を読み出す、あるいは書き込む場合に、メモリセル１７０に接続されるノードｐ及びノードｑのタイミングチャートである。
【００６７】
メモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ｉｘ行目のメモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）から、情報を読み出すためには、まず、信号線Ｓｐ（ｉｘ）に電位ＶＤＤを与え、信号線Ｓｎ（ｉｘ）に電位ＶＳＳを与えることで、ｉｘ行目のセンスラッチ１９０（ｉｘ、１、１）〜１９０（ｉｘ、ｎ、１）を非アクティブにする。
【００６８】
また、ｉｘ行目のセンスラッチ１９０（ｉｘ、１、１）〜１９０（ｉｘ、ｎ、１）のそれぞれが有するノードｐ及びノードｑに電位Ｖｐｃを与えることで、プリチャージを行う。例えば、信号線φｐｃに電位ＶＤＤを与え、第２ワード線ＷＳ（ｉｘ）に電位ＶＤＤを与えることで、センスラッチ１９０（ｉｘ、１、１）〜１９０（ｉｘ、ｎ、１）のそれぞれが有するノードｐ及びノードｑに、電位Ｖｐｃが与えられる。電位Ｖｐｃは、例えば、（ＶＤＤ／２）とする。そして、信号線φｐｃ及び第２ワード線ＷＳ（ｉｘ）に与えられる電位をＶＳＳとすることで、プリチャージを終了させる。
【００６９】
次に、ｉｘ行目の第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）をアクティブにして、メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）のそれぞれが有するトランジスタをオン状態とする。ここでは、第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）に電位ＶＤＤより高い電位ＶＤＤＨを与えることとする。
【００７０】
その結果、メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）のうち、データ”１”が格納されたメモリセル１７０に接続されるノードｐは、ノードｐが有する容量成分とメモリセル１７０が有する容量素子との間で電荷が分配され、ノードｐの電位はわずかに上昇する。また、メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）のうち、データ”０”が格納されたメモリセル１７０に接続されるノードｐは、ノードｐが有する容量成分とメモリセル１７０が有する容量素子との間で電荷が分配され、ノードｐの電位はわずかに下降する。
【００７１】
次に、ｉｘ行目のセンスラッチ１９０（ｉｘ、１、１）〜１９０（ｉｘ、ｎ、１）をアクティブにする。具体的には、信号線Ｓｎ（ｉｘ）に与えられる電位を、電位ＶＳＳから電位ＶＤＤとし、信号線Ｓｐ（ｉｘ）に与えられる電位を、電位ＶＤＤから電位ＶＳＳとする。
【００７２】
その結果、ｉｘ行目のセンスラッチ１９０（ｉｘ、１、１）〜１９０（ｉｘ、ｎ、１）はアクティブとなり、ノードｐとノードｑとの電位差を増幅する。データ”１”が格納されたメモリセル１７０に接続されるセンスラッチ１９０のノードｐは、電荷の再分配によりノードｑと比較して電位がわずかに高い状態となっている。これにより、この電位差がセンスラッチにより増幅され、センスラッチに格納される。つまり、ノードｐには電位ＶＤＤが、ノードｑには電位ＶＳＳがそれぞれ与えられる。また、データ”０”が格納されたメモリセル１７０に接続されるセンスラッチ１９０のノードｐは、電荷の再分配によりノードｑと比較して電位がわずかに低い状態となっている。これにより、この電位差がセンスラッチにより増幅され、センスラッチに格納される。つまり、ノードｐには電位ＶＳＳが、ノードｑには電位ＶＤＤがそれぞれ与えられる。このようにして、メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）から、センスラッチ１９０（ｉｘ、１、１）〜１９０（ｉｘ、ｎ、１）へ、情報が読み出される。
【００７３】
その後、第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）を、非アクティブ（ここでは、電位ＶＳＳを与える。）として、メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）のそれぞれが有するトランジスタをオフ状態とする。このとき、メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）には、もともと格納されていた情報が、再び格納されることになる。
【００７４】
以上のようにして、メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）から、センスラッチ１９０（ｉｘ、１、１）〜１９０（ｉｘ、ｎ、１）に情報を読み出すことができる。
【００７５】
次に、（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ｉｘ行目のメモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）に、センスラッチ１９０（ｉｘ、１、１）〜１９０（ｉｘ、ｎ、１）に格納された情報を書き込む場合について、図４に示すタイミングチャートを参照して説明する。
【００７６】
メモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ｉｘ行目のメモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）に、センスラッチ１９０（ｉｘ、１、１）〜１９０（ｉｘ、ｎ、１）に格納された情報を書き込むためには、ｉｘ行目の第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）をアクティブにすればよい。ここでは、第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）に電位ＶＤＤより高い電位ＶＤＤＨを与えることとする。
【００７７】
その結果、センスラッチ１９０にデータ”１”が格納されている場合には、ノードｐにはＶＤＤが、ノードｑにはＶＳＳがそれぞれ与えられる。これにより、データ”１”が格納されたセンスラッチ１９０のノードｐと接続されたメモリセル１７０の容量素子の第１端子には、ＶＤＤが与えられる。また、センスラッチ１９０にデータ”０”が格納されている場合には、ノードｐにはＶＳＳが、ノードｑにはＶＤＤがそれぞれ与えられる。これにより、データ”０”が格納されたセンスラッチ１９０のノードｐと接続されたメモリセル１７０の容量素子の第１端子には、ＶＳＳが与えられる。
【００７８】
その後、第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）を非アクティブ（ここでは、電位ＶＳＳを与える。）にして、メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）のそれぞれが有するトランジスタをオフ状態とする。
【００７９】
以上のようにして、センスラッチ１９０（ｉｘ、１、１）〜１９０（ｉｘ、ｎ、１）から、メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）へ情報を書き込むことができる。
【００８０】
メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）に格納された情報を保持する場合には、メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）に接続される第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）を非アクティブ（ここでは、電位ＶＳＳを与える。）とすればよい。これにより、メモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ）のそれぞれが有するトランジスタがオフ状態となるため、容量素子の第１端子の電位（あるいは、容量素子に蓄積された電荷）は保持される。
【００８１】
次に、（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、１行目〜ｍ行目のメモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）から、情報を読み出し、書き込み、及び保持を行う場合について、図５に示すタイミングチャートを参照して説明する。
【００８２】
図５（Ａ）は、信号線φｐｃ及び第２ワード線ＷＳ（１）〜ＷＳ（ｍ）のタイミングであり、図５（Ｂ）は、信号線Ｓｐ（１）〜Ｓｐ（ｍ）、信号線Ｓｎ（１）〜Ｓｎ（ｍ）及び第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ）のタイミングであり、図５（Ｃ）は、データ”１”が格納されたメモリセル１７０に接続されるノードｐ及びノードｑのタイミングであり、図５（Ｄ）は、データ”０”が格納されたメモリセル１７０に接続されるノードｐ及びノードｑのタイミングである。
【００８３】
メモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、１行目〜ｍ行目のメモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）から、情報を読み出すためには、まず、信号線Ｓｐ（１）〜Ｓｐ（ｍ）に電位ＶＤＤを与え、信号線Ｓｎ（１）〜Ｓｎ（ｍ）に電位ＶＳＳを与えることで、１行目〜ｍ行目のメモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）を非アクティブにする。
【００８４】
次に、センスラッチ１９０（１、１、１）〜１９０（ｍ、ｎ、１）のそれぞれが有するノードｐ及びノードｑに電位Ｖｐｃを与えることで、プリチャージを行う。例えば、信号線φｐｃに電位ＶＤＤを与え、第２ワード線ＷＳ（１）〜ＷＳ（ｍ）に電位ＶＤＤを与えることで、センスラッチ１９０（１、１、１）〜１９０（ｍ、ｎ、１）のそれぞれが有するノードｐ及びノードｑに、電位Ｖｐｃが与えられる。電位Ｖｐｃは、例えば、（ＶＤＤ／２）とする。そして、信号線φｐｃ及び第２ワード線ＷＳ（１）〜ＷＳ（ｍ）に与えられる電位をＶＳＳとすることで、プリチャージを終了させる。
【００８５】
次に、１行目〜ｍ行目の第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ）をアクティブにして、メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）のそれぞれが有するトランジスタをオン状態とする。ここでは、第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ）に電位ＶＤＤより高い電位ＶＤＤＨを与えることとする。
【００８６】
その結果、メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）のうち、データ”１”が格納されたメモリセル１７０に接続されるノードｐは、ノードｐが有する容量成分とメモリセル１７０が有する容量素子との間で電荷が分配され、ノードｐの電位はわずかに上昇する。また、メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）のうち、データ”０”が格納されたメモリセル１７０に接続されるノードｐは、ノードｐが有する容量成分とメモリセル１７０が有する容量素子との間で電荷が分配され、ノードｐの電位はわずかに下降する。
【００８７】
次に、１行目〜ｍ行目のセンスラッチ１９０（１、１、１）〜１９０（ｍ、ｎ、１）をアクティブにする。具体的には、信号線Ｓｎ（１）〜Ｓｎ（ｍ）に与えられる電位を、電位ＶＳＳから電位ＶＤＤとし、信号線Ｓｐ（１）〜Ｓｐ（ｍ）に与えられる電位を、電位ＶＤＤから電位ＶＳＳとする。
【００８８】
その結果、センスラッチ１９０（１、１、１）〜１９０（ｍ、ｎ、１）はアクティブとなり、ノードｐとノードｑとの電位差を増幅する。データ”１”が格納されたメモリセル１７０に接続されるセンスラッチ１９０のノードｐは、電荷の再分配によりノードｑと比較して電位がわずかに高い状態となっている。これにより、この電位差がセンスラッチにより増幅され、センスラッチに格納される。つまり、ノードｐには電位ＶＤＤが、ノードｑには電位ＶＳＳがそれぞれ与えられる。また、データ”０”が格納されたメモリセル１７０に接続されるセンスラッチ１９０のノードｐは、電荷の再分配によりノードｑと比較して電位がわずかに低い状態となっている。これにより、この電位差がセンスラッチにより増幅され、センスラッチに格納される。つまり、ノードｐには電位ＶＳＳが、ノードｑには電位ＶＤＤがそれぞれ与えられる。このようにして、メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）から、センスラッチ１９０（１、１、１）〜１９０（ｍ、ｎ、１）へ、情報が読み出される。
【００８９】
その後、第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ）を、非アクティブ（ここでは、電位ＶＳＳを与える。）として、メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）のそれぞれが有するトランジスタをオフ状態とする。このとき、メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）には、もともと格納されていた情報が、再び格納されることになる。
【００９０】
以上のようにして、メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）から、センスラッチ１９０（１、１、１）〜１９０（ｍ、ｎ、１）に情報を読み出すことができる。
【００９１】
次に、（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、１行目〜ｍ行目のメモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）に、センスラッチ１９０（１、１、１）〜１９０（ｍ、ｎ、１）に格納された情報を書き込む場合について、図５に示すタイミングチャートを参照して説明する。
【００９２】
メモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、１行目〜ｍ行目のメモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）に、センスラッチ１９０（１、１、１）〜１９０（ｍ、ｎ、１）に格納された情報を書き込むためには、１行目〜ｍ行目の第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ）をアクティブにすればよい。ここでは、第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ）に電位ＶＤＤより高い電位ＶＤＤＨを与えることとする。
【００９３】
その結果、センスラッチ１９０にデータ”１”が格納されている場合には、ノードｐにはＶＤＤが、ノードｑにはＶＳＳがそれぞれ与えられる。これにより、データ”１”が格納されたセンスラッチ１９０のノードｐと接続されたメモリセル１７０の容量素子の第１端子には、ＶＤＤが与えられる。また、センスラッチにデータ”０”が格納されている場合には、ノードｐにはＶＳＳが、ノードｑにはＶＤＤがそれぞれ与えられる。これにより、データ”０”が格納されたセンスラッチ１９０のノードｐと接続されたメモリセル１７０の容量素子の第１端子には、ＶＳＳが与えられる。
【００９４】
その後、第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ）を非アクティブ（ここでは、電位ＶＳＳを与える。）にして、メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）のそれぞれが有するトランジスタをオフ状態とする。
【００９５】
以上のようにして、センスラッチ１９０（１、１、１）〜１９０（ｍ、ｎ、１）から、メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）へ情報を書き込むことができる。
【００９６】
メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）に格納された情報を保持する場合には、メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）に接続される第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ）を非アクティブ（ここでは、電位ＶＳＳを与える。）とすればよい。これにより、メモリセル１７０（１、１、ｉｚ）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ）のそれぞれが有するトランジスタがオフ状態となるため、容量素子の第１端子の電位（あるいは、容量素子に蓄積された電荷）は保持される。
【００９７】
次に、図６に、図１（Ｂ）に示す半導体装置の一部を示す。図６に示すセンスラッチ１９０は、図３に示すセンスラッチ１９０と、一部異なる。つまり、図３に示すセンスラッチ１９０では、８個のトランジスタで構成されているのに対し、図６に示すセンスラッチ１９０では、６個のトランジスタで構成されている。また、図６に示すセンスラッチ１９０では、図２においてトランジスタ１８１、１８８に相当するトランジスタが、各行に設けられている構成となっている。このような構成とすることで、センスラッチアレイ２０１の占める面積を、図３と比較して、縮小することができる。
【００９８】
また、図６に示すセンスラッチ１９０のノードｐ及びノードｑそれぞれにメモリセルを設ける構成としている。これにより、メモリセルアレイ２０２を、図３と比較して、高集積化することができる。
【００９９】
