JP2019129320A - 半導体装置、および半導体装置の作製方法 - Google Patents

半導体装置、および半導体装置の作製方法 Download PDF

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大樹 駒形
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Abstract

【課題】オン電流が大きい半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置において、トランジスタ２００は、基板上の絶縁体２２４と、絶縁体２２４上の酸化物２３０と、酸化物２３０上の絶縁体２５０と、絶縁体２５０を介して酸化物２３０と重なる導電体２６０と、酸化物２３０の上面に接する絶縁体２７７と、絶縁体２７７の上面、絶縁体２５０の側面、および導電体２６０の側面、に接する絶縁体２７５と、絶縁体２７５の側面、絶縁体２７７の側面、および酸化物２３０の上面、に接する絶縁体２７３と、を有する。絶縁体２７７は、絶縁体２７５より酸素透過性が低い絶縁体であり、導電体２６０上に絶縁体２７１を有することが好ましい。【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作製方法に関する。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。
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。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯとも呼ぶ。）に関する研究が盛んに行われている。
ＩＧＺＯに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（非特許文献１乃至非特許文献３参照。）。非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献４および非特許文献５に示されている。
さらに、ＩＧＺＯを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち（非特許文献６参照。）、その特性を利用したＬＳＩおよびディスプレイが報告されている（非特許文献７および非特許文献８参照。）。
Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．， "ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"， ２０１２， ｖｏｌｕｍｅ ４３， ｉｓｓｕｅ １， ｐ．１８３−１８６ Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ"， ２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ５３， Ｎｕｍｂｅｒ ４Ｓ， ｐ．０４ＥＤ１８−１−０４ＥＤ１８−１０ Ｓ． Ｉｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＭ−ＦＰＤ’１３ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"， ２０１３， ｐ．１５１−１５４ Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．， "ＥＣＳ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"， ２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ３， ｉｓｓｕｅ ９， ｐ．Ｑ３０１２−Ｑ３０２２ Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ， "ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ"，２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ６４， ｉｓｓｕｅ １０， ｐ．１５５−１６４ Ｋ． Ｋａｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ"， ２０１２， ｖｏｌｕｍｅ ５１， ｐ．０２１２０１−１−０２１２０１−７ Ｓ． Ｍａｔｓｕｄａ ｅｔ ａｌ．， "２０１５ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"， ２０１５， ｐ．Ｔ２１６−Ｔ２１７ Ｓ． Ａｍａｎｏ ｅｔ ａｌ．， "ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"， ２０１０， ｖｏｌｕｍｅ ４１， ｉｓｓｕｅ １， ｐ．６２６−６２９
本発明の一態様は、オン電流が大き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、Ｓ値の良好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、高い周波数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、信頼性が良好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、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、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。
本発明の一態様は、基板上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体を介して酸化物と重なる導電体と、酸化物の上面に接する第３の絶縁体と、第３の絶縁体の上面、第２の絶縁体の側面、および導電体の側面、に接する第４の絶縁体と、第４の絶縁体の側面、第３の絶縁体の側面、および酸化物の上面、に接する第５の絶縁体と、を有し、第３の絶縁体は、第４の絶縁体より酸素透過性が低い、半導体装置である。
上記において、第３の絶縁体は、第２の絶縁体より膜厚が薄いことが好ましい。また、上記において、第３の絶縁体は、第５の絶縁体より膜厚が薄いことが好ましい。また、上記において、酸化物の第３の絶縁体と重なる領域の少なくとも一部は、酸化物の導電体と重なる領域よりも、キャリア密度が高いことが好ましい。
また、上記において、第５の絶縁体は、第１の領域と第２の領域を有し、第１の領域は、第２の領域より酸素透過性が高く、第１の領域は、第４の絶縁体と接する、ことが好ましい。また、上記において、第１の領域は、第４の絶縁体を挟んで、第２の絶縁体と対向する位置に形成されてもよい。また、上記において、第１の領域は、第２の領域より膜厚が薄くてもよい。また、上記において、第１の領域は、第２の領域より密度が低くてもよい。また、上記において、第１の領域に、第３の絶縁体に達する開口を有してもよい。また、上記において、第５の絶縁体は、第１の領域を挟んで分離していてもよい。
また、上記において、第３の絶縁体、および第５の絶縁体は、酸化アルミニウムを含んでもよい。また、上記において、酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有してもよい。
また、本発明の他の一態様は、基板上に第１の絶縁体を形成し、第１の絶縁体上に酸化物を形成し、酸化物上の第２の絶縁体、および第２の絶縁体上の導電体を形成し、スパッタリング法を用いて、酸化物上に第３の絶縁体を、導電体上に第４の絶縁体を、同時に成膜し、第３の絶縁体および第４の絶縁体を覆って、第５の絶縁体を成膜し、第３の絶縁体、第４の絶縁体および第５の絶縁体に、異方性エッチングを行い、酸化物上の第６の絶縁体、および第６の絶縁体上の第７の絶縁体を形成し、第７の絶縁体および酸化物上に、第８の絶縁体を成膜し、第６の絶縁体の酸素透過性は、第７の絶縁体の酸素透過性より低い、半導体装置の作製方法である。
また、上記において、第３の絶縁体の成膜は、酸化アルミニウムを含むターゲットを用いて行ってもよい。
本発明の一態様により、オン電流が大き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、Ｓ値の良好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、高い周波数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、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、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、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、データ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を説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を説明する断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を説明する断面図。 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を説明する上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。 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例を示すブロック図および斜視図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置のブロック図および模式図。 本発明の一態様に係る記憶装置の模式図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 本発明の実施例に係る断面ＴＥＭ像、およびＥＤＸマッピング。 本発明の実施例に係る電気特性を説明する図。 本発明の実施例に係る試料２Ａおよび試料２Ｂ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。ただし、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。したがって、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、または領域は、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、図面に示す形状また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、図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分また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場合がある。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、本明細書等において、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、工程順また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」または「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、本明細書等において、「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。したがって、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。
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に開示されているものとする。
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
本明細書において、酸化物、金属酸化物、化合物などを構成する元素の原子数比を示す場合、特段断りが無い限りは、その原子数比の近傍も含まれる場合がある。ここで、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の５０％以上１５０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の比率の近傍として、１以上３以下を含み、［Ｂ］の比率の近傍として、０．５以上１．５以下を含むものとする。また、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の８０％以上１２０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の比率の近傍として、１．６以上２．４以下を含み、［Ｂ］の比率の近傍として、０．８以上１．２以下を含むものとする。また、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の９０％以上１１０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の比率の近傍として、１．８以上２．２以下を含み、［Ｂ］の比率の近傍として、０．９以上１．１以下を含むものとする。
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、本明細書等において、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。
本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、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（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）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。また、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ものである。
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、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０度以上１０度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５度以上５度以下の場合も含まれる。また、「概略平行」とは、二つの直線が−３０度以上３０度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度以上１００度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５度以上９５度以下の場合も含まれる。また、「概略垂直」とは、二つの直線が６０度以上１２０度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、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、当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（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味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（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう。）などに分類される。例えば、トランジスタの半導体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、ＯＳ ＦＥＴあるいはＯＳトランジスタ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。
また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりの電流が、室温において１×１０−２０Ａ以下、８５℃において１×１０−１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０−１６Ａ以下であることをいう。
（実施の形態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、図１乃至図１３を用いて説明する。
＜半導体装置の構成例＞
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、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、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２００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２００のチャネル幅方向の断面図でもある。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。
［トランジスタ２００］
図１に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示せず。）上の絶縁体２２４と、絶縁体２２４上の酸化物２３０と、酸化物２３０上の絶縁体２５０と、絶縁体２５０を介して酸化物２３０と重なる導電体２６０と、酸化物２３０の上面に接する絶縁体２７７と、絶縁体２７７の上面、絶縁体２５０の側面、および導電体２６０の側面、に接する絶縁体２７５と、絶縁体２７５の側面、絶縁体２７７の側面、および酸化物２３０の上面、に接する絶縁体２７３と、を有する。ここで、絶縁体２７７は、絶縁体２７５より酸素透過性が低い絶縁体である。また、導電体２６０上に絶縁体２７１を有することが好ましい。また、絶縁体２７５はサイドウォールと呼ぶこともできる。
また、図１に示すように、絶縁体２７３の上に、層間膜として機能する絶縁体２８０が配置されることが好ましい。また、絶縁体２８０の上に絶縁体２８２が配置され、絶縁体２８２の上に絶縁体２８４が配置されることが好ましい。
また、トランジスタ２００は、基板（図示しない。）の上に配置された絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された導電体２０５と、絶縁体２１４の上に、導電体２０５の側面と接するように配置された絶縁体２１６と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、を有することが好ましい。このとき、絶縁体２２０は、導電体２０５の上面、および絶縁体２１６の上面と接するように設けられることが好ましい。絶縁体２２２の上に絶縁体２２４が配置されることが好ましい。
絶縁体２２２、絶縁体２７７、絶縁体２７３、および絶縁体２８２は、水素（例えば、水素原子、水素分子など）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２２２、絶縁体２７７、絶縁体２７３、および絶縁体２８２は、絶縁体２２４、絶縁体２５０、絶縁体２７５、および絶縁体２８０より水素透過性が低いことが好ましい。また、絶縁体２２２、絶縁体２７７、絶縁体２７３、および絶縁体２８２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２２２、絶縁体２７７、絶縁体２７３、および絶縁体２８２は、絶縁体２２４、絶縁体２５０、絶縁体２７５、および絶縁体２８０より酸素透過性が低いことが好ましい。
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２４０（導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄ）が設けられることが好ましい。絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４の開口の内壁に接して導電体２４０の第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４０の第２の導電体が設けられる構成にしてもよい。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８４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、導電体２４０の第１の導電体および導電体２４０の第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２４０を単層、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。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
