JP2018073994A

JP2018073994A - 半導体装置

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Publication number: JP2018073994A
Application number: JP2016212165A
Authority: JP
Inventors: 佑太遠藤; Yuta Endo; 山崎　舜平; Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-10

Abstract

【課題】微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の導電体と、第１の導電体上の第２の導電体と、第１の絶縁体の側面および第１の導電体の側面に接して配置されたサイドウォール絶縁体と、第１の酸化物の側面、第２の酸化物の側面、第２の酸化物の上面と接する領域を有し、かつ、サイドウォール絶縁体の側面と接する領域を有する第２の絶縁体と、を有し、サイドウォール絶縁体の上面および第２の絶縁体の最上面は、第１の導電体の最上面および第２の導電体の最上面と略一致し、第１の導電体は、第２の導電体の底面および側面に接するように配置されている半導体装置。【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の駆動方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュールおよび電子機器に関する。

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、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。

半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する）等の電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。

例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を活性層とするトランジスタを用いて、表示装置を作製する技術が開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。

さらに近年、酸化物半導体を有するトランジスタを用いて、記憶装置の集積回路を作製する技術が公開されている（特許文献３参照）。また、記憶装置だけでなく、演算装置等も、酸化物半導体を有するトランジスタによって作製されてきている。

特開２００７−１２３８６１号公報特開２００７−９６０５５号公報特開２０１１−１１９６７４号公報

ところで、電子機器の高性能化、小型化、軽量化に伴い、集積回路は高集積化され、トランジスタのサイズは微細化している。これに従って、トランジスタ作製のプロセスルールも、４５ｎｍ、３２ｎｍ、２２ｎｍと年々小さくなっている。これに伴い、酸化物半導体を有するトランジスタも、微細な構造において、設計通り良好な電気特性を有するものが求められている。

本発明の一態様は、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を課題の一つとする。または、本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、オフ電流の小さい半導体装置を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、オン電流の大きいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。

本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様には、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

本発明の一態様は、酸化物半導体を用いたトランジスタであり、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面に接して、サイドウォール絶縁体が配置されている。なお、該サイドウォール絶縁体は、原子層堆積（ＡＬＤ：ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で成膜されると好ましい。サイドウォール絶縁体をＡＬＤ法で成膜することで被覆性が良好な膜、あるいは緻密な膜からなるサイドウォール絶縁体が得られる。ゲート絶縁膜の側面に接してこのような絶縁体を設けることで、ゲート絶縁膜中の酸素が外部に拡散することを防ぎ、水または水素などの不純物がゲート絶縁膜中に混入することを防ぐことができる。該トランジスタのソース領域およびドレイン領域を形成する際に、該サイドウォール絶縁体を形成しておくことにより、酸化物半導体の該ゲート電極と重畳する領域は低抵抗化されにくくなる。これにより、微細化されたトランジスタにおいても、ソース領域およびドレイン領域が必要以上にゲート側に拡張することを防ぎ、該トランジスタに良好な電気特性を与えることができる。

本発明の一態様は、第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の導電体と、第１の導電体上の第２の導電体と、第１の絶縁体の側面および第１の導電体の側面に接して配置されたサイドウォール絶縁体と、第２の酸化物の上面と接する領域を有し、かつ、サイドウォール絶縁体の側面と接する領域を有する第２の絶縁体と、を有し、サイドウォール絶縁体の上面および第２の絶縁体の最上面は、第１の導電体の最上面および第２の導電体の最上面と略一致している半導体装置である。

また、第１の導電体は、第２の導電体の底面および側面に接するように配置されている半導体装置である。

また、第１の酸化物および第２の酸化物は、それぞれ、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む半導体装置である。

また、本発明の一態様は、第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第３の酸化物と、第３の酸化物上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の導電体と、第１の導電体上の第２の導電体と、第１の絶縁体の側面および第１の導電体の側面に接して配置されたサイドウォール絶縁体と、第３の酸化物の上面と接する領域を有し、かつ、サイドウォール絶縁体の側面と接する領域を有する第２の絶縁体と、を有し、サイドウォール絶縁体の上面および第２の絶縁体の最上面は、第１の導電体の最上面および第２の導電体の最上面と略一致している半導体装置である。

また、第３の酸化物の側面がサイドウォール絶縁体に接し、第２の絶縁体が第２の酸化物の上面と接する領域を有する半導体装置である。

また、第１の酸化物乃至第３の酸化物は、それぞれ、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む半導体装置である。

また、第２の酸化物の第２の絶縁体と重なる領域は、第２の酸化物と第１の絶縁体と重なる領域の中央近傍より、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きい半導体装置である。

または、第２の酸化物の第２の絶縁体およびサイドウォール絶縁体と重なる領域は、第２の酸化物の第１の絶縁体と重なる領域の中央近傍より、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きい半導体装置である。

または、第２の酸化物の第２の絶縁体、サイドウォール絶縁体、および第１の絶縁体の両端部近傍と重なる領域は、第２の酸化物の第１の絶縁体と重なる領域の中央近傍より、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きい半導体装置である。

また、サイドウォール絶縁体の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である半導体装置である。

また、サイドウォール絶縁体は、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムのいずれかを有する半導体装置である。

また、第１の導電体は、導電性酸化物を有する半導体装置である。

また、第３の絶縁体は、水素および窒素のいずれか一方または両方を有する半導体装置である。

また、半導体装置が有する第１の絶縁体は、昇温脱離ガス分析において、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以上であることが好ましい。

また、本発明の一態様は、第１の酸化膜、および第２の酸化膜を順に成膜し、第１の酸化膜および第２の酸化膜を島状に加工して、第１の酸化物および第２の酸化物を形成し、第２の酸化物の上に、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜を順に成膜し、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜エッチングして、第１の絶縁体およびダミーゲート層を形成し、第１の酸化物、第２の酸化物、第１の絶縁体およびダミーゲート層を覆って、ＡＬＤ法を用いて第２の絶縁膜を成膜し、第２の絶縁膜にドライエッチング処理を行って、第１の絶縁体およびダミーゲート層の側面に接して、第１のサイドウォール絶縁体を形成し、第１の酸化物、第２の酸化物、第１のサイドウォール絶縁体およびダミーゲート層を覆って、ＣＶＤ法を用いて第３の絶縁膜を成膜し、第３の絶縁膜の上に第４の絶縁膜を成膜し、第１のＣＭＰ処理を行うことによって、ダミーゲート層、第１のサイドウォール絶縁体、第３の絶縁膜、および第４の絶縁膜の一部を、ダミーゲート層の一部が露出するまで除去し、ダミーゲート層をエッチングすることによって、第１の絶縁体を露出させ、第１の絶縁体を介して第２の酸化物に酸素を注入し、第１の導電体膜および第２の導電膜を順に成膜し、第２のＣＭＰ処理を行うことによって、第１の導電体膜の一部および第２の導電体膜の一部を、第４の絶縁膜が露出するまで除去して、導電体層を形成する半導体装置の作製方法である。

また、第３の絶縁膜の成膜は、窒素を含む雰囲気で行う半導体装置の作製方法である。

また、本発明の一態様は、第１の酸化膜、および第２の酸化膜を順に成膜し、第１の酸化膜および第２の酸化膜を島状に加工して、第１の酸化物および第２の酸化物を形成し、第２の酸化物の上に、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜を順に成膜し、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜エッチングして、第１の絶縁体およびダミーゲート層を形成し、第１の酸化物、第２の酸化物、第１の絶縁体およびダミーゲート層を覆って、ＣＶＤ法を用いて第２の絶縁膜を成膜し、第２の絶縁膜の上に第３の絶縁膜を成膜し、第１のＣＭＰ処理を行うことによって、ダミーゲート層、第２の絶縁膜、および第３の絶縁膜の一部を、ダミーゲート層の一部が露出するまで除去し、ダミーゲート層をエッチングすることによって、第１の絶縁体を露出させ、第１の絶縁体を介して第２の酸化物に酸素を注入し、第１の導電体膜および第２の導電膜を順に成膜し、第２のＣＭＰ処理を行うことによって、第１の導電体膜の一部および第２の導電体膜の一部を、第３の絶縁膜が露出するまで除去して、導電体層を形成する半導体装置の作製方法である。

また、第２の絶縁膜の成膜は、窒素を含む雰囲気で行う半導体装置の作製方法である。

また、酸素の注入は、酸素を含むプラズマ処理によって行う半導体装置の作製方法である。

また、酸素の注入は、酸素イオンを注入することによって行う半導体装置の作製方法である。

また、第１の導電膜の成膜を、酸素を含む雰囲気で、スパッタリング処理を用いて行う半導体装置の作製方法。

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。または、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。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、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。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、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、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。

または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面構造を説明する図。本発明の一態様に係る半導体装置の断面構造を説明する図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面構造を説明する図。本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面構造を説明する図。本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面構造を説明する図。本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面構造を説明する図。本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面構造を説明する図。本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。本発明の一態様に係る半導体ウエハの上面図。電子部品の作製工程例を説明するフローチャートおよび斜視模式図。本発明の一態様に係る電子機器を示す図。本発明に係る金属酸化物の原子数比の範囲を説明する図。本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面構造を説明する図。本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面構造を説明する図。

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。

また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値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層や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省略して示すことがある。また、図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。

また、特に上面図（「平面図」ともいう。）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。

また、本明細書などにおいて、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」又は「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。

また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。

また、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。撮像装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、電気光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル領域とは、電流が主として流れる領域をいう。

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場合がある。

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。尚、ゲート電極のチャネル長方向の幅のことをゲート線幅と呼ぶことができる。

チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。

このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。

そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：ＳｕｒｒｏｕｎｄｅｄＣｈａｎｎｅｌＷｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。

なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（ＤｅｎｓｉｔｙｏｆＳｔａｔｅｓ）が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。

なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは酸素が５５原子％以上６５原子％以下、窒素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものでる。例えば、好ましくは窒素が５５原子％以上６５原子％以下、酸素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。

また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。

また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。

また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、ｎチャネル型のトランジスタとする。よって、そのしきい値電圧（「Ｖｔｈ」ともいう。）は、明示されている場合を除き、０Ｖよりも大きいものとする。

また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。

なお、本明細書において、バリア膜とは、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膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。

本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳＦＥＴと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。

（実施の形態１）
＜半導体装置の構成例１＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ１０００を有する半導体装置の一例について説明する。

図１（Ａ）は、トランジスタ１０００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ１０００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ１０００のチャネル幅方向の断面図でもある。図１（Ａ）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。

本発明の一態様の半導体装置は、基板４００と、基板４００上の絶縁体４０１と、絶縁体４０１上のトランジスタ１０００と、トランジスタ１０００上の、絶縁体４１０と、絶縁体４１０上の絶縁体４１５と、絶縁体４１５上の絶縁体４２０と、を有する。

トランジスタ１０００は、絶縁体４０１上の導電体３１０および絶縁体３０１と、導電体３１０上および絶縁体３０１上の絶縁体３０２と、絶縁体３０２上の絶縁体３０３と、絶縁体３０３上の絶縁体４０２と、絶縁体４０２上の酸化物４０６ａと、酸化物４０６ａ上の酸化物４０６ｂと、酸化物４０６ｂの上面と接する領域を有する絶縁体４１２と、酸化物４０６ｂの上面と絶縁体４１２を介して互いに重なる領域を有する導電体４０４と、絶縁体４１２の側面および導電体４０４の側面と接する領域を有するサイドウォール絶縁体４１８と、絶縁体４０２上、酸化物４０６ａの側面、酸化物４０６ｂの側面、酸化物４０６ｂの上面およびサイドウォール絶縁体４１８と重なる領域を有する絶縁体４０９と、を有する。また、酸化物４０６ｂの上面と、絶縁体４０９と、は接する領域を有する。導電体４０４は、導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂを有し、導電体４０４ｂの底面および側面を包むように導電体４０４ａが配置される。ここで、図１（Ｂ）に示すように、サイドウォール絶縁体４１８の上面および絶縁体４０９の最上面は、導電体４０４ａの最上面および導電体４０４ｂの最上面と略一致することが好ましい。

