JP2022145780A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】第１の導電体と、第１の導電体上の第２の導電体と、第２の導電体を覆う第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、を有し、第１の酸化物および第１の絶縁体には、少なくとも第１の導電体の一部と重なる開口が設けられ、第２の酸化物は、開口を介して第１の導電体と電気的に接続する。【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の作製方法に関する。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。
半導体素子を用いた集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＩＣ）の開発がすすめられている。ＣＰＵやメモリの開発および製造には、より高い集積度のＩＣからなるＬＳＩや超ＬＳＩの技術が用いられている。このようなＩＣは、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、コンピュータ、情報端末、表示装置、自動車などを構成する、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。また、これらを人工知能（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ：ＡＩ）システムに用いる研究も進められている。
コンピュータや情報端末として、デスクトップ型コンピュータ、ラップトップ型コンピュータ、タブレット型コンピュータ、スマートフォン、携帯電話などが知られている。
半導体素子に用いられる半導体材料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。
また、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ことが知られている。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（特許文献１参照。）。
また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、集積回路のさらなる高密度化への要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。
ここで、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。）。
特開２０１２－２５７１８７号公報
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、良好な電気特性を有する半導体装置およびその作製方法を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置およびその作製方法を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置およびその作製方法を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置およびその作製方法を提供することを課題の一つとする。
本発明の一態様は、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を課題の一つとする。また、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。また、本発明の一態様は、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を課題の一つとする。また、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。
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。また、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、作製工程が簡略化された半導体装置およびその作製方法を提供することを課題の一つとする。また、本発明の一態様は、面積が縮小された半導体装置およびその作製方法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、第１の導電体と、第１の導電体上の第２の導電体と、第２の導電体を覆う第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、を有し、第１の酸化物および第１の絶縁体には、少なくとも第１の導電体の一部と重なる開口が設けられ、第２の酸化物は、開口を介して第１の導電体と電気的に接続する半導体装置である。
上記において、第２の酸化物の端部は、第１の酸化物の端部と概略一致することが好ましい。
上記において、半導体装置は、さらに、第３の導電体と、第３の導電体上の第４の導電体と、第２の酸化物上の第３の酸化物と、第３の酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第５の導電体を有していてもよく、第４の導電体は、第１の絶縁体に覆われ、第５の導電体は、第１の絶縁体、第１の酸化物、第２の酸化物、第３の酸化物、および第２の絶縁体を間に挟み、第３の導電体および第４の導電体と重なることが好ましい。
上記において、第１の導電体と、第３の導電体は、同じ材料からなることが好ましく、第２の導電体と、第４の導電体は、同じ材料からなることが好ましい。
上記において、第２の導電体は、金属窒化物を含むことが好ましい。
上記において、金属窒化物は、窒化チタンまたは窒化タンタルであることが好ましい。
本発明の一態様は、絶縁表面上に第１の導電膜を形成し、第１の導電膜上に第２の導電膜を形成し、第２の導電膜および第１の導電膜をパターニングして、第１の導電体および第１の導電体上の第２の導電体を形成し、第１の導電体および第２の導電体を覆うように第１の絶縁膜を形成し、第１の絶縁膜を、第２の導電体が露出するように加工して、第１の絶縁体を形成し、第１の絶縁体および第２の導電体上に第２の絶縁体を形成し、第２の絶縁体上に第１の酸化膜を形成し、第１の酸化膜および第２の絶縁体に、少なくとも第１の導電体の一部と重なる開口を形成し、第１の酸化膜上に第２の酸化膜を形成し、第２の酸化膜および第１の酸化膜をパターニングして、第１の酸化物、および第１の酸化物上の第２の酸化物を形成し、第２の酸化物は、開口を介して、第１の導電体と電気的に接続する半導体装置の作製方法である。
上記において、第２の導電膜および第１の導電膜のパターニングにより、さらに、第３の導電体および第３の導電体上の第４の導電体を形成し、第２の酸化物上に第３の酸化膜を形成し、第３の酸化膜上に第２の絶縁膜を形成し、第２の絶縁膜上に第３の導電膜を形成し、第３の導電膜をパターニングして第５の導電体を形成し、第２の絶縁膜をパターニングして第３の絶縁体を形成し、第３の酸化膜をパターニングして第３の酸化物を形成してもよく、第５の導電体は、第２の絶縁体、第１の酸化物、第２の酸化物、第３の酸化物、および第３の絶縁体を間に挟み、第３の導電体および第４の導電体と重なることが好ましい。
上記において、第２の導電膜は、金属窒化物を含むことが好ましい。
上記において、金属窒化物は、窒化チタンまたは窒化タンタルであることが好ましい。
本発明の一態様は、第１の導電体と、第１の導電体上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第３の酸化物と、第３の酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第２の導電体と、第２の絶縁体の側面と、第２の導電体の側面に設けられた第３の絶縁体と、第３の絶縁体の側面に設けられた第４の絶縁体を有し、第１の酸化物および第１の絶縁体には、第１の導電体の一部と重なる開口が設けられ、第２の酸化物は、開口を介して第１の導電体と電気的に接続する半導体装置である。
上記において、第２の酸化物の側面、および第３の酸化物の側面は、第１の酸化物の側面と同一平面を有することが好ましい。
上記において、第２の酸化物の端部、および第３の酸化物の端部は、第１の酸化物の端部と概略一致することが好ましい。
上記において、当該半導体装置は、さらに、第３の導電体と、第４の酸化物を有していてもよく、第４の酸化物は、第３の酸化物と第２の絶縁体の間に設けられ、第３の導電体は、第１の絶縁体、第１の酸化物、第２の酸化物、第３の酸化物、第４の酸化物、および第２の絶縁体を間に挟み、第２の導電体と重なることが好ましい。
上記において、第１の導電体と、第３の導電体は、同じ材料を有することが好ましい。
本発明の一態様は、第１の導電体および第２の導電体上に第１の絶縁膜を形成し、第１の絶縁膜上に第１の酸化膜を形成し、第１の酸化膜および第１の絶縁膜に、少なくとも第１の導電体の一部と重なる開口を形成し、第１の酸化膜および第１の導電体上に第２の酸化膜を形成し、第２の酸化膜上に第３の酸化膜を形成し、第３の酸化膜、第２の酸化膜および第１の酸化膜をパターニングして、第１の酸化物、第１の酸化物上の第２の酸化物、および第２の酸化物上の第３の酸化物を形成し、第１の酸化物、第２の酸化物、および第３の酸化物を覆うように第２の絶縁膜を形成し、第２の絶縁膜上に第１の導電膜を形成し、第１の導電膜、および第２の絶縁膜をパターニングして、第３の導電体、および第１の絶縁体を形成し、第３の導電体、および第１の絶縁体を覆うように第３の絶縁膜を形成し、第３の絶縁膜上に第４の絶縁膜を形成し、第４の絶縁膜および第３の絶縁膜をエッチングにより加工して、第３の導電体の側面、および第１の絶縁体の側面に第２の絶縁体、および第２の絶縁体の側面に第３の絶縁体を形成する半導体装置の作製方法である。
上記において、第３の導電体は、第１の絶縁膜、第１の酸化物、第２の酸化物、第３の酸化物、および第１の絶縁体を間に挟み、第２の導電体と重なることが好ましい。
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およびその作製方法を提供することができる。本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置およびその作製方法を提供することができる。本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置およびその作製方法を提供することができる。本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置およびその作製方法を提供することができる。
本発明の一態様により、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。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、新規な半導体装置を提供することができる。
本発明の一態様により、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。
本発明の一態様により、作製工程が簡略化された半導体装置およびその作製方法を提供することができる。また、本発明の一態様により、面積が縮小された半導体装置およびその作製方法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示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置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示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す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断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置の回路図、および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す回路図。 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。 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記憶装置の構成例を示す回路図。 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。 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、および回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図、回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示す回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。 本発明の一態様に係るＡＩシステムの構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係るＡＩシステムの応用例を説明するブロック図。 本発明の一態様に係るＡＩシステムを組み込んだＩＣの構成例を示す斜視模式図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために省略して示すことがある。また、図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。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、本明細書などにおいて、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」又は「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。従って、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
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、図または文章に記載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。
ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
チャネル幅とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（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、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは酸素が５５原子％以上６５原子％以下、窒素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは窒素が５５原子％以上６５原子％以下、酸素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、ｎチャネル型のトランジスタとする。よって、そのしきい値電圧（「Ｖｔｈ」ともいう。）は、明示されている場合を除き、０Ｖよりも大きいものとする。
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が－１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、－５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が－３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系に含まれるものとする。
なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ ＦＥＴと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
（実施の形態１）
＜半導体装置の構成例１＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
なお、本実施の形態では、トランジスタ２００と同じ層に容量素子１００を設ける例を示す。また、容量素子１００は、トランジスタ２００を構成する構造の一部を、容量素子１００を構成する構造の一部として用いる例を示す。
この場合、トランジスタ２００に、容量素子１００の一部、または全体を重畳させることができ、トランジスタ２００の投影面積、および容量素子１００の投影面積の合計した面積を小さくすることができるため、好ましい。
しかしながら、本実施の形態は、これに限らない。容量素子１００は、トランジスタ２００と異なる層に設けてもよく、例えば、トランジスタ２００を覆うように設けられた絶縁体（層間膜）上に容量素子１００を設けてもよい。また、半導体装置が動作するうえで、あるいは回路構成上、容量素子が不要な場合、容量素子１００は設けなくてもよい。
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、および図１（Ｄ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、容量素子１００、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。なお、本明細書では、１つの容量素子、および少なくとも１つのトランジスタを有する半導体装置をセルと称する。
図１（Ａ）は、トランジスタ２００、および容量素子１００を有するセル６００の上面図である。また、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、および図１（Ｄ）はセル６００の断面図である。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ－Ｂ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Ｃ－Ｄ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。また、図１（Ｄ）は、図１（Ａ）にＥ－Ｆの一点鎖線で示す部位の断面図であり、酸化物２３０と導電体２０３との接続部や、容量素子１００などの断面図でもある。図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
［セル６００］
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、容量素子１００、層間膜として機能する絶縁体２８０を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２５２（導電体２５２ａ、導電体２５２ｂ、導電体２５２ｃ、および導電体２５２ｄ）とを有する。
なお、導電体２５２は、絶縁体２８０の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２５２の上面の高さと、絶縁体２８０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２５２が２層であ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２５２は、単層、または３層以上の積層構造でもよい。
［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）の上に配置された絶縁体２０８、絶縁体２１０、絶縁体２１０上に配置された導電体２０３（導電体２０３ａ、導電体２０３ｂ）および導電体２０５（導電体２０５ａ、導電体２０５ｂ）と、導電体２０３および導電体２０５の間およびこれら導電体の周辺に設けられた絶縁体２１６と、絶縁体２１６、導電体２０３、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、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０の上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、導電体２６０の上に配置された絶縁体２７０、および絶縁体２７１と、少なくとも絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に接して配置された絶縁体２７２と、酸化物２３０、および絶縁体２７２と接して配置された絶縁体２７４と、を有する。
なお、絶縁体２１６は、導電体２０３および導電体２０５を覆うように配置した絶縁膜を、ＣＭＰ法などを用いて導電体２０３および導電体２０５が露出するまで研磨することで形成することができる。そのため、絶縁体２１６、導電体２０３、および導電体２０５は、表面の平坦性に優れる。
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａは、開口を有している。また、酸化物２３０ｂは、上記開口を介して導電体２０３と電気的に接続している。酸化物２３０ｂと、導電体２０３とが、酸化物２３０ａを介さずに接続する構成とすることで、直列抵抗及び接触抵抗を低減することが可能となる。このような構成により、電気特性の良好な半導体装置が得られる。より具体的には、オン電流の向上したトランジスタ、および当該トランジスタを用いた半導体装置が得られる。
また、導電体２０３および導電体２０５は積層構造を有しているのが好ましい。さらに、導電体２０３ｂおよび導電体２０５ｂは、導電体２０３ａおよび導電体２０５ａよりも酸化しにくい、すなわち耐酸化性に優れた材料を用いることが好ましい。導電体２０３ｂおよび導電体２０５ｂに酸化しにくい材料を用いることで、絶縁体２１６となる絶縁膜の形成時、絶縁体２１６の形成時、絶縁体２２０の形成時、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａに設けられる開口の形成時、および酸化物２３０ｂとなる酸化物の形成時に、導電体２０３および導電体２０５の酸化を抑制することができる。これにより、導電体２０３および導電体２０５の酸化による電気抵抗の増加を抑制することができる。特に導電体２０３上面の酸化が抑制されることで、導電体２０３と酸化物２３０ｂのコンタクトは良好なものになる。
導電体２０３ａおよび導電体２０５ａは、導電体２０３ｂおよび導電体２０５ｂより低抵抗な材料を用いることが好ましい。導電体２０３ａおよび導電体２０５ａ上には、それぞれ耐酸化性に優れた材料からなる導電体２０３ｂおよび導電体２０５ｂが設けられている。そのため、トランジスタ２００等の作製工程において、導電体２０３ａおよび導電体２０５ａの酸化などによる電気抵抗の増加を抑制することができる。
なお、トランジスタ２００では、図１に示すように、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ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２３０ａ、酸化物２３０ｂの２層構造、または４層以上の積層構造としてもよい。また、酸化物２３０ｂのみの単層、または酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃのみを設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ２００では、導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ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、単層、または３層以上の積層構造としてもよい。
ここで、図１（Ｂ）における一点鎖線で囲む、チャネル近傍の領域２３９の拡大図を図２に示す。
図１（Ｂ）および図２に示すように、酸化物２３０は、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する領域２３４と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１（領域２３１ａ、および領域２３１ｂ）との間に、領域２３２（領域２３２ａ、および領域２３２ｂ）を有する。ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１は、キャリア密度が高い、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域２３４は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりも、キャリア密度が低い領域である。また、領域２３２は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりもキャリア密度が低く、チャネル形成領域として機能する領域２３４よりもキャリア密度が高い領域である。すなわち領域２３２は、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の接合領域（ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）としての機能を有する。
接合領域を設けることで、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１と、チャネル形成領域として機能する領域２３４との間に高抵抗領域が形成されず、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。
また、領域２３２は、ゲート電極として機能する導電体２６０と重なる領域を有する。特に、領域２３２においてゲート電極として機能する導電体２６０と重なる領域は、いわゆるオーバーラップ領域（Ｌｏｖ領域ともいう）として機能する場合がある。
領域２３１は、絶縁体２７４と接することが好ましい。また、領域２３１は、インジウムなどの金属元素、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２３２、および領域２３４よりも大きいことが好ましい。
領域２３２は、絶縁体２７２と重畳する領域を有する。領域２３２は、インジウムなどの金属元素、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よりも大きいことが好ましい。一方、インジウムなどの金属元素、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２３１よりも、小さいことが好ましい。
領域２３４は、導電体２６０と重畳する。領域２３４は、領域２３２ａ、および領域２３２ｂとの間に配置しており、インジウムなどの金属元素、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２３１、および領域２３２より、小さいことが好ましい。
また、酸化物２３０において、領域２３１、領域２３２、および領域２３４の境界は明確に検出できない場合がある。各領域内で検出されるインジウムなどの金属元素、並びに水素、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、領域２３１から領域２３２へ、領域２３４に近い領域であるほど、インジウムなどの金属元素、並びに水素、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。
また、図１（Ｂ）および図２では、領域２３４、領域２３１、および領域２３２が、酸化物２３０ｂに形成されているが、これに限られることなく、例えばこれらの領域は酸化物２３０ａ、または酸化物２３０ｃにも形成されていてもよい。また、図では、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２３２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２５２ａ側または導電体２５２ｂ側に後退する形状になる場合がある。
なお、トランジスタ２００において、酸化物２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。従って、チャネル形成領域に酸素欠損が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、チャネル形成領域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。
特に、酸化物２３０におけるチャネルが形成される領域２３４と、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体２５０との界面に、酸素欠損が存在すると、電気特性の変動が生じやすく、また信頼性が悪くなる場合がある。
そこで、酸化物２３０の領域２３４と重畳する絶縁体２５０が化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素（過剰酸素ともいう）を含むことが好ましい。つまり、絶縁体２５０が有する過剰酸素が、領域２３４へと拡散することで、領域２３４中の酸素欠損を低減することができる。
また、絶縁体２５０と接して、絶縁体２７２を設けることが好ましい。例えば、絶縁体２７２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。絶縁体２７２が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、過剰酸素領域の酸素は絶縁体２７４側へ拡散することなく、効率よく領域２３４へ供給される。従って、酸化物２３０と、絶縁体２５０との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
さらに、トランジスタ２００は、水または水素などの不純物の混入を防ぐバリア性を有する絶縁体で覆われていることが好ましい。バリア性を有する絶縁体とは、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）絶縁性材料を用いた絶縁体である。また、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。
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。
トランジスタ２００において、導電体２６０は、第１のゲート電極として機能する場合がある。また、導電体２０５は、第２のゲート電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。従って、導電体２６０に印加する電圧が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
第２のゲート電極として機能する導電体２０５は、酸化物２３０および導電体２６０と重なるように配置する。
ここで、導電体２０５は、酸化物２３０における領域２３４よりも、チャネル幅方向の長さが大きくなるように大きく設けるとよい。特に、導電体２０５は、酸化物２３０の領域２３４が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。
導電体２０３は導電体２０５と同じ工程で形成することができる。導電体２０３は、酸化物２３０の領域２３１に電気的に接続する電極や配線としての機能を有する。
絶縁体２１６は、導電体２０３および導電体２０５の間、およびこれら導電体の周辺に形成されている。ここで、導電体２０３、および導電体２０５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。
ここで、導電体２０３ｂ、および導電体２０５ｂは、導電体２０３ａ、および導電体２０５ａに比べ、酸化しにくい、すなわち耐酸化性に優れた導電性材料を用いることが好ましい。このような導電性材料として、窒化タンタルや窒化チタンなどの金属窒化物を用いることができる。
導電体２０３ｂ、および導電体２０５ｂとして、耐酸化性に優れた材料を用いることにより、導電体２０３、および導電体２０５が酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。また、導電体２０３の上面の酸化が抑制されることで、酸化物２３０ｂと導電体２０３とのコンタクトは良好なものになる。
また、導電体２０３ａ、および導電体２０５ａ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。本実施の形態では、導電体２０３ａ、および導電体２０５ａとして、タングステンを用いた。
また、図３に示すように、導電体２０５と電気的に接続する導電体２０９を設けてもよい。導電体２０９は、絶縁体２１０の上にさらに絶縁体２１２を設け、絶縁体２１２に設けられた開口に埋め込むように形成することができる。この場合、導電体２０９は、絶縁体２１２に設けられた開口の側面および底面に接するように設けられる第１の導電体と、第１の導電体上に設けられる第２の導電体からなる積層構造としてもよい。この場合、第１の導電体は、導電性バリアとすることが好ましい。また、導電体２０９は単層構造、あるいは３層以上の積層構造としてもよい。導電体２０９を３層以上の積層構造とする場合、導電性バリアを２層以上設ける構成としてもよい。導電性バリアとしては、水素、水、窒素などの不純物の透過を抑制するバリア膜、酸素の透過を抑制するバリア膜、あるいは金属成分の透過を抑制するバリア膜から一または複数を選んで設けることができる。
または、導電体２０９は、絶縁体２１０上に、単層または２層以上からなる導電膜を設けた後、リソグラフィー法やエッチング法を用いて形成してもよい。さらに、絶縁体２１０上に、導電体２０９を覆うように絶縁膜を形成してもよく、当該絶縁膜をＣＭＰ法やエッチング法により加工し、絶縁体２１２を形成する。
導電体２０９は、電極や配線として機能することができる。導電体２０５を、トランジスタ２００の第２のゲート電極として用いる場合、導電体２０９の一部は、ゲート配線として機能することができる。このとき、導電体２０７ａおよび、導電体２０７ａ上に設けられた導電体２０７ｂからなる導電体２０７、および導電体２０９を介して、導電体２０５と導電体２５２ｄを電気的に接続してもよい。導電体２０７は、導電体２０３および導電体２０５と同じ工程で作製することができる。
また、導電体２０９は、導電体２０３を介して酸化物２３０ｂと電気的に接続しており、トランジスタ２００のソース配線またはドレイン配線として機能することができる。また、導電体２０９は、絶縁体２１０より下層に位置する素子や配線と電気的に接続するための電極として用いてもよい。
絶縁体２１０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に混入するのを防ぐ絶縁性バリア膜として機能することが好ましい。従って、絶縁体２１０は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体２１０として、酸化アルミニウムや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２１０よりトランジスタ側に拡散するの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、絶縁体２１０より基板側に、拡散するの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２０８、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、絶縁体２１０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、層間膜として機能する絶縁体２０８、絶縁体２１６、および絶縁体２８０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、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。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。
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、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、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。加熱により酸素が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。
また、絶縁体２２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）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、過剰酸素領域の酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。
絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。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、トランジスタの微細化、および高集積化が可能となる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、およびハフニウムアルミネート、などの、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
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良い。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２２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、ｈｉｇｈ－ｋ材料の絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
