明細書

発明の名称

半導体装置及び半導体装置の動作方法

技術分野

[0001]

本発明の一態様は、 半導体装置、 及び半導体装置の動作方法に関する。 また、 本発明の一態様は、 電池制御回路、 電池保護回路、 蓄電装置、 及び電気機器に関する。

[0002]

なお本発明の一態様は、 上記の技術分野に限定されない。 本明細書等で開示する発明の技術分野 は、 物、 方法、 または、 製造方法に関するものである。 または、 本発明の一態様は、 プロセス、 マ シン、 マニュファクチャ、 または、 組成物 （コンポジション .オブ .マター） に関するものである。 そのため、 より具体的に本明細書で開示する本発明の一 態様の技術分野としては、 表示装置、 発光 装置、 蓄電装置、 撮像装置、 記憶装置、 それらの駆動方法、 または、 それらの製造方法、 を一例と して挙げることができる。

背景技術

[0003]

蓄電装置 （バッテリ、 二次電池ともいう） は、 小型の電気機器から自動車に至るまで幅広い 分野 で利用されるようになっている。 電池の応用範囲が広がるにつれて、 複数の電池セルを直列に接続 したマルチセル構成のバッテリスタックを使 ったアプリケーションが増えている。

[0004]

蓄電装置は、 過放電、 過充電、 過電流、 または短絡といった充放電時の異常を把握す るための回 路を備えている。 このように、 電池の保護、 及び制御を行う回路において、 充放電時の異常を検知 するため、 電圧や電流等のデータを取得する。 また、 このような回路においては、 観測されるデー 夕に基づいて、 充放電の停止やセル.バランシングなどの制� �を行う。

[0005]

特許文献 1は、 電池保護回路として機能する保護 I Cにっいて開示している。 特許文献 1に記載 の保護 1 Cでは、 内部に複数のコンパレータ （比較器） を設け、 参照電圧と、 電池が接続された端 子の電圧と、 を比較して充放電時の異常を検出する構成に ついて開示している。

[0006]

特許文献 2では、 電界効果トランジスタを用いたコンパレータ が示されている。

[先行技術文献]

[特許文献]

[0007]

[特許文献 1 ] 米国特許出願公開第 201 1 -267726号明細書

[特許文献 2 ] 特開 2009-71 653号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0008]

本発明の一態様は、 新規な比較回路、 新規な増幅回路、 新規な電池制御回路、 新規な電池保護回 路、 蓄電装置、 半導体装置及び電気機器等を提供することを 課題の一とする。 または、 本発明の一 \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 態様は、 消費電力の低減を図ることができる、 新規な構成の比較回路、 増幅回路、 電池制御回路、 電池保護回路、 蓄電装置、 半導体装置及び電気機器等を提供することを 課題の一とする。

[ 0 0 0 9 ]

なお本発明の一態様の課題は、 上記列挙した課題に限定されない。 上記列挙した課題は、 他の課 題の存在を妨げるものではない。 なお他の課題は、 以下の記載で述べる、 本項目で言及していない 課題である。 本項目で言及していない課題は、 当業者であれば明細書又は図面等の記載から 導き出 せるものであり、 これらの記載から適宜抽出することができる 。 なお、 本発明の一態様は、 上記列 挙した課題、 及び/又は他の課題のうち、 少なくとも一つの課題を解決するものである 。

課題を解決するための手段

[ 0 0 1 0 ]

本発明の一態様は、 第 1の増幅回路、 第 2の増幅回路および容量素子を有し、 第 1の増幅回路は 第 1の出力端子を有し、 第 2の増幅回路は入力端子、 第 2の出力端子、 第 1のトランジスタおよび 第 2のトランジスタを有し、 第 1の出力端子は容量素子の第 1の電極に電気的に接続され、 容量素 子の第 2の電極は入力端子に電気的に接続され、 第 2の増幅回路の入力端子は、 第 1のトランジス 夕のゲートと、 第 2のトランジスタのソースおよびドレインの� �方と、 に電気的に接続され、 第 1 のトランジスタのソースおよびドレインの一 方は、 第 2の出力端子に電気的に接続され、 第 2の増 幅回路は、 入力端子に与えられる信号を増幅して第 2の出力端子に与える機能を有し、 第 2のトラ ンジスタは、 入力端子に電位を与えて保持する機能を有し 、 第 2のトランジスタのチャネル形成領 域はインジウムおよびガリウムの少なくとも 一方を含む金属酸化物を有する半導体装置で ある。

[ 0 0 1 1 ]

または本発明の一態様は、 第 1の増幅回路、 第 2の増幅回路および容量素子を有し、 第 1の増幅 回路は第 1の出力端子を有し、 第 2の増幅回路は第 1のトランジスタ、 第 2のトランジスタ、 高電 位配線、 低電位配線および第 1の半導体素子を有し、 第 1の半導体素子は第 3の電極と、 第 4の電 極と、 を有し、 第 1の出力端子は容量素子の第 1の電極に電気的に接続され、 容量素子の第 2の電 極は、 第 1のトランジスタのゲートと、 第 2のトランジスタのソースおよびドレインの� �方と、 に 電気的に接続され、 第 2のトランジスタのチャネル形成領域はイン� �ウムおよびガリウムの少なく とも一方を含む金属酸化物を有し、 第 3の電極は、 高電位配線に電気的に接続され、 第 4の電極と 前記第 1のトランジスタのソースおよびドレインの� �方は、 第 2の出力端子に電気的に接続され、 第 1のトランジスタのソースおよびドレインの� �方は、 低電位配線に電気的に接続される半導体装 置である。

[ 0 0 1 2 ]

また上記構成において、 第 1の半導体素子は第 3のトランジスタを有し、 第 3の電極は第 3の卜 ランジスタのソースおよびドレインの一方に 電気的に接続され、 第 4の電極は第 3のトランジスタ のソースおよびドレインの他方に電気的に接 続されることが好ましい。

[ 0 0 1 3 ]

また上記構成において、 第 1の半導体素子は直列に接続された複数のト� �ンジスタを有し、 第 3 の電極は直列に接続された複数のトランジス タの一方の端のトランジスタのソースまたは ドレイン に電気的に接続され、 第 4の電極は直列に接続された複数のトランジ� �タの他方の端のトランジス 夕のソースまたはドレインに電気的に接続さ れることが好ましい。

[ 0 0 1 4 ] \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 または本発明の一態様は、 第 1の増幅回路、 第 2の増幅回路および容量素子を有し、 第 2の増幅 回路は入力端子、 第 2の出力端子および第 1のトランジスタを有し、 第 1の出力端子は容量素子の 第 1の電極に電気的に接続され、 容量素子の第 2の電極は、 入力端子および第 1のトランジスタの ゲートに電気的に接続され、 第 1のトランジスタのソースおよびドレインの� �方は、 第 2の出力端 子に電気的に接続され、 第 1の出力端子から電位 V 1が出力され、 入力端子に電位 V 2が与えられ る第 1ステップと、 入力端子の電位 V 2が保持される第 2ステップと、 第 1の出力端子から出力さ れる電位を電位 V 1から電位 （ 1 + 1） に変化させることにより入力端子の電位 V 2が電位

（ 2 + 1） に変化し、 電位 （ 2 + 1） が増幅された信号が第 2の出力端子から出力さ れる第 3ステップと、 を有する半導体装置の動作方法である。

[ 0 0 1 5 ]

また上記構成において、 第 2の増幅回路は第 2のトランジスタを有し、 第 1のトランジスタのゲ ートは、 第 2のトランジスタのソースおよびドレインの� �方と電気的に接続され、 第 1ステップに おいて、 第 2のトランジスタはオン状態であり、 第 2ステップおよび第 3ステップにおいて、 第 1 のトランジスタはオフ状態であることが好ま しい。

[ 0 0 1 6 ]

また上記構成において、 第 2のトランジスタのチャネル形成領域はイン� �ウムおよびガリウムの 少なくとも一方を含む金属酉爱化物を有する ことが好ましい。

[ 0 0 1 7 ]

また上記構成において、 第 1の増幅回路は第 3のトランジスタおよび第 4のトランジスタを有し、 第 3のトランジスタのソースおよびドレインの� �方は第 4のトランジスタのソースおよびドレイン の一方と電気的に接続され、 第 4のトランジスタのソースおよびドレインの� �方は、 第 1の出力端 子に電気的に接続され、 第 3ステップにおいて、 第 1の出力端子の電位は、 第 3のトランジスタの ゲートに与えられる電位と第 4のトランジスタのゲートに与えられる電位� �比較結果に応じて生成 されることが好ましい。

[ 0 0 1 8 ]

また上記構成において、 第 1の増幅回路は、 第 5のトランジスタおよび第 6のトランジスタを有 し、 第 6のトランジスタのチャネル形成領域はイン� �ウムおよびガリウムの少なくとも一方を含� � 金属酸化物を有し、 第 5のトランジスタのソースおよびドレインの� �方は、 第 1の出力端子に電気 的に接続され、 第 6のトランジスタのソースおよびドレインの� �方は、 第 5のトランジスタのゲー 卜に電気的に接続され、 第 1ステップにおいて、 第 6のトランジスタはオン状態であり、 第 2ステ ップおよび第 3ステップにおいて、 第 6のトランジスタはオフ状態であることが好� �しい。

発明の効果

[ 0 0 1 9 ]

本発明の一態様により、 新規な比較回路、 新規な増幅回路、 新規な電池制御回路、 新規な電池保 護回路、 蓄電装置、 半導体装置及び電気機器等を提供することが できる。 また、 本発明の一態様に より、 消費電力の低減を図ることができる、 新規な構成の比較回路、 増幅回路、 電池制御回路、 電 池保護回路、 蓄電装置、 半導体装置及び電気機器等を提供することが できる。

[0020]

なお本発明の一態様の効果は、 上記列挙した効果に限定されない。 上記列挙した効果は、 他の効 果の存在を妨げるものではない。 なお他の効果は、 以下の記載で述べる、 本項目で言及していない \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 効果である。 本項目で言及していない効果は、 当業者であれば明細書又は図面等の記載から 導き出 せるものであり、 これらの記載から適宜抽出することができる 。 なお、 本発明の一態様は、 上記列 挙した効果、 及び/又は他の効果のうち、 少なくとも一つの効果を有するものである。 従って本発 明の一態様は、 場合によっては、 上記列挙した効果を有さない場合もある。

図面の簡単な説明

[ 0 0 2 1 ]

図 1八は回路の構成例である。 図 1 8は回路の構成例である。 図 1 <3は回路の構成例である。 図 2八は回路の構成例である。 図 2 3は回路の構成例である。

図 3八、 図 3 8は回路の構成例である。

図 4は回路の構成例である。

図 5は回路の構成例である。

図 6八は回路の構成例である。 図 6 3は回路の構成例である。

図 7は半導体装置の構成例を示す断面図である� �

図 8八はトランジスタの構造例を示す断面図で� �る。 図 8 3はトランジスタの構造例を示す断面図 である。 図 8匚はトランジスタの構造例を示す断面図で� �る。

図 9八はトランジスタの構造例を示す上面図で� �る。 図 9 3はトランジスタの構造例を示す断面図 である。 図 9匚はトランジスタの構造例を示す断面図で� �る。

図 1 0八はトランジスタの構造例を示す上面図で� �る。 図 1 0 13はトランジスタの構造例を示す断 面図である。 図 1 0 (3はトランジスタの構造例を示す断面図であ� ��。

図 1 1八はトランジスタの構造例を示す上面図で� �る。 図 1 1 3はトランジスタの構造例を示す断 面図である。 図 1 1 (3はトランジスタの構造例を示す断面図であ� ��。

図 1 2八はトランジスタの構造例を示す上面図で� �る。 図 1 2 3はトランジスタの構造例を示す断 面図である。 図 1 2 (3はトランジスタの構造例を示す断面図であ� ��。

図 1 3八はトランジスタの構造例を示す上面図で� �る。 図 1 3 3はトランジスタの構造例を示す断 面図である。 図 1 3 (3はトランジスタの構造例を示す断面図であ� ��。

図 1 4八はトランジスタの構造例を示す上面図で� �る。 図 1 4 13はトランジスタの構造例を示す断 面図である。 図 1 4 (3はトランジスタの構造例を示す断面図であ� ��。

図 1 5は半導体装置の構成例を示す断面図である� �

図 1 6は半導体装置の構成例を示す断面図である� �

発明を実施するための形態

[ 0 0 2 2 ]

以下、 実施の形態について図面を参照しながら説明 する。 但し、 実施の形態は多くの異なる態様 で実施することが可能であり、 趣旨及びその範囲から逸脱することなくその 形態及び詳細を様々に 変更し得ることは当業者であれば容易に理解 される。 従って、 本発明は、 以下の実施の形態の記載 内容に限定して解釈されるものではない。

[ 0 0 2 3 ]

なお本明細書等において、 「第 1」 、 「第 2」 、 「第 3」 という序数詞は、 構成要素の混同を避 けるために付したものである。 従って、 構成要素の数を限定するものではない。 また、 構成要素の 順序を限定するものではない。 また例えば、 本明細書等の実施の形態の一において 「第 1」 に言及 された構成要素が、 他の実施の形態、 あるいは特許請求の範囲において 「第 2」 に言及された構成 \¥0 2020/174303 卩（：17132020 /051162 要素とすることもありうる。 また例えば、 本明細書等の実施の形態の一において 「第 1」 に言及さ れた構成要素を、 他の実施の形態、 あるいは特許請求の範囲において省略するこ ともありうる。

[ 0 0 2 4 ]

なお図面において、 同一の要素または同様な機能を有する要素、 同一の材質の要素、 あるいは同 時に形成される要素等には同一の符号を付す 場合があり、 その繰り返しの説明は省略する場合があ る。

[ 0 0 2 5 ]

また、 図面等において示す各構成の、 位置、 大きさ、 範囲などは、 発明の理解を容易とするため、 実際の位置、 大きさ、 範囲などを表していない場合がある。 このため、 開示する発明は、 必ずしも、 図面等に開示された位置、 大きさ、 範囲などに限定されない。 例えば、 実際の製造工程において、 エッチングなどの処理によりレジス トマスクなどが意図せずに目減りすることが あるが、 理解を容 易とするために図に反映しないことがある。

[ 0 0 2 6 ]

また、 上面図 （ 「平面図」 ともいう） や斜視図などにおいて、 図面をわかりやすくするために、 一部の構成要素の記載を省略する場合がある 。

[ 0 0 2 7 ]

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。

[ 0 0 2 8 ]

また、 本明細書等において 「端子」 は例えば、 配線、 あるいは配線に接続される電極を指す場合 がある。 また、 本明細書等において 「配線」 の一部を 「端子」 と呼ぶ場合がある。

[ 0 0 2 9 ]

なお、 本明細書等において 「上」 や 「下」 の用語は、 構成要素の位置関係が直上または直下で、 かつ、 直接接していることを限定するものではない 。 例えば、 「絶縁層八上の電極 8」 の表現であ れば、 絶縁層八の上に電極 8が直接接して形成されている必要はなく、 絶縁層八と電極 8との間に 他の構成要素を含むものを除外しない。

[ 0 0 3 0 ]

また、 ソースおよびドレインの機能は、 異なる極性のトランジスタを採用する場合や 、 回路動作 において電流の方向が変化する場合など、 動作条件などによって互いに入れ替わるため 、 いずれが ソースまたはドレインであるかを限定するこ とが困難である。 このため、 本明細書においては、 ソ ースおよびドレインの用語は、 入れ替えて用いることができるものとする。

[ 0 0 3 1 ]

また、 本明細書等において、 「電気的に接続」 には、 直接接続している場合と、 「何らかの電気 的作用を有するもの」 を介して接続されている場合が含まれる。 ここで、 「何らかの電気的作用を 有するもの」 は、 接続対象間での電気信号の授受を可能とする ものであれば、 特に制限を受けない。 よって、 「電気的に接続する」 と表現される場合であっても、 現実の回路においては、 物理的な接 続部分がなく、 配線が延在しているだけの場合もある。

[ 0 0 3 2 ] \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 また、 本明細書などにおいて、 「平行」 とは、 例えば、 二つの直線が一 1 0 ° 以上 1 0 ° 以下の 角度で配置されている状態をいう。 従って、 —5。 以上 5 ° 以下の場合も含まれる。 また、 「垂直」 および 「直交」 とは、 例えば、 二つの直線が 8 0 ° 以上 1 0 0 ° 以下の角度で配置されている状態 をいう。 従って、 8 5。 以上 9 5 ° 以下の場合も含まれる。

[ 0 0 3 3 ]

なお、 本明細書などにおいて、 計数値および計量値に関して 「同一」 、 「同じ」 、 「等しい」 ま たは 「均一」 などと言う場合は、 明示されている場合を除き、 プラスマイナス 2 0 %の誤差を含む ものとする。

[ 0 0 3 4 ]

また、 本明細書において、 レジストマスクを形成した後にエッチング処 理を行う場合は、 特段の 説明がない限り、 レジストマスクは、 エッチング処理終了後に除去するものとする 。

[ 0 0 3 5 ]

また、 電圧は、 ある電位と、 基準の電位 （例えば接地電位またはソース電位） との電位差のこと を示す場合が多い。 よって、 電圧と電位は互いに言い換えることが可能な 場合が多い。 本明細書な どでは、 特段の明示が無いかぎり、 電圧と電位を言い換えることができるものと する。

[ 0 0 3 6 ]

なお、 「半導体」 と表記した場合でも、 例えば、 導電性が十分低い場合は 「絶縁体」 としての特 性を有する。 よって、 「半導体」 を 「絶縁体」 に置き換えて用いることも可能である。 この場合、 「半導体」 と 「絶縁体」 の境界は曖昧であり、 両者の厳密な区別は難しい。 したがって、 本明細書 に記載の 「半導体」 と 「絶縁体」 は、 互いに読み換えることができる場合がある。

[ 0 0 3 7 ]

また、 「半導体」 と表記した場合でも、 例えば、 導電性が十分高い場合は 「導電体」 としての特 性を有する。 よって、 「半導体」 を 「導電体」 に置き換えて用いることも可能である。 この場合、 「半導体」 と 「導電体」 の境界は曖昧であり、 両者の厳密な区別は難しい。 したがって、 本明細書 に記載の 「半導体」 と 「導電体」 は、 互いに読み換えることができる場合がある。

[ 0 0 3 8 ]

なお、 本明細書等において、 トランジスタの 「オン状態」 とは、 トランジスタのソースと ドレイ ンが電気的に短絡しているとみなせる状態 （ 「導通状態」 ともいう。 ） をいう。 また、 トランジス 夕の 「オフ状態」 とは、 トランジスタのソースと ドレインが電気的に遮断しているとみなせる 状態 （ 「非導通状態」 ともいう。 ） をいう。

[ 0 0 3 9 ]

また、 本明細書等において、 「オン電流」 とは、 トランジスタがオン状態の時にソースと ドレイ ン間に流れる電流をいう場合がある。 また、 「オフ電流」 とは、 トランジスタがオフ状態である時 にソースと ドレイン間に流れる電流をいう場合がある。

[ 0 0 4 0 ]

また、 本明細書等において、 高電位信号とは、 低電位信号よりも高い電位の電源電位を示す 。 ま た、 低電位信号とは、 高電位信号よりも低い電位の電源電位を示す 。 また、 接地電位を高電位信号 または低電位信号として用いることもできる 。 例えば高電位信号が接地電位の場合には、 低電位信 号は接地電位より低い電位であり、 低電位信号が接地電位の場合には、 高電位信号は接地電位より 高い電位である。 また、 高電位信号を高電源電位と呼ぶ場合がある。 また、 低電位信号を低電源電 \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 位と呼ぶ場合がある。

[ 0 0 4 1 ]

また、 本明細書等において、 ゲートとは、 ゲート電極およびゲート配線の一部または全 部のこと をいう。 ゲート配線とは、 少なくとも一つのトランジスタのゲート電極 と、 別の電極や別の配線と を電気的に接続させるための配線のことをい う。

[ 0 0 4 2 ]

また、 本明細書等において、 ソ'ースとは、 ソ'ース領域、 ソ'ース電極、 およびソ'ース配線の一部ま たは全部のことをいう。 ソース領域とは、 半導体層のうち、 抵抗率が一定値以下の領域のことをい う。 ソース電極とは、 ソース領域に接続される部分の導電層のこと をいう。 ソース配線とは、 少な くとも一つのトランジスタのソース電極と、 別の電極や別の配線とを電気的に接続させる ための配 線のことをいう。

[ 0 0 4 3 ]

また、 本明細書等において、 ドレインとは、 ドレイン領域、 ドレイン電極、 及びドレイン配線の 一部または全部のことをいう。 ドレイン領域とは、 半導体層のうち、 抵抗率が一定値以下の領域の ことをいう。 ドレイン電極とは、 ドレイン領域に接続される部分の導電層のこ とをいう。 ドレイン 配線とは、 少なくとも一つのトランジスタのドレイン電 極と、 別の電極や別の配線とを電気的に接 続させるための配線のことをいう。

[ 0 0 4 4 ]

（実施の形態 1）

本実施の形態では、 本発明の一態様の半導体装置の例を説明する 。

[ 0 0 4 5 ]

＜半導体装置の例＞

図 1に示す半導体装置 7 0は、 増幅回路 1 1、 容量素子 6 1および増幅回路 7 1を有する。

[ 0 0 4 6 ]

容量素子 6 1の容量値は例えば、 後述するトランジスタ 8 1の 2倍以上、 あるいは 5倍以上であ る。 また、 容量素子 6 1の容量値は例えば、 1 0 0 F以上 1 0 _? F未満である。

[ 0 0 4 7 ]

増幅回路 1 1には端子 0 11丁3が電気的に接続される。 端子 011丁3は容量素子 6 1の一方の電 極に電気的に接続される。

[ 0 0 4 8 ]

ノード N 0 1は、 端子 011丁3および容量素子 6 1の一方の電極に電気的に接続される。

[ 0 0 4 9 ]

増幅回路 7 1には端子 I X 2、 端子 011丁 2、 端子 3 £丁、 端子 〇〇、 端子 および端子 。

端子 〇〇および端子 £にはそれぞれ例えば高電位信号、 低電位信号が与えられる。 低電位 信号として接地電位を用いてもよい。

[ 0 0 5 1 ]

図 1八に示す増幅回路 7 1はトランジスタ 8 1、 トランジスタ 8 2および抵抗素子 8 9を有する。 トランジスタ 8 1のソースおよびドレインの一方は端子 £に電気的に接続され、 他方は端子〇 UT 2と、 抵抗素子 89の一方の電極とに電気的に接続される。 抵抗素子 89の他方の電極は端子 VDDに電気的に接続される。 トランジスタ 82のソースおよびドレインの一方はトランジ� ��タ 8 1のゲートと、 端子 I N2とに電気的に接続され、 他方は端子 B I AS 1に電気的に接続される。 端子 S ETはトランジスタ 82のゲートに電気的に接続される。

[0052]

端子 VDDと端子 VS Sの間の電圧を、 抵抗素子 89と トランジスタ 8 1の抵抗値に応じて抵抗 分割された電位が、 端子 OUT 2から出力される。

[005

ノード トランジスタ 8 1のゲートと、 トランジスタ 82のソースおよ びドレインの一方とに電気的に接続される。 端子 S ETからトランジスタ 82がオン状態となる信 号をトランジスタ 82のゲートに与えることにより、 端子 B I AS 1からの信号がトランジスタ 8 2を介してノード ND 2に与えられる。

[0054]

トランジスタ 8 1のゲートに接続されるノード ND 2に好適な電位を与えることにより、 増幅回 路 7 1の動作点 （動作の中心点と呼ぶ場合がある） を好適な電位とし、 増幅回路 7 1の利得をさら に高めることができる。 また、 増幅回路 71の出カレンジをさらに広くすることができ� ��。

