JP2019075484A - 半導体装置、および半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高集積化が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】トランジスタ２００において、酸化物２３０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。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。一方、酸化物２３０ｂにおけるチャネルが形成される領域と、ゲート絶縁体として機能する絶縁体２５０との界面に、酸素欠損が存在すると、電気特性の変動が生じ、信頼性が悪くなる場合がある。そこで、導電体２６０の上面に接して、バリア性を有する絶縁体２７０を設ける。また、導電体２６０の側面に接して、バリア性を有する絶縁体２７２を設ける。【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、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。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。
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。
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。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。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。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。
本発明の一態様では、酸化物半導体の周囲の絶縁体から過剰酸素を酸化物半導体に供給することで、酸化物半導体中の酸素欠損の低減を図る。
さらに、酸化物半導体の周囲の他の構造などから、水、水素などの不純物が酸化物半導体に混入することを防ぐ。なお、酸化物半導体に、水素などの不純物が外部から混入することを防ぐため、当該酸化物半導体を覆って、水、水素などの不純物に対してバリア性を有する絶縁体を形成する。
さらに、上記水、水素などの不純物に対してバリア性を有する絶縁体を、酸素を透過させにくいものとする。これによって、酸素が外方拡散するのを防ぎ、酸化物半導体及び周囲の酸化物絶縁体に効果的に酸素を供給する。
このようにして、酸化物半導体及び周囲の他の構造に含まれる、水、水素などの不純物を低減し、且つ酸化物半導体中の酸素欠損の低減を図る。
本発明の一態様は、トランジスタと、第１の絶縁体と、第２の絶縁体と、を有し、トランジスタは、第１の金属酸化物上に、第１の導電体、および第２の導電体を有し、第１の導電体、第２の導電体、第１の金属酸化物上に、第２の金属酸化物を有し、第２の金属酸化物上に第３の絶縁体を有し、第３の絶縁体上に第３の導電体を有し、第３の導電体上に第４の絶縁体を有し、第３の導電体、および第４の絶縁体の側面に接して、サイドウォール形状の第５の絶縁体を有し、第５の絶縁体は、第２の金属酸化物、および第３の絶縁体を介して、第１の導電体、および第２の導電体と重畳する領域を有し、第１の絶縁体は、過剰酸素領域を有し、第２の絶縁体、第４の絶縁体、および第５の絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有する。
本発明の一態様は、トランジスタと、第１の絶縁体と、第２の絶縁体と、第３の絶縁体と、第４の絶縁体と、第１のプラグと、第２のプラグとを有し、トランジスタは、第１の金属酸化物上に、第１の導電体、および第２の導電体を有し、第１の導電体、第２の導電体、第１の金属酸化物上に、第２の金属酸化物を有し、第２の金属酸化物上に第５の絶縁体を有し、第５の絶縁体上に第３の導電体を有し、第３の導電体上に第６の絶縁体を有し、第３の導電体、および第６の絶縁体の側面に接して、サイドウォール形状の第７の絶縁体を有し、第７の絶縁体は、第２の金属酸化物、および第５の絶縁体を介して、第１の導電体、および第２の導電体と重畳する領域を有し、第１の絶縁体は、過剰酸素領域を有し、第１の絶縁体、および第２の絶縁体は、第１の導電体を露出する第１の開口と、第２の導電体を露出する第２の開口を有し、第１のプラグは、第３の絶縁体を介して、第１の開口に埋め込まれ、第２のプラグは、第４の絶縁体を介して、第２の開口に埋め込まれ、第２の絶縁体、第３の絶縁体、第４の絶縁体、第６の絶縁体、および第７の絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有する。
上記構成において、第１の導電体上に、第８の絶縁体を有し、第２の導電体上に、第９の絶縁体を有し、第８の絶縁体、および第９の絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有する。
本発明の一態様は、第１の金属酸化物上に、第１の導電体、および第２の導電体を形成し、第１の導電体、第２の導電体、第１の金属酸化物上に、第１の金属酸化膜を形成し、第１の金属酸化膜上に第１の絶縁膜を形成し、第１の絶縁膜上に、第１の導電膜を成膜し、第１の導電膜上に、第２の絶縁膜を成膜し、第１の導電膜、および第２の絶縁膜の一部を除去することで、第３の導電体、および第１の絶縁体を形成し、第１の金属酸化物の側面と、第１の導電体の側面および上面と、第２の導電体の側面および上面と、第３の導電体の側面と、第１の絶縁体の側面および上面と、に接して、第３の絶縁膜を形成し、第３の絶縁膜にエッチバック処理を行い、第３の絶縁膜の一部と、第１の絶縁膜の一部と、第１の金属酸化膜の一部と、を除去することで、第２の絶縁体と、第２の金属酸化物と、第１の絶縁体の側面および第３の導電体の側面に接する第３の絶縁体と、を形成する。
本発明の一態様により、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する半導体装置において、トランジスタの電気特性、および信頼性が、安定した半導体装置を提供することができる。
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。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。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。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。
本発明の一態様により、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。本発明の一態様により、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。本発明の一態様により、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、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。本発明の一態様により、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。
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。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、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、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）の間にチャネルが形成される領域を有しており、ドレインとチチャネルが形成される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、チャネルが形成される領域とは、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ものとする。
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
なお、本明細書等において、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。また、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいう。なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等を用いて測定することができる。
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。
なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物、または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。
また、本明細書等において、トランジスタのノーマリーオンの特性とは、電源による電位の印加がない（０Ｖ）ときにオン状態であることをいう。例えば、トランジスタのノーマリーオンの特性とは、トランジスタのゲートに与える電圧（Ｖｇ）が０Ｖの際に、ドレインとソースとの間に電流（Ｉｄ）が流れる電気特性をさす場合がある。
本明細書等において、酸化物半導体は、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）の一種である。金属酸化物とは、金属元素を有する酸化物をいう。金属酸化物は、組成や形成方法によって絶縁性、半導体性、導電性を示す場合がある。半導体性を示す金属酸化物を、金属酸化物半導体または酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）と呼ぶ。また、絶縁性を示す金属酸化物を、金属酸化物絶縁体または酸化物絶縁体と呼ぶ。また、導電性を示す金属酸化物を、金属酸化物導電体または酸化物導電体と呼ぶ。即ち、トランジスタのチャネル形成領域などに用いる金属酸化物を、酸化物半導体と呼びかえることができる。
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１乃至図１３を用いて説明する。
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１乃至図１３を用いて説明する。
＜トランジスタの構造１＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。図１（Ａ）、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の上面図および断面図である。図１（Ａ）は上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｌ１−Ｌ２、図１（Ｃ）は、一点鎖線Ｗ１−Ｗ２に対応する断面図である。なお、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。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。図１（Ａ）、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の上面図および断面図である。図１（Ａ）は上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｌ１−Ｌ２、図１（Ｃ）は、一点鎖線Ｗ１−Ｗ２に対応する断面図である。なお、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、トランジスタ２００と、層間膜として機能する絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４とを有する。
また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）とを有する。
トランジスタ２００は、第１のゲート電極として機能する導電体２０５と、第２のゲート電極として機能する導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、第１のゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４と、第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁体２５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体２４０ａと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体２４０ｂと、導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）と接するバリア層２４５（バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂ）と、絶縁体２７０と、絶縁体２７０と、絶縁体２７２と、を有する。
トランジスタ２００において、酸化物２３０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。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。
一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、そ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、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。従って、酸素欠損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、酸化物半導体中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
酸化物半導体中の酸素欠損を低減するためには、酸化物半導体の近傍に、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を配置するとよい。例えば、絶縁体２５０、および絶縁体２８０には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域（以下、過剰酸素領域ともいう）が形成されていることが好ましい。当該過剰酸素が、酸化物半導体へと拡散することで、酸素欠損を補償することができる。
酸化物半導体中の酸素欠損は、例えば、酸化物半導体に近接して設けられる構造体に金属を用いる場合に、該金属に酸化物半導体の酸素原子が吸収されることで、生じる場合がある。また、酸素原子を吸収した金属が、酸化し、高抵抗化する場合がある。また、酸化物半導体に近接して設けられる構造体中の水素が、酸化物半導体中に拡散することで、酸素欠損を生じる場合がある。
例えば、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体２４０と、酸化物２３０ｂが接する領域において、酸化物２３０の酸素原子が移動し、酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０ｂにおいて、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体２４０と重畳する領域は、ソース領域、およびドレイン領域として機能する。従って、導電体２４０と酸化物２３０ｂとが接する領域に、酸素欠損が生じ、当該領域が低抵抗領域となることにより、コンタクト抵抗を低減することができる。
一方、酸化物２３０ｂにおけるチャネルが形成される領域と、ゲート絶縁体として機能する絶縁体２５０との界面に、酸素欠損が存在すると、電気特性の変動が生じ、信頼性が悪くなる場合がある。しかしながら、酸化物２３０ｂにおけるチャネルが形成される領域は、ゲート絶縁体を介して、ゲート電極として機能する導電体２６０と近接するため、酸素欠損が生じる蓋然性が高い。
そこで、導電体２６０の上面に接して、バリア性を有する絶縁体２７０を設ける。また、導電体２６０の側面に接して、バリア性を有する絶縁体２７２を設ける。なお、本明細書において、特に規定せずバリア性と記載する場合、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など。なお、以下、酸素とした場合、酸素原子、酸素分子ともに含む。）の少なくとも一の拡散を抑制する機能（上記酸素が透過しにくい）とする。
上記構造を設けるには、まず、導電体２６０となる導電膜上に、絶縁体２７０となる絶縁膜を成膜する。次に、導電体２６０となる導電膜と、絶縁体２７０となる絶縁膜を加工し、導電体２６０と絶縁体２７０との積層体を形成する。当該積層体上に、絶縁体２７２となる絶縁膜を成膜した後、絶縁体２７２となる絶縁膜を加工し、絶縁体２７２を形成する。ここで、絶縁体２７２となる絶縁膜は、エッチバック処理により加工を行うとよい。従って、絶縁体２７２は、第３の導電体の側面を覆うサイドウォール構造となる。
なお、エッチバックとは、凹凸のある膜表面に平坦化膜を形成し、平坦化膜ごと凹凸のある膜に対して異方性の高いエッチング（例えば、ドライエッチング）を行うことで、膜の凹凸を低減する工程をいう。または、単に、全面に形成された膜に対し、被形成面の一部が露出するまで行うエッチング工程をいう。
絶縁体２７２の加工に、エッチバック処理を用いることで、マスクを用いることなく、絶縁体２７２を加工することができる。エッチバック処理は、マスクを用いないため、マスクずれなどに起因するアライメントマージンが不要であり、微細化に適している。従って、エッチバック処理を用いることで、合わせ精度を考慮することなく、微細な絶縁体２７２を形成することができる。さらに、絶縁体２７２の形状は、絶縁体２７２の膜厚により制御できる。従って、複数のトランジスタ２００を集積する場合、設計自由度が向上し、高集積化が可能となる。