導電体３１０は、絶縁体３０１の開口の内壁に接して導電体３１０ａが形成され、さらに内側に導電体３１０ｂが形成されている。ここで、導電体３１０ａおよび導電体３１０ｂの上面の高さと、絶縁体３０１の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ１０００では、導電体３１０ａおよび導電体３１０ｂ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３１０ｂのみを設ける構成にしてもよい。

以下において、酸化物４０６ａと酸化物４０６ｂをまとめて酸化物４０６という場合がある。なお、トランジスタ１０００では、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｂ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４０６ｂのみを設ける構成にしてもよい。また、導電体４０４ａと導電体４０４ｂをまとめて導電体４０４という場合がある。なお、トランジスタ１０００では、導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂ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４０４ｂのみを設ける構成にしてもよい。

導電体４０４は、トップゲートとして機能でき、導電体３１０は、バックゲートとして機能できる。バックゲートの電位は、トップゲートと同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲートの電位をトップゲートと連動させず独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。

ここで、導電体３１０ａは、水または水素などの不純物の透過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。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く、単層または積層とすればよい。これにより、絶縁体４０１より下層から水素、水などの不純物が導電体３１０を通じて上層に拡散するのを抑制することができる。なお、導電体３１０ａは、水素原子、水素分子、水分子、酸素原子、酸素分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２など）、銅原子などの不純物または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一が透過しにくいことが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料について記載する場合も同様である。導電体３１０ａが酸素の透過を抑制する機能を持つことにより、導電体３１０ｂが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。

絶縁体４０１は、下層から水または水素などの不純物がトランジスタに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体４０１は、水または水素などの不純物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が好ましく、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体４０１より上層に拡散するのを抑制することができる。なお、絶縁体４０１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_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２など）、銅原子などの不純物の少なくとも一が透過しにくいことが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料について記載する場合も同様である。

また、絶縁体４０１は、酸素（例えば、酸素原子または酸素分子など）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が好ましい。これにより、絶縁体４０２などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。

また、絶縁体３０３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ことが好ましく、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３０３より下層から水素、水などの不純物が絶縁体３０３より上層に拡散するのを抑制することができる。さらに、絶縁体４０２などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。

また、絶縁体４０２中の水、水素または窒素酸化物などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体４０２の水素の脱離量は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ（ＴｈｅｒｍａｌＤｅｓｏｒｐｔｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））において、５０℃から５００℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体４０２の面積当たりに換算して、２×１０^１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以下、好ましくは１×１０^１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以下、より好ましくは５×１０^１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以下であればよい。また、絶縁体４０２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。

絶縁体４１２は、第１のゲート絶縁膜として機能でき、絶縁体３０２、絶縁体３０３、および絶縁体４０２は、第２のゲート絶縁膜として機能できる。なお、トランジスタ１０００では、絶縁体３０２、絶縁体３０３、および絶縁体４０２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、絶縁体３０２、絶縁体３０３、および絶縁体４０２のうちいずれか２層を積層した構造にしてもよいし、いずれか１層を用いる構造にしてもよい。

酸化物４０６は、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。金属酸化物としては、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。

酸化物半導体は、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、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、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、または複数種が含まれていてもよい。

ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。

なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅ）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（ｍｅｔａｌｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。

ここで、酸化物４０６ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物４０６ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。

以上のような金属酸化物を酸化物４０６ａとして用いて、酸化物４０６ａの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物４０６ｂの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における、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４０６ａの電子親和力が、酸化物４０６ｂの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における電子親和力より小さいことが好ましい。

ここで、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｂにおいて、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、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４０６ａと酸化物４０６ｂとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。

具体的には、酸化物４０６ａと酸化物４０６ｂが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物４０６ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物４０６ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物４０６ｂに形成されるナローギャップ部分となる。酸化物４０６ａと酸化物４０６ｂ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ため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。

また、酸化物４０６は、領域４２６ａ、領域４２６ｂ、および領域４２６ｃを有する。領域４２６ａは、図１（Ｂ）に示すように、領域４２６ｂと領域４２６ｃに挟まれる。領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、絶縁体４０９の成膜により低抵抗化された領域であり、領域４２６ａより導電性が高い領域となる。領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、絶縁体４０９の成膜雰囲気に含まれる、水素または窒素などの不純物元素が添加される。これにより、酸化物４０６ｂの絶縁体４０９と重なる領域を中心に、添加された不純物元素により酸素欠損が形成され、さらに当該不純物元素が酸素欠損に入り込むことで、キャリア密度が高くなり、低抵抗化される。

よって、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、領域４２６ａより、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きくなることが好ましい。水素または窒素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などを用いて測定すればよい。ここで、領域４２６ａの水素または窒素の濃度としては、酸化物４０６ｂの絶縁体４１２と重なる領域の中央近傍（例えば、酸化物４０６ｂの絶縁体４１２のチャネル長方向の両側面からの距離が概略等しい部分）の水素または窒素の濃度を測定すればよい。

なお、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を添加されることで低抵抗化される。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、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。よって、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、上記元素の一つまたは複数を含む構成にすればよい。

図１（Ｂ）に示す領域４２６ａ近傍の拡大図を、図２（Ａ）に示す。図２（Ａ）に示すように、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、酸化物４０６の少なくとも絶縁体４０９と重なる領域に形成される。ここで、酸化物４０６ｂの領域４２６ｂおよび領域４２６ｃの一方は、ソース領域として機能でき、他方はドレイン領域として機能できる。また、酸化物４０６ｂの領域４２６ａはチャネル形成領域として機能できる。

なお、図１（Ｂ）および図２（Ａ）では、領域４２６ａ、領域４２６ｂ、および領域４２６ｃが、酸化物４０６ｂおよび酸化物４０６ａに形成されているが、これらの領域は少なくとも酸化物４０６ｂに形成されていればよい。また、図１（Ｂ）などでは、領域４２６ａと領域４２６ｂの境界、および領域４２６ａと領域４２６ｃの境界を酸化物４０６の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが酸化物４０６ｂの表面近傍では導電体４０４側に張り出し、酸化物４０６ａの下面近傍では、絶縁体４０９側に後退する形状になる場合がある。

トランジスタ１０００では、図２（Ａ）に示すように、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが、酸化物４０６の絶縁体４０９およびサイドウォール絶縁体４１８と重なる領域に形成される。しかし、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。

例えば、図２（Ｂ）に示すように、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが、酸化物４０６の絶縁体４０９、サイドウォール絶縁体４１８、および絶縁体４１２の両端部近傍と重なる領域に形成される構成にしてもよい。このとき、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃの導電体４０４と重なる部分は、所謂オーバーラップ領域（Ｌｏｖ領域ともいう）として機能する。Ｌｏｖ領域を有する構造とすることで、酸化物４０６のチャネル形成領域と、ソース領域およびドレイン領域との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。

また、例えば、図２（Ｃ）に示すように、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが、酸化物４０６の絶縁体４０９と重なる領域に形成される構成にしてもよい。このとき、領域４２６ａの導電体４０４と重ならない部分は、所謂オフセット領域（Ｌｏｆｆ領域ともいう）として機能する。Ｌｏｆｆ領域を有する構造とすることで、酸化物４０６のチャネル形成領域と、ソース領域およびドレイン領域との間に高抵抗領域が形成されるため、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。

このように、領域１２６ｂおよび領域１２６ｃの範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。

絶縁体４１２は、酸化物４０６ｂの上面に接して配置されることが好ましい。絶縁体４１２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。このような絶縁体４１２を酸化物４０６ｂの上面に接して設けることにより、酸化物４０６ｂに効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体４０２と同様に、絶縁体４１２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４１２の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましく、例えば、１ｎｍ程度の膜厚にすればよい。

絶縁体４１２は過剰な酸素を含むことが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析（ＴＤＳ分析）にて、１００℃以上７００℃以下または１００℃以上５００℃以下の表面温度の範囲で、酸素分子の脱離量を絶縁体４１２の面積当たりに換算して、１×１０^１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以上、好ましくは２×１０^１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以上、より好ましくは４×１０^１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以上であればよい。

絶縁体４１２および導電体４０４は、酸化物４０６ｂと重なる領域を有する。また、絶縁体４１２および導電体４０４ａの側面は略一致することが好ましい。

導電体４０４ａとして、導電性酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物４０６ａまたは酸化物４０６ｂとして用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電体４０４ａを設けることで、導電体４０４ｂへの酸素の透過を抑制し、酸化によって導電体４０４ｂの電気抵抗値が増加することを防ぐことができる。

また、このような導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体４１２に酸素を添加し、酸化物４０６ｂに酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物４０６の領域１２６ａの酸素欠損を低減することができる。

導電体４０４ｂは、例えばタングステンなどの金属を用いることができる。また、導電体４０４ｂとして、導電体４０４ａに窒素などの不純物を添加して導電体４０４ａの導電性を向上できる導電体を用いてもよい。例えば導電体４０４ｂは、窒化チタンなどを用いることが好ましい。また、導電体４０４ｂを、窒化チタンなどの金属窒化物と、その上にタングステンなどの金属を積層した構造にしてもよい。

ここで、ゲート電極の機能を有する導電体４０４が、絶縁体４１２を介して、酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面及びチャネル幅方向の側面を覆うように設けられる。従って、ゲート電極としての機能を有する導電体４０４の電界によって、酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面及びチャネル幅方向の側面を電気的に取り囲むことができる。導電体４０４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、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。そのため、酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面及びチャネル幅方向の側面にチャネルを形成することができるので、ソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を大きくすることができる。また、酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面及びチャネル幅方向の側面が、導電体４０４の電界によって取り囲まれていることから、非導通時のリーク電流（オフ電流）を小さくすることができる。

サイドウォール絶縁体４１８は、絶縁体４１２および導電体４０４の側面に接して設けられる。サイドウォール絶縁体４１８は、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。これにより、サイドウォール絶縁体の膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度、例えば１ｎｍで成膜することができる。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものが多い。このため、サイドウォール絶縁体４１８は、炭素などの不純物を含む場合がある。例えば、サイドウォール絶縁体４１８と絶縁体４０１を酸化アルミニウムで成膜しても、サイドウォール絶縁体４１８に含まれる炭素などの不純物が絶縁体４０１より多い場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。

上記の通り、酸化物４０６の領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、絶縁体４０９の成膜で添加された不純物元素によって形成される。トランジスタが微細化され、チャネル長が１０ｎｍ乃至３０ｎｍ程度に形成されている場合、ソース領域またはドレイン領域に含まれる不純物元素が拡散し、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通する恐れがある。これに対して、本実施の形態に示すように、サイドウォール絶縁体４１８を形成することにより、酸化物４０６の絶縁体４０９と接する領域どうしの間の距離を大きくすることができるので、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通することを防ぐことができる。さらに、ＡＬＤ法を用いて、サイドウォール絶縁体４１８を形成することで、微細化されたチャネル長と同程度以下の膜厚にし、必要以上にソース領域とドレイン領域の距離が広がって、抵抗が増大することをふせぐことができる。