[0055]

本発明の一態様の半導体装置において、 トランジスタ 82としてチャネル形成領域に酸化物半導 体を有するトランジスタ （以下、 OS トランジスタという） を用いることにより、 そのオフ電流を 極めて低くすることができる。 トランジスタ 82をオフ状態とすることによりノード ND 2に好適 な電位を与えた後、 浮遊状態とすることができる。 すなわちノード ND 2に電位を与えた後、 トラ ンジスタ 82をオフ状態として与えた電位を保持するこ� ��により、 ノード ND 2に電位をプロダラ ミングすることができる。

[005

ノード

ND 2の電位が保持される。 このとき例えば、 ノード ND 2には増幅回路 7 1の好適な動作点が保 持される。 ノード ND 2に動作点を保持した後、 端子 B I AS 1への信号供給を停止することがで きるため、 半導体装置 70の消費電力を低減することができる。

[0057]

ノード ND 2が浮遊状態であるため、 容量素子 6 1との容量結合によりノード ND 2の電位は、 保持された好適な動作点を中心として、 ノード ND 1の電位の変動に相当する量だけ変動する。 よ って、 増幅回路 71は好適な動作点において動作することがで� ��る。

[0058]

本発明の一態様の半導体装置において、 増幅回路 71の特性に合わせて調整された電位を端子 B I AS 1から与え、 ノード ND 2にプログラミングすることができる。 増幅回路 7 1が有するトラ ンジスタの特性により例えば好適な動作点が 変化する場合には、 該トランジスタの特性に合わせて、 プロダラミングする電位を好適な動作点に調 整すればよい。

[0059]

ここで、 半導体装置 70が容量素子 6 1およびトランジスタ 82を有さない場合を考える。 その ような場合には例えば、 端子 OUTBからの信号がトランジスタ 8 1のゲートへ与えられ、 増幅回 \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 路 7 1の動作点は増幅回路 1 1が初期化された状態における、 端子 0 11丁3からの出力電位となる, 一方、 本発明の一態様の半導体装置は容量素子 6 1およびトランジスタ 8 2を有するため、 増幅回 路 7 1の動作点を所望の値とすることができる。

[0060]

図 1 8に示す増幅回路 7 1は、 図 1八に示す抵抗素子 8 9に替えて回路 3 0 3を有する点が異な る。

[ 0 0 6 1 ]

回路 3 0 3の一例について、 図 1（3を用いて説明する。 回路 3 0 3は、 トランジスタ 8 3および トランジスタ 8 4を有する。 回路 3 0 3において、 トランジスタ 8 3のソースおよびドレインの一 方は端子 〇〇に、 他方は端子 011丁 2にそれぞれ電気的に接続される。 トランジスタ 8 4のソー スおよびドレインの一方はトランジスタ 8 3のゲートに、 他方は端子 0 3に、 それぞれ電気的 に接続される。 トランジスタ 8 4のゲートは端子 丁に電気的に接続される。

[ 0 0 6 2 ]

回路 3 0 3は電流源としての機能を有する。

[ 0 0 6 3 ]

図 1八、 図 1 8に示す増幅回路 7 1が有するトランジスタはバックゲートを有� �てもよいし、 有 さなくてもよい。

[ 0 0 6 4 ]

図 2八に示す増幅回路 7 1は、 回路 3 0 3に替えて回路 3 0 13を有する点が異なる。

[ 0 0 6 5 ]

回路 3 0 bは電流源としての機能を有する。

[ 0 0 6 6 ]

図 2 8に示すように、 回路 3 0 13は回路 3 0 3に比べて、 端子 〇〇と端子〇 丁 2との間に直 列に接続された 2つのトランジスタ （トランジスタ 8 3およびトランジスタ 8 5） を有する点が異 なる。 容量素子 8 7は端子 011丁 2と トランジスタ 8 3のゲートとの間に設けられ、 容量素子 8 8 は端子 011丁 2と トランジスタ 8 5のゲートとの間に設けられる。 また図 2 3に示す例に限定され ず、 回路 3 0 bにおいて端子 〇〇と端子〇 丁 2との間に 3つ以上のトランジスタを有してもよ い。

[ 0 0 6 7 ]

トランジスタ 8 3のソースードレイン間およびトランジスタ 8 5のソースードレイン間には、 端 子 〇〇と端子〇 丁 2との間の電圧がそれぞれのトランジスタの� �抗に応じて分配される。 例え ばトランジスタ 8 3においてソースードレイン間の電圧が高く� �ると トランジスタ 8 3において流 れる電流を高めようとするが、 トランジスタ 8 5のゲートーソース間の電圧は低くなるため� �トラ ンジスタ 8 5において流れる電流を低くしようとする。 一方のトランジスタが他方のトランジスタ を抑制する方向に動作するため、 両方のトランジスタの動作は安定する。 トランジスタの動作が安 定することにより、 増幅回路 7 1の出力信号が安定する。 また増幅回路 7 1の利得を高められる場 合がある。

[0068]

図 2 3の詳細を以下に説明する。 回路 3 0 13は、 トランジスタ 8 3、 トランジスタ 8 4、 トラン ジスタ 8 5、 トランジスタ 8 6、 容量素子 8 7および容量素子 8 8を有する。 端子 011丁 2はトラ \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 ンジスタ 8 3のソースおよびドレインの一方に電気的に� �続され、 トランジスタ 8 3のソースおよ びドレインの他方はトランジスタ 8 5のソースおよびドレインの一方に電気的に� �続され、 トラン ジスタ 8 5のソースおよびドレインの他方は端子 〇〇に電気的に接続される。 トランジスタ 8 4 のソースおよびドレインの一方はトランジス タ 8 3のゲートに、 他方は端子 ：8〇 £にそれぞれ電 気的に接続される。 トランジスタ 8 6のソースおよびドレインの一方はトランジ� �タ 8 5のゲート に、 他方は端子 〇八 にそれぞれ電気的に接続される。 端子 £ £丁はトランジスタ 8 4のゲー 卜およびトランジスタ 8 6のゲートに電気的に接続される。 容量素子 8 7の一方の電極は端子 011 丁 2に、 他方の電極はトランジスタ 8 3のゲートに、 それぞれ電気的に接続される。 容量素子 8 8 の一方の電極は端子〇11丁 2に、 他方の電極はトランジスタ 8 5のゲートに、 それぞれ電気的に接 続される。

[ 0 0 6 9 ]

トランジスタ 8 4およびトランジスタ 8 6として〇 トランジスタを用いることにより、 端子 V

スタ 8 6を介してトランジスタ 8 5のゲートに、 それぞれ電位を与えた後、 トランジスタ 8 4およ びトランジスタ 8 6をオフ状態とすることにより、 トランジスタ 8 3のゲートおよびトランジスタ 8 5のゲートのそれぞれに、 電位が保持される。 トランジスタ 8 4およびトランジスタ 8 6をオフ 状態とすることにより、 端子 V 3 0 £および端子 V 0八 £乙への信号供給を停止することができ、 消費電力を低減することができる。

[ 0 0 7 0 ]

また図 2八および図 2 3に示すように、 増幅回路 7 1が有するトランジスタはバックゲートを有 してもよい。 トランジスタのバックゲートに電位を与える ことにより、 トランジスタの閾値電圧を 制御することができる。

[ 0 0 7 1 ]

トランジスタ 8 2のバックゲー に電気的に接続される。 トランジスタ 8 1のバッ クゲートは端子 £に電気的に接続される。

[ 0 0 7 2 ]

また図 2 3に示すように回路 3 0 13が有するトランジスタはバックゲートを有� ��てもよい。 トラ ンジスタ 8 5において例えばソースおよびドレインの一� �が端子 〇〇に、 他方がトランジスタ 8 5のバックゲートに、 それぞれ電気的に接続される。 トランジスタ 8 3において例えばバックゲー 卜が端子 011丁 2に電気的に接続される。

[ 0 0 7 3 ]

トランジスタ に電気的に接続される。

[ 0 0 7 4 ]

くトランジスタの極性＞

本発明の一態様の増幅回路が有するトランジ スタとして 11チャネル型トランジスタ、 ？チャネル 型トランジスタのいずれを用いてもよく、 図 1八、 図 1 8、 図 2八および図 2 8に示すように、 増 幅回路 7 1が有する主たるトランジスタとして、 11チャネル型トランジスタを用いてもよい。 本発 明の一態様の半導体装置において、 増幅回路が有する主たるトランジスタとして 11チャネル型トラ ンジスタを用い、 かつ、 高い利得および広い出カレンジを有する増幅 回路を実現することができる。

[ 0 0 7 5 ] \¥02020/174303 ?€1/162020/051162

＜半導体装置の動作例＞

半導体装置 70の動作の一例を説明する。 半導体装置 70の動作において、 ゲートが端子 £ £丁 に接続されたトランジスタは時刻 1においてオン状態となり、 時刻 2においてオフ状態となる。

[0076]

時刻 1において、 端子 £ £丁からトランジスタ 82のゲートに信号が与えられてトランジスタ 82がオン状態となる。 よって端子 8 I八 1からトランジスタ 82を介してノード N02に信号 が与えられ、 ノード N02の電位は電位 V 2となる。 また、 端子 011丁8から信号が出力され、 ノ ード N01の電位は電位 V 1となる。

[0077]

時刻 2において、 端子 £ £丁からトランジスタ 82のゲートに信号が与えられてトランジスタ 82がオフ状態となる。 トランジスタ 82として〇 トランジスタを用いる場合にはそのオフ電流 が極めて低いため、 ノード N02が浮遊状態となる。

[0078]

ノード N01の電位が一定の場合には、 ノード N02の電位も概略一定に保持される。

[0079]

ノード N01の電位が変動する場合には、 容量素子 6 1との容量結合により、 ノード N02の電 位は、 ノード N01の電位の変動に相当する量だけ変動する。

[0080]

電位 V 2を動作点として増幅回路 71を動作させることができる。 電位 V 2が好適な値となるよ うに、 端子 3 I八 1から好適な信号を与えればよい。 電位 2は例えば、 トランジスタ 8 1の動 作領域が好適となるように調整すればよい。 トランジスタ 8 1を例えば飽和領域において動作させ ればよい。

[008 1]

あるいは電位 V 2は端子 V〇〇に与えられる電位と端子 V に与えられる電位の中間の電位で あることが好ましい。

[008 2]

電位 V 2を好適な値とすることにより、 増幅回路 71の利得をさらに高めることができる。 また、 増幅回路 71の出カレンジをさらに広くすることができ� ��。

[0083]

＜半導体装置の例 2＞

次に、 増幅回路 1 1の一例について説明する。

[0084]

図 3八に示す増幅回路 1 1は、 比較回路としての機能を有する。 増幅回路

よび端子 I NPが電気的に接続される。 端子 I NN4には第 1の入力信号が与えられ、 端子 I NPに は第 2の入力信号が与えられ、 端子 011丁 3からは出力信号が出力される。 増幅回路 1 1に用いる トランジスタにバックゲートを設けてもよい し、 設けなくてもよい。

[0085]

増幅回路 1 1は、 トランジスタ 3 1、 トランジスタ 32、 トランジスタ 34、 トランジスタ 45、 回路 30〇および回路 30 _¢ 1を有する。 また、 増幅回路 1 1には、 端子 〇〇、 端子 、 端子 31八£ 1、 端子 VSH、 端子 3£丁、 及び端子 0 £が電気的に接続される。 回路 30〇、 及 \¥02020/174303 ?€1/162020/051162 び回路 30 _¢ 1は電流源としての機能を有する。

[008 6]

トランジスタ 31のゲートは端子 I NN4に電気的に接続され、 トランジスタ 32のゲートは端子 I NPに電気的に接続される。 トランジスタ 34のソースおよびドレインの一方は端子 £と電 気的に接続され、 他方はノード N05に電気的に接続される。 ノード N05は、 トランジスタ 31 のソースおよびドレインの一方と、 トランジスタ 32のソースおよびドレインの一方とに電気的� �� 接続される。 トランジスタ 31のソースおよびドレインの他方はノード N03に電気的に接続され、 トランジスタ 32のソースおよびドレインの他方は端子 011丁 8に電気的に接続される。

[0087]

ノード N03に端子を接続し、 該端子を出力端子として機能させてもよい。

[0088]

トランジスタ 45のソースおよびドレインの一方はトランジ� ��タ 34のゲートに、 他方は端子 8 それぞれ電気的に接続される。

[0089]

端子 011丁はノード N03に電気的に接続される。 本発明の一態様の半導体装置においては、 端 子 011丁は例えば、 浮遊状態とすればよい。 あるいは図 33に示すように、 複数段の増幅回路 1 1 が接続される場合には次段の増幅回路 1 1に接続されてもよい。

[0090]

図 33には、 複数段の増幅回路 1 1が接続される例を示す。 図 33には 2段の増幅回路 1 1が接 続される例を示すが、 増幅回路 1 1は例えば 5段以上、 20段以下、 あるいは例えば 7段以上 14 段以下接続されてもよい。 増幅回路 1 1の出力端子として機能する端子 011丁3および端子 011丁 が次段の増幅回路 1 1の入力端子に電気的に接続される。 例えば次段の増幅回路 1 1の入力端子と して、 端子 I NPおよび端子 I NN4に電気的に接続される。 例えば端子 011丁3を端子 I NPおよ び端子 I NN4の一方に、 端子 011丁を他方に、 それぞれ接続すればよい。

[0091]

図 4において、 図 3八に示す増幅回路 1 1と共通する接続は、 その説明を省く。

[0092]

図 4において、 回路 30 および回路 30 _¢ 1には、 図 1 (3に示す回路 303、 および図 28に示 す回路 3013の構成の全てあるいはその一部を適用す� �ことができる。 回路 30〇は端子 〇〇と トランジスタ 31との間に配置される。 回路 30 _¢ 1は端子 〇〇と トランジスタ 32との間に配置 される。

[0093]

図 4に示す増幅回路 1 1は容量素子 41および容量素子 42を有する。 容量素子 41の一方の電 極、 および容量素子 42の一方の電極は、 トランジスタ 34のゲートに電気的に接続される。 容量 素子 41の他方の電極はノード N03に、 容量素子 42の他方の電極は端子 011丁 8に、 それぞれ 電気的に接続される。 ノード N04はトランジスタ 34のゲートに電気的に接続される。 端子 Hにトランジスタ 45がオフ状態となる電位、 例えば低電位信号を与えることによりノード N04 は浮遊状態となる。 容量素子 41および容量素子 42はノード N04に電気的に接続されており、 トランジスタ 31と トランジスタ 32の特 1生のばらつきによるノード N04の変動を抑制し、 増幅 回路 1 1の動作点を安定させる効果を備えている。 \¥02020/174303 ?€1/162020/051162

[0094]

トランジスタ 45として〇 £ トランジスタを用いることにより、 トランジスタ 34のゲートに電 位を与えた後、 トランジスタ 45をオフ状態とし、 該電位が保持される。 端子 VSHへの信号供給 を停止することができ、 消費電力を低減することができる。

[0095]

また図 4に示すように、 増幅回路 1 1が有するトランジスタはバックゲートを有� �てもよい。 卜 ランジスタ 34において例えばバックゲートは端子 £に電気的に接続される。 また、 トランジ スタ 45、 トランジスタ 46およびトランジスタ 47において例えばバックゲートは端子 ：80に 電気的に接続される。

[0096]

トランジスタ 31およびトランジスタ 32のバックゲートに例えばトランジスタのソ� ��スに比べ て高い電位を与えることにより、 トランジスタ 31およびトランジスタ 32の閾値をマイナスシフ 卜することができる。 トランジスタの閾値をマイナスシフトさせる ことにより、 より低いレベルの 入力信号の検知が可能となる。

[0097]

ノード N05はトランジスタ 34を介して端子 £に電気的に接続される。 トランジスタ 34 のソースおよびドレインの一方は端子 £に電気的に接続され、 他方はノード N05に電気的に 接続される。

[0098]

トランジスタ 31のバックゲートにはトランジスタ 46および容量素子 48が接続され、 端子 N4 V 3からの信号がトランジスタ 46を介して与えられる。 トランジスタ 46およびトランジスタ 4 7のゲートにはそれぞれ端子 丁が電気的に接続される。 トランジスタ 46のソースおよびドレ インの一方は端子 3に電気的に接続され、 他方はトランジスタ 3 1のバックゲートと、 容量素 子 48の一方の電極とに電気的に接続される。 容量素子 48の他方の電極はノード N05に電気的 に接続される。

[0099]

トランジスタ 32のバックゲートにはトランジスタ 47および容量素子 49が接続され、 端子 ：8からの信号がトランジスタ 47を介して与えられる。 トランジスタ 47のソースおよびドレイ ンの一方は端子 3に電気的に接続され、 他方はトランジスタ 32のバックゲートと、 容量素子 49の一方の電極とに電気的に接続される。 容量素子 49の他方の電極はノード N05に電気的に 接続される。

[0100]

トランジスタ 31およびトランジスタ 32のバックゲートに電位が与えられた後、 トランジスタ 46およびトランジスタ 47をオフ状態とすることにより、 トランジスタ 3 1のバックゲートの電 位は容量素子 48により保持され、 トランジスタ 32のバックゲートの電位は容量素子 49により 保持される。

[0101]

図 5には、 増幅回路 1 1の一例を示す。 図 5に示す増幅回路 1 1は、 回路 30。と トランジスタ 31の間にトランジスタ 36を、 回路 30 _¢ 1と トランジスタ 32の間にトランジスタ 37を有する 点が、 図 4に示す増幅回路 1 1と異なる。 [0102]

図 5に示す増幅回路 1 1において、 トランジスタ 31のソースおよびドレインの一方はノード N D5に、 他方はトランジスタ 36のソースおよびドレインの一方に、 それぞれ電気的に接続される。 トランジスタ 36のソースおよびドレインの他方は回路 30 cに電気的に接続される。 トランジス 夕 32のソースおよびドレインの一方はノード ND 5に、 他方はトランジスタ 37のソースおよび ドレインの一方に、 それぞれ電気的に接続される。 トランジスタ 37のソースおよびドレインの他 方は回路 30 dに電気的に接続される。 トランジスタ 36およびトランジスタ 37のゲートには、 端子 VC AS Dから電位が与えられる。

[0103]

トランジスタ 36およびトランジスタ 37はバックゲートを有してもよい。 トランジスタ 36の バックゲートは例えば、 ソースおよびドレインの一方に電気的に接続 される。 あるいはトランジス 夕 36のバックゲートは例えば、 所望の電位を与える端子に接続されてもよく 、 具体的には例えば 端子 VS S、 端子 VBG等の端子に接続されてもよい。 トランジスタ 37のバックゲートは例えば、 ソースおよびドレインの一方に電気的に接続 される。 あるいはトランジスタ 37のバックゲートは 例えば、 所望の電位を与える端子に接続されてもよく 、 具体的には例えば端子 VS S、 端子 VBG 等の端子に接続されてもよい。

[0104]

また図 5には増幅回路 1 1が容量素子 41および容量素子 42を有さない構成を例として示すが、 図 5に示す増幅回路 1 1が容量素子 41および容量素子 42を有してもよい。

[0105]

また、 図 5に示す増幅回路 1 1においては、 トランジスタ 34、 45、 46および 47はバック ゲートを有さなレ、例を示しているが、 バックゲートを有してもよい。

[0106]

トランジスタ 36のソースードレイン間およびトランジスタ 31のソースードレイン間には、 端 子 OUTとノード ND 5との間の電圧がそれぞれのトランジスタ抵� �に応じて分配される。 例えば トランジスタ 36においてソースードレイン間の電圧が高く� ��ると トランジスタ 36において流れ る電流を高めようとするが、 トランジスタ 36のゲートーソース間の電圧は低くなるため� ��トラン ジスタ 31において流れる電流を低くしようとする。 一方のトランジスタが他方のトランジスタを 抑制する方向に動作するため、 両方のトランジスタの動作は安定する。 トランジスタの動作が安定 することにより、 増幅回路 1 1の出力信号が安定する。 また増幅回路 1 1の利得を高められる場合 がある。 同様に、 トランジスタ 36に替えてトランジスタ 37、 トランジスタ 31に替えてトラン ジスタ 32として上記の記載をあてはめると、 トランジスタ 31およびトランジスタ 32の一方の トランジスタが他方のトランジスタを抑制す る方向に動作するため、 両方のトランジスタの動作は 安定する、 といえる。

[0107]

トランジスタ 46およびトランジスタ 47は、 端子 VBGから与えられる電位を保持する機能を 有する。 例えば端子 S ETから高電位信号を与えてトランジスタ 46およびトランジスタ 47を才 ン状態とし、 端子 VBGからの電位をトランジスタ 31およびトランジスタ 32に与えた後、 端子 S ETから低電位信号を与えて、 端子 VBGからの電位を保持することができる。 OS トランジス 夕はオフ電流が極めて低い。 よって、 トランジスタ 46およびトランジスタ 47として OS トラン ジスタを用いることにより、 端子 VBGから与えられる電位を長時間、 好ましくは 1分以上、 より 好ましくは 1時間以上、 さらに好ましくは 10時間以上保持することができる。

[0108]

<半導体装置の動作例 2 >

増幅回路 1 1を含めた半導体装置 70の動作の一例を説明する。

[0109]

時刻 t lにおいて、 端子 S ETに高電位信号を与え、 それぞれの端子に接続されるトランジスタ をオン状態とする。

[01 10]

先に述べた通り、 端子 B I AS 1からトランジスタ 82を介して、 ノード ND 2に電位 V 2が与 えられる。

[01 1 1]

また端子 VBCS、 端子 VC AS L等にそれぞれ好適な信号を与えることによ� �、 回路 30 a、 回路 30 b、 回路 30 c、 回路 30 d等を電流源として機能させることができる� �

[01 1 2]

また時刻 t lにおいて、 端子 VSHに高電位信号を与え、 トランジスタ 45をオン状態とする。 端子 B I AS 1に好適な信号を与えることにより、 該信号はトランジスタ 45を介してトランジス 夕 34のゲートに与えられ、 トランジスタ 34を電流源として機能させることができる。 トランジ スタ 34は例えば飽和領域にて動作させることが好� ��しい。

[01 1 3]

端子 I NMおよび端子 I NPには、 概略同じ電位を入力する。 概略同じ電位とは、 電位差が 20 mV以内であることが好ましい。 もしくは、 電位差が 10 mV以内であることが好ましい。 もしく は、 電位差が 5 mV以内であることが好ましい。

[01 14]

次に時刻 t 2において、 端子 S ETおよび端子 VSHに低電位信号を与える。

[01 1 5]

トランジスタ 82がオフ状態となり、 端子 I N 2は浮遊状態となる。 またトランジスタ 84およ びトランジスタ 86がオフ状態となり、 トランジスタ 83のゲート電位およびトランジスタ 85の ゲート電位が浮遊状態となる。

[01 1 6]

次に時刻 t 3において、 比較される 2つの信号を端子 I NMおよび端子 I NPに入力する。 ここ では例えば端子 I NMを基準値として時刻 t 2の電位を引き続き保持し、 端子 I NPの値を変化さ せる。 これにより端子 OUT Bに接続されるノード ND 1の電位は変化する。 例えば端子 I N の 電位が低くなればノード ND 1の電位は高くなり、 端子 I NPの電位が高くなればノード ND 1の 電位は低くなる。 ノード ND 2は浮遊状態であるため、 容量結合によりノード ND 2の電位はノー ド ND 1の電位の変動に相当する量だけ変動する。

[01 1 7]

<半導体装置の例 3 >

図 6 Aには本発明の一態様の半導体装置において� � 本発明の一態様の増幅回路を比較回路 （コン パレータともいう） に適用し、 比較回路の一方の入力端子に記憶素子が接続 される例を示す。 \¥02020/174303 ?€1/162020/051162