なお、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。また、トランジスタ２００で絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４がゲート絶縁体として機能する構成を示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、ゲート絶縁体として、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４のいずれか２層または１層を設ける構成にしてもよい。
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。また、酸化物２３０は、領域２３１、領域２３２、および領域２３４を有する。なお、領域２３１の少なくとも一部は、絶縁体２７４と接することが好ましい。また、領域２３１の少なくとも一部は、インジウムなどの金属元素、水素、および窒素の少なくとも一の濃度が領域２３４よりも大きいことが好ましい。
トランジスタ２００をオンさせると、領域２３１ａ、または領域２３１ｂ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。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａは、開口を有しており、酸化物２３０ｂの領域２３１は、導電体２０３と電気的に接続している。すなわち、トランジスタ２００のソースおよびドレインの一方は、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａに設けられた開口を介して、導電体２０３と電気的に接続しており、導電体２０３はソース電極およびドレイン電極の一方、あるいはソース配線とドレイン配線の一方として機能することができる。
図１（Ａ）および図１（Ｄ）に示すように、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂは、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａに形成された開口を包含するように、当該開口と重なる領域における、Ｅ－Ｆ方向の幅を、当該開口の幅より広く形成することが好ましい。よって、当該領域における、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂのＥ－Ｆ方向の幅は、チャネルが形成される領域や、Ａ側の領域における、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂのＣ－Ｄ方向の幅よりも広くなる場合がある。このような構造にすることで、酸化物２３０ｂと導電体２０３のコンタクトを確実に行うことができる。また、容量素子１００の面積を大きくすることができ、容量素子１００の大容量化が期待できる。
ここで、図２に示すように、酸化物２３０は、領域２３２を有することが好ましい。当該構成とすることで、トランジスタ２００において、オン電流を大きくし、かつ、非導通時のリーク電流（オフ電流）を小さくすることができる。
また、酸化物２３０ａ上に、酸化物２３０ｂ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に対する不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｃ下に、酸化物２３０ｂ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に対する不純物の拡散を抑制することができる。
また、酸化物２３０は、その側面と、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以下とすることが好ましい。
酸化物２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。例えば、領域２３４となる金属酸化物としては、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
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。
酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
例えば、酸化物２３０として、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、銅、バナジウム、ベリリウム、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）等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物２３０として、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
ここで、酸化物２３０の領域２３４について説明する。
領域２３４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、および酸化物２３０ｂの積層構造を有する場合、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。
酸化物２３０ａには、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の組成を有する金属酸化物を用いることができる。また、酸化物２３０ｂには、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６の組成を有する金属酸化物を用いることができる。酸化物２３０ｃには、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の組成を有する金属酸化物を用いることができる。なお、上記組成は、基板上に形成された酸化物中の原子数比、またはスパッタターゲットにおける原子数比を示す。
特に、酸化物２３０ａとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、酸化物２３０ｂとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３、酸化物２３０ｃとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４の組成を有する金属酸化物の組み合わせ、または酸化物２３０ａとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、酸化物２３０ｂとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３、酸化物２３０ｃとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の組成を有する金属酸化物の組み合わせは、酸化物２３０ｂを、よりエネルギーギャップの広い酸化物２３０ａと酸化物２３０ｃで挟むことができ、好ましい。この時、エネルギーギャップの広い酸化物２３０ａと酸化物２３０ｃをワイドギャップ、相対的にエネルギーギャップが狭い酸化物２３０ｂをナローギャップと呼ぶことがある。ワイドギャップ、およびナローギャップについては、［金属酸化物の構成］にて説明する。
続いて、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２について説明する。
領域２３１、および領域２３２は、酸化物２３０として設けられた金属酸化物に、インジウムなどの金属原子、または不純物を添加し、低抵抗化した領域である。なお、各領域は、少なくとも、領域２３４における酸化物２３０ｂよりも、導電性が高い。なお、領域２３１、および領域２３２に、不純物を添加するために、例えば、プラズマ処理、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて、インジウムなどの金属元素、および不純物の少なくとも一であるドーパントを添加すればよい。
つまり、領域２３１、および領域２３２において、酸化物２３０のインジウムなどの金属原子の含有率を高くすることで、電子移動度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
または、酸化物２３０に接して、不純物となる元素を含む絶縁体２７４を成膜することで、領域２３１、および領域２３２に、不純物を添加することができる。
つまり、領域２３１、および領域２３２は、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素が添加されることで低抵抗化される。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。よって、領域２３１、および領域２３２は、上記元素の一つまたは複数を含む構成にすればよい。
または、絶縁体２７４として、領域２３１、および領域２３２に含まれる酸素を引き抜き、吸収する膜を用いてもよい。酸素が引き抜かれると、領域２３１、および領域２３２には酸素欠損が生じる。酸素欠損に水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が捕獲されることにより、領域２３１、および領域２３２は低抵抗化する。
絶縁体２７４は、単層で形成してもよいし、２層以上の積層構造としてもよい。絶縁体２７４は、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、スパッタリング法などを用いて形成することができる。ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性、優れた厚さの均一性、および優れた膜厚の制御性を有するため、酸化物２３０や、導電体２６０により形成された段差部の成膜には好適である。ＡＬＤ法を用いて、０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の膜厚を有する絶縁体を形成後、プラズマＣＶＤ法を用いて、１．０ｎｍ以上１０．０ｎｍ以下の絶縁体を積層して絶縁体２７４を形成してもよい。例えば、ＡＬＤ法を用いて形成した酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または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）上に、プラズマＣＶＤ法を用いて形成した窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、または酸化シリコンを積層して絶縁体２７４としてもよい。または、プラズマＣＶＤ法を用いて、１．０ｎｍ以上１０．０ｎｍ以下の絶縁体を形成して、単層の絶縁体２７４としてもよい。例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて形成した窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、または酸化シリコンを絶縁体２７４としてもよい。
また、トランジスタ２００において、領域２３２を設けることで、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域２３１と、チャネルが形成される領域２３４との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域２３２を有することで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、ゲートとが重ならないため、不要な容量が形成されるのを抑制することができる。また、領域２３２を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。
従って、領域２３２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、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析（ＴＤＳ分析）にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、導電体２６０ａ、および導電体２６０ａ上の導電体２６０ｂを有する。
導電体２６０ａは、窒化チタンなどを用いることが好ましい。また、導電体２６０ｂとして、例えばタングステンなどの、導電性が高い金属を用いることができる。
また、絶縁体２５０と導電体２６０ａの間に、導電性酸化物からなる導電体を設けてもよい。例えば、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂとして用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電体を絶縁体２５０上に設けることで、導電体２６０ａへの酸素の透過を抑制し、酸化によって導電体２６０ａの電気抵抗値が増加することを防ぐことができる。
また、上記導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２５０に酸素を添加し、酸化物２３０ｂに酸素を供給することが可能となる。これにより、酸化物２３０の領域２３４の酸素欠損を低減することができる。
また、導電体２６０ｃの上に、バリア膜として機能する絶縁体２７０を配置してもよい。絶縁体２７０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、アルミニウム及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ことができる。アルミニウム及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。これにより、導電体２６０の酸化を防ぐことができる。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に混入することを防ぐことができる。
また、絶縁体２７０上に、ハードマスクとして機能する絶縁体２７１を配置することが好ましい。絶縁体２７０を設けることで、導電体２６０の加工の際、導電体２６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体２６０の側面と基板表面のなす角を、７５度以上１００度以下、好ましくは８０度以上９５度以下とすることができる。導電体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２７２を所望の形状に形成することができる。
また、バリア膜として機能する絶縁体２７２を、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に接して設ける。
ここで、絶縁体２７２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、アルミニウム及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ことができる。アルミニウム及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。これにより、絶縁体２５０中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体２５０の端部などから酸化物２３０に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。
絶縁体２７２を設けることで、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体で導電体２６０の上面と側面および絶縁体２５０の側面を覆うことができる。これにより、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に混入することを防ぐことができる。従って、絶縁体２７２は、ゲート電極およびゲート絶縁膜の側面を保護するサイドバリアとしての機能を有する。
また、トランジスタが微細化され、チャネル長が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下程度に形成されている場合、トランジスタ２００の周辺に設けられる構造体に含まれる不純物元素が拡散し、領域２３１ａと領域２３１ｂ、あるいは、領域２３２ａと領域２３２ｂと、が電気的に導通する恐れがある。
そこで、本実施の形態に示すように、絶縁体２７２を形成することにより、絶縁体２５０および導電体２６０に水素、水などの不純物が混入するのを抑制し、かつ、絶縁体２５０中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。従って、第１のゲート電圧が０Ｖのときに、ソース領域とドレイン領域が直接、あるいは領域２３２などを介して電気的に導通することを防ぐことができる。
絶縁体２７４は、絶縁体２７１、絶縁体２７２、酸化物２３０および絶縁体２２４などを覆って設ける。
また、絶縁体２７４は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２７４として、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。また、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または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）上に前記絶縁性材料を積層して設けることで絶縁体２７４としてもよい。このような絶縁体２７４を形成することで、絶縁体２７４を透過して酸素が混入し、領域２３１ａおよび領域２３１ｂの酸素欠損に酸素を供給して、キャリア密度が低下するのを防ぐことができる。また、絶縁体２７４を透過して水または水素などの不純物が混入し、領域２３１ａおよび領域２３１ｂが過剰に領域２３４側に拡張するのを防ぐことができる。
なお、絶縁体２７４を成膜することにより、領域２３１、および領域２３２を設ける場合、絶縁体２７４は、酸化物２３０内に酸素欠損を形成する元素、または酸化物２３０中の酸素欠損に捕獲される元素を有することが好ましい。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。このような元素を有する絶縁体を絶縁体２７４に用いることで、当該元素を酸化物２３０に添加して、酸化物２３０において、領域２３１、および領域２３２を形成することができる。
または、絶縁体２７４として、領域２３１、および領域２３２に含まれる酸素を引き抜き、吸収する膜を用いてもよい。酸素が引き抜かれると、領域２３１、および領域２３２には酸素欠損が生じる。酸素欠損に水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が捕獲されることにより、領域２３１、および領域２３２は低抵抗化する。
トランジスタ２００と同じ層に容量素子１００を設ける場合、絶縁体２７４を間に挟み、容量素子の一方の電極として機能する酸化物２３０の領域２３１と重なるように導電体１３０を設ける。
絶縁体２７４の上に、また、絶縁体２７４上に導電体１３０を設ける場合は、絶縁体２７４および導電体１３０の上に、層間膜として機能する絶縁体２８０を設けることが好ましい。絶縁体２８０は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。なお、絶縁体２８０は、同様の絶縁体からなる積層構造としてもよい。
次に、トランジスタ２００と電気的に接続する導電体２５２（導電体２５２ａ、導電体２５２ｂ、導電体２５２ｃ、および導電体２５２ｄ）を設ける。絶縁体２８０および絶縁体２７４に形成された開口に、酸化物２３０と電気的に接続する導電体２５２ａを配置し、絶縁体２８０に形成された開口に、導電体１３０と電気的に接続する導電体２５２ｂを配置し、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２７１、および絶縁体２７０に形成された開口に、第１のゲートとして機能する導電体２６０と電気的に接続する導電体２５２ｃを配置し、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２２４、絶縁体２２２、および絶縁体２２０に形成された開口に、第２のゲートとして機能する導電体２０５と電気的に接続する導電体２５２ｄを配置する。なお、導電体１３０を設けない場合は、導電体２５２ｂは、絶縁体２８０および絶縁体２７４に形成された開口を介して、酸化物２３０と電気的に接続することができる。なお、導電体２５２ａ、導電体２５２ｂ、導電体２５２ｃ、および導電体２５２ｄの上面は、絶縁体２８０の上面と、同一平面上としてもよい。
また、導電体２５２ｂが設けられる開口は、導電体２０３の少なくとも一部、または絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａに設けられた開口の少なくとも一部と重なるように設けることで、半導体装置の微細化や高集積化が実現できるため好ましい。
なお、導電体２５２は、ダマシン法を用いて形成することができる。
また、導電体２５２ａ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２３１ａと接している。また、導電体２０３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２３１ｂと接している。領域２３１ａおよび領域２３１ｂは低抵抗化されているので、導電体２５２ａと領域２３１ａの接触抵抗、および導電体２０３と領域２３１ｂの接触抵抗を低減し、トランジスタ２００のオン電流を大きくすることができる。
ここで、導電体２５２ａは、少なくとも酸化物２３０の上面と接し、さらに酸化物２３０の側面と接することが好ましい。特に、導電体２５２ａは、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる側面において、Ｃ側の側面、およびＤ側の側面の双方または一方と接することが好ましい。また、導電体２５２ａが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ側の側面と接する構成にしてもよい。このように、導電体２５２ａが酸化物２３０の上面に加えて、酸化物２３０の側面と接する構成にすることにより、導電体２５２ａと酸化物２３０のコンタクト部の上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２５２ａと酸化物２３０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。
図１（Ｄ）は、導電体２０３と酸化物２３０の接続部、および容量素子１００の断面を示している。導電体１３０は、酸化物２３０よりＥ－Ｆ方向に広いことが好ましい。これにより、酸化物２３０の上面と導電体１３０だけでなく、酸化物２３０の側面と導電体１３０でも容量を形成することができ、容量を増加することができる。
導電体２５２は、それぞれの開口の内壁に接する第１の導電体と、さらに内側に設けられた第２の導電体により形成することができる。ここで、第１の導電体、および第２の導電体の上面の高さと、絶縁体２８０の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体２５２として、２層からなる導電体を用いる例を示したが、これに限らない。単層、または３層以上の積層膜により、導電体２５２を形成してもよい。
ここで、導電体２５２に用いられる第１の導電体は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。本明細書中、このような機能を有する導電体を、導電性バリア膜と呼ぶことがある。
導電体２５２に用いられる第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２５２に用いられる第２の導電体が絶縁体２８０中の酸素を吸収することや、酸化による導電率の低下を防ぐことができる。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、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。従って、導電体２５２に用いられる第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。また、導電体２５２に用いられる第１の導電体が水素、水、窒素などの不純物の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２８０より上方から、水素、水などの不純物が、導電体２５２を通じて、トランジスタ２００へ混入するのを抑制することができる。本実施の形態では、導電体２５２に用いられる第１の導電体として、窒化チタンを用いた。
また、導電体２５２に用いられる第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。本実施の形態では、導電体２５２に用いられる第２の導電体として、タングステンを用いた。
また、導電体２５２が埋め込まれた絶縁体２７４および絶縁体２８０の開口の内壁に接して、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁体が設けられる構成にしてもよい。このような絶縁体としては、絶縁体２７０や絶縁体２７２に用いることができる絶縁体、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２８０などから水素、水などの不純物が、導電体２５２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、当該絶縁体は、例えばＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することで被覆性良く成膜することができる。
また、導電体２５２の上面に接して配線として機能する導電体２５６を配置してもよい。配線として機能する導電体２５６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。
［容量素子１００］
図１に示すように、容量素子１００は、トランジスタ２００と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ２００の酸化物２３０に設けられた領域２３１ｂの少なくとも一部が、容量素子１００の電極の一方として機能する容量素子１００の例について示す。
容量素子１００は、酸化物２３０の領域２３１ｂの少なくとも一部、領域２３１上の絶縁体２７４、絶縁体２７４上の導電体１３０を有する。導電体１３０の少なくとも一部は、絶縁体２７４の上に、領域２３１ｂと重なるように配置されることが好ましい。
酸化物２３０の領域２３１ｂの少なくとも一部は、容量素子１００の電極の一方として機能し、導電体１３０は容量素子１００の電極の他方として機能する。すなわち、領域２３１ｂは、トランジスタ２００のソースおよびドレインの一方として機能し、且つ容量素子１００の電極の一方として機能する。絶縁体２７４は容量素子１００の誘電体として機能する。
絶縁体２８０は、絶縁体２７４および導電体１３０を覆うように設けることが好ましい。
導電体１３０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、図示しないが、導電体１３０は積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
また、導電体２５２ｂは、容量素子１００の電極の一方である導電体１３０と接している。導電体２５２ｂは、導電体２５２ａ、導電体２５２ｃ、および導電体２５２ｄと同時に形成することができるため、工程短縮が可能である。
＜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。
また、基板として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可とう性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。また、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。可とう性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板としては、例えば、線膨張率が１×１０－３／Ｋ以下、５×１０－５／Ｋ以下、または１×１０－５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板として好適である。
＜＜絶縁体＞＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
ここで、ゲート絶縁体として機能する絶縁体には、ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、比誘電率の高いｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、トランジスタの微細化、および高集積化が可能となる。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。従って、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、酸化アルミニウム、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２２２、および絶縁体２１０として、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。なお、絶縁体２２２、および絶縁体２１０は、アルミニウム及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ことができる。アルミニウム及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。
絶縁体２２０、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および絶縁体２７１、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、酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは、窒化シリコンを有することが好ましい。
例えば、ゲート絶縁体として機能する絶縁体２２４および絶縁体２５０において、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、ハフニウムアルミネート、または酸化ハフニウムを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、酸化物２３０に混入することを抑制することができる。一方、絶縁体２２４および絶縁体２５０において、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、ハフニウムアルミネート、または酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。
例えば、誘電体として機能する絶縁体２７４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、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、ハフニウムアルミネートなどを用いればよく、積層または単層で設ける。例えば、酸化アルミニウムなどのｈｉｇｈ－ｋ材料と、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料の積層構造とすることが好ましい。当該構成により、容量素子１００は、ｈｉｇｈ－ｋ材料により十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい材料により絶縁耐力が向上するため、容量素子１００の静電破壊を抑制し、容量素子１００の信頼性を向上させることができる。
絶縁体２０８、絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２０８、絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体２０８、絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０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２７０、および絶縁体２７２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。絶縁体２７０および絶縁体２７２としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、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、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
また、上記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。
導電体２６０、導電体２０５、導電体２０３、導電体２０７、導電体２０９、導電体１３０、導電体２５２、および導電体２５６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。
＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
酸化物半導体は、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。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。例えば、酸化物半導体は、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い。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。
＜半導体装置の構成例２＞
以下では、図４を用いて、本発明の一態様に係る半導体装置の一例について説明する。
図４（Ａ）は、トランジスタ２０１の上面図である。また、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、および図４（Ｄ）はトランジスタ２０１の断面図である。ここで、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）にＡ－Ｂ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４（Ｃ）は、図４（Ａ）にＣ－Ｄ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。また、図４（Ｄ）は、図４（Ａ）にＥ－Ｆの一点鎖線で示す部位の断面図であり、酸化物２３０と、導電体２０３との接続部、および導電体２５２ｂと、酸化物２３０との接続部を示す断面図でもある。図４（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４に示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例１＞に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
以下、トランジスタ２０１の構成についてそれぞれ図４を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ２０１の構成材料については＜半導体装置の構成例１＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
トランジスタ２０１において、酸化物２３０ｂ上には、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電体２８５が設けられている。また、導電体２８５の上には絶縁体２８６が設けられている。導電体２８５は、導電体２０３、および導電体２０５、あるいは導電体２６０と同様の材料を用いることができる。特に、導電体２８５として、窒化タンタルやタングステンを用いることが好ましい。また、絶縁体２８６は、絶縁体２７０や絶縁体２７２と同様の材料を用いることができる。絶縁体２８６を設けることで、導電体２８５の酸化を抑制し、導電体２８５の電気抵抗の増加を抑制することができる。特に、絶縁体２８６として、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。また、トランジスタ２０１のチャネル長は導電体２８５間の長さに依存して決まるが、向かい合う導電体２８５の端部が酸化することで、トランジスタ２０１のチャネル長は意図せずに長くなるという不具合が生じる恐れがある。このような不具合を軽減するためにも、絶縁体２８６を設けることは好ましい。
図４（Ｂ）に示すように、酸化物２３０ｂにおいて点線で示す、導電体２８５と接する領域はｎ型化し、低抵抗領域となる。これは、導電体２８５が酸化物２３０ｂの酸素を引き抜き、酸化物２３０ｂに酸素欠損を生じさせていることに起因していると考えられる。酸化物２３０ｂ中の酸素欠損に、酸化物２３０ｂ内部あるいは外部に存在する不純物が捕獲され、当該領域は低抵抗化する。
酸化物２３０ｂの低抵抗領域は、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａに設けられた開口を介して、導電体２０３と電気的に接続する。
酸化物２３０ｂ、導電体２８５、および絶縁体２８６の一部を覆うように、酸化物２３０ｃ、酸化物２３０ｄ、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０が設けられる。なお、導電体２６０は、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、および図４（Ｃ）に示すようにＡ－Ｂ方向における幅、およびＣ－Ｄ方向における長さが酸化物２３０ｃ、酸化物２３０ｄ、絶縁体２５０、および絶縁体２７０に比べて小さい。よって、絶縁体２７０は絶縁体２５０の上面および側面を覆い、導電体２６０の外側で絶縁体２５０と接する構造となる。絶縁体２７０には酸素の透過を抑制する材料を用いていることから、このように設けられた絶縁体２７０により、導電体２６０の酸化は抑制され、電気抵抗の増加を抑制することができる。