また、ＡＬＤ法を用いて、サイドウォール絶縁体４１８の膜厚を調整することにより、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃの範囲を選択することができる。サイドウォール絶縁体４１８の膜厚を厚くすることで、図２（Ａ）などに示すように、導電体４０４と領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが重ならないようにして、オフ電流の低減を図ることができる。また、サイドウォール絶縁体４１８の膜厚を薄くすることで、図２（Ｂ）などに示すように、導電体４０４と領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが重なるようにして、オン電流の増大を図ることができる。

また、サイドウォール絶縁体４１８は、水または水素などの不純物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が好ましく、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４１２中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体４１２の端部などから酸化物４０６に水素、水などの不純物が浸入するのを抑制することができる。

絶縁体４０９は、酸化物４０６および絶縁体４０２を覆って設けられる。また、絶縁体４０９は、サイドウォール絶縁体４１８の側面に接して設けられる。絶縁体４０９は、上述の通り、水素または窒素などの不純物を酸化物４０６に添加して、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃを形成する。このため、絶縁体４０９は、水素および窒素の少なくとも一方を有することが好ましい。

また、絶縁体４０９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ことが好ましい。例えば、絶縁体４０９として、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。このような絶縁体４０９を形成することで、絶縁体４０９を透過して酸素が浸入し、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃの酸素欠損に酸素を供給して、キャリア密度が低下するのを防ぐことができる。また、絶縁体４０９を透過して水または水素などの不純物が浸入し、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが過剰に領域１２６ａ側に拡張するのを防ぐことができる。

絶縁体４０９の上に絶縁体４１０が設けられていることが好ましい。絶縁体４１０、絶縁体４０９、サイドウォール絶縁体４１８、ダミーゲート４０５、および導電体４０４ｂは、同じ工程、例えば、化学的機械研磨（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理をして上面を平坦化するので、これらの最上面は略一致する。また、絶縁体４１０の上に絶縁体４１５を設けることが好ましい。また、絶縁体４１０および絶縁体４１５は、絶縁体４０２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。

さらに、絶縁体４１５の上に絶縁体４２０が設けられていることが好ましい。絶縁体４２０は、上層から水または水素などの不純物がトランジスタなどに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体４２０は、絶縁体３０１と同様に、水、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、例えば酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。

また、絶縁体４２０の上または下に積層して、サイドウォール絶縁体４１８と同様の、ＡＬＤ法を用いて成膜された酸化物絶縁体を設けてもよい。

次に、トランジスタ１０００の構成材料について説明する。

＜基板＞
基板４００としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。

また、基板４００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板４００に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板４００として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板４００が伸縮性を有してもよい。また、基板４００は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板４００は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板４００を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板４００を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板４００上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。

可とう性基板である基板４００としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板４００は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板４００としては、例えば、線膨張率が１×１０^−３／Ｋ以下、５×１０^−５／Ｋ以下、または１×１０^−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板４００として好適である。

＜絶縁体＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。

トランジスタを、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体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば、絶縁体３０３、絶縁体４０１、および絶縁体４２０として、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体を用いればよい。

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体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。

また、例えば、絶縁体３０３、絶縁体４０１、および絶縁体４２０としては、酸化アルミニウム、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、酸化ハフニウ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ればよい。なお、絶縁体３０３、絶縁体４０１、および絶縁体４２０は、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを有することが好ましい。

また、例えば、絶縁体４２０をスパッタリング法によって、酸素を含むプラズマを用いて成膜すると該酸化物の下地層となる絶縁体へ酸素を添加することができる。

絶縁体３０１、絶縁体３０２、絶縁体４０２および絶縁体４１２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体３０１、絶縁体３０２、絶縁体４０２および絶縁体４１２としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは、窒化シリコンを有することが好ましい。

絶縁体３０２、絶縁体３０３、絶縁体４０２、および／または絶縁体４１２は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体３０２、絶縁体３０３、絶縁体４０２、および／または絶縁体４１２は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などを有することが好ましい。または、絶縁体３０２、絶縁体３０３、絶縁体４０２、および／または絶縁体４１２は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。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、比誘電率の高い絶縁体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とすることができる。例えば、絶縁体４０２および絶縁体４１２において、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを酸化物４０６と接する構造とすることで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、酸化物４０６に混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体４０２および絶縁体４１２において、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物４０６と接する構造とすることで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。

絶縁体４１０および絶縁体４１５は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体４１０および絶縁体４１５は、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。または、絶縁体４１０および絶縁体４１５は、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または空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。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、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。

サイドウォール絶縁体４１８としては、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体を用いればよい。サイドウォール絶縁体４１８としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、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ればよい。

＜導電体＞
導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ、導電体３１０ａ、および導電体３１０ｂ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、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。

また、上記導電体、特に導電体４０４ａおよび導電体３１０ａとして、酸化物４０６に適用可能な金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、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、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、酸化物４０６に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。

また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。

なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合は、ゲート電極として前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。

＜酸化物４０６に適用可能な金属酸化物＞
以下に、本発明に係る酸化物４０６について説明する。酸化物４０６として、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。

ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎＭＺｎＯ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スズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。

ここで、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する場合を考える。なお、金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。

以下に、図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）、および図３１（Ｃ）を用いて、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｂに用いることができる金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）、および図３１（Ｃ）には、酸素の原子数比については記載しない。また、金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍ、および亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。

図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）、および図３１（Ｃ）において、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。

また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比（β≧０）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるラインを表す。

また、図３１（Ａ）、図３１（Ｂ）、および図３１（Ｃ）に示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比、およびその近傍値の金属酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。

また、金属酸化物中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。金属酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。

図３１（Ａ）に示す領域Ａは、金属酸化物が有する、インジウム、元素Ｍ、および亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。

金属酸化物は、インジウムの含有率を高くすることで、金属酸化物のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。従って、インジウムの含有率が高い金属酸化物はインジウムの含有率が低い金属酸化物と比較してキャリア移動度が高くなる。

一方、金属酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、およびその近傍値である場合（例えば図３１（Ｃ）に示す領域Ｃ）は、絶縁性が高くなる。

例えば、酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物は、キャリア移動度が高い、図３１（Ａ）の領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。一方、酸化物４０６ａに用いる金属酸化物は、絶縁性が比較的高い、図３１（Ｃ）の領域Ｃで示される原子数比を有することが好ましい。

特に、図３１（Ｂ）に示す領域Ｂでは、領域Ａの中でも、キャリア移動度が高く、信頼性が高い優れた金属酸化物が得られる。

なお、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値を含む。近傍値には、例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。また、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：６、およびその近傍値、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：７、およびその近傍値を含む。

また、金属酸化物として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。なお、成膜される金属酸化物の原子数比は、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。例えば、金属酸化物に用いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の場合、成膜される金属酸化物の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の近傍となる場合がある。また、金属酸化物に用いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：７［原子数比］の場合、成膜される金属酸化物の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６［原子数比］の近傍となる場合がある。

なお、金属酸化物が有する性質は、原子数比によって一義的に定まらない。同じ原子数比であっても、形成条件により、金属酸化物の性質が異なる場合がある。例えば、金属酸化物をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。従って、図示する領域は、金属酸化物が特定の特性を有する傾向がある原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至領域Ｃの境界は厳密ではない。

＜金属酸化物の構成＞
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−ＡｌｉｇｎｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。

なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓａｌｉｇｎｅｄｃｒｙｓｔａｌ）、及びＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−ＡｌｉｇｎｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。

ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。

また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。

また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。

また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。

すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。

＜金属酸化物の構造＞
酸化物半導体は、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（ｃ−ａｘｉｓａｌｉｇｎｅｄｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。

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

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう）を確認することはできない。即ち、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面方向において原子配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。

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

ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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、酸化物半導体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）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。

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

ａ−ｌｉｋｅＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ−ｌｉｋｅＯＳは、鬆または低密度領域を有する。即ち、ａ−ｌｉｋｅＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。

酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。

＜酸化物半導体を有するトランジスタ＞
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。

なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。

また、トランジスタには、酸化物４０６ｂの領域１２６ａにおけるキャリア密度の低いことが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。例えば、酸化物４０６ｂの領域１２６ａにおけるキャリア密度が８×１０^１１／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１１／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１０／ｃｍ^３未満であり、１×１０^−９／ｃｍ^３以上とすればよい。

また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。

また、酸化物半導体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酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。

従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物４０６ｂの領域１２６ａ中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物４０６ｂの領域１２６ａ中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。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。

＜不純物＞
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。

酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物４０６ｂの領域１２６ａにおけるシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳにより得られる濃度）を、２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

また、酸化物半導体にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が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。このため、酸化物４０６ｂの領域１２６ａにおいて、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる酸化物４０６ｂの領域１２６ａ中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にする。

また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、酸化物４０６ｂの領域１２６ａに窒素が含まれているトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、酸化物４０６ｂの領域１２６ａにおいて、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物４０６ｂの領域１２６ａ中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

また、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、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。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ことがある。従って、酸化物４０６ｂの領域１２６ａに水素が多く含まれているトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物４０６ｂの領域１２６ａ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、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。

酸化物４０６ｂの領域１２６ａ中の不純物を十分に低減することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。

＜半導体装置の作製方法＞
次に、本発明に係るトランジスタ１０００を有する半導体装置の作製方法を図１および図３から図１２を用いて説明する。また、図１および図３から図１０において、各図の（Ａ）は、上面図である。各図の（Ｂ）は各図の（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図である。また、各図の（Ｃ）は、各図の（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図である。

まず、基板４００を準備する。

次に、絶縁体４０１を成膜する。絶縁体４０１の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：ＰｕｌｓｅｄＬａｓｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：ＴｈｅｒｍａｌＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（ＰｈｏｔｏＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：ＭｅｔａｌＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣＶＤ）法に分けることができる。

プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。

また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ＡＬＤ法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。

ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。

ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。

絶縁体４０１は、多層構造としてもよい。例えばスパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上にＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。

次に絶縁体４０１上に絶縁体３０１を成膜する。絶縁体３０１の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

次に、絶縁体３０１に絶縁体４０１に達する溝を形成する。溝とは、たとえば穴や開口部なども含まれる。溝の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体４０１は、絶縁体３０１をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体３０１に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体４０１は窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。

本実施の形態では、絶縁体４０１として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体３０１として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。

溝の形成後に、導電体３１０ａとなる導電体を成膜する。導電体３１０ａとなる導電体は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体３１０となる導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

本実施の形態では、導電体３１０ａとなる導電体として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。

次に、導電体３１０ａとなる導電体上に、導電体３１０ｂとなる導電体を成膜する。導電体３１０ｂとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

本実施の形態では、導電体３１０ｂとなる導電体として、ＣＶＤ法によって窒化チタンを成膜し、該窒化チタン上にＣＶＤ法によってタングステンを成膜する。

次に、ＣＭＰ処理を行うことで、絶縁体３０１上の導電体３１０ａとなる導電体および導電体３１０ｂとなる導電体を除去する。その結果、溝部のみに、導電体３１０ａとなる導電体および導電体３１０ｂとなる導電体が残存することで上面が平坦な導電体３１０ａおよび導電体３１０ｂを含む導電体３１０を形成することができる。

次に、絶縁体３０１上および導電体３１０上に絶縁体３０２を成膜する。絶縁体３０２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

次に、絶縁体３０２上に絶縁体３０３を成膜する。絶縁体３０３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

次に、絶縁体３０３上に絶縁体４０２を成膜する。絶縁体４０２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