図６において、メモリセルアレイ２０２（ｉｚ）は、ノードｐに接続されるｍ本の第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ、１）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ、１）及びノードｐに接続される容量線ＣＰ（１、ｉｚ、１）〜ＣＰ（ｍ、ｉｚ、１）と、ノードｐに接続されるマトリクス状に配置された縦ｍ個×横ｎ個のメモリセル１７０（１、１、ｉｚ、１）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ、１）と、を有する。また、ノードｑに接続されるｍ本の第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ、２）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ、２）及びノードｑに接続される容量線ＣＰ（１、ｉｚ、２）〜ＣＰ（ｍ、ｉｚ、２）と、ノードｑに接続されるマトリクス状に配置された縦ｍ個×横ｎ個のメモリセル１７０（１、１、ｉｚ、２）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ、２）と、を有する。つまり、メモリセルアレイ２０２（ｉｚ）は、ｍ×２本の第１ワード線ＷＬと、ｍ×２本の容量線ＣＰと、縦（ｍ×２）個×横ｎ個のメモリセル１７０と、を有する。また、センスラッチアレイ２０１は、ｍ本の信号線Ｓｐ（１）〜Ｓｐ（ｍ）、信号線Ｓｎ（１）〜Ｓｎ（ｍ）、及び第２ワード線ＷＳ（１）〜ＷＳ（ｍ）と、マトリクス状に配置された縦ｍ個×横ｎ個のセンスラッチ１９０（１、１、１）〜１９０（ｍ、ｎ、１）と、を有する。つまり、ここでは、第１ワード線ＷＬの本数は第２ワード線ＷＳの本数の２倍である構成とした（図１（Ｂ）におけるｍ２を２×ｍとする）。なお、容量線ＣＰ（１、ｉｚ、１）〜ＣＰ（ｍ、ｉｚ、１）及びＣＰ（１、ｉｚ、２）〜ＣＰ（ｍ、ｉｚ、２）は共通の信号線としてもよい。
【０１００】
また、（１＋ｉｚ）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ｉｘ行ｉｙ列のメモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ、１）は、１層目のセンスラッチアレイ２０１において、ｉｘ行ｉｙ列のセンスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｐと接続される。また、ｉｘ行ｉｙ列のメモリセル１７０（ｉｘ、ｉｙ、ｉｚ、２）は、１層目のセンスラッチアレイ２０１において、ｉｘ行ｉｙ列のセンスラッチ１９０（ｉｘ、ｉｙ、１）のノードｑと接続される。他のメモリセル及びセンスラッチにおいても同様である。
【０１０１】
また、データ線駆動回路２０４は、第１データ線ＤＳ（１）〜ＤＳ（ｎ）、第２データ線ＤＳＢ（１）〜ＤＳＢ（ｎ）を介してセンスラッチアレイ２０１と接続される。データ線駆動回路２０４は、ｎ個の読み出し回路２４１（１）〜２４１（ｎ）と、ｎ個の書き込み回路２４２（１）〜２４２（ｎ）と、ｎ個のプリチャージ回路２４３（１）〜２４３（ｎ）と、を有する。例えば、ｉｙ列において、読み出し回路２４１（ｉｙ）と、書き込み回路２４２（ｉｙ）と、プリチャージ回路２４３（ｉｙ）と、センスラッチ１９０（１、ｉｙ、１）〜１９０（ｍ、ｉｙ、１）とは、第１データ線ＤＳ（ｉｙ）及び第２データ線ＤＳＢ（ｉｙ）を介して電気的に接続される。
【０１０２】
図６に示す回路の動作については、図３に示す回路の動作と同様である。つまり、（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ｉｘ行目のメモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ、１）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ、１）から、情報を読み出し、書き込み、及び保持を行う場合については、図４に示すタイミングチャートにおいて、第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）を第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ、１）と置き換えることで、そのまま適用することができる。また、（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ｉｘ行目のメモリセル１７０（ｉｘ、１、ｉｚ、２）〜１７０（ｉｘ、ｎ、ｉｚ、２）から、情報を読み出し、書き込み、及び保持を行う場合については、図４に示すタイミングチャートにおいて、第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ）を第１ワード線ＷＬ（ｉｘ、ｉｚ、２）と置き換えることで、そのまま適用することができる。
【０１０３】
また、（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ノードｐに接続された１行目〜ｍ行目のメモリセル１７０（１、１、ｉｚ、１）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ、１）から、情報を読み出し、書き込み、及び保持を行う場合については、図５に示すタイミングチャートにおいて、第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ）を第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ、１）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ、１）と置き換えることで、そのまま適用することができる。また、（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）において、ノードｑに接続された１行目〜ｍ行目のメモリセル１７０（１、１、ｉｚ、２）〜１７０（ｍ、ｎ、ｉｚ、２）から、情報を読み出し、書き込み、及び保持を行う場合については、図５に示すタイミングチャートにおいて、第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ）を第１ワード線ＷＬ（１、ｉｚ、２）〜ＷＬ（ｍ、ｉｚ、２）と置き換えることで、そのまま適用することができる。
【０１０４】
なお、本実施の形態では、第（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）として、縦ｍ個×横ｎ個のメモリセルを有する場合と、縦（ｍ×２）個×横ｎ個のメモリセルを有する場合と、を示した。本発明の一態様に係る半導体装置はこれに限定されない。第（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）として、各センスラッチのノードｐにｉｐ個のメモリセルが接続され、各センスラッチのノードｑにｉｑ個のメモリセルが接続されていても構わない（ｉｐ、ｉｑは自然数）。この場合、第（ｉｚ＋１）層目のメモリセルアレイ２０２（ｉｚ）に接続される第１ワード線ＷＬの本数は第２ワード線ＷＳの本数の（ｉｐ＋ｉｑ）倍となる（図１（Ｂ）においてｍ２＝（ｉｐ＋ｉｑ）×ｍとなる）。
【０１０５】
以上のように、本発明の一態様に係る半導体装置は、１層目に酸化物半導体以外の半導体材料を用いたセンスラッチアレイと、２層目（または２層目以上）に酸化物半導体材料を用いたメモリセルアレイと、を有することにより、高速書き込み及び読み出し、かつ実質的に不揮発なメモリを実現できる。特に、上記のように、センスラッチの数（縦ｍ個×横ｎ個）のメモリセルから並列に情報を読み出すことや書き込むことが可能であるため、メモリセルからセンスラッチへのビットあたりの読み出し速度やビットあたりの書き込み速度は、非常に高速とすることができる。勿論、外部回路からセンスラッチアレイへの書き込み動作、センスラッチアレイから外部回路への読み出し動作においても高速動作を実現することができる。
【０１０６】
また、酸化物半導体を用いたトランジスタを含むメモリセルは、従来のフラッシュメモリと比較すると、動作原理の違いにより、１ビットあたりの書き込み動作が非常に高速である。例えば、従来のフラッシュメモリを記憶回路として用い、一つのメモリセルに着目すると、トンネル電流による書き込みを行う場合、微少な電流を用いて電荷の注入・放出を行うため高速な動作は困難である。ホットエレクトロン書き込みを行う場合には、より高速な書き込みが可能であるが、消費電流が高く、一度に多くのビット数の書き込みを行うことは困難である。また、いずれの方式においても、書き込み動作では高電位が必要となるため、高電位を生成するための昇圧回路が必要となる。また、磁性材料を用いた記憶装置であるＭＲＡＭは、書き込み動作における消費電流が比較的高いといった問題がある。したがって、ＭＲＡＭを記憶回路として用い、１度に多くのビット数の書き込みを行う場合、消費電流が非常に高くなるという問題が生じる。
【０１０７】
これに対し、酸化物半導体を用いたトランジスタを含むメモリセルでは、トンネル電流を流すような高電圧を必要とせず、消費電流も非常に低い。したがって、本発明の一態様に係る半導体装置は、１度に１層目のセンスラッチアレイ２０１と同じビット数を上層のメモリセルアレイ２０２に書き込むことが可能である。これにより、ビットあたりの書き込み速度が非常に速いメモリセルアレイを実現することができる。
【０１０８】
さらに、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、従来のＤＲＡＭのように、リフレッシュ動作なしでは１秒以下で記憶内容が失われるような揮発性ではなく、従来のＤＲＡＭより極めて長期にわたり記憶内容を保持することができる。したがって、酸化物半導体をも用いたトランジスタを、メモリセルとして用いることにより、実質的に不揮発なメモリセルを実現することができる。
【０１０９】
また、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体材料を用いたトランジスタよりも十分な高速動作が可能である。よって、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタをセンスラッチに用いることにより、高速動作を十分に確保したセンスラッチアレイ及びデータ線駆動回路などの周辺回路を好適に実現することが可能である。したがって、これを、酸化物半導体材料を用いたトランジスタを含むメモリセルアレイと組み合わせて用いることにより、半導体装置の動作（例えば、情報の読み出し動作や書き込み動作など）の高速動作を十分に確保することができる。
【０１１０】
このように、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタ（換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ）を用いた駆動回路などの周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ（より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ）を用いた記憶回路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。
【０１１１】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１１２】
（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構成及びその作製方法について、図７乃至図１１を参照して説明する。
【０１１３】
〈半導体装置の断面構成〉
図７に、本発明の一態様に係る半導体装置の断面図を示す。図７において、Ａ１−Ａ２は、トランジスタのチャネル長方向に垂直な断面図であり、Ｂ１−Ｂ２は、ノードｐにおける断面図である。図７に示す半導体装置は下部にセンスラッチアレイ２０１を有し、上部にメモリセルアレイ２０２（１）〜２０２（ｋ）を有する。下部のセンスラッチアレイ２０１では、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタ１８０を有し、上部のメモリセルアレイ２０２（１）〜２０２（ｋ）では、酸化物半導体材料を用いたトランジスタ１６２を有する。
【０１１４】
図７に示す半導体装置の１層目には、酸化物半導体以外の半導体材料を含むトランジスタ１８０を有する。トランジスタ１８０は、半導体材料（例えば、シリコンなど）を含む基板１００に設けられたチャネル形成領域１１６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１２０と、不純物領域１２０に接する金属化合物領域１２４と、チャネル形成領域１１６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、金属化合物領域１２４と電気的に接続するソース電極又はドレイン電極１３０ａ、１３０ｂと、を有する。また、トランジスタ１８０を覆うように、絶縁層１２８が設けられている。ソース電極又はドレイン電極１３０ａ、１３０ｂは、絶縁層１２８に形成された開口を通じて、金属化合物領域１２４と電気的に接続されている。また、絶縁層１２８上には、ソース電極又はドレイン電極１３０ａに接して導電層１３６ａが形成され、ソース電極又はドレイン電極１３０ｂに接して導電層１３６ｂが形成されている。なお、トランジスタ１８０は、ｎチャネル型またはｐチャネル型のいずれであってもよい。酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタ１８０を含むセンスラッチ１９０をマトリクス状に設けることにより、センスラッチアレイ２０１を設けることができる。また、酸化物半導体以外の半導体材料を含むトランジスタ１８０を、複数組み合わせることによって、第１ワード線駆動回路２０３等の周辺回路も構成することができる。
【０１１５】
また、基板１００上にはトランジスタ１８０を囲むように素子分離絶縁層１０６が設けられている。なお、高集積化を実現するためには、図７に示すようにトランジスタ１８０がサイドウォール絶縁層を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ１８０の特性を重視する場合には、ゲート電極１１０の側面にサイドウォール絶縁層を設け、そのサイドウォール絶縁層と重畳する領域に形成された不純物濃度が異なる領域を含めて不純物領域１２０を設けても良い。
【０１１６】
メモリセルアレイ２０２（１）は、センスラッチアレイ２０１上に絶縁層１４０を介して設けられている。また、メモリセルアレイ２０２（１）はメモリセル１７０を有し、メモリセル１７０は、トランジスタ１６２及び容量素子１６４を用いて構成されている。トランジスタ１６２は、絶縁層１４０などの上に設けられた酸化物半導体層１４４と、酸化物半導体層１４４と電気的に接続されているソース電極又はドレイン電極１４２ａ、およびソース電極又はドレイン電極１４２ｂと、酸化物半導体層１４４、ソース電極又はドレイン電極１４２ａ、およびソース電極又はドレイン電極１４２ｂ、を覆うゲート絶縁層１４６と、ゲート絶縁層１４６上に酸化物半導体層１４４と重畳するように設けられたゲート電極１４８ａと、を有する。酸化物半導体材料を用いたトランジスタ１６２を含むメモリセル１７０をマトリクス状に設けることにより、メモリセルアレイ２０２（１）を設けることができる。また、メモリセルアレイ２０２（ｋ）におけるトランジスタ１７２の構成もトランジスタ１６２と同様である。
【０１１７】
ここで、メモリセル１７０のトランジスタに用いられる酸化物半導体層１４４は水素などの不純物が十分に除去されることにより、または、十分な酸素が供給されることにより、高純度化されたものであることが望ましい。具体的には、例えば、酸化物半導体層１４４の水素濃度は５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、望ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より望ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。なお、上述の酸化物半導体層１４４中の水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定されるものである。このように、水素濃度が十分に低減されて高純度化され、十分な酸素の供給により酸素欠乏に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位が低減された酸化物半導体層１４４では、キャリア濃度が１×１０^１２／ｃｍ^３未満、望ましくは、１×１０^１１／ｃｍ^３未満、より望ましくは１．４５×１０^１０／ｃｍ^３未満となる。例えば、室温（２５℃）でのオフ電流（ここでは、単位チャネル幅（１μｍ）あたりの値）は１００ｚＡ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×１０^−２１Ａ）以下、望ましくは１０ｚＡ以下となる。このように、ｉ型化（真性化）または実質的にｉ型化された酸化物半導体材料をトランジスタ（トランジスタ１６２）に用いることで、極めて優れたオフ電流特性を得ることができる。
【０１１８】
また、酸化物半導体層１４４は、アルカリ金属、及びアルカリ土類金属の濃度が充分に低減されたものであることが望ましい。ＳＩＭＳ分析法により測定されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度は、例えば、Ｎａの場合、５×１０^１６ｃｍ^−３以下、好ましくは１×１０^１６ｃｍ^−３以下、さらに好ましくは１×１０^１５ｃｍ^−３以下、Ｌｉの場合、５×１０^１５ｃｍ^−３以下、好ましくは１×１０^１５ｃｍ^−３以下、Ｋの場合、５×１０^１５ｃｍ^−３以下、好ましくは１×１０^１５ｃｍ^−３以下とする。
【０１１９】
