JP6198403B2

JP6198403B2 - 半導体装置の作製方法

Info

Publication number: JP6198403B2
Application number: JP2013025211A
Authority: JP
Inventors: 慎也笹川; 求倉田
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2013-02-13
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2033-02-13
Also published as: JP2013211529A

Description

半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。

なお、本明細書中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し、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。

半導体装置として、例えば、電界効果トランジスタを用いた半導体装置の開発が進められている。電界効果トランジスタは、半導体にソース、ドレインという領域を設け、それられに電極（ソース電極、ドレイン電極）を接続し、絶縁膜を介してゲート電極より半導体に電圧をかけ、半導体の状態を制御することにより、ソースとドレインの間に流れる電流量を制御して、所望の動作を行うものである。

半導体装置の動作の高速化、低消費電力化、高集積化等を達成するためにはトランジスタの微細化が必須である。

近年、半導体装置の製造工程では、露光装置のアライメント精度が限界に近づいていることから、トランジスタのソース領域、ドレイン領域に電極を接続するための接続孔（コンタクトホール）を形成する際に、接続孔とゲート電極とのマスクの位置合わせに余裕を持たせることが困難になっている。

その対策として、自己整合で接続孔を形成するセルフアラインコンタクト（ＳＡＣ：ＳｅｌｆＡｌｉｇｎＣｏｎｔａｃｔ）技術が注目されている。例えば、ゲート電極層上に形成した絶縁膜にソース領域からドレイン領域にまたがる接続孔を形成した後、導電膜と絶縁膜を堆積し、それらを化学的機械研磨（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）法で研磨し、ゲート電極層上部の導電膜を除去することで、ソース領域とドレイン領域とそれぞれ接する電極を、ゲート電極上部の絶縁膜を介して互いに分離させて、ゲート電極と接続孔との合わせ余裕を不要とする技術が知られている（特許文献１参照）。

特開平１０−７９５０５号公報

化学的機械研磨法は、研磨剤（スラリーともいう）を供給しながら、研磨布を貼り付けた研磨ステージを基板に対して回転または揺動させることで、研磨剤と被加工物との化学反応と、研磨布と被加工物との機械研磨とを利用して、被加工物の表面を研磨している。そのため、例えば、研磨ステージを回転させた場合、回転中心から遠いほど研磨布の移動量が大きくなるため、被加工物の中央に近いほど研磨量が小さくなり、遠くなるにつれて研磨量が大きくなる傾向がある。また、研磨ステージを揺動させた場合においても、面内の研磨量を均一にすることは困難である。

微細な半導体装置においては、化学的機械研磨法による、面内の研磨量のばらつきの影響が大きくなり、研磨量のばらつきに起因する半導体装置の歩留まりの低下が起こる場合がある。

したがって、本発明の一態様の半導体装置の作製方法は、微細な半導体装置を歩留まり良く作製することを目的の一とする。

本発明の一態様は、半導体層と、半導体層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上のゲート電極層と、ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層と、を形成し、これらを覆うようにソース電極層及びドレイン電極層となる導電膜を形成し、該導電膜のゲート電極層と重畳する領域の膜厚を化学的機械研磨法によって減少させてから異方性エッチングすることで、ゲート電極層と重畳する導電膜を除去し、自己整合的にソース電極層及びドレイン電極層を形成する半導体装置の作製方法である。該導電膜の除去におけるエッチングは異方性の強いエッチングを用いることが好ましい。

ソース電極層及びドレイン電極層の形成工程におけるゲート電極層上の導電膜の除去工程において、予めゲート電極層上の導電膜の膜厚を化学的機械研磨法によって減少させてからエッチングすることにより、レジストマスクを用いる必要がないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきが少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。

化学的機械研磨法による処理は、少なくとも導電膜のゲート電極層と重畳する領域と、その他の領域との間に膜厚差を生じさせるために用いるため、化学的機械研磨法による研磨量が少量で済み、研磨量のばらつきを生じにくく、形状や特性のばらつきが少ない半導体装置とすることができる。

したがって、本発明の一態様は半導体層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上にゲート電極層を形成し、ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、半導体層、ゲート絶縁層、ゲート電極層、側壁絶縁層上に第１の膜を形成し、第１の膜のゲート電極層と重畳する領域の膜厚を化学的機械研磨によって減少させ、第１の膜を異方性エッチングすることで、第１の膜のゲート電極層と重畳する領域を除去する半導体装置の作製方法である。

本発明の一態様は、より具体的には、半導体層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上にゲート電極層を形成し、ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、半導体層、ゲート絶縁層、ゲート電極層、側壁絶縁層上に導電膜を形成し、導電膜のゲート電極層と重畳する領域の膜厚を化学的機械研磨によって減少させ、導電膜を、ゲート電極層の上面が露出するまで異方性エッチングすることで、ソース電極層及びドレイン電極層を形成する半導体装置の作製方法である。