[0 1 1 8]

図 1八、 図 13および図 2八で示した増幅回路 1 1、 容量素子 6 1および増幅回路 7 1が接続さ れた構成を以下、 増幅回路 80と呼ぶ。

[0 1 1 9]

増幅回路 80は、 入力端子として機能する端子 I NPおよび端子 I NMの 2つの端子と、 出力端 子として機能する端子 011丁 2と、 を有する比較回路として機能する。 端子 I NPと端子 I NMの それぞれに入力される信号の比較結果に応じ て、 端子 011丁 2から信号が出力される。 端子 I NP および端子 I NN4の一方は非反転入力端子、 他方は反転入力端子として機能することが好 ましい。

[0120]

増幅回路 80を比較回路として用いる一例を説明する。 非反転入力端子および反転入力端子の一 方には基準信号が与えられ、 他方には該基準信号と比較される信号が与え られる。 図 6八において は、 端子 I NN4に基 _信号が与えられる例を示す。

[0121]

ここで、 基準信号は記憶素子に保持されることが好ま しい。 基準信号を記憶素子に保持すること により、 信号供給回路から基準信号を与えた後、 該信号供給回路との接続を切断することがで きる。 これにより例えば、 該信号供給回路の全体、 あるいは一部において、 電源を遮断することができる。

[0122]

記憶素子として、 図 6八に示す記憶素子 1 1 4の構成を用いることができる。 図 6八に示す記憶 素子 1 1 4は、 容量素子 1 6 1およびトランジスタ 1 6 2を有する。 トランジスタ 1 6 2のソース およびドレインの一方は端子 I NN4に電気的に接続され、 他方 （図 6においては端子 丁） には基 準信号が与えられる。 容量素子 1 6 1の一方の電極は端子 I NN4に電気的に接続され、 他方には例 えば第 2の基準信号が与えられる。 ここで第 2の基準信号として、 接地電位、 低電位信号、 高電位 信号、 二次電池の正極または負極の電位、 二次電池の正極と負極の電位間を抵抗分割し た値、 等を 用いてもよい。

[0 1 23]

トランジスタ 1 6 2として、 〇 トランジスタを用いることが好ましい。 なお図 6八において卜 ランジスタ 1 62はバックゲートを有するが、 有さない構成としてもよい。

[0 1 24]

記憶素子 1 1 4への基準信号の保持を行うための動作例を� �す。 まずトランジスタ 1 6 2をオン 状態とし、 端子 丁へ信号を与え、 トランジスタ 1 6 2を介して端子 I NN4に該信号に対応する電 位を与える。 その後、 トランジスタ 1 6 2をオフ状態とする。 トランジスタ 1 6 2として〇 トラ ンジスタを用いることにより、 トランジスタ 1 6 2のオフ電流を極めて低くすることができる� � よ って端子 。

[0 1 2

図 63には、 本発明の一態様の半導体装置を蓄電システム に適用する一例を示す。 蓄電システム 1 00は半導体装置 70および二次電池 1 2 1を有する。 増幅回路 8 0の端子 I X には二次電池 1 2 1の正極が電気的に接続される。 端子 I NN4には例えば、 正極として好ましい範囲の電圧領域 の上限、 あるいは下限が保持される。 二次電池 1 2 1 として二次電池、 キャパシタ、 等の蓄電デバ イスを用いることができる。 例えば二次電池 1 2 1 としてリチウムイオンニ次電池を用いること が できる。 またリチウムイオンニ次電池に限定されず、 二次電池の正極材料として例えば、 元素八、 \¥0 2020/174303 卩（：17132020 /051162 元素 X、 及び酸素を有する材料を用いることができる 。 元素八は第 1族の元素および第 2族の元素 から選ばれる一以上である。 第 1族の元素として例えば、 リチウム、 ナトリウム、 カリウム等のア ルカリ金属を用いることができる。 また、 第 2族の元素として例えば、 カルシウム、 ベリリウム、 マグネシウム等を用いることができる。 元素 Xとして例えば金属元素、 シリコン及びリンから選ば れる一以上を用いることができる。 また、 元素 はコバルト、 ニッケル、 マンガン、 鉄、 及びバナ ジウムから選ばれる一以上である。 代表的には、 リチウムコバルト複合酸化物乙 1 0〇 0 ₂ や、 リ ン酸鉄リチウム乙 1 F 6 〇 ₄ が挙げられる。

[ 0 1 2 6 ]

端子 I NN4に電圧領域の上限が保持される場合には、 端子 I N Pの電位が端子 I NN4の電位を上 回ると、 端子 011丁 2からの信号が反転する。 信号の反転とは例えば高電位信号が低電位信 号に、 低電位信号が高電位信号に変化することを指 す。 信号の反転に伴い、 端子 0 11丁 2からの出力が与 えられる回路において、 与えられた信号に応じて二次電池 1 2 1の制御が行われる。

[ 0 1 2 7 ]

< 0 £トランジスタ ñ

〇£ トランジスタは、 チャネル形成領域に酸化物半導体を有する。 酸化物半導体として、 少なく ともインジウムまたは亜鉛を含む金属酸化物 を用いることが好ましい。 特に、 インジウムおよび亜 鉛を含む金属酸化物を用いる事が好ましい。 またそれらに加えて、 ガリウム、 イットリウム、 錫な どが含まれていることが好ましい。 また、 ホウ素、 チタン、 鉄、 ニッケル、 ゲルマニウム、 ジルコ ニウム、 モリブデン、 ランタン、 セリウム、 ネオジム、 ハフニウム、 タンタル、 タングステン、 マ ダネシウムなどから選ばれた一種、 または複数種が含まれていてもよい。

[ 0 1 2 8 ]

ここでは、 金属酸化物が、 インジウム、 よび亜鉛を有する I 11— N4— å 11酸化物である 場合を考える。 なお、 元素 N4は、 アルミニウム、 ガリウム、 イットリウム、 または錫とする。 その ほかの元素 IV!に適用可能な元素としては、 ホウ素、 チタン、 鉄、 ニッケル、 ゲルマニウム、 ジルコ ニウム、 モリブデン、 ランタン、 セリウム、 ネオジム、 ハフニウム、 タンタル、 タングステン、 マ ダネシウムなどがある。 ただし、 元素 として、 前述の元素を複数組み合わせても構わない場 合が ある。

[ 0 1 2 9 ]

以上、 本実施の形態で示す構成、 方法は、 他の実施の形態で示す構成、 方法と適宜組み合わせて 用いることができる。

[ 0 1 3 0 ]

（実施の形態 2）

本実施の形態では、 上記実施の形態で説明した半導体装置に用い ることができる、 〇 トランジ スタの構成例について説明する。 なお、 〇 トランジスタは薄膜トランジスタであり、 積層して設 けることができるため、 本実施の形態では、 単結晶シリコン基板に形成された £ 1 トランジスタの 上方に、 〇 トランジスタを設けた半導体装置の構成例に ついて説明する。

[ 0 1 3 1 ]

<半導体装置の構成例 1 >

図 7に示す半導体装置は、 トランジスタ 3 0 0と、 トランジスタ 5 0 0、 および容量素子 6 0 0 を有している。 図 8八はトランジスタ 5 0 0のチャネル長方向の断面図であり、 図 8 8はトランジ スタ 500のチャネル幅方向の断面図であり、 図 8 Cはトランジスタ 300のチャネル幅方向の断 面図である。

[0132]

トランジスタ 500は、 チャネル形成領域に金属酸化物を有するトラ ンジスタ （OS トランジス 夕） である。 トランジスタ 500は、 オフ電流が非常に小さい特徴を有する。

[0133]

本実施の形態で説明する半導体装置は、 図 7に示すように、 トランジスタ 300、 トランジスタ 500、 および容量素子 600を有する。 トランジスタ 500はトランジスタ 300の上方に設け られ、 容量素子 600は、 トランジスタ 300およびトランジスタ 500の上方に設けられている, [0134]

トランジスタ 300は、 基板 31 1上に設けられ、 導電体 31 6、 絶縁体 31 5、 基板 31 1の 一部からなる半導体領域 3 1 3、 およびソース領域またはドレイン領域として 機能する低抵抗領域 314 a、 および低抵抗領域 314 bを有する。

[0135]

トランジスタ 300は、 図 8 Cに示すように、 半導体領域 31 3の上面およびチャネル幅方向の 側面が絶縁体 31 5を介して導電体 31 6に覆われている。 このように、 トランジスタ 300を F i n型とすることにより、 実効上のチャネル幅が増大することにより トランジスタ 300のオン特 性を向上させることができる。 また、 ゲート電極の電界の寄与を高くすることがで きるため、 トラ ンジスタ 300のオフ特性を向上させることができる。

[0136]

なお、 トランジスタ 300は、 pチャネル型、 あるいは nチャネル型のいずれでもよい。

[0137]

半導体領域 31 3のチャネルが形成される領域、 その近傍の領域、 ソース領域、 またはドレイン 領域となる低抵抗領域 314 a、 および低抵抗領域 314 bなどにおいて、 シリコン系半導体など の半導体を含むことが好ましく、 単結晶シリコンを含むことが好ましい。 または、 Ge （ゲルマニ ウム） 、 S i G e （シリコンゲルマニウム） 、 G a A s （ガリウムヒ素） 、 G a A 1 A s （ガリウ ムアルミニウムヒ素） などを有する材料で形成してもよい。 結晶格子に応力を与え、 格子間隔を変 化させることで有効質量を制御したシリコン を用いた構成としてもよい。 または G a A sと G a A 1 A s等を用いることで、 トランジスタ 300を HEMT （H i g h E l e c t r o n Mo b i l i t y Tr a n s i s t o r） としてもよ V、。

[0138]

低抵抗領域 314 a、 および低抵抗領域 3 14 bは、 半導体領域 3 1 3に適用される半導体材料 に加え、 ヒ素、 リンなどの n型の導電性を付与する元素、 またはホウ素などの p型の導電性を付与 する元素を含む。

[0139]

ゲート電極として機能する導電体 31 6は、 ヒ素、 リンなどの n型の導電性を付与する元素、 も しくはホウ素などの p型の導電性を付与する元素を含むシリコン� �どの半導体材料、 金属材料、 合 金材料、 または金属酸化物材料などの導電性材料を用 いることができる。

[0140]

なお、 導電体の材料により、 仕事関数が定まるため、 導電体の材料を変更することで、 トランジ \¥02020/174303 卩（：17132020 /051162 スタの V 1; 11を調整することができる。 具体的には、 導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材 料を用いることが好ましい。 さらに導電性と埋め込み性を両立するために 導電体にタングステンや アルミニウムなどの金属材料を積層として用 いることが好ましく、 特にタングステンを用いること が耐熱†生の点で好ましい。

[0 14 1]

なお、 図 7に示すトランジスタ 300は一例であり、 その構造に限定されず、 回路構成や駆動方 法に応じて適切なトランジスタを用いればよ い。

[0 142]

トランジスタ 300を覆って、 絶縁体 320、 絶縁体 32 2、 絶縁体 324、 および絶縁体 32 6が順に積層して設けられている。

[0 143]

絶縁体 3 20、 絶縁体 3 22、 絶縁体 324、 および絶縁体 326として、 例えば、 酸化シリコ ン、 酸化窒化シリコン、 窒化酸化シリコン、 窒化シリコン、 酸化アルミニウム、 酸化窒化アルミニ ウム、 窒化酸化アルミニウム、 窒化アルミニウムなどを用いればよい。

[0 144]

絶縁体 3 22は、 その下方に設けられる トランジスタ 300などによって生じる段差を平坦化す る平坦化膜としての機能を有していてもよい 。 例えば、 絶縁体 322の上面は、 平坦性を高めるた めに化学機械研磨 （0 ?） 法等を用いた平坦化処理により平坦化されて いてもよい。

[0 145]

また、 絶縁体 324には、 基板 3 1 1、 またはトランジスタ 300などから、 トランジスタ 50 0が設けられる領域に、 水素や不純物が拡散しないようなバリア性を 有する膜を用いることが好ま しい。

[0 146]

水素に対するバリア性を有する膜の一例とし て、 例えば、 〇 〇法で形成した窒化シリコンを用 いることができる。 ここで、 トランジスタ 500等の酸化物半導体を有する半導体素子に、 水素が 拡散することで、 当該半導体素子の特性が低下する場合がある 。 したがって、 トランジスタ 500 と、 トランジスタ 300との間に、 水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ま しい。 水素の拡散 を抑制する膜とは、 具体的には、 水素の脱離量が少ない膜とする。

[0 147]

水素の脱離量は、 例えば、 昇温脱離ガス分析 （丁〇 分析） 法などを用いて分析することができ る。 例えば、 絶縁体 324の水素の脱離量は、 丁〇 分析において、 膜の表面温度が 50°〇から 5 00°〇の範囲において、 水素原子に換算した脱離量が、 絶縁体 324の面積当たりに換算して、 1 0 X 1 0 ¹⁵ 3 1: 01X18 / 以下、 好ましくは 5 1 0 ¹⁵ 3 1: 01X18 / 以下であればよい。

[0 148]

なお、 絶縁体 32 6は、 絶縁体 3 24よりも誘電率が低いことが好ましい。 例えば、 絶縁体 32 6の比誘電率は 4未満が好ましく、 3未満がより好ましい。 また例えば、 絶縁体 3 26の比誘電率 は、 絶縁体 324の比誘電率の〇. 7倍以下が好ましく、 〇. 6倍以下がより好ましい。 比誘電率 が低い材料を層間膜とすることで、 配線間に生じる寄生容量を低減することがで きる。

[0 149]

また、 絶縁体 320、 絶縁体 32 2、 絶縁体 324、 および絶縁体 326には容量素子 600、 \¥0 2020/174303 卩（：17132020 /051162 またはトランジスタ 5 0 0と接続する導電体 3 2 8、 および導電体 3 3 0等が埋め込まれている。 なお、 導電体 3 2 8、 および導電体 3 3 0は、 プラグまたは配線としての機能を有する。 また、 プ ラグまたは配線としての機能を有する導電体 は、 複数の構造をまとめて同一の符号を付与する 場合 がある。 また、 本明細書等において、 配線と、 配線と接続するプラグとが一体物であっても よい。 すなわち、 導電体の一部が配線として機能する場合、 および導電体の一部がプラグとして機能する 場合もぁる。

[ 0 1 5 0 ]

各プラグ、 および配線 （導電体 3 2 8、 および導電体 3 3 0等） の材料としては、 金属材料、 合 金材料、 金属窒化物材料、 または金属酸化物材料などの導電性材料を、 単層または積層して用いる ことができる。 耐熱性と導電性を両立するタングステンやモ リブデンなどの高融点材料を用いるこ とが好ましく、 タングステンを用いることが好ましい。 または、 アルミニウムや銅などの低抵抗導 電性材料で形成することが好ましい。 低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を 低くすることが できる。

[ 0 1 5 1 ]

絶縁体 3 2 6、 および導電体 3 3 0上に、 配線層を設けてもよい。 例えば、 図 7において、 絶縁 体 3 5 0、 絶縁体 3 5 2、 および絶縁体 3 5 4が順に積層して設けられている。 また、 絶縁体 3 5 0、 絶縁体 3 5 2、 および絶縁体 3 5 4には、 導電体 3 5 6が形成されている。 導電体 3 5 6は、 トランジスタ 3 0 0と接続するプラグ、 または配線としての機能を有する。 なお導電体 3 5 6は、 導電体 3 2 8、 および導電体 3 3 0と同様の材料を用いて設けることができる� �

[ 0 1 5 2 ]

なお、 例えば、 絶縁体 3 5 0は、 絶縁体 3 2 4と同様に、 水素に対するバリア性を有する絶縁体 を用いることが好ましい。 また、 導電体 3 5 6は、 水素に対するバリア性を有する導電体を含む こ とが好ましい。 特に、 水素に対するバリア性を有する絶縁体 3 5 0が有する開口部に、 水素に対す るバリア性を有する導電体が形成される。 当該構成により、 トランジスタ 3 0 0と トランジスタ 5 0 0とは、 バリア層により分離することができ、 トランジスタ 3 0 0からトランジスタ 5 0 0への 水素の拡散を抑制することができる。

[ 0 1 5 3 ]

なお、 水素に対するバリア性を有する導電体として は、 例えば、 窒化タンタル等を用いるとよい。 また、 窒化タンタルと導電性が高いタングステンを 積層することで、 配線としての導電性を保持し たまま、 トランジスタ 3 0 0からの水素の拡散を抑制することができる� � この場合、 水素に対する バリア性を有する窒化タンタル層が、 水素に対するバリア性を有する絶縁体 3 5 0と接する構造で あることが好ましい。

[ 0 1 5 4 ]

絶縁体 3 5 4、 および導電体 3 5 6上に、 配線層を設けてもよい。 例えば、 図 7において、 絶縁 体 3 6 0、 絶縁体 3 6 2、 および絶縁体 3 6 4が順に積層して設けられている。 また、 絶縁体 3 6 0、 絶縁体 3 6 2、 および絶縁体 3 6 4には、 導電体 3 6 6が形成されている。 導電体 3 6 6は、 プラグまたは配線としての機能を有する。 なお導電体 3 6 6は、 導電体 3 2 8、 および導電体 3 3 0と同様の材料を用いて設けることができる� �

[ 0 1 5 5 ]

なお、 例えば、 絶縁体 3 6 0は、 絶縁体 3 2 4と同様に、 水素に対するバリア性を有する絶縁体 \¥0 2020/174303 卩（：17132020 /051162 を用いることが好ましい。 また、 導電体 3 6 6は、 水素に対するバリア性を有する導電体を含む こ とが好ましい。 特に、 水素に対するバリア性を有する絶縁体 3 6 0が有する開口部に、 水素に対す るバリア性を有する導電体が形成される。 当該構成により、 トランジスタ 3 0 0と トランジスタ 5 0 0とは、 バリア層により分離することができ、 トランジスタ 3 0 0からトランジスタ 5 0 0への 水素の拡散を抑制することができる。

[ 0 1 5 6 ]

絶縁体 3 6 4、 および導電体 3 6 6上に、 配線層を設けてもよい。 例えば、 図 7において、 絶縁 体 3 7 0、 絶縁体 3 7 2、 および絶縁体 3 7 4が順に積層して設けられている。 また、 絶縁体 3 7 0、 絶縁体 3 7 2、 および絶縁体 3 7 4には、 導電体 3 7 6が形成されている。 導電体 3 7 6は、 プラグまたは配線としての機能を有する。 なお導電体 3 7 6は、 導電体 3 2 8、 および導電体 3 3 0と同様の材料を用いて設けることができる� �

[ 0 1 5 7 ]

なお、 例えば、 絶縁体 3 7 0は、 絶縁体 3 2 4と同様に、 水素に対するバリア性を有する絶縁体 を用いることが好ましい。 また、 導電体 3 7 6は、 水素に対するバリア性を有する導電体を含む こ とが好ましい。 特に、 水素に対するバリア性を有する絶縁体 3 7 0が有する開口部に、 水素に対す るバリア性を有する導電体が形成される。 当該構成により、 トランジスタ 3 0 0と トランジスタ 5 0 0とは、 バリア層により分離することができ、 トランジスタ 3 0 0からトランジスタ 5 0 0への 水素の拡散を抑制することができる。

[ 0 1 5 8 ]

絶縁体 3 7 4、 および導電体 3 7 6上に、 配線層を設けてもよい。 例えば、 図 7において、 絶縁 体 3 8 0、 絶縁体 3 8 2、 および絶縁体 3 8 4が順に積層して設けられている。 また、 絶縁体 3 8 0、 絶縁体 3 8 2、 および絶縁体 3 8 4には、 導電体 3 8 6が形成されている。 導電体 3 8 6は、 プラグまたは配線としての機能を有する。 なお導電体 3 8 6は、 導電体 3 2 8、 および導電体 3 3 0と同様の材料を用いて設けることができる� �

[ 0 1 5 9 ]

なお、 例えば、 絶縁体 3 8 0は、 絶縁体 3 2 4と同様に、 水素に対するバリア性を有する絶縁体 を用いることが好ましい。 また、 導電体 3 8 6は、 水素に対するバリア性を有する導電体を含む こ とが好ましい。 特に、 水素に対するバリア性を有する絶縁体 3 8 0が有する開口部に、 水素に対す るバリア性を有する導電体が形成される。 当該構成により、 トランジスタ 3 0 0と トランジスタ 5 0 0とは、 バリア層により分離することができ、 トランジスタ 3 0 0からトランジスタ 5 0 0への 水素の拡散を抑制することができる。

[ 0 1 6 0 ]

上記において、 導電体 3 5 6を含む配線層、 導電体 3 6 6を含む配線層、 導電体 3 7 6を含む配 線層、 および導電体 3 8 6を含む配線層、 について説明したが、 本実施の形態に係る半導体装置は これに限られるものではない。 導電体 3 5 6を含む配線層と同様の配線層を 3層以下にしてもよい し、 導電体 3 5 6を含む配線層と同様の配線層を 5層以上にしてもよい。

[ 0 1 6 1 ]

絶縁体 3 8 4上には絶縁体 5 1 0、 絶縁体 5 1 2、 絶縁体 5 1 4、 および絶縁体 5 1 6が、 順に 積層して設けられている。 絶縁体 5 1 0、 絶縁体 5 1 2、 絶縁体 5 1 4、 および絶縁体 5 1 6のい ずれかは、 酸素や水素に対してバリア性のある物質を用 いることが好ましい。 \¥0 2020/174303 卩（：17132020 /051162

[ 0 1 6 2 ]

例えば、 絶縁体 5 1 0、 および絶縁体 5 1 4には、 例えば、 基板 3 1 1、 またはトランジスタ 3 0 0を設ける領域などから、 トランジスタ 5 0 0を設ける領域に、 水素や不純物が拡散しないよう なバリア性を有する膜を用いることが好まし い。 したがって、 絶縁体 3 2 4と同様の材料を用いる ことができる。

[ 0 1 6 3 ]

水素に対するバリア性を有する膜の一例とし て、 〇 〇法で形成した窒化シリコンを用いること ができる。 ここで、 トランジスタ 5 0 0等の酸化物半導体を有する半導体素子に、 水素が拡散する ことで、 当該半導体素子の特性が低下する場合がある 。 したがって、 トランジスタ 5 0 0と、 トラ ンジスタ 3 0 0との間に、 水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ま しい。 水素の拡散を抑制す る膜とは、 具体的には、 水素の脱離量が少ない膜とする。

[ 0 1 6 4 ]

また、 水素に対するバリア性を有する膜として、 例えば、 絶縁体 5 1 0、 および絶縁体 5 1 4に は、 酸化アルミニウム、 酸化ハフニウム、 酸化タンタルなどの金属酸化物を用いること が好ましい。

[ 0 1 6 5 ]

特に、 酸化アルミニウムは、 酸素、 およびトランジスタの電気特性の変動要因と なる水素、 水分 などの不純物、 の両方に対して膜を透過させない遮断効果が 高い。 したがって、 酸化アルミニウム は、 トランジスタの作製工程中および作製後にお いて、 水素、 水分などの不純物のトランジスタ 5 0 0への混入を防止することができる。 また、 トランジスタ 5 0 0を構成する酸化物からの酸素の 放出を抑制することができる。 そのため、 トランジスタ 5 0 0に対する保護膜として用いることに 適している。

[ 0 1 6 6 ]

また、 例えば、 絶縁体 5 1 2、 および絶縁体 5 1 6には、 絶縁体 3 2 0と同様の材料を用いるこ とができる。 また、 比較的誘電率が低い材料を層間膜とすること で、 配線間に生じる寄生容量を低 減することができる。 例えば、 絶縁体 5 1 2、 および絶縁体 5 1 6として、 酸化シリコン膜や酸化 窒化シリコン膜などを用いることができる。