酸化物半導体は不純物に対して鈍感であり、膜中にはかなりの金属不純物が含まれていても問題がなく、ナトリウムのようなアルカリ金属が多量に含まれる廉価なソーダ石灰ガラスも使えると指摘されている（神谷、野村、細野、「アモルファス酸化物半導体の物性とデバイス開発の現状」、固体物理、２００９年９月号、Ｖｏｌ．４４、ｐ．６２１−６３３）。しかし、このような指摘は適切でない。アルカリ金属、及びアルカリ土類金属は酸化物半導体にとっては悪性の不純物であり、少ないほうがよい。特にアルカリ金属のうち、Ｎａは酸化物半導体に接する絶縁膜が酸化物であった場合、その中に拡散し、Ｎａ^＋となる。また、酸化物半導体内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合中に割り込む。その結果、トランジスタ特性の劣化（例えば、ノーマリオン化（しきい値の負へのシフト）、移動度の低下等）をもたらす。加えて、特性のばらつきの原因ともなる。このような問題は、特に酸化物半導体中の水素の濃度が十分に低い場合において顕著となる。したがって、酸化物半導体中の水素の濃度が５×１０^１９ｃｍ^−３以下、特に５×１０^１８ｃｍ^−３以下である場合には、アルカリ金属の濃度を上記の値にすることが強く求められる。
【０１２０】
容量素子１６４は、ソース電極又はドレイン電極１４２ａ、ゲート絶縁層１４６、および導電層１４８ｂ、とで構成される。すなわち、ソース電極又はドレイン電極１４２ａは、容量素子１６４の一方の電極として機能し、導電層１４８ｂは、容量素子１６４の他方の電極として機能することになる。このような構成とすることにより、十分な容量を確保することができる。また、酸化物半導体層１４４とゲート絶縁層１４６とを積層させる場合には、ソース電極又はドレイン電極１４２ａと、導電層１４８ｂとの絶縁性を十分に確保することができる。さらに、容量が不要の場合は、容量素子１６４を設けない構成とすることもできる。また、メモリセルアレイ２０２（ｋ）における容量素子１７４の構成も、容量素子１６４と同様である。
【０１２１】
トランジスタ１６２および容量素子１６４の上には絶縁層１５０および絶縁層１５２が設けられている。そして、ゲート絶縁層１４６、絶縁層１５０、絶縁層１５２などに形成された開口には、電極１５４ａ、電極１５４ｂが設けられ、絶縁層１５２上には、電極１５４ａ、電極１５４ｂと接続する配線１５６が形成される。配線１５６は、メモリセルの一と他のメモリセルとを接続する配線であり、１層目に形成されるセンスラッチ１９０のノードｐと接続する配線である。また、配線１５６は、電極１５４ｂと、電極１４２ｃと、１２６と、を介して導電層１３６ｃと接続されている。これにより、下層のセンスラッチアレイ２０１と、上層のメモリセルアレイ２０２（１）とを接続することができる。なお、図７において、電極１４２ｃは、電極１２６を介して導電層１３６ｃと電気的に接続する場合について示したが、絶縁層１４０に開口を設け、電極１４２ｃと導電層１３６ｃとが直接接する構造としてもよい。なお、図７においては、ノードｐの構造について説明したが、ノードｑの構造についても同様である。
【０１２２】
また、図７では、配線１５６を介して、センスラッチ１９０のノードｐと、メモリセル１７０とを接続する例について説明したが、図１４に示すように、導電層１３６ｃと、電極１２６とソース電極又はドレイン電極１４２ｂとを接続することで、センスラッチ１９０のノードｐと、メモリセル１７０とを接続することもできる。
【０１２３】
また、図７においては、メモリセルアレイを、ｋ層積層した例を示している。酸化物半導体材料を用いたメモリセルアレイは、以下のように、従来のＤＲＡＭと比較して作製工程を簡略化することができる。
【０１２４】
従来ＤＲＡＭは、ビット線に接続されるメモリセル数が多く、大きなビット線容量を有するために、メモリセルには大きな容量素子を作り込む必要がある。そのため、容量素子は高さ方向に大きいものとなり、作製工程も複雑なものとなる。
【０１２５】
一方、本発明の一態様に係る半導体装置は、ノードｐあるいはノードｑに接続されるメモリセル数が少なく（例えば、６４個以下、より好ましくは３２個以下）、ノードｐあるいはノードｑが有する容量成分が小さいという特徴を有する。
【０１２６】
ところで、読み出し動作では、メモリセルが有する容量素子とノードｐあるいはノードｑが有する容量との間で電荷再分配が行われることによる電位変動を検知する。このことは、ノードｐあるいはノードｑが有する容量が小さいほど、メモリセルが有する容量素子を小さくできることを意味する。
【０１２７】
従って、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来のＤＲＡＭと比較して容量素子の作製工程を容易にすることが可能となる。さらに、メモリセルが有する容量を十分小さくすることで、容量素子を平面構造で作り込むことが可能となる。その結果、容量素子の作製工程が簡略化されるとともに、メモリセルを容易に積層することが可能となる。
【０１２８】
このように、酸化物半導体材料を用いてメモリセルアレイを形成することにより、メモリセルアレイを２層以上積層して形成することができる。これにより、半導体装置の高集積化を図ることができる。
【０１２９】
〈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１８０の作製方法について図８及び図９を参照して説明し、その後、上部のトランジスタ１６２および容量素子１６４の作製方法について図１０及び図１１を参照して説明する。
【０１３０】
〈下部のトランジスタの作製方法〉
まず、基板１００を用意する（図８（Ａ）参照）。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、ガリウムヒ素、インジウムリンなどの化合物半導体基板を適用することができる。また、基板１００として、ＳＯＩ基板も適用することができる。ここでは、基板１００として、単結晶シリコン基板を用いる場合について示す。なお、一般に「ＳＯＩ基板」は、絶縁表面上にシリコン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も含む。つまり、「ＳＯＩ基板」が有する半導体層は、シリコン層に限定されない。また、ＳＯＩ基板には、ガラス基板などの絶縁基板上に絶縁層を介して半導体層が設けられた構成も含む。なお、基板１００は、酸化物半導体材料を含まないため、酸化物半導体以外の半導体材料を含む基板１００とも記す。
【０１３１】
基板１００として、特に、シリコンなどの単結晶半導体基板を用いる場合には、実施の形態１に示すセンスラッチアレイ２０１等の周辺回路の動作を高速化することができるため好ましい。
【０１３２】
次に、基板１００上に、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８（Ａ）参照）。保護層としては、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸化窒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。基板１００がシリコンの場合、ｎ型の導電性を付与する不純物元素としては、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元素としては、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。
【０１３３】
次に、上記の保護層１０２をマスクとして、エッチングを行い、保護層１０２に覆われていない領域（露出している領域）の、基板１００の一部を除去する。これにより、他の半導体領域と分離された半導体領域１０４が形成される（図８（Ｂ）参照）。当該エッチングには、ドライエッチングを用いることが好適であるが、ウェットエッチングを用いてもよい。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。
【０１３４】
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８（Ｃ）参照）。当該絶縁層は、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸化窒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。絶縁層の除去方法としては、化学的機械研磨（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ、以下ＣＭＰ処理という）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よい。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。
【０１３５】
ここで、ＣＭＰ処理とは、被加工物の表面を基準にし、それにならって表面を化学的・機械的な複合作用により平坦化する手法である。より具体的には、研磨ステージの上に研磨布を貼り付け、被加工物と研磨布との間にスラリー（研磨剤）を供給しながら研磨ステージと被加工物とを各々回転または揺動させて、スラリーと被加工物との化学反応と、研磨布の被加工物との機械研磨の作用により、被加工物の表面を研磨する方法である。
【０１３６】
なお、素子分離絶縁層１０６の形成方法として、絶縁層を選択的に除去する方法の他、酸素または窒素を打ち込むことにより、絶縁性の領域を形成する方法などを用いることもできる。
【０１３７】
次に、半導体領域１０４の表面に絶縁層を形成し、当該絶縁層上に導電材料を含む層を形成する。
【０１３８】
絶縁層は、後にゲート絶縁層となるものであり、例えば、半導体領域１０４表面の熱処理（熱酸化処理や熱窒化処理など）によって形成することができる。熱処理に代えて、高密度プラズマ処理を適用してもよい。高密度プラズマ処理は、例えば、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガス、酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素、水素などのうちいずれかの混合ガスを用いて行う。もちろん、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて絶縁層を形成しても良い。当該絶縁層は、酸化シリコン、酸窒化シリコン、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、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））等を含む単層構造または積層構造とすることが望ましい。また、絶縁層の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【０１３９】
導電材料を含む層は、後にゲート電極となるものであり、例えば、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、多結晶シリコンなどの半導体材料を用いて、導電材料を含む層を形成しても良い。形成方法も特に限定されず、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用いることができる。なお、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。
【０１４０】
次に、絶縁層及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８（Ｃ）参照）。
【０１４１】
次に、半導体領域１０４にリンや砒素などを添加して、チャネル形成領域１１６および不純物領域１２０を形成する（図８（Ｄ）参照）。ここで、ｎ型のトランジスタを形成する場合には、リンや砒素を添加し、ｐ型のトランジスタを形成する場合には、硼素やアルミニウムなどの不純物元素を添加すればよい。ここで添加する不純物元素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。
【０１４２】
なお、ゲート電極１１０の周囲にサイドウォール絶縁層を形成して、不純物元素が異なる濃度で添加された不純物領域を形成してもよい。
【０１４３】
次に、ゲート電極１１０、不純物領域１２０などを覆うように金属層１２２を形成する（図８（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することによっ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。
【０１４４】
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、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８（Ｅ）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と接する部分にも、金属化合物領域が形成されることになる。
【０１４５】
上記熱処理としては、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を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。
【０１４６】
次に、上述の工程により形成された各構成を覆うように、絶縁層１２８を形成する（図９（Ａ）参照）。絶縁層１２８は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム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。特に、絶縁層１２８に誘電率の低い（ｌｏｗ−ｋ）材料を用いることで、各種電極や配線の重なりに起因する容量を十分に低減することが可能となるため好適である。なお、絶縁層１２８には、これらの材料を用いた多孔質の絶縁層を適用してもよい。多孔質の絶縁層では、密度の高い絶縁層と比較して誘電率が低下するため、電極や配線に起因する容量をさらに低減することが可能である。また、絶縁層１２８は、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、図９（Ａ）では、絶縁層１２８の単層構造を示すが、２層以上の積層構造としてもよい。
【０１４７】
次に、絶縁層１２８に金属化合物領域１２４にまで達する開口を形成し、当該開口を埋め込むように導電材料を含む層を形成する。導電材料を含む層は、後にソース電極又はドレイン電極１３０ａ、１３０ｂになるものであり、アルミニウム、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、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よい。形成方法も特に限定されず、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用いることができる。
【０１４８】
次に、導電材料を含む層を選択的にエッチングして、導電層１３６ａ、１３６ｂ、及び導電層１３６ｃを形成する（図９（Ｃ）参照）。
【０１４９】
以上により、酸化物半導体以外の半導体材料を含む基板１００を用いたトランジスタ１８０が形成される（図９（Ｃ）参照）。また、このようなトランジスタ１８０を複数作製することにより、センスラッチアレイ２０１を含む周辺回路を作製することができる。トランジスタ１８０は、高速動作が可能であるという特徴を有する。このため、トランジスタ１８０をセンスラッチアレイ２０１等の周辺回路に適用することにより、センスラッチアレイ２０１等の周辺回路の動作を高速化することができるため好適である。
【０１５０】
次に、上記の工程により形成された各構成を覆うように、絶縁層１４０を形成する（図９（Ｄ）参照）。絶縁層１４０は、絶縁層１２８で示した材料及び形成方法を適用することができる。
【０１５１】
次に、絶縁層１４０に導電層１３６ｃにまで達する開口を形成し、当該開口を埋め込むように導電材料を含む層を形成する。導電材料を含む層は、ゲート電極１１０や、導電層１３６ａ、１３６ｂを形成する際に示した材料及び形成方法を適用することができる。
【０１５２】
その後、トランジスタ１６２及び容量素子１６４の形成前の処理として、絶縁層１４０にＣＭＰ処理を施して、絶縁層１４０表面を平坦化させる。これにより、絶縁層１４０に埋め込まれた電極１２６が形成される。このとき、電極１２６の上面を露出させることが好ましい（図９（Ｄ）参照）。絶縁層１４０の平坦化処理としては、ＣＭＰ処理の他にエッチング処理などを適用することも可能であるが、トランジスタ１６２の特性を向上させるために、絶縁層１４０の表面は可能な限り平坦にしておくことが望ましい。
【０１５３】
なお、上記の各工程の前後には、さらに電極や配線、半導体層、絶縁層などを形成する工程も含んでいてもよい。例えば、配線の構造として、絶縁層及び導電層の積層構造でなる多層配線構造を採用して、高度に集積化した半導体装置を実現することも可能である。
【０１５４】
〈上部のトランジスタの作製方法〉
まず、絶縁層１４０、電極１２６などの上に酸化物半導体層を成膜する。
【０１５５】
酸化物半導体層は、スパッタリング法等を用いて、少なくとも亜鉛を含む金属酸化物ターゲットを用い、得られる膜厚を５ｎｍ以上５０μｍ以下となるように成膜する。
【０１５６】
用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。
【０１５７】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
【０１５８】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【０１５９】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【０１６０】
また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ_３ＳｎＯ_５（ＺｎＯ）_ｎ（ｎ＞０）で表記される材料を用いてもよい。
【０１６１】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【０１６２】
しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間結合距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【０１６３】
例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を上げることができる。
【０１６４】