また、絶縁体２７２をサイドウォールの形状とすることで、絶縁体２７２の絶縁体２８０と接する側面に段差が生じず、絶縁体２７２の該側面はテーパー形状となる。つまり、導電体２６０を設けることで生じる段差に、断面が扇状（概略三角形）の絶縁体２７２が形成される。従って、絶縁体２８０の被膜性を向上させることができる。
なお、絶縁体２７０上に、ハードマスクとして機能する絶縁体２７１を配置してもよい。絶縁体２７１を設けることで、導電体２６０の加工の際、導電体２６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体２６０の側面と基板表面のなす角を、７５度以上１００度以下、好ましくは８０度以上９５度以下とすることができる。導電体２６０の側面を概略垂直に加工することで、導電体２６０の側面に形成する絶縁体２７２を所望の形状に形成することができる。
また、絶縁体２８０のエッチングレートに対して、絶縁体２７０、および絶縁体２７２のエッチングレートが十分に小さいことが好ましい。絶縁体２８０と、絶縁体２７０、および絶縁体２７２のエッチングレートが異なることで、導電体２４０と導電体２４６とを接続する開口を形成する（図１３参照）際に、マスクが有する開口パターンの一部が、導電体２６０と重畳した場合でも、絶縁体２７０、および絶縁体２７２により、エッチングの進行が抑制される。つまり、絶縁体２７０、および絶縁体２７２のエッチングレートが十分に小さいため、開口パターン内に絶縁体２７０、および絶縁体２７２が存在しても該絶縁体のエッチングの進行は抑制され、開口は、絶縁体２７２に沿って形成される。従って、開口部と導電体２６０の距離を小さくでき、半導体装置の集積度が向上するため好ましい。
上記構造を用いることで、導電体２６０が、絶縁体２８０が有する過剰酸素による酸化、および低抵抗化を抑制することができる。また、絶縁体２８０の過剰酸素が、絶縁体２５０を介して、効率よく酸化物２３０へと拡散し、酸化物２３０の酸素欠損を補償することができる。
さらに、導電体２６０を積層して設けることが好ましい。例えば、図１に示すように、導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂの２層構造とする場合、導電体２６０ａは、耐酸化性の導電体を用い、導電体２６０ｂは、導電性が高い導電体を用いるとよい。
つまり、導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０が有する過剰酸素により、導電体２６０ｂ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。
また、導電体２６０の一部は、配線として機能する場合がある。従って、導電体２６０ｂは、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２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
また、バリア性を有する導電体２６０ａは、絶縁体２７２と接することが好ましい。つまり、絶縁体２７０、絶縁体２７２、および導電体２６０ａにより、導電体２６０ｂを完全に封止することが好ましい。つまり、導電体２６０ｂを、バリア性を有する層により、取り囲む構造とすることで、導電体２６０ｂを封止し、導電体２６０ｂが、周囲の構造体から拡散した酸素により、酸化することを抑制することができる。
例えば、バリア性を有する膜の一例として、３５０℃、好ましくは４００℃の雰囲気下において、酸素の拡散を抑制することができればよい。例えば、酸素を放出する第１の膜上に、任意の第２の膜を積層した構造において、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）測定を行った際に、４００℃以下において、酸素分子（Ｏ２）の放出が２．０×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下で検出される場合、第２の膜は、酸素に対してバリア性を有するとする。なお、好ましくは、６００℃以下において、酸素分子（Ｏ２）の放出が２．０×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下で検出される膜であるとよい。
また、上記バリア性を有する膜は、水素の拡散も抑制することが好ましい。バリア性を有する膜の一例として、３５０℃、好ましくは４００℃の雰囲気下において、水素の拡散を抑制することができればよい。例えば、水素を放出する第１の膜上に、任意の第２の膜を積層した構造において、ＴＤＳ測定を行った際に、４００℃以下において、水素分子（Ｈ２）の放出が３．０×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下で検出される場合、第２の膜は、酸素に対してバリア性を有するとする。なお、好ましくは、４００℃以下において、水素分子（Ｈ２）の放出が１．０×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下で検出される膜であるとよい。
さらに、上記バリア性を有する膜は、水の拡散も抑制することが好ましい。バリア性を有する膜の一例として、３５０℃、好ましくは４００℃の雰囲気下において、水の拡散を抑制することができればよい。例えば、水を放出する第１の膜上に、任意の第２の膜を積層した構造において、ＴＤＳ測定を行った際に、４００℃以下において、水分子（Ｈ２Ｏ）の放出が６．０×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下で検出される場合、第２の膜は、酸素に対してバリア性を有するとする。なお、好ましくは、４００℃以下において、水分子（Ｈ２Ｏ）の放出が５．０×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下で検出される膜であるとよい。
また、酸化物２３０のチャネルが形成される領域と接する絶縁体２５０は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体であることが好ましい。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。
特に、絶縁体２５０には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２５０には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域（以下、過剰酸素領域ともいう）が形成されていることが好ましい。酸化物２３０のチャネルが形成される領域に接して、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の酸素欠損を低減し、信頼性を向上させることができる。
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１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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。
ここで、絶縁体２７０、絶縁体２７２、および導電体２６０ａを設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０ｂへの過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０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、周囲の構造物から拡散する過剰酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
以上より、安定した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、信頼性が高い半導体装置を提供することができる。また、消費電力が小さい半導体装置を提供することができる。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
まず、トランジスタ２００において、導電体２６０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２０５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２０５に印加する電位を、導電体２６０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２００の閾値電圧を制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００の閾値電圧を０Ｖ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２０５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２６０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できる。
また、例えば、図１（Ａ）に示すように、導電体２０５と、導電体２６０とを重畳して設けることで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０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２０５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。本明細書において、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、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
絶縁体２１４、および絶縁体２１６は、層間膜として機能する。
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（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）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。
例えば、絶縁体２１４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２００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２１４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（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２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（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２１４として酸化アルミニウムや窒化シリコンなどを用いてもよい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体２１４よりも基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。
例えば、絶縁体２１６は、絶縁体２１４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。
第２のゲートとして機能する導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６の開口の内壁に接して第１の導電体が形成され、さらに内側に第２の導電体が形成されている。ここで、第１の導電体および第２の導電体の上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、第１の導電体および第２の導電体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２０５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。
ここで、導電体２０５の第１の導電体は、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（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２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（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または、すべての拡散を抑制する機能とする。
導電体２０５の第１の導電体が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５の第２の導電体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。
また、導電体２０５が配線の機能を兼ねる場合、導電体２０５の第２の導電体は、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。なお、導電体２０５の第２の導電体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、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、第２のゲート絶縁体としての機能を有する。
例えば、酸化物２３０と接する絶縁体２２４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てもよい。つまり、絶縁体２２４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２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
また、絶縁体２２２は、バリア性を有することが好ましい。絶縁体２２２がバリア性を有することで、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０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。また、絶縁体２２４が過剰酸素領域を有する場合、当該過剰酸素領域の酸素が、絶縁体２２０側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。
絶縁体２２２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（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−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、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−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。
例えば、絶縁体２２０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、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体と絶縁体２２２とを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。
なお、図１には、第２のゲート絶縁体として、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。
チャネル形成領域として機能する領域を有する酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３０ｂ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２３０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃ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２００は高いオン電流を得られる。
酸化物２３０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。例えば、チャネルが形成される領域の金属酸化物としては、バンドギャップが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、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。
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を提供できる。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。
導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）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。
導電体２４０ａと、導電体２４０ｂ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。
また、図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−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、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。
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。