[ 0 1 6 7 ]

また、 絶縁体 5 1 0、 絶縁体 5 1 2、 絶縁体 5 1 4、 および絶縁体 5 1 6には、 導電体 5 1 8、 およびトランジスタ 5 0 0を構成する導電体 （導電体 5 0 3） 等が埋め込まれている。 なお、 導電 体 5 1 8は、 容量素子 6 0 0、 またはトランジスタ 3 0 0と接続するプラグ、 または配線としての 機能を有する。 導電体 5 1 8は、 導電体 3 2 8、 および導電体 3 3 0と同様の材料を用いて設ける ことができる。

[ 0 1 6 8 ]

特に、 絶縁体 5 1 0、 および絶縁体 5 1 4と接する領域の導電体 5 1 8は、 酸素、 水素、 および 水に対するバリア性を有する導電体であるこ とが好ましい。 当該構成により、 トランジスタ 3 0 0 と トランジスタ 5 0 0とは、 酸素、 水素、 および水に対するバリア性を有する層で、 分離すること ができ、 トランジスタ 3 0 0からトランジスタ 5 0 0への水素の拡散を抑制することができる。

[ 0 1 6 9 ]

絶縁体 5 1 6の上方には、 トランジスタ 5 0 0が設けられている。

[ 0 1 7 0 ] \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 図 8八、 図 8 8に示すように、 トランジスタ 5 0 0は、 絶縁体 5 1 4および絶縁体 5 1 6に埋め 込まれるように配置された導電体 5 0 3と、 絶縁体 5 1 6と導電体 5 0 3の上に配置された絶縁体 5 2 0と、 絶縁体 5 2 0の上に配置された絶縁体 5 2 2と、 絶縁体 5 2 2の上に配置された絶縁体 5 2 4と、 絶縁体 5 2 4の上に配置された酸化物 5 3 0 3と、 酸化物 5 3 0 3の上に配置された酸 化物 5 3 0 13と、 酸化物 5 3 0 13上に、 互いに離して配置された導電体 5 4 2 3、 および導電体 5

4 2 13と、 導電体 5 4 2 3および導電体 5 4 2 13上に配置され、 導電体 5 4 2 3と導電体 5 4 2 b の間に重畳して開口が形成された絶縁体 5 8 0と、 開口の中に配置された導電体 5 6 0と、 酸化物

5 3 0 13、 導電体 5 4 2 3、 導電体 5 4 2 13、 および絶縁体 5 8 0と、 導電体 5 6 0と、 の間に配 置された絶縁体 5 5 0と、 酸化物 5 3 0 13、 導電体 5 4 2 3、 導電体 5 4 2 13、 および絶縁体 5 8 0と、 絶縁体 5 5 0と、 の間に配置された酸化物 5 3 0 と、 を有する。

[ 0 1 7 1 ]

また、 図 8八、 図 8 3に示すように、 酸化物 5 3 0 ₃ 、 酸化物 5 3 0 1 ₃ 、 導電体 5 4 2 ₃ およ び導電体 5 4 2 1 ₃ と、 絶縁体 5 8 0の間に絶縁体 5 4 4が配置されることが好ましい。 また、 図 8 八、 図 8 8に示すように、 導電体 5 6 0は、 絶縁体 5 5 0の内側に設けられた導電体 5 6 0 ₃ と、 導電体 5 6 0 ₃ の内側に埋め込まれるように設けられた 導電体 5 6 0 1 ₃ と、 を有することが好まし い。 また、 図 8八、 図 8 8に示すように、 絶縁体 5 8 0、 導電体 5 6 0、 および絶縁体 5 5 0の上 に絶縁体 5 7 4が配置されることが好ましい。

[ 0 1 7 2 ]

なお、 以下において、 酸化物 5 3 0 3、 酸化物 5 3 0 13、 および酸化物 5 3 0 をまとめて酸化 物 5 3 0という場合がある。 また、 導電体 5 4 2 3および導電体 5 4 2 13をまとめて導電体 5 4 2 という場合がある。

[ 0 1 7 3 ]

なお、 トランジスタ 5 0 0では、 チャネルが形成される領域と、 その近傍において、 酸化物 5 3 0 3 , 酸化物 5 3 0 13、 および酸化物 5 3 0 〇の 3層を積層する構成について示しているが、 本発 明はこれに限られるものではない。 例えば、 酸化物 5 3 0 13の単層、 酸化物 5 3 0 bと酸化物 5 3 0 3の 2層構造、 酸化物 5 3 0 13と酸化物 5 3 0 の 2層構造、 または 4層以上の積層構造を設け る構成にしてもよい。 また、 トランジスタ 5 0 0では、 導電体 5 6 0を 2層の積層構造として示し ているが、 本発明はこれに限られるものではない。 例えば、 導電体 5 6 0が、 単層構造であっても よいし、 3層以上の積層構造であってもよい。 また、 図 7、 図 8八、 図 8 3に示すトランジスタ 5 0 0は一例であり、 その構造に限定されず、 回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジ スタを用 いればよい。

[ 0 1 7 4 ]

ここで、 導電体 5 6 0は、 トランジスタのゲート電極として機能し、 導電体 5 4 2 3および導電 体 5 4 2 13は、 それぞれソース電極またはドレイン電極とし て機能する。 上記のように、 導電体 5

6 0は、 絶縁体 5 8 0の開口、 および導電体 5 4 2 3と導電体 5 4 2 bに挟まれた領域に埋め込ま れるように形成される。 導電体 5 6 0、 導電体 5 4 2 3および導電体 5 4 2 13の配置は、 絶縁体 5 8 0の開口に対して、 自己整合的に選択される。 つまり、 トランジスタ 5 0 0において、 ゲート電 極を、 ソース電極と ドレイン電極の間に、 自己整合的に配置させることができる。 よって、 導電体 5 6 0を位置合わせのマージンを設けることなく� �成することができるので、 トランジスタ 5 0 0 の占有面積の縮小を図ることができる。 これにより、 半導体装置の微細化、 高集積化を図ることが できる。

[0 1 75]

さらに、 導電体 5 60が、 導電体 542 aと導電体 542 bの間の領域に自己整合的に形成され るので、 導電体 56 0は、 導電体 542 aまたは導電体 54 2 bと重畳する領域を有さない。 これ により、 導電体 56 0と導電体 54 2 aおよび導電体 542 bとの間に形成される寄生容量を低減 することができる。 よって、 トランジスタ 500のスイッチング速度を向上させ、 高い周波数特性 を有せしめることができる。

[0 1 76]

導電体 5 60は、 第 1のゲート （トップゲート、 ともいう） 電極として機能する場合がある。 ま た、 導電体 503は、 第 2のゲート （ボトムゲート、 ともいう） 電極として機能する場合がある。 その場合、 導電体 503に印加する電位を、 導電体 560に印加する電位と、 連動させず、 独立し て変化させることで、 トランジスタ 500の V t hを制御することができる。 特に、 導電体 503 に負の電位を印加することにより、 トランジスタ 500の V t hを 0 Vより大きく し、 オフ電流を 低減することが可能となる。 したがって、 導電体 503に負の電位を印加したほうが、 印加しない 場合よりも、 導電体 560に印加する電位が 0Vのときのドレイン電流を小さくすることが� ��きる, [0 1 77]

導電体 503は、 酸化物 530、 および導電体 5 60と、 重なるように配置する。 これにより、 導電体 56 0、 および導電体 503に電位を印加した場合、 導電体 5 60から生じる電界と、 導電 体 503から生じる電界と、 がつながり、 酸化物 5 30に形成されるチャネル形成領域を覆うこと ができる。 本明細書等において、 第 1のゲート電極、 および第 2のゲート電極の電界によって、 チ ャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジ スタの構造を、 s u r r o un d e d c h a n n e 1 （S— c h a nn e l） 構造とよぶ。

[0 1 78]

また、 本明細書等において、 S— c h a n n e 1構造は、 ソース電極およびドレイン電極として 機能する導電体 54 2 aおよび導電体 542 bに接する酸化物 530の側面及び周辺が、 チャネル 形成領域と同じく I型であるといった特徴を有する。 また、 導電体 542 aおよび導電体 54 2 b に接する酸化物 530の側面及び周辺は、 絶縁体 544と接しているため、 チャネル形成領域と同 様に I型となり うる。 なお、 本明細書等において、 I型とは後述する、 高純度真性と同様として扱 うことができる。 また、 本明細書等で開示する S— c h a n n e 1構造は、 F i n型構造及びプレ ーナ型構造とは異なる。 S— c h a nn e 1構造を採用することで、 短チャネル効果に対する耐性 を高める、 別言すると短チャネル効果が発生し難いトラ ンジスタとすることができる。

[0 1 79]

また、 導電体 50 3は、 導電体 5 1 8と同様の構成であり、 絶縁体 5 1 4および絶縁体 5 1 6の 開口の内壁に接して導電体 503 aが形成され、 さらに内側に導電体 503 bが形成されている。

[0 1 80]

絶縁体 5 20、 絶縁体 5 22、 絶縁体 524、 および絶縁体 550は、 ゲート絶縁膜としての機 能を有する。

[0 1 8 1]

ここで、 酸化物 5 30と接する絶縁体 524は、 化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸 素 を含む絶縁体を用いることが好ましい。 つまり、 絶縁体 524には、 過剰酸素領域が形成されてい ることが好ましい。 このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物 530に接して設けることにより、 酸化物 530中の酸素欠損を低減し、 トランジスタ 500の信頼性を向上させることができる。

[0182]

過剰酸素領域を有する絶縁体として、 具体的には、 加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料 を用いることが好ましい。 加熱により酸素を脱離する酸化物とは、 TDS （Th e rma l De s o r p t i o n S p e c t r o s c o p y） 分析にて、 酸素原子に換算しての酸素の脱離量が 1. 0 X 1 0 ¹⁸ a t oms/cm ³ 以上、 好ましくは 1. 0 X 10 ¹⁹ a t om s/c m ³ 以上、 さ らに好ましくは 2. 0 X 10 ¹⁹ a t oms/cm ³ 以上、 または 3. 〇 X 1 0 ²⁰ a t oms/cm ³ 以上である酸化物膜である。 なお、 上記 TD S分析時における膜の表面温度としては 1 00°C以 上 700°C以下、 または 100°C以上 400°C以下の範囲が好ましい。

[0183]

また、 絶縁体 524が、 過剰酸素領域を有する場合、 絶縁体 522は、 酸素 （例えば、 酸素原子、 酸素分子など） の拡散を抑制する機能を有する （上記酸素が透過しにくい） ことが好ましい。

[0184]

絶縁体 522が、 酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有する ことで、 酸化物 530が有する酸 素は、 絶縁体 520側へ拡散することがなく、 好ましい。 また、 導電体 503が、 絶縁体 524や、 酸化物 530が有する酸素と反応することを抑制するこ とができる。

[0185]

絶縁体 522は、 例えば、 酸化アルミニウム、 酸化ハフニウム、 酸化タンタル、 酸化ジルコニウ ム、 チタン酸ジルコン酸鉛 （PZT） 、 チタン酸ストロンチウム （S r T i 0 ₃ ） または （B a， S r） T i Os （B ST） などのいわゆる h i g h— k材料を含む絶縁体を単層または積層で用い ることが好ましい。 トランジスタの微細化、 および高集積化が進むと、 ゲート絶縁膜の薄膜化によ り、 リーク電流などの問題が生じる場合がある。 ゲート絶縁膜として機能する絶縁体に h i g h- k材料を用いることで、 物理膜厚を保ちながら、 トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可 能と なる。

[0186]

特に、 不純物、 および酸素などの拡散を抑制する機能を有す る （上記酸素が透過しにくい） 絶縁 性材料であるアルミニウムおよびハフニウム の一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用 いるとよ い。 アルミニウムおよびハフニウムの一方または 双方の酸化物を含む絶縁体として、 酸化アルミニ ウム、 酸化ハフニウム、 アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物 （ハフニウムアルミネート） などを用いることが好ましい。 このような材料を用いて絶縁体 522を形成した場合、 絶縁体 52 2は、 酸化物 530からの酸素の放出や、 トランジスタ 500の周辺部から酸化物 530への水素 等の不純物の混入を抑制する層として機能す る。

[0187]

または、 これらの絶縁体に、 例えば、 酸化アルミニウム、 酸化ビスマス、 酸化ゲルマニウム、 酸 化ニオブ、 酸化シリコン、 酸化チタン、 酸化タングステン、 酸化イットリウム、 酸化ジルコニウム を添加してもよい。 またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい 。 上記の絶縁体に酸化シリコン、 酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層 して用いてもよい。

[0188]

また、 絶縁体 520は、 熱的に安定していることが好ましい。 例えば、 酸化シリコンおよび酸化 窒化シリコンは、 熱的に安定であるため、 好適である。 また、 h i g h— k材料の絶縁体を酸化シ リコン、 または酸化窒化シリコンと組み合わせること で、 熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造 の絶縁体 520を得ることができる。

[0189]

なお、 絶縁体 520、 絶縁体 522、 および絶縁体 524が、 2層以上の積層構造を有していて もよい。 その場合、 同じ材料からなる積層構造に限定されず、 異なる材料からなる積層構造でもよ い。

[0190]

トランジスタ 500は、 チャネル形成領域を含む酸化物 530に、 酸化物半導体として機能する 金属酸化物を用いることが好ましい。 例えば、 酸化物 530として、 I n— M— Z n酸化物 (元素 Mは、 アルミニウム、 ガリウム、 イットリウム、 銅、 バナジウム、 ベリリウム、 ホウ素、 チタン、 鉄、 ニッケル、 ゲルマニウム、 ジルコニウム、 モリブデン、 ランタン、 セリウム、 ネオジム、 ハフ ニウム、 タンタル、 タングステン、 またはマグネシウムなどから選ばれた一種、 または複数種) 等 の金属酸化物を用いるとよい。 また、 酸化物 530として、 I n— Ga酸化物、 I n— Zn酸化物 を用いてもよい。

[0191]

また、 トランジスタ 500には、 キャリア濃度の低い金属酸化物を用いること が好ましい。 金属 酸化物のキャリア濃度を低くする場合におい ては、 金属酸化物中の不純物濃度を低くし、 欠陥 _位 密度を低くすればよい。 本明細書等において、 不純物濃度が低く、 欠陥 _位密度の低いことを高純 度真性または実質的に高純度真性という。 なお、 金属酸化物中の不純物としては、 例えば、 水素、 窒素、 アルカリ金属、 アルカリ土類金属、 鉄、 ニッケル、 シリコン等がある。

[0192]

特に、 金属酸化物に含まれる水素は、 金属原子と結合する酸素と反応して水になる ため、 金属酸 化物中に酸素欠損を形成する場合がある。 金属酸化物中のチャネル形成領域に酸素欠損 が含まれて いると、 トランジスタはノーマリーオン特性となる場 合がある。 さらに、 酸素欠損に水素が入った 欠陥はドナーとして機能し、 キャリアである電子が生成されることがある 。 また、 水素の一部が金 属原子と結合する酸素と結合して、 キャリアである電子を生成する場合がある。 従って、 水素が多 く含まれている金属酸化物を用いたトランジ スタは、 ノーマリーオン特十生となりやすい。

[0193]

酸素欠損に水素が入った欠陥は、 金属酸化物のドナーとして機能しうる。 しかしながら、 当該欠 陥を定量的に評価することは困難である。 そこで、 金属酸化物においては、 ドナー濃度ではなく、 キャリア濃度で評価される場合がある。 よって、 本明細書等では、 金属酸化物のパラメータとして、 ドナー濃度ではなく、 電界が印加されない状態を想定したキャリア 濃度を用いる場合がある。 つま り、 本明細書等に記載の 「キャリア濃度」 は、 「ドナー濃度」 と言い換えることができる場合があ る。

[0194]

よって、 金属酸化物を酸化物 530に用いる場合、 金属酸化物中の水素はできる限り低減されて いることが好ましい。 具体的には、 金属酸化物において、 二次イオン質量分析法 (S I MS : S e c o n d a r y I o n Ma s s S p e c t r ome t r y) により得られる水素濃度を、 1 X 10 ²⁰ a t om s/c m ³ 未満、 好ましくは l X 1 0 ¹⁹ a t oms / c m ³ 未満、 より好ましく は 5 X 10 ¹⁸ a t om s / c m ³ 未満、 さらに好ましくは 1 X 1 0 ¹⁸ a t oms / c m ³ 未満とす る。 水素などの不純物が十分に低減された金属酸 化物をトランジスタのチャネル形成領域に用 いる ことで、 安定した電気特 i·生を付与することができる。

[0195]

また、 酸化物 530に金属酸化物を用いる場合、 チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃 度 は、 1 X 1 〇 ¹⁸ cm一 ³ 以下であることが好ましく、 1 X 1 0 ¹⁷ cm一 ³ 未満であることがより好ま しく、 1 X 10 ¹⁶ c m一 ³ 未満であることがさらに好ましく、 1 X 1 0 ¹³ c m一 ³ 未満であることが さらに好ましく、 1 X 10 ¹² c m一 ³ 未満であることがさらに好ましい。 なお、 チャネル形成領域の 金属酸化物のキャリア濃度の下限値について は、 特に限定は無いが、 例えば、 1 X 10— ⁹ cm- ³ と することができる。

[0196]

また、 酸化物 530に金属酸化物を用いる場合、 導電体 542 （導電体 542 a、 および導電体 542 b） と酸化物 530とが接することで、 酸化物 530中の酸素が導電体 542へ拡散し、 導 電体 542が酸化する場合がある。 導電体 542が酸化することで、 導電体 542の導電率が低下 する蓋然性が高い。 なお、 酸化物 530中の酸素が導電体 542へ拡散することを、 導電体 542 が酸化物 530中の酸素を吸収する、 と言い換えることができる。

[0197]

また、 酸化物 530中の酸素が導電体 542 （導電体 542 a、 および導電体 542 b） へ拡散 することで、 導電体 542 aと酸化物 530 bとの間、 および、 導電体 542 bと酸化物 530 b との間に異層が形成される場合がある。 当該異層は、 導電体 542よりも酸素を多く含むため、 当 該異層は絶縁性を有すると推定される。 このとき、 導電体 542と、 当該異層と、 酸化物 53 O b との 3層構造は、 金属一絶縁体一半導体からなる 3層構造とみなすことができ、 MI S （Me t a 1— I n s u l a t o r— S em i c o n d u c t o r） 構造と呼ぶ、 または M I S構造を主とし たダイオード接合構造と呼ぶ場合がある。

[0198]

なお、 上記異層は、 導電体 542と酸化物 530 bとの間に形成されることに限られず、 例えば、 異層が、 導電体 542と酸化物 530 cとの間に形成される場合や、 導電体 542と酸化物 530 bとの間、 および導電体 542と酸化物 530 cとの間に形成される場合がある。

[0199]

また、 酸化物 530においてチャネル形成領域として機能する 金属酸化物は、 バンドギャップが 2 e V以上、 好ましくは 2. 5 eV以上のものを用いることが好ましい。 このように、 バンドギャ ップの大きレヽ金属酸化物を用いることで、 トランジスタのオフ電流を低減することがで きる。

[0200]

酸化物 530は、 酸化物 530 b下に酸化物 530 aを有することで、 酸化物 530 aよりも下 方に形成された構造物から、 酸化物 530 bへの不純物の拡散を抑制することができる� � また、 酸 化物 530 b上に酸化物 530 cを有することで、 酸化物 530 cよりも上方に形成された構造物 から、 酸化物 530 bへの不純物の拡散を抑制することができる� �

[0201]

なお、 酸化物 530は、 各金属原子の原子数比が異なる複数の酸化物 層の積層構造を有すること が好ましい。 具体的には、 酸化物 530 aに用いる金属酸化物において、 構成元素中の元素 Mの原 \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 子数比が、 酸化物 5 3 0 bに用いる金属酸化物における、 構成元素中の元素 N4の原子数比より、 大 きいことが好ましい。 また、 酸化物 5 3 0 3に用いる金属酸化物において、 1 11に対する元素 原子数比が、 酸化物 5 3 0 13に用いる金属酸化物における、 I 11に対する元素 N4の原子数比より大 きいことが好ましい。 また、 酸化物 5 3 0 13に用いる金属酸化物において、 元素 に対する 1 11の 原子数比が、 酸化物 5 3 0 3に用いる金属酸化物における、 元素 に対する I 11の原子数比より大 きいことが好ましい。 また、 酸化物 5 3 0 〇は、 酸化物 5 3 0 3または酸化物 5 3 0 13に用いるこ とができる金属酸化物を、 用いることができる。

[ 0 2 0 2 ]

また、 酸化物 5 3 0 3および酸化物 5 3 0 〇の伝導帯下端のエネルギーが、 酸化物 5 3 0 bの伝 導帯下端のエネルギーより高くなることが好 ましい。 また、 言い換えると、 酸化物 5 3 0 &および 酸化物 5 3 0 〇の電子親和力が、 酸化物 5 3 0 bの電子親和力より小さいことが好ましい。

[ 0 2 0 3 ]

ここで、 酸化物 5 3 0 3 , 酸化物 5 3 0 13、 および酸化物 5 3 0 〇の接合部において、 伝導帯下 端のエネルギー,位はなだらかに変化する。 換言すると、 酸化物 5 3 0 ₃ 、 酸化物 5 3 0 1 ₃ 、 およ び酸化物 5 3 0 ◦の接合部における伝導帯下端のエネルギー 準位は、 連続的に変化または連続接合 するともいうことができる。 このようにするためには、 酸化物 5 3 0 3と酸化物 5 3 0 bとの界面、 および酸化物 5 3 0 bと酸化物 5 3 0 〇との界面において形成される混合層の欠陥 _位密度を低く するとよい。

[ 0 2 0 4 ]

具体的には、 酸化物 5 3 0 3と酸化物 5 3 0 13、 酸化物 5 3 0 bと酸化物 5 3 0 〇が、 酸素以外 に共通の元素を有する （主成分とする） ことで、 欠陥 _位密度が低い混合層を形成することができ る。 例えば、 酸化物 酸化物 5 3 0 3および酸化物 5 3 0 。として、 1 11— 0 酸化物、 0 酸化物、 酸化ガリウムなどを用いるとよい。

[ 0 2 0 5 ]

このとき、 キヤリアの主たる経路は酸化物 5 3 0 bとなる。 酸化物 5 3 0 3、 酸化物 5 3 0 。を 上述の構成とすることで、 酸化物 5 3 0 3と酸化物 5 3 0 13との界面、 および酸化物 5 3 0 13と酸 化物 5 3 0 〇との界面における欠陥 _位密度を低くすることができる。 そのため、 界面散乱による キヤリア伝導への影響が小さくなり、 トランジスタ 5 0 0は高いオン電流を得られる。

[ 0 2 0 6 ]

酸化物 5 3 0 13上には、 ソース電極、 およびドレイン電極として機能する導電体 5 4 2 （導電体 5 4 2 3、 および導電体 5 4 2 13） が設けられる。 導電体 5 4 2としては、 アルミニウム、 クロム、 銅、 銀、 金、 白金、 タンタル、 ニッケル、 チタン、 モリブデン、 タングステン、 ハフニウム、 バナ ジウム、 ニオブ、 マンガン、 マグネシウム、 ジルコニウム、 ベリ リウム、 インジウム、 ルテニウム、 イリジウム、 ストロンチウム、 ランタンから選ばれた金属元素、 または上述した金属元素を成分と する合金か、 上述した金属元素を組み合わせた合金等を用 いることが好ましい。 例えば、 窒化タン タル、 窒化チタン、 タングステン、 チタンとアルミニウムを含む窒化物、 タンタルとアルミニウム を含む窒化物、 酸化ルテニウム、 窒化ルテニウム、 ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、 ラ ンタンとニッケルを含む酸化物などを用いる ことが好ましい。 また、 窒化タンタル、 窒化チタン、 チタンとアルミニウムを含む窒化物、 タンタルとアルミニウムを含む窒化物、 酸化ルテニウム、 窒 化ルテニウム、 ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、 ランタンとニッケルを含む酸化物は、 \¥02020/174303 卩（：17132020 /051162 酸化しにくい導電性材料、 または、 酸素を吸収しても導電性を維持する材料であ るため、 好ましい。