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、下記数１を満たすことを言う。
【０１６５】
【数１】

【０１６６】
ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。
【０１６７】
酸化物半導体は単結晶でも、非単結晶でもよい。後者の場合、アモルファスでも、多結晶でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファスでもよい。
【０１６８】
アモルファス状態の酸化物半導体は、比較的容易に平坦な表面を得ることができるため、これを用いてトランジスタを作製した際の界面散乱を低減でき、比較的容易に、比較的高い移動度を得ることができる。
【０１６９】
また、結晶性を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。
【０１７０】
なお、Ｒａは、ＪＩＳＢ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」と表現でき、以下の式にて定義される。
【０１７１】
【数２】

【０１７２】
なお、上記において、Ｓ_０は、測定面（座標（ｘ_１，ｙ_１）（ｘ_１，ｙ_２）（ｘ_２，ｙ_１）（ｘ_２，ｙ_２）で表される４点によって囲まれる長方形の領域）の面積を指し、Ｚ_０は測定面の平均高さを指す。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて評価可能である。
【０１７３】
本実施の形態では、ｃ軸配向し、かつａｂ面、表面または界面の方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸においては金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列しており、ａｂ面においてはａ軸またはｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を中心に回転した）結晶（ＣＡＡＣ：ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌともいう。）を含む酸化物について説明する。
【０１７４】
ＣＡＡＣを含む酸化物とは、広義に、非単結晶であって、そのａｂ面に垂直な方向から見て、三角形、六角形、正三角形または正六角形の原子配列を有し、かつｃ軸方向に垂直な方向から見て、金属原子が層状、または金属原子と酸素原子が層状に配列した相を含む酸化物をいう。
【０１７５】
ＣＡＡＣは単結晶ではないが、非晶質のみから形成されているものでもない。また、ＣＡＡＣは結晶化した部分（結晶部分）を含むが、１つの結晶部分と他の結晶部分の境界を明確に判別できないこともある。
【０１７６】
ＣＡＡＣに酸素が含まれる場合、酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、ＣＡＡＣを構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣを支持する基板面、ＣＡＡＣの表面などに垂直な方向）に揃っていてもよい。または、ＣＡＡＣを構成する個々の結晶部分のａｂ面の法線は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣを支持する基板面、ＣＡＡＣの表面などに垂直な方向）を向いていてもよい。
【０１７７】
ＣＡＡＣは、その組成などに応じて、導体であったり、半導体であったり、絶縁体であったりする。また、その組成などに応じて、可視光に対して透明であったり不透明であったりする。
【０１７８】
このようなＣＡＡＣの例として、膜状に形成され、膜表面または支持する基板面に垂直な方向から観察すると三角形または六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察すると金属原子または金属原子および酸素原子（または窒素原子）の層状配列が認められる結晶を挙げることもできる。
【０１７９】
ＣＡＡＣに含まれる結晶構造の一例について図１５乃至図１７を用いて詳細に説明する。なお、特に断りがない限り、図１５乃至図１７は上方向をｃ軸方向とし、ｃ軸方向と直交する面をａｂ面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ａｂ面を境にした場合の上半分、下半分をいう。また、図１５において丸で囲まれたＯは４配位のＯを示し、二重丸で囲まれたＯは３配位のＯを示す。
【０１８０】
図１５（Ａ）に、１個の６配位のＩｎと、Ｉｎに近接の６個の４配位の酸素原子（以下４配位のＯ）と、を有する構造を示す。ここでは、金属原子が１個に対して、近接の酸素原子のみ示した構造を小グループと呼ぶ。図１５（Ａ）の構造は、八面体構造をとるが、簡単のため平面構造で示している。なお、図１５（Ａ）の上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがある。図１５（Ａ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１８１】
図１５（Ｂ）に、１個の５配位のＧａと、Ｇａに近接の３個の３配位の酸素原子（以下３配位のＯ）と、Ｇａに近接の２個の４配位のＯと、を有する構造を示す。３配位のＯは、いずれもａｂ面に存在する。図１５（Ｂ）の上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがある。また、Ｉｎも５配位をとるため、図１５（Ｂ）に示す構造をとりうる。図１５（Ｂ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１８２】
図１５（Ｃ）に、１個の４配位のＺｎと、Ｚｎに近接の４個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図１５（Ｃ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。または、図１５（Ｃ）の上半分に３個の４配位のＯがあり、下半分に１個の４配位のＯがあってもよい。図１５（Ｃ）に示す小グループは電荷が０である。
【０１８３】
図１５（Ｄ）に、１個の６配位のＳｎと、Ｓｎに近接の６個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図１５（Ｄ）の上半分には３個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。図１５（Ｄ）に示す小グループは電荷が＋１となる。
【０１８４】
図１５（Ｅ）に、２個のＺｎを含む小グループを示す。図１５（Ｅ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には１個の４配位のＯがある。図１５（Ｅ）に示す小グループは電荷が−１となる。
【０１８５】
ここでは、複数の小グループの集合体を中グループと呼び、複数の中グループの集合体を大グループ（ユニットセルともいう。）と呼ぶ。
【０１８６】
ここで、これらの小グループ同士が結合する規則について説明する。図１５（Ａ）に示す６配位のＩｎの上半分の３個のＯは、下方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有し、下半分の３個のＯは、上方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有する。図１５（Ｂ）に示す５配位のＧａの上半分の１個のＯは下方向に１個の近接Ｇａを有し、下半分の１個のＯは上方向に１個の近接Ｇａを有する。図１５（Ｃ）に示す４配位のＺｎの上半分の１個のＯは、下方向に１個の近接Ｚｎを有し、下半分の３個のＯは、上方向にそれぞれ３個の近接Ｚｎを有する。この様に、金属原子の上方向の４配位のＯの数と、そのＯの下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の下方向の４配位のＯの数と、そのＯの上方向にある近接金属原子の数は等しい。Ｏは４配位なので、下方向にある近接金属原子の数と、上方向にある近接金属原子の数の和は４になる。従って、金属原子の上方向にある４配位のＯの数と、別の金属原子の下方向にある４配位のＯの数との和が４個のとき、金属原子を有する二種の小グループ同士は結合することができる。例えば、６配位の金属原子（ＩｎまたはＳｎ）が下半分の４配位のＯを介して結合する場合、４配位のＯが３個であるため、５配位の金属原子（ＧａまたはＩｎ）、４配位の金属原子（Ｚｎ）の上半分の４配位のＯのいずれかと結合することになる。
【０１８７】
これらの配位数を有する金属原子は、ｃ軸方向において、４配位のＯを介して結合する。また、このほかにも、層構造の合計の電荷が０となるように複数の小グループが結合して中グループを構成する。
【０１８８】
図１６（Ａ）に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。図１６（Ｂ）に、３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図１６（Ｃ）は、図１６（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示す。
【０１８９】
図１６（Ａ）においては、簡単のため、３配位のＯは省略し、４配位のＯは個数のみ示し、例えば、Ｓｎの上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがあることを丸枠の３として示している。同様に、図１６（Ａ）において、Ｉｎの上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがあり、丸枠の１として示している。また、同様に、図１６（Ａ）において、下半分には１個の４配位のＯがあり、上半分には３個の４配位のＯがあるＺｎと、上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがあるＺｎとを示している。
【０１９０】
図１６（Ａ）において、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎが、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に３個の４配位のＯがあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に１個の４配位のＯがあるＺｎ２個からなる小グループと結合し、この小グループの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
【０１９１】
ここで、３配位のＯおよび４配位のＯの場合、結合１本当たりの電荷はそれぞれ−０．６６７、−０．５と考えることができる。例えば、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｓｎ（５配位または６配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋４である。従って、Ｓｎを含む小グループは電荷が＋１となる。そのため、Ｓｎを含む層構造を形成するためには、電荷＋１を打ち消す電荷−１が必要となる。電荷−１をとる構造として、図１５（Ｅ）に示すように、２個のＺｎを含む小グループが挙げられる。例えば、Ｓｎを含む小グループが１個に対し、２個のＺｎを含む小グループが１個あれば、電荷が打ち消されるため、層構造の合計の電荷を０とすることができる。
【０１９２】
具体的には、図１６（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の結晶（Ｉｎ_２ＳｎＺｎ_３Ｏ_８）を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物の層構造は、Ｉｎ_２ＳｎＺｎ_２Ｏ_７（ＺｎＯ）_ｍ（ｍは０または自然数。）とする組成式で表すことができる。
【０１９３】
また、このほかにも、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物や、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物や、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物などを用いた場合も同様である。
【０１９４】
例えば、図１７（Ａ）に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。
【０１９５】
図１７（Ａ）において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎが、４配位のＯが１個上半分にあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の３個の４配位のＯを介して、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＧａと結合し、そのＧａの下半分の１個の４配位のＯを介して、４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。
【０１９６】
図１７（Ｂ）に３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図１７（Ｃ）は、図１７（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示している。
【０１９７】
ここで、Ｉｎ（６配位または５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｇａ（５配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋３であるため、Ｉｎ、ＺｎおよびＧａのいずれかを含む小グループは、電荷が０となる。そのため、これらの小グループの組み合わせであれば中グループの合計の電荷は常に０となる。
【０１９８】
また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物の層構造を構成する中グループは、図１７（Ａ）に示した中グループに限定されず、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの配列が異なる中グループを組み合わせた大グループも取りうる。
【０１９９】
ターゲットとしては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物などを用いることができる。
【０２００】
また、ターゲットの一例としては、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むターゲットは、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ数比］の組成比としたものを用いる。また、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］の組成比を有するターゲット、またはＩｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：４［ｍｏｌ数比］の組成比を有するターゲット、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝２：１：８［ｍｏｌ数比］の組成比を有するターゲットを用いることもできる。Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むターゲットを用いたスパッタ法で得られる酸化物半導体は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏで表記され、その酸化物半導体材料は、ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）であり、ｍが自然数でないことは、ＩＣＰ−ＭＳ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，ＩＣＰ質量分析）や、ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ：ＲｕｔｈｅｒｆｏｒｄＢａｃｋ−Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）分析を用いて確認することができる。
【０２０１】
また、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物のターゲットの組成比は、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎが原子数比で、１：２：２、２：１：３、１：１：１、または２０：４５：３５などとなるターゲットを用いる。
【０２０２】
また、酸化物半導体層の成膜時に、スパッタリング装置の処理室の圧力を０．４Ｐａ以下とすることで、被成膜面及び被成膜物へ、アルカリ金属、水素等の不純物の混入を低減することができる。なお、被成膜物に含まれる水素は、水素原子の他、水素分子、水、水酸基、または水素化物として含まれる場合もある。
【０２０３】
また、酸化物半導体層の成膜時に、ターゲットと基板との距離（Ｔ−Ｓ間距離）を４０ｍｍ以上３００ｍｍ以下（好ましくは、６０ｍｍ以上）とする。
【０２０４】
また、スパッタリング法を用いて酸化物半導体層を成膜する場合、被成膜面の温度は２５０℃以上基板の熱処理上限温度以下とする。２５０℃は、水素及び水などの不純物が被成膜物中へ混入することを防ぎ、チャンバー内の気相へ不純物を放出する温度である。また、スパッタリング法を用いて酸化物半導体層を成膜する場合、被成膜面の温度の上限は、基板の熱処理上限温度、あるいは成膜物の上限温度（その温度を超えると、成膜物の成分が大きく変化する温度）とする。
【０２０５】