図１に示すトランジスタ２００において、酸化物２３０は、絶縁体２２４の上面に接して配置される酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａの上面に接して配置される酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂの上面に接して配置される酸化物２３０ｃと、を有する積層膜である。ただし、図１に示すトランジスタ２００では、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂの単層、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ａの２層構造、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの２層構造、または４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃのそれぞれが２層以上の積層構造を有していてもよい。例えば、酸化物２３０ｃが２層からなる積層構造を有する構成にしてもよい。
また、トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、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、酸化物２３０のチャネル形成領域となる金属酸化物としては、バンドギャップが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、トランジスタの非導通状態におけるリーク電流（オフ電流）を極めて小さくすることができる。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半導体装置を提供できる。
酸化物２３０として、例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、酸化物２３０として、酸化インジウム、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、または酸化ガリウムを用いてもよい。
酸化物２３０は、金属元素、並びに水素および窒素などの不純物が存在すると、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。また、酸化物２３０に含まれる酸素濃度が低下すると、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。例えば、酸化物２３０の導電体２４０、絶縁体２７７、または絶縁体２７３と接する領域は、これらの成膜のダメージで生じる酸素欠損によって、部分的に低抵抗領域が形成される場合がある。また、導電体２４０、絶縁体２７７、または絶縁体２７３の成膜により、当該領域に、水素、窒素、あるいは金属元素などの不純物が添加されることによって、部分的に低抵抗領域が形成される場合がある。
ここで、図１（Ｂ）の一部の領域の拡大図を図２（Ａ）に示す。なお、図２（Ａ）などにおいて、図中の黒丸は酸素を、矢印は酸素の動きを示している。
図２（Ａ）に示すように、酸化物２３０上に接するように導電体２４０、絶縁体２７７、または絶縁体２７３が設けられ、酸化物２３０の、導電体２４０、絶縁体２７７、または絶縁体２７３との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域２４２（領域２４２ｓ、および領域２４２ｄ）が形成されている。領域２４２は、トランジスタ２００のソース領域またはドレイン領域として機能する。また、酸化物２３０の導電体２６０と重なる領域２３４は、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する。
ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２４２は、酸素濃度が低い、または金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、を含む、ことでキャリア濃度が増加し、低抵抗化した領域である。すなわち、領域２４２は、チャネル形成領域として機能する領域２３４と比較して、キャリア密度が高く、低抵抗な領域である。よって、領域２４２は、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域２３４よりも高いことが好ましい。
なお、図２（Ａ）では、領域２４２が、酸化物２３０と導電体２４０、絶縁体２７７、または絶縁体２７３との界面近傍に形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は、酸化物２３０の上面に対して略垂直な方向に拡張されていてもよい。また、図２（Ａ）では、各領域の境界を、酸化物２３０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２４２が酸化物２３０ｂの表面近傍では導電体２６０側に張り出し、酸化物２３０ｂの下面近傍では、導電体２４０ｓ側または導電体２４０ｄ側に後退する形状になる場合がある。
また、酸化物２３０において、各領域の境界を明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、ならびに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化（グラデーションともいう。）していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、ならびに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、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、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、チャネルが形成される領域２３４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。
トランジスタのノーマリーオン化を抑制するには、酸化物２３０に接して、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体を設け、熱処理によって当該絶縁体が含む酸素を酸化物２３０へと拡散させればよい。なお、本明細書では、加熱により離脱する酸素を過剰酸素と呼ぶことがある。例えば、絶縁体２８０に酸素を添加し、絶縁体２８０に含まれる過剰酸素を、熱処理によって拡散させればよい。これにより、酸化物２３０に酸素が供給され、当該酸素により、酸化物２３０の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。
その一方、酸化物２３０に過剰な酸素が供給されると、電圧、高温などのストレスにより、酸化物２３０中の過剰な酸素の構造が変化する場合がある。これにより、酸化物２３０を有するトランジスタの電気特性が不安定になる、または信頼性が低下する恐れがある。
そこで、本実施の形態では、絶縁体２７５に含まれる酸素を、絶縁体２５０を介して酸化物２３０に拡散させることで、酸素の供給を行う。これにより、酸化物２３０に供給される酸素量を制御し、酸化物２３０に過剰な量の酸素が供給するのを抑制する。よって、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減し、トランジスタ２００のノーマリーオン化の抑制、および信頼性の向上を図ることができる。
上記のように、絶縁体２７５の下面に接して絶縁体２７７が設けられているので、絶縁体２７５に含まれる酸素は、酸化物２３０に直接拡散するのではなく、図２（Ａ）に示すように絶縁体２５０を介して酸化物２３０に拡散する。よって、領域２４２の絶縁体２７５および絶縁体２７７と重なる領域に、酸素が直接拡散し、領域２４２が過剰に酸化されるのを低減することができる。これにより、領域２４２の絶縁体２７５および絶縁体２７７と重なる領域の少なくとも一部は、領域２３４よりキャリア密度が高くなる。つまり、領域２３４に酸素を供給しながら、酸化物２３０の絶縁体２７５および絶縁体２７７と重なる部分に、キャリア密度の高い領域２４２を維持しておくことができる。
このような構成にすることで、酸化物２３０のチャネル形成領域とソース領域またはドレイン領域との間に、オフセット領域が形成されるのを防ぎ、実効的なチャネル長が導電体２６０の幅より大きくなるのを抑制することができる。これにより、トランジスタ２００のオン電流を大きくし、Ｓ値を良好にし、周波数特性の向上を図ることができる。
さらに、絶縁体２７３は、絶縁体２７５と接する領域の少なくとも一部に、酸素透過性の高い、領域２７４を有することが好ましい。領域２７４は、絶縁体２７３の領域２７４以外の領域（例えば、絶縁体２７３の酸化物２３０と接する領域。）より酸素透過性が高い。
領域２７４は、図２（Ａ）に示すように、絶縁体２７５の側面と接することが好ましい。このような構成にすることで、加熱により脱離する酸素を含む絶縁体２８０から、領域２７４を介して絶縁体２７５に十分な量の酸素を供給することができる。例えば、領域２７４は、絶縁体２７５を挟んで絶縁体２５０と対向する位置に形成されることが好ましい。この場合、領域２７４は、絶縁体２７３の、絶縁体２７５を挟んで絶縁体２５０と対向する領域ということもできる。これにより、領域２７４と絶縁体２５０の側面の距離を短くすることができるので、領域２７４から絶縁体２５０に拡散する酸素が、導電体２６０に吸収される量を低減することができる。
上記の通り、絶縁体２７３は酸素が透過しにくい絶縁体なので、絶縁体２８０に含まれる酸素は、絶縁体２７１、絶縁体２７５、導電体２６０、絶縁体２５０、および酸化物２３０の上面または側面に直接浸入することはできない。また、絶縁体２８２も酸素が透過しにくい絶縁体なので、絶縁体２８０に含まれる酸素の上方拡散は抑制される。よって、図２（Ａ）に示すように、絶縁体２８０に含まれる酸素は、絶縁体２７３の他の領域より酸素を透過させやすい領域２７４を介して、絶縁体２７５および絶縁体２５０に拡散し、さらに酸化物２３０に拡散する。このようにして、チャネル形成領域として機能する領域２３４に適当な量の酸素を供給することができる。これにより、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減し、トランジスタ２００のノーマリーオン化の抑制、および信頼性の向上を図ることができる。
以下に、領域２７４の具体的な形状について、説明する。領域２７４は、例えば図２（Ｂ）に示すように、絶縁体２７３の他の領域より膜厚が局所的に薄い、凹部として形成される場合がある。この場合、領域２７４の膜厚が最も薄い部分は、絶縁体２７３の酸化物２３０と接する領域の膜厚より薄いことが好ましい。
また、例えば、図２（Ｃ）に示すように、領域２７４に空孔２７８が形成され、絶縁体２７３の他の領域より密度が低くなる場合もある。この場合、領域２７４の密度は、絶縁体２７３の酸化物２３０と接する領域の密度より低いことが好ましい。
また、例えば、図３（Ａ）に示すように、領域２７４に絶縁体２７５に達する開口が形成される場合もある。この場合、絶縁体２８０が、当該開口を介して絶縁体２７５に接することが好ましい。また、当該開口が広域にわたって形成されると、図３（Ｂ）に示すように、絶縁体２７３が領域２７４を挟んで、下側の絶縁体２７３ａと上側の絶縁体２７３ｂに分離される場合がある。
上記の領域２７４は、酸化物２３０、絶縁体２７７および絶縁体２７５からなる段差部の近傍の、絶縁体２７３の被覆不良部分として形成される場合がある。ただし、これに限られず、図２（Ｂ）（Ｃ）、図３（Ａ）（Ｂ）に示すような領域２７４を、絶縁体２７３成膜後の処理によって形成してもよい。例えば、絶縁体２７３にリソグラフィ処理を行って、絶縁体２７５に達する開口を形成してもよい。
また、図２（Ａ）などにおいては、絶縁体２８０に含まれる過剰酸素を、領域２７４を介して絶縁体２７５に供給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２７５に十分な量の酸素が含まれている場合、絶縁体２７３に領域２７４を設けない構成にすることもできる。
以上より、オン電流が大きい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。
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。
導電体２０５は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。また、導電体２０５は、絶縁体２１４の上に設けるとよい。また、導電体２０５は、絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。ここで、導電体２０５の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体２０５上面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下にすればよい。これにより、導電体２０５の上に形成される、絶縁体２２４の平坦性を良好にし、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃの結晶性の向上を図ることができる。
ここで、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。
例えば、第１のゲート電極、および第２のゲート電極を有するトランジスタは、第２のゲート電極と、第１のゲート電極とに、異なる電位を印加することで、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。また、例えば、第２のゲート電極に負の電位を印加することにより、トランジスタの閾値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することができる。つまり、第２のゲート電極に負の電位を印加することにより、第１のゲート電極に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
ここで、本実施の形態に示すように、酸化物２３０のチャネル形成領域とソース領域またはドレイン領域との間に、オフセット領域が形成されない構成にすることで、第２のゲート電極に負の電位を印加したときの、トランジスタ２００のＳ値の増大を抑制することができる。これにより、トランジスタ２００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。
なお、図２（Ａ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０における領域２３４よりも、大きく設けるとよい。特に、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０の領域２３４のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物２３０のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。
上記構成を有することで、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、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
また、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は延伸させて、配線としても機能させている。ただし、これに限られることなく、導電体２０５の下に、配線として機能する導電体を設ける構成にしてもよい。
また、導電体２０５は、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とが好ましい。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、導電体２０５の第１の導電体および導電体２０５の第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。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。したがって、導電体２０５の第１の導電体としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体２０５を通じて、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。
また、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絶縁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。
例えば、絶縁体２１４として、酸化アルミニウムまたは窒化シリコン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２１４よりも基板側からトランジスタ２００側に拡散することを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が、トランジスタ２００側から絶縁体２１４よりも基板側に、拡散することを抑制することができる。
また、層間膜として機能する絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８４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。例えば、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８４として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよい。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
ここで、酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、加熱により酸素を脱離することが好ましい。例えば、絶縁体２２４は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。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、図１（Ｃ）に示すように、絶縁体２２４は、酸化物２３０ｂと重ならない領域の膜厚が、それ以外の領域の膜厚より薄くなることが好ましい。このような構成にすることで、導電体２６０の下端部をより下側に位置させることができるので、第１のゲート電極として機能する導電体２６０の電界を、酸化物２３０の側面に作用させやすくなる。よって、トランジスタ２００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。また、絶縁体２２４を、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ａと重畳させて、島状に設ける構成にしてもよい。
絶縁体２２２は、絶縁体２１４などと同様に、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。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４より水素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２および絶縁体２７３によって、絶縁体２２４、酸化物２３０、および絶縁体２５０などを囲むことにより、外方から水または水素などの不純物がトランジスタ２００に侵入することを抑制することができる。
さらに、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物２３０が有する酸素が、基板側へ拡散することを低減できる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４や、酸化物２３０が有する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、絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、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。
また、絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（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てもよい。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。
また、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好適である。また、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体２２０を得ることができる。
なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
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。ここで、酸化物２３０ｃは、上面視において、側面が、絶縁体２７５および絶縁体２７７の側面と一致する形状である。酸化物２３０ｂの下に酸化物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。