[0207]

また、 図 8八に示すように、 酸化物 530の、 導電体 54 2との界面とその近傍には、 低抵抗領 域として、 領域 54 3 （領域 543 3、 および領域 54313） が形成される場合がある。 このとき、 領域 543 3はソース領域またはドレイン領域の一方と� �て機能し、 領域 543 bはソース領域ま たはドレイン領域の他方として機能する。 また、 領域 543 3と領域 543 bに挟まれる領域にチ ャネル形成領域が形成される。

[0208]

酸化物 5 30と接するように上記導電体 542を設けることで、 領域 54 3の酸素濃度が低減す る場合がある。 また、 領域 543に導電体 542に含まれる金属と、 酸化物 530の成分とを含む 金属化合物層が形成される場合がある。 このような場合、 領域 543のキャリア濃度が増加し、 領 域 543は、 低抵抗領域となる。

[0209]

絶縁体 544は、 導電体 542を覆うように設けられ、 導電体 54 2の酸化を抑制する。 このと き、 絶縁体 544は、 酸化物 530の側面を覆い、 絶縁体 5 24と接するように設けられてもよい。

[0210]

絶縁体 544として、 ハフニウム、 アルミニウム、 ガリウム、 イッ トリウム、 ジルコニウム、 夕 ングステン、 チタン、 タンタル、 ニッケル、 ゲルマニウム、 または、 マグネシウムなどから選ばれ た一種、 または二種以上が含まれた金属酸化物を用い ることができる。

[021 1]

特に、 絶縁体 544として、 アルミニウム、 またはハフニウムの一方または双方の酸化物 を含む 絶縁体である、 酸化アルミニウム、 酸化ハフニウム、 アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物

（ハフニウムアルミネート） などを用いることが好ましい。 特に、 ハフニウムアルミネートは、 酸 化ハフニウム膜よりも、 耐熱性が高い。 そのため、 後の工程での熱処理において、 結晶化しにくい ため好ましい。 なお、 導電体 542が耐酸化性を有する材料、 または、 酸素を吸収しても著しく導 電性が低下しない場合、 絶縁体 544は、 必須の構成ではない。 求める トランジスタ特性により、 適宜設計すればよい。

[0212]

絶縁体 5 50は、 ゲート絶縁膜として機能する。 絶縁体 5 50は、 酸化物 530 〇の内側 （上面 および側面） に接して配置することが好ましい。 絶縁体 550は、 加熱により酸素が放出される絶 縁体を用いて形成することが好ましい。 例えば、 丁〇 分析にて、 酸素原子に換算しての酸素の脱 離量が 1. 0 1 0 ¹⁸ 3 1； 〇1118/。 111 ³ 以上、 好ましくは 1. 0 1 0 ¹⁹ 3 1； 〇1118/。 111 ³ 以 上、 さらに好ましくは 2. 0 1 0 ¹⁹ 3 1; 〇1118/。 1x1 ³ 以上、 または 3. 0 1 0 ² 〇 3 1; 〇1118 以上である酸化物膜である。 なお、 上記丁〇 £分析時における膜の表面温度としては 1 0 0°〇以上 700°〇以下の範囲が好ましい。

[02 1 3]

具体的には、 過剰酸素を有する酸化シリコン、 酸化窒化シリコン、 窒化酸化シリコン、 窒化シリ コン、 フッ素を添加した酸化シリコン、 炭素を添加した酸化シリコン、 炭素および窒素を添加した 酸化シリコン、 空孔を有する酸化シリコンを用いることがで きる。 特に、 酸化シリコン、 および酸 化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好 ましい。 \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162

[ 0 2 1 4 ]

加熱により酸素が放出される絶縁体を、 絶縁体 5 5 0として、 酸化物 5 3 0〇の上面に接して設 けることにより、 絶縁体 5 5 0から、 酸化物 5 3 0。を通じて、 酸化物 5 3 0 13のチャネル形成領 域に効果的に酸素を供給することができる。 また、 絶縁体 5 2 4と同様に、 絶縁体 5 5 0中の水ま たは水素などの不純物濃度が低減されている ことが好ましい。 絶縁体 5 5 0の膜厚は、 1 11 111以上 2 0 11 1x1以下とするのが好ましい。

[ 0 2 1 5 ]

また、 絶縁体 5 5 0が有する過剰酸素を、 効率的に酸化物 5 3 0へ供給するために、 絶縁体 5 5 0と導電体 5 6 0との間に金属酸化物を設けてもよい。 当該金属酸化物は、 絶縁体 5 5 0から導電 体 5 6 0への酸素拡散を抑制することが好ましい。 酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けるこ と で、 絶縁体 5 5 0から導電体 5 6 0への過剰酸素の拡散が抑制される。 つまり、 酸化物 5 3 0へ供 給する過剰酸素量の減少を抑制することがで きる。 また、 過剰酸素による導電体 5 6 0の酸化を抑 制することができる。 当該金属酸化物としては、 絶縁体 5 4 4に用いることができる材料を用いれ ばよい。

[ 0 2 1 6 ]

第 1のゲート電極として機能する導電体 5 6 0は、 図 8八、 図 8 8では 2層構造として示してい るが、 単層構造でもよいし、 3層以上の積層構造であってもよい。

[ 0 2 1 7 ]

導電体 5 6 0 3は、 水素原子、 水素分子、 水分子、 窒素原子、 窒素分子、 酸化窒素分子 （N ₂ 0、 N 0、 N 0 ₂ など） 、 銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を 有する導電性材料を用いること が好ましい。 または、 酸素 （例えば、 酸素原子、 酸素分子などの少なくとも一つ） の拡散を抑制す る機能を有する導電性材料を用いることが好 ましい。 導電体 5 6 0 3が酸素の拡散を抑制する機能 を持つことにより、 絶縁体 5 5 0に含まれる酸素により、 導電体 5 6 0 13が酸化して導電率が低下 することを抑制することができる。 酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材 料としては、 例え ば、 タンタル、 窒化タンタル、 ルテニウム、 または酸化ルテニウムなどを用いることが好 ましい。

[ 0 2 1 8 ]

また、 導電体 5 6 0 13は、 タングステン、 銅、 またはアルミニウムを主成分とする導電性材 料を 用いることが好ましい。 また、 導電体 5 6 0 13は、 配線としても機能するため、 導電性が高い導電 体を用いることが好ましい。 例えば、 タングステン、 銅、 またはアルミニウムを主成分とする導電 性材料を用いることができる。 また、 導電体 5 6 0 13は積層構造としてもよく、 例えば、 チタンま たは窒化チタンと上記導電性材料との積層構 造としてもよい。

[ 0 2 1 9 ]

絶縁体 5 8 0は、 絶縁体 5 4 4を介して、 導電体 5 4 2上に設けられる。 絶縁体 5 8 0は、 過剰 酸素領域を有することが好ましい。 例えば、 絶縁体 5 8 0として、 酸化シリコン、 酸化窒化シリコ ン、 窒化酸化シリコン、 窒化シリコン、 フッ素を添加した酸化シリコン、 炭素を添加した酸化シリ コン、 炭素および窒素を添加した酸化シリコン、 空孔を有する酸化シリコン、 または樹脂などを有 することが好ましい。 特に、 酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、 熱的に安定であるため好ま しい。 特に、 酸化シリコン、 空孔を有する酸化シリコンは、 後の工程で、 容易に過剰酸素領域を形 成することができるため好ましい。

[ 0 2 2 0 ] \¥0 2020/174303 卩（：17132020 /051162 絶縁体 5 8 0は、 過剰酸素領域を有することが好ましい。 加熱により酸素が放出される絶縁体 5 8 0を、 酸化物 5 3 0 〇と接して設けることで、 絶縁体 5 8 0中の酸素を、 酸化物 5 3 0 〇を通じ て、 酸化物 5 3 0 13へと効率良く供給することができる。 なお、 絶縁体 5 8 0中の水または水素な どの不純物濃度が低減されていることが好ま しい。

[ 0 2 2 1 ]

絶縁体 5 8 0の開口は、 導電体 5 4 2 3と導電体 5 4 2 13の間の領域に重畳して形成される。 こ れにより、 導電体 5 6 0は、 絶縁体 5 8 0の開口、 および導電体 5 4 2 3と導電体 5 4 2 bに挟ま れた領域に、 埋め込まれるように形成される。

[ 0 2 2 2 ]

半導体装置を微細化するに当たり、 ゲート長を短くすることが求められるが、 導電体 5 6 0の導 電性が下がらないようにする必要がある。 そのために導電体 5 6 0の膜厚を大きくすると、 導電体 5 6 〇はアスぺク ト比が高い形状となり うる。 本実施の形態では、 導電体 5 6 0を絶縁体 5 8 0の 開口に埋め込むように設けるため、 導電体 5 6 0をアスペク ト比の高い形状にしても、 工程中に導 電体 5 6 0を倒壊させることなく、 形成することができる。

[ 0 2 2 3 ]

絶縁体 5 7 4は、 絶縁体 5 8 0の上面、 導電体 5 6 0の上面、 および絶縁体 5 5 0の上面に接し て設けられることが好ましい。 絶縁体 5 7 4をスパッタリング法で成膜することで、 絶縁体 5 5 0 および絶縁体 5 8 0へ過剰酸素領域を設けることができる。 これにより、 当該過剰酸素領域から、 酸化物 5 3 0中に酸素を供給することができる。

[ 0 2 2 4 ]

例えば、 絶縁体 5 7 4として、 ハフニウム、 アルミニウム、 ガリウム、 イットリウム、 ジルコニ ウム、 タングステン、 チタン、 タンタル、 ニッケル、 ゲルマニウム、 またはマグネシウムなどから 選ばれた一種、 または二種以上が含まれた金属酸化物を用い ることができる。

[ 0 2 2 5 ]

特に、 酸化アルミニウムはバリア性が高く、 〇. 5 11 111以上 3 . 0 11 111以下の薄膜であっても、 水素、 および窒素の拡散を抑制することができる。 したがって、 スパッタリング法で成膜した酸化 アルミニウムは、 酸素供給源であるとともに、 水素などの不純物のバリア膜としての機能も 有する ことができる。

[ 0 2 2 6 ]

また、 絶縁体 5 7 4の上に、 層間膜として機能する絶縁体 5 8 1を設けることが好ましい。 絶縁 体 5 8 1は、 絶縁体 5 2 4などと同様に、 膜中の水または水素などの不純物濃度が低減 されている ことが好ましい。

[ 0 2 2 7 ]

また、 絶縁体 5 8 1、 絶縁体 5 7 4、 絶縁体 5 8 0、 および絶縁体 5 4 4に形成された開口に、 導電体 5 4 0 3および導電体 5 4 0 13を配置する。 導電体 5 4 0 3および導電体 5 4 0 13は、 導電 体 5 6 0を挟んで対向して設ける。 導電体 5 4 0 3および導電体 5 4 0 13は、 後述する導電体 5 4 6および導電体 5 4 8と同様の構成である。

[ 0 2 2 8 ]

絶縁体 5 8 1上には、 絶縁体 5 8 2が設けられている。 絶縁体 5 8 2は、 酸素や水素に対してパ リア性のある物質を用いることが好ましい。 したがって、 絶縁体 5 8 2には、 絶縁体 5 1 4と同様 \¥0 2020/174303 卩（：17132020 /051162 の材料を用いることができる。 例えば、 絶縁体 5 8 2には、 酸化アルミニウム、 酸化ハフニウム、 酸化タンタルなどの金属酸化物を用いること が好ましい。

[ 0 2 2 9 ]

特に、 酸化アルミニウムは、 酸素、 およびトランジスタの電気特性の変動要因と なる水素、 水分 などの不純物、 の両方に対して膜を透過させない遮断効果が 高い。 したがって、 酸化アルミニウム は、 トランジスタの作製工程中および作製後にお いて、 水素、 水分などの不純物のトランジスタ 5 0 0への混入を防止することができる。 また、 トランジスタ 5 0 0を構成する酸化物からの酸素の 放出を抑制することができる。 そのため、 トランジスタ 5 0 0に対する保護膜として用いることに 適している。

[ 0 2 3 0 ]

また、 絶縁体 5 8 2上には、 絶縁体 5 8 6が設けられている。 絶縁体 5 8 6は、 絶縁体 3 2 0と 同様の材料を用いることができる。 また、 比較的誘電率が低い材料を層間膜とすること で、 配線間 に生じる寄生容量を低減することができる。 例えば、 絶縁体 5 8 6として、 酸化シリコン膜や酸化 窒化シリコン膜などを用いることができる。

[ 0 2 3 1 ]

また、 絶縁体 5 2 0、 絶縁体 5 2 2、 絶縁体 5 2 4、 絶縁体 5 4 4、 絶縁体 5 8 0、 絶縁体 5 7 4、 絶縁体 5 8 1、 絶縁体 5 8 2、 および絶縁体 5 8 6には、 導電体 5 4 6、 および導電体 5 4 8 等が埋め込まれている。

[ 0 2 3 2 ]

導電体 5 4 6、 および導電体 5 4 8は、 容量素子 6 0 0、 トランジスタ 5 0 0、 またはトランジ スタ 3 0 0と接続するプラグ、 または配線としての機能を有する。 導電体 5 4 6、 および導電体 5 4 8は、 導電体 3 2 8、 および導電体 3 3 0と同様の材料を用いて設けることができる� �

[ 0 2 3 3 ]

続いて、 トランジスタ 5 0 0の上方には、 容量素子 6 0 0が設けられている。 容量素子 6 0 0は、 導電体 6 1 0と、 導電体 6 2 0、 絶縁体 6 3 0とを有する。

[ 0 2 3 4 ]

また、 導電体 5 4 6、 および導電体 5 4 8上に、 導電体 6 1 2を設けてもよい。 導電体 6 1 2は、 トランジスタ 5 0 0と接続するプラグ、 または配線としての機能を有する。 導電体 6 1 0は、 容量 素子 6 0 0の電極としての機能を有する。 なお、 導電体 6 1 2、 および導電体 6 1 0は、 同時に形 成することができる。

[ 0 2 3 5 ]

導電体 6 1 2、 および導電体 6 1 0には、 モリブデン、 チタン、 タンタル、 タングステン、 アル ミニウム、 銅、 クロム、 ネオジム、 スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜 、 または上述した 元素を成分とする金属窒化物膜 （窒化タンタル膜、 窒化チタン膜、 窒化モリブデン膜、 窒化タング ステン膜） 等を用いることができる。 または、 インジウム錫酸化物、 酸化タングステンを含むイン ジウム酸化物、 酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化 物、 酸化チタンを含むインジウム酸化 物、 酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、 インジウム亜鉛酸化物、 酸化ケイ素を添加したインジ ウム錫酸化物などの導電性材料を適用するこ ともできる。

[ 0 2 3 6 ]

図 7では、 導電体 6 1 2、 および導電体 6 1 0は単層構造として示しているが、 当該構成に限定 \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 されず、 2層以上の積層構造でもよい。 例えば、 バリア性を有する導電体と導電性が高い導電 体と の間に、 バリア性を有する導電体、 および導電性が高い導電体に対して密着性が 高い導電体を形成 してもよい。

[ 0 2 3 7 ]

絶縁体 6 3 0を介して、 導電体 6 1 0と重畳するように、 導電体 6 2 0を設ける。 なお、 導電体 6 2 0は、 金属材料、 合金材料、 または金属酸化物材料などの導電性材料を用 いることができる。 耐熱性と導電性を両立するタングステンやモ リブデンなどの高融点材料を用いることが好 ましく、 特にタングステンを用いることが好ましい。 また、 導電体などの他の構造と同時に形成する場合 は、 低抵抗金属材料である 0 11 （銅） や八 1 （アルミニウム） 等を用いればよい。

[ 0 2 3 8 ]

導電体 6 2 0、 および絶縁体 6 3 0上には、 絶縁体 6 5 0が設けられている。 絶縁体 6 5 0は、 絶縁体 3 2 0と同様の材料を用いて設けることができる� � また、 絶縁体 6 5 0は、 その下方の凹凸 形状を被覆する平坦化膜として機能してもよ い。

[ 0 2 3 9 ]

本構造を用いることで、 酸化物半導体を有する トランジスタを用いた半導体装置において、 電気 特性の変動を抑制するとともに、 信頼性を向上させることができる。 または、 オン電流が大きい酸 化物半導体を有する トランジスタを提供することができる。 または、 オフ電流が小さい酸化物半導 体を有する トランジスタを提供することができる。 または、 消費電力が低減された半導体装置を提 供することができる。 または、 酸化物半導体を有する トランジスタを用いた半導体装置において、 微細化または高集積化を図ることができる。

[ 0 2 4 0 ]

< トランジスタの構造例 ñ

なお、 本実施の形態に示す半導体装置のトランジス タ 5 0 0は、 上記の構造に限られるものでは ない。 以下、 トランジスタ 5 0 0に用いることができる構造例について説明� �る。

[ 0 2 4 1 ]

く トランジスタの構造例 1 >

図 9八、 図 9 8および図 9匚を用いてトランジスタ 5 1 0八の構造例を説明する。 図 9八はトラ ンジスタ 5 1 0八の上面図である。 図 9 8は、 図 9八に一点鎖線乙 1—乙 2で示す部位の断面図で ある。 図 9 ¢は、 図 9八に一点鎖線 1一 2で示す部位の断面図である。 なお、 図 9八の上面図 では、 図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示 している。

[ 0 2 4 2 ]

図 9八、 図 9 8および図 9匚では、 トランジスタ 5 1 〇八と、 層間膜として機能する絶縁体 5 1 1、 絶縁体 5 1 2、 絶縁体 5 1 4、 絶縁体 5 1 6、 絶縁体 5 8 0、 絶縁体 5 8 2、 および絶縁体 5 8 4を示している。 また、 トランジスタ 5 1 0八と電気的に接続し、 コンタク トプラグとして機能 する導電体 5 4 6 （導電体 5 4 6 3、 および導電体 5 4 6 13） と、 配線として機能する導電体 5 0 3と、 を示している。

[ 0 2 4 3 ]

トランジスタ 5 1 〇八は、 第 1のゲート電極として機能する導電体 5 6 0 （導電体 5 6 0 3、 お よび導電体 5 6 0 13） と、 第 2のゲート電極として機能する導電体 5 0 5 （導電体 5 0 5 3、 およ び導電体 5 0 5 13） と、 第 1のゲート絶縁膜として機能する絶縁体 5 5 0と、 第 2のゲート絶縁膜 \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 として機能する絶縁体 5 2 1、 絶縁体 5 2 2、 および絶縁体 5 2 4と、 チャネルが形成される領域 を有する酸化物 5 3 0 （酸化物 5 3 0 3、 酸化物 5 3 0 13、 および酸化物 5 3 0 <:） と、 ソースま たはドレインの一方として機能する導電体 5 4 2 &と、 ソースまたはドレインの他方として機能す る導電体 5 4 2 13と、 絶縁体 5 7 4とを有する。

[ 0 2 4 4 ]

また、 図 9八、 図 9 8、 図 9（3に示すトランジスタ 5 1 0八では、 酸化物 5 3 0。、 絶縁体 5 5 0、 および導電体 5 6 0が、 絶縁体 5 8 0に設けられた開口部内に、 絶縁体 5 7 4を介して配置さ れる。 また、 酸化物 5 3 0〇 , 絶縁体 5 5 0、 および導電体 5 6 0は、 導電体 5 4 2 3、 および導 電体 5 4 2 bとの間に配置される。

[ 0 2 4 5 ]

絶縁体 5 1 1、 および絶縁体 5 1 2は、 層間膜として機能する。

[ 0 2 4 6 ]

層間膜としては、 酸化シリコン、 酸化窒化シリコン、 窒化酸化シリコン、 酸化アルミニウム、 酸 化ハフニウム、 酸化タンタル、 酸化ジルコニウム、 チタン酸ジルコン酸鉛 （ å丁） 、 チタン酸ス トロンチウム （3 !丁 1 0 ₃ ） または （8 3， ！·） 丁 1〇 ₃ （6 £ X） などの絶縁体を単層または 積層で用いることができる。 またはこれらの絶縁体に、 例えば、 酸化アルミニウム、 酸化ビスマス、 酸化ゲルマニウム、 酸化ニオブ、 酸化シリコン、 酸化チタン、 酸化タングステン、 酸化イットリウ ム、 酸化ジルコニウムを添加してもよい。 またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい 。 上記の絶 縁体に酸化シリコン、 酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層 して用いてもよい。

[ 0 2 4 7 ]

例えば、 絶縁体 5 1 1は、 水または水素などの不純物が、 基板側からトランジスタ 5 1〇八に混 入するのを抑制するバリア膜として機能する ことが好ましい。 したがって、 絶縁体 5 1 1は、 水素 原子、 水素分子、 水分子、 銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を 有する （上記不純物が透過 しにくい） 絶縁性材料を用いることが好ましい。 または、 酸素 （例えば、 酸素原子、 酸素分子など の少なくとも一つ） の拡散を抑制する機能を有する （上記酸素が透過しにくい） 絶縁性材料を用い ることが好ましい。 また、 例えば、 絶縁体 5 1 1として酸化アルミニウムや窒化シリコンな� �を用 いてもよい。 当該構成により、 水素、 水などの不純物が絶縁体 5 1 1よりも基板側からトランジス 夕 5 1 0八側に拡散するのを抑制することができる� �

[ 0 2 4 8 ]

例えば、 絶縁体 5 1 2は、 絶縁体 5 1 1よりも誘電率が低いことが好ましい。 誘電率が低い材料 を層間膜とすることで、 配線間に生じる寄生容量を低減することがで きる。

[ 0 2 4 9 ]

導電体 5 0 3は、 絶縁体 5 1 2に埋め込まれるように形成される。 ここで、 導電体 5 0 3の上面 の高さと、 絶縁体 5 1 2の上面の高さは同程度にできる。 なお導電体 5 0 3は、 単層とする構成に ついて示しているが、 本発明はこれに限られるものではない。 例えば、 導電体 5 0 3を 2層以上の 多層膜構造としてもよい。 なお、 導電体 5 0 3は、 タングステン、 銅、 またはアルミニウムを主成 分とする導電性が高レヽ導電性材料を用いる ことが好ましい。

[ 0 2 5 0 ]

トランジスタ 5 1 0八において、 導電体 5 6 0は、 第 1のゲート （トップゲート、 ともいう） 電 極として機能する場合がある。 また、 導電体 5 0 5は、 第 2のゲート （ボトムゲート、 ともいう） 電極として機能する場合がある。 その場合、 導電体 505に印加する電位を、 導電体 560に印加 する電位と連動させず、 独立して変化させることで、 トランジスタ 5 10 Aのしきい値電圧を制御 することができる。 特に、 導電体 505に負の電位を印加することにより、 トランジスタ 51 OA のしきい値電圧を 0 Vより大きくし、 オフ電流を低減することが可能となる。 したがって、 導電体 505に負の電位を印加したほうが、 印加しない場合よりも、 導電体 560に印加する電位が OV のときのドレイン電流を小さくすることがで きる。

[0251 ]

また、 例えば、 導電体 505と、 導電体 560とを重畳して設けることで、 導電体 560、 およ び導電体 505に電位を印加した場合、 導電体 560から生じる電界と、 導電体 505から生じる 電界と、 がつながり、 酸化物 530に形成されるチャネル形成領域を覆うこと ができる。