また、導電体２４０上に、バリア層２４５（バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂ）を設けてもよい。バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂは、酸素、または水素に対してバ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、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂが、酸化物２３０ｃを成膜する際に、酸化することを抑制することができる。また、絶縁体２８０が有する過剰酸素領域の酸素が、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂと反応し、酸化することを防止することができる。
バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂ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、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
バリア層２４５を有することで、導電体２４０の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体２４０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。
また、導電体２４０の酸化を抑制し、絶縁体２２４、および絶縁体２８０から、脱離した酸素を効率的に酸化物２３０へと供給することができる。また、導電体２４０に導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ２００を提供することができる。
絶縁体２５０は、第１のゲート絶縁体として機能する。
絶縁体２５０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、昇温脱離ガス分光法分析（ＴＤＳ分析）にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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℃以下の範囲が好ましい。
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。
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｂ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２２４と同様に、絶縁体２５０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。
また、例えば、絶縁体２５０として、加熱により酸素が放出される膜と、バリア性を有する膜との積層構造としてもよい。加熱により酸素が放出される膜と、導電体２６０との間にバリア性を有する膜を設けることで、加熱により放出した酸素が、導電体２６０へと吸収されることを抑制することができる。バリア性を有する膜としては、アルミニウムやハフニウムなどを含む金属酸化物を用いるとよい。当該金属酸化物は、比誘電率が高いため、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、導電体２６０ａ、および導電体２６０ａ上の導電体２６０ｂを有する。導電体２６０ａは、導電体２０５の第１の導電体と同様に、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（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２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２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、酸化物２３０、および絶縁体２５０から導電体２６０ｂへの過剰酸素の拡散が抑制される。従って、絶縁体２５０が有する過剰酸素による導電体２６０ｂ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。また、酸化物２３０へ供給する過剰酸素量の減少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。また、導電体２６０ａとして、酸化物２３０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２６０ｂをスパッタリング法で成膜することで、導電体２６０ａ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（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
導電体２６０ｂ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２６０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２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
導電体２６０の酸化を抑制し、酸化物２３０に酸素欠損が生じること抑制するために、絶縁体２７０、および絶縁体２７２を設ける。
導電体２６０の上面および側面に、バリア膜として機能する、絶縁体２７０、および絶縁体２７２を配置する。絶縁体２７０、および絶縁体２７２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。
絶縁体２７０、および絶縁体２７２を有することで、絶縁体２８０が有する過剰酸素により、導電体２６０が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体２７０、および絶縁体２７２よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、酸化物２３０に混入することを抑制することができる。
また、絶縁体２７２の側面は、導電体２６０ａの端部と接することが好ましい。または、絶縁体２７２の底面は、導電体２６０ａの上面と接することが好ましい。さらに、絶縁体２７２の側面は、絶縁体２７０の端部と接することが好ましい。つまり、導電体２６０ｂを、バリア性を有する層により、取り囲む構造とすることで、導電体２６０ｂを封止し、導電体２６０ｂが、周囲の構造体から拡散した酸素原子により、酸化し、導電性が低下することを抑制することができる。
絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４は、層間膜として機能する。
絶縁体２８２は、絶縁体２１４と同様に、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００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。
また、絶縁体２８０、および絶縁体２８４は、絶縁体２１６と同様に、絶縁体２１４、および絶縁体２８２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。
特に、絶縁体２８０には、絶縁体２５０と同様に、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。つまり、トランジスタ２００近傍の層間膜に、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。
絶縁体２８０が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２８２は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有することが好ましい。絶縁体２８２が、酸素に対するバリア性を有することで、過剰酸素領域の酸素は、絶縁体２８４側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。
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。本構造とすることで、絶縁体２８２の被膜性が向上する。従って、絶縁体２８２が、断膜することなく、トランジスタ２００と絶縁体２８０とを封止することができる。
また、トランジスタ２００は、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４に埋め込まれた導電体２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）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。
また、導電体２４６の材料としては、導電体２０５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。
例えば、導電体２４６としては、例えば、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タンタル等と、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。
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有する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有する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。
＜トランジスタの構造２＞
図２には、トランジスタ２００を有する半導体装置の一例を示す。図２（Ａ）は半導体装置の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図２（Ａ）において一部の膜は省略されている。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ｌ１−Ｌ２に対応する断面図であり、図２（Ｃ）はＷ１−Ｗ２に対応する断面図である。
図２には、トランジスタ２００を有する半導体装置の一例を示す。図２（Ａ）は半導体装置の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図２（Ａ）において一部の膜は省略されている。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ｌ１−Ｌ２に対応する断面図であり、図２（Ｃ）はＷ１−Ｗ２に対応する断面図である。
なお、図２に示す半導体装置において、図１に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動し、ノーマリーオン特性となりやすい。一方、酸化物半導体中に、適量値を超えた過剰な酸素を有した状態で、該トランジスタを駆動した場合、過剰な酸素原子の価数が変化し、該トランジスタの電気特性が変動することで、信頼性が悪くなる場合がある。
従って、トランジスタに用いる酸化物半導体は、不純物、酸素欠損、および、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素（以下、過剰酸素ともいう）がない、高純度真性な酸化物半導体を用いることが好ましい。
しかしながら、酸化物半導体中の酸素欠損は、例えば、酸化物半導体を成膜時、または酸化物半導体を形成した後の工程で生じる場合がある。また、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、トランジスタを構成する導電体、またはトランジスタと接続するプラグや配線に用いられる導電体に、酸化物半導体の酸素が徐々に吸収され、継時的変化の一つとして、酸素欠損を生じる場合がある。
例えば、導電体２４６が、絶縁体２８０と接することで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、導電体２４６に吸収される場合がある。また、トランジスタ２００の周辺に形成される他の構造に含まれる不純物である水素は、プラグや配線に用いられる導電体を介して、該導電体と接する構造へと拡散する場合がある。
そこで、導電体２４６と、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０、並びにバリア性を有する絶縁体２８２および絶縁体２８３との間にバリア層２７６（バリア層２７６ａ、およびバリア層２７６ｂ）を設けるとよい。特に、バリア層２７６は、バリア性を有する絶縁体２８２および絶縁体２８３と接して設けられることが好ましい。バリア層２７６と、絶縁体２８２および絶縁体２８３とが接して設けられることで、絶縁体２８０、およびトランジスタ２００は、バリア性を有する絶縁体、およびバリア層により、封止される構造とすることができる。さらに、バリア層２７６は、絶縁体２８４の一部とも接することが好ましい。バリア層２７６が、絶縁体２８４まで延在していることで、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。
つまり、バリア層２７６を設けることで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、導電体２４６、および導電体２４８に吸収されることを抑制することができる。また、バリア層２７６を有することで、不純物である水素の拡散を抑制することができる。
また、バリア層２７６を有することで、半導体装置に設けられるプラグや配線の形状、個数、または位置に関わらず、絶縁体２８０が有する過剰酸素を、適切な値で設けることができる。また、水素の拡散を抑制することで、酸素欠損ができにくくなるため、キャリア生成を抑えることができる。従って、トランジスタ２００に、過剰酸素を安定して供給することができるため、トランジスタ２００の電気特性が安定する。また、半導体装置を設計する際の自由度を高くすることができる。
また、バリア層２７６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２４６、および導電体２４８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。
なお、バリア層２７６としては、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。
また、図２に示す半導体装置は、酸化物２３０に供給する過剰酸素を有する絶縁体２８０の体積を、膜厚により制御することで、絶縁体２８０が有する過剰酸素量を適宜設定することができる。一方、絶縁体２８０の平坦化を行わないため、絶縁体２８２の被膜性が低下する蓋然性が高い。そこで、絶縁体２８２上に、被膜性の高い絶縁体２８３を設けることが好ましい。
従って、図２に示す半導体装置は、酸化物半導体を成膜時、または、酸化物半導体を形成した後の工程で生じる酸素欠損に合わせて、絶縁体２８０が有する過剰酸素量を適宜設定することができる。また、バリア層２７６を設けることで、継時的変化の一つとして生じる酸素欠損を抑制することができる。
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有する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有する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。
＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０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。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
酸化物２３０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。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
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、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、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、金属酸化物が、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、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（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）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（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
［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（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。
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（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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である。
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（ＶＯ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）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。
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−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