なお、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａ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２３０ｂ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２３０ａ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２３０ｂ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。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂ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。
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。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、伝導帯下端はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物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２３０ａと酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃ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２３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃ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。また、酸化物２３０ｃを積層構造としてもよい。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物と、当該Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物上のＧａ−Ｚｎ酸化物との積層構造、またはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物と、当該Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物上の酸化ガリウムとの積層構造を用いることができる。別言すると、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物と、Ｉｎを含まない酸化物との積層構造を、酸化物２３０ｃとして用いても良い。
具体的には、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、または１：１：０．５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、または３：１：２［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃを積層構造とする場合の具体例としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、酸化ガリウムとの積層構造などが挙げられる。
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、および高い周波数特性を得ることができる。なお、酸化物２３０ｃを積層構造とした場合、上述の酸化物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効果に加え、酸化物２３０ｃが有する構成元素が、絶縁体２５０側に拡散するのを抑制することが期待される。より具体的には、酸化物２３０ｃを積層構造とし、積層構造の上方にＩｎを含まない酸化物を位置させるため、絶縁体２５０側に拡散しうるＩｎを抑制することができる。絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能するため、Ｉｎが拡散した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、酸化物２３０ｃを積層構造とすることで、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
また、酸化物２３０は、領域２３４、および低抵抗化された領域２４２を有する。なお、トランジスタ２００をオンさせると、領域２４２は、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域２３４の少なくとも一部は、チャネルが形成される領域として機能する。つまり、各領域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２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置されることが好ましい。また、絶縁体２８０が有する過剰酸素は、絶縁体２７３の領域２７４、絶縁体２７５、および絶縁体２５０を拡散し、酸化物２３０へと供給される。従って、絶縁体２５０は、酸素を拡散する機能を有する絶縁体を用いることが好ましい。絶縁体２５０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。
また、絶縁体２５０と導電体２６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
なお、当該金属酸化物は、第１のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物２３０として用いることができる酸化物半導体を、当該金属酸化物として用いることができる。その場合、導電体２６０をスパッタリング法で成膜することで、当該金属酸化物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。
また、当該金属酸化物は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体２５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、当該金属酸化物は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
第１のゲート電極として機能する導電体２６０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２６０を積層構造としてもよい。この場合、導電体２６０の下層に水素原子、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体を用いてもよい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）導電体を用いることが好ましい。
導電体２６０の下層に、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電体を用いることにより、導電体２６０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体としては、例えば、チタン、窒化チタン、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の側面が基板表面に対して概略垂直、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をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体２７５を所望の形状に形成することができる。
なお、絶縁体２７１に、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることで、バリア膜としての機能を兼ねさせてもよい。また、絶縁体２７１を積層構造にしてもよい。この場合、絶縁体２７１の導電体２６０側に、バリア膜として機能する絶縁体を配置してもよい。当該絶縁体は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。
絶縁体２７７は、酸化物２３０ｃの上面および絶縁体２５０の側面に接して配置される。絶縁体２７７は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。例えば、絶縁体２７７は、絶縁体２７５より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２７７としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。
上述の通り、絶縁体２７５に含まれる酸素は絶縁体２５０に拡散する。ここで、絶縁体２５０の側面が絶縁体２７７に覆われていると、絶縁体２７５から絶縁体２５０に酸素を拡散させることができない。よって、絶縁体２７７は、絶縁体２５０より膜厚が薄いことが好ましい。また、絶縁体２７７の膜厚が極端に薄くなると、上記の材料を用いていても、絶縁体２７７を酸素が透過してしまう。
また、絶縁体２７７は、段差被覆性の低い方法を用いて成膜することが好ましい。例えば、スパッタリング法を用いて成膜すればよい。段差被覆性の低い方法を用いて成膜し、段切れを形成することで、絶縁体２７７によって絶縁体２５０の側面全体が覆われるのを防ぐことができる。また、絶縁体２７７の段差被覆性を低減し、段切れを形成するため、絶縁体２７７の膜厚は絶縁体２７３より薄くすることが好ましい。よって、絶縁体２７７の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすればよい。なお、絶縁体２７７の一部が、絶縁体２７１、導電体２６０、および絶縁体２５０の側面の一部に接して形成される場合があるが、絶縁体２５０の側面の少なくとも一部が絶縁体２７５に接していればよい。
絶縁体２７５は、絶縁体２７７の上面、絶縁体２５０の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７１の側面に接して配置されることが好ましい。また、絶縁体２８０が有する過剰酸素は、絶縁体２７３の領域２７４、絶縁体２７５、および絶縁体２５０を拡散し、酸化物２３０へと供給される。よって、絶縁体２７５は、領域２７４において絶縁体２７３と接し、絶縁体２５０の側面の少なくとも一部と接する必要がある。
絶縁体２７５は、酸素を拡散する機能を有する絶縁体を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２７５として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。
また、絶縁体２７５の上部は曲面形状を有することが好ましい。これにより、絶縁体２７５に接して形成される絶縁体２７３を領域２７４以外で被覆性良く形成することができる。これにより、導電体２６０、絶縁体２５０、および酸化物２３０への水素などの不純物の拡散を抑制し、酸化物２３０に適量の酸素を供給することができる。
絶縁体２７３は、絶縁体２２４の上面、酸化物２３０の上面および側面、絶縁体２７７の側面、絶縁体２７５の側面、および絶縁体２７１の上面に接することが好ましい。また、絶縁体２７３は、少なくとも一部に、絶縁体２７５の側面に接して領域２７４を有している。なお、図１（Ｂ）などでは、絶縁体２７３は、絶縁体２７５のＡ１側の側面と絶縁体２７５のＡ２側の側面の両方に接して領域２７４を有しているが、これに限られることなく、少なくとも一部に領域２７４を有していればよい。
絶縁体２７３は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。例えば、絶縁体２７３は、絶縁体２５０より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２７３としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。
また、例えば、絶縁体２７３として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた酸化物を用いることができる。また、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの窒化物を用いることもできる。また、上記の酸化物または窒化物を積層して用いてもよい。
このような絶縁体２７３を用いることで、絶縁体２８０に添加された酸素が、導電体２６０、絶縁体２５０、および酸化物２３０に直接浸入するのを防ぎ、当該酸素を、領域２７４を介して酸化物２３０に拡散させることができる。つまり、酸化物２３０に供給される酸素を、絶縁体２８０から領域２７４を介して拡散する経路だけに限定することができる。よって、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、適量値を超えて酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる。
絶縁体２７３の上に、層間膜として機能する絶縁体２８０が配置されることが好ましい。絶縁体２８０は、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。
ここで、絶縁体２８０は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有することが好ましい。つまり、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。このような過剰酸素を含む絶縁体を、領域２７４を有する絶縁体２７３を介して、トランジスタ２００の近傍に設けることにより、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。
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（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）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１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または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４００℃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。
また、絶縁体２８０が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２８２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。例えば、絶縁体２８２は、絶縁体２５０より酸素透過性が低いことが好ましい。
絶縁体２８０上に酸素の拡散を抑制する絶縁体２８２を設けることで、絶縁体２８４側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。従って、酸化物２３０に、過剰酸素を効率よく供給することができる。
また、絶縁体２８２をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２８０へ加熱により脱離する酸素を含む領域を設けることができる。これにより、当該領域から、絶縁体２５０を介して酸化物２３０中に酸素を供給することができる。
また、絶縁体２８２の上に、層間膜として機能する絶縁体２８４を設けることが好ましい。絶縁体２８４は、絶縁体２１６と同様の絶縁体を設ければよい。
絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３に形成された開口に、導電体２４０ｓおよび導電体２４０ｄを配置する。導電体２４０ｓおよび導電体２４０ｄは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ｓおよび導電体２４０ｄの上面の高さは、絶縁体２８４の上面と、同一平面上としてもよい。
導電体２４０ｓは、トランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域２４２ｓと接しており、導電体２４０ｄはトランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域２４２ｄと接している。よって、導電体２４０ｓはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｄはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
なお、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ｓが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２４２ｓが位置しており、導電体２４０ｓが領域２４２ｓと接する。同様に、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ｄが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２４２ｄが位置しており、導電体２４０ｄが領域２４２ｄと接する。
ここで、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄは、酸化物２３０の側面と重畳することが好ましい。特に、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄは、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる側面において、Ａ３側の側面、およびＡ４側の側面の双方または一方と重畳することが好ましい。また、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ１側（Ａ２側）の側面と重畳する構成にしてもよい。このように、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄが、ソース領域またはドレイン領域となる領域２４２および酸化物２３０の側面と重畳する構成とすることで、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄとトランジスタ２００のコンタクト部の投影面積を増やすことなく、コンタクト部の接触面積を増加させ、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄとトランジスタ２００の接触抵抗を低減することができる。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。
導電体２４０ｓおよび導電体２４０ｄ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２４０ｓおよび導電体２４０ｄは積層構造としてもよい。
また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３と接する導電体には、上述の、水または水素などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電体を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、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、水または水素などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電体は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８０より上層から水素、水などの不純物が、導電体２４０ｓおよび導電体２４０ｄを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
また、図示しないが、導電体２４０ｓの上面、および導電体２４０ｄの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、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材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、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。なお、当該導電体は、導電体２０５などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
＜半導体装置の構成材料＞
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
＜＜基板＞＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、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（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）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。