成膜室内の残留水分を除去しつつ、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が十分に除去された高純度ガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板上に酸化物半導体層を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、排気手段として、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などの吸着型の真空ポンプを用いることが望ましい。また、排気手段は、ターボ分子ポンプ（ＴｕｒｂｏＭｏｌｅｃｕｌａｒＰｕｍｐ：ＴＭＰ）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、水、水酸基、水素化物などの不純物（炭素原子を含む化合物なども含む）などが除去されているため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体層に含まれる水素、水、水酸基、水素化物などの不純物の濃度を低減することができる。
【０２０６】
また、酸化物半導体層の成膜時に、スパッタリング装置の処理室のリークレートを１×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／秒以下とすることで、スパッタリング法による成膜途中における酸化物半導体層中へ、アルカリ金属、水素化物等の不純物の混入を低減することができる。また、排気系として吸着型の真空ポンプ（例えば、クライオポンプなど）を用いることで、排気系からアルカリ金属、水素原子、水素分子、水、水酸基、または水素化物等の不純物の逆流を低減することができる。
【０２０７】
次に、酸化物半導体層を加工することによって、酸化物半導体層１４４を形成する。酸化物半導体層の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体層上に形成した後、当該酸化物半導体層をエッチングすることにより行うことができる。上述のマスクは、フォトリソグラフィ法などの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット法などの方法を用いてマスクを形成してもよい。なお、酸化物半導体層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。もちろん、これらを組み合わせてもよい。
【０２０８】
酸化物半導体層の成膜後、または酸化物半導体層１４４の形成後、必要であれば、水素及び水等をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水については露点−４０℃以下、好ましくは露点−６０℃以下）など）で加熱処理（温度範囲２００℃以上７００℃以下）を行ってもよい。この加熱処理は、酸化物半導体層中から、Ｈ、ＯＨなどを脱離させる脱水化または脱水素化とも呼ぶことができ、不活性雰囲気下で昇温し、途中で切り替え酸素を含む雰囲気下とする加熱処理を行う場合や、酸素雰囲気下で加熱処理を行う場合は、加酸化処理とも呼べる。
【０２０９】
以上の工程によって、不純物が低減され、ｉ型（真性半導体）または実質的にｉ型の酸化物半導体層１４４を形成することができる（図１０（Ａ）参照）。
【０２１０】
次に、酸化物半導体層１４４などの上に、導電材料を含む層を形成する。
【０２１１】
導電材料を含む層は、後にソース電極およびドレイン電極となるものであり、アルミニウム、クロム、銅、チタン、タンタル、モリブデン、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、上述した金属材料を成分とする合金等を用いて形成することもできる。さらに、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、ネオジム、スカンジウムのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いて形成することもできる。
【０２１２】
導電材料を含む層は、単層構造であってもよいし、２層以上の積層構造であってもよい。例えば、チタン膜や窒化チタン膜の単層構造、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、窒化チタン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。なお、導電材料を含む層を、チタン膜や窒化チタン膜の単層構造とする場合には、テーパー形状を有するソース電極又はドレイン電極１４２ａ、１４２ｂへの加工が容易であるというメリットがある。
【０２１３】
また、導電材料を含む層は、酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ（ＩＴＯともいう）、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛、グラフェンなどを用いることができる。
【０２１４】
導電材料を含む層を選択的にエッチングしてソース電極又はドレイン電極１４２ａ、１４２ｂ、及び電極１４２ｃを形成する（図１０（Ｂ）参照）。
【０２１５】
導電材料を含む層のエッチングは、形成されるソース電極又はドレイン電極１４２ａ、１４２ｂ、及び電極１４２ｃの端部がテーパー形状となるように行うことが好ましい。ここで、テーパー角は、例えば、３０°以上６０°以下とすることが好ましい。ソース電極又はドレイン電極１４２ａ、１４２ｂ、及び電極１４２ｃの端部がテーパー形状となるようにエッチングすることにより、後に形成されるゲート絶縁層の被覆性が向上し、段切れを防止することができる。
【０２１６】
トランジスタのチャネル長（Ｌ）は、ソース電極又はドレイン電極１４２ａ、及びソース電極又はドレイン電極１４２ｂの下端部の間隔によって決定される。なお、チャネル長（Ｌ）が２５ｎｍ未満のトランジスタを形成する場合に用いるマスク形成の露光を行う際には、数ｎｍ〜数１０ｎｍと波長の短い超紫外線（ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いるのが望ましい。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（１μｍ）以下とすることも可能であり、回路の動作速度を高めることが可能である。また、微細化によって、半導体装置の消費電力を低減することも可能である。
【０２１７】
次に、ソース電極又はドレイン電極１４２ａ、１４２ｂ、及び電極１４２ｃを、かつ酸化物半導体層１４４の一部と接するように、ゲート絶縁層１４６を形成する（図１０（Ｃ）参照）。
【０２１８】
ゲート絶縁層１４６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１４６は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、などを含むように形成するのが好適である。ゲート絶縁層１４６は、単層構造としても良いし、上記の材料を組み合わせて積層構造としても良い。また、その厚さは特に限定されないが、半導体装置を微細化する場合には、トランジスタの動作を確保するために薄くするのが望ましい。例えば、酸化シリコンを用いる場合には、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
【０２１９】
上述のように、ゲート絶縁層を薄くすると、トンネル効果などに起因するゲートリークが問題となる。ゲートリークの問題を解消するには、ゲート絶縁層１４６に、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、などの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いると良い。ｈｉｇｈ−ｋ材料をゲート絶縁層１４６に用いることで、電気的特性を確保しつつ、ゲートリークを抑制するために膜厚を大きくすることが可能になる。なお、ｈｉｇｈ−ｋ材料を含む膜と、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウムなどのいずれかを含む膜との積層構造としてもよい。
【０２２０】
また、酸化物半導体層１４４に接する絶縁層（本実施の形態においては、ゲート絶縁層１４６）は、第１３族元素および酸素を含む絶縁材料としてもよい。酸化物半導体材料には第１３族元素を含むものが多く、第１３族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体層に接する絶縁層に用いることで、酸化物半導体層との界面の状態を良好に保つことができる。
【０２２１】
ここで、第１３族元素を含む絶縁材料とは、絶縁材料に一または複数の第１３族元素を含むことを意味する。第１３族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。ここで、酸化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量（原子％）よりアルミニウムの含有量（原子％）が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量（原子％）がアルミニウムの含有量（原子％）以上のものを示す。
【０２２２】
例えば、ガリウムを含有する酸化物半導体層に接してゲート絶縁層を形成する場合に、ゲート絶縁層に酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体層とゲート絶縁層の界面特性を良好に保つことができる。また、酸化物半導体層と酸化ガリウムを含む絶縁層とを接して設けることにより、酸化物半導体層と絶縁層の界面における水素のパイルアップを低減することができる。なお、絶縁層に酸化物半導体の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、同様の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材料を用いて絶縁層を形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過させにくいという特性を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体層への水の侵入防止という点においても好ましい。
【０２２３】
また、酸化物半導体層１４４に接する絶縁層は、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープなどにより、絶縁材料を化学量論的組成比より酸素が多い状態とすることが好ましい。酸素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。なお、当該バルクの用語は、酸素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープが含まれる。また、酸素ドープは、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて行ってもよい。
【０２２４】
例えば、酸化物半導体層１４４に接する絶縁層として酸化ガリウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムの組成をＧａ_２Ｏ_ｘ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。また、酸化物半導体層１４４に接する絶縁層として酸化アルミニウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化アルミニウムの組成をＡｌ_２Ｏ_Ｘ（Ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。または、酸化物半導体層１４４に接する絶縁層として酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）を用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）の組成をＧａ_ＸＡｌ_２−ＸＯ_３＋α（０＜Ｘ＜２、０＜α＜１）とすることができる。
【０２２５】
酸素ドープ処理等を行うことにより、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁層を形成することができる。このような領域を備える絶縁層と酸化物半導体層が接することにより、絶縁層中の過剰な酸素が酸化物半導体層に供給され、酸化物半導体層中、または酸化物半導体層と絶縁層の界面における酸素不足欠陥を低減し、酸化物半導体層をｉ型化またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。
【０２２６】
なお、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁層は、ゲート絶縁層１４６に代えて、酸化物半導体層１４４の下地膜として形成する絶縁層（例えば、絶縁層１４０）に適用しても良く、ゲート絶縁層１４６および下地絶縁層の双方に適用しても良い。
【０２２７】
次に、上述の工程により形成された各構成を覆うように、導電材料を含む層を成膜する。導電材料を含む層は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。導電材料を含む層を選択的にエッチングしてゲート電極１４８ａおよび導電層１４８ｂを形成する。なお、ゲート電極１４８ａおよび導電層１４８ｂは、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
【０２２８】
次に、ゲート絶縁層１４６、ゲート電極１４８ａ、および導電層１４８ｂ上に、絶縁層１５０及び絶縁層１５２を形成する（図１１（Ａ）参照）。絶縁層１５０及び絶縁層１５２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、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、酸化アルミニウム等の無機絶縁材料を含む材料、ポリイミド、アクリル等の有機材料を含む材料を用いて形成することができる。なお、絶縁層１５０及び絶縁層１５２には、誘電率の低い材料や、誘電率の低い構造（多孔性の構造など）を用いることが望ましい。絶縁層１５０及び絶縁層１５２の誘電率を低くすることにより、配線や電極などの間に生じる容量を低減し、動作の高速化を図ることができるためである。例えば、絶縁層１５０に、無機材料を含む材料を用い、絶縁層１５２に有機材料を含む材料を用いることもできる。
【０２２９】
次に、ゲート絶縁層１４６、絶縁層１５０及び絶縁層１５２に、ソース電極又はドレイン電極１４２ｂ、及び電極１４２ｃにまで達する開口を形成する。当該開口の形成は、マスクなどを用いた選択的なエッチングにより行われる。その後、ソース電極又はドレイン電極１４２ｂ及び電極１４２ｃに接する導電材料を有する層を形成する。次に、導電材料を有する層にエッチング又はＣＭＰ処理することにより、電極１５４ａ、電極１５４ｂを形成する（図１１（Ｂ）参照）。
【０２３０】
次に、絶縁層１５２を覆い、電極１５４ａ及び電極１５４ｂと接するように、配線１５６を形成する（図１１（Ｂ）参照）。配線１５６は、ＰＶＤ法や、ＣＶＤ法を用いて導電材料を有する層を形成した後、当該導電材料を有する層をパターニングすることによって形成される。また、導電材料を有する層の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、ネオジム、スカンジウムのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。
【０２３１】
また、電極１５４ａ、電極１５４ｂを用いずに、配線１５６を形成してもよい。例えば、絶縁層１５０の開口を含む領域にＰＶＤ法によりチタン膜を薄く（５ｎｍ程度）形成し、ＰＶＤ法によりチタン膜を薄く形成した後に、開口に埋め込むようにアルミニウム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、被形成面の酸化膜（自然酸化膜など）を還元し、下部電極など（ここでは、ソース電極又はドレイン電極１４２ａ、電極１４２ｃ）との接触抵抗を低減させる機能を有する。また、アルミニウム膜のヒロックを防止することができる。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。
【０２３２】
配線１５６を形成することにより、センスラッチ１９０が有するノードｐと、メモリセルが有するトランジスタ１６２のソース電極又はドレイン電極１４２ｂとを、接続することができる（図１１（Ｂ）参照）。
【０２３３】
これにより、高純度化された酸化物半導体層１４４を用いたトランジスタ１６２および容量素子１６４を有するメモリセル１７０が完成する（図１１（Ｂ）参照）。また、このようなメモリセル１７０を複数作製することにより、メモリセルアレイ２０２（１）を作製することができる。
【０２３４】
以上の工程により、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタを含む周辺回路と、酸化物半導体材料を用いたトランジスタを含む記憶回路とを、一体に備えた半導体装置を作製することができる。
【０２３５】
上述の作製方法を用いることにより、水素やアルカリ金属の不純物が極めて低減された酸化物半導体層１４４を得ることができる。このような酸化物半導体層１４４を用いてトランジスタ１６２を作製することにより、オフ電流が極めて小さいトランジスタを作製することができる。トランジスタ１６２は、オフ電流が極めて小さいため、メモリセル１７０として用いることにより、長期にわたり記憶内容を保持することができる。
【０２３６】
また、図７に示すメモリセルアレイ２０２（１）〜２０２（ｋ）は、簡易な素子構造であるため、メモリセルアレイの積層が容易である。例えば、従来のフラッシュメモリは、フローティングゲートに電荷を保持させるため、または、その電荷を除去するために高い電圧が必要である。これにより、膜質の良いゲート絶縁層が要求され、かつ記憶素子の構造が複雑であるため、記憶回路として積層することは困難であった。また、従来のＤＲＡＭは、高い集積度を得るためには、高さ方向に大きな容量素子の形成が必要であるため、やはり記憶回路として積層することは困難であった。
【０２３７】