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、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物（以下、ＩＧＺＯ）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。とくに、ＩＧＺＯ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。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ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。ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
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−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記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場合について説明する。
続いて、上記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場合について説明する。
なお、上記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、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、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物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いう。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３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金属酸化物膜は、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、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。
したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物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、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。
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。
金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、金属酸化物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。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に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、金属酸化物中の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により得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、金属酸化物において、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、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に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。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の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、金属酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、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、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、水素が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性となりやすい。
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属酸化物中に浅い欠陥準位（ｓＤＯＳ：ｓｈａｌｌｏｗ ｌｅｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）を形成する場合がある。浅い欠陥準位とは、伝導帯下端の近くに位置する界面準位をさす。浅い欠陥準位は、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍に存在することが推定される。ここでは、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域は、領域に含まれる水素の量で区別する。すなわち、低密度領域と比較して、高密度領域は、水素をより多く含む領域とする。金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍は、両領域間の応力歪によって、微小なクラックが生じやすく、該クラック近傍に酸素欠損およびインジウムのダングリングボンドが発生し、ここに、水素または水などの不純物が局在することで、浅い欠陥準位が形成されるものと推定される。
また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも結晶性が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも膜密度が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物が、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、有する組成の場合、高密度領域は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、低密度領域は、インジウムと、亜鉛と、を有する場合がある。別言すると、低密度領域は、高密度領域よりもガリウムの割合が少ない場合がある。
なお、上記浅い欠陥準位は、酸素欠損に起因すると推定される。金属酸化物中の酸素欠損が増えると、浅い欠陥準位とともに深い欠陥準位（ｄＤＯＳ：ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）も増えると推定される。これは、深い欠陥準位も酸素欠損によるものだと考えられるためである。なお、深い欠陥準位とは、バンドギャップの中央付近に位置する欠陥準位をさす。
したがって、金属酸化物中の酸素欠損を抑制することで、浅い欠陥準位及び深い欠陥準位の双方の準位を低減させることが可能となる。
また、金属酸化物の浅い欠陥準位は、金属酸化物を半導体として用いたトランジスタの電気特性に影響を与える。即ち、浅い欠陥準位によって、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧（Ｉｄ−Ｖｇ）特性において、ゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄの変化が緩やかとなり、トランジスタのオフ状態からオン状態への立ち上がり特性の良し悪しの目安の１つである、Ｓ値（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ、ＳＳとも言う）が悪化する。これは浅い欠陥準位に電子がトラップされたためと考えられる。
このため、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、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。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、安定した電気特性を付与することができる。
＜トランジスタの作製方法＞
以下に、図１に示したトランジスタ２００を有する半導体装置の作製方法の一例を図３乃至図１２を参照して説明する。なお、各図（Ａ）は、トランジスタ２００の平面図である。各図（Ｂ）に示すＬ１−Ｌ２は、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図である。また、各図（Ｃ）に示すＷ１−Ｗ２は、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図である。
以下に、図１に示したトランジスタ２００を有する半導体装置の作製方法の一例を図３乃至図１２を参照して説明する。なお、各図（Ａ）は、トランジスタ２００の平面図である。各図（Ｂ）に示すＬ１−Ｌ２は、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図である。また、各図（Ｃ）に示すＷ１−Ｗ２は、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図である。
はじめに、基板を準備する（図示しない）。基板として使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが好ましい。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、インジウムガリウムヒ素からなる化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＧＯＩ（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板として用いてもよい。
また、基板として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上にトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
基板上に、絶縁体２１４、および絶縁体２１６を形成する。
絶縁体２１４、および絶縁体２１６は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、（熱ＣＶＤ法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を含む）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＡＬＤ法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁体をＣＶＤ法、好ましくはＡＬＤ法等によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。一方、スパッタリング法は、ＡＬＤ法よりも成膜速度が高いため、生産性を向上することができる。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法が好ましい。また、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性のよい酸化シリコン膜を用いることもできる。
続いて、絶縁体２１６上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスクを形成する。絶縁体２１４、および絶縁体２１６の不要な部分を除去する。その後、レジストマスクを除去することにより、開口部を形成することができる。
ここで、被加工膜の加工方法について説明する。被加工膜を微細に加工する場合には、様々な微細加工技術を用いることができる。例えば、リソグラフィ法等で形成したレジストマスクに対してスリミング処理を施す方法を用いてもよい。また、リソグラフィ法等でダミーパターンを形成し、当該ダミーパターンにサイドウォールを形成した後にダミーパターンを除去し、残存したサイドウォールをレジストマスクとして用いて、被加工膜をエッチングしてもよい。また、被加工膜のエッチングとして、高いアスペクト比を実現するために、異方性のドライエッチングを用いることが好ましい。また、無機膜または金属膜からなるハードマスクを用いてもよい。
レジストマスクの形成に用いる光は、例えばｉ線（波長３６５ｎｍ）、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｈ線（波長４０５ｎｍ）、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やＫｒＦレーザ光、またはＡｒＦレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ）やＸ線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、Ｘ線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。
また、レジストマスクとなるレジスト膜を形成する前に、被加工膜とレジスト膜との密着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。当該有機樹脂膜は、例えばスピンコート法などにより、その下方の段差を被覆して表面を平坦化するように形成することができ、当該有機樹脂膜の上方に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減できる。また、特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有機樹脂膜としては、例えばＢＡＲＣ（Ｂｏｔｔｏｍ Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｃｏａｔｉｎｇ）膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。
続いて、絶縁体２１４、および絶縁体２１６上に、導電体２０５となる導電膜、および導電体２０５となる導電膜を成膜する。導電体２０５となる導電膜、および導電体２０５となる導電膜は、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）などにより成膜することができる。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法が好ましい。
続いて、導電体２０５となる導電膜、および導電体２０５となる導電膜の不要な部分を除去する。例えば、エッチバック処理、または、機械的化学的研磨法（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理などにより、絶縁体２１６が露出するまで、導電体２０５となる導電膜、および導電体２０５となる導電膜の一部を除去することで、導電体２０５を形成する（。この際、絶縁体２１６をストッパ層として使用することもでき、絶縁体２１６が薄くなる場合がある。
ここで、ＣＭＰ処理とは、被加工物の表面を化学的・機械的な複合作用により平坦化する手法である。より具体的には、研磨ステージの上に研磨布を貼り付け、被加工物と研磨布との間にスラリー（研磨剤）を供給しながら研磨ステージと被加工物とを各々回転または揺動させて、スラリーと被加工物表面との間での化学反応と、研磨布と被加工物との機械的研磨の作用により、被加工物の表面を研磨する方法である。
なお、ＣＭＰ処理は、１回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてＣＭＰ処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うのが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせてもよい。
次に、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４を形成する。なお、絶縁体２２０、および絶縁体２２２は必ずしも設ける必要はない。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、絶縁体２１４、絶縁体２１６と同様の材料および方法で作製することができる。
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、連続成膜することが好ましい。連続的に成膜することで、絶縁体２２０と絶縁体２２２との界面、および絶縁体２２２と絶縁体２２４との界面に不純物が付着することなく、信頼性が高い絶縁体を形成することができる。
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、連続成膜することが好ましい。連続的に成膜することで、絶縁体２２０と絶縁体２２２との界面、および絶縁体２２２と絶縁体２２４との界面に不純物が付着することなく、信頼性が高い絶縁体を形成することができる。
特に、絶縁体２２４は、過剰酸素を含む絶縁層であることが好ましい。例えば、絶縁体２２４として、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを形成する。絶縁体２２４の形成後に酸素ドープ処理を行うことで、絶縁体２２４に過剰酸素領域を形成してもよい。
続いて、絶縁体２２４に含まれる水分または水素などの不純物をさらに低減するために、加熱処理を行うことが好ましい。
また、加熱処理の前に、酸化性ガスを用いたプラズマ処理を行ってもよい。例えば、亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ処理を行う。当該プラズマ処理を行うことで、露出した絶縁層中のフッ素濃度を低減することができる。また、試料表面の有機物を除去する効果も得られる。