酸化物２３０ｃには、酸化物２３０ｂと同様の材料を用いることができる。また、酸化物２３０ｄには、酸化物２３０ｃと同様の材料を用いることができる。なお、酸化物２３０ｃは形成しなくてもよい。
トランジスタ２０１では、チャネルは、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃ内において一対の導電体２８５、または一対の低抵抗領域に挟まれた領域に形成される。
絶縁体２８０上には、絶縁体２８７および絶縁体２８８が形成される。絶縁体２８７は、スパッタリング法を用いて成膜された酸化物絶縁体を用いることが好ましく、例えば酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、またはハフニウムアルミネートを用いることが好ましい。このような絶縁体２８７を用いることにより、絶縁体２８０の絶縁体２８７と接する面を介して絶縁体２８０に酸素を添加して、絶縁体２８０を酸素過剰な状態にできる。絶縁体２８０に供給された酸素は、酸化物２３０に供給される。
さらに、絶縁体２８７として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、またはハフニウムアルミネートなどの酸素が透過しにくい絶縁性材料を用いることにより、絶縁体２２４及び絶縁体２８０に添加した酸素が、成膜中に上方拡散するのを抑制することができる。これにより、さらに効率よく絶縁体２８０に酸素を添加することができる。
絶縁体２８８は、絶縁体２０８、絶縁体２１６、および絶縁体２８０と同様の材料を用いることができる。
図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、および図４（Ｄ）に示すように、絶縁体２８０、絶縁体２８７、および絶縁体２８８などの絶縁体には開口が設けられ、開口内部には、導電体２５２（導電体２５２ａ、導電体２５２ｂ、導電体２５２ｃ、および導電体２５２ｄ）が設けられる。絶縁体２８０、絶縁体２８７、および絶縁体２８８などの絶縁体と、導電体２５２の間には、絶縁体２８９が設けられる。絶縁体２８９は、絶縁体２７０と同様の材料を用いることができ、絶縁体２８０および上方の絶縁体や導電体から酸化物２３０への不純物の混入を抑制する。
ここで、導電体２５２ａは酸化物２３０上の導電体２８５と接するだけでなく、酸化物２３０の側面とも接することで、酸化物２３０と電気的に接続することが好ましい。特に、導電体２５２ａは、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる側面において、Ｃ側の側面、およびＤ側の側面の双方または一方と接することが好ましい。また、導電体２５２ａが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ側の側面と接する構成にしてもよい。このように、導電体２５２ａが導電体２８５に加えて、酸化物２３０の側面と接する構成にすることにより、導電体２５２ａと酸化物２３０のコンタクト部の上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２５２ａと酸化物２３０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。
図４（Ｄ）は、酸化物２３０と、導電体２０３との接続部、および導電体２５２ｂと、酸化物２３０との接続部、の断面を示している。酸化物２３０ｂは、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａに設けられた開口を介して、導電体２０３と電気的に接続している。なお、導電体２５２ｂにおいても、上述した導電体２５２ａと同様に、導電体２８５の上面だけでなく、酸化物２３０の側面に接する構造としてもよい。
図４（Ａ）および図４（Ｄ）に示すように、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂは、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａに形成された開口を包含するように、当該開口と重なる領域における、Ｅ－Ｆ方向の幅を、当該開口の幅より広く形成することが好ましい。よって、当該領域における、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂのＥ－Ｆ方向の幅は、チャネルが形成される領域や、Ａ側の領域における、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂのＣ－Ｄ方向の幅よりも広くなる場合がある。このような構造にすることで、酸化物２３０ｂと導電体２０３のコンタクトを確実に行うことができる。
＜トランジスタの作製方法＞
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５乃至図２２を用いて説明する。また、図５乃至図２２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Ａ－Ｂ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Ｃ－Ｄ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（Ｄ）は、（Ａ）にＥ－Ｆの一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。
まず、基板（図示しない）を準備し、当該基板上に絶縁体２０８を成膜する。絶縁体２０８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小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ＡＬＤ法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
本実施の形態では、絶縁体２０８として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２０８上に絶縁体２１０を形成する。本実施の形態では、絶縁体２１０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２１０は、多層構造としてもよい。例えばスパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上にＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
次に、絶縁体２１０上に導電膜２０３Ａおよび導電膜２０３Ｂを順に成膜する。導電膜２０３Ａおよび導電膜２０３Ｂの形成は、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、導電膜２０３Ａとして、スパッタリング法によってタングステンを成膜し、導電膜２０３Ｂとして、スパッタリング法によって窒化チタンを成膜する。なお、導電膜２０３Ａとして、タングステンの他に、アルミニウムや銅などの導電体を用いることができる。また、導電膜２０３Ｂは、導電膜２０３Ａよりも耐酸化性を有する（酸化しにくい）材料を用いるのが好ましく、例えば金属窒化物を用いることができる。金属窒化物としては、窒化チタンの他に、窒化タンタルなどを用いることができる。
次に、導電膜２０３Ｂ上にリソグラフィー法を用いてマスク２６２を形成する（図５参照。）。
なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（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、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。
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、導電膜２０３Ｂ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。
次に、マスク２６２を用いて、導電膜２０３Ａおよび導電膜２０３Ｂを加工し、導電体２０３ａと、導電体２０３ａ上の導電体２０３ｂからなる導電体２０３と、導電体２０５ａと、導電体２０５ａ上の導電体２０５ｂからなる導電体２０５を形成する（図６参照。）。
該加工はドライエッチング法やウェ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。
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。
導電膜２０３Ａ、および導電膜２０３Ｂのエッチングにハードマスクを用いる場合、当該エッチング処理は、ハードマスクの形成に用いたレジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。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。上記導電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良い。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。
次に絶縁体２１０、導電体２０３、および導電体２０５上に絶縁膜２１６Ａを形成する（図７参照）。絶縁膜２１６Ａの形成は、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、絶縁膜２１６Ａとして、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを形成する。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで絶縁膜２１６Ａの一部を除去し、導電体２０３および導電体２０５を露出する。その結果、導電体２０３および導電体２０５の間、およびこれら導電体の周囲に絶縁体２１６が残存する。これにより、上面が平坦な、絶縁体２１６、導電体２０３、および導電体２０５を形成することができる（図８参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、導電体２０３ｂ、および導電体２０５ｂの一部が除去される場合がある。
次に、絶縁体２１６、導電体２０３、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。
次に、絶縁体２２０上に絶縁体２２２を成膜する。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。
特に、絶縁体２２２として、アルミニウム及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ことが好ましい。アルミニウム及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。絶縁体２２２は、ＡＬＤ法により形成されることが好ましい。ＡＬＤ法により成膜された絶縁体２２２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、および水は、トランジスタ２００の内側へ拡散することなく、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
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（図９参照。）。
続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。第１の加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。第１の加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、第１の加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
上記加熱処理によって、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などができる。
または、加熱処理として、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（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。尚、第１の加熱処理は行わなくても良い場合がある。
また、加熱処理は、絶縁体２２０成膜後、および絶縁体２２２の成膜後のそれぞれに行うこともできる。該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができるが、絶縁体２２０成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２４成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行なう。
次に、絶縁体２２４上に、酸化物２３０ａとなる酸化膜２３０Ａを形成する。
酸化膜２３０Ａの形成はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
例えば、酸化膜２３０Ａをスパッタリング法によって形成する場合は、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形成する場合は、上記のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。
特に、酸化膜２３０Ａの形成時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。なお、酸化膜２３０Ａ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。
本実施の形態では、酸化膜２３０Ａ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形成する。なお、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、リソグラフィー法を用いて、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化膜２３０Ａに、導電体２０３へ到達する開口を形成する。まず、酸化膜２３０Ａ上にマスク２６３を形成する（図９参照。）。開口の形成に用いるマスク２６３は、レジストマスクでもよいし、ハードマスクでもよい。
次に、マスク２６３を用いて、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化膜２３０Ａを加工し、導電体２０３の表面を露出することで、開口が形成される（図１０参照。）。該加工は、ドライエッチング法やウェ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。なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４は、酸化膜２３０Ａを介して加工される。詳述すると、導電体２０３の表面の一部を露出させる際に、酸化膜２３０Ａ上にレジストマスクやハードマスクなどからなるマスクを形成し、その後、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化膜２３０Ａを加工する。すなわち、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体（絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４）の表面にマスクが形成されない。したがって、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体の表面に、マスクが付着しないため、レジストマスク等に含まれる不純物、ハードマスクに含まれる成分、およびマスク除去に用いる薬液やプラズマに含まれる成分によるゲート絶縁膜の汚染やダメージを抑制できる。このようなプロセスにより、信頼性の高い半導体装置の作製方法を提供できる。
次に、酸化膜２３０Ａ上に酸化膜２３０Ｂを形成する（図１１参照。）。このとき、酸化膜２３０Ｂは上記開口内部にも形成され、当該開口を介して導電体２０３と電気的に接続する。酸化物２３０ｂと、導電体２０３とが、酸化物２３０ａを介さずに接続する構成とすることで、直列抵抗及び接触抵抗を低減することが可能となる。このような構成により、電気特性の良好な半導体装置が得られる。より具体的には、オン電流の向上したトランジスタ、および当該トランジスタを用いた半導体装置が得られる。
酸化膜２３０Ｂの形成はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
例えば、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって形成する場合は、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形成する場合は、上記のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。
酸化膜２３０Ｂ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。
本実施の形態では、酸化膜２３０Ｂ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、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、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行なった後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
次に、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ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１２参照。）。
図１２（Ａ）および図１２（Ｄ）に示すように酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａに形成された開口と重なる領域における、Ｅ－Ｆ方向の幅を、当該開口の幅より広く形成することが好ましい。よって、当該領域における、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂのＥ－Ｆ方向の幅は、チャネルが形成される領域や、Ａ側の領域における、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂのＣ－Ｄ方向の幅よりも広くなる場合がある。このような構造にすることで、酸化物２３０ｂと導電体２０３のコンタクトを確実に行うことができる。また、容量素子１００の面積を大きくすることができ、容量素子１００の大容量化が期待できる。
なお、上記工程において、絶縁体２２４を島状に加工してもよい。また、絶縁体２２４に対しては、ハーフエッチングを行ってもよい。絶縁体２２４に対してハーフエッチングを行うことで、後の工程で形成する酸化物２３０ｃの下にも絶縁体２２４が残った状態で形成される。なお、絶縁体２２４は、後の工程である絶縁膜２７２Ａを加工する際に、島状に加工することができる。その場合、絶縁体２２２をエッチングストッパ膜として用いてもよい。
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２３０ａ、および酸化物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以下とすることが好ましい。
なお、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、該加工はドライエッチング法やウェ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。
なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（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、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。
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、酸化膜２３０Ｂ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。酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ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良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。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。上記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良い。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。
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ェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理または、熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
ウェット洗浄としては、シュウ酸、リン酸またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。
続いて、加熱処理を行っても良い。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの上に、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、絶縁膜２７０Ａ、および絶縁膜２７１Ａを順に成膜する（図１３参照。）。
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、酸化膜２３０Ａ、または酸化膜２３０Ｂ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＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
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。
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、該酸素プラズマに絶縁膜２５０Ａを曝すことで、絶縁膜２５０Ａ、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃへ酸素を導入することができる。
また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。該加熱処理によって、絶縁膜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。
導電膜２６０Ａ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。本実施の形態では、導電膜２６０Ａとしてスパッタリング法を用いて窒化チタンを形成した。
また、導電膜２６０Ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。導電膜２６０Ｂとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。本実施の形態では、導電膜２６０Ｂとしてスパッタリング法を用いてタングステンを形成した。
また、絶縁膜２５０Ａと導電膜２６０Ａの間にさらに導電体を設けてもよい。当該導電体は、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、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は、低抵抗化処理を施すことで、導電性酸化物となる。そこで、酸化物２３０として用いることができる酸化物を成膜し、後の工程で該酸化物を低抵抗化してもよい。なお、絶縁膜２５０Ａ上に、酸化物２３０として用いることができる酸化物を、酸素を含む雰囲気において、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁膜２５０Ａに酸素を添加することができる。絶縁膜２５０Ａに酸素を添加することで、添加された酸素は、絶縁膜２５０Ａを介して、酸化物２３０に酸素を供給することが可能となる。
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
絶縁膜２７０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２７０Ａ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、酸化ハフニウム、またはハフニウムアルミネートなどを用いることが好ましい。これにより、導電体２６０の酸化を防ぐことができる。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に混入することを防ぐことができる。
絶縁膜２７１Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。ここで、絶縁膜２７１Ａの膜厚は、後の工程で成膜する絶縁膜２７２Ａの膜厚より厚くすることが好ましい。これにより、後の工程で絶縁体２７２を形成する際、導電体２６０の上に絶縁体２７１を、容易に残存させることができる。
また、絶縁体２７１は、ハードマスクとして機能する。絶縁体２７１を設けることで、絶縁体２５０の側面、導電体２６０ａの側面、導電体２６０ｂの側面、導電体２６０ｃの側面、および絶縁体２７０の側面を、基板に対し、概略垂直に形成することができる。
次に、絶縁膜２７１Ａを、エッチングし、絶縁体２７１を形成する。続いて、絶縁体２７１をマスクとして、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および絶縁膜２７０Ａを、エッチングし、絶縁体２５０、導電体２６０（導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ）、および絶縁体２７０を形成する（図１４参照。）。なお、当該加工後も、当該ハードマスクは除去せずに後工程を進めてもよい。当該ハードマスクは、後工程で実施されるドーパントの添加においてもハードマスクとして機能することができる。
また、絶縁体２５０の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７０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、導電体２６０の側面、および絶縁体２７０の側面が共有する同一面は、基板に対し、概略垂直であることが好ましい。つまり、断面形状において、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０は、酸化物２３０の上面に対する角度が、鋭角、かつ大きいほど好ましい。なお、断面形状において、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面と、絶縁体２５０と接する酸化物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、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面と、絶縁体２５０と接する酸化物２３０の上面のなす角は大きいほど好ましい。
また、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０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、上記エッチングにより、酸化膜２３０Ｃの絶縁体２５０と重ならない領域の上部がエッチングされる場合がある。この場合、酸化膜２３０Ｃの絶縁体２５０と重なる領域の膜厚が、絶縁体２５０と重ならない領域の膜厚より厚くなる場合がある。
次に、酸化膜２３０Ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１を覆って、絶縁膜２７２Ａを成膜する（図１５参照。）。絶縁膜２７２Ａとして、被覆性に優れたＡＬＤ法により成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、導電体２６０などにより形成された段差部においても、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に対して、均一な厚さを有する絶縁膜２７２Ａを形成することができる。
次に、絶縁膜２７２Ａに異方性のエッチング処理を行い、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に接して、絶縁体２７２を形成する（図１６参照。）。異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された該絶縁膜を除去して、絶縁体２７２を自己整合的に形成することができる。
ここで、絶縁体２７０上に絶縁体２７１を形成しておくことで、絶縁体２７０上部の絶縁膜２７２Ａが除去されても、絶縁体２７０を残存させることができる。また、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１からなる構造体の高さを、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃの高さよりも、高くすることで、酸化膜２３０Ｃを介した酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂの側面の絶縁膜２７２Ａを、除去することができる。さらに、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂの端部をラウンド形状にしておくと、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂの側面に、酸化膜２３０Ｃを介して成膜された絶縁膜２７２Ａを除去するための時間が短縮され、より容易に絶縁体２７２を形成することができる。
次に、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、絶縁体２７１、および絶縁体２７２をマスクとして、酸化膜２３０Ｃをエッチングし、酸化膜２３０Ｃの一部を除去し、酸化物２３０ｃを形成する（図１７参照。）。なお、本工程により、酸化物２３０ｂの上面および側面と、酸化物２３０ａの側面の一部が除去される場合がある。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃにおいて、領域２３１、領域２３２、および領域２３４を形成してもよい。領域２３１、および領域２３２は、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃとして設けられた金属酸化物に、インジウムなどの金属原子、または不純物を添加し、低抵抗化した領域である。なお、各領域は、少なくとも、領域２３４における酸化物２３０ｂよりも、導電性が高い。
領域２３１および領域２３２を低抵抗化するために、例えば、インジウムなどの金属元素、および不純物の少なくとも一であるドーパントを添加すればよい。
なお、ドーパントの添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。質量分離を行う場合、添加するイオン種およびその濃度を厳密に制御することができる。一方、質量分離を行わない場合、短時間で高濃度のイオンを添加することができる。また、原子または分子のクラスターを生成してイオン化するイオンドーピング法を用いてもよい。なお、ドーパントを、イオン、ドナー、アクセプター、不純物または元素などと言い換えてもよい。
また、ドーパントは、プラズマ処理にて添加されてもよい。この場合、プラズマＣＶＤ装置、ドライエッチング装置、アッシング装置を用いてプラズマ処理を行い、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃにドーパントを添加することができる。
また、不純物をドーパントとして添加する場合、領域２３１に接するようにドーパントを含む膜を成膜してもよい。例えば、ドーパントとして水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、またはリンなどを含む絶縁体２７４を酸化物２３０の領域２３１に接するように成膜する（図１８参照。）。絶縁体２７４の成膜や成膜後の熱処理により、領域２３１は低抵抗化し、領域２３２が形成される。絶縁体２７４に含まれるドーパントが領域２３１および領域２３２へ拡散し、当該領域は低抵抗化すると考えられる。
酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃは、インジウムの含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。よって、ドーパントとして酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃのキャリア密度を向上させるインジウムなどの金属元素を用いることができる。
つまり、領域２３１、および領域２３２において、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃのインジウムなどの金属原子の含有率を高くすることで、電子移動度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
従って、少なくとも領域２３１における元素Ｍに対するインジウムの原子数比が、領域２３４の元素Ｍに対するインジウムの原子数比よりも大きくなる。
また、ドーパントとしては、上述の酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。
また、トランジスタ２００において、領域２３２を設けることで、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域２３１と、チャネルが形成される領域２３４との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域２３２を有することで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、ゲートとが重ならないため、不要な容量が形成されるのを抑制することができる。また、領域２３２を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。
従って、領域２３１ａ、および領域２３１ｂ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。
本実施の形態では、絶縁体２２４、酸化物２３０、絶縁体２７１、および絶縁体２７２を覆って、絶縁体２７４を成膜する（図１８参照。）。
絶縁体２７４として、例えばＣＶＤ法を用いて成膜した、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコンを用いることができる。本実施の形態では、絶縁体２７４として、窒化酸化シリコンを用いる。また、絶縁体２７４を容量素子１００の誘電体として用いる場合、その膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。
酸化物２３０に接して、窒素などの不純物となる元素を含む絶縁体２７４を成膜することで、領域２３１ａ、および領域２３１ｂには、絶縁体２７４の成膜雰囲気に含まれる、水素または窒素などの不純物元素が添加される。酸化物２３０の絶縁体２７４と接する領域を中心に、添加された不純物元素により酸素欠損が形成され、さらに当該不純物元素が酸素欠損に入り込むことで、キャリア密度が高くなり、低抵抗化される。その際、絶縁体２７４と接しない領域２３２にも不純物が拡散することで、低抵抗化される。
よって、領域２３１ａ、および領域２３１ｂは、領域２３４より、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きくなることが好ましい。水素または窒素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などを用いて測定すればよい。ここで、領域２３４の水素または窒素の濃度としては、酸化物２３０ｂの絶縁体２５０と重なる領域の中央近傍（例えば、酸化物２３０ｂの絶縁体２５０のチャネル長方向の両側面からの距離が概略等しい部分）の水素または窒素の濃度を測定すればよい。
なお、領域２３１、および領域２３２は、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素が添加されることで低抵抗化される。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。よって、領域２３１、および領域２３２は、上記元素の一つまたは複数を含む構成にすればよい。
または、絶縁体２７４として、領域２３１、および領域２３２に含まれる酸素を引き抜き、吸収する膜を用いてもよい。酸素が引き抜かれると、領域２３１、および領域２３２には酸素欠損が生じる。酸素欠損に水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が捕獲されることにより、領域２３１、および領域２３２は低抵抗化する。