＜＜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。
例えば、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材料のような比誘電率の高い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低電圧化が可能となる。一方、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用いることで、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。
また、比誘電率の高い絶縁体としては、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。
また、比誘電率が低い絶縁体としては、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。
また、特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定である。そのため、例えば、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、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、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。
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。
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。
例えば、絶縁体２７３、絶縁体２７７、および絶縁体２２２として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めることができる。したがって、酸化ハフニウムの膜厚を調整することで、水素、および窒素の適切な添加量を調整することができる。
例えば、絶縁体２２０には、熱に対して安定である酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いることが好ましい。ゲート絶縁体として、熱に対して安定な膜と、比誘電率が高い膜との積層構造とすることで、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。
上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域との間のリーク電流を抑制することができる。
絶縁体２１６、絶縁体２７１および絶縁体２８４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。
絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７７、絶縁体２７３、および絶縁体２８２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。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＞＞
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。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において、ゲート電極として機能する導電体には、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。
特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される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ることが好ましい。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、チャネルが形成される金属酸化物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。
＜＜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（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。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、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、多結晶酸化物半導体、および非晶質酸化物半導体などが知られている。
トランジスタの半導体に用いる酸化物半導体として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。
２００９年に、ＣＡＡＣ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯと呼ぶ。）が発見されたことが、非特許文献１および非特許文献２で報告されている。ここでは、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯは、ｃ軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。
また、２０１３年には、ｎｃ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ｎｃ−ＩＧＺＯと呼ぶ。）が発見された（非特許文献３参照。）。ここでは、ｎｃ−ＩＧＺＯは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。
非特許文献４および非特許文献５では、上記のＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ、ｎｃ−ＩＧＺＯ、および結晶性の低いＩＧＺＯのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、１ｎｍ程度の結晶性ＩＧＺＯが観察されている。よって、ここでは、ＩＧＺＯにおいて、完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜と比べて、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜およびｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜またはｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜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、具体的には、トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流がｙＡ／μｍ（１０−２４Ａ／μｍ）オーダである、ことが非特許文献６に示されている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（非特許文献７参照。）。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている（非特許文献８参照。）。表示装置では、表示される画像が１秒間に数十回切り換っている。１秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動と呼ぶ。
ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造の発見は、ＣＡＡＣ構造またはｎｃ構造を有する酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびＬＳＩへの応用研究が進められている。
［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−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−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−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、及びＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）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−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ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−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ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−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ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−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ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−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ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−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ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−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ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−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、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−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）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−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−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。
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酸化物半導体である。ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。即ち、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。
［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、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度を低くし、欠陥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、酸化物半導体は、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形成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、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体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、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体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、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、酸化物半導体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により得られる酸化物半導体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、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、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体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。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましく、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、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、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、水素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、１×１０２０ａｔｏｍｓ／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酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
［真空ベークの効果］
ここでは、金属酸化物に含まれる、弱いＺｎ−Ｏ結合について説明し、該結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一例について示す。
金属酸化物を用いたトランジスタにおいて、トランジスタの電気特性の不良に繋がる欠陥の一例として酸素欠損がある。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、閾値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。これは、金属酸化物に含まれる酸素欠損に起因したドナーが生成され、キャリア濃度が増加するためである。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に動作不良が発生しやすくなる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題が生じる。
また、モジュールを作製するための接続配線を形成する工程における熱履歴（サーマルバジェット）により、閾値電圧の変動、寄生抵抗の増大、などのトランジスタの電気特性の劣化、該電気特性の劣化に伴う電気特性のばらつきの増大、などの問題がある。これらの問題は、製造歩留りの低下に直結するため、対策の検討は重要である。また、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化（経年変化）を短時間で評価することができるストレス試験でも電気特性の劣化が生じる。該電気特性の劣化は、製造の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって金属酸化物中の酸素が欠損することに起因すると推測される。
金属酸化物中には、金属原子との結合が弱く、酸素欠損となりやすい酸素原子が存在する。特に、金属酸化物がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合は、亜鉛原子と酸素原子とが弱い結合（弱いＺｎ−Ｏ結合、ともいう）を形成しやすい。ここで、弱いＺｎ−Ｏ結合とは、製造の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって切断される程度の強さで結合した、亜鉛原子と酸素原子の間に生じる結合である。弱いＺｎ−Ｏ結合が金属酸化物中に存在すると、熱または電流ストレスによって、該結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸素欠損が形成されることにより、熱やストレスに対する耐性などといった、トランジスタの安定性が低下する。
亜鉛原子と多く結合している酸素原子と、該亜鉛原子との間に生じる結合は、弱いＺｎ−Ｏ結合である場合がある。ガリウム原子と比べて、亜鉛原子は、酸素原子との結合が弱い。したがって、亜鉛原子と多く結合している酸素原子は欠損しやすい。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、その他の金属との結合よりも弱いと推測される。
また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、弱いＺｎ−Ｏ結合が形成されやすいと推測される。金属酸化物中の不純物としては、例えば、水分子や水素がある。金属酸化物中に水分子や水素が存在することで、水素原子が、金属酸化物を構成する酸素原子と結合する（ＯＨ結合ともいう。）場合がある。金属酸化物を構成する酸素原子は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物が単結晶である場合、金属酸化物を構成する金属原子４つと結合している。しかしながら、水素原子と結合した酸素原子は、２つまたは３つの金属原子と結合している場合がある。酸素原子に結合している金属原子の数が減少することで、該酸素原子は欠損しやすくなる。なお、ＯＨ結合を形成している酸素原子に亜鉛原子が結合している場合、該酸素原子と該亜鉛原子との結合は弱いと推測される。
また、弱いＺｎ−Ｏ結合は、複数のナノ結晶が連結する領域に存在する歪みに形成される場合がある。ナノ結晶は六角形を基本とするが、該歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する。該歪みでは、原子間の結合距離が一様でないため、弱いＺｎ−Ｏ結合が形成されていると推測される。
また、弱いＺｎ−Ｏ結合は、金属酸化物の結晶性が低い場合に形成されやすいと推測される。金属酸化物の結晶性が高い場合、金属酸化物を構成する亜鉛原子は、酸素原子４つまたは５つと結合している。しかし、金属酸化物の結晶性が低くなると、亜鉛原子と結合する酸素原子の数が減少する傾向がある。亜鉛原子に結合する酸素原子の数が減少すると、該亜鉛原子は欠損しやすくなる。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、単結晶で生じる結合よりも弱いと推測される。
上記の弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することで、熱履歴または電流ストレスによる酸素欠損の形成を抑制し、トランジスタの安定性を向上させることができる。なお、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子のみを低減し、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する亜鉛原子が減少しない場合、該亜鉛原子近傍に酸素原子を供給すると、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成される場合がある。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する亜鉛原子および酸素原子を低減することが好ましい。
弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一つとして、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施する方法が挙げられる。真空ベークとは、真空雰囲気下で行う熱処理のことである。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。なお、処理室の圧力は、１×１０−２Ｐａ以下、好ましくは１×１０−３Ｐａ以下とすればよい。また、熱処理時の基板の温度は、３００℃以上、好ましくは４００℃以上とすればよい。
真空ベークを実施することで、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。また、真空ベークによって金属酸化物に熱が与えられるため、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減した後、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減するとともに、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、真空ベークを実施することで、金属酸化物中の水分子または水素を放出し、ＯＨ結合を低減することができる。金属酸化物中のＯＨ結合が減少することで、４つの金属原子と結合している酸素原子の割合が増える。また、水分子または水素が放出される際、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