加熱処理は、例えば、窒素や希ガスなどを含む不活性雰囲気下、酸化性ガス雰囲気下、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）雰囲気下で行なう。なお、「酸化性ガス雰囲気」とは、酸素、オゾンまたは窒化酸素などの酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含有する雰囲気をいう。また、「不活性雰囲気」とは、前述の酸化性ガスが１０ｐｐｍ未満であり、その他、窒素または希ガスで充填された雰囲気をいう。加熱処理中の圧力に特段の制約はないが、加熱処理は減圧下で行なうことが好ましい。
なお、不活性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。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。処理時間は２４時間以内とする。２４時間を超える加熱処理は生産性の低下を招くため好ましくない。
例えば、窒素ガス雰囲気中で４００℃、１時間の加熱処理を行った後、窒素ガスを酸素ガスに換えて、さらに４００℃、１時間の加熱処理を行なうとよい。始めに窒素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、絶縁体２２４に含まれる水分または水素などの不純物が放出されて、絶縁体２２４中の不純物濃度が低減される。続いて酸素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより絶縁体２２４中に酸素が導入される。
続いて、酸化物２３０ａとなる酸化膜２３０Ａと、酸化物２３０ｂとなる酸化膜２３０Ｂを順に成膜する。当該酸化物は、大気に触れさせることなく連続して成膜することが好ましい。
例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する。また、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。
特に、酸化膜２３０Ａの形成時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。
スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位Ｅ０が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位Ｅ１が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位Ｅ２となる領域が存在する。各電位の大小関係は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ０である。
プラズマ内のイオンが、電位差Ｅ２−Ｅ０によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を介して、形成された膜の下部にある絶縁体２２４に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差Ｅ２−Ｅ１によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、イオンの一部のイオンは、絶縁体２２４の内部まで到達する。イオンが絶縁体２２４に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体２２４に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体２２４に過剰酸素領域が形成される。
絶縁体２２４に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体２２４の過剰な酸素は、酸化物２３０に供給され、酸化物２３０の酸素欠損が補填することができる。
従って、酸化膜２３０Ａを成膜すると同時に、絶縁体２２４に過剰酸素を有する領域を形成することができる。なお、スパッタリングガスに含まれる酸素が多いほど、絶縁体２２４に供給される酸素も増加する。また、絶縁体２２４に供給された酸素の一部は、絶縁体２２４中に残存する水素と反応して水となり、後の加熱処理によって絶縁体２２４から放出される。従って、絶縁体２２４中の水素濃度を低減することができる。
続いて、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する。また、酸化膜２３０Ｂの形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。
続いて、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂに含まれる水分または水素などの不純物をさらに低減して、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを高純度化するために、加熱処理を行うことが好ましい。
また、加熱処理を行うことにより、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の不純物の放出と同時に、絶縁体２２４に含まれる酸素を酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中に拡散させ、該酸化物に含まれる酸素欠損を低減することができる。
加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。
加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。
例えば、窒素ガス雰囲気中で４００℃、１時間の加熱処理を行った後、窒素ガスを酸素ガスに換えて、さらに４００℃、１時間の加熱処理を行なうとよい。始めに窒素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂに含まれる水分または水素などの不純物が放出されて、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の不純物濃度が低減される。続いて酸素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中に酸素が導入される。
また、加熱処理の前に、酸化性ガスを用いたプラズマ処理を行ってもよい。例えば、亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ処理を行う。当該プラズマ処理を行うことで、露出した絶縁層中のフッ素濃度を低減することができる。また、試料表面の有機物を除去する効果も得られる。
次に、導電膜２４０Ａ、バリア膜２４５Ａ、およびハードマスクとなる膜２４１Ａを形成する（図３参照）。
例えば、導電膜２４０Ａとして、窒化タンタルをスパッタリング法で形成する。窒化タンタルは、耐酸化性が高いため、後工程において加熱処理を行う場合に好ましい。
また、導電膜２４０Ａが、酸化膜２３０Ｂと接することで、酸化膜２３０Ｂの表面に不純物元素が導入する場合がある。酸化膜２３０Ｂに不純物が添加されることで、トランジスタ２００のしきい値電圧を変化させることができる。なお、導電膜２４０Ａを形成する前に、イオン注入法、またはプラズマイマージョン注入法、または不純物元素を含むガスを用いたプラズマ処理などを行うことで、不純物元素を導入してもよい。また、導電膜２４０Ａの形成後に不純物元素の導入をイオン注入法などで行なってもよい。
例えば、バリア膜２４５Ａは、ＡＬＤ法により形成するとよい。ＡＬＤ法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える膜を形成することができる。
例えば、ハードマスクとなる膜２４１Ａとして、窒化タンタルをスパッタリング法で形成する。なお、該ハードマスクは、後の工程で、導電膜２４０Ａと同時に加工するため、導電膜２４０Ａと同じ材料、または、エッチングレートが近い材料で形成することが好ましい。
次に、ハードマスクとなる膜２４１Ａ上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、ハードマスクとなる膜２４１Ａの一部を選択的に除去することで、開口を有するハードマスクとなる膜２４１Ｂを形成する（図４参照）。なお、本レジストマスクによる開口は、最小加工寸法とすることが好ましい。従って、膜２４１Ｂは、幅が最小加工寸法の開口を有する。
なお、開口を形成する際に、ハードマスクとなる膜２４１Ｂの開口側の側面は、導電膜２４０Ａの上面に対して、角度を有することが好ましい。なお、角度は、３０度以上９０度以下、好ましくは４５度以上８０度以下とする。
次に、ハードマスクとなる膜２４１Ｂ、およびバリア膜２４５Ａ上に、フォトリソグラフィ法により、レジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、ハードマスクとなる膜２４１Ｂ、バリア膜２４５Ａ、および導電膜２４０Ａの一部を選択的に除去し、島状の導電膜２４０Ｂ、ハードマスク２４１ａ、ハードマスク２４１ｂ、およびバリア膜２４５Ｂを形成する（図５参照）。
続いて、島状の導電膜２４０Ｂ、ハードマスク２４１ａ、ハードマスク２４１ｂをマスクとして、バリア膜２４５Ｂの一部、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの一部を選択的に除去する。なお、本工程において、同時に絶縁体２２４の一部も除去される場合がある。その後、レジストマスクを除去することにより、島状の酸化物２３０ａ、島状の酸化物２３０ｂ、を形成することができる（図６参照）。
なお、この時、バリア膜２４５Ｂから、バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂが形成する。つまり、ハードマスクとなる膜２４１Ｂにおける開口を最小加工寸法とした場合、バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂの間の距離は、最小寸法となる。
続いて、ハードマスク２４１ａ、およびハードマスク２４１ｂを除去すると同時に、バリア膜２４５Ｂ、および島状の導電膜２４０Ｂの一部を選択的に除去する。本工程により、導電膜２４０Ｂを、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂに分離する（図６参照）。
導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂは、トランジスタ２００のソース電極およびドレイン電極としての機能を有するので、導電体２４０ａと導電体２４０ｂのお互いに向かい合う間隔の長さは、本トランジスタのチャネル長と呼ぶことができる。つまり、バリア膜２４５Ｂの開口を最小加工寸法とした場合、バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂの間の距離は、最小寸法であるため、最小加工寸法より小さなゲート線幅およびチャネル長を形成することができる。
なお、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４０Ａ、およびバリア膜２４５Ａの除去は、ドライエッチング法や、ウェットエッチング法などを用いて行なうことができる。ドライエッチング法とウェットエッチング法の両方を用いてもよい。
また、ドライエッチング法により導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂを形成した場合は、露出した酸化物２３０ｂにエッチングガスの残留成分などの不純物元素が付着する場合がある。例えば、エッチングガスとして塩素系ガスを用いると、塩素などが付着する場合がある。また、エッチングガスとして炭化水素系ガスを用いると、炭素や水素などが付着する場合がある。このため、酸化物２３０ｂの露出した表面に付着した不純物元素を低減することが好ましい。当該不純物の低減は、例えば、希フッ酸などを用いた洗浄処理、オゾンなどを用いた洗浄処理、または紫外線などを用いた洗浄処理で行なえばよい。なお、複数の洗浄処理を組み合わせてもよい。
また、酸化性ガスを用いたプラズマ処理を行ってもよい。例えば、亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ処理を行う。当該プラズマ処理を行うことで、酸化物２３０ｂ中のフッ素濃度を低減することができる。また、試料表面の有機物を除去する効果も得られる。
また、露出した酸化物２３０ｂに対して、酸素ドープ処理を行ってもよい。
次に、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、絶縁膜２７０Ａ、および絶縁膜２７１Ａを成膜する（図７参照）。
酸化膜２３０Ｃとして、酸化物２３０ａ、または酸化物２３０ｂと同様の酸化物を成膜することが好ましい。従って、酸化膜２３０Ｃは、酸化物２３０ａ、または酸化物２３０ｂと同様の工程で成膜することができる。
なお、酸化膜２３０Ｃを形成後に、酸素ドープ処理、または加熱処理の一方、あるいは両方を行ってもよい。加熱処理を行うことで、酸化物２３０ａおよび酸化膜２３０Ｃに含まれる酸素を酸化物２３０ｂに供給することができる。酸化物２３０ｂに酸素を供給することで、酸化物２３０ｂ中の酸素欠損を低減することができる。
例えば、絶縁膜２５０Ａは、絶縁体２２４と同様の材料、および製法で成膜することができる。
導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。
絶縁膜２７０Ａには、被膜性が高く、緻密な膜を用いることが好ましい。また、絶縁膜２７０Ａには、酸素、水素、および水に対するバリア性を有することが好ましい。例えば、絶縁膜２７０Ａとして、ＡＬＤ法により、酸化アルミニウムを成膜するとよい。ＡＬＤ法を用いて成膜することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁膜２７０Ａを形成することができる。
絶縁膜２７１Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。ここで、絶縁膜２７１Ａの膜厚は、後の工程で成膜する絶縁膜２７２Ａの膜厚より厚くすることが好ましい。これにより、後の工程で絶縁体２７２を形成する際、導電体２６０の上に絶縁体２７１を、容易に残存させることができる。
次に、絶縁膜２７１Ａ上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、絶縁膜２７１Ａの一部を選択的に除去して絶縁体２７１を形成する。ここで、絶縁体２７１は、ハードマスクとして機能する。絶縁体２７１を設けることで、絶縁体２５０の側面、導電体２６０ａの側面、導電体２６０ｂの側面、および絶縁体２７０の側面を、基板の上面に対し、概略垂直に形成することができる。
次に、絶縁体２７１をマスクとして、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、絶縁膜２７０Ａの一部を除去し、導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）、および絶縁体２７０を形成する（図８参照。）。
次に、酸化膜２３０Ｃと、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１の積層体上に、絶縁体２７２となる絶縁膜を成膜する（図９参照）。続いて、絶縁体２７２となる絶縁膜に対し、エッチバック処理を行うことで、絶縁体２７２を形成する（図１０参照）。
なお、本工程と同時に、絶縁膜２５０Ａ、および酸化膜２３０Ｃの一部を除去し、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃを形成してもよい。
以上の工程により、本発明の一態様のトランジスタ２００を作製することができる。
続いて、トランジスタ２００上に、絶縁体２８０を形成する。また、絶縁体２８０となる絶縁体を形成した後、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。
なお、絶縁体２８０は、絶縁体２８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。従って、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体を用いるとよい。過剰酸素を含む絶縁体を形成する方法としては、ＣＶＤ法やスパッタリング法における成膜条件を適宜設定して膜中に酸素を多く含ませた酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
なお、絶縁体２８０に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて、絶縁体２８２の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁体２８０に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。
例えば、成膜後の絶縁体２８０に酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。
また、酸素導入処理として、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよく、例えば、二酸化炭素と水素とアルゴンの混合ガスを用いることができる。
続いて、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２および絶縁体２８４を形成する（図１１参照）。
絶縁体２８２は、スパッタリング装置により成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２８３を介して、絶縁体２８２の下層である絶縁体２８０に過剰酸素領域を形成することができる。
続いて、絶縁体２８２上に、絶縁体２８４形成する。また、絶縁体２８４を成膜した後、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。
続いて、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、およびバリア層２４５に、導電体２４０に到達する開口を形成する（図１２参照）。