これに対し、酸化物半導体を用いたトランジスタを含むメモリセルは、フラッシュメモリやＤＲＡＭと比較して、作製工程を簡略化することができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタを含むメモリセルは、オフ電流が極めて小さいために、電荷を保持する容量素子が小さくてもよい。これらの特徴から、酸化物半導体を用いたトランジスタを含むメモリセル（メモリセルアレイ）を積層して作製することが可能であり、半導体装置を高集積化することができる。
【０２３８】
本実施の形態では、メモリセルアレイ２０２（１）まで作製する工程について説明したが、メモリセルアレイ２０２（１）の作製方法を用いることにより、メモリセルアレイ２０２を複数積層することができる。例えば、上述の作製方法を用いて、メモリセルアレイをｋ層積層することにより、図７に示す半導体装置を作製することができる。また、メモリセルアレイを複数積層する場合には、各メモリセルアレイに用いられる酸化物半導体材料は、それぞれ同じ材料を含むことが好ましい。
【０２３９】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０２４０】
（実施の形態３）
上記実施の形態において、トランジスタのチャネル形成領域として用いることのできる酸化物半導体層の一形態を、図１２を用いて説明する。
【０２４１】
本実施の形態の酸化物半導体層は、第１の結晶性酸化物半導体層上に第１の結晶性酸化物半導体層よりも厚い第２の結晶性酸化物半導体層を有する積層構造である。
【０２４２】
次に、絶縁層１４０上に膜厚１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１の酸化物半導体膜を形成する。
【０２４３】
本実施の形態では、絶縁層１４０として、ＰＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて、５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の膜厚の酸化物絶縁層を形成する。例えば、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜から選ばれた一層またはこれらの積層を用いることができる。
【０２４４】
第１の酸化物半導体膜の形成は、スパッタリング法を用い、そのスパッタリング法による成膜時における基板温度は２００℃以上４００℃以下とする。本実施の形態では、酸化物半導体用ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体用ターゲット（Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、基板温度２５０℃、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜厚５ｎｍの第１の酸化物半導体膜を成膜する。
【０２４５】
次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。第１の加熱処理によって第１の結晶性酸化物半導体層１４５ａを形成する（図１２（Ａ）参照）。
【０２４６】
第１の加熱処理の温度にもよるが、第１の加熱処理によって、膜表面から結晶化が起こり、膜の表面から内部に向かって結晶成長し、ｃ軸配向した結晶が得られる。第１の加熱処理によって、亜鉛と酸素が膜表面に多く集まり、上平面が六角形をなす亜鉛と酸素からなるグラフェンタイプの二次元結晶が最表面に１層または複数層形成され、これが膜厚方向に成長して重なり積層となる。加熱処理の温度を上げると表面から内部、そして内部から底部と結晶成長が進行する。
【０２４７】
第１の加熱処理によって、酸化物絶縁層である絶縁層１４０中の酸素を第１の結晶性酸化物半導体層１４５ａとの界面またはその近傍（界面からプラスマイナス５ｎｍ）に拡散させて、第１の結晶性酸化物半導体層の酸素欠損を低減する。従って、第１の結晶性酸化物半導体層の下地絶縁層として用いられる絶縁層１４０は、絶縁層１４０中（バルク中）、第１の結晶性酸化物半導体層１４５ａと絶縁層１４０の界面、のいずれかには少なくとも化学量論比を超える量の酸素が存在することが好ましい。
【０２４８】
次いで、第１の結晶性酸化物半導体層１４５ａ上に１０ｎｍよりも厚い第２の酸化物半導体膜を形成する。第２の酸化物半導体膜の形成は、スパッタリング法を用い、その成膜時における基板温度は２００℃以上４００℃以下とする。成膜時における基板温度を２００℃以上４００℃以下とすることにより、第１の結晶性酸化物半導体層の表面上に接して成膜する酸化物半導体膜にプリカーサの整列が起き、所謂、秩序性を持たせることができる。
【０２４９】
本実施の形態では、酸化物半導体用ターゲット（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体用ターゲット（Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、基板温度４００℃、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素のみ、アルゴンのみ、又はアルゴン及び酸素雰囲気下で膜厚２５ｎｍの第２の酸化物半導体膜を成膜する。
【０２５０】
次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。第２の加熱処理によって第２の結晶性酸化物半導体層１４５ｂを形成する（図１２（Ｂ）参照）。第２の加熱処理は、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、或いは窒素と酸素の混合雰囲気下で行うことにより、第２の結晶性酸化物半導体層の高密度化及び欠陥数の減少を図る。第２の加熱処理によって、第１の結晶性酸化物半導体層１４５ａを核として膜厚方向、即ち底部から内部に結晶成長が進行して第２の結晶性酸化物半導体層１４５ｂが形成される。
【０２５１】
また、絶縁層１４０の形成から第２の加熱処理までの工程を大気に触れることなく連続的に行うことが好ましい。絶縁層１４０の形成から第２の加熱処理までの工程は、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気（不活性雰囲気、減圧雰囲気、乾燥空気雰囲気など）下に制御することが好ましく、例えば、水分については露点−４０℃以下、好ましくは露点−５０℃以下の乾燥窒素雰囲気とする。
【０２５２】
次いで、第１の結晶性酸化物半導体層１４５ａと第２の結晶性酸化物半導体層１４５ｂからなる酸化物半導体積層を加工して島状の酸化物半導体積層からなる酸化物半導体層１４５を形成する（図１２（Ｃ）参照）。図１２（Ｃ）では、第１の結晶性酸化物半導体層１４５ａと第２の結晶性酸化物半導体層１４５ｂの界面を点線で示し、第１の結晶性酸化物半導体層及び第２の結晶性酸化物半導体層の積層構造で示しているが、明確な界面が存在しているのではなく、あくまで分かりやすく説明するために図示している。
【０２５３】
酸化物半導体層の積層の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体層の積層上に形成した後、当該酸化物半導体層の積層をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット法などの方法を用いてマスクを形成しても良い。
【０２５４】
なお、酸化物半導体層の積層のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。もちろん、これらを組み合わせて用いてもよい。
【０２５５】
また、上記作製方法により、得られる第１の結晶性酸化物半導体層及び第２の結晶性酸化物半導体層は、ｃ軸配向を有していることを特徴の一つとしている。ただし、第１の結晶性酸化物半導体層及び第２の結晶性酸化物半導体層は、単結晶構造ではなく、非晶質構造でもない構造であり、ｃ軸配向を有した結晶（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌ；ＣＡＡＣとも呼ぶ）を含む酸化物を有する。
【０２５６】
いずれにしても、ＣＡＡＣを得るには酸化物半導体膜の堆積初期段階において六方晶の結晶が形成されるようにすることと、当該結晶を種として結晶が成長されるようにすることが肝要である。そのためには、基板加熱温度を１００℃〜５００℃、好適には２００℃〜４００℃、さらに好適には２５０℃〜３００℃にすると好ましい。また、これに加えて、成膜時の基板加熱温度よりも高い温度で、堆積された酸化物半導体膜を熱処理することで膜中に含まれるミクロな欠陥や、積層界面の欠陥を修復することができる。
【０２５７】
なお、第１及び第２の結晶性酸化物半導体層は、少なくともＺｎを有する酸化物材料であり、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料や、Ｚｎ−Ｏ系の材料などがある。また、Ｉｎ−Ｓｉ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｂ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、Ｉｎ−Ｂ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いてもよい。また、上記の材料にＳｉＯ_２を含ませてもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜、という意味であり、その組成比は特に問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでいてもよい。
【０２５８】
また、第１の結晶性酸化物半導体層上に第２の結晶性酸化物半導体層を形成する２層構造に限定されず、第２の結晶性酸化物半導体層の形成後に第３の結晶性酸化物半導体層を形成するための成膜と加熱処理のプロセスを繰り返し行って、３層以上の積層構造としてもよい。
【０２５９】
その後、ソース電極又はドレイン電極１４２ａ、１４２ｂ、ゲート絶縁層１４６、ゲート電極１４８ａ、導電層１４８ｂを形成することにより、トランジスタ３７２及び容量素子３７４が完成する。ソース電極又はドレイン電極１４２ａ、１４２ｂ、ゲート絶縁層１４６、ゲート電極１４８ａ、導電層１４８ｂの材料及び形成方法は、実施の形態２を参酌できる。
【０２６０】
上記作製方法で形成された酸化物半導体積層からなる酸化物半導体層１４５を、本明細書に開示する半導体装置（実施の形態２に示すトランジスタ１６２及びトランジスタ１７２）に、適宜用いることができる。
【０２６１】
また、酸化物半導体層１４４として本実施の形態の酸化物半導体積層を用いたトランジスタ３７２においては、酸化物半導体層の一方の面から他方の面に電界が印加されることはなく、また、電流が酸化物半導体積層の厚さ方向に流れる構造ではない。電流は、主として、酸化物半導体積層の界面を流れるトランジスタ構造であるため、トランジスタに光照射が行われ、またはＢＴストレスが与えられても、トランジスタ特性の劣化は抑制される、または低減される。
【０２６２】
酸化物半導体層１４５のような第１の結晶性酸化物半導体層と第２の結晶性酸化物半導体層の積層をトランジスタに用いることで、安定した電気的特性を有し、且つ、信頼性の高いトランジスタを実現できる。
【０２６３】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０２６４】
（実施の形態４）
本実施の形態では、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化膜を酸化物半導体層に用いたトランジスタの一例について、図３０などを用いて説明する。
【０２６５】
図３０は、コプラナー型であるトップゲート・トップコンタクト構造のトランジスタの上面図および断面図である。図３０（Ａ）にトランジスタの上面図を示す。また、図３０（Ｂ）は図３０（Ａ）の一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。
【０２６６】
図３０（Ｂ）に示すトランジスタは、基板５００と、基板５００上に設けられた下地絶縁層５０２と、下地絶縁層５０２の周辺に設けられた保護絶縁層５０４と、下地絶縁層５０２および保護絶縁層５０４上に設けられた高抵抗領域５０６ａおよび低抵抗領域５０６ｂを有する酸化物半導体層５０６と、酸化物半導体層５０６上に設けられたゲート絶縁層５０８と、ゲート絶縁層５０８を介して酸化物半導体層５０６と重畳して設けられたゲート電極５１０と、ゲート電極５１０の側面と接して設けられた側壁絶縁層５１２と、少なくとも低抵抗領域５０６ｂと接して設けられた一対の電極５１４と、少なくとも酸化物半導体層５０６、ゲート電極５１０および一対の電極５１４を覆って設けられた層間絶縁層５１６と、層間絶縁層５１６に設けられた開口部を介して少なくとも一対の電極５１４の一方と接続して設けられた配線５１８と、を有する。
【０２６７】
なお、図示しないが、層間絶縁層５１６および配線５１８を覆って設けられた保護膜を有していても構わない。該保護膜を設けることで、層間絶縁層５１６の表面伝導に起因して生じる微小リーク電流を低減することができ、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【０２６８】
（実施の形態５）
本実施の形態では、上記とは異なるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜を酸化物半導体層に用いたトランジスタの他の一例について示す。
【０２６９】
図３１は、本実施例で作製したトランジスタの構造を示す上面図および断面図である。図３１（Ａ）はトランジスタの上面図である。また、図３１（Ｂ）は図３１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２に対応する断面図である。
【０２７０】
図３１（Ｂ）に示すトランジスタは、基板６００と、基板６００上に設けられた下地絶縁層６０２と、下地絶縁層６０２上に設けられた酸化物半導体層６０６と、酸化物半導体層６０６と接する一対の電極６１４と、酸化物半導体層６０６および一対の電極６１４上に設けられたゲート絶縁層６０８と、ゲート絶縁層６０８を介して酸化物半導体層６０６と重畳して設けられたゲート電極６１０と、ゲート絶縁層６０８およびゲート電極６１０を覆って設けられた層間絶縁層６１６と、層間絶縁層６１６に設けられた開口部を介して一対の電極６１４と接続する配線６１８と、層間絶縁層６１６および配線６１８を覆って設けられた保護膜６２０と、を有する。
【０２７１】
基板６００としてはガラス基板を、下地絶縁層６０２としては酸化シリコン膜を、酸化物半導体層６０６としてはＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜を、一対の電極６１４としてはタングステン膜を、ゲート絶縁層６０８としては酸化シリコン膜を、ゲート電極６１０としては窒化タンタル膜とタングステン膜との積層構造を、層間絶縁層６１６としては酸化窒化シリコン膜とポリイミド膜との積層構造を、配線６１８としてはチタン膜、アルミニウム膜、チタン膜がこの順で形成された積層構造を、保護膜６２０としてはポリイミド膜を、それぞれ用いた。
【０２７２】
なお、図３１（Ａ）に示す構造のトランジスタにおいて、ゲート電極６１０と一対の電極６１４との重畳する幅をＬｏｖと呼ぶ。同様に、酸化物半導体層６０６に対する一対の電極６１４のはみ出しをｄＷと呼ぶ。
【０２７３】
（実施の形態６）
酸化物半導体に限らず、実際に測定される絶縁ゲート型トランジスタの電界効果移動度は、さまざまな理由によって本来の移動度よりも低くなる。移動度を低下させる要因としては半導体内部の欠陥や半導体と絶縁膜との界面の欠陥があるが、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルを用いると、半導体内部に欠陥がないと仮定した場合の電界効果移動度を理論的に導き出せる。
【０２７４】
半導体本来の移動度をμ_０、測定される電界効果移動度をμとし、半導体中に何らかのポテンシャル障壁（粒界等）が存在すると仮定すると、以下の式で表現できる。
【０２７５】
【数３】

【０２７６】
ここで、Ｅはポテンシャル障壁の高さであり、ｋがボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。また、ポテンシャル障壁が欠陥に由来すると仮定すると、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルでは、以下の式で表される。
【０２７７】
【数４】

【０２７８】
ここで、ｅは電気素量、Ｎはチャネル内の単位面積当たりの平均欠陥密度、εは半導体の誘電率、ｎは単位面積当たりのチャネルに含まれるキャリア数、Ｃ_ｏｘは単位面積当たりの容量、Ｖ_ｇはゲート電圧、ｔはチャネルの厚さである。なお、厚さ３０ｎｍ以下の半導体層であれば、チャネルの厚さは半導体層の厚さと同一として差し支えない。線形領域におけるドレイン電流Ｉ_ｄは、以下の式となる。
【０２７９】
【数５】

【０２８０】
ここで、Ｌはチャネル長、Ｗはチャネル幅であり、ここでは、Ｌ＝Ｗ＝１０μｍである。また、Ｖ_ｄはドレイン電圧である。上式の両辺をＶ_ｇで割り、更に両辺の対数を取ると、以下のようになる。
【０２８１】
【数６】

【０２８２】
数６の右辺はＶ_ｇの関数である。この式からわかるように、縦軸をｌｎ（Ｉ_ｄ／Ｖ_ｇ）、横軸を１／Ｖ_ｇとして実測値をプロットして得られるグラフの直線の傾きから欠陥密度Ｎが求められる。すなわち、トランジスタのＩ_ｄ―Ｖ_ｇ特性から、欠陥密度を評価できる。酸化物半導体としては、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）の比率が、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のものでは欠陥密度Ｎは１×１０^１２／ｃｍ^２程度である。
【０２８３】
このようにして求めた欠陥密度等をもとに数３および数４よりμ_０＝１２０ｃｍ^２／Ｖｓが導出される。欠陥のあるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物で測定される移動度は３５ｃｍ^２／Ｖｓ程度である。しかし、半導体内部および半導体と絶縁膜との界面の欠陥が無い酸化物半導体の移動度μ_０は１２０ｃｍ^２／Ｖｓとなると予想できる。