次に、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。第１の加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。第１の加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、第１の加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理によって、絶縁体４０２に含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。または、第１の加熱処理において、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁体４０２内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。尚、第１の加熱処理は行わなくても良い場合がある。

また、該加熱処理は、絶縁体３０２成膜後、絶縁体３０３の成膜後および絶縁体４０２の成膜後それぞれに行うこともできる。該加熱処理は、第１の加熱処理条件を用いることができるが、絶縁体３０２成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。

本実施の形態では、第１の加熱処理として、絶縁体４０２成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行なった後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。

次に、絶縁体４０２上に酸化膜４０６ａＡと酸化膜４０６ｂＡを順に成膜する（図３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。なお、酸化膜４０６ａＡと酸化膜４０６ｂＡは、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。この様に成膜することで、酸化膜４０６ａＡ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜４０６ａＡと、酸化膜４０６ｂＡ、との界面近傍を清浄に保つことができる。

酸化膜４０６ａＡと酸化膜４０６ｂＡの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

例えば、酸化膜４０６ａＡと酸化膜４０６ｂＡの成膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、酸化膜４０６ａＡと酸化膜４０６ｂＡの成膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。

特に、酸化膜４０６ａＡの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体４０２に供給される場合がある。

なお、酸化膜４０６ａＡのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。

続いて、酸化膜４０６ｂＡをスパッタリング法で形成する。この時、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。

酸化膜４０６ｂＡに酸素欠乏型の酸化物半導体を用いる場合は、酸化膜４０６ａＡに過剰酸素を含む酸化膜を用いることが好ましい。また、酸化膜４０６ｂＡの成膜後に酸素ドープ処理を行ってもよい。

本実施の形態では、酸化膜４０６ａＡとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜し、酸化膜４０６ｂＡとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。

次に、第２の加熱処理を行ってもよい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理条件を用いることができる。第２の加熱処理によって、酸化膜４０６ａＡおよび酸化膜４０６ｂＡ中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行なった後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。

次に、酸化膜４０６ａＡおよび酸化膜４０６ｂＡを島状に加工して、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｂを形成する（図４（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。ここで、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｂは、少なくとも一部が導電体３１０と重なるように形成する。酸化膜４０６ａＡおよび酸化膜４０６ｂＡの加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。該加工においては、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｂの断面形状がテーパー形状を有することが好ましい。該テーパー角度は、基板底面と平行な面に対して、３０度以上７５度未満、好ましくは３０度以上７０度未満とする。このようなテーパー角度を有することによって、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。また、該加工はドライエッチング法を用いることが好ましい。ドライエッチング法による加工は微細加工および上述のテーパー形状の加工に適している。

なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。

ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：ＣａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。

これまでのドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｂなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。

上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理または、熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。

ウェット洗浄としては、シュウ酸、リン酸またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。

次に、第３の加熱処理を行っても良い。加熱処理の条件は、上述の第１の加熱処理の条件を用いることができる。なお、第３の加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本実施の形態では、第３の加熱処理は行わない。

次に、絶縁体４０２および酸化物４０６の上に、絶縁膜４１２Ａ、ダミーゲート膜４０５Ａを、順に成膜する（図５（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。

絶縁膜４１２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

ここで、第４の加熱処理を行うことができる。加熱処理は、第１の加熱処理条件を用いることができる。該加熱処理によって、絶縁膜４１２Ａ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。なお、第４の加熱処理は行わなくてもよい場合がある。

ダミーゲート膜４０５Ａは、加工してダミーゲートとして使用する。ダミーゲートとは、仮のゲート電極のことである。つまり、ダミーゲート膜４０５Ａを加工することで、仮のゲート電極を形成し、後の工程において該ダミーゲートを除去し、代わりに導電膜等によるゲート電極を形成する。従って、ダミーゲート膜４０５Ａは微細加工が容易であり、かつ、除去も容易な膜を用いることが好ましい。

ダミーゲート膜４０５Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。または、塗布法を用いて、樹脂膜を形成しても良い。例えば、フォトレジスト、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。樹脂膜を塗布法によって形成することで、ダミーゲート膜４０５Ａの表面を平坦にすることができる。このように、ダミーゲート膜４０５Ａの表面を平坦にすることで、微細加工が容易となり、さらに、除去も容易である。

また、ダミーゲート膜４０５Ａは、異なる膜種を用いて多層膜とすることもできる。例えば、ダミーゲート膜４０５Ａを導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造の膜とすることができる。ダミーゲート膜をこのような構造とすることで、例えば、後のＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、ＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、加工ばらつきの低減が可能となる場合がある。

次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜４１２Ａおよびダミーゲート膜４０５Ａをエッチングし、絶縁体４１２およびダミーゲート層４０５Ｂを形成する（図６（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。絶縁体４１２およびダミーゲート層４０５Ｂは、少なくとも一部が、導電体３１０および酸化物４０６を重なるように形成する。

ここで、リソグラフィー法によって、絶縁膜４１２Ａのエッチングは行わずに、ダミーゲート膜４０５Ａのみをエッチングしてもよい。これにより、酸化物４０６全体を絶縁体４１２で覆われた構造とすることができる。このように作製するトランジスタ１０００ｄを有する半導体装置の完成図を図３３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示す。

ここで、絶縁体４１２およびダミーゲート層４０５Ｂの断面形状が、可能な限りテーパー形状を有しないことが好ましい。これにより、後の工程でサイドウォール絶縁体４１８を形成する際、サイドウォール絶縁体４１８を残存させやすくなる。

また、該エッチングにより、酸化物４０６ｂの絶縁体４１２と重ならない領域の上部がエッチングされる場合がある。この場合、酸化物４０６ｂの絶縁体４１２と重なる領域の膜厚が、絶縁体４１２と重ならない領域の膜厚より厚くなる。

次に、絶縁体４０２、酸化物４０６、絶縁体４１２、ダミーゲート層４０５Ｂを覆って、ＡＬＤ法を用いて、絶縁膜４１８Ａを成膜する（図７（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。絶縁膜４１８Ａを、ＡＬＤ法を用いて成膜することで、膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度、例えば１ｎｍ程度にすることができる。さらに、絶縁体４１２およびダミーゲート層４０５Ｂからなる構造体のアスペクト比が非常に大きくても、該構造体の上面および側面に、ピンホールが少なく、かつ膜厚が均一に成膜することができる。本実施の形態では、絶縁膜４１８Ａとして、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する。

次に、絶縁膜４１８Ａに異方性のエッチング処理を行って、絶縁体４１２およびダミーゲート層４０５Ｂの側面に接して、サイドウォール絶縁体４１８Ｂを形成する（図８（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板４００に略平行な面に成膜された絶縁膜４１８Ａを除去して、サイドウォール絶縁体４１８Ｂを自己整合的に形成することができる。

また、リソグラフィー法によって、レジストマスクをエッチングマスクとして用いて、絶縁膜４１８Ａの加工を行ってもよい。絶縁膜４１８Ａのエッチングには、ウェットエッチングやドライエッチングを用いることができる。絶縁膜４１８Ａのエッチングは、下地となる酸化物４０６がエッチングされにくい条件で行われることが好ましい。例えば、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍｈｙｄｒｏｘｉｄｅ：ＴＭＡＨ）を用いて絶縁膜４１８Ａのエッチングを行うことができる。

ここで、ダミーゲート層４０５Ｂの膜厚を酸化物４０６の膜厚より厚くし、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下にしておくことで、該エッチング処理でサイドウォール絶縁体４１８Ｂの上部が除去されても、サイドウォール絶縁体４１８Ｂの絶縁体４１２およびダミーゲート層４０４Ｂと接する部分は残存させることができる。さらに、酸化物４０６の端部をテーパー形状とすることにより、酸化物４０６の側面に接して成膜された絶縁膜４１８Ａを除去するための時間が短縮され、より容易にサイドウォール絶縁体４１８Ｂを形成することができる。

また、酸化物４０６の側面に接してサイドウォール絶縁体が残存する場合もある。当該サイドウォール絶縁体を酸化物４０６の側面に接して設けることで、酸化物４０６に混入する水または水素などの不純物を低減し、酸化物４０６から酸素が外方拡散するのを防ぐことができる場合がある。

次に、絶縁体４０２、酸化物４０６、サイドウォール絶縁体４１８Ｂ、およびダミーゲート層４０５Ｂを覆って、絶縁膜４０９Ａを成膜する（図９（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。絶縁膜４０９Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができ、例えば、ＰＥＣＶＤ法を用いることが好ましい。

絶縁膜４０９Ａの成膜は、窒素または水素の少なくとも一方を含む雰囲気で行うことが好ましい。このような雰囲気で成膜を行うことで、酸化物４０６ｂの絶縁体４１２と重ならない領域を中心に、酸素欠損を形成し、当該酸素欠損と窒素または水素などの不純物元素を結合させて、キャリア密度を高くすることができる。このようにして、低抵抗化された、領域４２６ｂ及び領域４２６ｃを形成することができる。絶縁膜４０９Ａとして、例えばＣＶＤ法を用いて、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコンを用いることができる。本実施の形態では、絶縁膜４０９Ａとして、窒化酸化シリコンを用いる。

このように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法では、チャネル長が１０ｎｍから３０ｎｍ程度に微細化されたトランジスタでも、絶縁膜４０９Ａの成膜により、ソース領域およびドレイン領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。

また、絶縁膜４０９Ａを成膜する前にプラズマ処理を行ってもよい。当該プラズマ処理は、例えば、上述の酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を含む雰囲気で行えばよい。

なお、プラズマ処理のみで酸化物４０６に領域４２６ｂおよび領域４２６を形成する構成にしてもよい。ただし、酸化物４０６に領域４２６ｂおよび領域４２６ｃを形成した後で、絶縁体４０９などと同様の、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が好ましい。領域４２６ｂおよび領域４２６ｃの上にこのような絶縁体を設けることにより、水または水素などの不純物、や酸素が領域４２６ｂおよび領域４２６ｃに侵入して、キャリア密度が変化することを防ぐことができる。

次に、絶縁膜４０９Ａの上に、絶縁体４１０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体４１０となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

次に、絶縁体４１０となる絶縁膜、ダミーゲート層４０５Ｂ、サイドウォール絶縁体４１８Ｂ、および絶縁膜４０９Ａの一部を除去し、絶縁体４１０、ダミーゲート４０５、サイドウォール絶縁体４１８、および絶縁体４０９を形成する（図１０（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。絶縁体４１０、ダミーゲート４０５、サイドウォール絶縁体４１８、および絶縁体４０９の形成にはＣＭＰ処理を用いることが好ましい。

また、上述のようにダミーゲート膜４０５Ａを、例えば、導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造の膜とすることで、ＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、該導電膜がＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、ダミーゲート４０５の高さのばらつきの低減が可能となる場合がある。図１０（Ｂ）（Ｃ）に示すように、ダミーゲート４０５の最上面と、サイドウォール絶縁体４１８、絶縁体４０９および絶縁体４１０の最上面が略一致する。

次に、ダミーゲート４０５を除去する。ダミーゲート４０５の除去は、ウェットエッチング、ドライエッチング、またはアッシングなどを用いて行うことができる。または、適宜、上記の処理を複数組み合わせて行ってもよい。例えば、アッシング処理の後に、ウェットエッチング処理を行うなどがある。ダミーゲート４０５を除去することにより、絶縁体４１２の表面が露出する（図１１（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。