次に、導電体２４６となる導電膜を形成する。例えば、導電体２４６となる導電膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。特に、ＣＶＤ法（特にＭＯＣＶＤ法）を用いることが好ましい。また、ＭＯＣＶＤ法で成膜する導電体の密着性を高めるために、ＡＬＤ法などによって成膜した導電体と、ＣＶＤ法で成膜した導電体との多層膜にすると好ましい場合がある。
続いて、導電体２４６となる導電膜の不要な部分を除去する。例えば、エッチバック処理、または、機械的化学的研磨法（ＣＭＰ）処理などにより、絶縁体２８４が露出するまで、導電体２４６となる導電膜の一部を除去することで導電体２４６を形成する（図１参照）。
以上の工程により、本発明の一態様の半導体装置を作製することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、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１３および図１４を用いて説明する。
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１３および図１４を用いて説明する。
［記憶装置１］
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置（記憶装置）の一例を図１３に示す。本発明の一態様の半導体装置は、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。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００を用いることができる。
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置（記憶装置）の一例を図１３に示す。本発明の一態様の半導体装置は、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。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００を用いることができる。
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る。トランジスタ２００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１３に示す半導体装置において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２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１００３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１００４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１００６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１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
また、図１３に示す記憶装置は、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。
＜＜トランジスタ３００＞＞
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体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。
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体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。
ここで、図１３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。
なお、図１３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。
＜＜容量素子１００＞＞
容量素子１００は、トランジスタ２００の上方に設けられる。容量素子１００は、第１の電極として機能する導電体１１０と、第２の電極として機能する導電体１２０、および誘電体として機能する絶縁体１３０とを有する。
容量素子１００は、トランジスタ２００の上方に設けられる。容量素子１００は、第１の電極として機能する導電体１１０と、第２の電極として機能する導電体１２０、および誘電体として機能する絶縁体１３０とを有する。
また、例えば、導電体２４６上に設けた導電体１１２と、導電体１１０は、同時に形成することができる。なお、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、または配線としての機能を有する。
図１３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、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と、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料との積層構造を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子１００は、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、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。
なお、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料（高い比誘電率の材料）の絶縁体としては、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がある。
一方、絶縁耐力が大きい材料（低い比誘電率の材料）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、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がある。
＜＜配線層＞＞
各構造体の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられる。ここで、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。
各構造体の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられる。ここで、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。
例えば、トランジスタ３００上には、層間膜として、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。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する。
また、層間膜として機能する絶縁体は、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。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。
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１３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する。
同様に、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。さらに、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。
層間膜として用いることができる絶縁体としては、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。
例えば、層間膜として機能する絶縁体には、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。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
例えば、絶縁体１５０、絶縁体２１２、絶縁体３５２、および絶縁体３５４等には、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、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、当該絶縁体は、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。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、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。従って、絶縁体２１０、および絶縁体３５０等には、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。
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。具体的には、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として、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ることができる。
配線、プラグに用いることができる導電体としては、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。
例えば、導電体３２８、導電体３３０、導電体３５６、導電体２１８、および導電体１１２等としては、上記の材料で形成される金属材料、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。
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、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。
［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１４に示す。図１４に示す記憶装置は、図１３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４００を有している。
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１４に示す。図１４に示す記憶装置は、図１３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４００を有している。
トランジスタ４００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４００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４００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４００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４００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４００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４００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１４において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２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１００３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１００４はトランジスタ２００のゲートと電気的に接続され、配線１００６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１００５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１００７はトランジスタ４００のソースと電気的に接続され、配線１００８はトランジスタ４００のゲートと電気的に接続され、配線１００９はトランジスタ４００のバックゲートと電気的に接続され、配線１０１０はトランジスタ４００のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線１００６、配線１００７、配線１００８、及び配線１００９が電気的に接続されている。
また、図１４に示す記憶装置は、図１３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４００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４００は、トランジスタ２００よりも、少ない個数を設けるとよい。
＜＜トランジスタ４００＞＞
トランジスタ４００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。トランジスタ４００は、第１のゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電体４０５（導電体４０５ａ、および導電体４０５ｂ）と、導電体４６０と接する絶縁体４７０、および絶縁体４７２と、絶縁体４７０上の絶縁体４７１と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体４４０ａ、酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体４４０ｂ、酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、導電体４４０（導電体４４０ａ、および導電体４４０ｂ）絶縁体４４５（絶縁体４４５ａ、および絶縁体４４５ｂ）を有する。
トランジスタ４００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。トランジスタ４００は、第１のゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電体４０５（導電体４０５ａ、および導電体４０５ｂ）と、導電体４６０と接する絶縁体４７０、および絶縁体４７２と、絶縁体４７０上の絶縁体４７１と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体４４０ａ、酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体４４０ｂ、酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、導電体４４０（導電体４４０ａ、および導電体４４０ｂ）絶縁体４４５（絶縁体４４５ａ、および絶縁体４４５ｂ）を有する。
トランジスタ４００において、導電体４０５は、導電体２０５と、同じ層である。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａと、酸化物２３０ａと、同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂと、酸化物２３０ｂと、同じ層である。導電体４４０は、導電体２４０と、同じ層である。酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃは同じ層である。絶縁体４５０は、絶縁体２５０と、同じ層である。絶縁体４７２は、絶縁体２７２と、同じ層である。導電体４６０は、導電体２６０と、同じ層である。絶縁体４７０は、絶縁体２７０と、同じ層である。
なお、同じ層に形成された構造体は、同時に形成することができる。例えば、酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃとなる酸化膜を加工することで、形成することができる。
トランジスタ４００の活性層として機能する酸化物４３０ｃは、酸化物２３０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４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、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を非常に小さくすることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態や実施例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。
（実施の形態３）
本実施の形態では、図１５および図１６を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ場合がある。）、および容量素子が適用されている記憶装置（以下、ＯＳメモリ装置と呼ぶ場合がある。）について説明する。ＯＳメモリ装置は、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有する記憶装置である。ＯＳトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、ＯＳメモリ装置は優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
本実施の形態では、図１５および図１６を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ場合がある。）、および容量素子が適用されている記憶装置（以下、ＯＳメモリ装置と呼ぶ場合がある。）について説明する。ＯＳメモリ装置は、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有する記憶装置である。ＯＳトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、ＯＳメモリ装置は優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