[0252]

つまり、 第 1のゲート電極としての機能を有する導電体 560の電界と、 第 2のゲート電極とし ての機能を有する導電体 505の電界によって、 チャネル形成領域を電気的に取り囲むことが でき る。 すなわち、 先に記載のトランジスタ 500と同棵に、 s u r r o un d e d c h a nn e l

（S— c h a nn e 1） 構造である。

[0253]

絶縁体 5 14、 および絶縁体 51 6は、 絶縁体 5 1 1または絶縁体 51 2と同様に、 層間膜とし て機能する。 例えば、 絶縁体 514は、 水または水素などの不純物が、 基板側からトランジスタ 5 10 Aに混入するのを抑制するバリア膜として機� �することが好ましい。 当該構成により、 水素、 水などの不純物が絶縁体 5 14よりも基板側からトランジスタ 510 A側に拡散するのを抑制する ことができる。 また、 例えば、 絶縁体 51 6は、 絶縁体 514よりも誘電率が低いことが好ましい。 誘電率が低い材料を層間膜とすることで、 配線間に生じる寄生容量を低減することがで きる。

[0254]

第 2のゲートとして機能する導電体 505は、 絶縁体 514および絶縁体 51 6の開口の内壁に 接して導電体 505 aが形成され、 さらに内側に導電体 505 bが形成されている。 ここで、 導電 体 505 aおよび導電体 505 bの上面の高さと、 絶縁体 5 1 6の上面の高さは同程度にできる。 なお、 トランジスタ 510 Aでは、 導電体 505 aおよび導電体 505 bを積層する構成について 示しているが、 本発明はこれに限られるものではない。 例えば、 導電体 505は、 単層、 または 3 層以上の積層構造として設ける構成にしても よい。

[0255]

ここで、 導電体 505 aは、 水素原子、 水素分子、 水分子、 銅原子などの不純物の拡散を抑制す る機能を有する （上記不純物が透過しにくい） 導電性材料を用いることが好ましい。 または、 酸素

（例えば、 酸素原子、 酸素分子などの少なくとも一つ） の拡散を抑制する機能を有する （上記酸素 が透過しにくい） 導電性材料を用いることが好ましい。 なお、 本明細書等において、 不純物、 また は酸素の拡散を抑制する機能とは、 上記不純物、 または上記酸素のいずれか一つ、 または、 すべて の拡散を抑制する機能とする。

[0256]

例えば、 導電体 505 aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことに� �り、 導電体 505 bが酸化 して導電率が低下することを抑制することが できる。

[0257] \¥0 2020/174303 卩（：17132020 /051162 また、 導電体 5 0 5が配線の機能を兼ねる場合、 導電体 5 0 5 13は、 タングステン、 銅、 または アルミニウムを主成分とする、 導電性が高い導電性材料を用いることが好ま しい。 その場合、 導電 体 5 0 3は、 必ずしも設けなくともよい。 なお、 導電体 5 0 5 13を単層で図示したが、 積層構造と してもよく、 例えば、 チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料と の積層としてもよい。

[ 0 2 5 8 ]

絶縁体 5 2 1、 絶縁体 5 2 2、 および絶縁体 5 2 4は、 第 2のゲート絶縁膜としての機能を有す る。

[ 0 2 5 9 ]

また、 絶縁体 5 2 2は、 バリア性を有することが好ましい。 絶縁体 5 2 2がバリア性を有するこ とで、 トランジスタ 5 1 0八の周辺部からトランジスタ 5 1 0八への水素等の不純物の混入を抑制 する層として機能する。

[ 0 2 6 0 ]

絶縁体 5 2 2は、 例えば、 酸化アルミニウム、 酸化ハフニウム、 アルミニウムおよびハフニウム を含む酸化物 （ハフニウムアルミネート） 、 酸化タンタル、 酸化ジルコニウム、 チタン酸ジルコン 酸鉛 （ å丁） 、 チタン酸ストロンチウム （3 1 ^~ 丁 1 0 ₃ ） または （8 3， ！·） 丁 1 0 ₃ （6 £ X） などのいわゆる 11 1 _§ 11— 材料を含む絶縁体を単層または積層で用いる ことが好ましい。 トラン ジスタの微細化、 および高集積化が進むと、 ゲート絶縁膜の薄膜化により、 リーク電流などの問題 が生じる場合がある。 ゲート絶縁膜として機能する絶縁体に 11 1 _§ 11— 材料を用いることで、 物 理膜厚を保ちながら、 トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可 能となる。

[ 0 2 6 1 ]

また、 絶縁体 5 2 1は、 熱的に安定していることが好ましい。 例えば、 酸化シリコンおよび酸化 窒化シリコンは、 熱的に安定であるため、 好適である。 また、 11 1 _§ 11一 材料の絶縁体を酸化シ リコン、 または酸化窒化シリコンと組み合わせること で、 熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造 の絶縁体 5 2 1を得ることができる。

[ 0 2 6 2 ]

なお、 図 9八、 図 9 3、 図 9 0には、 第 2のゲート絶縁膜として、 3層の積層構造を示したが、 単層、 または 2層以上の積層構造としてもよい。 その場合、 同じ材料からなる積層構造に限定され ず、 異なる材料からなる積層構造でもよい。

[ 0 2 6 3 ]

チャネル形成領域として機能する領域を有す る酸化物 5 3 0は、 酸化物 5 3 0 &と、 酸化物 5 3 0 3上の酸化物 5 3 0 13と、 酸化物 5 3 0 b上の酸化物 5 3 0。と、 を有する。 酸化物 5 3 0 13下 に酸化物 5 3 0 &を有することで、 酸化物 5 3 0 &よりも下方に形成された構造物から、 酸化物 5 3 0 13への不純物の拡散を抑制することができる� �� また、 酸化物 5 3 0 13上に酸化物 5 3 0〇を有 することで、 酸化物 5 3 0 よりも上方に形成された構造物から、 酸化物 5 3 0 13への不純物の拡 散を抑制することができる。 酸化物 5 3 0として、 上述した金属酸化物の一種である酸化物半導 体 を用いることができる。

[ 0 2 6 4 ]

なお、 酸化物 5 3 0〇は、 絶縁体 5 8 0に設けられた開口部内に、 絶縁体 5 7 4を介して設けら れることが好ましい。 絶縁体 5 7 4がバリア性を有する場合、 絶縁体 5 8 0からの不純物が酸化物 5 3 0へと拡散することを抑制することができる� � \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162

[ 0 2 6 5 ]

導電体 5 4 2 3および導電体 5 4 2 13は、 一方がソース電極として機能し、 他方がドレイン電極 として機能する。

[ 0 2 6 6 ]

導電体 5 4 2 3と、 導電体 5 4 2 13とは、 アルミニウム、 チタン、 クロム、 ニッケル、 銅、 イッ トリウム、 ジルコニウム、 モリブデン、 銀、 タンタル、 またはタングステンなどの金属、 またはこ れを主成分とする合金を用いることができる 。 特に、 窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、 水素ま たは酸素に対するバリア性があり、 また、 耐酸化性が高いため、 好ましい。

[ 0 2 6 7 ]

また、 図 9八、 図 9 3、 図 9 0では単層構造を示したが、 2層以上の積層構造としてもよい。 例 えば、 窒化タンタル膜とタングステン膜を積層する とよい。 また、 チタン膜とアルミニウム膜を積 層してもよい。 また、 タングステン膜上にアルミニウム膜を積層す る二層構造、 銅ーマグネシウム アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層 構造、 チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、 タン ダステン膜上に銅膜を積層する二層構造とし てもよい。

[0268]

また、 チタン膜または窒化チタン膜と、 そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねて アルミニウ ム膜または銅膜を積層し、 さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜 を形成する三層構造、 モリ ブデン膜または窒化モリブデン膜と、 そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上 に重ねてアルミ ニウム膜または銅膜を積層し、 さらにその上にモリブデン膜または窒化モリ ブデン膜を形成する三 層構造等がある。 なお、 酸化インジウム、 酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を 用いてもよ い。

[ 0 2 6 9 ]

また、 導電体 5 4 2上に、 バリア層を設けてもよい。 バリア層は、 酸素、 または水素に対してパ リア性を有する物質を用いることが好ましい 。 当該構成により、 絶縁体 5 7 4を成膜する際に、 導 電体 5 4 2が酸化することを抑制することができる。

[ 0 2 7 0 ]

バリア層には、 例えば、 金属酸化物を用いることができる。 特に、 酸化アルミニウム、 酸化ハフ ニウム、 酸化ガリウムなどの、 酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を 用いることが好ましい。 また、 〇 〇法で形成した窒化シリコンを用いてもよい 。

[ 0 2 7 1 ]

バリア層を有することで、 導電体 5 4 2の材料選択の幅を広げることができる。 例えば、 導電体 5 4 2に、 タングステンや、 アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導 電性が高い材料を用いる ことができる。 また、 例えば、 成膜、 または加工がしやすい導電体を用いることが できる。

[ 0 2 7 2 ]

絶縁体 5 5 0は、 第 1のゲート絶縁膜として機能する。 絶縁体 5 5 0は、 絶縁体 5 8 0に設けら れた開口部内に、 酸化物 5 3 0 および絶縁体 5 7 4を介して設けられることが好ましい。

[ 0 2 7 3 ]

トランジスタの微細化、 および高集積化が進むと、 ゲート絶縁膜の薄膜化により、 リーク電流な どの問題が生じる場合がある。 その場合、 絶縁体 5 5 0は、 第 2のゲート絶縁膜と同様に、 積層構 造としてもよい。 ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、 11 1 _§ 11— 材料と、 熱的に安定してい る材料との積層構造とすることで、 物理膜厚を保ちながら、 トランジスタ動作時のゲート電位の低 減が可能となる。 また、 熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とす ることができる。

[0274]

第 1のゲート電極として機能する導電体 560は、 導電体 560 a、 および導電体 560 a上の 導電体 560 bを有する。 導電体 560 aは、 導電体 505 aと同様に、 水素原子、 水素分子、 水 分子、 銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を 有する導電性材料を用いることが好ましい。 ま たは、 酸素 (例えば、 酸素原子、 酸素分子などの少なくとも一つ) の拡散を抑制する機能を有する 導電性材料を用いることが好ましい。

[0275]

導電体 560 aが酸素の拡散を抑制する機能を持つことに� �り、 導電体 560 bの材料選択性を 向上することができる。 つまり、 導電体 560 aを有することで、 導電体 560 bの酸化が抑制さ れ、 導電率が低下することを防止することができ る。

[0276]

酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材 料としては、 例えば、 タンタル、 窒化タンタル、 ル テニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いる ことが好ましい。 また、 導電体 560 aとして、 酸化 物 530として用いることができる酸化物半導体を 用いることができる。 その場合、 導電体 560 bをスパッタリング法で成膜することで、 導電体 560 aの電気抵抗値を低下させて導電体とする ことができる。 これを OC (Ox i d e C o n d u c t o r) 電極と呼ぶことができる。

[0277]

導電体 56 O bは、 タングステン、 銅、 またはアルミニウムを主成分とする導電性材 料を用いる ことが好ましい。 また、 導電体 560は、 配線として機能するため、 導電性が高い導電体を用いる ことが好ましい。 例えば、 タングステン、 銅、 またはアルミニウムを主成分とする導電性材 料を用 いることができる。 また、 導電体 560 bは積層構造としてもよく、 例えば、 チタンまたは窒化チ タンと上記導電性材料との積層としてもよい 。

[0278]

絶縁体 580と、 トランジスタ 5 10Aとの間に絶縁体 574を配置する。 絶縁体 574は、 水 または水素などの不純物、 および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶 縁性材料を用いるとよい。 例えば、 酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなど を用いることが好ましい。 また、 他にも、 例 えば、 酸化マグネシウム、 酸化ガリウム、 酸化ゲルマニウム、 酸化イットリウム、 酸化ジルコニウ ム、 酸化ランタン、 酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属 酸化物、 窒化酸化シリコンまたは 窒化シリコンなどを用いることができる。

[0279]

絶縁体 574を有することで、 絶縁体 580が有する水、 および水素などの不純物が酸化物 53 0 c、 絶縁体 550を介して、 酸化物 530 bに拡散することを抑制することができる。 また、 絶 縁体 580が有する過剰酸素により、 導電体 560が酸化するのを抑制することができる。

[0280]

絶縁体 580、 絶縁体 582、 および絶縁体 584は、 層間膜として機能する。

[028 1 ]

絶縁体 582は、 絶縁体 514と同様に、 水または水素などの不純物が、 外部からトランジスタ 510 Aに混入するのを抑制するバリア絶縁膜とし� �機能することが好ましい。 \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162

[ 0 2 8 2 ]

また、 絶縁体 5 8 0、 および絶縁体 5 8 4は、 絶縁体 5 1 6と同様に、 絶縁体 5 8 2よりも誘電 率が低いことが好ましい。 誘電率が低い材料を層間膜とすることで、 配線間に生じる寄生容量を低 減することができる。

[ 0 2 8 3 ]

また、 トランジスタ 5 1 0八は、 絶縁体 5 8 0、 絶縁体 5 8 2、 および絶縁体 5 8 4に埋め込ま れた導電体 5 4 6などのプラグや配線を介して、 他の構造と電気的に接続してもよい。

[ 0 2 8 4 ]

また、 導電体 5 4 6の材料としては、 導電体 5 0 5と同様に、 金属材料、 合金材料、 金属窒化物 材料、 または金属酸化物材料などの導電性材料を、 単層または積層して用いることができる。 例え ば、 耐熱性と導電性を両立するタングステンやモ リブデンなどの高融点材料を用いることが好 まし い。 または、 アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で 形成することが好ましい。 低抵抗導電性 材料を用いることで配線抵抗を低くすること ができる。

[ 0 2 8 5 ]

例えば、 導電体 5 4 6として、 水素、 および酸素に対してバリア性を有する導電体 である窒化夕 ンタル等と、 導電性が高いタングステンとの積層構造を用 いることで、 配線としての導電性を保持 したまま、 外部からの不純物の拡散を抑制することがで きる。

[0286]

上記構造を有することで、 オン電流が大きい酸化物半導体を有する トランジスタを用いた半導体 装置を提供することができる。 または、 オフ電流が小さい酸化物半導体を有する トランジスタを用 いた半導体装置を提供することができる。 または、 電気特性の変動を抑制し、 安定した電気特性を 有すると共に、 信頼性を向上させた半導体装置を提供するこ とができる。

[ 0 2 8 7 ]

く トランジスタの構造例 2 >

図 1 0八、 図 1 0 8および図 1 0（3を用いてトランジスタ 5 1 0 8の構造例を説明する。 図 1 0 八はトランジスタ 5 1 0 8の上面図である。 図 1 0 8は、 図 1 0八に一点鎖線乙 1—乙 2で示す部 位の断面図である。 図 1 0 0は、 図 1 0八に一点鎖線 1— 2で示す部位の断面図である。 なお、 図 1 0八の上面図では、 図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示 している。

[0288]

トランジスタ 5 1 0 8はトランジスタ 5 1 〇八の変形例である。 よって、 説明の繰り返しを防ぐ ため、 主にトランジスタ 5 1 0八と異なる点について説明する。

[ 0 2 8 9 ]

トランジスタ 5 1 0 8は、 導電体 5 4 2 （導電体 5 4 2 3、 および導電体 5 4 2 13） と、 酸化物 5 3 0 〇 , 絶縁体 5 5 0、 および導電体 5 6 0と、 が重畳する領域を有する。 当該構造とすること で、 オン電流が高いトランジスタを提供すること ができる。 また、 制御性が高いトランジスタを提 供することができる。

[ 0 2 9 0 ]

第 1のゲート電極として機能する導電体 5 6 0は、 導電体 5 6 0 3、 および導電体 5 6 0 3上の 導電体 5 6 0 を有する。 導電体 5 6 0 &は、 導電体 5 0 5 3と同様に、 水素原子、 水素分子、 水 分子、 銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を 有する導電性材料を用いることが好ましい。 ま \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 たは、 酸素 (例えば、 酸素原子、 酸素分子などの少なくとも一つ) の拡散を抑制する機能を有する 導電性材料を用いることが好ましい。

[ 0 2 9 1 ]

導電体 5 6 0 3が酸素の拡散を抑制する機能を持つことに� �り、 導電体 5 6 0 bの材料選択性を 向上することができる。 つまり、 導電体 5 6 0 3を有することで、 導電体 5 6 0 13の酸化が抑制さ れ、 導電率が低下することを防止することができ る。

[ 0 2 9 2 ]

また、 導電体 5 6 0の上面および側面、 絶縁体 5 5 0の側面、 および酸化物 5 3 0 の側面を覆 うように、 絶縁体 5 7 4を設けることが好ましい。 なお、 絶縁体 5 7 4は、 水または水素などの不 純物、 および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶 縁性材料を用いるとよい。 例えば、 酸化アルミ ニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いるこ とが好ましい。 また、 他にも、 例えば、 酸化マグネシ ウム、 酸化ガリウム、 酸化ゲルマニウム、 酸化イットリウム、 酸化ジルコニウム、 酸化ランタン、 酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属 酸化物、 窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを 用いることができる。

[ 0 2 9 3 ]

絶縁体 5 7 4を設けることで、 導電体 5 6 0の酸化を抑制することができる。 また、 絶縁体 5 7 4を有することで、 絶縁体 5 8 0が有する水、 および水素などの不純物がトランジスタ 5 1 0 8へ 拡散することを抑制することができる。

[ 0 2 9 4 ]

また、 導電体 5 4 6と、 絶縁体 5 8 0との間に、 バリア性を有する絶縁体 5 7 6 (絶縁体 5 7 6 3、 および絶縁体 5 7 6 13 ) を配置してもよい。 絶縁体 5 7 6を設けることで、 絶縁体 5 8 0の酸 素が導電体 5 4 6と反応し、 導電体 5 4 6が酸化することを抑制することができる。

[ 0 2 9 5 ]

また、 バリア性を有する絶縁体 5 7 6を設けることで、 プラグや配線に用いられる導電体の材料 選択の幅を広げることができる。 例えば、 導電体 5 4 6に、 酸素を吸収する性質を持つ一方で、 導 電性が高い金属材料を用いることで、 低消費電力の半導体装置を提供することがで きる。 具体的に は、 タングステンや、 アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導 電性が高い材料を用いることが できる。 また、 例えば、 成膜、 または加工がしやすい導電体を用いることが できる。

[ 0 2 9 6 ]

くトランジスタの構造例 3 >

図 1 1八、 図 1 1 8および図 1 1 (3を用いてトランジスタ 5 1 0 <3の構造例を説明する。 図 1 1 八はトランジスタ 5 1 0 (3の上面図である。 図 1 1 8は、 図 1 1八に一点鎖線乙 1—乙 2で示す部 位の断面図である。 図 1 1 0は、 図 1 1八に一点鎖線 1— 2で示す部位の断面図である。 なお、 図 1 1八の上面図では、 図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示 している。

[ 0 2 9 7 ]

トランジスタ 5 1 0〇はトランジスタ 5 1 〇八の変形例である。 よって、 説明の繰り返しを防ぐ ため、 主にトランジスタ 5 1 0八と異なる点について説明する。

[ 0 2 9 8 ]

図 1 1八、 図 1 1 8、 図 1 1 (3に示すトランジスタ 5 1 0 (3は、 導電体 5 4 2 3と酸化物 5 3 0 13の間に導電体 5 4 7 3が配置され、 導電体 5 4 2 bと酸化物 5 3 0 13の間に導電体 5 4 7 13が配 \¥02020/174303 ?€1/162020/051162 置されている。 ここで、 導電体 5423 （導電体 54213） は、 導電体 5473 （導電体 54713） の上面および導電体 560側の側面を越えて延在し、 酸化物 530 の上面に接する領域を有する。 ここで、 導電体 547は、 導電体 542に用いることができる導電体を用いればよ い。 さらに、 導 電体 547の膜厚は、 少なくとも導電体 542より厚いことが好ましい。

[0299]

図 1 1八、 図 1 18、 図 1 1（3に示すトランジスタ 510（3は、 上記のような構成を有すること により、 トランジスタ 51 0八よりも、 導電体 542を導電体 560に近づけることができる。 ま たは、 導電体 5423の端部および導電体 54213の端部と、 導電体 560を重ねることができる。 これにより、 トランジスタ 5100の実質的なチャネル長を短くし、 オン電流および周波数特性の 向上を図ることができる。

[0300]

また、 導電体 5473 （導電体 54713） は、 導電体 5423 （導電体 54213） と重畳して設 けられることが好ましい。 このような構成にすることで、 導電体 5463 （導電体 54613） を埋 め込む開口を形成するエッチングにおいて、 導電体 5473 （導電体 54713） がストッパとして 機能し、 酸化物 53013がオーバーエッチングされるのを防ぐこ� ��ができる。

[0301]

また、 図 1 1八、 図 1 18、 図 1 1（3に示すトランジスタ 510（3は、 絶縁体 544の上に接し て絶縁体 545を配置する構成にしてもよい。 絶縁体 544としては、 水または水素などの不純物 や、 過剰な酸素が、 絶縁体 580側からトランジスタ 5100に混入するのを抑制するバリア絶縁 膜として機能することが好ましい。 絶縁体 545としては、 絶縁体 544に用いることができる絶 縁体を用いることができる。 また、 絶縁体 544としては、 例えば、 窒化アルミニウム、 窒化アル ミニウムチタン、 窒化チタン、 窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの 、 窒化物絶縁体を用い てもよい。

[0302]

また、 図 1 1八、 図 1 18、 図 1 1（3に示すトランジスタ 510（3は、 図 9八、 図 98、 図 に示すトランジスタ 51〇八と異なり、 導電体 505を単層構造で設けてもよい。 この場合、 パタ ーン形成された導電体 505の上に絶縁体 5 1 6となる絶縁膜を成膜し、 当該絶縁膜の上部を、 導 電体 505の上面が露出するまで 法などを用いて除去すればよい。 ここで、 導電体 505の 上面の平坦性を良好にすることが好ましい。 例えば、 導電体 505上面の平均面粗さ （尺3） を 1 111x1以下、 好ましくは〇. 5111x1以下、 より好ましくは〇. 3111x1以下にすればよい。 これにより、 導電体 505の上に形成される、 絶縁層の平坦性を良好にし、 酸化物 53013および酸化物 530 〇の結晶性の向上を図ることができる。

[0303]

<トランジスタの構造例 4 >

図 1 2八、 図 1 28および図 1 2（3を用いてトランジスタ 51〇〇の構造例を説明する。 図 1 2 八はトランジスタ 5 10〇の上面図である。 図 1 28は、 図 1 2八に一点鎖線乙 1—乙 2で示す部 位の断面図である。 図 1 20は、 図 1 2八に一点鎖線 1一 2で示す部位の断面図である。 なお、 図 1 2八の上面図では、 図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示 している。

[0304]

トランジスタ 51 〇〇は上記トランジスタの変形例である。 よって、 説明の繰り返しを防ぐため、 主に上記トランジスタと異なる点について説 明する。

[0305]

図 1 2 A乃至図 1 2 Cでは、 導電体 503を設けずに、 第 2のゲートとしての機能を有する導電 体 505を配線としても機能させている。 また、 酸化物 530 c上に絶縁体 550を有し、 絶縁体 550上に金属酸化物 55 2を有する。 また、 金属酸化物 5 52上に導電体 560を有し、 導電体 560上に絶縁体 570を有する。 また、 絶縁体 570上に絶縁体 57 1を有する。

[0306]

金属酸化物 552は、 酸素拡散を抑制する機能を有することが好ま しい。 絶縁体 550と、 導電 体 5 60との間に、 酸素の拡散を抑制する金属酸化物 552を設けることで、 導電体 560への酸 素の拡散が抑制される。 つまり、 酸化物 530へ供給する酸素量の減少を抑制することが できる。 また、 酸素による導電体 560の酸化を抑制することができる。