以上のように、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施することで、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。したがって、該工程により、トランジスタの安定性を向上することができる。また、トランジスタの安定性が向上することで、材料や形成方法の選択の自由度が高くなる。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、本発明に係るトランジスタ２００を有する半導体装置について、作製方法を図４乃至図１１を用いて説明する。また、図４乃至図１１において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。なお、各図の（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。
まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）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：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）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抑制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抑制することが可能な成膜方法である。よって、欠陥の少ない膜が得られる。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ある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
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を要さない分、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。
本実施の形態では、絶縁体２１４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する。また、絶縁体２１４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、当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、当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２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６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、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって酸化窒化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２１６に、絶縁体２１４に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１４は、絶縁体２１６をエッチングして開口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、開口を形成する絶縁体２１６に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体２１４は、エッチングストッパ膜として機能する絶縁膜として、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。
開口の形成後に、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜は、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好ましい。例えば、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２０５の第１の導電体となる導電膜の成膜は、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。
本実施の形態では、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタル、または、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜する。
次に、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜上に、導電体２０５の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、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。本実施の形態では、導電体２０５の第２の導電体となる導電膜として、ＣＶＤ法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上に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、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜、ならびに導電体２０５の第２の導電体となる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜、および導電体２０５の第２の導電体となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５の第１の導電体および導電体２０５の第２の導電体を含む導電体２０５を形成することができる（図４参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１６の一部が除去される場合がある。
なお、絶縁体２１６および導電体２０５の作製方法は上記に限られるものではない。例えば、導電体２０５をパターン形成し、絶縁体２１６を成膜し、ＣＭＰ処理を行って導電体２０５の表面を露出させてもよい。
次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２０を成膜する。絶縁体２２０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、絶縁体２２０として、ＣＶＤ法によって酸化窒化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２２０上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２２が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体２２２を通じてトランジスタ２００の内側へ拡散することが抑制され、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を低減することができる。
絶縁体２２２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。
続いて、熱処理を行うと好ましい。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。なお、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。また、熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で熱処理した後に、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％以上含む雰囲気で熱処理を行ってもよい。
本実施の形態では、熱処理として、絶縁体２２２成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行い、さらに酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該熱処理により、絶縁体２２２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、熱処理は、絶縁体２２４の成膜後などのタイミングで行うこともできる。
次に、絶縁体２２２上に絶縁体２２４を成膜する。絶縁体２２４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、絶縁体２２４として、ＣＶＤ法によって酸化窒化シリコンを成膜する。
また、熱処理は、絶縁体２２０成膜後、および絶縁体２２２の成膜後のそれぞれのタイミングで行うこともできる。当該熱処理は、上述した熱処理条件を用いることができるが、絶縁体２２０成膜後の熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。
ここで、絶縁体２２４に過剰酸素領域を形成するために、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（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）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２２４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。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体２２４に含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、熱処理は行わなくてもよい。
次に、絶縁体２２４上に、酸化物２３０ａとなる酸化膜と、酸化物２３０ｂとなる酸化膜を順に成膜する。なお、上記酸化膜は、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。大気開放せずに成膜することで、酸化物２３０ａとなる酸化膜、および酸化物２３０ｂとなる酸化膜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、酸化物２３０ａとなる酸化膜と酸化物２３０ｂとなる酸化膜との界面近傍を清浄に保つことができる。さらに、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化物２３０ａとなる酸化膜、酸化物２３０ｂとなる酸化膜の成膜を、大気に暴露することなく行ってもよい。この場合、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いることが好ましい。
酸化物２３０ａとなる酸化膜、および酸化物２３０ｂとなる酸化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。
例えば、酸化物２３０ａとなる酸化膜、および酸化物２３０ｂとなる酸化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、上記の酸化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、酸化物２３０ａとなる酸化膜の成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。したがって、酸化物２３０ａとなる酸化膜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。
また、酸化物２３０ｂとなる酸化膜をスパッタリング法で形成する場合、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チャネル形成領域に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。また、基板を加熱しながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。酸化物２３０ｂとなる酸化膜をスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を、３０％を超えて１００％以下、好ましくは７０％以上１００％以下として成膜すると、酸素過剰型の酸化物半導体が形成される。酸素過剰型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い信頼性が得られる。
本実施の形態では、酸化物２３０ａとなる酸化膜として、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する。また、酸化物２３０ｂとなる酸化膜として、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。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
次に、熱処理を行ってもよい。熱処理は、上述した熱処理条件を用いることができる。熱処理によって、酸化物２３０ａとなる酸化膜、および酸化物２３０ｂとなる酸化膜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、酸化物２３０ａとなる酸化膜、および酸化物２３０ｂとなる酸化膜を島状に加工して、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成する（図４参照。）。
ここで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。なお、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角は大きいほど好ましい。
また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と、酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、酸化物２３０ｂの端部において、曲率半径が、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以上６ｎｍ以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。
なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
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（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）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、レジスト上に直接描画を行うため、上述のレジスト露光用のマスクは不要となる。なお、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウエ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エットエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処理後にドライエッチング処理を行う、などで、除去することができる。
また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、酸化物２３０ｂとなる酸化膜上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。酸化物２３０ａとなる酸化膜、および酸化物２３０ｂとなる酸化膜のエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。当該酸化膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去してもよい。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。
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：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）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：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
上記エッチング処理により、絶縁体２２４の酸化物２３０ｂと重ならない領域の膜厚を、それ以外の領域の膜厚より薄くすることができる。また、絶縁体２２４を、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ａと重畳させて、島状に設けてもよい。
また、上記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２３０ａ、および酸化物２３０ｂ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エット洗浄、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。
ウエット洗浄としては、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。
続いて、熱処理を行うことが好ましい。熱処理は、１００℃以上４００℃以下で行えばよく、例えば２００℃で行えばよい。あるいは、酸化膜２３０Ｃの成膜温度と同じ温度で行うことが好ましい。ここで、成膜温度とは、成膜中の基板温度に限らず、成膜装置の設定温度の場合を含む。例えば、酸化膜２３０Ｃを３００℃で成膜する場合、当該加熱処理は３００℃とすることが好ましい。当該加熱処理は、減圧下で行うことが好ましく、例えば、真空雰囲気で行ってもよい。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。真空雰囲気では、処理室の圧力は、１×１０−２Ｐａ以下、好ましくは１×１０−３Ｐａ以下とすればよい。
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの上に、酸化物２３０ｃとなる酸化膜２３０Ｃを成膜する（図５参照。）。
酸化膜２３０Ｃ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。酸化物２３０ｃに求める特性に合わせて、酸化物２３０ａとなる酸化膜、または酸化物２３０ｂとなる酸化膜と同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｃを成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃ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、酸化膜２３０Ｃ上に、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、および絶縁膜２７１Ａを順に成膜する（図５参照。）。なお、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、および絶縁膜２７１Ａの成膜を、大気に暴露することなく行ってもよい。この場合、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いることが好ましい。
まず、絶縁膜２５０Ａを成膜する。絶縁膜２５０Ａ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２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３５０℃以上４５０℃未満、特に４００℃前後とすることが好ましい。絶縁膜２５０Ａを、４００℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。
なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、当該酸素プラズマに絶縁膜２５０Ａを曝すことで、絶縁膜２５０Ａへ酸素を導入することができる。
また、熱処理を行ってもよい。熱処理は、前述の熱処理条件を用いることができる。当該熱処理によって、絶縁膜２５０Ａ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、絶縁膜２５０Ａの上に金属酸化膜を成膜してもよい。金属酸化膜として、スパッタリング法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。金属酸化膜の成膜方法としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。酸素ガスを含む雰囲気で金属酸化膜を成膜することで、絶縁膜２５０Ａ中に、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁膜２５０Ａに添加された過剰酸素は、酸化物２３０に酸素を供給することで、酸化物２３０中の酸素欠損を補償することができる。