不純物となる元素を含む絶縁体、あるいは酸化物２３０から酸素を引き抜く絶縁体として絶縁体２７４を成膜する場合、絶縁体２７４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。
不純物となる元素を含む絶縁体２７４の成膜は、窒素または水素の少なくとも一方を含む雰囲気で行うことが好ましい。このような雰囲気で成膜を行うことで、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃの絶縁体２５０と重ならない領域を中心に、酸素欠損を形成し、当該酸素欠損と窒素または水素などの不純物元素を結合させて、キャリア密度を高くすることができる。このようにして、低抵抗化された、領域２３１ａおよび領域２３１ｂを形成することができる。絶縁体２７４として、例えばＣＶＤ法を用いて形成した、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコンを用いることができる。本実施の形態では、絶縁体２７４として、窒化酸化シリコンを用いる。
また、絶縁体２７４を２層以上の絶縁体からなる積層構造としてもよい。絶縁体２７４は、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、スパッタリング法などを用いて形成することができる。ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性、優れた厚さの均一性、および優れた膜厚の制御性を有するため、酸化物２３０や、導電体２６０により形成された段差部の成膜には好適である。ＡＬＤ法を用いて、０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の膜厚を有する絶縁体を形成後、プラズマＣＶＤ法を用いて、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下の絶縁体を積層して絶縁体２７４を形成してもよい。例えば、ＡＬＤ法を用いて形成した酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または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）上に、プラズマＣＶＤ法を用いて形成した窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、または酸化シリコンを積層して絶縁体２７４としてもよい。または、プラズマＣＶＤ法を用いて、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下の絶縁体を形成して、単層の絶縁体２７４としてもよい。例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて形成した窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、または酸化シリコンを絶縁体２７４としてもよい。
従って、絶縁体２７４の成膜により、ソース領域およびドレイン領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。
ここで、導電体２６０および絶縁体２５０の上面および側面を、絶縁体２７０および絶縁体２７２で覆っておくことで、窒素または水素などの不純物元素が、導電体２６０および絶縁体２５０に混入することを防ぐことができる。これにより、窒素または水素などの不純物元素が、導電体２６０および絶縁体２５０を通って、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する領域２３４に混入することを防ぐことができる。従って、良好な電気特性を有するトランジスタ２００を提供することができる。
なお、上記において、絶縁体２７４の成膜による酸化物２３０の低抵抗化、を用いて、領域２３１、領域２３２、および領域２３４を形成したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、ドーパントの添加処理、またはプラズマ処理を用いてもよいし、これらを複数組み合わせて、各領域などを形成してもよい。
例えば、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７２、絶縁体２７０、および絶縁体２７１をマスクとして、酸化物２３０にプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理は、上述の酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素を含む雰囲気などで行えばよい。例えば、アルゴンガスと窒素ガスを用いてプラズマ処理を行えばよい。
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。加熱処理を行うことで、添加されたドーパントが、酸化物２３０の領域２３２へと拡散し、オン電流を大きくすることができる。
次に、絶縁体２７４を覆って導電膜１３０Ａを形成する（図１９参照。）。導電膜１３０Ａ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。
次に、導電膜１３０Ａをリソグラフィー法を用いて加工し、導電体１３０を形成する（図２０参照。）。導電膜１３０Ａの加工には、ドライエッチング法、ウェットエッチング法、あるいはこれらを組み合わせて用いることができる。ドライエッチング法では、異方性エッチングが実現できることから、微細加工に優れているため好ましい。一方、等方性エッチングが可能なウェットエッチングを用いることで、酸化物２３０の側面、絶縁体２５０の側面、および絶縁体２７２の側面の導電膜１３０Ａの除去が容易となる。よって、ドライエッチング法とウェットエッチング法を組み合わせた加工は、良好な形状の導電体１３０を形成することができ好ましい。
本実施の形態では、図２０（Ｂ）および図２０（Ｄ）に示すように、酸化物２３０の上方に設けられる導電体１３０の一部が、酸化物２３０の外側まで広がるように設けられている。具体的には、図２０（Ｂ）において、導電体１３０は、酸化物２３０よりＢ側にはみ出るように設けられており、図２０（Ｄ）において、導電体１３０は、酸化物２３０よりＥ側、およびＦ側にはみ出るように設けられている。
このような形状とすることで、容量素子１００は、酸化物２３０の上面と導電体１３０の間だけでなく、酸化物２３０の側面と導電体１３０の間でも容量を形成することができ、好ましい。一方、セル６００が占める面積に制限がある場合、導電体１３０が酸化物２３０からなるべくはみ出さないように形成することで、セル６００の微細化が可能となり、半導体装置の高集積化が実現できる。
次に、絶縁体２７４および導電体１３０の上に、絶縁体２８０を成膜する（図２１参照。）。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。本実施の形態では、該絶縁膜として、酸化窒化シリコンを用いる。
なお、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、絶縁体２８０となる絶縁膜として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、および絶縁体２７４に酸化物２３０の領域２３１に達する開口、絶縁体２８０に導電体１３０に達する開口、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２７１、および絶縁体２７０に導電体２６０に達する開口、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２２４、絶縁体２２２、および絶縁体２２０に導電体２０５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２５２ａが酸化物２３０の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の側面が露出するように、当該開口を形成する。
次に、導電体２５２（導電体２５２ａ、導電体２５２ｂ、導電体２５２ｃ、導電体２５２ｄ）を形成する（図２２参照。）。また、必要に応じて導電体２５２と電気的に接続する導電体２５６を形成してもよい（図２２参照。）。
以上により、トランジスタ２００および容量素子１００を有する半導体装置を作製することができる。図５乃至図２２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および容量素子１００を作製することができる。
本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２０２を有する半導体装置の一例について説明する。
また、本実施の形態の半導体装置において、実施の形態１に示した半導体装置と同じ符号を記した構成要素には、実施の形態１と同様な材料を用いることができる。また、特段記載のない限り、本実施の形態で作製された構成要素は、実施の形態１に示した構成要素と同様な構造上の特徴や、効果が得られるものとし、その説明は省略する。
＜半導体装置の構成例３＞
図２３（Ａ）、図２３（Ｂ）、図２３（Ｃ）、および図２３（Ｄ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２０２の上面図、および断面図である。
図２３（Ａ）は、トランジスタ２０２の上面図である。また、図２３（Ｂ）、図２３（Ｃ）、および図２３（Ｄ）はトランジスタ２０２の断面図である。ここで、図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）にＡ－Ｂの一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２０２のチャネル長方向の断面図でもある。また、図２３（Ｃ）は、図２３（Ａ）にＣ－Ｄの一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２０２のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図２３（Ｄ）は、図２３（Ａ）にＥ－Ｆの一点鎖線で示す部位の断面図である。図２３（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２０２］
図２３に示すように、トランジスタ２０２は、基板（図示せず）の上に配置された絶縁体２０８、および絶縁体２０８上に配置された絶縁体２１０の上に、導電体２０９と、導電体２０９の間を埋め込むように配置された絶縁体２１２と、導電体２０９および絶縁体２１２の上に配置された絶縁体２１６と、絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０３および導電体２０５と、絶縁体２１６、導電体２０３および導電体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、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０（絶縁体２５０ａ、および絶縁体２５０ｂ）と、絶縁体２５０の上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、導電体２６０上に配置された絶縁体２７０と、絶縁体２７０上に配置された絶縁体２７１と、少なくとも絶縁体２５０の側面、および導電体２６０の側面に接するように配置された絶縁体２７２と、絶縁体２７２の上面の一部および側面の一部に接するように配置された絶縁体２７３と、少なくとも酸化物２３０、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および絶縁体２７３を覆うように配置された絶縁体２７４と、を有する。
また、トランジスタ２０２を覆うように絶縁体２８０が配置される。
なお、絶縁体２１２は、導電体２０９を覆うように配置した絶縁膜を、ＣＭＰ法などを用いて導電体２０９が露出するまで研磨することで形成することができる。そのため、絶縁体２１２、および導電体２０９は、表面の平坦性に優れる。
また、導電体２０３、および導電体２０５は、絶縁体２１６に設けられた開口部に導電体を埋め込むように形成する。絶縁体２１６および開口部を覆うように配置した導電膜を、ＣＭＰ法等を用いて絶縁体２１６が露出するまで研磨することで形成することができる。そのため、絶縁体２１６、導電体２０３および導電体２０５は、表面の平坦性に優れる。
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａは、開口を有している。また、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃは、上記開口を介して導電体２０３と電気的に接続している。酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃと、導電体２０３とが、酸化物２３０ａを介さずに接続する構成とすることで、直列抵抗及び接触抵抗を低減することが可能となる。このような構成により、電気特性の良好な半導体装置が得られる。より具体的には、オン電流の向上したトランジスタ、および当該トランジスタを用いた半導体装置が得られる。
また、導電体２０９は積層構造を有していてもよい。この場合、上層の導電体と比較して、導電性に優れた導電体上に、下層の導電体と比較して、耐酸化性に優れた導電体を配置する構成が好ましい。導電体２０９の上層に酸化しにくい材料を用いることで、絶縁体２１６の形成時、絶縁体２１６に設けられる開口部の形成時、および導電体２０５の形成時に、導電体２０９の酸化を抑制することができる。これにより、導電体２０９の酸化による電気抵抗の増加を抑制することができる。すなわち、導電体２０９と導電体２０５のコンタクトは良好なものになる。
なお、トランジスタ２０２では、図２３に示すように、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄ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２３０ａ、酸化物２３０ｃの２層構造、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃの２層構造、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄの３層構造、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄの３層構造、としてもよい。すなわち、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの一方を設けなくてもよい。また、酸化物２３０ｄを設けなくてもよい。または５層以上の積層構造としてもよい。また、酸化物２３０ｃのみの単層、または酸化物２３０ｃと酸化物２３０ｄのみを設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ２０２では、導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ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、単層、または３層以上の積層構造としてもよい。
ここで、図２３（Ｂ）における破線で囲む、チャネル近傍の領域２３９の拡大図を図２４に示す。
図２３（Ｂ）および図２４に示すように、酸化物２３０は、トランジスタ２０２のチャネル形成領域として機能する領域２３４と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１（領域２３１ａ、および領域２３１ｂ）との間に、領域２３２（領域２３２ａ、および領域２３２ｂ）を有する。ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１は、キャリア密度が高い、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域２３４は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりも、キャリア密度が低い領域である。また、領域２３２は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりも、キャリア密度が低く、チャネル形成領域として機能する領域２３４よりも、キャリア密度が高い領域である。
領域２３１において、導電体２５２ａと接続する領域２３３は、領域２３１よりもキャリア密度が高く、低抵抗化されていることが好ましい。領域２３１に領域２３３を設けることで、酸化物２３０と導電体２５２ａのコンタクト抵抗を低減することができ、トランジスタ２０２は良好な電気特性を有することができる。領域２３３は、コンタクト領域と呼ぶことができる。
領域２３１、領域２３２、および領域２３３は、酸化物２３０に、ヘリウムやアルゴンに代表される希ガスを添加することで設けることができる。希ガスの添加には、例えば、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
酸化物２３０に希ガスが添加されると、酸化物２３０中の金属元素と酸素原子の結合が切れ、酸化物２３０中に酸素欠損が生じると考えられる。酸素欠損が水素などの不純物を捕獲することで、キャリアが生じ、酸化物２３０、すなわち領域２３１、領域２３２、および領域２３３は低抵抗化する。水素などの不純物は、酸化物２３０中に存在している場合がある。このとき、当該不純物は、金属元素や酸素原子とは未結合の状態で存在していてもよい。また、酸化物２３０に接して設けられる絶縁体、例えば、絶縁体２７４から供給することができる。
領域２３４は、酸素欠損や、水素などの不純物が極力低減された、高純度化された領域である。高純度化された酸化物は実質真性領域となり、領域２３４はチャネル形成領域として機能することができる。
また、図２３および図２４において、領域２３２は、ゲート電極として機能する導電体２６０と重なる様子を示しているが、本実施の形態はこれに限らない。領域２３１、および領域２３２の形成方法によっては、領域２３２はゲート電極として機能する導電体２６０と重ならない場合がある。
領域２３２は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりもキャリア密度が低く、チャネル形成領域として機能する領域２３４よりもキャリア密度が高い領域とすることができる。この場合、領域２３２は、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の接合領域（ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）として機能する。
接合領域を設けることで、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１と、チャネル形成領域として機能する領域２３４との間に高抵抗領域が形成されず、トランジスタのオン電流を大きくすることができるため、好ましい。
領域２３４は、導電体２６０と重畳する。領域２３４は、領域２３２ａ、および領域２３２ｂとの間に配置しており、インジウムなどの金属元素、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２３１、および領域２３２より、小さいことが好ましい。
また、酸化物２３０において、領域２３１、領域２３２、領域２３３、および領域２３４の境界は明確に検出できない場合がある。各領域内で検出されるインジウムなどの金属元素、並びに水素、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、領域２３１から領域２３２へ、領域２３４に近い領域であるほど、インジウムなどの金属元素、並びに水素、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。
また、図２３（Ｂ）および図２４では、領域２３４、領域２３１、領域２３２、および領域２３３が、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄに形成されているが、これに限られることなく、少なくとも酸化物２３０ｃに形成されていればよい。また、例えばこれらの領域は酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄのみに形成されていてもよい。また、図では、各領域の境界を、絶縁体２２４と酸化物２３０の界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２３２が酸化物２３０ｃの表面近傍では領域２３４側に張り出し、酸化物２３０ｃの下面近傍では、領域２３１側に後退する形状になる場合がある。
例えば、絶縁体２５０を絶縁体２５０ａ、および絶縁体２５０ｂを有する積層構造とし、絶縁体２５０ａの上に、酸素を含む雰囲気で絶縁体２５０ｂを形成することで、２５０ａにより多くの酸素、すなわち過剰酸素を含ませることができる。
また、絶縁体２５０の側面と接して、絶縁体２７２を設けることが好ましい。
さらに、トランジスタ２０２は、水または水素などの不純物の混入を防ぐバリア性を有する絶縁体で囲まれていることが好ましい。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２０２を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
トランジスタ２０２において、導電体２６０は、第１のゲート電極として機能する場合がある。また、導電体２０５は、第２のゲート電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２０２のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、実質的にトランジスタ２０２のしきい値電圧をプラス側にシフトすることができる。また、トランジスタ２０２のしきい値を０Ｖより大きくすることで、オフ電流を低減することが可能となる。従って、導電体２６０に印加する電圧が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
第２のゲート電極として機能する導電体２０５は、酸化物２３０および導電体２６０と重なるように配置する。
つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、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。本明細書において、第１のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６の開口の内壁に接して導電体２０５ａが形成され、さらに内側に導電体２０５ｂが形成されている。ここで、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂ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２０２では、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂ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２０５ｂのみを設ける構成にしてもよい。
ここで、導電体２０５ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。
導電体２０５ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５ｂが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。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。従って、導電体２０５ａ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、絶縁体２１４より基板側から、水素、水などの不純物が、導電体２０５を通じて、トランジスタ２０２側に拡散するのを抑制することができる。
また、導電体２０５ｂ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２０５ｂを単層で図示したが、積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
導電体２０９は、電極や配線として機能することができる。導電体２０５を、トランジスタ２０２の第２のゲート電極として用いる場合、導電体２０９の一部は、ゲート配線として機能することができる。このとき、導電体２０７ａおよび、導電体２０７ａ上に設けられた導電体２０７ｂからなる導電体２０７、および導電体２０９を介して、導電体２０５と導電体２５２ｄを電気的に接続してもよい。導電体２０７は、導電体２０３および導電体２０５と同じ工程で作製することができる。
また、導電体２０９は、導電体２０３を介して酸化物２３０と電気的に接続しており、トランジスタ２０２のソース配線またはドレイン配線として機能することができる。また、導電体２０９は、絶縁体２１０より下層に位置する素子や配線と電気的に接続するための電極として用いてもよい。
酸化物２３０の下に、重なるように導電体２０３および導電体２０９を設けることで、トランジスタ２０２と、絶縁体２１０より下層に位置する素子や配線と接続するためのプラグや電極をトランジスタ２０２に重ねて設けることができる。よって、セルサイズを縮小できるため、好ましい。
絶縁体２１０は、実施の形態１に示す絶縁体２１０と同様の材料を用いることができる。
また、層間膜として機能する絶縁体２１２、および絶縁体２１６は、絶縁体２１０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。層間膜として機能する絶縁体２１２、および絶縁体２１６は、実施の形態１に示す絶縁体２０８、絶縁体２１６、および絶縁体２８０と同様の材料を用いることができる。
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。絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、実施の形態１に示す絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４と同様の材料を用いることができる。
酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｃ上の酸化物２３０ｄと、を有する。また、酸化物２３０は、領域２３１、領域２３２、領域２３３、および領域２３４を有する。なお、領域２３１の少なくとも一部は、絶縁体２７４と接することが好ましい。また、領域２３１の少なくとも一部は、インジウムなどの金属元素、水素、および窒素の少なくとも一の濃度が領域２３４よりも大きいことが好ましい。
トランジスタ２０２をオンさせると、領域２３１ａ、または領域２３１ｂ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。
ここで、図２４に示すように、酸化物２３０は、領域２３２を有することが好ましい。領域２３２を接合領域とすることで、オン電流を大きくし、かつ、非導通時のリーク電流（オフ電流）を小さくすることができる。
また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ上に、酸化物２３０ｃ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２３０ｄ下に、酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｄよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｃへの不純物の拡散を抑制することができる。
すなわち、酸化物２３０ｃに設けられた領域２３４は、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｄに囲われ、当該領域の水素や窒素などの不純物濃度を低く維持することができ、酸素濃度を高く維持することができる。このような構造を有する酸化物２３０を用いた半導体装置は、良好な電気特性を有し、高い信頼性を有する。
また、酸化物２３０は、側面と上面との間に、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２３０ｃ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以下とすることが好ましい。
酸化物２３０は、実施の形態１に示す酸化物２３０と同様の材料を用いることができる。
ここで、酸化物２３０の領域２３４にについて説明する。
領域２３４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、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの積層構造を有する場合、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２３０ｂ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２３０ｃ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、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｃ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２３０ｂ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２３０ｄは、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、または酸化物２３０ｃに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂには、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の組成を有する金属酸化物を用いることができる。また、酸化物２３０ｃには、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６の組成を有する金属酸化物を用いることができる。酸化物２３０ｄには、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の組成を有する金属酸化物を用いることができる。なお、上記組成は、基板上に形成された酸化物中の原子数比、またはスパッタターゲットにおける原子数比を示す。
特に、酸化物２３０ａとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、酸化物２３０ｂとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、酸化物２３０ｃとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３、酸化物２３０ｄとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の組成を有する金属酸化物の組み合わせは、酸化物２３０ｃを、よりエネルギーギャップの広い酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｄで挟むことができ、好ましい。このとき、エネルギーギャップの広い酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｄをワイドギャップ、相対的にエネルギーギャップが狭い酸化物２３０ｃをナローギャップと呼ぶことがある。
続いて、酸化物２３０の領域２３１について説明する。
領域２３１は、酸化物２３０として設けられた金属酸化物に、インジウムなどの金属原子、ヘリウムやアルゴンなどの希ガス、または水素や窒素などの不純物を添加し、低抵抗した領域である。なお、各領域は、少なくとも、領域２３４における酸化物２３０ｃよりも、導電性が高い。なお、領域２３１に、金属原子、希ガス、または不純物を添加するために、例えば、プラズマ処理、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いて、金属元素、希ガス、および不純物の少なくとも一であるドーパントを添加すればよい。
つまり、領域２３１において、酸化物２３０のインジウムなどの金属原子の含有率を高くすることで、電子移動度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
または、酸化物２３０に接して、不純物となる元素を含む絶縁体２７４を成膜することで、領域２３１に、不純物を添加することができる。
つまり、領域２３１は、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素が添加されることで低抵抗化される。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。よって、領域２３１は、上記元素の一つまたは複数を含む構成にすればよい。
または、絶縁体２７４として、領域２３１に含まれる酸素を引き抜き、吸収する膜を用いてもよい。酸素が引き抜かれると、領域２３１には酸素欠損が生じる。酸素欠損に水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が捕獲されることにより、領域２３１は低抵抗化する。
領域２３２のチャネル長方向の幅は、絶縁体２７２および絶縁体２７３の幅により制御することができる。
従って、領域２３２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、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｄの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析（ＴＤＳ分析）にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
例えば、絶縁体２５０を絶縁体２５０ａ、および絶縁体２５０ｂを有する積層構造としてもよい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０ａとして、酸化物２３０ｄの上面に接して設けることにより、酸化物２３０ｃの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０ａ中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０ａの膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍとする。
絶縁体２５０ｂは、形成時、あるいは形成後に、絶縁体２５０ａに酸素を供給できる絶縁体であることが好ましい。このような絶縁体は、酸素を含む雰囲気で、あるいは酸素を含むターゲットを用いて形成することができる。例えば、スパッタリング法を用いて、酸素を含む雰囲気中で、酸化アルミニウムを形成する。絶縁体２５０ｂの膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍとする。
絶縁体２５０ａの上に絶縁体２５０ｂを設けることで、絶縁体２５０ａに、より多くの酸素、すなわち過剰酸素を含ませることができる。
第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、導電体２６０ａ、および導電体２６０ａ上の導電体２６０ｂを有する。導電体２６０ａは、窒化チタンなどを用いることが好ましい。また、導電体２６０ｂとして、例えばタングステンなどの、導電性が高い金属を用いることができる。
導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界により、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、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、バリア膜として機能する絶縁体２７２を、絶縁体２５０の側面、および導電体２６０の側面に接するように設ける。また、バリア膜として機能する絶縁体２７０を導電体２６０の上部に設ける。
ここで、絶縁体２７０、および絶縁体２７２は、それぞれ実施の形態１に示す絶縁体２７０、および絶縁体２７２と同様の材料を用いることができる。
また、トランジスタが微細化され、チャネル長が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下程度に形成されている場合、トランジスタ２０２の周辺に設けられる構造体に含まれる不純物元素が拡散し、領域２３１ａと領域２３１ｂ、あるいは、領域２３２ａと領域２３２ｂと、が電気的に導通する恐れがある。
そこで、本実施の形態に示すように、絶縁体２７２および絶縁体２７３を形成することにより、絶縁体２５０および導電体２６０に水素、水などの不純物が混入するのを抑制し、かつ、絶縁体２５０中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。従って、第１のゲート電圧が０Ｖのときに、ソース領域とドレイン領域が直接、あるいは領域２３２などを介して電気的に導通することを防ぐことができる。
絶縁体２７３は、絶縁体２７２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、後述する導電体１３０と導電体２６０間に生じる寄生容量を低減することができる。絶縁体２７３は、絶縁体２１２、および絶縁体２１６と同様の材料を用いることができる。
絶縁体２７４は、少なくとも酸化物２３０、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および絶縁体２７３を覆うように設ける。