【０２８４】
ただし、半導体内部に欠陥がなくても、チャネルとゲート絶縁層との界面での散乱によってトランジスタの輸送特性は影響を受ける。すなわち、ゲート絶縁層界面からｘだけ離れた場所における移動度μ_１は、以下の式で表される。
【０２８５】
【数７】

【０２８６】
ここで、Ｄはゲート方向の電界、Ｂ、Ｇは定数である。ＢおよびＧは、実際の測定結果より求めることができ、上記の測定結果からは、Ｂ＝４．７５×１０^７ｃｍ／ｓ、Ｇ＝１０ｎｍ（界面散乱が及ぶ深さ）である。Ｄが増加する（すなわち、ゲート電圧が高くなる）と数７の第２項が増加するため、移動度μ_１は低下することがわかる。
【０２８７】
半導体内部の欠陥が無い理想的な酸化物半導体をチャネルに用いたトランジスタの移動度μ_２を計算した結果を図１８に示す。なお、計算にはシノプシス社製デバイスシミュレーションソフト、ＳｅｎｔａｕｒｕｓＤｅｖｉｃｅを使用し、酸化物半導体のバンドギャップ、電子親和力、比誘電率、厚さをそれぞれ、２．８ｅＶ、４．７ｅＶ、１５、１５ｎｍとした。これらの値は、スパッタリング法により形成された薄膜を測定して得られたものである。
【０２８８】
さらに、ゲート、ソース、ドレインの仕事関数をそれぞれ、５．５ｅＶ、４．６ｅＶ、４．６ｅＶとした。また、ゲート絶縁層の厚さは１００ｎｍ、比誘電率は４．１とした。チャネル長およびチャネル幅はともに１０μｍ、ドレイン電圧Ｖ_ｄは０．１Ｖである。
【０２８９】
図１８で示されるように、ゲート電圧１Ｖ強で移動度１００ｃｍ^２／Ｖｓ以上のピークをつけるが、ゲート電圧がさらに高くなると、界面散乱が大きくなり、移動度が低下する。なお、界面散乱を低減するためには、半導体層表面を原子レベルで平坦にすること（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＦｌａｔｎｅｓｓ）が望ましい。
【０２９０】
このような移動度を有する酸化物半導体を用いて微細なトランジスタを作製した場合の特性を計算した結果を図１９乃至図２１に示す。なお、計算に用いたトランジスタの断面構造を図２２に示す。図２２に示すトランジスタは酸化物半導体層にｎ^＋の導電型を呈する半導体領域１０３０ａおよび半導体領域１０３０ｃを有する。半導体領域１０３０ａおよび半導体領域１０３０ｃの抵抗率は２×１０^−３Ωｃｍとする。
【０２９１】
図２２（Ａ）に示すトランジスタは、下地絶縁層１０１０と、下地絶縁層１０１０に埋め込まれるように形成された酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁物１０２０の上に形成される。トランジスタは半導体領域１０３０ａ、半導体領域１０３０ｃと、それらに挟まれ、チャネル形成領域となる真性の半導体領域１０３０ｂと、ゲート１０５０を有する。ゲート１０５０の幅を３３ｎｍとする。
【０２９２】
ゲート１０５０と半導体領域１０３０ｂの間には、ゲート絶縁層１０４０を有し、また、ゲート１０５０の両側面には側壁絶縁物１０６０ａおよび側壁絶縁物１０６０ｂ、ゲート１０５０の上部には、ゲート１０５０と他の配線との短絡を防止するための絶縁物１０７０を有する。側壁絶縁物の幅は５ｎｍとする。また、半導体領域１０３０ａおよび半導体領域１０３０ｃに接して、ソース１０８０ａおよびドレイン１０８０ｂを有する。なお、このトランジスタにおけるチャネル幅を４０ｎｍとする。
【０２９３】
図２２（Ｂ）に示すトランジスタは、下地絶縁層１０１０と、酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁物１０２０の上に形成され、半導体領域１０３０ａ、半導体領域１０３０ｃと、それらに挟まれた真性の半導体領域１０３０ｂと、幅３３ｎｍのゲート１０５０とゲート絶縁層１０４０と側壁絶縁物１０６０ａおよび側壁絶縁物１０６０ｂと絶縁物１０７０とソース１０８０ａおよびドレイン１０８０ｂを有する点で図２２（Ａ）に示すトランジスタと同じである。
【０２９４】
図２２（Ａ）に示すトランジスタと図２２（Ｂ）に示すトランジスタの相違点は、側壁絶縁物１０６０ａおよび側壁絶縁物１０６０ｂの下の半導体領域の導電型である。図２２（Ａ）に示すトランジスタでは、側壁絶縁物１０６０ａおよび側壁絶縁物１０６０ｂの下の半導体領域はｎ^＋の導電型を呈する半導体領域１０３０ａおよび半導体領域１０３０ｃであるが、図２２（Ｂ）に示すトランジスタでは、真性の半導体領域１０３０ｂである。すなわち、図２２（Ｂ）に示す半導体層において、半導体領域１０３０ａ（半導体領域１０３０ｃ）とゲート１０５０がＬｏｆｆだけ重ならない領域ができている。この領域をオフセット領域といい、その幅Ｌｏｆｆをオフセット長という。図から明らかなように、オフセット長は、側壁絶縁物１０６０ａ（側壁絶縁物１０６０ｂ）の幅と同じである。
【０２９５】
その他の計算に使用するパラメータは上述の通りである。計算にはシノプシス社製デバイスシミュレーションソフト、ＳｅｎｔａｕｒｕｓＤｅｖｉｃｅを使用した。図１９は、図２２（Ａ）に示される構造のトランジスタのドレイン電流（Ｉ_ｄ、実線）および移動度（μ、点線）のゲート電圧（Ｖ_ｇ、ゲートとソースの電位差）依存性を示す。ドレイン電流Ｉ_ｄは、ドレイン電圧（ドレインとソースの電位差）を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。
【０２９６】
図１９（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図１９（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図１９（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。ゲート絶縁層が薄くなるほど、特にオフ状態でのドレイン電流Ｉ_ｄ（オフ電流）が顕著に低下する。一方、移動度μのピーク値やオン状態でのドレイン電流Ｉ_ｄ（オン電流）には目立った変化が無い。ゲート電圧１Ｖ前後で、ドレイン電流はメモリ素子等で必要とされる１０μＡを超えることが示された。
【０２９７】
図２０は、図２２（Ｂ）に示される構造のトランジスタで、オフセット長Ｌｏｆｆを５ｎｍとしたもののドレイン電流Ｉ_ｄ（実線）および移動度μ（点線）のゲート電圧Ｖ_ｇ依存性を示す。ドレイン電流Ｉ_ｄは、ドレイン電圧を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。図２０（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図２０（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図２０（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。
【０２９８】
また、図２１は、図２２（Ｂ）に示される構造のトランジスタで、オフセット長Ｌｏｆｆを１５ｎｍとしたもののドレイン電流Ｉ_ｄ（実線）および移動度μ（点線）のゲート電圧依存性を示す。ドレイン電流Ｉ_ｄは、ドレイン電圧を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。図２１（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図２１（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図２１（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。
【０２９９】
いずれもゲート絶縁層が薄くなるほど、オフ電流が顕著に低下する一方、移動度μのピーク値やオン電流には目立った変化が無い。
【０３００】
なお、移動度μのピークは、図１９では８０ｃｍ^２／Ｖｓ程度であるが、図２０では６０ｃｍ^２／Ｖｓ程度、図２１では４０ｃｍ^２／Ｖｓ程度と、オフセット長Ｌｏｆｆが増加するほど低下する。また、オフ電流も同様な傾向がある。一方、オン電流にはオフセット長Ｌｏｆｆの増加にともなって減少するが、オフ電流の低下に比べるとはるかに緩やかである。また、いずれもゲート電圧１Ｖ前後で、ドレイン電流はメモリ素子等で必要とされる１０μＡを超えることが示された。
【０３０１】
また、Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタは、該酸化物半導体を形成する際に基板を加熱して成膜すること、或いは酸化物半導体層を形成した後に熱処理を行うことで良好な特性を得ることができる。なお、主成分とは組成比で５ａｔｏｍｉｃ％以上含まれる元素をいう。
【０３０２】
Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体層の成膜後に基板を意図的に加熱することで、トランジスタの電界効果移動度を向上させることが可能となる。また、トランジスタのしきい値電圧をプラスシフトさせ、ノーマリ・オフ化させることが可能となる。
【０３０３】
例えば、図２３（Ａ）乃至図２３（Ｃ）は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とし、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍである酸化物半導体膜と、厚さ１００ｎｍのゲート絶縁層を用いたトランジスタの特性である。なお、Ｖ_ｄは１０Ｖとした。
【０３０４】
図２３（Ａ）は基板を意図的に加熱せずにスパッタリング法でＩｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体層を形成したときのトランジスタ特性である。このとき電界効果移動度は１８．８ｃｍ^２／Ｖｓｅｃが得られている。一方、基板を意図的に加熱してＩｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体層を形成すると電界効果移動度を向上させることが可能となる。図２３（Ｂ）は基板を２００℃に加熱してＩｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体層を形成したときのトランジスタ特性を示すが、電界効果移動度は３２．２ｃｍ^２／Ｖｓｅｃが得られている。
【０３０５】
電界効果移動度は、Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体層を形成した後に熱処理をすることによって、さらに高めることができる。図２３（Ｃ）は、Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体層を２００℃でスパッタリング成膜した後、６５０℃で熱処理をしたときのトランジスタ特性を示す。このとき電界効果移動度は３４．５ｃｍ^２／Ｖｓｅｃが得られている。
【０３０６】
基板を意図的に加熱することでスパッタリング成膜中の水分が酸化物半導体膜中に取り込まれるのを低減する効果が期待できる。また、成膜後に熱処理をすることによっても、酸化物半導体層から水素や水酸基若しくは水分を放出させ除去することができ、上記のように電界効果移動度を向上させることができる。このような電界効果移動度の向上は、脱水化・脱水素化による不純物の除去のみならず、高密度化により原子間距離が短くなるためとも推定される。また、酸化物半導体から不純物を除去して高純度化することで結晶化を図ることができる。このように高純度化された非単結晶酸化物半導体は、理想的には１００ｃｍ^２／Ｖｓｅｃを超える電界効果移動度を実現することも可能になると推定される。
【０３０７】
Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体に酸素イオンを注入し、熱処理により該酸化物半導体に含まれる水素や水酸基若しくは水分を放出させ、その熱処理と同時に又はその後の熱処理により酸化物半導体を結晶化させても良い。このような結晶化若しくは再結晶化の処理により結晶性の良い非単結晶酸化物半導体を得ることができる。
【０３０８】
基板を意図的に加熱して成膜すること及び／又は成膜後に熱処理することの効果は、電界効果移動度の向上のみならず、トランジスタのノーマリ・オフ化を図ることにも寄与している。基板を意図的に加熱しないで形成されたＩｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体層をチャネル形成領域としたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスシフトしてしまう傾向がある。しかし、基板を意図的に加熱して形成された酸化物半導体層を用いた場合、このしきい値電圧のマイナスシフト化は解消される。つまり、しきい値電圧はトランジスタがノーマリ・オフとなる方向に動き、このような傾向は図２３（Ａ）と図２３（Ｂ）の対比からも確認することができる。
【０３０９】
なお、しきい値電圧はＩｎ、Ｓｎ及びＺｎの比率を変えることによっても制御することが可能であり、組成比としてＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３とすることでトランジスタのノーマリ・オフ化を期待することができる。また、ターゲットの組成比をＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３とすることで結晶性の高い酸化物半導体層を得ることができる。
【０３１０】
意図的な基板加熱温度若しくは熱処理温度は、１５０℃以上、好ましくは２００℃以上、より好ましくは４００℃以上であり、より高温で成膜し或いは熱処理することでトランジスタのノーマリ・オフ化を図ることが可能となる。
【０３１１】
また、意図的に基板を加熱した成膜及び／又は成膜後に熱処理をすることで、ゲートバイアス・ストレスに対する安定性を高めることができる。例えば、２ＭＶ／ｃｍ、１５０℃、１時間印加の条件において、ドリフトがそれぞれ±１．５Ｖ未満、好ましくは１．０Ｖ未満を得ることができる。
【０３１２】
次に、実際に、酸化物半導体層成膜後に加熱処理を行っていない試料１と、６５０℃の加熱処理を行った試料２のトランジスタに対してＢＴ試験を行った。なお、試料１及び試料２のトランジスタの構造については、図３１を参照すればよい。
【０３１３】
まず基板温度を２５℃とし、Ｖ_ｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇ−Ｉ_ｄ特性の測定を行った。なお、Ｖ_ｄはドレイン電圧（ドレインとソースの電位差）を示す。次に、基板温度を１５０℃とし、Ｖ_ｄを０．１Ｖとした。次に、ゲート絶縁層６０８に印加される電界強度が２ＭＶ／ｃｍとなるようにＶ_ｇに２０Ｖを印加し、そのまま１時間保持した。次に、Ｖ_ｇを０Ｖとした。次に、基板温度２５℃とし、Ｖ_ｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇ−Ｉ_ｄ測定を行った。これをプラスＢＴ試験と呼ぶ。
【０３１４】
同様に、まず基板温度を２５℃とし、Ｖ_ｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇ−Ｉ_ｄ特性の測定を行った。次に、基板温度を１５０℃とし、Ｖ_ｄを０．１Ｖとした。次に、ゲート絶縁層６０８に印加される電界強度が−２ＭＶ／ｃｍとなるようにＶ_ｇに−２０Ｖを印加し、そのまま１時間保持した。次に、Ｖ_ｇを０Ｖとした。次に、基板温度２５℃とし、Ｖ_ｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶ_ｇ−Ｉ_ｄ測定を行った。これをマイナスＢＴ試験と呼ぶ。
【０３１５】
試料１のプラスＢＴ試験の結果を図２４（Ａ）に、マイナスＢＴ試験の結果を図２４（Ｂ）に示す。また、試料２のプラスＢＴ試験の結果を図２５（Ａ）に、マイナスＢＴ試験の結果を図２５（Ｂ）に示す。
【０３１６】
試料１のプラスＢＴ試験およびマイナスＢＴ試験によるしきい値電圧の変動は、それぞれ１．８０Ｖおよび−０．４２Ｖであった。また、試料２のプラスＢＴ試験およびマイナスＢＴ試験によるしきい値電圧の変動は、それぞれ０．７９Ｖおよび０．７６Ｖであった。試料１および試料２のいずれも、ＢＴ試験前後におけるしきい値電圧の変動が小さく、信頼性が高いことがわかる。
【０３１７】
熱処理は酸素雰囲気中で行うことができるが、まず窒素若しくは不活性ガス、または減圧下で熱処理を行ってから酸素を含む雰囲気中で熱処理を行っても良い。最初に脱水化・脱水素化を行ってから酸素を酸化物半導体に加えることで、熱処理の効果をより高めることができる。また、後から酸素を加えるには、酸素イオンを電界で加速して酸化物半導体層に注入する方法を適用しても良い。
【０３１８】
酸化物半導体中及び該酸化物半導体と接する膜との界面には、酸素欠損による欠陥が生成されやすいが、かかる熱処理により酸化物半導体中に酸素を過剰に含ませることにより、定常的に生成される酸素欠損を過剰な酸素によって補償することが可能となる。過剰酸素は主に格子間に存在する酸素であり、その酸素濃度は１×１０^１６／ｃｍ^３以上２×１０^２０／ｃｍ^３以下とすれば、結晶に歪み等を与えることなく酸化物半導体中に含ませることができる。
【０３１９】
また、熱処理によって酸化物半導体に結晶が少なくとも一部に含まれるようにすることで、より安定な酸化物半導体層を得ることができる。例えば、組成比Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用いて、基板を意図的に加熱せずにスパッタリング成膜した酸化物半導体層は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ＲａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）でハローパタンが観測される。この成膜された酸化物半導体膜を熱処理することによって結晶化させることができる。熱処理温度は任意であるが、例えば６５０℃の熱処理を行うことで、Ｘ線回折により明確な回折ピークを観測することができる。
【０３２０】
実際に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜のＸＲＤ分析を行った。ＸＲＤ分析には、ＢｒｕｋｅｒＡＸＳ社製Ｘ線回折装置Ｄ８ＡＤＶＡＮＣＥを用い、Ｏｕｔ−ｏｆ−Ｐｌａｎｅ法で測定した。