＜記憶装置の構成例＞
図１５（Ａ）にＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、コントロールロジック回路１４６０を有する。
図１５（Ａ）にＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、コントロールロジック回路１４６０を有する。
列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、および書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。
コントロールロジック回路１４６０は、外部からの入力信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。ＣＥは、チップイネーブル信号であり、ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
メモリセルアレイ１４７０は、行列状に配置された、複数個のメモリセルＭＣと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ１４７０と行回路１４２０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一列に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ１４７０と列回路１４３０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一行に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。
なお、図１５（Ａ）において、周辺回路１４１１とメモリセルアレイ１４７０を同一平面上に形成する例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図１５（Ｂ）に示すように、周辺回路１４１１の一部の上に、メモリセルアレイ１４７０が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。
図１６に上述のメモリセルＭＣに適用できるメモリセルの構成例について説明する。
［ＤＯＳＲＡＭ］
図１６（Ａ）乃至（Ｃ）に、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、１ＯＳトランジスタ１容量素子型のメモリセルを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ場合がある。図１６（Ａ）に示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（フロントゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
図１６（Ａ）乃至（Ｃ）に、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、１ＯＳトランジスタ１容量素子型のメモリセルを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ場合がある。図１６（Ａ）に示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（フロントゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７１に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１６（Ｂ）に示すメモリセル１４７２のように、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１６（Ｃ）に示すメモリセル１４７３ように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ１で構成されたメモリセルとしてもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７１等に用いる場合、トランジスタＭ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＡとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
また、ＤＯＳＲＡＭにおいて、上記のように、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
［ＮＯＳＲＡＭ］
図１６（Ｄ）乃至（Ｈ）に、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図１６（Ｄ）に示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
図１６（Ｄ）乃至（Ｈ）に、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図１６（Ｄ）に示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、データの読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７４に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１６（Ｅ）に示すメモリセル１４７５のように、トランジスタＭ２のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１６（Ｆ）に示すメモリセル１４７６のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ２で構成されたメモリセルとしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１６（Ｇ）に示すメモリセル１４７７のように、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ３としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＢとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に低くすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７４に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至１４７７も同様である。
なお、トランジスタＭ３は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタと呼ぶ場合がある）であってもよい。Ｓｉトランジスタの導電型は、ｎチャネル型としてもよいし、ｐチャネル型としてもよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタＭ３として、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタＭ３にＳｉトランジスタを用いることで、トランジスタＭ３の上に積層してトランジスタＭ２を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。
また、トランジスタＭ３はＯＳトランジスタであってもよい。トランジスタＭ２、Ｍ３にＯＳトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ１４７０を単極性回路によって構成することができる。
また、図１６（Ｈ）に３トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの一例を示す。図１６（Ｈ）に示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至Ｍ６、および容量素子ＣＣを有する。容量素子ＣＣは適宜設けられる。メモリセル１４７８は、配線ＢＩＬ、ＲＷＬ、ＷＷＬ、ＢＧＬ、およびＧＮＤＬに電気的に接続されている。配線ＧＮＤＬは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル１４７８を、配線ＢＩＬに代えて、配線ＲＢＬ、ＷＢＬに電気的に接続してもよい。
トランジスタＭ４は、バックゲートを有するＯＳトランジスタであり、バックゲートは配線ＢＧＬに電気的に接続されている。なお、トランジスタＭ４のバックゲートとゲートとを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭ４はバックゲートを有さなくてもよい。
なお、トランジスタＭ５、Ｍ６はそれぞれ、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはｐチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、トランジスタＭ４乃至Ｍ６がＯＳトランジスタでもよい、この場合、メモリセルアレイ１４７０を単極性回路によって構成することができる。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７８に用いる場合、トランジスタＭ４としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ５、Ｍ６としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＣとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４のリーク電流を非常に低くすることができる。
なお、本実施の形態に示す、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態や実施例に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、図１７を用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ１２００の一例を示す。チップ１２００には、複数の回路（システム）が実装されている。このように、複数の回路（システム）を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）と呼ぶ場合がある。
本実施の形態では、図１７を用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ１２００の一例を示す。チップ１２００には、複数の回路（システム）が実装されている。このように、複数の回路（システム）を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）と呼ぶ場合がある。
図１７（Ａ）に示すように、チップ１２００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１１、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１２、一または複数のアナログ演算部１２１３、一または複数のメモリコントローラ１２１４、一または複数のインターフェース１２１５、一または複数のネットワーク回路１２１６等を有する。
チップ１２００には、バンプ（図示しない）が設けられ、図１７（Ｂ）に示すように、プリント基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）１２０１の第１の面と接続する。また、ＰＣＢ１２０１の第１の面の裏面には、複数のバンプ１２０２が設けられており、マザーボード１２０３と接続する。
マザーボード１２０３には、ＤＲＡＭ１２２１、フラッシュメモリ１２２２等の記憶装置が設けられていてもよい。例えば、ＤＲＡＭ１２２１に先の実施の形態に示すＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ１２２２に先の実施の形態に示すＮＯＳＲＡＭを用いることができる。
ＣＰＵ１２１１は、複数のＣＰＵコアを有することが好ましい。また、ＧＰＵ１２１２は、複数のＧＰＵコアを有することが好ましい。また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２に共通のメモリが、チップ１２００に設けられていてもよい。該メモリには、前述したＮＯＳＲＡＭや、ＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、ＧＰＵ１２１２は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理や積和演算に用いることができる。ＧＰＵ１２１２に、本発明の酸化物半導体を用いた画像処理回路や、積和演算回路を設けることで、画像処理、および積和演算を低消費電力で実行することが可能になる。
また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が同一チップに設けられていることで、ＣＰＵ１２１１およびＧＰＵ１２１２間の配線を短くすることができ、ＣＰＵ１２１１からＧＰＵ１２１２へのデータ転送、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が有するメモリ間のデータ転送、およびＧＰＵ１２１２での演算後に、ＧＰＵ１２１２からＣＰＵ１２１１への演算結果の転送を高速に行うことができる。
アナログ演算部１２１３はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路の一、または両方を有する。また、アナログ演算部１２１３に上記積和演算回路を設けてもよい。
メモリコントローラ１２１４は、ＤＲＡＭ１２２１のコントローラとして機能する回路、およびフラッシュメモリ１２２２のインターフェースとして機能する回路を有する。
インターフェース１２１５は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コントローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとして、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などを用いることができる。
ネットワーク回路１２１６は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワーク回路を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよい。
チップ１２００には、上記回路（システム）を同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、チップ１２００に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増やす必要が無く、チップ１２００を低コストで作製することができる。
ＧＰＵ１２１２を有するチップ１２００が設けられたＰＣＢ１２０１、ＤＲＡＭ１２２１、およびフラッシュメモリ１２２２が設けられたマザーボード１２０３は、ＧＰＵモジュール１２０４と呼ぶことができる。
ＧＰＵモジュール１２０４は、ＳｏＣ技術を用いたチップ１２００を有しているため、そのサイズを小さくすることができる。また、画像処理に優れていることから、スマートフォン、タブレット端末、ラップトップＰＣ、携帯型（持ち出し可能な）ゲーム機などの携帯型電子機器に用いることが好適である。また、ＧＰＵ１２１２を用いた積和演算回路により、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの演算を実行することができるため、チップ１２００をＡＩチップ、またはＧＰＵモジュール１２０４をＡＩシステムモジュールとして用いることができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図１８にリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図１８にリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
図１８（Ａ）はＵＳＢメモリの模式図である。ＵＳＢメモリ１１００は、筐体１１０１、キャップ１１０２、ＵＳＢコネクタ１１０３および基板１１０４を有する。基板１１０４は、筐体１１０１に収納されている。例えば、基板１１０４には、メモリチップ１１０５、コントローラチップ１１０６が取り付けられている。基板１１０４のメモリチップ１１０５などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図１８（Ｂ）はＳＤカードの外観の模式図であり、図１８（Ｃ）は、ＳＤカードの内部構造の模式図である。ＳＤカード１１１０は、筐体１１１１、コネクタ１１１２および基板１１１３を有する。基板１１１３は筐体１１１１に収納されている。例えば、基板１１１３には、メモリチップ１１１４、コントローラチップ１１１５が取り付けられている。基板１１１３の裏面側にもメモリチップ１１１４を設けることで、ＳＤカード１１１０の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板１１１３に設けてもよい。これによって、ホスト装置とＳＤカード１１１０間の無線通信によって、メモリチップ１１１４のデータの読み出し、書き込みが可能となる。基板１１１３のメモリチップ１１１４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図１８（Ｄ）はＳＳＤの外観の模式図であり、図１８（Ｅ）は、ＳＳＤの内部構造の模式図である。ＳＳＤ１１５０は、筐体１１５１、コネクタ１１５２および基板１１５３を有する。基板１１５３は筐体１１５１に収納されている。例えば、基板１１５３には、メモリチップ１１５４、メモリチップ１１５５、コントローラチップ１１５６が取り付けられている。メモリチップ１１５５はコントローラチップ１１５６のワークメモリであり、例えばＤＯＳＲＡＭチップを用いればよい。基板１１５３の裏面側にもメモリチップ１１５４を設けることで、ＳＳＤ１１５０の容量を増やすことができる。基板１１５３のメモリチップ１１５４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