また、絶縁体２７４は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２７４として、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。このような絶縁体２７４を形成することで、絶縁体２７４を透過して酸素が混入し、領域２３１ａおよび領域２３１ｂの酸素欠損に酸素を供給して、キャリア密度が低下するのを防ぐことができる。また、絶縁体２７４を透過して水または水素などの不純物が混入し、領域２３４に拡散するのを抑制することができる。
なお、絶縁体２７４を成膜することにより、領域２３１を設ける場合、絶縁体２７４は、水素および窒素の少なくとも一方を有することが好ましい。水素、または窒素などの不純物を有する絶縁体を絶縁体２７４に用いることで、水素または窒素などの不純物を酸化物２３０に添加して、酸化物２３０において、領域２３１を低抵抗化することができる。
絶縁体２７４の上に、層間膜として機能する絶縁体２８０を設けることが好ましい。絶縁体２８０は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。なお、絶縁体２８０は、同様の絶縁体からなる積層構造としてもよい。
［容量素子１０１］
図２３に示すように、容量素子１０１は、トランジスタ２０２と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ２０２の酸化物２３０に設けられた領域２３１ｂの一部が、容量素子１０１の電極の一方として機能する容量素子１０１の例について示す。
容量素子１０１は、酸化物２３０の領域２３１ｂの一部、絶縁体２７４、絶縁体２７４上の導電体１３０（導電体１３０ａ、導電体１３０ｂ）を有する。さらに、導電体１３０の少なくとも一部が領域２３１ｂの一部と重なるように配置されることが好ましい。
酸化物２３０の領域２３１ｂの一部は、容量素子１０１の電極の一方として機能し、導電体１３０は容量素子１０１の電極の他方として機能する。すなわち、領域２３１ｂは、トランジスタ２０２のソースまたはドレインの一方としての機能と、容量素子１０１の電極の一方としての機能を兼ねている。絶縁体２７４の一部は、容量素子１０１の誘電体として機能する。
ここで、トランジスタ２０２の第１のゲート電極として機能する導電体２６０の側面には、絶縁体２７２、および絶縁体２７３が設けられている。導電体２６０と導電体１３０の間に絶縁体２７２、および絶縁体２７３が設けられることで、導電体２６０と導電体１３０の間の寄生容量を低減することができる。
導電体１３０は、導電体１３０ａ、および導電体１３０ａ上に配置された導電体１３０ｂを含む積層構造であることが好ましい。例えば、導電体１３０ａは、チタン、窒化チタン、タンタル、または窒化タンタルを主成分とする導電性材料を用いることが好ましく、導電体１３０ｂ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。導電体１３０は、単層構造としてもよいし、３層以上の積層構造としてもよい。
［セル６０１］
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２０２と、容量素子１０１、層間膜として機能する絶縁体２８０を有する。また、トランジスタ２０２および容量素子１０１と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２５２（導電体２５２ａ、導電体２５２ｂ、導電体２５２ｃ、および導電体２５２ｄ）とを有する。
容量素子１０１の電極として機能する導電体１３０と電気的に接続するプラグとして、導電体２５２ｂを設けてもよい。導電体１３０は、複数のセル６０１が有する容量素子１０１の電極を共有することができる。このため、必ずしも各セル６０１に導電体２５２ｂを設ける必要はなく、複数のセルに対して、当該セルの数より少ないプラグを設けてもよい。例えば、セル６０１が、行列、またはマトリクス状に配置されたセルアレイにおいて、各行に一つのプラグ、または各列に一つのプラグを設けてもよい。
なお、導電体２５２は、絶縁体２８０の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２５２の上面の高さと、絶縁体２８０の上面の高さは同程度にできる。なお、図２３では、導電体２５２が２層であ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２５２は、単層、または３層以上の積層構造でもよい。
絶縁体２８０は、絶縁体２７４および導電体１３０を覆うように設けることが好ましい。絶縁体２８０は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。なお、絶縁体２８０は、同様の絶縁体からなる積層構造としてもよい。
絶縁体２８０は、絶縁体２１０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、層間膜として機能する絶縁体２８０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、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。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２８０などに形成された開口に、導電体２５２ａ、導電体２５２ｂ、導電体２５２ｃ、および導電体２５２ｄを配置する。なお、導電体２５２ａ、導電体２５２ｂ、導電体２５２ｃ、および導電体２５２ｄの上面は、絶縁体２８０の上面と、概略同じ高さとしてもよい。
導電体２５２ａは、絶縁体２８０、および絶縁体２７４に形成された開口を介して、トランジスタ２０２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２３３と接している。領域２３３は低抵抗化されているので、導電体２５２ａと領域２３３の接触抵抗を低減することができる。また、導電体２５２ｂは、絶縁体２８０に形成された開口を介して、容量素子１０１の電極の一方である導電体１３０と接している。また、導電体２５２ｃは、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２７１、および絶縁体２７０に形成された開口を介して、トランジスタ２０２の第１のゲート電極として機能する導電体２６０と接している。また、導電体２５２ｄは、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２２２、および絶縁体２２０に形成された開口を介して、導電体２０７と接し、導電体２０９を介して、トランジスタ２０２の第２のゲート電極として機能する導電体２０５と電気的に接続している。
ここで、導電体２５２ａは、少なくとも酸化物２３０の上面と接し、さらに酸化物２３０の側面と接することが好ましい。特に、導電体２５２ａは、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる側面において、Ｃ側の側面、およびＤ側の側面の双方または一方と接することが好ましい。また、導電体２５２ａが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ側の側面と接する構成にしてもよい。このように、導電体２５２ａが酸化物２３０の上面に加えて、酸化物２３０の側面と接する構成にすることにより、導電体２５２ａと酸化物２３０のコンタクト部の上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２５２ａと酸化物２３０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２５２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２５２は積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
導電体２５２を積層構造とする場合、絶縁体２７４、および絶縁体２８０と接する導電体には、導電体２０５ａなどと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、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透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。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２５２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、導電体２５２が埋め込まれた絶縁体２７４および絶縁体２８０の開口の内壁に接して、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁体が設けられる構成にしてもよい。このような絶縁体としては、絶縁体２１０に用いることができる絶縁体、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２８０などから水素、水などの不純物が、導電体２５２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、当該絶縁体は、例えばＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することで被覆性良く成膜することができる。
また、図示しないが、導電体２５２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。
＜半導体装置の構成例４＞
図２５（Ａ）、図２５（Ｂ）、図２５（Ｃ）、および図２５（Ｄ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２０４、容量素子１０２、およびトランジスタ２０４周辺の上面図、および断面図である。なお、本明細書では、１つの容量素子、および少なくとも１つのトランジスタを有する半導体装置をセルと称する。
図２５に示すセル６０２は、トランジスタ２０４と容量素子１０２を有しており、先に説明したトランジスタ２０２と比較して、導電体２０３、および導電体２０５の構造が異なる。また、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１の形状が異なる。
導電体２０３、および導電体２０５は、導電体２０９および絶縁体２１２の上に設けられている。導電体２０３、および導電体２０５は、導電体２０９と同様の材料を用いて、同様の方法で作製することができる。一方、導電体２０３、および導電体２０５の加工の際、導電体２０９の形状不良を引き起こす恐れがある場合は、導電体２０３、および導電体２０５は、導電体２０９と異なる材料を用いることが好ましい。また、絶縁体２１６は、絶縁体２１２と同様の材料を用いて、同様の方法で作製することができる。
絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１は、その側面が傾斜している。少なくとも、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に絶縁体２７２および絶縁体２７３を形成する上で、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面は、基板表面または絶縁体２２０や絶縁体２２２の表面に対して垂直であることが好ましい。一方、絶縁体２７２および絶縁体２７３となる絶縁膜を形成する上では、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面は、傾斜を有していることで被覆性が向上し好ましい。絶縁体２５０、および導電体２６０の側面の角度は、プロセス上の作りやすさも考慮して適宜調整することができる。
図２５に示すセル６０２においては、トランジスタ２０２と比較して、導電体２０３、および導電体２０５の構造、および絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１の形状が異なる例を示したが、導電体２０３、および導電体２０５の構造、および絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１の形状の一方のみをトランジスタ２０２と異ならせる構成としてもよい。
＜半導体装置の構成例５＞
図２６（Ａ）、図２６（Ｂ）、図２６（Ｃ）、および図２６（Ｄ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２０６、容量素子１０３、およびトランジスタ２０６周辺の上面図、および断面図である。なお、本明細書では、１つの容量素子、および少なくとも１つのトランジスタを有する半導体装置をセルと称する。
図２６に示すセル６０３は、トランジスタ２０６と容量素子１０３を有しており、先に説明したトランジスタ２０２と、領域２３１、および領域２３３上に酸化物２３０ｄがエッチングされず、残存している点で、異なる。
この場合、酸化物２３０ｃの端部が酸化物２３０ｄに覆われ、酸化物２３０への不純物の混入や、酸化物２３０からの酸素の放出などを抑制することができ、好ましい。
また、導電体２０３、および導電体２０５を、図２５に示した構造としてもよい。また、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１を、図２５に示した形状としてもよい。
＜セルアレイの構造＞
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図２７および図２８に示す。例えば、図２３に示すトランジスタ２０２、および容量素子１０１を有するセル６０１、およびセル６０１と電気的に接続するトランジスタ３００を、行列、またはマトリクス状に配置することで、セルアレイを構成することができる。
図２７は、図２３に示すセル６０１、およびセル６０１と電気的に接続するトランジスタ３００を、マトリクス状に配置したセルアレイの一形態を示す回路図である。また、図２８（Ａ）は、当該セルアレイの一部の回路６２０を抜き出した回路図であり、図２８（Ｂ）は、当該セルアレイに相当するセル６０１およびトランジスタ３００の断面模式図である。
トランジスタ３００は、半導体基板に設けられたトランジスタを用いることができる。当該半導体基板は、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する半導体基板を用いてもよい。この場合、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。また、トランジスタ３００として、トランジスタ２０２と同様に、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることもできる。
図２７においては、行方向に隣り合うセル６０１が有するトランジスタ２０２のソースおよびドレインの一方が共通の配線（Ｓ０１、Ｓ０２、Ｓ０３）と電気的に接続する。また、当該配線は、列方向に配置されたセルが有するトランジスタ２０２のソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、行方向に隣り合うセル６０１が有するトランジスタ２０２の第１のゲートは、異なる配線ＷＬ（ＷＬ０１乃至ＷＬ０６）と電気的に接続する。また、各セル６０１が有するトランジスタ２０２の第２ゲートは、トランジスタ４００と電気的に接続してもよい。トランジスタ４００を介してトランジスタ２０２の第２ゲートに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。
また、セル６０１が有する容量素子１０１の第１の電極は、トランジスタ２０２のソースおよびドレインの他方、およびトランジスタ３００のゲートと電気的に接続する。この時、容量素子１０１の第１の電極は、トランジスタ２０２を構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル６０１が有する容量素子１０１の第２の電極は、配線ＰＬと電気的に接続する。容量素子１０１の第２の電極と電気的に接続する配線ＰＬは、各セル６０１で異なる電位を有していてもよいし、共通の電位を有していてもよい。例えば、配線ＰＬは、列毎に共通の電位を有していても良いし、行毎に共通の電位を有していてもよい。
トランジスタ３００のソースおよびドレインの一方は、配線ＳＬ（ＳＬ０１乃至ＳＬ０６）と電気的に接続し、トランジスタ３００のソースおよびドレインの他方は、配線ＢＬ（ＢＬ０１乃至ＢＬ０６）と電気的に接続する。
図２８（Ｂ）に示すように、セル６０１ａは、トランジスタ２０２ａおよび容量素子１０１ａを有し、トランジスタ３００ａのゲートと電気的に接続している。セル６０１ｂは、トランジスタ２０２ｂおよび容量素子１０１ｂを有し、トランジスタ３００ｂのゲートと電気的に接続している。
トランジスタ２０２ａのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ２０２ｂのソースおよびドレインの一方は、いずれもＳ０２と電気的に接続している。
トランジスタ２０２のソースおよびドレインの一方が、トランジスタ３００のゲートおよび容量素子１０１ａの第１の電極と電気的に接続することで、トランジスタ３００のゲートに所望の電位を印加し、保持することができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いるトランジスタ２０２は、非導通状態におけるリーク電流が極めて小さい。よって、トランジスタ３００のゲート電極に印加された電位を長時間維持することができる。
このようなセルアレイは、記憶装置や、演算回路として用いることができる。
［トランジスタ４００］
図２９は、トランジスタ４００の一態様を示す断面模式図である。トランジスタ４００は、トランジスタ２０２と異なる構造を有していてもよい。
トランジスタ４００は、トランジスタ２０２と共通の材料を用いて作製されるのが好ましい。
導電体４０９は、導電体２０９と同様の材料を用い、同じ工程で形成することができる。導電体４０３および導電体４０５は、導電体２０３および導電体２０５と同様の材料を用い、同じ工程で形成することができる。導電体４０５は、トランジスタ４００の第２のゲート電極として機能することができる。
酸化物４３０ａ、酸化物４３０ｂ、酸化物４３０ｃ、および酸化物４３０ｄは、それぞれ酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄと同様の材料を用い、同じ工程で形成することができる。トランジスタ４００において、酸化物４３０ｄの一部は、チャネル形成領域として機能し、酸化物４３０ａ、酸化物４３０ｂ、酸化物４３０ｃ、および酸化物４３０ｄは、酸化物２３０と同様に低抵抗領域を有し、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４３０ａ、酸化物４３０ｂ、および酸化物４３０ｃには、より低抵抗なコンタクト領域が設けられていることが好ましい。
絶縁体４５０ａ、および絶縁体４５０ｂは、それぞれ絶縁体２５０ａ、および絶縁体２５０ｂと同様の材料を用い、同じ工程で形成することができ、絶縁体４５０ａ、および絶縁体４５０ｂを有する絶縁体４５０は、ゲート絶縁膜として機能することができる。導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂは、それぞれ導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂと同様の材料を用い、同じ工程で形成することができ、導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂを有する導電体４６０は、第１のゲート電極として機能することができる。
絶縁体４７０は、絶縁体２７０と同様の材料を用い、同じ工程で形成することができる。絶縁体４７１は、絶縁体２７１と同様の材料を用い、同じ工程で形成することができる。絶縁体４７２は、絶縁体２７２と同様の材料を用い、同じ工程で形成することができる。絶縁体４７３は、絶縁体２７３と同様の材料を用い、同じ工程で形成することができる。
絶縁体２８０および絶縁体２７４には開口部が設けられ、酸化物４３０に接続する導電体４５２ａおよび導電体４５２ｂが配置される。
トランジスタ４００において、ソース領域およびドレイン領域の一方は、酸化物４３０ａ、絶縁体２２４、絶縁体２２２、および絶縁体２２０に設けられた開口を介して、導電体４０３と電気的に接続する。また、導電体４０３は、導電体４０９を介して、第２のゲート電極として機能する導電体４０５と電気的に接続する。また、当該ソース領域およびドレイン領域の一方は、導電体４５２ｂを介して第２のゲート電極として機能する導電体４６０と電気的に接続する。すなわち、トランジスタ４００は、ソース領域およびドレイン領域の一方、第１のゲート電極、および第２のゲート電極が電気的に接続することで、ダイオード接続を構成している。
ダイオード接続したトランジスタ４００のソースおよびドレインの一方は、導電体４０９および導電体２０９などを介して、トランジスタ２０２の第２のゲート電極と電気的に接続する。これにより、トランジスタ２０２の第２のゲート電極の電位は、トランジスタ４００により制御することができる。また、トランジスタ４００は、酸化物４３０ｄにチャネル形成領域が設けられているため、非導通状態におけるリーク電流は極めて小さい。よって、例えばトランジスタ２０２の第２のゲート電極に負電位を印加する場合、トランジスタ４００に電源の供給を行わなくても、トランジスタ２０２の第２のゲート電極の電位を長時間維持することができる。
トランジスタ４００は、各セル６０１に設ける必要はなく、複数のセルに対して、当該セルの数より少ないトランジスタ４００を設けてもよい。例えば、セル６０１が、行列、またはマトリクス状に配置されたセルアレイにおいて、セルアレイに一つのトランジスタ４００、各行に一つのトランジスタ４００、または各列に一つのトランジスタ４００を設けてもよい。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、本発明に係るトランジスタ２０２を有する半導体装置について、作製方法を図３０乃至図５０を用いて説明する。また、図３０乃至図５０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Ａ－Ｂ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Ｃ－Ｄ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（Ｄ）は、（Ａ）にＥ－Ｆの一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。
また、本実施の形態の半導体装置の作製方法において、実施の形態１に示した半導体装置の作製方法と同じ符号を記した構成要素には、実施の形態１と同様な材料、作製方法、および作製装置を用いることができる。また、特段記載のない限り、本実施の形態で作製された構成要素は、実施の形態１に示した構成要素と同様な構造上の特徴や、効果が得られるものとし、その説明は省略する。
まず、基板（図示しない）を準備し、当該基板上に絶縁体２０８を成膜する。絶縁体２０８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２０８として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２０８上に絶縁体２１０を形成する。本実施の形態では、絶縁体２１０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２１０は、多層構造としてもよい。例えばスパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上にＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
次に、絶縁体２１０上に導電膜２０９Ａを形成する。導電膜２０９Ａの形成は、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、導電膜２０９Ａとして、スパッタリング法によってタングステンを成膜した。なお、導電膜２０９Ａとして、タングステンの他に、アルミニウムや銅などの導電体を用いることができる。また、導電膜２０９Ａを積層構造としてもよく、上記導電体上にチタンやタンタルを含む導電体を積層して設けてもよい。例えば、上記導電体上に窒化チタン、または窒化タンタルなどの金属窒化物を用いることができる。
次に、導電膜２０９Ａ上にリソグラフィー法を用いてマスク２６２を形成する（図３０参照。）。
次に、マスク２６２を用いて、導電膜２０９Ａを加工し、導電体２０９を形成する（図３１参照。）。
該加工はドライエッチング法やウェ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。
ドライエッチング装置としては、ドライエッチング装置を用いることができ、ＣＣＰエッチング装置や、ＩＣＰエッチング装置などを用いることができる。
導電膜２０９Ａのエッチングにハードマスクを用いる場合、当該エッチング処理は、ハードマスクの形成に用いたレジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。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。上記導電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良い。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。
次に絶縁体２１０、導電体２０９上に絶縁膜２１２Ａを形成する（図３２参照）。絶縁膜２１２Ａの形成は、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、絶縁膜２１２Ａとして、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを形成する。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで絶縁膜２１２Ａの一部を除去し、導電体２０９を露出する。その結果、導電体２０９の間、およびこれら導電体の周囲に絶縁体２１２が残存する。これにより、上面が平坦な、絶縁体２１２、および導電体２０９を形成することができる（図３３参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、導電体２０９の一部が除去される場合がある。
次に絶縁体２１２、および導電体２０９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法によって酸化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２１６に開口を形成する。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。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１６に開口を形成する場合、導電体２０９は、絶縁体２１６をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として用いてもよい。
開口の形成後に、導電体２０３ａ、および導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。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望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０３ａ、および導電体２０５ａとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
本実施の形態では、導電体２０３ａ、および導電体２０５ａ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。導電体２０３ａ、および導電体２０５ａとしてこのような金属窒化物を用いることにより、後述する導電体２０３ｂ、および導電体２０５ｂで銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０３ａ、および導電体２０５ａから外に拡散するのを防ぐことができる。
次に、導電体２０３ａ、および導電体２０５ａとなる導電膜上に、導電体２０３ｂ、および導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。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２０３ｂ、および導電体２０５ｂとなる導電膜として、タングステンや、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０３ａ、および導電体２０５ａとなる導電膜、ならびに導電体２０３ｂ、および導電体２０５ｂ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２０３ａ、および導電体２０５ａとなる導電膜、ならびに導電体２０３ｂ、および導電体２０５ｂ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２０３ａおよび導電体２０３ｂを含む導電体２０３、および導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂを含む導電体２０５を形成することができる（図３４参照。）。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。
次に、絶縁体２１６、導電体２０３、および導電体２０５上に絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４を成膜する。絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、実施の形態１と同様の方法により、同様の材料を用いて形成することができる（図３４参照。）。
続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、実施の形態１に示す方法を用いることができる。上記加熱処理によって、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などができる。尚、第１の加熱処理は行わなくても良い場合がある。
また、加熱処理は、絶縁体２２０成膜後、および絶縁体２２２の成膜後のそれぞれに行うこともできる。該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができるが、絶縁体２２０成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２４成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行なう。
次に、絶縁体２２４上に、酸化物２３０ａとなる酸化膜２３０Ａを形成する。
酸化膜２３０Ａは、実施の形態１と同様の方法により、同様の材料を用いて形成することができる。
次に、リソグラフィー法を用いて、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化膜２３０Ａに、導電体２０３へ到達する開口を形成する。まず、酸化膜２３０Ａ上にマスク２６３を形成する（図３４参照。）。開口の形成に用いるマスク２６３は、レジストマスクでもよいし、ハードマスクでもよい。
次に、マスク２６３を用いて、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化膜２３０Ａを加工し、導電体２０３の表面を露出することで、開口が形成される（図３５参照。）。該加工は、ドライエッチング法やウェ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。なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、及び絶縁体２２４は、酸化膜２３０Ａを介して加工される。詳述すると、導電体２０３の表面の一部を露出させる際に、酸化膜２３０Ａ上にレジストマスクやハードマスクなどからなるマスクを形成し、その後、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化膜２３０Ａを加工する。すなわち、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体（絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４）の表面にマスクが形成されない。したがって、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体の表面に、マスクが付着しないため、レジストマスク等に含まれる不純物、ハードマスクに含まれる成分、およびマスク除去に用いる薬液やプラズマに含まれる成分によるゲート絶縁膜の汚染やダメージを抑制できる。このようなプロセスにより、信頼性の高い半導体装置の作製方法を提供できる。
次に、酸化膜２３０Ａ上に酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃを形成する（図３６参照。）。このとき、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃは上記開口内部にも形成され、当該開口を介して導電体２０３と電気的に接続する。酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃと、導電体２０３とが、酸化物２３０ａを介さずに接続する構成とすることで、直列抵抗及び接触抵抗を低減することが可能となる。このような構成により、電気特性の良好な半導体装置が得られる。より具体的には、オン電流の向上したトランジスタ、および当該トランジスタを用いた半導体装置が得られる。
酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃの形成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。
酸化膜２３０Ｂの形成後、酸化膜２３０Ｃの形成は、大気雰囲気に曝すことなく、連続で行われることが好ましい。酸化膜２３０Ｂの形成、および酸化膜２３０Ｃの形成は、マルチチャンバ式の成膜装置を用いることで、酸化膜２３０Ｂの表面を大気雰囲気に曝すことなく、酸化膜２３０Ｂ上に酸化膜２３０Ｃを形成することができる。酸化膜２３０Ｂの形成、および酸化膜２３０Ｃの形成を連続で行うことにより、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃの界面の汚染を防ぐことができ、これら酸化膜を用いた半導体装置は、良好な特性および高い信頼性を有することができる。
例えば、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃをスパッタリング法によって形成する場合は、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形成する場合は、上記のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。
酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃ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。
本実施の形態では、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のターゲットを用いて成膜し、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。また、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃの形成は、マルチチャンバ式のスパッタリング装置を用い、大気雰囲気に曝すことなく連続で行う。なお、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、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃ中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行なった後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
次に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃを島状に加工して、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃを形成する（図３７参照。）。
図３７（Ａ）および図３７（Ｄ）に示すように酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａに形成された開口と重なる領域における、Ｅ－Ｆ方向の幅を、当該開口の幅より広く形成することが好ましい。よって、当該領域における、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃのＥ－Ｆ方向の幅は、チャネルが形成される領域や、Ａ側の領域における、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃのＣ－Ｄ方向の幅よりも広くなる場合がある。このような構造にすることで、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃと導電体２０３のコンタクトを確実に行うことができる。また、容量素子１０１の面積を大きくすることができ、容量素子１０１の大容量化が期待できる。