続いて、導電膜２６０Ａを成膜する。導電膜２６０Ａは、第１の導電膜と、第２の導電膜の積層構造にしてもよい。また、第１の導電膜と第２の導電膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。例えば、第１の導電膜として、窒化チタンを成膜し、第２の導電膜として、タングステンを成膜するとよい。
なお、導電膜２６０Ａの上にバリア膜として機能する絶縁膜を成膜してもよい。当該絶縁膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。当該絶縁膜は、バリア膜として機能するため、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。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、導電体２６０の酸化を抑制することができる。また、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、水または水素などの不純物が酸化物２３０に混入することを抑制することができる。
続いて、絶縁膜２７１Ａを成膜する。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２７５Ａ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２７５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をエッチングして、絶縁体２７１を形成する。絶縁体２７１は、導電体２６０および絶縁体２５０を形成するときのハードマスクとして機能することができる。絶縁体２７１を設けることで、絶縁体２５０の側面、および、導電体２６０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、絶縁膜２５０Ａおよび導電膜２６０Ａを、エッチングし、絶縁体２５０および導電体２６０を形成する（図６参照。）。ここで、酸化膜２３０Ｃの絶縁体２５０および導電体２６０と重ならない領域は、他の領域より膜厚が薄くなる場合がある。また、酸化膜２３０Ｃを絶縁体２５０および導電体２６０と重畳して島状に加工する構成にしてもよい。
また、絶縁体２５０および導電体２６０は、少なくとも一部が、導電体２０５および酸化物２３０と重なるように形成する。
また、絶縁体２５０の側面および導電体２６０の側面は、同一面内であることが好ましい。
また絶縁体２５０の側面および導電体２６０の側面が共有する同一面は、基板の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。なお、断面形状において、絶縁体２５０および導電体２６０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、絶縁体２５０および導電体２６０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角は大きいほど好ましい。
なお、上記加工後も、当該ハードマスク（絶縁体２７１）は除去せずに後工程を進めてもよい。
次に、絶縁体２２４および酸化膜２３０Ｃ上に絶縁体２７７Ａを、絶縁体２７１上に絶縁体２７７Ｂを、同時に成膜する（図７参照。）。絶縁体２７７Ａおよび絶縁体２７７Ｂの成膜は、段差被覆性の低い方法を用いて成膜することが好ましい。例えば、酸化アルミニウムを含むターゲットを用いたスパッタリング法によって成膜することが好ましい。また、絶縁体２７７は、絶縁体２７３より膜厚を薄くすることが好ましい。このように成膜することで、酸化物２３０、絶縁体２５０、導電体２６０および絶縁体２７１からなる段差部において、段切れが発生し、酸化膜２３０Ｃ上の絶縁体２７７Ａと、絶縁体２７１上の絶縁体２７７Ｂを、同時に成膜することができる。さらに、絶縁体２５０の側面を覆って絶縁体２７７Ａが形成されるのを防ぐことができる。
また、絶縁体２７７Ａをスパッタリング法で成膜することで、酸素欠損を生じさせ、キャリア密度が高い領域２４２を自己整合的に形成することができる。成膜と同時に、金属元素および水素などの不純物元素を酸化物２３０ｂおよび酸化膜２３０Ｃに添加することで、よりキャリア密度の増加を図ることができる。また、後述する熱処理を行うことで、酸化物２３０の表面近傍に添加された金属元素および水素などの不純物元素を拡散させて領域２４２を形成することもできる。
次に、絶縁体２７７Ａ、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７１、および絶縁体２７７Ｂを覆って、絶縁膜２７５Ａを成膜する（図８参照。）。絶縁膜２７５Ａ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２７５Ａとして、ＰＥＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。このような方法で、膜厚の薄い絶縁体２７７Ａの上から、絶縁膜２７５Ａを成膜することで、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素を、酸化物２３０ｂおよび酸化膜２３０Ｃに拡散させて、領域２４２のキャリア密度を増加させることができる。
絶縁膜２７５Ａ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、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁膜２７５Ａに用いると、後の工程で絶縁体２７５中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。
次に、絶縁膜２７５Ａ、絶縁体２７７Ａ、および絶縁体２７７Ｂに、異方性エッチング処理を行い、酸化物２３０ｃの上面および絶縁体２５０の側面に接する絶縁体２７７と、絶縁体２７７の上面、絶縁体２５０の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７１の側面に接する絶縁体２７５を形成する（図９参照。）。異方性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、基板に略平行な面に成膜された絶縁膜２７５Ａ、絶縁体２７７Ａ、および絶縁体２７７Ｂを除去して、絶縁体２７５および絶縁体２７５の下に位置する絶縁体２７７を自己整合的に形成することができる。なお、当該工程において、絶縁体２２４を島状に加工してもよい。その場合、絶縁体２２２をエッチングストッパ膜として用いることができる。
次に、絶縁体２７５、および酸化物２３０上に絶縁体２７３を成膜する（図１０参照。）。絶縁体２７３は、比較的成膜速度が速い、段差被覆性の低い方法を用いて成膜することが好ましく、スパッタリング法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することができる。例えば、絶縁体２７３は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。このように、絶縁体２７３を成膜することで、絶縁体２７７および絶縁体２７５からなる段差部の近傍において、図２（Ｂ）または図２（Ｃ）に示すような領域２７４を形成することができる。
また、絶縁体２７３は、絶縁体２７７より膜厚を厚くすることが好ましい。これにより、領域２７４以外において絶縁体２７３に被覆不良が形成されるのを防ぎ、領域２７４以外の領域で水素などの不純物や酸素に対するバリア性を高くすることができる。
また、絶縁体２７３をスパッタリング法で成膜することで、領域２４２に酸素欠損を生じさせ、キャリア密度を増大させることができる。
次に、絶縁体２７３の上に、絶縁体２８０を成膜する（図１１参照。）。絶縁体２８０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。例えば、絶縁体２８０として、酸化窒化シリコンを用いるとよい。
次に、絶縁体２８０の一部を除去する。絶縁体２８０は、上面が平坦性を有するように形成することが好ましい。例えば、絶縁体２８０は、成膜した直後に上面が平坦性を有していてもよい。または、例えば、絶縁体２８０は、成膜後に基板裏面などの基準面と平行になるよう絶縁体などを上面から除去していくことで平坦性を有してもよい。このような処理を、平坦化処理と呼ぶ。平坦化処理としては、ＣＭＰ処理、ドライエッチング処理などがある。本実施の形態では、平坦化処理として、ＣＭＰ処理を用いる。ただし、絶縁体２８０の上面は必ずしも平坦性を有さなくてもよい。
次に、絶縁体２８０の上に絶縁体２８２を成膜する（図１１参照。）。絶縁体２８２は、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。また、絶縁体２８２は、水または水素などの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。例えば、絶縁体２８２は、バリア性を有するアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を用いることが好ましい。本実施の形態では、絶縁体２８２として、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜する。
スパッタリング法を用いて、酸素を含む雰囲気で絶縁体２８２の成膜を行うことで、成膜しながら、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）を導入することができる。後の工程の熱処理によって、酸素を拡散させて酸化物２３０に効果的に酸素を供給することができる。
なお、絶縁体２８２を成膜する際に、基板加熱を行うことが好ましい。基板加熱は、１００℃よりも高く、３００℃以下であることが好ましい。より、好ましくは１２０℃以上２５０℃以下で行えばよい。基板温度を、１００℃よりも高くすることで、酸化物２３０中の水を除去することができる。また、形成した膜上に、表面吸着水が付着することを防止することができる。また、このように基板加熱を行いながら絶縁体２８２を成膜することにより、成膜しながら酸素を絶縁体２８０から、絶縁体２７５および酸化物２３０に拡散させることができる。
また、絶縁体２８０を、絶縁体２８２および絶縁体２７３で挟まれる構造とすることによって、酸素を外方拡散させず、絶縁体２８０中に多くの酸素を含有させることができる。
なお、絶縁体２８０に、過剰酸素領域を設ける方法は上記に限られるものではない。絶縁体２８０に過剰酸素領域を設けるには、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、酸素を過剰に含有する領域を形成すればよい。
続いて、熱処理を行う。当該熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。当該熱処理は、酸素雰囲気で行えばよい。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えばよい。ここで不活性ガスとしては、例えば窒素ガスまたは希ガスなどを用いることができる。当該熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、当該熱処理は、不活性ガス雰囲気で熱処理した後に、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％以上含む雰囲気で熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、酸素ガス雰囲気中で４００℃、１時間の熱処理を行う。
上述の通り、本実施の形態では、導電体２６０、絶縁体２５０、および酸化物２３０を覆って、絶縁体２７３が設けられている。このため、当該熱処理において、絶縁体２８０に添加された酸素は、図２に示すように、導電体２６０、絶縁体２５０、および酸化物２３０に直接浸入せず、領域２７４を介して絶縁体２７５および絶縁体２５０に拡散する。絶縁体２５０に含まれる酸素は、酸化物２３０に供給される。これにより、酸化物２３０、特にチャネル形成領域として機能する領域２３４に酸素を供給し、酸素欠損を低減することができる。ここで、絶縁体２７５の下面に接して絶縁体２７７が設けられているので、領域２３４に酸素を供給しながら、酸化物２３０の絶縁体２７５および絶縁体２７７と重なる部分に、キャリア密度の高い領域２４２を維持しておくことができる。
また、上記熱処理により、酸化物２３０の表面近傍に添加された金属元素などの不純物を拡散させ、領域２４２の低抵抗化を図ることができる場合がある。
続いて、絶縁体２８２上に、絶縁体２８４を形成する（図１１参照。）。例えば、絶縁体２８４として、ＣＶＤ法により、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形成する。絶縁体２８４は、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。
次に、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３に、酸化物２３０に達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄが酸化物２３０の上面および側面に接して設けられるように、酸化物２３０に達する開口において、酸化物２３０の上面および側面が露出するように、当該開口を形成してもよい。
次に、導電体２４０の第１の導電体となる導電膜、および導電体２４０の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、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。
ここで、例えば、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３に開口を形成する際に、領域２４２の低抵抗化した領域を除去する場合がある。その場合、導電体２４０の第１の導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物２３０と導電体２４０の第１の導電体とが接するため、当該接した領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と導電体２４０の接触領域を低抵抗化することができる。導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０を低抵抗化することで、酸化物２３０と導電体２４０との間のコンタクト抵抗を低減することができる。従って、導電体２４０の第１の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８４を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ｓ、および導電体２４０ｄを形成することができる（図１参照。）。
以上により、トランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。図４乃至図１１に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ２００を作成することができる。
本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、Ｓ値の良好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、高い周波数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、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、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、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。
＜半導体装置の変形例＞
以下では、図１２および図１３を用いて、先の＜半導体装置の構成例＞で示したものとは異なる、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。
ここで、図１２および図１３の（Ａ）は上面図を示す。また、図１２および図１３の（Ｂ）は（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、図１２および図１３の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。各図（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。
なお、図１２および図１３に示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置（図１参照。）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。なお、本項目において、トランジスタ２００の構成材料については＜半導体装置の構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
図１２に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置とは、上面視において、酸化物２３０ｃの側面が、絶縁体２５０および導電体２６０の側面と一致する点において異なる。よって、絶縁体２７７は、酸化物２３０ｂの上面および酸化物２３０ｃの側面に接して設けられる。このため、絶縁体２７７の膜厚は、酸化物２３０ｃの膜厚と絶縁体２５０の膜厚の和より小さければ、絶縁体２７５から絶縁体２５０に酸素を拡散させることができる。ゆえに、図１２に示すトランジスタ２００は、図１に示すトランジスタより、酸化物２３０に効率よく酸素を供給することができる。
図１３に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置とは、導電体２４０と層間膜として機能する絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４との間に、バリア層として機能する絶縁体２７６（絶縁体２７６ａ、および絶縁体２７６ｂ）を設けたことが異なる。なお、本構造とする場合、絶縁体２７６、および絶縁体２８２は、酸素、水素、および水に対し、バリア性を有することが好ましい。
具体的には、図１３に示すように、導電体２４０と、絶縁体２８０、およびバリア性を有する絶縁体２８２との間に絶縁体２７６を設けるとよい。特に、絶縁体２７６は、バリア性を有する絶縁体２８２と接して設けられることが好ましい。絶縁体２７６と、絶縁体２８２とが接して設けられることで、絶縁体２７６が絶縁体２８４まで延在し、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、絶縁体２７６を設けることで、絶縁体２８０が有する不純物が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００へと拡散し、半導体装置の信頼性が低下することを抑制することができる。また、絶縁体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。
絶縁体２７６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、化学気相堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
また、トランジスタ２００を覆う絶縁体２８０を、平坦化しなくともよい。その場合、絶縁体２８２の被覆性が低下するため、絶縁体２８３を設けてもよい。なお、絶縁体２８３は、絶縁体２８２と同様に、酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。また、絶縁体２８３は、ＡＬＤ法を用いて、成膜することが好ましい。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、被処理物の形状の影響を受けにくいためである。
また、その場合、絶縁体２８４が、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、トランジスタ２００上に他の構造体の形成が容易となり、高集積化が可能となる。
なお、絶縁体２８０の平坦化を行わないことで、絶縁体２８０が有する過剰酸素量の導出が容易になる。つまり、絶縁体２８０の体積は、絶縁体２８０が有することができる過剰酸素量に影響する。絶縁体２８０の平坦化を行わないことで、絶縁体２８０の体積は、成膜膜厚により概算することができるため、トランジスタ、および回路設計が容易になる。