[0307]

なお、 金属酸化物 552は、 第 1のゲートの一部としての機能を有してもよ� �。 例えば、 酸化物 530として用いることができる酸化物半導体を 、 金属酸化物 552として用いることができる。 その場合、 導電体 5 60をスパッタリング法で成膜することで、 金属酸化物 552の電気抵抗値を 低下させて導電層とすることができる。 これを OC (Ox i d e C o n d u c t o r) 電極と呼 ぶことができる。

[0308]

また、 金属酸化物 552は、 ゲート絶縁膜の一部としての機能を有する場 合がある。 したがって、 絶縁体 550に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを 用いる場合、 金属酸化物 5 52は、 比誘電 率が高い h i g h—k材料である金属酸化物を用いることが好� ��しい。 当該積層構造とすることで、 熱に対して安定、 かつ比誘電率の高い積層構造とすることがで きる。 したがって、 物理膜厚を保持 したまま、 トランジスタ動作時に印加するゲート電位の 低減化が可能となる。 また、 ゲート絶縁膜 として機能する絶縁層の等価酸化膜厚 (EOT) の薄膜化が可能となる。

[0309]

トランジスタ 5 1 0Dにおいて、 金属酸化物 55 2を単層で示したが、 2層以上の積層構造とし てもよい。 例えば、 ゲート電極の一部として機能する金属酸化物 と、 ゲート絶縁膜の一部として機 能する金属酸化物とを積層して設けてもよい 。

[03 1 0]

金属酸化物 552を有することで、 ゲート電極として機能する場合は、 導電体 5 60からの電界 の影響を弱めることなく、 トランジスタ 5 1 0Dのオン電流の向上を図ることができる。 または、 ゲート絶縁膜として機能する場合は、 絶縁体 550と、 金属酸化物 5 52との物理的な厚みにより、 導電体 56 0と、 酸化物 5 30との間の距離を保つことで、 導電体 5 60と酸化物 530との間の リーク電流を抑制することができる。 従って、 絶縁体 550、 および金属酸化物 5 52との積層構 造を設けることで、 導電体 560と酸化物 5 30との間の物理的な距離、 および導電体 560から 酸化物 530へかかる電界強度を、 容易に適宜調整することができる。

[03 1 1]

具体的には、 金属酸化物 552として、 酸化物 5 30に用いることができる酸化物半導体を低抵 抗化することで、 金属酸化物 552として用いることができる。 または、 ハフニウム、 アルミニウ ム、 ガリウム、 イッ トリウム、 ジルコニウム、 タングステン、 チタン、 タンタル、 ニッケル、 ゲル \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 マニウム、 または、 マグネシウムなどから選ばれた一種、 または二種以上が含まれた金属酸化物を 用いることができる。

[ 0 3 1 2 ]

特に、 アルミニウム、 またはハフニウムの一方または双方の酸化物 を含む絶縁層である、 酸化ア ルミニウム、 酸化ハフニウム、 アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物 （ハフニウムアルミネ ート） などを用いることが好ましい。 特に、 ハフニウムアルミネートは、 酸化ハフニウム膜よりも、 耐熱性が高い。 そのため、 後の工程での熱処理において、 結晶化しにくいため好ましい。 なお、 金 属酸化物 5 5 2は、 必須の構成ではない。 求める トランジスタ特性により、 適宜設計すればよい。

[ 0 3 1 3 ]

絶縁体 5 7 0は、 水または水素などの不純物、 および酸素の透過を抑制する機能を有する絶 縁性 材料を用いるとよい。 例えば、 酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなど を用いることが好まし い。 これにより、 絶縁体 5 7 0よりも上方からの酸素で導電体 5 6 0が酸化するのを抑制すること ができる。 また、 絶縁体 5 7 0よりも上方からの水または水素などの不純� �が、 導電体 5 6 0およ び絶縁体 5 5 0を介して、 酸化物 5 3 0に混入することを抑制することができる。

[ 0 3 1 4 ]

絶縁体 5 7 1はハードマスクとして機能する。 絶縁体 5 7 1を設けることで、 導電体 5 6 0の加 エの際、 導電体 5 6 0の側面が概略垂直、 具体的には、 導電体 5 6 0の側面と基板表面のなす角を、 7 5度以上 1 0 0度以下、 好ましくは 8 0度以上 9 5度以下とすることができる。

[ 0 3 1 5 ]

なお、 絶縁体 5 7 1に、 水または水素などの不純物、 および酸素の透過を抑制する機能を有する 絶縁性材料を用いることで、 バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。 その場合、 絶縁体 5 7 0 は設けなく ともよい。

[ 0 3 1 6 ]

絶縁体 5 7 1をハードマスクとして用いて、 絶縁体 5 7 0、 導電体 5 6 0、 金属酸化物 5 5 2、 絶縁体 5 5 0、 および酸化物 5 3 0 の一部を選択的に除去することで、 これらの側面を略一致さ せて、 かつ、 酸化物 5 3 0 13表面の一部を露出させることができる。

[ 0 3 1 7 ]

また、 トランジスタ 5 1 0 0は、 露出した酸化物 5 3 0 13表面の一部に領域 5 3 1 3および領域 5 3 ^を有する。 領域 5 3 1 &または領域 5 3 1 bの一方はソース領域として機能し、 他方はド レイン領域として機能する。

[ 0 3 1 8 ]

領域 5 3 1 &および領域 5 3 1 13の形成は、 例えば、 イオン注入法、 イオンドーピング法、 プラ ズマイマージョンイオン注入法、 またはプラズマ処理などを用いて、 露出した酸化物 5 3 0 13表面 にリンまたはボロンなどの不純物元素を導入 することで実現できる。 なお、 本実施の形態などにお いて 「不純物元素」 とは、 主成分元素以外の元素のことをいう。

[ 0 3 1 9 ]

また、 酸化物 5 3 0 13表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜� ��、 その後加熱処理することに より、 該金属膜に含まれる元素を酸化物 5 3 0 bに拡散させて領域 5 3 1 &および領域 5 3 1 13を 形成することもできる。

[ 0 3 2 0 ] \¥0 2020/174303 卩（：17132020 /051162 酸化物 5 3 0 13の不純物元素が導入された領域は、 電気抵抗率が低下する。 このため、 領域 5 3 1 3および領域 5 3 1 13を 「不純物領域」 または 「低抵抗領域」 という場合がある。

[ 0 3 2 1 ]

絶縁体 5 7 1および/または導電体 5 6 0をマスクとして用いることで、 領域 5 3 1 3および領 域 5 3 1 13を自己整合 （セルフアライメント） 的に形成することができる。 よって、 領域 5 3 1 & および/または領域 5 3 1 13と、 導電体 5 6 0が重ならず、 寄生容量を低減することができる。 ま た、 チャネル形成領域とソースドレイン領域 （領域 5 3 1 3または領域 5 3 1 13） の間にオフセッ 卜領域が形成されない。 領域 5 3 1 3および領域 5 3 1 13を自己整合 （セルフアライメント） 的に 形成することにより、 オン電流の増加、 しきい値電圧の低減、 動作周波数の向上などを実現できる。

[ 0 3 2 2 ]

なお、 オフ電流を更に低減するため、 チャネル形成領域とソースドレイン領域の間 にオフセット 領域を設けてもよい。 オフセット領域とは、 電気抵抗率が高い領域であり、 前述した不純物元素の 導入が行なわれない領域である。 オフセット領域の形成は、 絶縁体 5 7 5の形成後に前述した不純 物元素の導入を行なうことで実現できる。 この場合、 絶縁体 5 7 5も絶縁体 5 7 1などと同様にマ スタとして機能する。 よって、 酸化物 5 3 0 13の絶縁体 5 7 5と重なる領域に不純物元素が導入さ れず、 該領域の電気抵抗率を高いままとすることが できる。

[ 0 3 2 3 ]

また、 トランジスタ 5 1 0〇は、 絶縁体 5 7 0、 導電体 5 6 0、 金属酸化物 5 5 2、 絶縁体 5 5 0、 および酸化物 5 3 0〇の側面に絶縁体 5 7 5を有する。 絶縁体 5 7 5は、 比誘電率の低い絶縁 体であることが好ましい。 例えば、 酸化シリコン、 酸化窒化シリコン、 窒化酸化シリコン、 窒化シ リコン、 フッ素を添加した酸化シリコン、 炭素を添加した酸化シリコン、 炭素および窒素を添加し た酸化シリコン、 空孔を有する酸化シリコン、 または樹脂などであることが好ましい。 特に、 酸化 シリコン、 酸化窒化シリコン、 窒化酸化シリコン、 空孔を有する酸化シリコンを絶縁体 5 7 5に用 いると、 後の工程で絶縁体 5 7 5中に過剰酸素領域を容易に形成できるため� �ましい。 また、 酸化 シリコンおよび酸化窒化シリコンは、 熱的に安定であるため好ましい。 また、 絶縁体 5 7 5は、 酸 素を拡散する機能を有することが好ましい。

[ 0 3 2 4 ]

また、 トランジスタ 5 1 0〇は、 絶縁体 5 7 5、 酸化物 5 3 0上に絶縁体 5 7 4を有する。 絶縁 体 5 7 4は、 スパッタリング法を用いて成膜することが好 ましい。 スパッタリング法を用いること により、 水または水素などの不純物の少ない絶縁体を 成膜することができる。 例えば、 絶縁体 5 7 4として、 酸化アルミニウムを用いるとよい。

[ 0 3 2 5 ]

なお、 スパッタリング法を用いた酸化膜は、 被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある 。 従っ て、 絶縁体 5 7 4が酸化物 5 3 0および絶縁体 5 7 5から水素および水を吸収することで、 酸化物 5 3 0および絶縁体 5 7 5の水素濃度を低減することができる。

[ 0 3 2 6 ]

くトランジスタの構造例 5 >

図 1 3八乃至図 1 3匚を用いてトランジスタ 5 1 0 £の構造例を説明する。 図 1 3八はトランジ スタ 5 1 0 £の上面図である。 図 1 3 8は、 図 1 3八に一点鎖線乙 1—乙 2で示す部位の断面図で ある。 図 1 3（3は、 図 1 3八に一点鎖線 1— 2で示す部位の断面図である。 なお、 図 1 3八の 上面図では、 図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示 している。

[0327]

トランジスタ 51 0 Eは上記トランジスタの変形例である。 よって、 説明の繰り返しを防ぐため、 主に上記トランジスタと異なる点について説 明する。

[0328]

図 1 3 A乃至図 1 3 Cでは、 導電体 542を設けずに、 露出した酸化物 530 b表面の一部に領 域 531 aおよび領域 53 1 bを有する。 領域 53 1 aまたは領域 531 bの一方はソース領域と して機能し、 他方はドレイン領域として機能する。 また、 酸化物 530 bと、 絶縁体 574の間に、 絶縁体 573を有する。

[0329]

図 1 3A、 図 1 3 B、 図 1 3Cに示す、 領域 53 1 (領域 531 a、 および領域 531 b ) は、 酸化物 530 bに下記の元素が添加された領域である。 領域 531は、 例えば、 ダミーゲートを用 いることで形成することができる。

[0330]

具体的には、 酸化物 530 b上にダミーゲートを設け、 当該ダミーゲートをマスクとして用い、 上記酸化物 530 bを低抵抗化する元素を添加するとよい。 つまり、 酸化物 530が、 ダミーゲー 卜と重畳していない領域に、 当該元素が添加され、 領域 53 1が形成される。 なお、 当該元素の添 加方法としては、 イオン化された原料ガスを質量分離して添加 するイオン注入法、 イオン化された 原料ガスを質量分離せずに添加するイオンド ーピング法、 プラズマイマージョンイオンインプラン テーション法などを用いることができる。

[0331 ]

なお、 酸化物 530を低抵抗化する元素としては、 代表的には、 ホウ素、 またはリンが挙げられ る。 また、 水素、 炭素、 窒素、 フッ素、 硫黄、 塩素、 チタン、 希ガス等を用いてもよい。 希ガスの 代表例としては、 ヘリウム、 ネオン、 アルゴン、 クリプトン、 及びキセノン等がある。 当該元素の 濃度は、 二次イオン質量分析法 (S IMS : S e c o n d a r y I o n Ma s s S p e c t r ome t r y) などを用いて測定すればよい。

[0332]

特に、 ホウ素、 及びリンは、 アモルファスシリコン、 または低温ポリシリコンの製造ラインの装 置を使用することができるため、 好ましい。 既存の設備を転用することができ、 設備投資を抑制す ることができる。

[0333]

続いて、 酸化物 530 b、 およびダミーゲート上に、 絶縁体 573となる絶縁膜、 および絶縁体 574となる絶縁膜を成膜してもよい。 絶縁体 573となる絶縁膜、 および絶縁体 574となる絶 縁膜を積層して設けることで、 領域 531と、 酸化物 530 cおよび絶縁体 550とが重畳する領 域を設けることができる。

[0334]

具体的には、 絶縁体 574となる絶縁膜上に絶縁体 580となる絶縁膜を設けた後、 絶縁体 58 0となる絶縁膜に CMP (Ch em i c a l Me c h a n i c a l P o l i s h i n g) 処理 を行うことで、 絶縁体 580となる絶縁膜の一部を除去し、 ダミーゲートを露出する。 続いて、 ダ ミーゲートを除去する際に、 ダミーゲートと接する絶縁体 573の一部も除去するとよい。 従って、 \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 絶縁体 5 8 0に設けられた開口部の側面には、 絶縁体 5 7 4、 および絶縁体 5 7 3が露出し、 当該 開口部の底面には、 酸化物 5 3 0 bに設けられた領域 5 3 1の一部が露出する。 次に、 当該開口部 に酸化物 5 3 0 〇となる酸化膜、 絶縁体 5 5 0となる絶縁膜、 および導電体 5 6 0となる導電膜を 順に成膜した後、 絶縁体 5 8 0が露出するまで 処理などにより、 酸化物 5 3 0 〇となる酸化 膜、 絶縁体 5 5 0となる絶縁膜、 および導電体 5 6 0となる導電膜の一部を除去することで、 図 1 3八、 図 1 3 3、 図 1 3匚に示すトランジスタを形成することがで� �る。

[ 0 3 3 5 ]

なお、 絶縁体 5 7 3、 および絶縁体 5 7 4は必須の構成ではない。 求める トランジスタ特性によ り、 適宜設計すればよい。

[ 0 3 3 6 ]

図 1 3八、 図 1 3 8、 図 1 3匚に示すトランジスタは、 既存の装置を転用することができ、 さら に、 導電体 5 4 2を設けないため、 コストの低減を図ることができる。

[ 0 3 3 7 ]

く トランジスタの構造例 6 >

図 1 4八乃至図 1 4匚を用いてトランジスタ 5 1 0 Fの構造例を説明する。 図 1 4八はトランジ スタ 5 1 0 Fの上面図である。 図 1 4 8は、 図 1 4八に一点鎖線乙 1—乙 2で示す部位の断面図で ある。 図 1 4 0は、 図 1 4八に一点鎖線 1— 2で示す部位の断面図である。 なお、 図 1 4八の 上面図では、 図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示 している。

[ 0 3 3 8 ]

トランジスタ 5 1 0 Fはトランジスタ 5 1〇八の変形例である。 よって、 説明の繰り返しを防ぐ ため、 主に上記トランジスタと異なる点について説 明する。

[ 0 3 3 9 ]

トランジスタ 5 1 〇八では、 絶縁体 5 7 4の一部が絶縁体 5 8 0に設けられた開口部内に設けら れ、 導電体 5 6 0の側面を覆うように設けられている。 一方で、 トランジスタ 5 1 0 Fでは絶縁体 5 8 0と絶縁体 5 7 4の一部を除去して開口が形成されている。

[ 0 3 4 0 ]

また、 導電体 5 4 6と、 絶縁体 5 8 0との間に、 バリア性を有する絶縁体 5 7 6 （絶縁体 5 7 6 3、 および絶縁体 5 7 6 13） を配置してもよい。 絶縁体 5 7 6を設けることで、 絶縁体 5 8 0の酸 素が導電体 5 4 6と反応し、 導電体 5 4 6が酸化することを抑制することができる。

[ 0 3 4 1 ]

なお、 酸化物 5 3 0として酸化物半導体を用いる場合は、 各金属原子の原子数比が異なる複数の 酸化物層の積層構造を有することが好ましい 。 具体的には、 酸化物 5 3 0 3に用いる金属酸化物に おいて、 構成元素中の元素 N4の原子数比が、 酸化物 5 3 0 13に用いる金属酸化物における、 構成元 素中の元素 N4の原子数比より大きいことが好ましい。 また、 酸化物 5 3 0 &に用いる金属酸化物に おいて、 I 11に対する元素 N4の原子数比が、 酸化物 5 3 0 13に用いる金属酸化物における、 1 11に 対する元素 N4の原子数比より大きいことが好ましい。 また、 酸化物 5 3 0 13に用いる金属酸化物に おいて、 元素 に対する I 11の原子数比が、 酸化物 5 3 0 3に用いる金属酸化物における、 元素 N4 に対する I 11の原子数比より大きいことが好ましい。 また、 酸化物 5 3 0 は、 酸化物 5 3 0 3ま たは酸化物 5 3 0 13に用いることができる金属酸化物を用いる� ��とができる。

[ 0 3 4 2 ] \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162 酸化物 5 3 0 3 , 酸化物 5 3 0 13、 および酸化物 5 3 0 。は、 結晶性を有することが好ましく、 特に、 匚八八匚一〇 を用いることが好ましい。 匚八八匚一〇 等の結晶性を有する酸化物は、 不 純物や欠陥 （酸素欠損等） が少なく、 結晶性の高い、 緻密な構造を有している。 よって、 ソース電 極またはドレイン電極による、 酸化物 5 3 0 13からの酸素の引き抜きを抑制することがで� ��る。 こ れにより、 熱処理を行っても、 酸化物 5 3 0 13から酸素が引き抜かれることを低減できる� ��で、 卜 ランジスタ 5 1 0 Fは、 製造工程における高い温度 （所謂サーマルバジェッ ト） に対して安定であ る。

[ 0 3 4 3 ]

なお、 酸化物 5 3 0 3および酸化物 5 3 0 〇の一方または双方を省略してもよい。 酸化物 5 3 0 を酸化物 5 3 0 bの単層としてもよい。 酸化物 5 3 0を、 酸化物 5 3 0 3、 酸化物 5 3 0 13、 およ び酸化物 5 3 0 〇の積層とする場合は、 酸化物 5 3 0 3および酸化物 5 3 0 〇の伝導帯下端のエネ ルギーが、 酸化物 5 3 0 13の伝導帯下端のエネルギーより高くなるこ� ��が好ましい。 また、 言い換 えると、 酸化物 5 3 0 3および酸化物 5 3 0 〇の電子親和力が、 酸化物 5 3 0 bの電子親和力より 小さいことが好ましい。 この場合、 酸化物 5 3 0 。は、 酸化物 5 3 0 &に用いることができる金属 酸化物を用いることが好ましい。 具体的には、 酸化物 5 3 0 に用いる金属酸化物において、 構成 元素中の元素 N4の原子数比が、 酸化物 5 3 0 13に用いる金属酸化物における、 構成元素中の元素 N4 の原子数比より大きいことが好ましい。 また、 酸化物 5 3 0 に用いる金属酸化物において、 I 11 に対する元素 N4の原子数比が、 酸化物 5 3 0 13に用いる金属酸化物における、 I 11に対する元素 N4 の原子数比より大きいことが好ましい。 また、 酸化物 5 3 0 13に用いる金属酸化物において、 元素 N4に対する I 11の原子数比が、 酸化物 5 3 0 。に用いる金属酸化物における、 元素 に対する I 11 の原子数比より大きいことが好ましい。

[ 0 3 4 4 ]

ここで、 酸化物 5 3 0 3 , 酸化物 5 3 0 13、 および酸化物 5 3 0 〇の接合部において、 伝導帯下 端のエネルギー,位はなだらかに変化する。 換言すると、 酸化物 5 3 0 ₃ 、 酸化物 5 3 0 1 ₃ 、 およ び酸化物 5 3 0 ◦の接合部における伝導帯下端のエネルギー 準位は、 連続的に変化または連続接合 するともいうことができる。 このようにするためには、 酸化物 5 3 0 3と酸化物 5 3 0 bとの界面、 および酸化物 5 3 0 bと酸化物 5 3 0 〇との界面において形成される混合層の欠陥 _位密度を低く するとよい。

[ 0 3 4 5 ]

具体的には、 酸化物 5 3 0 3と酸化物 5 3 0 13、 酸化物 5 3 0 bと酸化物 5 3 0 〇が、 酸素以外 に共通の元素を有する （主成分とする） ことで、 欠陥 _位密度が低い混合層を形成することができ る。 例えば、 酸化物 酸化物 5 3 0 3および酸化物 5 3 0 として、 1 11— 0 酸化物、 0 酸化物、 酸化ガリウム等を用いてもよい。 また、 酸化物 5 3 0 〇を積層構造としてもよい。 例えば、 I 11—〇 3 å 11酸化物と、 当該 I — å 11酸化物上の〇 11酸化物との積層構造、 または I n G a Z n酸化物と、 当該 I 11—〇

3 11酸化物上の酸化ガリウムとの積層構造を用� ��ることができる。 別言すると、 1 11—0 3— å 11酸化物と、 I 11を含まない酸化物との積層構造を、 酸化物 5 3 0 。として用いてもよい。

[ 0 3 4 6 ]

具体的には、 酉爱化物 5 3 0 8として、 1 11 : 〇 : 2 11 = 1 : 3 : 4 [原子数比] もしくはその 近傍の組成、 または 1 : 1 : 0 . 5 [原子数比] もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用い れば \¥02020/174303 卩（：17132020 /051162 よい。 また、 酉爱化物 530 I）として、 : Z n = 1 : 1 : 1 ［原子数比］ もしくはその近 傍の組成、 1 11 : 03 : 211 = 4 : 2 : 3 ［原子数比］ もしくはその近傍の組成、 I 11 : : å

11 = 5 : 1 : 3 ［原子数比］ もしくはその近傍の組成、 または 1 0 : 1 : 3 ［原子数比］ もしくは その近傍の組成の金属酸化物、 または、 I 11— å 11酸化物を用いればよい。 酸化物 530 として、 酸化物 5303または酸化物 53013に用いることができる金属酸化物を用い� ��ばよい。 なお、 近 傍の組成とは、 所望の原子数比の ± 30%の範囲を含む。

［0347］

また、 酸化物 530 〇は、 2層以上の積層構造を有していてもよい。 酸化物 530 〇を積層構造 とする場合の具体例としては、 酸化物 530 。の下層として、 1 11 : 03 : 211 = 5 : 1 : 3 ［原 子数比］ もしくはその近傍の組成、 または 1 0 : 1 : 3 ［原子数比］ もしくはその近傍の組成の金 属酸化物、 または、 I 11— å 11酸化物を用い、 酸化物 530 の上層として、 1 11 : 03 : 211 = 1 : 3 : 4 ［原子数比］ もしくはその近傍の組成、 : å 11= 2 : 1 ［原子数比］ もしくはその 近傍の組成、 または : å 11= 2 : 5 ［原子数比］ もしくはその近傍の組成、 または酸化ガリウ ムを用いればよい。