次に、絶縁体４１２の表面が露出しているところから、酸素を絶縁体４１２へ注入する処理を行う。酸素を注入する処理としては、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理、イオン注入装置を用いて酸素イオンを注入する処理などがある。例えば、高密度プラズマ源を有する装置を用いて、酸素を含むガスによるプラズマを照射することによって、酸素を絶縁体４１２へ注入することができる。または、イオン注入装置を用いて酸素イオンを絶縁体４１２へ注入することができる。以上のような方法によって絶縁体４１２に酸素を添加し、酸化物４０６ｂに酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物４０６の領域１２６ａの酸素欠損を低減することができる（図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。

または、導電性酸化物４０７を成膜することでも酸素を絶縁体４１２へ注入することができる。例えば、酸化物４０６ａまたは酸化物４０６ｂとして用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電性酸化物４０７を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体４１２に酸素を添加し、酸化物４０６ｂに酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物４０６の領域１２６ａの酸素欠損を低減することができる（図１３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。

本実施の形態では、高密度プラズマ源を有する装置を用いて、酸素を含むガスによるプラズマを照射することによって、酸素を絶縁体４１２へ注入する。絶縁体４１２に酸素を入れることでソース領域またはドレイン領域としての機能を有する領域４２６ｂまたは領域４２６ｃから、チャネル形成領域を有する領域４２６ａへ酸素欠損が拡散してきた場合でも、直ちに消失させることができる。したがって、実効チャネル長が短くなることを抑制できる。即ち、チャネル長が極短い場合でもオンオフの取れた、良好な電気特性のトランジスタを作製することができる。

次に、導電体４０４ａＡおよび導電体４０４ｂＡを成膜する。導電体４０４ａＡおよび導電体４０４ｂＡの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、ＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電体４０４ａＡを成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電体４０４ｂＡを成膜する（図１４（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。

次に、ＣＭＰ処理によって、導電体４０４ａＡおよび導電体４０４ｂＡを絶縁体４１０が露出するまで研磨することによって、導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂを有する導電体４０４を形成する（図１５（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。

ここで、第５の加熱処理を行うことができる。加熱処理は、第１の加熱処理条件を用いることができる。なお、第５の加熱処理は行わなくてもよい場合がある。

次に、絶縁体４１５を成膜する。絶縁体４１５の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。または、スピンコート法、ディップ法、液滴吐出法（インクジェット法など）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷など）、ドクターナイフ法、ロールコーター法またはカーテンコーター法などを用いて行うことができる。

なお、絶縁体４１５を成膜する前に絶縁体４２５を成膜してもよい。絶縁体４２５の成膜は、金属酸化物を用いることが好ましく、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体４２５としては、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ことが好ましく、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。

このような絶縁体４２５を設けることにより、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体４２５とサイドウォール絶縁体４１８で導電体４０４の上面と側面を覆うことができる。これにより、導電体４０４の酸化に周囲の過剰酸素が用いられることを防ぐことができる。このように、サイドウォール絶縁体４１８と絶縁体４２５はゲートを保護するゲートキャップとしての機能を有する。例えば、酸化アルミニウムを用いることができる。酸化アルミニウムを用いることで、導電体４０４の酸化を防ぐことができて好ましい（図１７（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）参照。）。

次に、絶縁体４１５上に、絶縁体４２０を成膜する。絶縁体４２０の成膜は、金属酸化物を用いることが好ましく、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

絶縁体４２０としては、酸素プラズマを用いたスパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜することで、酸素を絶縁体４１０に添加することができる。添加された酸素は絶縁体４１０中で過剰酸素となる。

絶縁体４２０は、多層構造としてもよい。例えばスパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上にＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。

ここで、第６の加熱処理を行うことができる。加熱処理は、第１の加熱処理条件を用いることができる。なお、第６の加熱処理は行わなくてもよい場合がある。

以上により、トランジスタ１０００を有する半導体装置を作製することができる（図１参照。）。

上記の半導体装置の作製方法においては、酸化物４０６に接して絶縁膜４０９Ａを成膜することにより、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃを形成したが、本実施の形態に係る半導体装置の作製方法はこれに限られるものではない。例えば、図１６（Ａ）に示すように、ドーパントを添加することで、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃを形成してもよい。

図１６（Ａ）に示す工程は、図８に示すサイドウォール絶縁体４１８Ｂの形成の次に行う。図１６（Ａ）に示すように、絶縁体４１２、ダミーゲート層４０５Ｂ、およびサイドウォール絶縁体４１８Ｂをマスクとして、酸化物４０６にドーパント４２２を添加する。

ドーパント４２２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。質量分離を行う場合、添加するイオン種およびその濃度を厳密に制御することができる。一方、質量分離を行わない場合、短時間で高濃度のイオンを添加することができる。また、原子または分子のクラスターを生成してイオン化するイオンドーピング法を用いてもよい。なお、ドーパントを、イオン、ドナー、アクセプター、不純物または元素などと言い換えてもよい。

ドーパント４２２としては、上述の酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素などを用いればよい。

また、図１６（Ａ）では、ドーパント４２２を基板４００の上面に略垂直に添加しているが、これに限られず、ドーパント４２２の添加を基板４００の上面に対して傾斜させて行ってもよい。

このようにして、酸化物４０６に領域４２６ｂおよび領域４２６ｃを形成した後で、絶縁体４０９などと同様の、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が好ましい。領域４２６ｂおよび領域４２６ｃの上にこのような絶縁体を設けることにより、水または水素などの不純物、や酸素が領域４２６ｂおよび領域４２６ｃに混入して、キャリア密度が変化することを防ぐことができる。

また、図９に示す絶縁膜４０９Ａの成膜を行った後で、図１６（Ｂ）に示すように、さらにドーパント４２２を添加する構成にしてもよい。
＜変形例＞
本実施の形態に示す半導体装置は図１に示すものに限られるものではない。以下では、図１８乃至図２１および図３２を用いて、本実施の形態に示すトランジスタの変形例について説明する。

まず、図１８に示すトランジスタ１０００ａについて説明する。図１８（Ａ）は、トランジスタ１０００ａを有する半導体装置の上面図である。また、図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ１０００ａのチャネル長方向の断面図でもある。また、図１８（Ｃ）は、図１８（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ１０００ａのチャネル幅方向の断面図でもある。図１８（Ａ）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。以下、図１８乃至図２１についても同様に、上面図および断面図を示す。

トランジスタ１０００ａは、酸化物４０６ｂの上に酸化物４０６ｃが配置されている点において、トランジスタ１０００と異なる。その他の構成については、トランジスタ１０００の記載を参酌することができる。酸化物４０６ｃの上に絶縁体４１２が配置され、酸化物４０６ｃの側面はサイドウォール絶縁体４１８に接する。酸化物４０６ｃは、絶縁体４１２および導電体４０４と重ねて形成されており、酸化物４０６ｃの側面は、絶縁体４１２および導電体４０４の側面と略一致する。ここで、絶縁体４０９は、酸化物４０６ｂの上面に接しており、酸化物４０６ｃとは接しない。なお、以下において、酸化物４０６ａと酸化物４０６ｂと酸化物４０６ｃをまとめて酸化物４０６という場合がある。

酸化物４０６ｃは、酸化物４０６ａまたは酸化物４０６ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。

酸化物４０６ｃとして酸化物４０６ａに用いることができる金属酸化物を用いる場合、酸化物４０６ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物４０６ｂの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における、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４０６ｃの電子親和力が、酸化物４０６ｂの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における電子親和力より小さいことが好ましい。

ここで、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ及び酸化物４０６ｃにおいて、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、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４０６ａと酸化物４０６ｂとの界面、または酸化物４０６ｂと酸化物４０６ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。

具体的には、酸化物４０６ａと酸化物４０６ｂ、酸化物４０６ｂと酸化物４０６ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物４０６ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物４０６ｂに形成されるナローギャップ部分となる。酸化物４０６ａと酸化物４０６ｂとの界面、および酸化物４０６ｂと酸化物４０６ｃ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ため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。

トランジスタ１０００ａを作製する場合、図５に示す絶縁膜４１２Ａを成膜する工程の前に、酸化物４０６ｃとなる酸化膜を成膜すればよい。以降の工程では、該酸化膜を絶縁膜４１２Ａと同様にパターン形成していけばよい。

次に、図１９（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）に示すトランジスタ１０００ｂについて説明する。トランジスタ１０００ｂは、酸化物４０６ｂの上に酸化物４０６ｃが配置されている点において、トランジスタ１０００と異なる。その他の構成については、トランジスタ１０００の記載を参酌することができる。酸化物４０６ｃの下に酸化物４０６ｂが配置され、酸化物４０６ｃの側面は酸化物４０６ｂの側面と略一致する。酸化物４０６ｃは、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｂと重ねて形成されている。ここで、絶縁体４０９は、酸化物４０６ｃの上面に接しているため、酸化物４０６ｃも酸化物４０６ｂと同様に領域４２６ａ、領域４２６ｂ、および領域４２６ｃが形成される。なお、以下において、酸化物４０６ａと酸化物４０６ｂと酸化物４０６ｃをまとめて酸化物４０６という場合がある。

トランジスタ１０００ａと同様に、トランジスタ１０００ｂの酸化物４０６ｃは、酸化物４０６ａまたは酸化物４０６ｂ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。

トランジスタ１０００ｂを作製する場合、図３に示す酸化膜４０６ｂＡを成膜する工程の後で、酸化物４０６ｃとなる酸化膜を成膜すればよい。以降の工程では、該酸化膜を酸化膜４０６ｂＡと同様にパターン形成していけばよい。

次に、図３２（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）に示すトランジスタ１０００ｃについて説明する。トランジスタ１０００ｃは、サイドウォール絶縁体４１８が無い構造である。トランジスタ１０００ｃは、トランジスタ１０００の作製方法にて、ダミーゲート層４０５Ｂを形成した後に、絶縁膜４１８Ａの成膜およびサイドウォール絶縁体４１８の形成を行わないことで作製することができる。

次に、図２０（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）に示すトランジスタ２０００について説明する。トランジスタ２０００は、上記のトランジスタ１０００、トランジスタ１０００ａ、トランジスタ１０００ｂ、およびトランジスタ１０００ｃなどと並行して作製することができるトランジスタである。特にトランジスタ１０００ａと並行してトランジスタ２０００を作製する場合、余計な工程を増やすことなく、作製することができる。

トランジスタ２０００は、基板４００の上に配置された絶縁体４０１と、絶縁体４０１の上に配置された絶縁体３０１と、絶縁体３０１の開口に埋め込まれた導電体３１０ａおよび導電体３１０ｂと、絶縁体３０１および導電体３１０の上に配置された絶縁体３０２と、絶縁体３０２の上に配置された絶縁体３０３と、絶縁体３０３の上に配置された絶縁体４０２と、絶縁体４０２の上に互いに離間して配置された酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ａ２と、酸化物４０６ａ１の上面に接して配置された酸化物４０６ｂ１と、酸化物４０６ａ２の上面に接して配置された酸化物４０６ｂ２と、絶縁体４０２の上面、酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ａ２の側面、並びに酸化物４０６ｂ１および酸化物４０６ｂ２の側面と上面に接して配置された酸化物４０６ｃと、酸化物４０６ｃの上に配置された絶縁体４１２と、絶縁体４１２の上に配置された導電体４０４ａと、導電体４０４ａの上に配置された導電体４０４ｂと、酸化物４０６ｃ、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、および導電体４０４ｂの側面に接して配置されたサイドウォール絶縁体４１８と、酸化物４０６ｂ１および酸化物４０６ｂ２の上面と側面に接し、かつサイドウォール絶縁体４１８の側面に接して配置された絶縁体４０９と、を有する。