なお、上記工程において、絶縁体２２４を島状に加工してもよい。また、絶縁体２２４に対しては、ハーフエッチングを行ってもよい。絶縁体２２４に対してハーフエッチングを行うことで、後の工程で形成する酸化物２３０ｄの下にも絶縁体２２４が残った状態で形成される。なお、絶縁体２２４は、後の工程である導電膜２６０Ａおよび導電膜２６０Ｂ、または絶縁膜２７２Ａを加工する際に、島状に加工することができる。その場合、絶縁体２２２をエッチングストッパ膜として用いてもよい。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ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２３０ｂの側面、および酸化物２３０ｃの側面は、酸化物２３０ａの側面と同一平面を有していることが好ましい。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの側面は、絶縁体２２２に対し、概略垂直であることが好ましい。このとき、酸化物２３０ｂの端部、および酸化物２３０ｃの端部は、酸化物２３０ａの端部と概略一致する。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの側面が、絶縁体２２２に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２０２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、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ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、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ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、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの側面と、酸化物２３０ｃ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２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ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以下とすることが好ましい。
なお、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、および加工時に付着した不純物除去のための洗浄は、実施の形態１に示す方法にて行うことができる。
続いて、加熱処理を行っても良い。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの上に、酸化物２３０ｄとなる酸化膜２３０Ｄを成膜する（図３８参照。）。
酸化膜２３０Ｄの形成は、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２３０ｄに求める特性に合わせて、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、または酸化膜２３０Ｃと同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｄを成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｄ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。
酸化膜２３０Ｄは、図３９に示すように、島状に加工してもよい。絶縁体２５０、および導電体２６０形成前に、酸化膜２３０Ｄを加工することで、後工程で形成される絶縁体２５０、および導電体２６０の下側に位置する酸化膜２３０Ｄの一部を除去することができる。これにより、隣り合うセル６０１の酸化膜２３０Ｄが分離され、セル６０１間の酸化膜２３０Ｄを介したリークを防ぐことができ、好ましい。
酸化膜２３０Ｄの加工は、ドライエッチングやウェットエッチングを用いることができる。酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃの加工に用いた方法を用いてもよい。
次に、絶縁体２２４、酸化膜２３０Ｄの上に、絶縁膜２５０Ａ、絶縁膜２５０Ｂ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、絶縁膜２７０Ａ、および絶縁膜２７１Ａを順に形成する（図４０参照。）。
絶縁膜２５０Ａ、および絶縁膜２５０Ｂ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。
本実施の形態では、絶縁膜２５０Ａとして、ＣＶＤ法を用いて酸化窒化シリコンを形成し、絶縁膜２５０Ｂとして、スパッタリング法を用いて、酸化アルミニウムを形成する。絶縁膜２５０Ａの膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍとする。また、絶縁膜２５０Ｂの膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍとする。絶縁膜２５０Ｂを、酸素を含む雰囲気中でスパッタリング法を用いて形成することで、絶縁膜２５０Ａに、より多くの酸素、すなわち過剰酸素を含ませることができるため好ましい。
また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。該加熱処理によって、絶縁膜２５０Ａ、および絶縁膜２５０Ｂの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
導電膜２６０Ａ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。本実施の形態では、導電膜２６０Ａとしてスパッタリング法を用いて窒化チタンを形成した。
また、導電膜２６０Ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。導電膜２６０Ｂとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。本実施の形態では、導電膜２６０Ｂとしてスパッタリング法を用いてタングステンを形成した。
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
絶縁膜２７０Ａ、および絶縁膜２７１Ａは、実施の形態１と同様の方法により、同様の材料を用いて形成することができる。
また、絶縁体２７１は、ハードマスクとして機能する。絶縁体２７１を設けることで、絶縁体２５０ａの側面、絶縁体２５０ｂの側面、導電体２６０ａの側面、導電体２６０ｂの側面、および絶縁体２７０の側面を、基板に対し、概略垂直に形成することができる。
次に、絶縁膜２７１Ａを、エッチングし、絶縁体２７１を形成する。続いて、絶縁体２７１をマスクとして、絶縁膜２５０Ａ、絶縁膜２５０Ｂ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および絶縁膜２７０Ａを、エッチングし、絶縁体２５０（絶縁体２５０ａ、絶縁体２５０ｂ）、導電体２６０（導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ）、および絶縁体２７０を形成する（図４１参照。）。なお、当該加工後も、当該ハードマスクは除去せずに後工程を進めてもよい。当該ハードマスクは、後工程で実施されるドーパントの添加においてもハードマスクとして機能することができる。
また、上記エッチングにより、酸化膜２３０Ｄの絶縁体２５０と重ならない領域の上部がエッチングされる場合がある。この場合、酸化膜２３０Ｄの絶縁体２５０と重なる領域の膜厚が、絶縁体２５０と重ならない領域の膜厚より厚くなる場合がある。
また、上記エッチングにより、絶縁体２２４の酸化膜２３０Ｄと重ならない領域がエッチングされる場合がある。この場合、酸化膜２３０Ｄおよび導電体２６０と重ならない領域において、絶縁体２２２が露出する。
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
次に、酸化膜２３０Ｄ、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１を覆って、絶縁膜２７２Ａを成膜する（図４２参照。）。
次に、絶縁膜２７２Ａで覆われた、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１をマスクに用いて、酸化物２３０に希ガスを添加する。希ガスの添加には、例えば、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。希ガスを添加することで、酸化物２３０には、領域２３４と領域２３２が設けられる（図４２参照。）。
次に、絶縁膜２７２Ａを覆って、絶縁膜２７３Ａを成膜する（図４３参照。）。絶縁膜２７３Ａには、誘電率が低い材料を用いることが好ましく、絶縁体２１２、および絶縁体２１６と同様の材料を用いることができる。
次に、絶縁膜２７３Ａ、および絶縁膜２７２Ａに異方性のエッチング処理を行い、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に接して、バリアとして機能する絶縁体２７２、およびサイドウォールとして機能する絶縁体２７３を形成する（図４４参照。）。異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、絶縁体２７２、および絶縁体２７３を自己整合的に形成することができる。
ここで、絶縁体２７０上に絶縁体２７１を形成しておくことで、絶縁体２７０上部の絶縁膜２７３Ａ、および絶縁膜２７２Ａが除去されても、絶縁体２７０を残存させることができる。また、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１からなる構造体の高さを、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化膜２３０Ｄの高さよりも、高くすることで、酸化膜２３０Ｄを介して成膜された酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃの側面の絶縁膜２７３Ａ、および絶縁膜２７２Ａを、除去することができる。さらに、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの端部をラウンド形状にしておくと、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの側面に、酸化膜２３０Ｄを介して成膜された絶縁膜２７３Ａ、および絶縁膜２７２Ａを除去するための時間が短縮され、より容易に絶縁体２７２、および絶縁体２７３を形成することができる。
次に、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および絶縁体２７３をマスクとして、酸化膜２３０Ｄをエッチングし、酸化膜２３０Ｄの一部を除去し、酸化物２３０ｄを形成する（図４５参照。）。なお、本工程により、酸化物２３０ｃの上面および側面と、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面の一部が除去される場合がある。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄにおいて、領域２３１を形成してもよい。領域２３１は、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄとして設けられた金属酸化物に、インジウムなどの金属原子、または不純物を添加し、低抵抗化した領域である。なお、各領域は、少なくとも、領域２３４における酸化物２３０ｂよりも、導電性が高い。
領域２３１および領域２３２を低抵抗化するために、例えば、インジウムなどの金属原子、ヘリウムやアルゴンなどの希ガス、または水素や窒素などの不純物の少なくとも一であるドーパントを添加すればよい。
なお、ドーパントの添加には、実施の形態１と同様のドーパント、および添加方法を用いることができる。
また、ドーパントは、プラズマ処理にて添加されてもよい。この場合、プラズマＣＶＤ装置、ドライエッチング装置、アッシング装置を用いてプラズマ処理を行い、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄにドーパントを添加することができる。
また、不純物をドーパントとして添加する場合、酸化物２３０に接するようにドーパントを含む膜を形成してもよい。例えば、ドーパントとして水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、またはリンなどを含む絶縁体２７４を、酸化物２３０ｄ、絶縁体２７２、および絶縁体２７３の外側に位置する酸化物２３０に接するように成膜し、領域２３１を形成する（図４６参照。）。絶縁体２７４の成膜や成膜後の熱処理により、領域２３１は低抵抗化する。絶縁体２７４に含まれるドーパントが領域２３１へ拡散し、当該領域は低抵抗化すると考えられる。また、絶縁体２７４に含まれるドーパントが領域２３２にも拡散し、領域２３２は、先の希ガスの添加により低下した抵抗値よりも、さらに低抵抗化する場合がある。
酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄは、インジウムの含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。よって、ドーパントとして酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄのキャリア密度を向上させるインジウムなどの金属元素を用いることができる。
つまり、領域２３１、および領域２３２において、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄのインジウムなどの金属原子の含有率を高くすることで、電子移動度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
その場合、少なくとも領域２３１における元素Ｍに対するインジウムの原子数比が、領域２３４の元素Ｍに対するインジウムの原子数比よりも大きくなる。
また、トランジスタ２０２において、領域２３２を設けることで、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域２３１と、チャネルが形成される領域２３４との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域２３２を有することで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、ゲートとが重ならないため、不要な容量が形成されるのを抑制することができる。また、領域２３２を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。
従って、領域２３１ａ、および領域２３１ｂ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。
本実施の形態では、絶縁体２２４、酸化物２３０、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および絶縁体２７３を覆って、絶縁体２７４を成膜する（図４６参照。）。
絶縁体２７４は、実施の形態１と同様の方法により、同様の材料を用いて形成することができる。これにより、酸化物２３０ｃおよび酸化物２３０ｄの絶縁体２５０と重ならない領域を中心に、酸素欠損を形成し、当該酸素欠損と窒素または水素などの不純物元素を結合させて、キャリア密度を高くすることができる。このようにして、低抵抗化された、領域２３１ａおよび領域２３１ｂを形成することができる。
また、実施の形態１に示すように、絶縁体２７４は、単層構造でもよいし、２層以上の絶縁体からなる積層構造としてもよい。
従って、絶縁体２７４の成膜により、ソース領域およびドレイン領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。
ここで、導電体２６０および絶縁体２５０の上面および側面を、絶縁体２７０および絶縁体２７２で覆っておくことで、窒素または水素などの不純物元素が、導電体２６０および絶縁体２５０に混入することを防ぐことができる。これにより、窒素または水素などの不純物元素が、導電体２６０および絶縁体２５０を通って、トランジスタ２０２のチャネル形成領域として機能する領域２３４に混入することを防ぐことができる。従って、良好な電気特性を有するトランジスタ２０２を提供することができる。
なお、上記において、絶縁体２７４の成膜による酸化物２３０の低抵抗化、を用いて、領域２３１を形成したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、ドーパントの添加処理、またはプラズマ処理を用いてもよいし、これらを複数組み合わせて、各領域などを形成してもよい。
例えば、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２７０、および絶縁体２７１をマスクとして、酸化物２３０にプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理は、上述の酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素を含む雰囲気などで行えばよい。例えば、アルゴンガスと窒素ガスを用いてプラズマ処理を行えばよい。
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。加熱処理を行うことで、添加されたドーパントが、酸化物２３０の領域２３１へと拡散し、オン電流を大きくすることができる。また、この加熱処理により、添加されたドーパントが、領域２３２へと拡散する場合がある。
次に、絶縁体２７４を覆って導電膜１３０Ａ、および導電膜１３０Ｂを形成する（図４６参照。）。導電膜１３０Ａ、および導電膜１３０Ｂ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。本実施の形態では、導電膜１３０Ａとして、スパッタリング法を用いて窒化チタンを形成し、導電膜１３０Ｂとして、スパッタリング法を用いてタングステンを形成する。
次に、導電膜１３０Ａ、および導電膜１３０Ｂをリソグラフィー法を用いて加工し、導電体１３０（導電体１３０ａ、導電体１３０ｂ）を形成する（図４７参照。）。導電膜１３０Ａ、および導電膜１３０Ｂの加工は、実施の形態１に示す導電膜１３０Ａの加工と同様の方法を用いることができる。
本実施の形態では、図４７（Ｂ）および図４７（Ｄ）に示すように、酸化物２３０の上方に設けられる導電体１３０の一部が、酸化物２３０の外側まで広がるように設けられている。具体的には、図４７（Ｄ）において、導電体１３０は、酸化物２３０よりＥ側、およびＦ側にはみ出るように設けられている。
このような形状とすることで、容量素子１０１は、酸化物２３０の上面と導電体１３０の間だけでなく、酸化物２３０の側面と導電体１３０の間でも容量を形成することができ、好ましい。よって、図４７（Ｂ）において、導電体１３０が、酸化物２３０よりＢ側にはみ出るように設けてもよい。一方、セル６０１が占める面積に制限がある場合、導電体１３０が酸化物２３０からなるべくはみ出さないように形成することで、セル６０１の微細化が可能となり、半導体装置の高集積化が実現できる。
導電体１３０は、隣り合うセル６０１の導電体１３０と繋がるように形成してもよい。
次に、絶縁体２７４および導電体１３０の上に、絶縁体２８０を成膜する（図４８参照。）。絶縁体２８０は、実施の形態１と同様の方法により、同様の材料を用いて形成することができる。
次に、絶縁体２８０、および絶縁体２７４に酸化物２３０の領域２３１に達する開口、絶縁体２８０に導電体１３０に達する開口、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２７１、および絶縁体２７０に導電体２６０に達する開口、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２２２、および絶縁体２２０に導電体２０５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２５２ａが酸化物２３０の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の側面が露出するように、当該開口を形成する。
次に、上記開口により露出した酸化物２３０に希ガスを添加する。希ガスの添加には、上記と同様に例えば、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。希ガスを添加することで、酸化物２３０の領域２３１には、領域２３３が設けられる（図４９参照。）。
次に、導電体２５２（導電体２５２ａ、導電体２５２ｂ、導電体２５２ｃ、導電体２５２ｄ）を形成する（図５０参照。）。また、必要に応じて導電体２５２と電気的に接続する導電体を形成してもよい。
以上により、トランジスタ２０２および容量素子１０１を有する半導体装置を作製することができる。図３０乃至図５０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２０２および容量素子１０１を作製することができる。
本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図５１、および図５２を用いて説明する。
［記憶装置１］
図５１に示す記憶装置は、トランジスタ２００、容量素子１００、およびトランジスタ３００と、を有している。
トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。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５１に示す記憶装置において、配線３００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線３００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線３００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線３００４はトランジスタ２００の第１のゲートと電気的に接続され、配線３００６はトランジスタ２００の第２のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方として機能し、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０ａに形成された開口を介して、トランジスタ３００のゲートと電気的に接続されている。配線３００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
図５１に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＳＮに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＳＮに電荷が保持される（保持）。
トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＳＮの電荷は長期間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線３００２は、ノードＳＮに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＳＮに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＳＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は「導通状態」となる。一方、ノードＳＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＳＮに保持されている情報を読み出すことができる。
＜記憶装置１の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図５１に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ２００と同じ層に設けられている。
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。
トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
絶縁体３１５は、トランジスタ３００のゲート絶縁膜として機能する。
ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
なお、図５１に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。
絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ）などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線としての機能を有する。また、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図５１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、または配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。
絶縁体３５４、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図５１において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図５１において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３７６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３７０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図５１において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３８６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３８０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３８４、および導電体３８６上には絶縁体２１０が設けられている。絶縁体２１０は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
絶縁体２１０上に、導電体２０３、導電体２０５、および絶縁体２１６が設けられる。
絶縁体２１０には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体２１０には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
絶縁体２１０の上方には、トランジスタ２００および容量素子１００が設けられている。なお、トランジスタ２００および容量素子１００の構造は、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００および容量素子１００を用いればよい。また、図５１に示すトランジスタ２００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
図５２は、トランジスタ２００の上方に容量素子１００を設けた例である。容量素子１００の電極の一方には、トランジスタ２００のソースおよびドレインの他方と電気的に接続する導電体２５６を用いる。導電体２５６は、トランジスタ３００のゲートと電気的に接続する。導電体２５６上には、容量素子１００の誘電体として機能する絶縁体１２０が設けられる。また、絶縁体１２０を間に挟んで、導電体２５６と重なるように導電体１３１が設けられる。導電体１３１は容量素子１００の電極の他方として機能し、配線３００５と電気的に接続する。
絶縁体１２０は、導電体２５６の側面を覆うように設けてもよい。また、導電体１３１は、絶縁体１２０を介して導電体２５６の側面に設けられてもよい。このような構成にすることで、導電体２５６の上面とそれと向かい合う導電体１３１だけでなく、導電体２５６の側面とそれと向かい合う導電体１３１で容量素子１００を構成することができ、容量素子１００の上面面積を増やすことなく容量値を増加させることができ、好ましい。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図５３乃至図５６を用いて説明する。
また、本実施の形態の半導体装置において、実施の形態１乃至実施の形態３に示した半導体装置と同じ符号を記した構成要素には、実施の形態１乃至実施の形態３と同様な材料を用いることができる。また、特段記載のない限り、本実施の形態で作製された構成要素は、実施の形態１乃至実施の形態３に示した構成要素と同様な構造上の特徴や、効果が得られるものとし、その説明は省略する。
［記憶装置２］
図５３（Ａ）および図５４に示す記憶装置は、実施の形態２に示すトランジスタ２０２、および容量素子１０１と、トランジスタ３００と、を有している。
＜記憶装置２の構造＞
図５３（Ａ）に示す記憶装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ３００上の、導電体３５６が設けられた絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４と、絶縁体３５４、および導電体３５６上の絶縁体２１０と、絶縁体２１０上のトランジスタ２０２、および容量素子１０１を有している。
図５４に示す記憶装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ３００上の、導電体３５６が設けられた絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４と、導電体３６６が設けられた絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体３６４と、導電体３７６が設けられた絶縁体３７０、絶縁体３７２、および絶縁体３７４と、導電体３８６が設けられた絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体３８４と、絶縁体３８４、および導電体３８６上の絶縁体２１０と、絶縁体２１０上のトランジスタ２０２、および容量素子１０１を有している。
また、図５３（Ａ）および図５４に示すトランジスタ２０２と、容量素子１０１とは、共通する構造を有しているため、投影面積が小さく、微細化および高集積化が可能である。
図５３（Ａ）および図５４に示す記憶装置における、情報の書き込み、保持、および読み出しについては、実施の形態３に示す方法と同様に行えばよく、その説明は省略する。
なお、図５３（Ａ）および図５４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。
ここで、図５３（Ａ）および図５４において、Ｗ１－Ｗ２で示すトランジスタ３００のＷ幅方向の断面図を、図５３（Ｂ）に示す。図５３（Ｂ）に示すように、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。
また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２０２が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
絶縁体３５４、および導電体３５６の上方には絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１６が、順に積層して設けられている。絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１６には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２０２を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１６には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
また、例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６には、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２１６には、導電体２０９、導電体２０３、および導電体２０５など、トランジスタ２０２を構成する導電体が埋め込まれている。なお、導電体２０３、および導電体２０９は、トランジスタ２０２、およびトランジスタ３００を電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２０９、導電体２０３、および導電体２０５は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
特に、絶縁体２１０、および絶縁体２１２と接する領域の導電体２０９は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２０２とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２０２への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体２１２の上方には、トランジスタ２０２および容量素子１０１が設けられている。なお、トランジスタ２０２および容量素子１０１の構造は、先の実施の形態で説明したトランジスタ２０２および容量素子１０１を用いればよい。また、図５３（Ａ）に示すトランジスタ２０２および容量素子１０１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。
ここで、図５４では、トランジスタ３００のゲートと、トランジスタ２０２のソースおよびドレインの他方は、導電体３５６、導電体３６６、導電体３７６、および導電体３８６の４つの導電体を介して電気的に接続される例を示したが、本実施の形態はこれに限定されない。トランジスタ３００のゲートと、トランジスタ２０２のソースおよびドレインの他方の間に設けられる導電体は、導電体３５６のみでも良いし、２つ、３つ、または５以上設けてもよい。または、トランジスタ３００のゲートと電気的に接続する導電体３３０と、トランジスタ２０２のソースおよびドレインの他方と電気的に接続する導電体２０９を直接接続してもよい。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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の変形例＞
また、本実施の形態の変形例の一例を、図５５、および図５６に示す。
図５５に示す記憶装置をメモリセルとして、集積することで、メモリセルアレイを構成することができる。例えば、図５６に示す回路図において、メモリセルがマトリクス状となるように、複数の記憶装置を設けるとよい。図５５は、図５３に示す記憶装置において、トランジスタ２０２を集積した場合におけるメモリセルアレイの断面図の一例である。
図５５、および図５６は、トランジスタ３００ａ、トランジスタ２０２ａ、および容量素子１０１ａを有する記憶装置と、トランジスタ３００ｂ、トランジスタ２０２ｂ、および容量素子１０１ｂを有する記憶装置と、配線ＳＬ、配線ＲＢＬ（ＲＢＬ０１およびＲＢＬ０２）、配線ＷＢＬ（ＷＢＬ０１およびＷＢＬ０２）、配線ＷＷＬ、配線ＲＷＬと、を有するメモリセルアレイである。
例えば、図５５に示すように、トランジスタ２０２ａと、トランジスタ２０２ｂを重畳して設けることができる。また、トランジスタ３００ａ、およびトランジスタ３００ｂにおいて、配線ＳＬを共通して設けることができる。例えば、トランジスタ３００ａ、およびトランジスタ３００ｂにおいて、配線ＳＬとして、低抵抗領域３１４ａを共通に設けることで、配線やプラグの形成が不要となり、工程の短縮が可能となる。また、当該構成により、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、図５７乃至図６０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。）、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＮＯＳＲＡＭについて説明する。ＮＯＳＲＡＭ（登録商標）とは「Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ」の略称であり、ゲインセル型（２Ｔ型、３Ｔ型）のメモリセルを有するＲＡＭを指す。なお、以下において、ＮＯＳＲＡＭのようにＯＳトランジスタを用いたメモリ装置を、ＯＳメモリと呼ぶ場合がある。
ＮＯＳＲＡＭでは、メモリセルにＯＳトランジスタが用いられるメモリ装置（以下、「ＯＳメモリ」と呼ぶ。）が適用されている。ＯＳメモリは、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メモリである。ＯＳトランジスタが極小オフ電流のトランジスタであるので、ＯＳメモリ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。
＜＜ＮＯＳＲＡＭ＞＞
図５７にＮＯＳＲＡＭの構成例を示す。図５７に示すＮＯＳＲＡＭ１６００は、メモリセルアレイ１６１０、コントローラ１６４０、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、出力ドライバ１６７０を有する。なお、ＮＯＳＲＡＭ１６００は、１のメモリセルで多値データを記憶する多値ＮＯＳＲＡＭである。
メモリセルアレイ１６１０は複数のメモリセル１６１１、複数のワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬを有する。ワード線ＷＷＬは書き込みワード線であり、ワード線ＲＷＬは読み出しワード線である。ＮＯＳＲＡＭ１６００では、１のメモリセル１６１１で３ビット（８値）のデータを記憶する。