［0348］

酸化物 5 303、 酸化物 530 。を上述の構成とすることで、 酸化物 5303と酸化物 530 b との界面、 および酸化物 5 30 bと酸化物 5 30 〇 との界面における欠陥準位密度を低くするこ と ができる。 そのため、 界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さ くなり、 トランジスタ 5 1 0 F は高いオン電流、 および高い周波数特性を得ることができる。 なお、 酸化物 530 〇を積層構造と した場合、 上述の酸化物 5 3013と、 酸化物 530 〇との界面における欠陥準位密度を低くする 効 果に加え、 酸化物 5 30 〇が有する構成元素が、 絶縁体 550側に拡散するのを抑制することが期 待される。 より具体的には、 酸化物 530 。を積層構造とし、 積層構造の上方に I 11を含まない酸 化物を位置させるため、 絶縁体 550側に拡散しうる I 11を抑制することができる。 絶縁体 5 50 は、 ゲート絶縁体として機能するため、 1 11が拡散した場合、 トランジスタの特性不良となる。 し たがって、 酸化物 5 30 〇を積層構造とすることで、 信頼性の高い半導体装置を提供することが可 能となる。

［0349］

酸化物 5 30は、 酸化物半導体として機能する金属酸化物を用 いることが好ましい。 例えば、 酸 化物 530のチャネル形成領域となる金属酸化物とし ては、 バンドギャップが 26 V以上、 好まし くは 2. 5 6 V以上のものを用いることが好ましい。 このように、 バンドギャップの大きい金属酸 化物を用いることで、 トランジスタのオフ電流を低減することがで きる。 このようなトランジスタ を用いることで、 低消費電力の半導体装置を提供できる。

［0350］

<半導体装置の構成例 2 >

図 1 5には、 図 7に示す半導体装置において、 絶縁体 6 50上に導電体 6 92を有する例を示す。 導電体 6 9 2は半導体装置の一方の面を覆うように形成� �れる。 図 1 5には図示されないが、 導電 体 6 92は開口部を有してもよい。 また絶縁体 6 50よりも下層の導電体に電気的に接続される� �� 電体が該開口部内に設けられてもよい。

［035 1］

導電体 6 92として金属を用いることができる。 また導電性を有する金属窒化物や金属酸化物 を 用いてもよい。 導電体 6 9 2として例えば、 チタン、 窒化チタン、 酸化チタン等を用いる事ができ る。 導電体 6 92は半導体装置よりも外部からの電磁波を遮� ��する、 あるいは弱める機能を有する。 また導電体 6 92は静電気を拡散して逃がす、 または電荷の局在化を防ぐ機能を有する。 導電体 6 92を設けることにより、 半導体装置の動作をさらに安定させることが できる。

[0352]

図 1 6には、 絶縁体 6 50と導電体 6 92との間に絶縁体 6 93を有する例を示す。 絶縁体 6 9 3として例えば、 繊維体に有機樹脂が含浸された構造体を用い ることができる。 繊維体として例え ばガラス繊維を用いてもよい。 また有機樹脂として例えば臭素化エポキシ樹 脂を用いてもよい。

[0353]

なお、 本実施の形態は、 本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組 み合わせて実施することが できる。

[0354]

(実施の形態 3 )

本実施の形態では、 上記実施の形態で説明した〇 S トランジスタに用いることができる金属酸化 物の構成について説明する。

[0355]

< <金属酸化物 > >

酸化物 5 30として、 酸化物半導体として機能する金属酸化物を用 いることが好ましい。 以下で は、 本発明に係る酸化物 530に適用可能な金属酸化物について説明する 。

[0356]

金属酸化物は、 少なく ともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ま しい。 特に、 インジウムおよ び亜鉛を含むことが好ましい。 また、 それらに加えて、 ガリウム、 イットリウム、 錫などが含まれ ていることが好ましい。 また、 ホウ素、 チタン、 鉄、 ニッケル、 ゲルマニウム、 ジルコニウム、 モ リブデン、 ランタン、 セリウム、 ネオジム、 ハフニウム、 タンタル、 タングステン、 マグネシウム などから選ばれた一種、 または複数種が含まれていてもよい。

[0357]

ここでは、 金属酸化物が、 インジウム、 元素 Mおよび亜鉛を有する I n— M— Z n酸化物である 場合を考える。 なお、 元素 Mは、 アルミニウム、 ガリウム、 イットリウム、 または錫とする。 その ほかの元素 Mに適用可能な元素としては、 ホウ素、 チタン、 鉄、 ニッケル、 ゲルマニウム、 ジルコ ニウム、 モリブデン、 ランタン、 セリウム、 ネオジム、 ハフニウム、 タンタル、 タングステン、 マ ダネシウムなどがある。 ただし、 元素 Mとして、 前述の元素を複数組み合わせても構わない場 合が ある。

[0358]

なお、 本明細書等において、 窒素を有する金属酸化物も金属酸化物 (me t a l o x i d e) と総称する場合がある。 また、 窒素を有する金属酸化物を、 金属酸窒化物 (me t a l o x yn i t r i d e ) と呼称してもよい。

[0359]

[金属酸化物の構造]

酸化物半導体 (金属酸化物) は、 単結晶酸化物半導体と、 それ以外の非単結晶酸化物半導体と、 に分けられる。 非単結晶酸化物半導体としては、 例えば、 CAAC— OS、 多結晶酸化物半導体、 n c— OS （n a n o c r y s t a l l i n e o x i d e s em i c o n d u c t o r） 、 擬 似非晶質酸化物半導体 （a— l i k e OS : amo r p h o u s— 1 i k e o x i d e s e m i c o n d u c t o r） 、 および非晶質酉爱化物半導体などがある。

[0360]

CAAC— OSは、 c軸配向性を有し、 かつ a— b面方向において複数のナノ結晶が連結し、 歪 みを有した結晶構造となっている。 なお、 歪みとは、 複数のナノ結晶が連結する領域において、 格 子配列の揃った領域と、 別の格子配列の揃った領域と、 の間で格子配列の向きが変化している箇所 を指す。

[036 1 ]

ナノ結晶は、 六角形を基本とするが、 正六角形状とは限らず、 非正六角形状である場合がある。 また、 歪みにおいて、 五角形、 および七角形などの格子配列を有する場合が ある。 なお、 CAAC

— OSにおいて、 歪み近傍においても、 明確な結晶粒界 （グレインバウンダリーともいう。 ） を確 認することは難しい。 すなわち、 格子配列の歪みによって、 結晶粒界の形成が抑制されていること がわかる。 これは、 CAAC— OSが、 a— b面方向において酸素原子の配列が稠密でな� �ことや、 金属元素が置換することで原子間の結合距離 が変化することなどによって、 歪みを許容することが できるためである。

[0362]

また、 CAAC— OSは、 インジウム、 および酸素を有する層 （以下、 I n層） と、 元素 M、 亜 鉛、 および酸素を有する層 （以下、 （M， Z n） 層） とが積層した、 層状の結晶構造 （層状構造と もいう） を有する傾向がある。 なお、 インジウムと元素 Mは、 互いに置換可能であり、 （M， Zn） 層の元素 Mがインジウムと置換した場合、 （ I n, M， Zn） 層と表すこともできる。 また、 I n 層のインジウムが元素 Mと置換した場合、 （I n, M） 層と表すこともできる。

[0363]

C AAC— OSは結晶性の高い金属酸化物である。 一方、 CAAC— OSは、 明確な結晶粒界を 確認することが難しいため、 結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こ りにくいといえる。 また、 金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の 生成などによって低下する場合があるため、 CAAC

— OSは不純物や欠陥 （酸素欠損など） の少ない金属酸化物ともいえる。 したがって、 CAAC— OSを有する金属酸化物は、 物理的性質が安定する。 そのため、 CAAC— OSを有する金属酸化 物は熱に強く、 信頼性が高い。

[0364]

n c— OSは、 微小な領域 （例えば、 1 n m以上 10 n m以下の領域、 特に l nm以上 3 nm以 下の領域） において原子配列に周期性を有する。 また、 n c— OSは、 異なるナノ結晶間で結晶方 位に規則性が見られない。 そのため、 膜全体で配向性が見られない。 したがって、 n c— OSは、 分析方法によっては、 a - 1 i k e O Sや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場� �がある。

[0365]

なお、 インジウムと、 ガリウムと、 亜鉛と、 を有する金属酸化物の一種である、 I n— Ga— Z n酸化物 （以下、 I GZO） は、 上述のナノ結晶とすることで安定な構造をと る場合がある。 特に、 I GZOは、 大気中では結晶成長がし難い傾向があるため 、 大きな結晶 （ここでは、 数 mmの結晶、 または数 cmの結晶） よりも小さな結晶 （例えば、 上述のナノ結晶） とする方が、 構造的に安定と なる場合がある。 \¥0 2020/174303 卩（：17132020 /051162

[ 0 3 6 6 ]

3— 1 1 1^ 6 〇 は、 11 0—〇 と非晶質酸化物半導体との間の構造を有する 金属酸化物であ る。 〇 は、 鬆または低密度領域を有する。 すなわち、 〇 は、 11 0—〇 および〇八八〇一〇 と比べて、 結晶性が低い。

[ 0 3 6 7 ]

酸化物半導体 （金属酸化物） は、 多様な構造をとり、 それぞれが異なる特性を有する。 本発明の 態様の酸化物半導体は、 非晶質酸化物半導体、 多結晶酸化物半導体、 3— 1 丨 1£ 6 0 3 , 11 0 二種以上を有していてもよい。

ここで、 金属酸化物中における各不純物の影響につい て説明する。

[ 0 3 6 9 ]

酸化物半導体に不純物が混入すると、 欠陥,位または酸素欠損が形成される場合が� �る。 よって、 酸化物半導体のチャネル形成領域に不純物が 混入することで、 酸化物半導体を用いたトランジスタ の電気特性が変動しやすく、 信頼性が悪くなる場合がある。 また、 チャネル形成領域に酸素欠損が 含まれていると、 トランジスタはノーマリーオン特 1 '生となりやすい。

[ 0 3 7 0 ]

また、 上記欠陥準位には、 トラップ準位が含まれる場合がある。 金属酸化物のトラップ準位に捕 獲された電荷は、 消失するまでに要する時間が長く、 あたかも固定電荷のように振る舞うことがあ る。 そのため、 トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネ ル形成領域に有する トランジスタは、 電気特性が不安定となる場合がある。

[ 0 3 7 1 ]

また、 酸化物半導体のチャネル形成領域に不純物が 存在すると、 チャネル形成領域の結晶性が低 くなる場合がある、 また、 チャネル形成領域に接して設けられる酸化物 の結晶性が低くなる場合が ある。 チャネル形成領域の結晶性が低いと、 トランジスタの安定性または信頼性が悪化す る傾向が ある。 また、 チャネル形成領域に接して設けられる酸化物 の結晶性が低いと、 界面 _位が形成され、 トランジスタの安定性または信頼性が悪化す る場合がある。

[ 0 3 7 2 ]

したがって、 トランジスタの安定性または信頼性を向上さ せるには、 酸化物半導体のチャネル形 成領域およびその近傍の不純物濃度を低減す ることが有効である。 不純物としては、 水素、 窒素、 アルカリ金属、 アルカリ土類金属、 鉄、 ニッケル、 シリコン等がある。

[ 0 3 7 3 ]

具体的には、 当該酸化物半導体のチャネル形成領域および その近傍において、 £ により得 られる上記不純物の濃度を、 1 X 1 0 ^{1 8} 3 〇111 以下、 好ましくは 2 X 1 0 ^{1 6} 3 〇111 8 0 111 ³ 以下にする。 または、 当該酸化物半導体のチャネル形成領域および その近傍において、 を用いた元素分析により得られる上記不純物 の濃度を、 1 . 0 & 1 〇 111 1 〇 %以下にする。 なお、 当該酸化物半導体として元素 IV!を含む酸化物を用いる場合、 当該酸化物半導体のチャネル形 成領域およびその近傍において、 元素 に対する上記不純物の濃度比を、 〇. 1 0未満、 好ましく は〇. 0 5未満にする。 ここで、 上記濃度比を算出する際に用いる元素 濃度は、 上記不純物の 濃度を算出した領域と同じ領域の濃度でもよ いし、 当該酸化物半導体中の濃度でもよい。 \¥0 2020/174303 ?€1/162020/051162

[ 0 3 7 4 ]

また、 不純物濃度を低減した金属酸化物は、 欠陥,位密度が低いため、 トラップ,位密度も低く なる場合がある。

[ 0 3 7 5 ]

また、 金属酸化物中の酸素欠損に水素が入った場合 、 酸素欠損と水素とが結合し V ₀ Hを形成す る場合がある。 V ₀ Hはドナーとして機能し、 キャリアである電子が生成されることがある 。 また、 水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合 して、 キャリアである電子を生成する場合がある。

[ 0 3 7 6 ]

従って、 水素が多く含まれている酸化物半導体を用い たトランジスタは、 ノーマリーオン特性と なりやすい。 また、 酸化物半導体中の水素は、 熱、 電界などのストレスによって動きやすいため 、 酸化物半導体に多くの水素が含まれると、 トランジスタの信頼性が悪化する恐れもある 。

[ 0 3 7 7 ]

つまり、 金属酸化物中の V ₀ Hをできる限り低減し、 高純度真性または実質的に高純度真性にす ることが好ましい。 このように、 〇：«が十分低減された酸化物半導体を得る� ��は、 酸化物半導体 中の水分、 水素などの不純物を除去すること （脱水、 脱水素化処理と記載する場合がある。 ） と、 酸化物半導体に酸素を供給して酸素欠損を補 填すること （加酸素化処理と記載する場合がある。 ） が重要である。 〇：«などの不純物が十分に低減された酸化� ��半導体をトランジスタのチャネル形 成領域に用いることで、 安定した電気特性を付与することができる。

[ 0 3 7 8 ]

また、 トランジスタには、 キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いるこ とが好ましい。 酸化物半 導体のキャリア濃度を低くする場合において は、 酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、 欠陥,位 密度を低くすればよい。 本明細書等において、 不純物濃度が低く、 欠陥 _位密度の低いことを高純 度真性または実質的に高純度真性という。 なお、 酸化物半導体中の不純物としては、 例えば、 水素、 窒素、 アルカリ金属、 アルカリ土類金属、 鉄、 ニッケル、 シリコン等がある。

[ 0 3 7 9 ]

特に、 酸化物半導体に含まれる水素は、 金属原子と結合する酸素と反応して水になる ため、 酸化 物半導体中に酸素欠損を形成する場合がある 。 酸化物半導体中のチャネル形成領域に酸素欠 損が含 まれていると、 トランジスタはノーマリーオン特性となる場 合がある。 さらに、 酸素欠損に水素が 入った欠陥はドナーとして機能し、 キャリアである電子が生成されることがある 。 また、 水素の一 部が金属原子と結合する酸素と結合して、 キャリアである電子を生成する場合がある。 従って、 水 素が多く含まれている酸化物半導体を用いた トランジスタは、 ノーマリーオン特 1 ^' 生となりやすい。

[ 0 3 8 0 ]

酸素欠損に水素が入った欠陥 （ 〇：«） は、 酸化物半導体のドナーとして機能しうる。 しかしな がら、 当該欠陥を定量的に評価することは困難であ る。 そこで、 酸化物半導体においては、 ドナー 濃度ではなく、 キャリア濃度で評価される場合がある。 よって、 本明細書等では、 酸化物半導体の パラメータとして、 ドナー濃度ではなく、 電界が印加されない状態を想定したキャリア 濃度を用い る場合がある。 つまり、 本明細書等に記載の 「キャリア濃度」 は、 「ドナー濃度」 と言い換えるこ とができる場合がある。

[ 0 3 8 1 ]

よって、 酸化物半導体中の水素はできる限り低減され ていることが好ましい。 具体的には、 酸化 物半導体において、 二次イオン質量分析法 （S IMS : S e c o n d a r y I o n Ma s s S p e c t r ome t r y） により得られる水素濃度を、 l X 1 0 ² 〇 a t om s/c m ³ 未満、 好 ましくは l X 1 0 ¹⁹ a t oms / c m ³ 未満、 より好ましくは 5 X 10 ¹⁸ a t om s / c m ³ 未満、 さらに好ましくは 1 X 1 0 ¹⁸ a t om s/cm ³ 未満とする。 水素などの不純物が十分に低減され た酸化物半導体をトランジスタのチャネル形 成領域に用いることで、 安定した電気特性を付与する ことができる。

[0382]

また、 チャネル形成領域の酸化物半導体のキャリア 濃度は、 1 X 10 ¹⁸ cm一 ³ 以下であることが 好ましく、 l X 10 ¹⁷ c m一 ³ 未満であることがより好ましく、 l X 10 ¹⁶ c m一 ³ 未満であること がさらに好ましく、 l X 1 0 ¹³ c m - ³ 未満であることがさらに好ましく、 l X 10 ¹² c m - ³ 未満 であることがさらに好ましい。 なお、 チャネル形成領域の酸化物半導体のキャリア 濃度の下限値に ついては、 特に限定は無いが、 例えば、 1 X 10— ⁹ cm ³ とすることができる。

[0383]

本発明の一態様により、 信頼性が良好な半導体装置を提供することが できる。 また、 本発明の一 態様により、 良好な電気特性を有する半導体装置を提供す ることができる。 また、 本発明の一態様 により、 オン電流の大きい半導体装置を提供すること ができる。 また、 本発明の一態様により、 微 細化または高集積化が可能な半導体装置を提 供することができる。 また、 本発明の一態様は、 低消 費電力の半導体装置を提供することを課題の 一つとする。

[0384]

＜くその他の半導体材料＞＞

酸化物 530に用いることができる半導体材料は、 上述の金属酸化物に限られない。 酸化物 53 0として、 バンドギャップを有する半導体材料 （ゼロギャップ半導体ではない半導体材料） を用い てもよい。 例えば、 シリコンなどの単体元素の半導体、 ヒ化ガリウムなどの化合物半導体、 半導体 として機能する層状物質 （原子層物質、 2次元材料などともいう。 ） などを半導体材料に用いるこ とが好ましい。 特に、 半導体として機能する層状物質を半導体材料 に用いると好適である。

[0385]

ここで、 本明細書等において、 層状物質とは、 層状の結晶構造を有する材料群の総称である 。 層 状の結晶構造は、 共有結合やイオン結合によって形成される層 が、 ファンデルワールスカのような、 共有結合やイオン結合よりも弱い結合を介し て積層している構造である。 層状物質は、 単位層内に おける電気伝導性が高く、 つまり、 2次元電気伝導性が高い。 半導体として機能し、 かつ、 2次元 電気伝導性の高い材料をチャネル形成領域に 用いることで、 オン電流の大きいトランジスタを提供 することができる。

[0386]

層状物質として、 グラフエン、 シリセン、 カルコゲン化物などがある。 カルコゲン化物は、 カル コゲンを含む化合物である。 また、 カルコゲンは、 第 1 6族に属する元素の総称であり、 酸素、 硫 黄、 セレン、 テルル、 ポロニウム、 リバモリウムが含まれる。 また、 カルコゲン化物として、 遷移 金属カルコゲナイ ド、 1 3族カルコゲナイ ドなどが挙げられる。

[0387]

酸化物 530として、 例えば、 半導体として機能する遷移金属カルコゲナイ ドを用いることが好 ましい。 酸化物 530として適用可能な遷移金属カルコゲナイ ドとして、 具体的には、 硫化モリブ \¥02020/174303 ?€1/162020/051162 デン （代表的には 1^〇 3 ₂ ） 、 セレン化モリブデン （代表的には 1^〇 £ ₆₂ ） 、 モリブデンテルル （代表的にはN4 ₀ 丁 ₆₂ ） 、 硫化タングステン （代表的には £ ₂ ） 、 セレン化タングステン （代表 的には £ ₆₂ ） 、 タングステンテルル （代表的には 丁 ₆₂ ） 、 硫化ハフニウム （代表的にはH £ £ ₂ ） 、 セレン化ハフニウム （代表的にはH £ ₆₂ ） 、 硫化ジルコニウム （代表的には ZrS ₂ ） 、 セレン化ジルコニウム （代表的には å £ ₆₂ ） などが挙げられる。

[0388]

なお、 本実施の形態は、 本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組 み合わせて実施することが できる。

[符号の説明]

[0389]

8 1八3 1、 1 X2、 I NM、 011丁、 011丁 2、 011丁8、 ？ ：8、 3 £丁、 V 603, ：80、 匚八 〇、 匚八 乙、 〇〇、 VSH、 、 丁 ：端子

N01、 N02、 N03、 N04、 N05 : ノード

11 :増幅回路、 30 ₃ ：回路、 301 ₃ :回路、 30 ₀ :回路、 30 _¢ 1 :回路、 31 : トランジス 夕、 32 : トランジスタ、 34 : トランジスタ、 36 : トランジスタ、 37 : トランジスタ、 4 1 :容量素子、 42 :容量素子、 45 : トランジスタ、 46 : トランジスタ、 47 : トランジスタ、

48 :容量素子、 49 :容量素子、 61 :容量素子、 70 :半導体装置、 71 :増幅回路、 80 : 増幅回路、 81 : トランジスタ、 82 : トランジスタ、 83 : トランジスタ、 84 : トランジスタ、 85 : トランジスタ、 86 : トランジスタ、 87 :容量素子、 88 :容量素子、 89 :抵抗素子、 100 :蓄電システム、 1 14 :記憶素子、 121 :二次電池、 161 :容量素子、 162 : トラ ンジスタ、 300 : トランジスタ、 311 :基板、 313 :半導体領域、 314 ₃ ：低抵抗領域、

3141 ₃ :低抵抗領域、 315 :絶縁体、 316 :導電体、 320 :絶縁体、 322 :絶縁体、 3

24 :絶縁体、 326 :絶縁体、 328 :導電体、 330 :導電体、 350 :絶縁体、 352 :絶 縁体、 354 :絶縁体、 356 :導電体、 360 :絶縁体、 362 :絶縁体、 364 :絶縁体、 3 66 :導電体、 370 :絶縁体、 372 :絶縁体、 374 :絶縁体、 376 :導電体、 380 :絶 縁体、 382 :絶縁体、 384 :絶縁体、 386 :導電体、 500 : トランジスタ、 503 :導電 体、 503 ₃ ：導電体、 5031 ₃ :導電体、 505 :導電体、 505 ₃ ：導電体、 5051 ₃ :導電 体、 510 :絶縁体、 510八： トランジスタ、 510 トランジスタ、 5100 : トランジス 夕、 5100 : トランジスタ、 510 £ : トランジスタ、 510 F : トランジスタ、 511 :絶縁 体、 512 :絶縁体、 514 :絶縁体、 516 :絶縁体、 518 :導電体、 520 :絶縁体、 52 1 :絶縁体、 522 :絶縁体、 524 :絶縁体、 530 :酸化物、 530 ₃ :酸化物、 5301 ₃ : 酸化物、 530〇 :酸化物、 531 :領域、 531 ₃ ：領域、 5311 ₃ :領域、 540 ₃ :導電体、

5401 ₃ :導電体、 542 :導電体、 542 ₃ ：導電体、 5421 ₃ :導電体、 543 :領域、 54

3 ₃ :領域、 5431 ₃ :領域、 544 :絶縁体、 545 :絶縁体、 546 :導電体、 546 ₃ :導 電体、 5461 ₃ :導電体、 547 :導電体、 547 ₃ ：導電体、 5471 ₃ :導電体、 548 :導電 体、 550 :絶縁体、 552 :金属酸化物、 560 :導電体、 560 ₃ :導電体、 5601 ₃ :導電 体、 570 :絶縁体、 571 :絶縁体、 573 :絶縁体、 574 :絶縁体、 575 :絶縁体、 57

6 :絶縁体、 576 ₃ ：絶縁体、 5761 ₃ :絶縁体、 580 :絶縁体、 581 :絶縁体、 582 : 絶縁体、 584 :絶縁体、 586 :絶縁体、 600 :容量素子、 610 :導電体、 612 :導電体、 620 :導電体、 630 :絶縁体、 650 :絶縁体、 692 :導電体、 693 :絶縁体