図２０（Ｂ）に示すように、酸化物４０６ｃ、絶縁体４１２、導電体４０４の一部は、酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ａ２、または酸化物４０６ｂ１および酸化物４０６ｂ２に重なる。

また、絶縁体４０９の上に絶縁体４１０を配置し、絶縁体４１０の上に絶縁体４１５を配置し、絶縁体４１５の上に絶縁体４２０を配置することが好ましい。

なお、トランジスタ１０００ａと同一の符号を付した構成については、トランジスタ１０００ａの記載を参酌することができる。

酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ａ２、ならびに酸化物４０６ｂ１および酸化物４０６ｂ２は、それぞれ、トランジスタ１０００ａの酸化物４０６ａ、および酸化物４０６ｂと同様の材料を用いて形成することができる。酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ｂ１と、酸化物４０６ａ２および酸化物４０６ｂ２は、導電体３１０、酸化物４０６ｃ、絶縁体４１２、および導電体４０４を挟んで対向して形成される。

酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ｂ１、ならびに酸化物４０６ａ２および酸化物４０６ｂ２は、絶縁体４０９と重なる領域を有し、該領域およびその近傍は、トランジスタ１０００ａの領域４２６ｂおよび領域４２６ｃと同様に、低抵抗化されている。よって、酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ｂ１、または酸化物４０６ａ２および酸化物４０６ｂ２は、トランジスタ２０００のソース領域またはドレイン領域のいずれかとして機能できる。

トランジスタ２０００の酸化物４０６ｃは、トランジスタ１０００ａの酸化物４０６ｃと同様の材料を用いて形成することができる。酸化物４０６ｃの、酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ａ２と、酸化物４０６ｂ１および酸化物４０６ｂ２に挟まれる領域は、チャネル形成領域として機能する。

トランジスタ２０００の活性層として機能する酸化物４０６ｃは、トランジスタ１０００ａの酸化物４０６ｃなどと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ２０００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、Ｉｃｕｔを非常に小さくすることができる。ここで、Ｉｃｕｔとは、バックゲート電圧及びトップゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流のことを指す。

トランジスタ２０００は、トランジスタ１０００ａなどのバックゲート電圧を制御することができる。例えば、トランジスタ２０００のトップゲート及びバックゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ２０００のソースとトランジスタ１０００ａのバックゲートを接続する構成とする。この構成でトランジスタ１０００ａのバックゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ２０００のトップゲート−ソース間の電圧、およびバックゲート−ソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ２０００のＩｃｕｔは非常に小さいので、この構成とすることにより、トランジスタ１０００ａおよびトランジスタ２０００に電源供給をしなくてもトランジスタ１０００ａのバックゲートの負電位を長時間維持することができる。

次に、図２１（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）に示すトランジスタ２０００ａについて説明する。トランジスタ２０００ａは、導電体３１０と同じ層に導電体３０８および導電体３０９が配置されており、絶縁体３０２、絶縁体３０３、および絶縁体４０２に形成された開口を介して酸化物４０６ｃが導電体３０８および導電体３０９と接しており、酸化物４０６ａ１、酸化物４０６ａ２、酸化物４０６ｂ１、および酸化物４０６ｂ２、が設けられていない点において、トランジスタ２０００と異なる。その他の構成については、トランジスタ２０００の記載を参酌することができる。

導電体３０８および導電体３０９は、導電体３１０を挟んで対向して設けられる。導電体３０８または導電体３０９は、ソース電極又はドレイン電極のいずれかとして機能できる。

導電体３０８は、導電体３１０と同様に、絶縁体３０１の開口の内壁に接して導電体３０８ａが形成され、さらに内側に導電体３０８ｂが形成されている。また、導電体３０９も、導電体３１０および導電体３０８と同様に、導電体３０９ａおよび導電体３０９ｂが形成されている。酸化物４０６ｃは、導電体３０８ｂおよび導電体３０９ｂと接することが好ましい。導電体３０８ａおよび導電体３０９ａは、導電体３１０ａと同様の導電体を用いることができ、導電体３０８ｂおよび導電体３０９ｂは、導電体３１０ｂと同様の導電体を用いることができる。

トランジスタ２０００ａの活性層として機能する酸化物４０６ｃは、トランジスタ１０００ａの酸化物４０６ｃなどと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ２０００ａのしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、Ｉｃｕｔを非常に小さくすることができる。

トランジスタ２０００ａは、トランジスタ２０００と同様に、トランジスタ１０００ａなどのバックゲート電圧を制御することができる。例えば、トランジスタ２０００ａのトップゲート及びバックゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ２０００ａのソースとトランジスタ１０００ａのバックゲートを接続する構成とする。この構成でトランジスタ１０００ａのバックゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ２０００ａのトップゲート−ソース間の電圧、およびバックゲート−ソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ２０００ａのＩｃｕｔは非常に小さいので、この構成とすることにより、トランジスタ１０００ａおよびトランジスタ２０００ａに電源供給をしなくてもトランジスタ１０００ａのバックゲートの負電位を長時間維持することができる。

また、トランジスタ２０００ａは、トランジスタ２０００と同様に、トランジスタ１０００ａとほぼ並行して作製することができるトランジスタである。

以上のように、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。または、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。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、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。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、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、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図２２乃至図２７を用いて説明する。

［記憶装置１］
図２２および図２３に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。

トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタであり、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ２００の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に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可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。

図２２および図２３に示すにおいて、配線３００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線３００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線３００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線３００４はトランジスタ２００の第１のゲートと電気的に接続され、配線３００６はトランジスタ２００の第２のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線３００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。

図２２および図２３に示す半導体装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＦＧに電荷が保持される（保持）。

トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＦＧの電荷は長期間にわたって保持される。

次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖ_ｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖ_ｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶ_ｔｈ＿ＨとＶ_ｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ_０とすることにより、ノードＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ_０（＞Ｖ_ｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ_０（＜Ｖ_ｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。

＜半導体装置１の構造＞
本発明の一態様の半導体装置は、図２２に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。

トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。

トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。

半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。

低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。

ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。

なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。

なお、図２２に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。

トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。

絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。

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

また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００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、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ）などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下、好ましくは５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下であればよい。

なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２４の比誘電率は、絶縁体３２６の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。

また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能を有する。また、プラグまたは配線として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、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。

各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。

絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２２において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。

なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。

絶縁体３５４、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２２において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。

絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２２において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

なお、例えば、絶縁体３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３７６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３７０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。

絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２２において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

なお、例えば、絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３８６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３８０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。

絶縁体３８４上には絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６が、順に積層して設けられている。絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。

例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００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。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００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、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００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２００に対する保護膜として用いることに適している。

また、例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、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２１２、および絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。

また、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

特に、絶縁体２１０、および絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、完全により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。

絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。なお、トランジスタ２００としては、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。例えば、トランジスタ２００としては、トランジスタ１０００、トランジスタ１０００ａ、およびトランジスタ１０００ｂなどを用いることができる。図２２では、トランジスタ２００としてトランジスタ１０００ａを用いる例を示している。また、図２２に示すトランジスタ２００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。

トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０を設ける。絶縁体２８０には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ２００に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ２００近傍の層間膜などに、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ２００が有する酸化物２３０の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。また、トランジスタ２００を覆う絶縁体２８０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。なお、絶縁体２８０は、トランジスタ２００の上部に形成される絶縁体２８１と絶縁体２２５に接して設けられる。

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。

例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。

絶縁体２８０上には、絶縁体２８２が設けられている。絶縁体２８２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。従って、絶縁体２８２には、絶縁体２１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体２８２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。

なお、トランジスタ２００としてトランジスタ１０００ａを設ける場合、絶縁体２１４は絶縁体３０１に、導電体２１８は導電体３１０に、絶縁体２１６は絶縁体３０１に、絶縁体２２０は絶縁体３０２に、絶縁体２２２は絶縁体３０３に、絶縁体２２４は絶縁体４０２に、絶縁体２２５は絶縁体４０９に、絶縁体２８１は絶縁体４１０に、絶縁体２８０は絶縁体４１５に、絶縁体２８２は絶縁体４２０に対応する。よって、先の実施の形態に示す、対応する構成の記載を参酌することができる。

また、絶縁体２８２上には、絶縁体２８６が設けられている。絶縁体２８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、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２８６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。

また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２８０絶縁体２８２、および絶縁体２８６には、導電体２４６、および導電体２４８等が埋め込まれている。

導電体２４６、および導電体２４８は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体２４６、および導電体２４８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

続いて、トランジスタ２００の上方には、容量素子１００が設けられている。容量素子１００は、導電体１１０と、導電体１２０、および絶縁体１３０とを有する。

また、導電体２４６、および導電体２４８上に、導電体１１２を設けてもよい。導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体１１０は、容量素子１００の電極として機能を有する。なお、導電体１１２、および導電体１１０は、同時に形成することができる。

導電体１１２、および導電体１１０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、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。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。

図２２では、導電体１１２、および導電体１１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。

また、導電体１１２、および導電体１１０上に、容量素子１００の誘電体として、絶縁体１３０を設ける。絶縁体１３０は、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、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。

例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子１００は、絶縁体１３０を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。

絶縁体１３０上に、導電体１１０と重畳するように、導電体１２０を設ける。なお、導電体１２０は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。

導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。絶縁体１５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体１５０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。

以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、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共に、信頼性を向上させることができる。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、消費電力を低減することができる。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。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。

＜記憶装置１の変形例１＞
また、本実施の形態の変形例の一例を、図２３に示す。図２３は、図２２と、トランジスタ３００の構成が異なる。

図９に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。

以上が変形例についての説明である。本構成を用いることで、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共に、信頼性を向上させることができる。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、消費電力を低減することができる。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。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。

＜記憶装置１の変形例２＞
また、本実施の形態の変形例の一例を、図２４に示す。図２４は、図２３と、容量素子１００の構成が異なる。

図２４に示す記憶装置では、絶縁体２８６の上に絶縁体２８７が設けられ、導電体１１２が絶縁体２８７に埋め込まれ、絶縁体２８７の上に絶縁体１５５が設けられ、絶縁体１５５に形成された複数の開口に導電体１１０が設けられ、導電体１１０の上に絶縁体１３０が設けられ、絶縁体１３０の上に、導電体１１０と重なるように導電体１２０が設けられる。また、トランジスタ２００と電気的に接続される導電体２４８と、トランジスタ３００と電気的に接続される導電体２４８と、を接続するように導電体１１２を設け、当該導電体１１２に接して導電体１１０を設ければよい。また、絶縁体２８７、絶縁体１５５は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。

図２４に示す容量素子１００において、絶縁体１５５に形成された開口の中で、導電体１１０と、絶縁体１３０と、導電体１２０が重なるので、導電体１１０、絶縁体１３０、および導電体１２０は被覆性の良好な膜にすることが好ましい。このため、導電体１１０、絶縁体１３０、および導電体１２０は、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法などの良好な段差被覆性を有する成膜方法を用いて成膜することが好ましい。

容量素子１００は、絶縁体１５５に設けられた開口の形状に沿って形成されるため、当該開口が深く形成されるほど静電容量を増加させることができる。また、当該開口の数を増やすほど静電容量を増加させることができる。このような容量素子１００を形成することにより、容量素子１００の上面積を増やすことなく、静電容量を増加させることができる。

＜メモリセルアレイの構造＞
本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図２５に示す。図２２および図２３に示す記憶装置をメモリセルとして、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。図２５は、図２２に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。