コントローラ１６４０は、ＮＯＳＲＡＭ１６００全体を統括的に制御し、データＷＤＡ［３１：０］の書き込み、データＲＤＡ［３１：０］の読み出しを行う。コントローラ１６４０は、外部からのコマンド信号（例えば、チップイネーブル信号、書き込みイネーブル信号など）を処理して、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０および出力ドライバ１６７０の制御信号を生成する。
行ドライバ１６５０は、アクセスする行を選択する機能を有する。行ドライバ１６５０は、行デコーダ１６５１、およびワード線ドライバ１６５２を有する。
列ドライバ１６６０は、ソース線ＳＬおよびビット線ＢＬを駆動する。列ドライバ１６６０は、列デコーダ１６６１、書き込みドライバ１６６２、ＤＡＣ（デジタル－アナログ変換回路）１６６３を有する。
ＤＡＣ１６６３は３ビットのデジタルデータをアナログ電圧に変換する。ＤＡＣ１６６３は３２ビットのデータＷＤＡ［３１：０］を３ビットごとに、アナログ電圧に変換する。
書き込みドライバ１６６２は、ソース線ＳＬをプリチャージする機能、ソース線ＳＬを電気的に浮遊状態にする機能、ソース線ＳＬを選択する機能、選択されたソース線ＳＬにＤＡＣ１６６３で生成した書き込み電圧を入力する機能、ビット線ＢＬをプリチャージする機能、ビット線ＢＬを電気的に浮遊状態にする機能等を有する。
出力ドライバ１６７０は、セレクタ１６７１、ＡＤＣ（アナログ－デジタル変換回路）１６７２、出力バッファ１６７３を有する。セレクタ１６７１は、アクセスするソース線ＳＬを選択し、選択されたソース線ＳＬの電圧をＡＤＣ１６７２に送信する。ＡＤＣ１６７２は、アナログ電圧を３ビットのデジタルデータに変換する機能を持つ。ソース線ＳＬの電圧はＡＤＣ１６７２において、３ビットのデータに変換され、出力バッファ１６７３はＡＤＣ１６７２から出力されるデータを保持する。
なお、本実施の形態に示す、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、および出力ドライバ１６７０の構成は、上記に限定されるものではない。メモリセルアレイ１６１０の構成または駆動方法などに応じて、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の配置を変更してもよいし、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の有する機能を変更または追加してもよい。例えば、上記のソース線ＳＬが有する機能の一部を、ビット線ＢＬに有せしめる構成にしてもよい。
なお、上記においては、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を３ビットとしたが、本実施の形態に示す記憶装置の構成はこれに限られない。各メモリセル１６１１に保持させる情報量を２ビット以下にしてもよいし、４ビット以上にしてもよい。例えば、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を１ビットにする場合、ＤＡＣ１６６３およびＡＤＣ１６７２を設けない構成にしてもよい。
＜メモリセル＞
図５８（Ａ）はメモリセル１６１１の構成例を示す回路図である。メモリセル１６１１は２Ｔ型のゲインセルであり、メモリセル１６１１はワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１１は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６１、トランジスタＭＰ６１、容量素子Ｃ６１を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６１は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６１は読み出しトランジスタであり、例えばｐチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。容量素子Ｃ６１はノードＳＮの電圧を保持するための保持容量である。ノードＳＮはデータの保持ノードであり、ここではトランジスタＭＰ６１のゲートに相当する。
メモリセル１６１１の書き込みトランジスタがＯＳトランジスタＭＯ６１で構成されているため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は長時間データを保持することが可能である。
図５８（Ａ）の例では、ビット線は、書き込みと読み出しで共通のビット線であるが、図５８（Ｂ）に示すように、書き込みビット線として機能する、ビット線ＷＢＬと、読み出しビット線として機能する、ビット線ＲＢＬとを設けてもよい。
図５８（Ｃ）－図５８（Ｅ）にメモリセルの他の構成例を示す。図５８（Ｃ）－図５８（Ｅ）には、書き込み用のビット線ＷＢＬと読み出し用のビット線ＲＢＬを設けた例を示しているが、図５８（Ａ）のように書き込みと読み出しで共有されるビット線を設けてもよい。
図５８（Ｃ）に示すメモリセル１６１２は、メモリセル１６１１の変形例であり、読み出しトランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６１）に変更したものである。トランジスタＭＮ６１はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
メモリセル１６１１、１６１２において、ＯＳトランジスタＭＯ６１はバックゲートの無いＯＳトランジスタであってもよい。
図５８（Ｄ）に示すメモリセル１６１３は、３Ｔ型ゲインセルであり、ワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＷＢＬ、ＲＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬ、ＰＣＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１３は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６２、トランジスタＭＰ６２、トランジスタＭＰ６３、容量素子Ｃ６２を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６２は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６２は読み出しトランジスタであり、トランジスタＭＰ６３は選択トランジスタである。
図５８（Ｅ）に示すメモリセル１６１４は、メモリセル１６１３の変形例であり、読み出しトランジスタおよび選択トランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６２、ＭＮ６３）に変更したものである。トランジスタＭＮ６２、ＭＮ６３はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
メモリセル１６１１乃至メモリセル１６１４に設けられるＯＳトランジスタは、バックゲートの無いトランジスタでもよいし、バックゲートが有るトランジスタであってもよい。
上記においては、メモリセル１６１１などが並列に接続された、いわゆるＮＯＲ型の記憶装置について説明したが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。例えば、以下に示すようなメモリセル１６１５が直列に接続された、いわゆるＮＡＮＤ型の記憶装置にしてもよい。
図５９はＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０の構成例を示す回路図である。図５９に示すメモリセルアレイ１６１０は、ソース線ＳＬ、ビット線ＲＢＬ、ビット線ＷＢＬ、ワード線ＷＷＬ、ワード線ＲＷＬ、配線ＢＧＬ、およびメモリセル１６１５を有する。メモリセル１６１５は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６３、トランジスタＭＮ６４、容量素子Ｃ６３を有する。ここで、トランジスタＭＮ６４は、例えばｎチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。これに限られず、トランジスタＭＮ６４は、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタ、であってもよいし、ＯＳトランジスタであってもよい。
以下では、図５９に示すメモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂを例として説明する。ここで、メモリセル１６１５ａまたはメモリセル１６１５ｂのいずれかに接続する配線、または回路素子の符号については、ａまたはｂの符号を付して表す。
メモリセル１６１５ａにおいて、トランジスタＭＮ６４ａのゲートと、トランジスタＭＯ６３ａのソースおよびドレインの一方と、容量素子Ｃ６３ａの電極の一方とは、電気的に接続されている。また、ビット線ＷＢＬとトランジスタＭＯ６３ａのソースおよびドレインの他方とは、電気的に接続されている。また、ワード線ＷＷＬａと、トランジスタＭＯ６３ａのゲートとは、電気的に接続されている。また、配線ＢＧＬａと、トランジスタＭＯ６３ａのバックゲートとは、電気的に接続されている。そして、ワード線ＲＷＬａと、容量素子Ｃ６３ａの電極の他方は電気的に接続されている。
メモリセル１６１５ｂは、ビット線ＷＢＬとのコンタクト部を対称の軸として、メモリセル１６１５ａと対称的に設けることができる。よって、メモリセル１６１５ｂに含まれる回路素子も、上記メモリセル１６１５ａと同じように配線と接続される。
さらに、メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのソースは、メモリセル１６１５ｂのトランジスタＭＮ６４ｂのドレインと電気的に接続される。メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのドレインは、ビット線ＲＢＬと電気的に接続される。メモリセル１６１５ｂが有するトランジスタＭＮ６４ｂのソースは、複数のメモリセル１６１５が有するトランジスタＭＮ６４を介してソース線ＳＬと電気的に接続される。このように、ＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０では、ビット線ＲＢＬとソース線ＳＬの間に、複数のトランジスタＭＮ６４が直列に接続される。
ここで、図６０に、メモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂに対応する断面図を示す。メモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂは、図２９に示す記憶装置と同様の構造を有する。すなわち、容量素子Ｃ６３ａおよび容量素子Ｃ６３ｂは容量素子１００と同様の構造を有し、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａおよびＯＳトランジスタＭＯ６３ｂはトランジスタ２００と同様の構造を有し、トランジスタＭＮ６４ａおよびトランジスタＭＮ６４ｂはトランジスタ３００と同様の構造を有する。なお、図６０に示す構成で、図２９に示す構成と同じ符号が付されたものは、その記載を参酌することができる。
メモリセル１６１５ａにおいて、導電体１３０ｂは伸長して設けられてワード線ＲＷＬａとして機能し、導電体２６０は伸長して設けられてワード線ＷＷＬａとして機能し、導電体２０５の下面に接する導電体２０９は伸長して設けられて配線ＢＧＬａとして機能する。メモリセル１６１５ｂでも同様に、ワード線ＲＷＬｂ、ワード線ＷＷＬｂ、および配線ＢＧＬｂが設けられる。
図６０に示す低抵抗領域３１４ｂは、トランジスタＭＮ６４ａのソース、およびトランジスタＭＮ６４ｂのドレインとして機能する。また、トランジスタＭＮ６４ａのドレインとして機能する低抵抗領域３１４ａは、導電体３２８および導電体３３０を介してビット線ＲＢＬと電気的に接続される。また、トランジスタＭＮ６４ｂのソースは、複数のメモリセル１６１５が有するトランジスタＭＮ６４、導電体３２８、および導電体３３０を介してソース線ＳＬと電気的に接続される。
また、導電体２５６は伸長して設けられてビット線ＷＢＬとして機能する。ここで、導電体２５２ａはワード線ＷＢＬのコンタクト部として機能し、トランジスタＭＯ６３ａとトランジスタＭＯ６３ｂで共通して用いられる。このように、メモリセル１６１５ａとメモリセル１６１５ｂで、ビット線ＷＢＬのコンタクト部を共有することにより、ビット線ＷＢＬのコンタクト部の数を削減し、メモリセル１６１５の上面視における占有面積を低減することができる。これにより、本実施の形態に係る記憶装置をさらに高集積化させることができ、単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
図５９に示すメモリセルアレイ１６１０を有する記憶装置では、同じワード線ＷＷＬ（またはワード線ＲＷＬ）に接続された複数のメモリセル（以下、メモリセル列と呼ぶ。）ごとに、書き込み動作および読み出し動作を行う。例えば、書き込み動作は次のように行うことができる。書き込みを行うメモリセル列に接続されたワード線ＷＷＬにトランジスタＭＯ６３がオン状態となる電位を与え、書き込みを行うメモリセル列のトランジスタＭＯ６３をオン状態にする。これにより、指定したメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートおよび容量素子Ｃ６３の電極の一方にビット線ＷＢＬの電位が与えられ、該ゲートに所定の電荷が与えられる。このようにして、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５にデータを書き込むことができる。
また、例えば、読み出し動作は次のように行うことができる。まず、読み出しを行うメモリセル列に接続されていないワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートに与えられた電荷によらず、トランジスタＭＮ６４がオン状態となるような電位を与え、読み出しを行うメモリセル列以外のトランジスタＭＮ６４をオン状態とする。それから、読み出しを行うメモリセル列に接続されたワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタＭＮ６４のオン状態またはオフ状態が選択されるような電位（読み出し電位）を与える。そして、ソース線ＳＬに定電位を与え、ビット線ＲＢＬに接続されている読み出し回路を動作状態とする。ここで、ソース線ＳＬ－ビット線ＲＢＬ間の複数のトランジスタＭＮ６４は、読み出しを行うメモリセル列を除いてオン状態となっているため、ソース線ＳＬ－ビット線ＲＢＬ間のコンダクタンスは、読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４の状態（オン状態またはオフ状態）によって決定される。読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタのコンダクタンスは異なるから、それに応じて、ビット線ＲＢＬの電位は異なる値をとることになる。ビット線ＲＢＬの電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５から情報を読み出すことができる。
容量素子Ｃ６１、容量素子Ｃ６２、または容量素子Ｃ６３の充放電によってデータを書き換えるため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、長時間データを保持することが可能であるので、リフレッシュ頻度を低減できる。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１６１１、１６１２、１６１３、１６１４、１６１５に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ６１、ＭＯ６２、ＭＯ６３としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ６３として容量素子１００を用い、トランジスタＭＰ６１、ＭＰ６２、ＭＰ６３、ＭＮ６１、ＭＮ６２、ＭＮ６３、ＭＮ６４としてトランジスタ３００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置をさらに高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
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６）
本実施の形態では、図６１および図６２を用いて、本発明の一態様に係る、ＯＳトランジスタ、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＤＯＳＲＡＭについて説明する。ＤＯＳＲＡＭ（登録商標）とは、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ」の略称であり、１Ｔ（トランジスタ）１Ｃ（容量）型のメモリセルを有するＲＡＭを指す。ＤＯＳＲＡＭも、ＮＯＳＲＡＭと同様に、ＯＳメモリが適用されている。
＜＜ＤＯＳＲＡＭ１４００＞＞
図６１にＤＯＳＲＡＭの構成例を示す。図６１に示すように、ＤＯＳＲＡＭ１４００は、コントローラ１４０５、行回路１４１０、列回路１４１５、メモリセルおよびセンスアンプアレイ１４２０（以下、「ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０」と呼ぶ。）を有する。
行回路１４１０はデコーダ１４１１、ワード線ドライバ回路１４１２、列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４を有する。列回路１４１５はグローバルセンスアンプアレイ１４１６、入出力回路１４１７を有する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は複数のグローバルセンスアンプ１４４７を有する。ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０はメモリセルアレイ１４２２、センスアンプアレイ１４２３、グローバルビット線ＧＢＬＬ、ＧＢＬＲを有する。
（ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０）
ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０は、メモリセルアレイ１４２２をセンスアンプアレイ１４２３上に積層した積層構造をもつ。グローバルビット線ＧＢＬＬ、ＧＢＬＲはメモリセルアレイ１４２２上に積層されている。ＤＯＳＲＡＭ１４００では、ビット線の構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。
メモリセルアレイ１４２２は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のローカルメモリセルアレイ１４２５＜０＞－１４２５＜Ｎ－１＞を有する。図６２（Ａ）にローカルメモリセルアレイ１４２５の構成例を示す。ローカルメモリセルアレイ１４２５は、複数のメモリセル１４４５、複数のワード線ＷＬ、複数のビット線ＢＬＬ、ＢＬＲを有する。図６２（Ａ）の例では、ローカルメモリセルアレイ１４２５の構造はオープンビット線型であるが、フォールデッドビット線型であってもよい。
図６２（Ｂ）にメモリセル１４４５の回路構成例を示す。メモリセル１４４５はトランジスタＭＷ１、容量素子ＣＳ１、端子Ｂ１、Ｂ２を有する。トランジスタＭＷ１は容量素子ＣＳ１の充放電を制御する機能をもつ。トランジスタＭＷ１のゲートはワード線ＷＬに電気的に接続され、第１端子はビット線（ＢＬＬ、またはＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１の第１端子に電気的に接続されている。容量素子ＣＳ１の第２端子は端子Ｂ２に電気的に接続されている。端子Ｂ２には、定電圧（例えば、低電源電圧）が入力される。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４４５に用いる場合、トランジスタＭＷ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＳ１として容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置を高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
トランジスタＭＷ１はバックゲートを備えており、バックゲートは端子Ｂ１に電気的に接続されている。そのため、端子Ｂ１の電圧によって、トランジスタＭＷ１の閾値電圧を変更することができる。例えば、端子Ｂ１の電圧は固定電圧（例えば、負の定電圧）であってもよいし、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作に応じて、端子Ｂ１の電圧を変化させてもよい。
トランジスタＭＷ１のバックゲートをトランジスタＭＷ１のゲート、第１の端子、または第２の端子に電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭＷ１にバックゲートを設けなくてもよい。
センスアンプアレイ１４２３は、Ｎ個のローカルセンスアンプアレイ１４２６＜０＞－１４２６＜Ｎ－１＞を有する。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、１のスイッチアレイ１４４４、複数のセンスアンプ１４４６を有する。センスアンプ１４４６には、ビット線対が電気的に接続されている。センスアンプ１４４６は、ビット線対をプリチャージする機能、ビット線対の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。スイッチアレイ１４４４は、ビット線対を選択し、選択したビット線対とグローバルビット線対との間を導通状態にする機能を有する。
ここで、ビット線対とは、センスアンプによって、同時に比較される２本のビット線のことをいう。グローバルビット線対とは、グローバルセンスアンプによって、同時に比較される２本のグローバルビット線のことをいう。ビット線対を一対のビット線と呼ぶことができ、グローバルビット線対を一対のグローバルビット線と呼ぶことができる。ここでは、ビット線ＢＬＬとビット線ＢＬＲが１組のビット線対を成す。グローバルビット線ＧＢＬＬとグローバルビット線ＧＢＬＲとが１組のグローバルビット線対をなす。以下、ビット線対（ＢＬＬ，ＢＬＲ）、グローバルビット線対（GＢＬＬ，GＢＬＲ）とも表す。
（コントローラ１４０５）
コントローラ１４０５は、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ１４０５は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路１４１０、列回路１４１５の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内部アドレス信号を生成する機能を有する。
（行回路１４１０）
行回路１４１０は、ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０を駆動する機能を有する。デコーダ１４１１はアドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路１４１２は、アクセス対象行のワード線ＷＬを選択する選択信号を生成する。
列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４はセンスアンプアレイ１４２３を駆動するための回路である。列セレクタ１４１３は、アクセス対象列のビット線を選択するための選択信号を生成する機能をもつ。列セレクタ１４１３の選択信号によって、各ローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４が制御される。センスアンプドライバ回路１４１４の制御信号によって、複数のローカルセンスアンプアレイ１４２６は独立して駆動される。
（列回路１４１５）
列回路１４１５は、データ信号ＷＤＡ［３１：０］の入力を制御する機能、データ信号ＲＤＡ［３１：０］の出力を制御する機能を有する。データ信号ＷＤＡ［３１：０］は書き込みデータ信号であり、データ信号ＲＤＡ［３１：０］は読み出しデータ信号である。
グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）に電気的に接続されている。グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）間の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）へのデータの書き込み、および読み出しは、入出力回路１４１７によって行われる。
ＤＯＳＲＡＭ１４００の書き込み動作の概要を説明する。入出力回路１４１７によって、データがグローバルビット線対に書き込まれる。グローバルビット線対のデータは、グローバルセンスアンプアレイ１４１６によって保持される。アドレス信号が指定するローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４によって、グローバルビット線対のデータが、対象列のビット線対に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、書き込まれたデータを増幅し、保持する。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、行回路１４１０によって、対象行のワード線ＷＬが選択され、選択行のメモリセル１４４５にローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データが書き込まれる。
ＤＯＳＲＡＭ１４００の読み出し動作の概要を説明する。アドレス信号によって、ローカルメモリセルアレイ１４２５の１行が指定される。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、対象行のワード線ＷＬが選択状態となり、メモリセル１４４５のデータがビット線に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６によって、各列のビット線対の電圧差がデータとして検出され、かつ保持される。スイッチアレイ１４４４によって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データの内、アドレス信号が指定する列のデータが、グローバルビット線対に書き込まれる。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は、グローバルビット線対のデータを検出し、保持する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６の保持データは入出力回路１４１７に出力される。以上で、読み出し動作が完了する。
容量素子ＣＳ１の充放電によってデータを書き換えるため、ＤＯＳＲＡＭ１４００には原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、メモリセル１４４５の回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。
トランジスタＭＷ１はＯＳトランジスタである。ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、容量素子ＣＳ１から電荷がリークすることを抑えることができる。したがって、ＤＯＳＲＡＭ１４００の保持時間はＤＲＡＭに比べて非常に長い。したがってリフレッシュの頻度を低減できるため、リフレッシュ動作に要する電力を削減できる。よって、ＤＯＳＲＡＭ１４００は大容量のデータを高頻度で書き換えるメモリ装置、例えば、画像処理に利用されるフレームメモリに好適である。
ＭＣ－ＳＡアレイ１４２０が積層構造であることよって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の長さと同程度の長さにビット線を短くすることができる。ビット線を短くすることで、ビット線容量が小さくなり、メモリセル１４４５の保持容量を低減することができる。また、ローカルセンスアンプアレイ１４２６にスイッチアレイ１４４４を設けることで、長いビット線の本数を減らすことができる。以上の理由から、ＤＯＳＲＡＭ１４００のアクセス時に駆動する負荷が低減され、消費電力を低減することができる。
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７）
本実施の形態では、図６３から図６６を用いて、本発明の一態様に係る、ＯＳトランジスタ、および容量素子が適用されている半導体装置の一例として、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）について説明する。本実施の形態のＦＰＧＡは、コンフィギュレーションメモリ、およびレジスタにＯＳメモリが適用されている。ここでは、このようなＦＰＧＡを「ＯＳ－ＦＰＧＡ」と呼ぶ。
＜＜ＯＳ－ＦＰＧＡ＞＞
図６３（Ａ）にＯＳ－ＦＰＧＡの構成例を示す。図６３（Ａ）に示すＯＳ－ＦＰＧＡ３１１０は、マルチコンテキスト構造によるコンテキスト切り替えとＰＬＥ毎の細粒度パワーゲーティングを実行するＮＯＦＦ（ノーマリオフ）コンピューティングが可能である。ＯＳ－ＦＰＧＡ３１１０は、コントローラ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３１１１、ワードドライバ（Ｗｏｒｄ ｄｒｉｖｅｒ）３１１２、データドライバ（Ｄａｔａ ｄｒｉｖｅｒ）３１１３、プログラマブルエリア（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ａｒｅａ）３１１５を有する。
プログラマブルエリア３１１５は、２個の入出力ブロック（ＩＯＢ）３１１７、コア（Ｃｏｒｅ）３１１９を有する。ＩＯＢ３１１７は複数のプログラマブル入出力回路を有する。コア３１１９は、複数のロジックアレイブロック（ＬＡＢ）３１２０、複数のスイッチアレイブロック（ＳＡＢ）３１３０を有する。ＬＡＢ３１２０は複数のＰＬＥ３１２１を有する。図６３（Ｂ）には、ＬＡＢ３１２０を５個のＰＬＥ３１２１で構成する例を示す。図６３（Ｃ）に示すようにＳＡＢ３１３０はアレイ状に配列された複数のスイッチブロック（ＳＢ）３１３１を有する。ＬＡＢ３１２０は自身の入力端子と、ＳＡＢ３１３０を介して４（上下左右）方向のＬＡＢ３１２０に接続される。
図６４（Ａ）乃至図６４（Ｃ）を参照して、ＳＢ３１３１について説明する。図６４（Ａ）に示すＳＢ３１３１には、ｄａｔａ、ｄａｔａｂ、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１：０］、ｗｏｒｄ［１：０］が入力される。ｄａｔａ、ｄａｔａｂはコンフィギュレーションデータであり、ｄａｔａとｄａｔａｂは論理が相補的な関係にある。ＯＳ－ＦＰＧＡ３１１０のコンテキスト数は２であり、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１：０］はコンテキスト選択信号である。信号ｗｏｒｄ［１：０］はワード線選択信号であり、信号ｗｏｒｄ［１：０］が入力される配線がそれぞれワード線である。
ＳＢ３１３１は、ＰＲＳ（プログラマブルルーティングスイッチ）３１３３［０］、３１３３［１］を有する。ＰＲＳ３１３３［０］、３１３３［１］は、相補データを格納できるコンフィギュレーションメモリ（ＣＭ）を有する。なお、ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とを区別しない場合、ＰＲＳ３１３３と呼ぶ。他の要素についても同様である。
図６４（Ｂ）にＰＲＳ３１３３［０］の回路構成例を示す。ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とは同じ回路構成を有する。ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とは入力されるコンテキスト選択信号、ワード線選択信号が異なる。信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］、ｗｏｒｄ［０］はＰＲＳ３１３３［０］に入力され、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１］、ｗｏｒｄ［１］はＰＲＳ３１３３［１］に入力される。例えば、ＳＢ３１３１において、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”になることで、ＰＲＳ３１３３［０］がアクティブになる。
ＰＲＳ３１３３［０］は、ＣＭ３１３５、ＳｉトランジスタＭ３１を有する。ＳｉトランジスタＭ３１は、ＣＭ３１３５により制御されるパストランジスタである。ＣＭ３１３５は、メモリ回路３１３７、３１３７Ｂを有する。メモリ回路３１３７、３１３７Ｂは同じ回路構成である。メモリ回路３１３７は、容量素子Ｃ３１、ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯ３２を有する。メモリ回路３１３７Ｂは、容量素子ＣＢ３１、ＯＳトランジスタＭＯＢ３１、ＭＯＢ３２を有する。
上記実施の形態に示す半導体装置をＳＡＢ３１３０に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯＢ３１としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ３１、ＣＢ３１として容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。
ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯ３２、ＭＯＢ３１、ＭＯＢ３２はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。
ＳｉトランジスタＭ３１のゲートがノードＮ３１であり、ＯＳトランジスタＭＯ３２のゲートがノードＮ３２であり、ＯＳトランジスタＭＯＢ３２のゲートがノードＮＢ３２である。ノードＮ３２、ＮＢ３２はＣＭ３１３５の電荷保持ノードである。ＯＳトランジスタＭＯ３２はノードＮ３１と信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］用の信号線との間の導通状態を制御する。ＯＳトランジスタＭＯＢ３２はノードＮ３１と低電位電源線ＶＳＳとの間の導通状態を制御する。
メモリ回路３１３７、３１３７Ｂが保持するデータの論理は相補的な関係にある。したがって、ＯＳトランジスタＭＯ３２またはＭＯＢ３２の何れか一方が導通する。
図６４（Ｃ）を参照して、ＰＲＳ３１３３［０］の動作例を説明する。ＰＲＳ３１３３［０］にコンフィギュレーションデータが既に書き込まれており、ＰＲＳ３１３３［０］のノードＮ３２は“Ｈ”であり、ノードＮＢ３２は“Ｌ”である。
信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｌ”である間はＰＲＳ３１３３［０］は非アクティブである。この期間に、ＰＲＳ３１３３［０］の入力端子（ｉｎｐｕｔ）が“Ｈ”に遷移しても、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは“Ｌ”が維持され、ＰＲＳ３１３３［０］の出力端子（ｏｕｔｐｕｔ）も“Ｌ”が維持される。
信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”である間はＰＲＳ３１３３［０］はアクティブである。信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”に遷移すると、ＣＭ３１３５が記憶するコンフィギュレーションデータによって、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは“Ｈ”に遷移する。
ＰＲＳ３１３３［０］がアクティブである期間に、入力端子が“Ｈ”に遷移すると、メモリ回路３１３７のＯＳトランジスタＭＯ３２がソースフォロアであるために、ブースティング（ｂｏｏｓｔｉｎｇ）によってＳｉトランジスタＭ３１のゲート電圧は上昇する。その結果、メモリ回路３１３７のＯＳトランジスタＭＯ３２は駆動能力を失い、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは浮遊状態となる。
マルチコンテキスト機能を備えるＰＲＳ３１３３において、ＣＭ３１３５はマルチプレクサの機能を併せ持つ。
図６５にＰＬＥ３１２１の構成例を示す。ＰＬＥ３１２１はＬＵＴ（ルックアップテーブル）ブロック（ＬＵＴ ｂｌｏｃｋ）３１２３、レジスタブロック３１２４、セレクタ３１２５、ＣＭ３１２６を有する。ＬＵＴブロック３１２３は、入力ｉｎＡ－ｉｎＤに従ってデータを選択し、出力する構成である。セレクタ３１２５は、ＣＭ３１２６が格納するコンフィギュレーションデータに従って、ＬＵＴブロック３１２３の出力またはレジスタブロック３１２４の出力を選択する。
ＰＬＥ３１２１は、パワースイッチ３１２７を介して電圧ＶＤＤ用の電源線に電気的に接続されている。パワースイッチ３１２７のオンオフは、ＣＭ３１２８が格納するコンフィギュレーションデータによって設定される。各ＰＬＥ３１２１にパワースイッチ３１２７を設けることで、細粒度パワーゲーティングが可能である。細粒度パワーゲーティング機能により、コンテキストの切り替え後に使用されないＰＬＥ３１２１をパワーゲーティングすることができるので、待機電力を効果的に低減できる。
ＮＯＦＦコンピューティングを実現するため、レジスタブロック３１２４は、不揮発性レジスタで構成される。ＰＬＥ３１２１内の不揮発性レジスタはＯＳメモリを備えるフリップフロップ（以下［ＯＳ－ＦＦ］と呼ぶ）である。