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態に示す構成、構造、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１４および図１５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１４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など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１４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１４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。
ここで、図１４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１４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。
また、例えば、導電体２４０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１４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ていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。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１４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用いることで、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、導電体１１２、または導電体１２０上に設けられる絶縁体１３０、および絶縁体１５０の一方、または両方を抵抗率が１．０×１０１２Ωｃｍ以上１．０×１０１５Ωｃｍ以下、好ましくは５．０×１０１２Ωｃｍ以上１．０×１０１４Ωｃｍ以下、より好ましくは１．０×１０１３Ωｃｍ以上５．０×１０１３Ωｃｍ以下の絶縁体とすることが好ましい。絶縁体１３０、および絶縁体１５０の一方、または両方を上記のような抵抗率を有する絶縁体とすることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ２００、トランジスタ３００、容量素子１００、および導電体１１２や導電体１２０等の配線間に蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタ、該トランジスタを有する記憶装置の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。このような絶縁体として、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンを用いることができる。
また、上記のような抵抗率を有する絶縁体として、絶縁体１４０を導電体１１２の下層に設けてもよい。この場合、絶縁体２８４上に絶縁体１４０を形成し、絶縁体１４０、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７３などに開口部を形成し、当該開口部内に絶縁体２７６の形成や、トランジスタ２００、導電体２１８などと電気的に接続する導電体２４０の形成を行えばよい。絶縁体１４０は、絶縁体１３０、または絶縁体１５０と同様の材料を用いることができる。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、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。
＜＜酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ＞＞
なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
例えば、図１４では、絶縁体２２４と、導電体２４０との間に、絶縁体２７６を設けるとよい。特に、絶縁体２７６は、酸素を有する絶縁体２２４を挟む絶縁体２２２と、絶縁体２７３と、接して設けられることが好ましい。絶縁体２７６と、絶縁体２２２、および絶縁体２７３とが接して設けられることで、絶縁体２２４、およびトランジスタ２００は、バリア性を有する絶縁体により、封止する構造とすることができる。さらに、絶縁体２７６は、絶縁体２８０の一部とも接することが好ましい。絶縁体２７６が、絶縁体２８０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、絶縁体２７６を設けることで、絶縁体２２４が有する酸素が、導電体２４０に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体２７６を有することで、不純物である水素が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００へ拡散することを抑制することができる。
なお、絶縁体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。
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１５に示す。図１５に示す記憶装置は、図１４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１５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１５に示す記憶装置は、図１４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と、第２のゲート電極として機能する導電体４０５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、絶縁体４７１と、絶縁体４７５と、絶縁体４７７と、ソースまたはドレインの一方として機能する領域４４２ｓ、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４４２ｄ、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）と、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は、酸化物２３０ａと、同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂは、酸化物２３０ｂ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。導電体４６０は、導電体２６０と、同じ層である。絶縁体４７１は、絶縁体２７１と、同じ層である。絶縁体４７５は、絶縁体２７５と、同じ層である。絶縁体４７７は、絶縁体２７７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。
＜＜ダイシングライン＞＞
以下では、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。
ここで、例えば、図１５に示すように、絶縁体２７３と、絶縁体２２２とが接する領域をダイシングラインとなるように設計することが好ましい。つまり、複数のトランジスタ２００を有するメモリセル、およびトランジスタ４００の外縁に設けられるダイシングラインとなる領域近傍において、絶縁体２２４に開口を設ける。また、絶縁体２２４の側面を覆うように、絶縁体２７３を設ける。
つまり、上記絶縁体２２４に設けた開口において、絶縁体２２２と、絶縁体２７３とが接する。例えば、このとき、絶縁体２２２と、絶縁体２７３とを同材料及び同方法を用いて形成してもよい。絶縁体２２２、および絶縁体２７３を、同材料、および同方法で設けることで、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好ましい。
当該構造により、絶縁体２２２、および絶縁体２７３で、絶縁体２２４、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を包み込むことができる。絶縁体２２２、および絶縁体２７３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回路領域ごとに、基板を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、およびトランジスタ４００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２２４の酸素が絶縁体２７３、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２２４の酸素は、効率的にトランジスタ２００、またはトランジスタ４００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４００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４００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４００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。
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。
（実施の形態３）
本実施の形態では、図１６および図１７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１６（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１６（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１６（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１７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１７（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１７（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１７（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１７（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１７（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１７（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１７（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１７（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１７（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ｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
また、図１７（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１７（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ｎ型トランジスタのみを用いて回路を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、回路素子等は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。また、これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の配置は変更してもよく、これらの機能は変更、削除、または追加してもよい。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態など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１８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１８（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１８（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の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１９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１９（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１９（Ｂ）はＳＤカードの外観の模式図であり、図１９（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１９（Ｄ）はＳＳＤの外観の模式図であり、図１９（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。
（実施の形態６）
本発明の一態様に係る半導体装置は、ＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図２０に、本発明の一態様に係るＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。
＜電子機器・システム＞
本発明の一態様に係るＧＰＵ又はチップは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係る集積回路又はチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
本発明の一態様の電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。
本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図２０に、電子機器の例を示す。
［携帯電話］
図２０（Ａ）には、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）が図示されている。情報端末５５００は、筐体５５１０と、表示部５５１１と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５５１１に備えられ、ボタンが筐体５５１０に備えられている。
情報端末５５００は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部５５１１に表示するアプリケーション、表示部５５１１に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部５５１１に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。
［情報端末１］
図２０（Ｂ）には、デスクトップ型情報端末５３００が図示されている。デスクトップ型情報端末５３００は、情報端末の本体５３０１と、ディスプレイ５３０２と、キーボード５３０３と、を有する。
デスクトップ型情報端末５３００は、先述した情報端末５５００と同様に、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、デスクトップ型情報端末５３００を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。
なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、及びデスクトップ用情報端末を例として、それぞれ図２０（Ａ）、（Ｂ）に図示したが、スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
［電化製品］
図２０（Ｃ）は、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。
電気冷凍冷蔵庫５８００に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫５８００は、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。
本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電気オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。
［ゲーム機］
図２０（Ｄ）は、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５２００を示している。携帯ゲーム機５２００は、筐体５２０１、表示部５２０２、ボタン５２０３等を有する。
携帯ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、低消費電力の携帯ゲーム機５２００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。
更に、携帯ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機５２００を実現することができる。
本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機５２００に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、ゲーム中のイベントが発生するタイミング、ゲーム上に登場する人物の言動、等をゲームのプログラムに限定されずに変化させて表現することが可能となる。
また、携帯ゲーム機５２００で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、１人でもゲームを行うことができる。
図２０（Ｄ）では、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機としては、例えば、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
［移動体］
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは、移動体である自動車、及び自動車の運転席周辺に適用することができる。
図２０（Ｅ１）は移動体の一例である自動車５７００を示し、図２０（Ｅ２）は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図２０（Ｅ１）では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。
表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、燃料計、ギア状態、エアコンの設定などを表示することで、様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。
表示パネル５７０４には、自動車５７００の外側に設けられた撮像装置（図示しない。）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車５７００の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該チップを自動車５７００の自動運転システムに用いることができる。また、当該チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０４には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。
なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。
［放送システム］
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは、放送システムに適用することができる。
図２０（Ｆ）は、放送システムにおけるデータ伝送を模式的に示している。具体的には、図２０（Ｆ）は、放送局５６８０から送信された電波（放送信号）が、各家庭のテレビジョン受信装置（ＴＶ）５６００に届くまでの経路を示している。ＴＶ５６００は、受信装置を備え（図示しない。）、アンテナ５６５０で受信された放送信号は、当該受信装置を介して、ＴＶ５６００に送信される。
図２０（Ｆ）では、アンテナ５６５０は、ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンテナを図示しているが、アンテナ５６５０としては、ＢＳ・１１０°ＣＳアンテナ、ＣＳアンテナなども適用できる。
電波５６７５Ａ、電波５６７５Ｂは地上波放送用の放送信号であり、電波塔５６７０は受信した電波５６７５Ａを増幅して、電波５６７５Ｂの送信を行う。各家庭では、アンテナ５６５０で電波５６７５Ｂを受信することで、ＴＶ５６００で地上波ＴＶ放送を視聴することができる。なお、放送システムは、図２０（Ｆ）に示す地上波放送に限定せず、人工衛星を用いた衛星放送、光回線によるデータ放送などとしてもよい。