図２５に示す記憶装置では、メモリセル６００ａとメモリセル６００ｂが隣接して配置されている。メモリセル６００ａおよびメモリセル６００ｂは、図２２に示す記憶装置と同様に、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有し、配線３００１、配線３００２、配線３００３、配線３００４、配線３００５、および配線３００６と電気的に接続される。また、メモリセル６００ａおよびメモリセル６００ｂにおいても、同様にトランジスタ３００のゲートと、容量素子１００の電極の一方と、が電気的に接続するノードを、ノードＦＧとする。なお、配線３００２は隣接するメモリセル６００ａとメモリセル６００ｂで共通の配線である。

メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、メモリセルアレイがＮＯＲ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を非導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｈより低い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される第５の配線３００５に与えればよい。または、例えば、メモリセルアレイがＮＡＮＤ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｌより高い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される第５の配線３００５に与えればよい。

［記憶装置２］
本発明の一態様である半導体装置を使用した、記憶装置の一例を図２６に示す。

図２６に示す記憶装置は、図２２で示したトランジスタ２００、トランジスタ３００、および容量素子１００を有する半導体装置に加え、トランジスタ３４５を有している。

トランジスタ３４５としては、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。例えば、トランジスタ３４５としては、トランジスタ２０００およびトランジスタ２０００ａなどを用いることができる。図２６では、トランジスタ２００としてトランジスタ２０００を用いる例を示している。また、図２６に示すトランジスタ３４５は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。

トランジスタ３４５として、トランジスタ２０００またはトランジスタ２０００ａを用いることで、トランジスタ３４５は、トランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。例えば、トランジスタ３４５の第１のゲート及び第２のゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ３４５のソースと、トランジスタ２００の第２のゲートを接続する構成とする。当該構成でトランジスタ２００の第２のゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ３４５の第１のゲートーソース間の電圧および、第２のゲートーソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ３４５において、第２のゲート電圧及び第１のゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流が非常に小さいため、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５に電源供給をしなくても、トランジスタ２００の第２のゲートの負電位を長時間維持することができる。これにより、トランジスタ２００、およびトランジスタ３４５を有する記憶装置は、長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。

従って、図２６において、配線３００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線３００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線３００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線３００４はトランジスタ２００のゲートと電気的に接続され、配線３００６はトランジスタ２００のバックゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線３００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。配線３００７はトランジスタ３４５のソースと電気的に接続され、配線３００８はトランジスタ３４５のゲートと電気的に接続され、配線３００９はトランジスタ３４５のバックゲートと電気的に接続され、配線３０１０はトランジスタ３４５のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線３００６、配線３００７、配線３００８、及び配線３００９が電気的に接続されている。

図２６に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、上述のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。

また、図２６に示す記憶装置は、図２２に示す記憶装置と同様に、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。なお、１個のトランジスタ３４５は、複数のトランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ３４５は、トランジスタ２００よりも、少ない個数を設けるとよい。

＜記憶装置２の構造＞
トランジスタ３４５は、トランジスタ２００と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。例えばトランジスタ３４５としてトランジスタ２０００を用い、トランジスタ２００としてトランジスタ１０００ａを用いた場合は、図２６に示すように、図１８に示すトランジスタ１０００ａと図２１に示すトランジスタ２０００の同一の符号の構成を同じ層に形成することができる。なお、トランジスタ２０００の酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ａ２はトランジスタ１０００ａの酸化物４０６ａと同じ層に配置され、トランジスタ２０００の酸化物４０６ｂ１および酸化物４０６ｂ２はトランジスタ１０００ａの酸化物４０６ｂと同じ層に配置される。

また、大面積基板を半導体素子ごとに分断することによって、複数の半導体装置をチップ状で取り出す場合に設けられるダイシングライン（スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある）について説明する。分断方法としては、例えば、まず、基板に半導体素子を分断するための溝（ダイシングライン）を形成した後、ダイシングラインにおいて切断し、複数の半導体装置に分断（分割）する場合がある。例えば、図１６に示す構造５００は、ダイシングライン近傍の断面図を示している。

例えば、構造５００に示すように、トランジスタ２００、またはトランジスタ３４５を有するメモリセルの外縁に設けられるダイシングラインと重なる領域近傍において、絶縁体２８０、絶縁体２８１、絶縁体２２５、絶縁体２２４、絶縁体２２２、絶縁体２２０、及び絶縁体２１６に開口を設ける。また、絶縁体２８０、絶縁体２８１、絶縁体２２５、絶縁体２２４、絶縁体２２２、絶縁体２２０、及び絶縁体２１６の側面を覆うように、絶縁体２８２を設ける。

つまり、該開口部において、絶縁体２２２、および絶縁体２１４と、絶縁体２８２とが接する。このとき、絶縁体２２２、絶縁体２１４の少なくとも一と、絶縁体２８２とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性を高めることができる。例えば、酸化アルミニウムを用いることができる。

当該構造により、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２８２で、絶縁体２８０、トランジスタ２００、およびトランジスタ３４５を包み込むことができる。絶縁体２１０、絶縁体２２２、絶縁体２８２は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体素子が形成された基板を複数有する回路領域ごとに、分断することにより、複数のチップに加工しても、分断した基板の側面方向から、水素又は水などの不純物が混入し、トランジスタ２００、またはトランジスタ３４５に拡散することを防ぐことができる。

また、当該構造により、絶縁体２８０の過剰酸素が絶縁体２８２、および絶縁体２２２の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２８０の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００、またはトランジスタ３４５におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００、またはトランジスタ３４５におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００、またはトランジスタ３４５におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００、またはトランジスタ３４５の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。

また、図２７に示すように、トランジスタ３４５として、上記実施の形態に示すトランジスタ２０００ａを設ける構成にしてもよい。

また、図２７に示すように、容量素子１００の上部電極として機能する導電体１２０が、容量素子１００の下部電極として機能する導電体１１２の側面まで回り込むように設けてもよい。これにより、導電体１１２の側面も容量素子として機能するため、容量素子１００の静電容量を増加させることができる。また、容量素子１００を形成する誘電体膜を絶縁体１３０ａと絶縁体１３０ｂの積層膜にしてもよい。例えば、絶縁体１３０ａとして酸化アルミニウム、絶縁体１３０ｂとして酸化窒化シリコンなどを用いることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図２８、および図２９を用いて説明する。

＜半導体ウエハ、チップ＞
図２８（Ａ）は、ダイシング処理が行なわれる前の基板７１１の上面図を示している。基板７１１としては、例えば、半導体基板（「半導体ウエハ」ともいう。）を用いることができる。基板７１１上には、複数の回路領域７１２が設けられている。回路領域７１２には、本発明の一態様に係る半導体装置などを設けることができる。

複数の回路領域７１２は、それぞれが分離領域７１３に囲まれている。分離領域７１３と重なる位置に分離線（「ダイシングライン」ともいう。）７１４が設定される。分離線７１４に沿って基板７１１を切断することで、回路領域７１２を含むチップ７１５を基板７１１から切り出すことができる。図２８（Ｂ）にチップ７１５の拡大図を示す。

また、分離領域７１３に導電層、半導体層などを設けてもよい。分離領域７１３に導電層、半導体層などを設けることで、ダイシング工程時に生じうるＥＳＤを緩和し、ダイシング工程に起因する歩留まりの低下を防ぐことができる。また、一般にダイシング工程は、基板の冷却、削りくずの除去、帯電防止などを目的として、炭酸ガスなどを溶解させて比抵抗を下げた純水を切削部に供給しながら行なう。分離領域７１３に導電層、半導体層などを設けることで、当該純水の使用量を削減することができる。よって、半導体装置の生産コストを低減することができる。また、半導体装置の生産性を高めることができる。

＜電子部品＞
チップ７１５を用いた電子部品の一例について、図２９（Ａ）および図２９（Ｂ）を用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、またはＩＣ用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向、端子の形状などに応じて、複数の規格、名称などが存在する。

電子部品は、組み立て工程（後工程）において、上記実施の形態に示した半導体装置と該半導体装置以外の部品が組み合わされて完成する。

図２９（Ａ）に示すフローチャートを用いて、後工程について説明する。前工程において基板７１１に本発明の一態様に係る半導体装置などを形成した後、基板７１１の裏面（半導体装置などが形成されていない面）を研削する「裏面研削工程」を行なう（ステップＳ７２１）。研削により基板７１１を薄くすることで、電子部品の小型化を図ることができる。

次に、基板７１１を複数のチップ７１５に分離する「ダイシング工程」を行う（ステップＳ７２２）。そして、分離したチップ７１５を個々のリードフレーム上に接合する「ダイボンディング工程」を行う（ステップＳ７２３）。ダイボンディング工程におけるチップ７１５とリードフレームとの接合は、樹脂による接合、またはテープによる接合など、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、リードフレームに代えてインターポーザ基板上にチップ７１５を接合してもよい。

次いで、リードフレームのリードとチップ７１５上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続する「ワイヤーボンディング工程」を行う（ステップＳ７２４）。金属の細線には、銀線、金線などを用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、例えば、ボールボンディング、またはウェッジボンディングを用いることができる。

ワイヤーボンディングされたチップ７１５は、エポキシ樹脂などで封止される「封止工程（モールド工程）」が施される（ステップＳ７２５）。封止工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、チップ７１５とリードを接続するワイヤーを機械的な外力から保護することができ、また水分、埃などによる特性の劣化（信頼性の低下）を低減することができる。

次いで、リードフレームのリードをめっき処理する「リードめっき工程」を行なう（ステップＳ７２６）。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。次いで、リードを切断および成形加工する「成形工程」を行なう（ステップＳ７２７）。

次いで、パッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す「マーキング工程」を行なう（ステップＳ７２８）。そして外観形状の良否、動作不良の有無などを調べる「検査工程」（ステップＳ７２９）を経て、電子部品が完成する。

また、完成した電子部品の斜視模式図を図２９（Ｂ）に示す。図２９（Ｂ）では、電子部品の一例として、ＱＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示している。図２９（Ｂ）に示す電子部品７５０は、リード７５５およびチップ７１５を有する。電子部品７５０は、チップ７１５を複数有していてもよい。

図２９（Ｂ）に示す電子部品７５０は、例えばプリント基板７５２に実装される。このような電子部品７５０が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７５２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７５４）が完成する。完成した実装基板７５４は、電子機器などに用いられる。

（実施の形態４）
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図３０に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。

図３０（Ａ）は、自動車の一例を示す外観図である。自動車２９８０は、車体２９８１、車輪２９８２、ダッシュボード２９８３、およびライト２９８４等を有する。また、自動車２９８０は、アンテナ、バッテリなどを備える。

図３０（Ｂ）に示す情報端末２９１０は、筐体２９１１に、表示部２９１２、マイク２９１７、スピーカ部２９１４、カメラ２９１３、外部接続部２９１６、および操作スイッチ２９１５等を有する。表示部２９１２には、可撓性基板が用いられた表示パネルおよびタッチスクリーンを備える。また、情報端末２９１０は、筐体２９１１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末２９１０は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。

図３０（Ｃ）に示すノート型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１、表示部２９２２、キーボード２９２３、およびポインティングデバイス２９２４等を有する。また、ノート型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。

図３０（Ｄ）に示すビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１、筐体２９４２、表示部２９４３、操作スイッチ２９４４、レンズ２９４５、および接続部２９４６等を有する。操作スイッチ２９４４およびレンズ２９４５は筐体２９４１に設けられており、表示部２９４３は筐体２９４２に設けられている。また、ビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体２９４１と筐体２９４２は、接続部２９４６により接続されており、筐体２９４１と筐体２９４２の間の角度は、接続部２９４６により変えることが可能な構造となっている。筐体２９４１に対する筐体２９４２の角度によって、表示部２９４３に表示される画像の向きの変更や、画像の表示／非表示の切り換えを行うことができる。