【０３２１】
ＸＲＤ分析を行った試料として、試料Ａおよび試料Ｂを用意した。以下に試料Ａおよび試料Ｂの作製方法を説明する。
【０３２２】
脱水素化処理済みの石英基板上にＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜を１００ｎｍの厚さで成膜した。
【０３２３】
Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜は、スパッタリング装置を用い、酸素雰囲気で電力を１００Ｗ（ＤＣ）として成膜した。ターゲットは、原子数比で、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物ターゲットを用いた。なお、成膜時の基板加熱温度は２００℃とした。このようにして作製した試料を試料Ａとした。
【０３２４】
次に、試料Ａと同様の方法で作製した試料に対し加熱処理を６５０℃の温度で行った。加熱処理は、はじめに窒素雰囲気で１時間の加熱処理を行い、温度を下げずに酸素雰囲気でさらに１時間の加熱処理を行っている。このようにして作製した試料を試料Ｂとした。
【０３２５】
図２６に試料Ａおよび試料ＢのＸＲＤスペクトルを示す。試料Ａでは、結晶由来のピークが観測されなかったが、試料Ｂでは、２θが３５ｄｅｇ近傍および３７ｄｅｇ〜３８ｄｅｇに結晶由来のピークが観測された。
【０３２６】
このように、Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体は成膜時に意図的に加熱すること及び／又は成膜後に熱処理することによりトランジスタの特性を向上させることができる。
【０３２７】
この基板加熱や熱処理は、酸化物半導体にとって悪性の不純物である水素や水酸基を膜中に含ませないようにすること、或いは膜中から除去する作用がある。すなわち、酸化物半導体中でドナー不純物となる水素を除去することで高純度化を図ることができ、それによってトランジスタのノーマリ・オフ化を図ることができ、酸化物半導体が高純度化されることによりオフ電流を１ａＡ／μｍ以下にすることができる。ここで、上記オフ電流値の単位は、チャネル幅１μｍあたりの電流値を示す。
【０３２８】
図２７に、トランジスタのオフ電流と測定時の基板温度（絶対温度）の逆数との関係を示す。ここでは、簡単のため測定時の基板温度の逆数に１０００を掛けた数値（１０００／Ｔ）を横軸としている。
【０３２９】
具体的には、図２７に示すように、基板温度が１２５℃の場合には１ａＡ／μｍ（１×１０^−１８Ａ／μｍ）以下、８５℃の場合には１００ｚＡ／μｍ（１×１０^−１９Ａ／μｍ）以下、室温（２７℃）の場合には１ｚＡ／μｍ（１×１０^−２１Ａ／μｍ）以下にすることができる。好ましくは、１２５℃において０．１ａＡ／μｍ（１×１０^−１９Ａ／μｍ）以下に、８５℃において１０ｚＡ／μｍ（１×１０^−２０Ａ／μｍ）以下に、室温において０．１ｚＡ／μｍ（１×１０^−２２Ａ／μｍ）以下にすることができる。これらのオフ電流値は、Ｓｉを半導体膜として用いたトランジスタに比べて、極めて低いものであることは明らかである。
【０３３０】
もっとも、酸化物半導体層の成膜時に水素や水分が膜中に混入しないように、成膜室外部からのリークや成膜室内の内壁からの脱ガスを十分抑え、スパッタガスの高純度化を図ることが好ましい。例えば、スパッタガスは水分が膜中に含まれないように露点−７０℃以下であるガスを用いることが好ましい。また、ターゲットそのものに水素や水分などの不純物が含まれていていないように、高純度化されたターゲットを用いることが好ましい。Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体は熱処理によって膜中の水分を除去することができるが、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体と比べて水分の放出温度が高いため、好ましくは最初から水分の含まれない膜を形成しておくことが好ましい。
【０３３１】
また、酸化物半導体層成膜後に６５０℃の加熱処理を行った試料Ｂを用いたトランジスタにおいて、基板温度と電気的特性の関係について評価した。
【０３３２】
測定に用いたトランジスタは、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍ、Ｌｏｖが０μｍ、ｄＷが０μｍである。なお、Ｖ_ｄは１０Ｖとした。なお、基板温度は−４０℃、−２５℃、２５℃、７５℃、１２５℃および１５０℃で行った。ここで、トランジスタにおいて、ゲート電極と一対の電極との重畳する幅をＬｏｖと呼び、酸化物半導体層に対する一対の電極のはみ出しをｄＷと呼ぶ。
【０３３３】
図２８に、Ｉ_ｄ（実線）および電界効果移動度（点線）のＶ_ｇ依存性を示す。また、図２９（Ａ）に基板温度としきい値電圧の関係を、図２９（Ｂ）に基板温度と電界効果移動度の関係を示す。
【０３３４】
図２９（Ａ）より、基板温度が高いほどしきい値電圧は低くなることがわかる。なお、その範囲は−４０℃〜１５０℃で０．３８Ｖ〜−１．０８Ｖであった。
【０３３５】
また、図２９（Ｂ）より、基板温度が高いほど電界効果移動度が低くなることがわかる。なお、その範囲は−４０℃〜１５０℃で３７．４ｃｍ^２／Ｖｓ〜３３．４ｃｍ^２／Ｖｓであった。従って、上述の温度範囲において電気的特性の変動が小さいことがわかる。
【０３３６】
上記のようなＩｎ、ＳｎおよびＺｎを含む酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタによれば、オフ電流を１ａＡ／μｍ以下に保ちつつ、電界効果移動度を３０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上、好ましくは４０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上、より好ましくは６０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とし、ＬＳＩで要求されるオン電流の値を満たすことができる。例えば、Ｌ／Ｗ＝３３ｎｍ／４０ｎｍのＦＥＴで、ゲート電圧２．７Ｖ、ドレイン電圧１．０Ｖのとき１２μＡ以上のオン電流を流すことができる。またトランジスタの動作に求められる温度範囲においても、十分な電気的特性を確保することができる。このような特性であれば、Ｓｉ半導体で作られる集積回路の中に酸化物半導体で形成されるトランジスタを混載しても、動作速度を犠牲にすることなく新たな機能を有する集積回路を実現することができる。
【０３３７】
（実施の形態７）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した半導体装置を電子機器に適用する場合について、図１３を用いて説明する。本実施の形態では、コンピュータ、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯情報端末（携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含む）、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、電子ペーパー、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）などの電子機器に、上述の半導体装置を適用する場合について説明する。
【０３３８】
図１３（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、筐体７０１、筐体７０２、表示部７０３、キーボード７０４などによって構成されている。筐体７０１と筐体７０２の少なくとも一の内部には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減されたノート型のパーソナルコンピュータが実現される。
【０３３９】
図１３（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体７１１には、表示部７１３と、外部インターフェイス７１５と、操作ボタン７１４等が設けられている。また、携帯情報端末を操作するスタイラス７１２などを備えている。本体７１１の内部には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減された携帯情報端末が実現される。
【０３４０】
図１３（Ｃ）は、電子ペーパーを実装した電子書籍７２０であり、筐体７２１と筐体７２３の２つの筐体で構成されている。筐体７２１および筐体７２３には、それぞれ表示部７２５および表示部７２７が設けられている。筐体７２１と筐体７２３は、軸部７３７により接続されており、該軸部７３７を軸として開閉動作を行うことができる。また、筐体７２１は、電源７３１、操作キー７３３、スピーカー７３５などを備えている。筐体７２１、筐体７２３の少なくとも一の内部には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減された電子書籍が実現される。
【０３４１】
図１３（Ｄ）は、携帯電話機であり、筐体７４０と筐体７４１の２つの筐体で構成されている。さらに、筐体７４０と筐体７４１は、スライドし、図１３（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。また、筐体７４１は、表示パネル７４２、スピーカー７４３、マイクロフォン７４４、操作キー７４５、ポインティングデバイス７４６、カメラ用レンズ７４７、外部接続端子７４８などを備えている。また、筐体７４０は、携帯電話機の充電を行う太陽電池セル７４９、外部メモリスロット７５０などを備えている。また、アンテナは、筐体７４１に内蔵されている。筐体７４０と筐体７４１の少なくとも一の内部には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減された携帯電話機が実現される。
【０３４２】
図１３（Ｅ）は、デジタルカメラであり、本体７６１、表示部７６７、接眼部７６３、操作スイッチ７６４、表示部７６５、バッテリー７６６などによって構成されている。本体７６１の内部には、先の実施の形態に示す半導体装置が設けられている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減されたデジタルカメラが実現される。
【０３４３】
図１３（Ｆ）は、テレビジョン装置７７０であり、筐体７７１、表示部７７３、スタンド７７５などで構成されている。テレビジョン装置７７０の操作は、筐体７７１が備えるスイッチや、リモコン操作機７８０により行うことができる。筐体７７１およびリモコン操作機７８０の内部には、先の実施の形態に示す半導体装置が搭載されている。そのため、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減されたテレビジョン装置が実現される。
【０３４４】
以上のように、本実施の形態に示す電子機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が搭載されている。このため、消費電力を低減した電子機器が実現される。
【符号の説明】
【０３４５】
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
１１６チャネル形成領域
１２０不純物領域
１２２金属層
１２４金属化合物領域
１２６電極
１２８絶縁層
１３０ａソース電極又はドレイン電極
１３０ｂソース電極又はドレイン電極
１３６ａ導電層
１３６ｂ導電層
１３６ｃ導電層
１４０絶縁層
１４２ａソース電極又はドレイン電極
１４２ｂソース電極又はドレイン電極
１４２ｃ電極
１４４酸化物半導体層
１４５酸化物半導体層
１４５ａ結晶性酸化物半導体層
１４５ｂ結晶性酸化物半導体層
１４６ゲート絶縁層
１４８ａゲート電極
１４８ｂ導電層
１５０絶縁層
１５２絶縁層
１５４ａ電極
１５４ｂ電極
１５６配線
１６２トランジスタ
１６４容量素子
１７０メモリセル
１７２トランジスタ
１７４容量素子
１８０トランジスタ
１８１トランジスタ
１８２トランジスタ
１８３トランジスタ
１８４トランジスタ
１８５トランジスタ
１８６トランジスタ
１８７トランジスタ
１８８トランジスタ
１９０センスラッチ
２０１センスラッチアレイ
２０２メモリセルアレイ
２０３第１ワード線駆動回路
２０４データ線駆動回路
２０５第２ワード線駆動回路
２４１読み出し回路
２４２書き込み回路
２４３プリチャージ回路
３７２トランジスタ
３７４容量素子
５００基板
５０２下地絶縁層
５０４保護絶縁層
５０６酸化物半導体層
５０６ａ高抵抗領域
５０６ｂ低抵抗領域
５０８ゲート絶縁層
５１０ゲート電極
５１２側壁絶縁層
５１４電極
５１６層間絶縁層
５１８配線
６００基板
６０２下地絶縁層
６０６酸化物半導体層
６０８ゲート絶縁層
６１０ゲート電極
６１４電極
６１６層間絶縁層
６１８配線
６２０保護膜
７０１筐体
７０２筐体
７０３表示部
７０４キーボード
７１１本体
７１２スタイラス
７１３表示部
７１４操作ボタン
７１５外部インターフェイス
７２０電子書籍
７２１筐体
７２３筐体
７２５表示部
７２７表示部
７３１電源
７３３操作キー
７３５スピーカー
７３７軸部
７４０筐体
７４１筐体
７４２表示パネル
７４３スピーカー
７４４マイクロフォン
７４５操作キー
７４６ポインティングデバイス
７４７カメラ用レンズ
７４８外部接続端子
７４９太陽電池セル
７５０外部メモリスロット
７６１本体
７６３接眼部
７６４操作スイッチ
７６５表示部
７６６バッテリー
７６７表示部
７７０テレビジョン装置
７７１筐体
７７３表示部
７７５スタンド
７８０リモコン操作機
１０１０下地絶縁層
１０２０埋め込み絶縁物
１０３０ａ半導体領域
１０３０ｂ半導体領域
１０３０ｃ半導体領域
１０４０ゲート絶縁層
１０５０ゲート
１０６０ａ側壁絶縁物
１０６０ｂ側壁絶縁物
１０７０絶縁物
１０８０ａソース
１０８０ｂドレイン

【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に設けられたセンスラッチアレイと、前記センスラッチアレイ上に設けられたメモリセルアレイと、を有し、
前記センスラッチアレイは、マトリクス状に配置された複数のセンスラッチを有し、
前記メモリセルアレイは、マトリクス状に配置された複数のメモリセルを有し、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、ゲート絶縁層、及び酸化物半導体層を含むトランジスタと、容量素子と、を有し、
前記センスラッチの第１の端子及び第２の端子の少なくとも一つは、前記センスラッチの上部に設けられた前記トランジスタの前記ソース電極または前記ドレイン電極と、電気的に接続される、半導体装置。
【請求項２】
半導体基板に設けられたセンスラッチアレイと、前記センスラッチアレイ上に積層された複数のメモリセルアレイと、を有し、
前記センスラッチアレイは、マトリクス状に配置された複数のセンスラッチを有し、
前記複数のメモリセルアレイのそれぞれは、マトリクス状に配置された複数のメモリセルを有し、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、ゲート絶縁層、及び酸化物半導体層を含むトランジスタと、容量素子と、を有し、
前記センスラッチの第１の端子及び第２の端子の少なくとも一つは、前記複数のメモリセルアレイのそれぞれにおいて、前記センスラッチの上部に設けられたトランジスタそれぞれの前記ソース電極または前記ドレイン電極と、電気的に接続される、半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
第１ワード線駆動回路と、第２ワード線駆動回路と、データ線駆動回路と、をさらに有し、
前記第１ワード線駆動回路は、前記複数のメモリセルと第１ワード線を介して電気的に接続され、
前記第２ワード線駆動回路は、前記複数のセンスラッチと第２ワード線を介して電気的に接続され、
前記データ線駆動回路は、前記複数のセンスラッチと第１データ線及び第２データ線を介して電気的に接続される、半導体装置。
【請求項４】
半導体基板に設けられたセンスラッチアレイと、前記センスラッチアレイ上に積層された第１のメモリセルアレイ及び第２のメモリセルアレイと、を有し、
前記センスラッチアレイは、マトリクス状に配置された複数のセンスラッチを有し、
前記第１のメモリセルアレイ及び第２のメモリセルアレイのそれぞれは、マトリクス状に配置された複数のメモリセルを有し、
前記第１のメモリセルアレイが有する前記複数のメモリセルのそれぞれは、第１のゲート電極、第１のソース電極、第１のドレイン電極、第１のゲート絶縁層、及び第１の酸化物半導体層を含む第１のトランジスタと、第１の容量素子と、を有し、
前記第２のメモリセルアレイが有する前記複数のメモリセルのそれぞれは、第２のゲート電極、第２のソース電極、第２のドレイン電極、第２のゲート絶縁層、及び第２の酸化物半導体層を含む第２のトランジスタと、第２の容量素子と、を有し、
前記センスラッチの第１の端子及び第２の端子の少なくとも一つは、前記センスラッチの上部に設けられた前記第１のトランジスタの前記第１のソース電極または前記第１のドレイン電極と、前記第２のトランジスタの前記第２のソース電極または前記第２のドレイン電極と、電気的に接続する、半導体装置。
【請求項５】
請求項４において、
第１ワード線駆動回路と、第２ワード線駆動回路と、データ線駆動回路と、をさらに有し、
前記第１ワード線駆動回路は、前記第１のメモリセルアレイ及び前記第２のメモリセルアレイが有する複数のメモリセルのそれぞれと第１ワード線を介して電気的に接続され、
前記第２ワード線駆動回路は、前記複数のセンスラッチと第２ワード線を介して電気的に接続され、
前記データ線駆動回路は、前記複数のセンスラッチと第１データ線及び第２データ線を介して電気的に接続される、半導体装置。
【請求項６】
請求項４又は５において、
前記第１の酸化物半導体層と、前記第２の酸化物半導体層とは、同じ酸化物半導体材料を含む、半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一において、
前記半導体基板は、前記酸化物半導体層とは異なる半導体材料を含む、半導体装置。

【図１】