本実施例では、試料１Ａ、試料１Ｂおよび試料１Ｃとして、本発明の一態様である、図１に示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製し、トランジスタ２００の電気特性の測定を行った。なお、トランジスタ２００のチャネル長は６０ｎｍ、チャネル幅は６０ｎｍとした。また、試料１Ａ、試料１Ｂ、および試料１Ｃは、同一工程にて、複数個のトランジスタ２００を形成した。試料１Ａ、および試料１Ｂは、トランジスタ２００の密度が０．８９個／μｍ２、試料１Ｃは、トランジスタ２００の密度が、２．９４個／μｍ２となるようにした。
ここで、試料１Ａは、絶縁体２７２の膜厚を１５ｎｍで成膜した。一方、試料１Ｂおよび試料１Ｃは、絶縁体２７２の膜厚を５ｎｍで成膜した。下表に、試料１Ａ乃至試料１Ｃにおける絶縁体２７２の膜厚と、トランジスタ２００の密度を示す。
＜試料の作製方法＞
以下に、試料１Ａ、試料１Ｂ、および試料１Ｃの作製方法を説明する。
以下に、試料１Ａ、試料１Ｂ、および試料１Ｃの作製方法を説明する。
酸化物２３０ａとなる第１の酸化物をとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物をスパッタリング法により、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜した。続いて、第１の酸化物上に、酸化物２３０ｂとなる第２の酸化物として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物をスパッタリング法により、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜した。なお、第１の酸化物と第２の酸化物とは、連続成膜した。
次に、第２の酸化物上に、導電体２４０となる窒化タンタル膜、およびバリア層２４５となる絶縁膜を成膜した。その後、当該窒化タンタル膜、当該絶縁膜、第２の酸化物、および第１の酸化物を加工し、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂを形成した。
次に、酸化物２３０ｃとなる第３の酸化物として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物をスパッタリング法により、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜した。
次に、絶縁体２５０となる酸化窒化シリコン膜を成膜した。
次に、絶縁体２５０となる酸化窒化シリコン膜上に、導電体２６０ａとなる導電膜として、窒化チタン膜を成膜した。続いて、導電体２６０ｂとなる導電膜として、タングステン膜を成膜した。なお、窒化チタン膜、およびタングステン膜は連続成膜により形成した。
次に、絶縁体２７０となる膜として酸化アルミニウム膜を成膜した後、絶縁体２７１となる膜として酸化窒化シリコンを成膜した。その後、該酸化窒化シリコン膜、該酸化アルミニウム膜、該タングステン膜、および該窒化チタン膜を加工し、絶縁体２７１、絶縁体２７０、および導電体２６０を形成した。
次に、絶縁体２７２となる酸化アルミニウム膜を成膜した。成膜条件は、基板温度を２５０℃とし、Ａｌ（ＣＨ３）３を含む固体を昇華させた原料ガスと、酸化剤としてＯ３ガス、およびＯ２ガスを用いた。
続いて、マスクを用いずに、上記酸化アルミニウム膜の一部、および絶縁体２５０となる酸化窒化シリコン膜に対し、異方性のドライエッチングを行い、導電体２６０の側壁部に絶縁体２７２を形成した。なお、当該ドライエッチングにより、絶縁体２５０となる膜の一部も除去し、絶縁体２５０を形成した。その後、絶縁体２７１、絶縁体２７２をマスクとして、酸化物２３０ｃとなる第３の酸化物の一部を除去し、酸化物２３０ｃを形成した。
次に、ＣＶＤ法によって、絶縁体２８０となる酸化窒化シリコン膜を成膜した。続いて、ＣＭＰ処理を行ない、当該酸化窒化シリコン膜を研磨し、酸化窒化シリコン膜の表面を平坦化することで、絶縁体２８０を形成した。
次に、絶縁体２８０上に、スパッタリング法によって、絶縁体２８２として酸化アルミニウム膜を、酸素を含む雰囲気下にて、成膜した。
以上の工程より、試料１Ａ、乃至試料１Ｃを作製した。
＜トランジスタの電気特性＞
次に、試料２Ａ乃至試料２Ｅの電気特性として、Ｉｄ−Ｖｇ特性を測定した。
次に、試料２Ａ乃至試料２Ｅの電気特性として、Ｉｄ−Ｖｇ特性を測定した。
なお、Ｉｄ−Ｖｇ特性の測定では、トランジスタ２００の第１のゲート電極として機能する導電体２６０に印加する電位（以下、ゲート電位（Ｖｇ）ともいう）を、第１の値から第２の値まで変化させたときの、ソース電極として機能する導電体２４０ｓとドレイン電極として機能する導電体２４０ｄとの間の電流（以下、ドレイン電流（Ｉｄ）ともいう）の変化を測定する。
ここでは、導電体２４０ｓに印加する電位（以下、ソース電位Ｖｓともいう）と導電体２４０ｄに印加する電位（以下、ドレイン電位Ｖｄともいう）との差である電圧（以下、ドレイン電圧ともいう）を＋０．１Ｖ、または＋１．２Ｖとし、ソース電位とゲート電位と差である電圧（以下、ゲート電圧ともいう）を−４．０Ｖから＋４．０Ｖまで変化させたときのドレイン電流（Ｉｄ）の変化を測定した。
なお、本測定においては、第２のゲート電極（バックゲート電極）として機能する導電体２０５の電位（以下、バックゲート電位（Ｖｂｇ）ともいう）を、０．００Ｖとした。
図１９に、試料１Ａ、試料１Ｂ、および試料１Ｃのそれぞれ９個のトランジスタに対し、Ｉｄ−Ｖｇ特性の初期特性を測定した結果を示す。なお、図１９（Ａ）に試料１Ａの測定結果、図１９（Ｂ）に試料１Ｂの測定結果、および図１９（Ｃ）に試料１Ｃの測定結果を、それぞれ示す。
図１に示す結果より、試料１Ａ乃至試料１Ｂは、優れた電気特性を有することがわかった。これは、絶縁体２７２を有することで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、導電体２６０に吸収されることが、抑制され、酸化物２３０へ、十分な過剰酸素が供給できたと推測できる。つまり、絶縁体２８０が有する過剰酸素は、効率的に酸化物２３０へと供給され、酸素欠損を補償することができることが確認できた。また、絶縁体２７２、および絶縁体２７０により、導電体２６０の酸化を抑制することができた。
なお、試料１Ａと試料１Ｂとの比較より、絶縁体２７２は５ｎｍ程度の膜厚でも、十分に機能することがわかった。従って、複数のトランジスタ２００を集積する場合、設計自由度が向上し、高集積化が可能となる。また、試料１Ｂと試料１Ｃとの比較より、トランジスタ２００の密度に関わらず、良好な特性であることが確認できた。つまり、試料１Ｃのように、トランジスタ２００の密度が高い場合でも、ばらつきや特性に変化は見られなかった。
以上より、本発明の一態様を用いたトランジスタは、優れた信頼性を有するトランジスタを有する半導体装置であることが確認できた。また、本発明の一態様を用いたトランジスタは良好な電気特性を有し、また、ばらつきが小さいことがわかった。
本実施例は、少なくともその一部を本明細書中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。
本実施例では、試料２Ａ、試料２Ｂ、試料２Ｃ、および試料２Ｄとして、本発明の一態様である、図２に示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製し、トランジスタ２００の電気特性の測定を行った。なお、トランジスタ２００のチャネル長は６０ｎｍ、チャネル幅は６０ｎｍとした。また試料２Ａ、試料２Ｂ、試料２Ｃ、および試料２Ｄは、同一工程にて、複数個のトランジスタ２００を形成し、トランジスタ２００の密度が０．８９個／μｍ２となるようにした。
本実施例では、絶縁体２８２を成膜する際の酸素ガスの割合により、絶縁体２８０が有する過剰酸素量を調整した。試料２Ａ乃至試料２Ｄは、絶縁体２８３の成膜時において、酸素ガスの割合が異なる。試料２Ａ乃至試料２Ｄにおいて、絶縁体２８３の成膜時の酸素ガスの割合を下表に示す。
また、本実施例では、トランジスタ２００の酸化物半導体の近傍に、過剰酸素領域を有する構造体として絶縁体２８０を設けた。また、酸素を吸収する可能性がある構造体である導電体２４６と、過剰酸素領域を有する構造体である絶縁体２８０との間に、バリア性を有する構造体であるバリア層２７６を配置した。つまり、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、他の構造体に吸収されることなく、効率的に酸化物２３０に、供給することができる。
＜試料の作製方法＞
以下に、試料２Ａ、試料２Ｂ、試料２Ｃ、および試料２Ｄの作製方法を説明する。
以下に、試料２Ａ、試料２Ｂ、試料２Ｃ、および試料２Ｄの作製方法を説明する。
まず、先の実施例と同様に、酸化物２３０を有するトランジスタ２００を形成した。
次に、絶縁体２８０として、ＣＶＤ法によって、膜厚６０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を成膜した。成膜ガスは、シラン（ＳｉＨ４）、および一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）を用いた。また、反応室の圧力を８００Ｐａとし、基板表度を３２５℃、１５０Ｗ（６０ＭＨｚ）の高周波（ＲＦ）電力を印加することで成膜した。
続いて、絶縁体２８０上に、スパッタリング法によって、絶縁体２８２として酸化アルミニウム膜を、酸素を含む雰囲気下にて、成膜した。成膜条件は、酸化アルミニウムのターゲットを用い、酸素（Ｏ２）ガスとアルゴンガス（Ａｒ）との混合雰囲気下にて、成膜温度２５０℃、圧力０．４Ｐａ、ターゲットと基板との間の距離を６０ｍｍ、２．５ｋＷの電源電力（ＲＦ）を印加し、成膜した。
次に、絶縁体２８３として、ＡＬＤ法により、酸化アルミニウムを成膜した。
以上の工程より、試料２Ａ、乃至試料２Ｄを作製した。
＜トランジスタの電気特性＞
次に、試料２Ａ乃至試料２Ｅの電気特性として、Ｉｄ−Ｖｇ特性を測定した。なお、Ｉｄ−Ｖｇ特性の測定は、先の実施例と同条件で行った。
次に、試料２Ａ乃至試料２Ｅの電気特性として、Ｉｄ−Ｖｇ特性を測定した。なお、Ｉｄ−Ｖｇ特性の測定は、先の実施例と同条件で行った。
図２０に、試料２Ａ乃至試料２Ｄのそれぞれ３６個のトランジスタに対し、Ｉｄ−Ｖｇ特性の初期特性を測定した結果を示す。なお、図２０（Ａ）に試料２Ａの測定結果、図２０（Ｂ）に試料２Ｂの測定結果、図２０（Ｃ）に試料２Ｃの測定結果、および図２０（Ｄ）に試料２Ｄの測定結果を、それぞれ示す。
図２０に示す結果より、試料２Ａ乃至試料２Ｂはトランジスタの電気特性を有することがわかった。従って、絶縁体２８０が有する過剰酸素は、効率的に酸化物２３０へと供給され、酸素欠損を補償することができることが確認できた。
ここで、絶縁体２８２の成膜条件より、絶縁体２８０が有する過剰酸素量は、試料２Ａ、試料２Ｂ、試料２Ｃ、試料２Ｄの順で少ない。図２より、他の構造体に過剰酸素が他の構造体に吸収されることを抑制することで、酸化物半導体を有するトランジスタに供給する過剰酸素量を少なくしても、良好な電気特性を有するトランジスタを提供できることが確認できた。
以上より、本発明の一態様を用いたトランジスタは、優れた信頼性を有するトランジスタを有する半導体装置であることが確認できた。また、本発明の一態様を用いたトランジスタは良好な電気特性を有し、また、ばらつきが小さいことがわかった。
本実施例は、少なくともその一部を本明細書中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。
１００ 容量素子、１１０ 導電体、１１２ 導電体、１２０ 導電体、１３０ 絶縁体、１５０ 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、２３０ 酸化物、２３０ａ 酸化物、２３０Ａ 酸化膜、２３０ｂ 酸化物、２３０Ｂ 酸化膜、２３０ｃ 酸化物、２３０Ｃ 酸化膜、２４０ 導電体、２４０ａ 導電体、２４０Ａ 導電膜、２４０ｂ 導電体、２４０Ｂ 導電膜、２４０ｄ 導電体、２４０ｓ 導電体、２４１ａ ハードマスク、２４１Ａ 膜、２４１ｂ ハードマスク、２４１Ｂ 膜、２４５ バリア層、２４５ａ バリア層、２４５Ａ バリア膜、２４５ｂ バリア層、２４５Ｂ バリア膜、２４６ 導電体、２４６ａ 導電体、２４６ｂ 導電体、２４８ 導電体、２５０ 絶縁体、２５０Ａ 絶縁膜、２６０ 導電体、２６０ａ 導電体、２６０Ａ 導電膜、２６０ｂ 導電体、２６０Ｂ 導電膜、２７０ 絶縁体、２７０Ａ 絶縁膜、２７１ 絶縁体、２７１Ａ 絶縁膜、２７２ 絶縁体、２７２Ａ 絶縁膜、２７６ バリア層、２７６ａ バリア層、２７６ｂ バリア層、２８０ 絶縁体、２８２ 絶縁体、２８３ 絶縁体、２８４ 絶縁体、３００ トランジスタ、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、３５０ 絶縁体、３５２ 絶縁体、３５４ 絶縁体、３５６ 導電体、４００ トランジスタ、４０５ 導電体、４０５ａ 導電体、４０５ｂ 導電体、４３０ｃ 酸化物、４３１ａ 酸化物、４３１ｂ 酸化物、４３２ａ 酸化物、４３２ｂ 酸化物、４４０ 導電体、４４０ａ 導電体、４４０ｂ 導電体、４４５ 絶縁体、４４５ａ 絶縁体、４４５ｂ 絶縁体、４５０ 絶縁体、４６０ 導電体、４６０ａ 導電体、４６０ｂ 導電体、４７０ 絶縁体、４７１ 絶縁体、４７２ 絶縁体
Claims (4)
- トランジスタと、第１の絶縁体と、第２の絶縁体と、を有し、
前記トランジスタは、
第１の金属酸化物上に、第１の導電体、および第２の導電体を有し、
前記第１の導電体、前記第２の導電体、前記第１の金属酸化物上に、第２の金属酸化物を有し、
前記第２の金属酸化物上に第３の絶縁体を有し、
前記第３の絶縁体上に第３の導電体を有し、
前記第３の導電体上に第４の絶縁体を有し、
前記第３の導電体、および第４の絶縁体の側面に接して、サイドウォール形状の第５の絶縁体を有し、
前記第５の絶縁体は、前記第２の金属酸化物、および第３の絶縁体を介して、前記第１の導電体、および前記第２の導電体と重畳する領域を有し、
前記第１の絶縁体は、過剰酸素領域を有し、
前記第２の絶縁体、前記第４の絶縁体、および前記第５の絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有することを特徴とする半導体装置。 - トランジスタと、第１の絶縁体と、第２の絶縁体と、第３の絶縁体と、第４の絶縁体と、第１のプラグと、第２のプラグとを有し、
前記トランジスタは、
第１の金属酸化物上に、第１の導電体、および第２の導電体を有し、
前記第１の導電体、前記第２の導電体、前記第１の金属酸化物上に、第２の金属酸化物を有し、
前記第２の金属酸化物上に第５の絶縁体を有し、
前記第５の絶縁体上に第３の導電体を有し、
前記第３の導電体上に第６の絶縁体を有し、
前記第３の導電体、および第６の絶縁体の側面に接して、サイドウォール形状の第７の絶縁体を有し、
前記第７の絶縁体は、前記第２の金属酸化物、および第５の絶縁体を介して、前記第１の導電体、および前記第２の導電体と重畳する領域を有し、
前記第１の絶縁体は、過剰酸素領域を有し、
前記第１の絶縁体、および前記第２の絶縁体は、前記第１の導電体を露出する第１の開口と、前記第２の導電体を露出する第２の開口を有し、
前記第１のプラグは、前記第３の絶縁体を介して、前記第１の開口に埋め込まれ、
前記第２のプラグは、前記第４の絶縁体を介して、前記第２の開口に埋め込まれ、
前記第２の絶縁体、前記第３の絶縁体、前記第４の絶縁体、前記第６の絶縁体、および前記第７の絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項１、または請求項２において、
前記第１の導電体上に、第８の絶縁体を有し、
前記第２の導電体上に、第９の絶縁体を有し、
前記第８の絶縁体、および前記第９の絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有することを特徴とする半導体装置。 - 第１の金属酸化物上に、第１の導電体、および第２の導電体を形成し、
前記第１の導電体、前記第２の導電体、前記第１の金属酸化物上に、第１の金属酸化膜を形成し、
前記第１の金属酸化膜上に第１の絶縁膜を形成し、
前記第１の絶縁膜上に、第１の導電膜を成膜し、
前記第１の導電膜上に、第２の絶縁膜を成膜し、
前記第１の導電膜、および前記第２の絶縁膜の一部を除去することで、第３の導電体、および第１の絶縁体を形成し、
前記第１の金属酸化物の側面と、前記第１の導電体の側面および上面と、前記第２の導電体の側面および上面と、前記第３の導電体の側面と、第１の絶縁体の側面および上面と、に接して、第３の絶縁膜を形成し、
前記第３の絶縁膜にエッチバック処理を行い、前記第３の絶縁膜の一部と、前記第１の絶縁膜の一部と、前記第１の金属酸化膜の一部と、を除去することで、第２の絶縁体と、第２の金属酸化物と、第１の絶縁体の側面および第３の導電体の側面に接する第３の絶縁体と、を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017201507A JP2019075484A (ja) | 2017-10-18 | 2017-10-18 | 半導体装置、および半導体装置の作製方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021090104A1 (ja) * | 2019-11-08 | 2021-05-14 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 半導体装置およびその作製方法 |
-
2017
- 2017-10-18 JP JP2017201507A patent/JP2019075484A/ja not_active Withdrawn
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