図３０（Ｅ）にバングル型の情報端末の一例を示す。情報端末２９５０は、筐体２９５１、および表示部２９５２等を有する。また、情報端末２９５０、筐体２９５１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。表示部２９５２は、曲面を有する筐体２９５１に支持されている。表示部２９５２には、可撓性基板を用いた表示パネルを備えているため、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い情報端末２９５０を提供することができる。

図３０（Ｆ）に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末２９６０は、筐体２９６１、表示部２９６２、バンド２９６３、バックル２９６４、操作スイッチ２９６５、入出力端子２９６６などを備える。また、情報端末２９６０、筐体２９６１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末２９６０は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。

表示部２９６２の表示面は湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部２９６２はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部２９６２に表示されたアイコン２９６７に触れることで、アプリケーションを起動することができる。操作スイッチ２９６５は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、情報端末２９６０に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作スイッチ２９６５の機能を設定することもできる。

また、情報端末２９６０は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、情報端末２９６０は入出力端子２９６６を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子２９６６を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子２９６６を介さずに無線給電により行ってもよい。

例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態など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。

１００容量素子
１１０導電体
１１２導電体
１２０導電体
１２６ａ領域
１２６ｂ領域
１２６ｃ領域
１３０絶縁体
１３０ａ絶縁体
１３０ｂ絶縁体
１５０絶縁体
１５５絶縁体
２００トランジスタ
２０５導電体
２１０絶縁体
２１２絶縁体
２１４絶縁体
２１６絶縁体
２１８導電体
２２０絶縁体
２２２絶縁体
２２４絶縁体
２２５絶縁体
２３０酸化物
２４６導電体
２４８導電体
２８０絶縁体
２８１絶縁体
２８２絶縁体
２８６絶縁体
２８７絶縁体
３００トランジスタ
３０１絶縁体
３０２絶縁体
３０３絶縁体
３０８導電体
３０８ａ導電体
３０８ｂ導電体
３０９導電体
３０９ａ導電体
３０９ｂ導電体
３１０導電体
３１０ａ導電体
３１０ｂ導電体
３１１基板
３１３半導体領域
３１４ａ低抵抗領域
３１４ｂ低抵抗領域
３１５絶縁体
３１６導電体
３２０絶縁体
３２２絶縁体
３２４絶縁体
３２６絶縁体
３２８導電体
３３０導電体
３４５トランジスタ
３５０絶縁体
３５２絶縁体
３５４絶縁体
３５６導電体
３６０絶縁体
３６２絶縁体
３６４絶縁体
３６６導電体
３７０絶縁体
３７２絶縁体
３７４絶縁体
３７６導電体
３８０絶縁体
３８２絶縁体
３８４絶縁体
３８６導電体
４００基板
４０１絶縁体
４０２絶縁体
４０４導電体
４０４ａ導電体
４０４ａＡ導電体
４０４ｂ導電体
４０４Ｂダミーゲート層
４０４ｂＡ導電体
４０５ダミーゲート
４０５Ａダミーゲート膜
４０５Ｂダミーゲート層
４０６酸化物
４０６ａ酸化物
４０６ａ１酸化物
４０６ａ２酸化物
４０６ａＡ酸化膜
４０６ｂ酸化物
４０６ｂ１酸化物
４０６ｂ２酸化物
４０６ｂＡ酸化膜
４０６ｃ酸化物
４０７導電性酸化物
４０９絶縁体
４０９Ａ絶縁膜
４１０絶縁体
４１２絶縁体
４１２Ａ絶縁膜
４１５絶縁体
４１８サイドウォール絶縁体
４１８Ａ絶縁膜
４１８Ｂサイドウォール絶縁体
４２０絶縁体
４２２ドーパント
４２５絶縁体
４２６領域
４２６ａ領域
４２６ｂ領域
４２６ｃ領域
５００構造
６００ａメモリセル
６００ｂメモリセル
７１１基板
７１２回路領域
７１３分離領域
７１４分離線
７１５チップ
７５０電子部品
７５２プリント基板
７５４実装基板
７５５リード
１０００トランジスタ
１０００ａトランジスタ
１０００ｂトランジスタ
１０００ｃトランジスタ
１０００ｄトランジスタ
２０００トランジスタ
２０００ａトランジスタ
２９１０情報端末
２９１１筐体
２９１２表示部
２９１３カメラ
２９１４スピーカ部
２９１５操作スイッチ
２９１６外部接続部
２９１７マイク
２９２０ノート型パーソナルコンピュータ
２９２１筐体
２９２２表示部
２９２３キーボード
２９２４ポインティングデバイス
２９４０ビデオカメラ
２９４１筐体
２９４２筐体
２９４３表示部
２９４４操作スイッチ
２９４５レンズ
２９４６接続部
２９５０情報端末
２９５１筐体
２９５２表示部
２９６０情報端末
２９６１筐体
２９６２表示部
２９６３バンド
２９６４バックル
２９６５操作スイッチ
２９６６入出力端子
２９６７アイコン
２９８０自動車
２９８１車体
２９８２車輪
２９８３ダッシュボード
２９８４ライト
３００１配線
３００２配線
３００３配線
３００４配線
３００５配線
３００６配線
３００７配線
３００８配線
３００９配線
３０１０配線

Claims

第１の酸化物と、
前記第１の酸化物上の第２の酸化物と、
前記第２の酸化物上の第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体上の第１の導電体と、
前記第１の導電体上の第２の導電体と、
前記第１の絶縁体の側面および前記第１の導電体の側面に接して配置されたサイドウォール絶縁体と、
前記第２の酸化物の上面と接する領域を有し、かつ、前記サイドウォール絶縁体の側面と接する領域を有する第２の絶縁体と、を有し、
前記サイドウォール絶縁体の上面および前記第２の絶縁体の最上面は、前記第１の導電体の最上面および第２の導電体の最上面と略一致することを特徴とする半導体装置。
前記第１の導電体は、前記第２の導電体の底面および側面に接するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第１の酸化物および前記第２の酸化物は、それぞれ、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
第１の酸化物と、
前記第１の酸化物上の第２の酸化物と、
前記第２の酸化物上の第３の酸化物と、
前記第３の酸化物上の第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体上の第１の導電体と、
前記第１の導電体上の第２の導電体と、
前記第１の絶縁体の側面および前記第１の導電体の側面に接して配置されたサイドウォール絶縁体と、
前記第３の酸化物の上面と接する領域を有し、かつ、前記サイドウォール絶縁体の側面と接する領域を有する第２の絶縁体と、を有し、
前記サイドウォール絶縁体の上面および前記第２の絶縁体の最上面は、前記第１の導電体の最上面および第２の導電体の最上面と略一致することを特徴とする半導体装置。
前記第３の酸化物の側面がサイドウォール絶縁体に接し、
前記第２の絶縁体が前記第２の酸化物の上面と接する領域を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記第１の酸化物乃至前記第３の酸化物は、それぞれ、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む、ことを特徴とする請求項４または５に記載の半導体装置。
前記第２の酸化物の前記第２の絶縁体と重なる領域は、前記第２の酸化物と前記第１の絶縁体と重なる領域の中央近傍より、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の半導体装置。
前記第２の酸化物の前記第２の絶縁体および前記サイドウォール絶縁体と重なる領域は、前記第２の酸化物の前記第１の絶縁体と重なる領域の中央近傍より、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の半導体装置。
前記第２の酸化物の前記第２の絶縁体、前記サイドウォール絶縁体、および前記第１の絶縁体の両端部近傍と重なる領域は、前記第２の酸化物の前記第１の絶縁体と重なる領域の中央近傍より、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の半導体装置。
前記サイドウォール絶縁体の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一に記載の半導体装置。
前記サイドウォール絶縁体は、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムのいずれかを有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一に記載の半導体装置。
前記第１の導電体は、導電性酸化物を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一に記載の半導体装置。
前記第３の絶縁体は、水素および窒素のいずれか一方または両方を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一に記載の半導体装置。
前記第１の絶縁体は、昇温脱離ガス分析において、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲で、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一に記載の半導体装置。
第１の酸化膜、および第２の酸化膜を順に成膜し、
前記第１の酸化膜および前記第２の酸化膜を島状に加工して、第１の酸化物および第２の酸化物を形成し、
前記第２の酸化物の上に、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜を順に成膜し、
前記第１の絶縁膜および前記ダミーゲート膜エッチングして、第１の絶縁体およびダミーゲート層を形成し、
前記第１の酸化物、前記第２の酸化物、前記第１の絶縁体および前記ダミーゲート層を覆って、ＡＬＤ法を用いて第２の絶縁膜を成膜し、
前記第２の絶縁膜にドライエッチング処理を行って、前記第１の絶縁体および前記ダミーゲート層の側面に接して、第１のサイドウォール絶縁体を形成し、
前記第１の酸化物、前記第２の酸化物、前記第１のサイドウォール絶縁体および前記ダミーゲート層を覆って、ＣＶＤ法を用いて第３の絶縁膜を成膜し、
前記第３の絶縁膜の上に第４の絶縁膜を成膜し、
第１のＣＭＰ処理を行うことによって、前記ダミーゲート層、前記第１のサイドウォール絶縁体、前記第３の絶縁膜、および前記第４の絶縁膜の一部を、前記ダミーゲート層の一部が露出するまで除去し、
前記ダミーゲート層をエッチングすることによって、前記第１の絶縁体を露出させ、
前記第１の絶縁体を介して前記第２の酸化物に酸素を注入し、
第１の導電体膜および第２の導電膜を順に成膜し、
第２のＣＭＰ処理を行うことによって、前記第１の導電体膜の一部および前記第２の導電体膜の一部を、前記第４の絶縁膜が露出するまで除去して、導電体層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
前記第３の絶縁膜の成膜を、窒素を含む雰囲気で行うことを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の作製方法。
第１の酸化膜、および第２の酸化膜を順に成膜し、
前記第１の酸化膜および前記第２の酸化膜を島状に加工して、第１の酸化物および第２の酸化物を形成し、
前記第２の酸化物の上に、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜を順に成膜し、
前記第１の絶縁膜および前記ダミーゲート膜エッチングして、第１の絶縁体およびダミーゲート層を形成し、
前記第１の酸化物、前記第２の酸化物、前記第１の絶縁体および前記ダミーゲート層を覆って、ＣＶＤ法を用いて第２の絶縁膜を成膜し、
前記第２の絶縁膜の上に第３の絶縁膜を成膜し、
第１のＣＭＰ処理を行うことによって、前記ダミーゲート層、前記第２の絶縁膜、および前記第３の絶縁膜の一部を、前記ダミーゲート層の一部が露出するまで除去し、
前記ダミーゲート層をエッチングすることによって、前記第１の絶縁体を露出させ、
前記第１の絶縁体を介して前記第２の酸化物に酸素を注入し、
第１の導電体膜および第２の導電膜を順に成膜し、
第２のＣＭＰ処理を行うことによって、前記第１の導電体膜の一部および前記第２の導電体膜の一部を、前記第３の絶縁膜が露出するまで除去して、導電体層を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
前記第２の絶縁膜の成膜を、窒素を含む雰囲気で行うことを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置の作製方法。
前記酸素の注入は、酸素を含むプラズマ処理を行うことを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
前記酸素の注入は、酸素イオンを注入することを特徴とする請求項１５乃至１９のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
前記第１の導電膜の成膜を、酸素を含む雰囲気で、スパッタリング処理を用いて行うことを特徴とする請求項１５乃至２０のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。