上述した放送システムは、本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用した放送システムとしてもよい。放送局５６８０から各家庭のＴＶ５６００に放送データを送信するとき、エンコーダによって放送データの圧縮が行われ、アンテナ５６５０が当該放送データを受信したとき、ＴＶ５６００に含まれる受信装置のデコーダによって当該放送データの復元が行われる。人工知能を利用することによって、例えば、エンコーダの圧縮方法の一である動き補償予測において、表示画像に含まれる表示パターンの認識を行うことができる。また、人工知能を利用したフレーム内予測などを行うこともできる。また、例えば、解像度の低い放送データを受信して、解像度の高いＴＶ５６００で当該放送データの表示を行うとき、デコーダによる放送データの復元において、アップコンバートなどの画像の補間処理を行うことができる。
上述した人工知能を利用した放送システムは、放送データの量が増大する超高精細度テレビジョン（ＵＨＤＴＶ：４Ｋ、８Ｋ）放送に対して好適である。
また、ＴＶ５６００側における人工知能の応用として、例えば、ＴＶ５６００に人工知能を有する録画装置を設けてもよい。このような構成にすることによって、当該録画装置にユーザの好みを人工知能に学習させることで、ユーザの好みにあった番組を自動的に録画することができる。
本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
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。
本実施例では、本発明の一態様に係る半導体装置として、図１に示す、トランジスタ２００と同様の構成を有するトランジスタを作製した。当該半導体装置を、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて観察を行い、電気特性の測定を行った結果について説明する。
本実施例に係る試料１は、トランジスタ２００と同様の構成を有する。すなわち、試料１は、図１に示すように、基板（図示せず。）上の絶縁体２１４と、絶縁体２１４上の絶縁体２１６と、絶縁体２１６に埋め込まれた導電体２０５と、絶縁体２１６および導電体２０５上の絶縁体２２０と、絶縁体２２０上の絶縁体２２２と、絶縁体２２２上の絶縁体２２４と、絶縁体２２４上の酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｃ上の絶縁体２５０と、絶縁体２５０を介して酸化物２３０と重なる導電体２６０と、導電体２６０上の絶縁体２７１と、酸化物２３０ｃの上面に接する絶縁体２７７と、絶縁体２７７の上面、絶縁体２５０の側面、および導電体２６０の側面、に接する絶縁体２７５と、絶縁体２７１の上面、絶縁体２７５の側面、絶縁体２７７の側面、および酸化物２３０の上面、に接する絶縁体２７３と、絶縁体２７３上の絶縁体２８０と、絶縁体２８０上の絶縁体２８２と、を有する。
以下に、本実施例に係る試料１の作製工程について示す。なお、トランジスタ２００の作製方法の詳細については、図４乃至図１１に係る記載を参酌することができる。
まず、基板として、膜厚４００ｎｍの熱酸化膜が形成された、シリコン基板を準備した。
次に、絶縁体２１４として、ＲＦスパッタリング法を用いて膜厚が４０ｎｍの酸化アルミニウムを成膜した。
次に、絶縁体２１６として、ＰＥＣＶＤ法を用いて酸化窒化シリコンを成膜した。それから、絶縁体２１６に開口を形成し、当該開口に埋め込むように、導電体２０５として、窒化タンタル、窒化チタン、タングステンの順に積層された、積層膜を形成した。
次に、絶縁体２２０として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が１０ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。次に、絶縁体２２２として、ＡＬＤ法を用いて膜厚が１０ｎｍの酸化ハフニウムを成膜した。
次に、窒素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行い、さらに酸素雰囲気下で４００℃１時間の熱処理を行った。
次に、絶縁体２２４として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が１０ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。
次に、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂを形成した。酸化物２３０ａとして、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。なお、酸化物２３０ａの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］ターゲットを用い、成膜ガスとして酸素ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａ（キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって計測した。）とし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を２００℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
また、酸化物２３０ｂとして、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。なお、酸化物２３０ｂの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］ターゲットを用い、成膜ガスとして、アルゴンガス４０ｓｃｃｍ、酸素ガス５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａ（キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって計測した。）とし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を１３０℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
なお、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂの成膜直後に、窒素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行い、さらに酸素雰囲気下で４００℃１時間の熱処理を行った。
次に、酸化物２３０ｃを形成した。酸化物２３０ｃとして、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。なお、酸化物２３０ｃの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］ターゲットを用い、成膜ガスとして酸素ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａ（キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって計測した。）とし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を１３０℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
次に、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７１を形成した。ここで、絶縁体２５０として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が１０ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。また、導電体２６０として、ＡＬＤ法を用いて膜厚が１０ｎｍの窒化チタンを成膜し、その上にメタルＣＶＤ法を用いて膜厚が３０ｎｍのタングステンを成膜した。また、絶縁体２７１として、ＡＬＤ法を用いて膜厚が５ｎｍの酸化アルミニウムを成膜し、その上にＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が１００ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。
次に、窒素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行った。
次に、絶縁体２７７となる絶縁体２７７Ａおよび絶縁体２７７Ｂを成膜した。絶縁体２７７Ａおよび絶縁体２７７Ｂは、ＲＦスパッタリング法を用いて膜厚が２ｎｍの酸化アルミニウムを成膜した。なお、絶縁体２７７Ａおよび絶縁体２７７Ｂの成膜には、Ａｌ２Ｏ３ターゲットを用い、成膜ガスとして、アルゴンガス２５ｓｃｃｍ、酸素ガス２５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．４Ｐａ（キャノンアネルバ製Ｂ−ＡゲージＢＲＧ−１Ｂによって計測した。）とし、成膜電力を２５００Ｗとし、基板温度を２５０℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
次に、絶縁体２７５となる絶縁膜２７５Ａを成膜した。絶縁膜２７５Ａは、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が１５ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。
次に、絶縁膜２７５Ａ、絶縁体２７７Ａ、および絶縁体２７７Ｂにドライエッチング処理を行って、絶縁体２７５および絶縁体２７７を形成した。
次に、窒素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行った。
次に、絶縁体２７３を成膜した。絶縁体２７３は、ＲＦスパッタリング法を用いて膜厚が２０ｎｍの酸化アルミニウムを成膜した。なお、成膜条件は、絶縁体２７７と同様である。
次に、酸素雰囲気で３５０℃１時間の熱処理を行った。
次に、絶縁体２８０を成膜した。絶縁体２８０は、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が５００ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。それから、導電体２６０上における絶縁体２８０の膜厚が１２０ｎｍになるまでＣＭＰ処理を行った。
次に、絶縁体２８２を成膜した。絶縁体２８２は、ＲＦスパッタリング法を用いて膜厚が４０ｎｍの酸化アルミニウムを成膜した。なお、成膜条件は、絶縁体２７７と同様である。
次に、酸素雰囲気で３５０℃１時間の熱処理を行った。
以上のようにして、チャネル長６０ｎｍ、チャネル幅６０ｎｍの、試料１を作製した。なお、さらに絶縁体２８２の上に、層間膜として機能する絶縁膜や、配線として機能する導電膜などを設けた。
作製した試料１について、日立ハイテクノロジーズ製「ＨＤ−２７００」を用いて、加速電圧を２００ｋＶとして、断面ＳＴＥＭ像の撮影と、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による分析を行った。図２１（Ａ）は倍率５０万倍で撮影した断面ＳＴＥＭ像であり、図２１（Ｂ）は倍率４０万倍で撮影した、ＥＤＸ分析のＡｌ−Ｋ線のマッピング像である。
図２１（Ａ）に示すＳＴＥＭ像では、絶縁体２７７が形成されていることが確認しにくいが、図２１（Ｂ）に示すマッピング像から、絶縁体２７５の下に酸化アルミニウムを含む絶縁体２７７が形成されていることが分かる。また、図２１（Ｂ）に示すように、導電体２６０の側面にも、酸化アルミニウムの一部が残存しているが、絶縁体２５０の側面は、酸化アルミニウムによって完全には覆われておらず、絶縁体２５０の側面と絶縁体２７５が接している。これにより、絶縁体２７５と絶縁体２５０の間の酸素の拡散経路が確保されていることが分かる。また、図２１（Ｂ）から、絶縁体２７３の絶縁体２７７近傍に、膜厚が局所的に薄い領域２７４が形成されていることも確認できる。
上記の構造を有する試料１について、キーサイトテクノロジー製半導体パラメータアナライザーを用いて、Ｉｄ−Ｖｇ特性（ドレイン電流−ゲート電圧特性）を測定した。Ｉｄ−Ｖｇ特性の測定は、ドレイン電圧（Ｖｄ）を０．１Ｖまたは１．２Ｖとし、バックゲート電圧（Ｖｂｇ）を０Ｖまたは−３Ｖとし、ゲート電圧を−４．０Ｖから４．０Ｖまで０．１Ｖステップで掃引させた。
図２２（Ａ）にＶｂｇ＝０ＶにおけるＩｄ−Ｖｇ特性の測定結果を、図２２（Ｂ）にＶｂｇ＝−３ＶにおけるＩｄ−Ｖｇ特性の測定結果を示す。それぞれの図は、横軸にゲート電圧Ｖｇ［Ｖ］、第１の縦軸にドレイン電流Ｉｄ［Ａ］、第２の縦軸にＶｄ＝１．２Ｖにおける電界効果移動度μＦＥ［ｃｍ２／Ｖｓ］をとる。また、Ｖｄ＝０．１Ｖのドレイン電流を細い実線で示し、Ｖｄ＝１．２Ｖのドレイン電流を太い実線で示している。
図２２（Ａ）（Ｂ）に示すＩｄ−Ｖｇ特性のＶｄ＝１．２Ｖ、Ｖｇ＝３．３Ｖにおけるオン電流Ｉｏｎと、Ｖｄ＝０．１Ｖにおける電界効果移動度μＦＥと、Ｖｄ＝１．２ＶにおけるＳ値を、表１に示す。
図２２および表１より、試料１は、Ｖｂｇ＝０Ｖにおいても、Ｖｂｇ＝−３Ｖにおいても、良好なオン電流、Ｓ値、電界効果移動度を有していることが分かる。また、Ｖｂｇ＝−３Ｖを印加することで、試料１はノーマリーオフの電気特性を示している。特に、Ｖｂｇ＝−３Ｖを印加したときのＳ値は、Ｖｂｇ＝０Ｖを印加したときのＳ値とほぼ同程度である。
次に、試料１における低抵抗な領域２４２の、絶縁体２７７と重なる部分のキャリア密度が、絶縁体２７７によって維持されることを、試料２Ａおよび試料２Ｂのシート抵抗を測定して確認した。ここで、試料２Ａの構造を図２３（Ａ）に、試料２Ｂの構造を図２３（Ｂ）に示す。
試料２Ａは、膜厚４００ｎｍの熱酸化膜が形成されたシリコン基板（図示せず。）の上に、膜厚４０ｎｍの酸化物２０と、酸化物２０の上に膜厚２ｎｍの絶縁体５０と、絶縁体５０の上に膜厚５０ｎｍの絶縁体３０と、絶縁体３０の上に膜厚２０ｎｍの絶縁体４０と、を有する。ここで、酸化物２０はトランジスタ２００の酸化物２３０ｂと、絶縁体５０はトランジスタ２００の絶縁体２７７と、絶縁体３０はトランジスタ２００の絶縁体２７５と、絶縁体４０はトランジスタ２００の絶縁体２７３および絶縁体２８２と、対応している。
酸化物２０は、ＤＣスパッタリング法を用いて成膜した。成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］ターゲットを用い、成膜ガスとして、アルゴンガス４０ｓｃｃｍ、酸素ガス５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．４Ｐａ（日本エム・ケー・エス製バラトロン真空計によって計測した。）とし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を室温とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
絶縁体５０は絶縁体２７７と同じ条件で、絶縁体３０は絶縁体２７５および絶縁体２８０と同じ条件で、絶縁体４０は絶縁体２７３および絶縁体２８２と同じ条件で、成膜した。
なお、酸化物２０の成膜後に、窒素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行い、さらに酸素雰囲気下で４００℃１時間の熱処理を行った。また、絶縁体３０の成膜後に、窒素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行った。また、絶縁体４０の成膜後に、窒素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行い、さらに酸素雰囲気下で４００℃１時間の熱処理を行った。
なお、試料２Ｂは、試料２Ａにおいて絶縁体５０を設けていないものであり、それ以外の構成は試料２Ａと同じである。
このように、作製した試料２Ａおよび試料２Ｂについて、酸化物２０の表面を露出させ、シート抵抗を測定し、酸化物２０のキャリア密度を評価した。
その結果、試料２Ａの酸化物２０のシート抵抗は８３１６Ω／□であり、試料２Ｂの酸化物２０のシート抵抗は５６２５２Ω／□であった。これにより、絶縁体５０を設けることで、加酸素化による酸化物２０のキャリア密度の低下が抑えられることが示された。よって、試料１の絶縁体２７７と重なる部分のキャリア密度も、チャネル形成領域より十分高くなっており、領域２４２が形成されていると考えられる。
以上、本実施例に示す構成、方法などは、少なくともその一部を本明細書中に記載する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、１４０ 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、２３０ｂ 酸化物、２３０ｃ 酸化物、２３０Ｃ 酸化膜、２３４ 領域、２４０ 導電体、２４０ｄ 導電体、２４０ｓ 導電体、２４１ 絶縁体、２４２ 領域、２４２ａ 領域、２４２ｂ 領域、２４２ｄ 領域、２４２ｓ 領域、２４４ 絶縁体、２５０ 絶縁体、２５０Ａ 絶縁膜、２５４ 絶縁体、２６０ 導電体、２６０Ａ 導電膜、２７１ 絶縁体、２７１Ａ 絶縁膜、２７３ 絶縁体、２７３ａ 絶縁体、２７３ｂ 絶縁体、２７４ 領域、２７５ 絶縁体、２７５Ａ 絶縁膜、２７６ 絶縁体、２７６ａ 絶縁体、２７６ｂ 絶縁体、２７７ 絶縁体、２７７Ａ 絶縁体、２７７Ｂ 絶縁体、２７８ 空孔、２８０ 絶縁体、２８２ 絶縁体、２８３ 絶縁体、２８４ 絶縁体

Claims (14)

  1. 基板上の第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の酸化物と、
    前記酸化物上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体を介して前記酸化物と重なる導電体と、
    前記酸化物の上面に接する第３の絶縁体と、
    前記第３の絶縁体の上面、前記第２の絶縁体の側面、および前記導電体の側面、に接する第４の絶縁体と、
    前記第４の絶縁体の側面、前記第３の絶縁体の側面、および前記酸化物の上面、に接する第５の絶縁体と、を有し、
    前記第３の絶縁体は、前記第４の絶縁体より酸素透過性が低い、半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第３の絶縁体は、前記第２の絶縁体より膜厚が薄い、半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記第３の絶縁体は、前記第５の絶縁体より膜厚が薄い、半導体装置。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
    前記酸化物の前記第３の絶縁体と重なる領域の少なくとも一部は、前記酸化物の前記導電体と重なる領域よりも、キャリア密度が高い、半導体装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
    前記第５の絶縁体は、第１の領域と第２の領域を有し、
    前記第１の領域は、前記第２の領域より酸素透過性が高く、
    前記第１の領域は、前記第４の絶縁体と接する、半導体装置。
  6. 請求項５において、
    前記第１の領域は、前記第４の絶縁体を挟んで、前記第２の絶縁体と対向する位置に形成される、半導体装置。
  7. 請求項５または請求項６において、
    前記第１の領域は、前記第２の領域より膜厚が薄い、半導体装置。
  8. 請求項５または請求項６において、
    前記第１の領域は、前記第２の領域より密度が低い、半導体装置。
  9. 請求項５または請求項６において、
    前記第１の領域に、前記第３の絶縁体に達する開口を有する、半導体装置。
  10. 請求項５または請求項６において、
    前記第５の絶縁体は、前記第１の領域を挟んで分離している、半導体装置。
  11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項において、
    前記第３の絶縁体、および前記第５の絶縁体は、酸化アルミニウムを含む、半導体装置。
  12. 請求項１乃至請求項１１のいずれか一項において、
    前記酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する半導体装置。
  13. 基板上に第１の絶縁体を形成し、
    前記第１の絶縁体上に酸化物を形成し、
    前記酸化物上の第２の絶縁体、および前記第２の絶縁体上の導電体を形成し、
    スパッタリング法を用いて、前記酸化物上に第３の絶縁体を、前記導電体上に第４の絶縁体を、同時に成膜し、
    前記第３の絶縁体および前記第４の絶縁体を覆って、第５の絶縁体を成膜し、
    前記第３の絶縁体、前記第４の絶縁体および前記第５の絶縁体に、異方性エッチングを行い、前記酸化物上の第６の絶縁体、および前記第６の絶縁体上の第７の絶縁体を形成し、
    前記第７の絶縁体および前記酸化物上に、第８の絶縁体を成膜し、
    前記第６の絶縁体の酸素透過性は、前記第７の絶縁体の酸素透過性より低い、半導体装置の作製方法。
  14. 請求項１３において、
    前記第３の絶縁体の成膜は、酸化アルミニウムを含むターゲットを用いて行う半導体装置の作製方法。
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