レジスタブロック３１２４は、ＯＳ－ＦＦ３１４０［１］、３１４０［２］を有する。信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓ、ｌｏａｄ、ｓｔｏｒｅがＯＳ－ＦＦ３１４０［１］、３１４０［２］に入力される。クロック信号ＣＬＫ１はＯＳ－ＦＦ３１４０［１］に入力され、クロック信号ＣＬＫ２はＯＳ－ＦＦ３１４０［２］に入力される。図６６（Ａ）にＯＳ－ＦＦ３１４０の構成例を示す。
ＯＳ－ＦＦ３１４０は、ＦＦ３１４１、シャドウレジスタ３１４２を有する。ＦＦ３１４１は、ノードＣＫ、Ｒ、Ｄ、Ｑ、ＱＢを有する。ノードＣＫにはクロック信号が入力される。ノードＲには信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓが入力される。信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓはリセット信号である。ノードＤはデータ入力ノードであり、ノードＱはデータ出力ノードである。ノードＱとノードＱＢとは論理が相補関係にある。
シャドウレジスタ３１４２は、ＦＦ３１４１のバックアップ回路として機能する。シャドウレジスタ３１４２は、信号ｓｔｏｒｅに従いノードＱ、ＱＢのデータをそれぞれバックアップし、また、信号ｌｏａｄに従い、バックアップしたデータをノードＱ、ＱＢに書き戻す。
シャドウレジスタ３１４２は、インバータ回路３１８８、３１８９、ＳｉトランジスタＭ３７、ＭＢ３７、メモリ回路３１４３、３１４３Ｂを有する。メモリ回路３１４３、３１４３Ｂは、ＰＲＳ３１３３のメモリ回路３１３７と同じ回路構成である。メモリ回路３１４３は容量素子Ｃ３６、ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯ３６を有する。メモリ回路３１４３Ｂは容量素子ＣＢ３６、ＯＳトランジスタＭＯＢ３５、ＯＳトランジスタＭＯＢ３６を有する。ノードＮ３６、ＮＢ３６はＯＳトランジスタＭＯ３６、ＯＳトランジスタＭＯＢ３６のゲートであり、それぞれ電荷保持ノードである。ノードＮ３７、ＮＢ３７は、ＳｉトランジスタＭ３７、ＭＢ３７のゲートである。
上記実施の形態に示す半導体装置をＬＡＢ３１２０に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯＢ３５としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ３６、ＣＢ３６として容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。
ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯ３６、ＭＯＢ３５、ＭＯＢ３６はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。
図６６（Ｂ）を参照して、ＯＳ－ＦＦ３１４０の動作方法例を説明する。
（バックアップ（Ｂａｃｋｕｐ））
“Ｈ”の信号ｓｔｏｒｅがＯＳ－ＦＦ３１４０に入力されると、シャドウレジスタ３１４２はＦＦ３１４１のデータをバックアップする。ノードＮ３６は、ノードＱのデータが書き込まれることで、“Ｌ”となり、ノードＮＢ３６は、ノードＱＢのデータが書き込まれることで、“Ｈ”となる。しかる後、パワーゲーティングが実行され、パワースイッチ３１２７をオフにする。ＦＦ３１４１のノードＱ、ＱＢのデータは消失するが、電源オフであっても、シャドウレジスタ３１４２はバックアップしたデータを保持する。
（リカバリ（Ｒｅｃｏｖｅｒｙ））
パワースイッチ３１２７をオンにし、ＰＬＥ３１２１に電源を供給する。しかる後、“Ｈ”の信号ｌｏａｄがＯＳ－ＦＦ３１４０に入力されると、シャドウレジスタ３１４２はバックアップしているデータをＦＦ３１４１に書き戻す。ノードＮ３６は“Ｌ”であるので、ノードＮ３７は“Ｌ”が維持され、ノードＮＢ３６は“Ｈ”であるので、ノードＮＢ３７は“Ｈ”となる。よって、ノードＱは“Ｈ”になり、ノードＱＢは“Ｌ”になる。つまり、ＯＳ－ＦＦ３１４０はバックアップ動作時の状態に復帰する。
細粒度パワーゲーティングと、ＯＳ－ＦＦ３１４０のバックアップ／リカバリ動作とを組み合わせることで、ＯＳ－ＦＰＧＡ３１１０の消費電力を効果的に低減できる。
メモリ回路において発生しうるエラーとして放射線の入射によるソフトエラーが挙げられる。ソフトエラーは、メモリやパッケージを構成する材料などから放出されるα線や、宇宙から大気に入射した一次宇宙線が大気中に存在する原子の原子核と核反応を起こすことにより発生する二次宇宙線中性子などがトランジスタに照射され、電子正孔対が生成されることにより、メモリに保持されたデータが反転するなどの誤作動が生じる現象である。ＯＳトランジスタを用いたＯＳメモリはソフトエラー耐性が高い。そのため、ＯＳメモリを搭載することで、信頼性の高いＯＳ－ＦＰＧＡ３１１０を提供することができる。
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８）
本実施の形態では、図６７を用いて、上記実施の形態に示す半導体装置を適用した、ＡＩシステムについて説明を行う。
図６７はＡＩシステム４０４１の構成例を示すブロック図である。ＡＩシステム４０４１は、演算部４０１０と、制御部４０２０と、入出力部４０３０を有する。
演算部４０１０は、アナログ演算回路４０１１と、ＤＯＳＲＡＭ４０１２と、ＮＯＳＲＡＭ４０１３と、ＦＰＧＡ４０１４と、を有する。ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４として、上記実施の形態に示す、ＤＯＳＲＡＭ１４００、ＮＯＳＲＡＭ１６００、およびＯＳ－ＦＰＧＡ３１１０を用いることができる。
制御部４０２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０２１と、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４０２２と、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）４０２３と、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４０２４と、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）４０２５と、メモリコントローラ４０２６と、電源回路４０２７と、ＰＭＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）４０２８と、を有する。
入出力部４０３０は、外部記憶制御回路４０３１と、音声コーデック４０３２と、映像コーデック４０３３と、汎用入出力モジュール４０３４と、通信モジュール４０３５と、を有する。
演算部４０１０は、ニューラルネットワークによる学習または推論を実行することができる。
アナログ演算回路４０１１はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路、および積和演算回路を有する。
アナログ演算回路４０１１はＯＳトランジスタを用いて形成することが好ましい。ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路４０１１は、アナログメモリを有し、学習または推論に必要な積和演算を、低消費電力で実行することが可能になる。
ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを用いて形成されたＤＲＡＭであり、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＣＰＵ４０２１から送られてくるデジタルデータを一時的に格納するメモリである。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを含むメモリセルと、Ｓｉトランジスタを含む読み出し回路部を有する。上記メモリセルと読み出し回路部は、積層された異なる層に設けることができるため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、全体の回路面積を小さくすることができる。
ニューラルネットワークを用いた計算は、入力データが１０００を超えることがある。上記入力データをＳＲＡＭに格納する場合、ＳＲＡＭは回路面積に制限があり、記憶容量が小さいため、上記入力データを小分けにして格納せざるを得ない。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、限られた回路面積でも、メモリセルを高集積に配置することが可能であり、ＳＲＡＭに比べて記憶容量が大きい。そのため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、上記入力データを効率よく格納することができる。
ＮＯＳＲＡＭ４０１３はＯＳトランジスタを用いた不揮発性メモリである。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、フラッシュメモリや、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの他の不揮発性メモリと比べて、データを書き込む際の消費電力が小さい。また、フラッシュメモリやＲｅＲＡＭのように、データを書き込む際に素子が劣化することもなく、データの書き込み可能回数に制限が無い。
また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、１ビットの２値データの他に、２ビット以上の多値データを記憶することができる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は多値データを記憶することで、１ビット当たりのメモリセル面積を小さくすることができる。
また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、デジタルデータの他にアナログデータを記憶することができる。そのため、アナログ演算回路４０１１は、ＮＯＳＲＡＭ４０１３をアナログメモリとして用いることもできる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、アナログデータのまま記憶することができるため、Ｄ／Ａ変換回路やＡ／Ｄ変換回路が不要である。そのため、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は周辺回路の面積を小さくすることができる。なお、本明細書においてアナログデータとは、３ビット（８値）以上分解能を有するデータのことを指す。上述した多値データがアナログデータに含まれる場合もある。
ニューラルネットワークの計算に用いられるデータやパラメータは、一旦、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に格納することができる。上記データやパラメータは、ＣＰＵ４０２１を介して、ＡＩシステム４０４１の外部に設けられたメモリに格納してもよいが、内部に設けられたＮＯＳＲＡＭ４０１３の方が、より高速且つ低消費電力に上記データやパラメータを格納することができる。また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２よりもビット線を長くすることができるので、記憶容量を大きくすることができる。
ＦＰＧＡ４０１４は、ＯＳトランジスタを用いたＦＰＧＡである。ＡＩシステム４０４１は、ＦＰＧＡ４０１４を用いることによって、ハードウェアで後述する、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、ニューラルネットワークの接続を構成することができる。上記のニューラルネットワークの接続をハードウェアで構成することで、より高速に実行することができる。
ＦＰＧＡ４０１４はＯＳトランジスタを有するＦＰＧＡである。ＯＳ－ＦＰＧＡは、ＳＲＡＭで構成されるＦＰＧＡよりもメモリの面積を小さくすることができる。そのため、コンテキスト切り替え機能を追加しても面積増加が少ない。また、ＯＳ－ＦＰＧＡはブースティングによりデータやパラメータを高速に伝えることができる。
ＡＩシステム４０４１は、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を１つのダイ（チップ）の上に設けることができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。また、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４は、同じ製造プロセスで作製することができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、低コストで作製することができる。
なお、演算部４０１０は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を、全て有する必要はない。ＡＩシステム４０４１が解決したい課題に応じて、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４の一または複数を、選択して設ければよい。
ＡＩシステム４０４１は、解決したい課題に応じて、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）などの手法を実行することができる。ＰＲＯＭ４０２５は、これらの手法の少なくとも１つを実行するためのプログラムを保存することができる。また、当該プログラムの一部または全てを、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に保存してもよい。
ライブラリとして存在する既存のプログラムは、ＧＰＵの処理を前提としているものが多い。そのため、ＡＩシステム４０４１はＧＰＵ４０２２を有することが好ましい。ＡＩシステム４０４１は、学習と推論で用いられる積和演算のうち、律速となる積和演算を演算部４０１０で実行し、それ以外の積和演算をＧＰＵ４０２２で実行することができる。そうすることで、学習と推論を高速に実行することができる。
電源回路４０２７は、論理回路用の低電源電位を生成するだけではなく、アナログ演算のための電位生成も行う。電源回路４０２７はＯＳメモリを用いてもよい。電源回路４０２７は、基準電位をＯＳメモリに保存することで、消費電力を下げることができる。
ＰＭＵ４０２８は、ＡＩシステム４０４１の電力供給を一時的にオフにする機能を有する。
ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２は、レジスタとしてＯＳメモリを有することが好ましい。ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２はＯＳメモリを有することで、電力供給がオフになっても、ＯＳメモリ中にデータ（論理値）を保持し続けることができる。その結果、ＡＩシステム４０４１は、電力を節約することができる。
ＰＬＬ４０２３は、クロックを生成する機能を有する。ＡＩシステム４０４１は、ＰＬＬ４０２３が生成したクロックを基準に動作を行う。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することが好ましい。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することで、クロックの発振周期を制御するアナログ電位を保持することができる。
ＡＩシステム４０４１は、ＤＲＡＭなどの外部メモリにデータを保存してもよい。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部のＤＲＡＭとのインターフェースとして機能するメモリコントローラ４０２６を有することが好ましい。また、メモリコントローラ４０２６は、ＣＰＵ４０２１またはＧＰＵ４０２２の近くに配置することが好ましい。そうすることで、データのやり取りを高速に行うことができる。
制御部４０２０に示す回路の一部または全ては、演算部４０１０と同じダイの上に形成することができる。そうすることで、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。
ニューラルネットワークの計算に用いられるデータは外部記憶装置（ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）など）に保存される場合が多い。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部記憶装置とのインターフェースとして機能する外部記憶制御回路４０３１を有することが好ましい。
ニューラルネットワークを用いた学習と推論は、音声や映像を扱うことが多いので、ＡＩシステム４０４１は音声コーデック４０３２および映像コーデック４０３３を有する。音声コーデック４０３２は、音声データのエンコード（符号化）およびデコード（復号）を行い、映像コーデック４０３３は、映像データのエンコードおよびデコードを行う。
ＡＩシステム４０４１は、外部センサから得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は汎用入出力モジュール４０３４を有する。汎用入出力モジュール４０３４は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）やＩ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ－Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などを含む。
ＡＩシステム４０４１は、インターネットを経由して得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、通信モジュール４０３５を有することが好ましい。
アナログ演算回路４０１１は、多値のフラッシュメモリをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、フラッシュメモリは書き換え可能回数に制限がある。また、多値のフラッシュメモリは、エンベディッドで形成する（演算回路とメモリを同じダイの上に形成する）ことが非常に難しい。
また、アナログ演算回路４０１１は、ＲｅＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＲｅＲＡＭは書き換え可能回数に制限があり、記憶精度の点でも問題がある。さらに、２端子でなる素子であるため、データの書き込みと読み出しを分ける回路設計が複雑になる。
また、アナログ演算回路４０１１は、ＭＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＭＲＡＭは抵抗変化率が低く、記憶精度の点で問題がある。
以上を鑑み、アナログ演算回路４０１１は、ＯＳメモリをアナログメモリとして用いることが好ましい。
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９）
＜ＡＩシステムの応用例＞
本実施の形態では、上記実施の形態に示すＡＩシステムの応用例について図６８を用いて説明を行う。
図６８（Ａ）は、図６７で説明したＡＩシステム４０４１を並列に配置し、バス線を介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ａである。
図６８（Ａ）に図示するＡＩシステム４０４１Ａは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎ（ｎは自然数）を有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、バス線４０９８を介して互いに接続されている。
また図６８（Ｂ）は、図６７で説明したＡＩシステム４０４１を図６８（Ａ）と同様に並列に配置し、ネットワークを介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ｂである。
図６８（Ｂ）に図示するＡＩシステム４０４１Ｂは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎを有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、ネットワーク４０９９を介して互いに接続されている。
ネットワーク４０９９は、ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎのそれぞれに通信モジュールを設け、無線または有線による通信を行う構成とすればよい。通信モジュールは、アンテナを介して通信を行うことができる。例えばＷｏｒｌｄ Ｗｉｄｅ Ｗｅｂ（ＷＷＷ）の基盤であるインターネット、イントラネット、エクストラネット、ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＣＡＮ（Ｃａｍｐｕｓ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＭＡＮ（Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＧＡＮ（Ｇｌｏｂａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等のコンピュータネットワークに各電子装置を接続させ、通信を行うことができる。無線通信を行う場合、通信プロトコル又は通信技術として、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：登録商標）、ＥＤＧＥ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｄａｔａ Ｒａｔｅｓ ｆｏｒ ＧＳＭ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＣＤＭＡ２０００（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ２０００）、Ｗ－ＣＤＭＡ（登録商標）などの通信規格、またはＷｉ－Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等のＩＥＥＥにより通信規格化された仕様を用いることができる。
図６８（Ａ）、（Ｂ）の構成とすることで、外部のセンサ等で得られたアナログ信号を別々のＡＩシステムで処理することができる。例えば、生体情報のように、脳波、脈拍、血圧、体温等といった情報を脳波センサ、脈波センサ、血圧センサ、温度センサといった各種センサで取得し、別々のＡＩシステムでアナログ信号を処理することができる。別々のＡＩシステムのそれぞれで信号の処理、または学習を行うことで一つのＡＩシステムあたりの情報処理量を少なくできる。そのため、より少ない演算量で信号の処理、または学習を行うことができる。その結果、認識精度を高めることができる。それぞれのＡＩシステムで得られた情報から、複雑に変化する生体情報の変化を瞬時に統合的に把握することができるといったことが期待できる。
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１０）
本実施の形態は、上記実施の形態に示すＡＩシステムが組み込まれたＩＣの一例を示す。
上記実施の形態に示すＡＩシステムは、ＣＰＵ等のＳｉトランジスタでなるデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ－ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリを、１のダイに集積することができる。
図６９に、ＡＩシステムを組み込んだＩＣの一例を示す。図６９に示すＡＩシステムＩＣ７０００は、リード７００１及び回路部７００３を有する。ＡＩシステムＩＣ７０００は、例えばプリント基板７００２に実装される。このようなＩＣチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７００２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７００４）が完成する。回路部７００３には、上記実施の形態で示した各種の回路が１のダイに設けられている。回路部７００３は積層構造をもち、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２、ＯＳトランジスタ層７０３３に大別される。ＯＳトランジスタ層７０３３をＳｉトランジスタ層７０３１に積層して設けることができるため、ＡＩシステムＩＣ７０００の小型化が容易である。
図６９では、ＡＩシステムＩＣ７０００のパッケージにＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。
ＣＰＵ等のデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ－ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリは、全て、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２およびＯＳトランジスタ層７０３３に形成することができる。すなわち、上記ＡＩシステムを構成する素子は、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、本実施の形態に示すＩＣは、構成する素子が増えても製造プロセスを増やす必要がなく、上記ＡＩシステムを低コストで組み込むことができる。
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１１）
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図７０に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
図７０（Ａ）に、モニタ８３０を示す。モニタ８３０は、表示部８３１、筐体８３２、スピーカ８３３等を有する。さらに、ＬＥＤランプ、操作キー（電源スイッチ、または操作スイッチを含む）、接続端子、各種センサ、マイクロフォン等を有することができる。またモニタ８３０は、リモコン操作機８３４により、操作することができる。
またモニタ８３０は、放送電波を受信して、テレビジョン装置として機能することができる。
モニタ８３０が受信できる放送電波としては、地上波、または衛星から送信される電波などが挙げられる。また放送電波として、アナログ放送、デジタル放送などがあり、また映像及び音声、または音声のみの放送などがある。例えばＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ以上３ＧＨｚ以下）またはＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下）のうちの特定の周波数帯域で送信される放送電波を受信することができる。また例えば、複数の周波数帯域で受信した複数のデータを用いることで、転送レートを高くすることができ、より多くの情報を得ることができる。これによりフルハイビジョンを超える解像度を有する映像を、表示部８３１に表示させることができる。例えば、４Ｋ－２Ｋ、８Ｋ－４Ｋ、１６Ｋ－８Ｋ、またはそれ以上の解像度を有する映像を表示させることができる。
また、インターネットやＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）などのコンピュータネットワークを介したデータ伝送技術により送信された放送のデータを用いて、表示部８３１に表示する画像を生成する構成としてもよい。このとき、モニタ８３０にチューナを有さなくてもよい。
また、モニタ８３０は、コンピュータと接続し、コンピュータ用モニタとして用いることができる。また、コンピュータと接続したモニタ８３０は、複数の人が同時に閲覧可能となり、会議システムに用いることができる。また、ネットワークを介したコンピュータの情報の表示や、モニタ８３０自体のネットワークへの接続により、モニタ８３０をテレビ会議システムに用いることができる。
また、モニタ８３０はデジタルサイネージとして用いることもできる。
例えば、本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いることができる。本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いることで、高速な動作や信号処理を低消費電力にて実現できる。
また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムをモニタ８３０の画像処理部に用いることで、ノイズ除去処理、階調変換処理、色調補正処理、輝度補正処理などの画像処理を行うことができる。また、解像度のアップコンバートに伴う画素間補間処理や、フレーム周波数のアップコンバートに伴うフレーム間補間処理などを実行することができる。また、階調変換処理は、画像の階調数を変換するだけでなく、階調数を大きくする場合の階調値の補間を行うことができる。また、ダイナミックレンジを広げる、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）処理も、階調変換処理に含まれる。
図７０（Ｂ）に示すビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１、筐体２９４２、表示部２９４３、操作スイッチ２９４４、レンズ２９４５、および接続部２９４６等を有する。操作スイッチ２９４４およびレンズ２９４５は筐体２９４１に設けられており、表示部２９４３は筐体２９４２に設けられている。また、ビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体２９４１と筐体２９４２は、接続部２９４６により接続されており、筐体２９４１と筐体２９４２の間の角度は、接続部２９４６により変えることが可能な構造となっている。筐体２９４１に対する筐体２９４２の角度によって、表示部２９４３に表示される画像の向きの変更や、画像の表示／非表示の切り換えを行うことができる。
例えば、本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いることができる。本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いることで、高速な動作や信号処理を低消費電力にて実現できる。
また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムをビデオカメラ２９４０の画像処理部に用いることで、ビデオカメラ２９４０周囲の環境に応じた撮影が実現できる。具体的には、周囲の明るさに応じて最適な露出で撮影を行うことができる。また、逆光における撮影や屋内と屋外など、明るさの異なる状況を同時に撮影する場合では、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）撮影を行うことができる。
また、ＡＩシステムは、撮影者の癖を学習し、撮影のアシストを行うことができる。具体的には、撮影者の手振れの癖を学習し、撮影中の手振れを補正することで、撮影した画像には手振れによる画像の乱れが極力含まれないようにすることができる。また、撮影中にズーム機能を用いる際には、被写体が常に画像の中心で撮影されるようにレンズの向きなどを制御することができる。
図７０（Ｃ）に示す情報端末２９１０は、筐体２９１１、表示部２９１２、マイク２９１７、スピーカ部２９１４、カメラ２９１３、外部接続部２９１６、および操作スイッチ２９１５等を有する。表示部２９１２には、可撓性基板が用いられた表示パネルおよびタッチスクリーンを備える。また、情報端末２９１０は、筐体２９１１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末２９１０は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。
例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した情報端末２９１０の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。
また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムを情報端末２９１０の画像処理部に用いることで、ノイズ除去処理、階調変換処理、色調補正処理、輝度補正処理などの画像処理を行うことができる。また、解像度のアップコンバートに伴う画素間補間処理や、フレーム周波数のアップコンバートに伴うフレーム間補間処理などを実行することができる。また、階調変換処理は、画像の階調数を変換するだけでなく、階調数を大きくする場合の階調値の補間を行うことができる。また、ダイナミックレンジを広げる、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）処理も、階調変換処理に含まれる。
また、ＡＩシステムは、ユーザーの癖を学習し、情報端末２９１０の操作のアシストを行うことができる。ＡＩシステムを搭載した情報端末２９１０は、ユーザーの指の動きや、目線などからタッチ入力を予測することができる。
図７０（Ｄ）に示すラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１、表示部２９２２、キーボード２９２３、およびポインティングデバイス２９２４等を有する。また、ラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。
例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、ラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。
また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムをラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０の画像処理部に用いることで、ノイズ除去処理、階調変換処理、色調補正処理、輝度補正処理などの画像処理を行うことができる。また、解像度のアップコンバートに伴う画素間補間処理や、フレーム周波数のアップコンバートに伴うフレーム間補間処理などを実行することができる。また、階調変換処理は、画像の階調数を変換するだけでなく、階調数を大きくする場合の階調値の補間を行うことができる。また、ダイナミックレンジを広げる、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）処理も、階調変換処理に含まれる。
また、ＡＩシステムは、ユーザーの癖を学習し、ラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０の操作のアシストを行うことができる。ＡＩシステムを搭載したラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０は、ユーザーの指の動きや、目線などから表示部２９２２へのタッチ入力を予測することができる。また、テキストの入力においては、過去のテキスト入力情報や、前後のテキストや写真などの図から入力予測を行い、変換のアシストを行う。これにより、入力ミスや変換ミスを極力低減することができる。
図７０（Ｅ）は、自動車の一例を示す外観図、図７０（Ｆ）は、ナビゲーション装置８６０を示している。自動車２９８０は、車体２９８１、車輪２９８２、ダッシュボード２９８３、およびライト２９８４等を有する。また、自動車２９８０は、アンテナ、バッテリなどを備える。ナビゲーション装置８６０は、表示部８６１、操作ボタン８６２、及び外部入力端子８６３を具備する。自動車２９８０とナビゲーション装置８６０は、それぞれ独立していても良いが、ナビゲーション装置８６０が自動車２９８０に組み込まれ、連動して機能する構成とするのが好ましい。
例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、自動車２９８０やナビゲーション装置８６０の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムを自動車２９８０の制御装置などに用いることで、ＡＩシステムは、ドライバーの運転技術や癖を学習し、安全運転のアシストや、ガソリンやバッテリなどの燃料を効率的に利用する運転のアシストを行うことができる。安全運転のアシストとしては、ドライバーの運転技術や癖を学習するだけでなく、自動車２９８０の速度や移動方法といった自動車の挙動、ナビゲーション装置８６０に保存された道路情報などを複合的に学習し、走行中のレーンから外れることの防止や、他の自動車、歩行者、構造体などとの衝突回避が実現できる。具体的には、進行方向に急カーブが存在する場合、ナビゲーション装置８６０はその道路情報を自動車２９８０に送信し、自動車２９８０の速度の制御や、ハンドル操作のアシストを行うことができる。
本実施の形態は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
１００ 容量素子、１３０ 導電体、２００ トランジスタ、２０３ 導電体、２０３ａ 導電体、２０３ｂ 導電体、２０５ 導電体、２０５ａ 導電体、２０５ｂ 導電体、２０８ 絶縁体、２１０ 絶縁体、２１６ 絶縁体、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、２３１ 領域、２３１ａ 領域、２３１ｂ 領域、２３２ 領域、２３２ａ 領域、２３２ｂ 領域、２３４ 領域、２３９ 領域、２５０ 絶縁体、２５０ａ 絶縁体、２５２ 導電体、２５２ａ 導電体、２５２ｂ 導電体、２５２ｃ 導電体、２５２ｄ 導電体、２５６ 導電体、２６０ 導電体、２６０ａ 導電体、２６０ｂ 導電体、２７０ 絶縁体、２７１ 絶縁体、２７２ 絶縁体、２７４ 絶縁体、２８０ 絶縁体、６００ セル

Claims (1)

  1. トランジスタと、
    容量素子と、を有し、
    前記容量素子は、第１の電極と、前記第１の電極上の絶縁膜と、前記絶縁膜上の第２の電極と、を有し、
    前記第１の電極は、前記トランジスタのチャネルとして機能する領域を有する酸化膜の一部であり、
    前記第２の電極は、前記トランジスタのゲート電極と重なる領域を有する導電層の一部である、半導体装置。
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