本発明の別の一態様は半導体層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上にゲート電極層を形成し、ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、半導体層、ゲート絶縁層、側壁絶縁層上に導電膜を形成し、導電膜上に層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜の、ゲート電極層と重畳する領域の膜厚を化学的機械研磨によって減少させ、層間絶縁膜を、導電膜の上面が露出するまで異方性エッチングすることで、ゲート電極層と重畳する領域の層間絶縁膜を除去し、層間絶縁膜をマスクとして導電膜をエッチングして、ソース電極層及びドレイン電極層を形成する半導体装置の作製方法である。

また、半導体層として酸化物半導体層を用いることが好ましい。

また、ゲート電極層上面に積層された絶縁層を形成してもよい。該絶縁層を形成することで、ゲート電極層と、ソース電極層及びドレイン電極層との絶縁性が保証されるため、さらに半導体装置の歩留まりを向上させることができる。

また、ゲート電極層上面に積層して、絶縁層を設ける場合、側壁絶縁層はゲート電極層及び絶縁層の側面を覆うことが好ましい。

また、本発明の一態様の半導体装置の作製方法によって、微細な半導体装置を歩留まりよく形成することができる。したがって、本発明の一態様の半導体装置はゲート電極層のチャネル長方向の長さを１００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ以下とすることができ、半導体装置の高集積化、高性能化を図ることができる。

本発明の一態様によって、微細な半導体装置を歩留まりよく作製することができる。

本発明の一態様の半導体装置の作製方法を説明する図。本発明の一態様の半導体装置の上面図及び断面図。本発明の一態様の半導体装置の断面図。本発明の一態様の半導体装置の作製方法を説明する図。本発明の一態様の半導体装置の作製方法を説明する図。本発明の一態様の半導体装置の上面図及び断面図。本発明の一態様の半導体装置の断面図。半導体装置の一形態を示す断面図、上面図及び回路図。半導体装置の一形態を示す回路図及び斜視図。半導体装置の一形態を示す断面図及び上面図。半導体装置の一形態である電子機器を説明する図。

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態及び詳細を様々に変更しうることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す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。

以下に説明する実施の形態において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる場合がある。なお、図面において示す構成要素、すなわち層や領域等の厚さ、幅、相対的な位置関係等は、実施の形態において説明する上で明確性のため、誇張して示される場合がある。

なお、本明細書等において「上」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」であることを限定するものではない。例えば、「絶縁層上のゲート電極層」の表現であれば、絶縁層とゲート電極層との間に他の構成要素を含むものを除外しない。「下」についても同様である。

また、本明細書等において「電極層」や「配線層」という用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極層」は「配線層」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極層」や「配線層」という用語は、複数の「電極層」や「配線層」が一体となって形成されている場合なども含む。

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、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができるものとする。

また、ソースとは、ソース領域、ソース電極、及びソース配線の一部または全部のことをいう。ソース領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ソース電極とは、ソース領域に接続される部分の導電層のことをいう。ソース配線とは、少なくとも一つのトランジスタのソース電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいい、例えば表示装置における信号線がソース電極に電気的に接続される場合にはソース配線に信号線も含まれる。

ドレインとは、ドレイン領域、ドレイン電極、及びドレイン配線の一部または全部のことをいう。ドレイン領域とは、半導体層のうち、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。ドレイン電極とは、ドレイン領域に接続される部分の導電層のことをいう。ドレイン配線とは、少なくとも一つのトランジスタのドレイン電極と、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいい、例えば表示装置における信号線がドレイン電極に電気的に接続される場合にはドレイン配線に信号線も含まれる。

なお、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。

例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線などが含まれる。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の作製方法について図１を用いて説明する。

本発明の一態様の半導体装置の作製方法は、まず、基板４００上に半導体層４０３を形成する。

使用できる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。

また、基板４００としてシリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板等を用いてもよい。また、ＳＯＩ基板、半導体基板上に半導体素子が設けられたものなどを用いることができる。

半導体層４０３としては、シリコン系半導体（アモルファスシリコン、多結晶シリコン等）、酸化物半導体（酸化亜鉛、酸化インジウム等）等を用いることができる。半導体層４０３に用いる半導体として好適な半導体として、酸化物半導体があげられる。酸化物半導体については、実施の形態３において詳細を説明する。

半導体層４０３は、基板４００上に半導体膜を成膜した後、該半導体膜を島状の半導体層４０３に加工することで形成できる。半導体膜はスパッタリング法、蒸着法、パルスレーザ堆積法（ＰｕｌｓｅｄＬａｓｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＬＤ法）、ＰＣＶＤ法、ＡＬＤ法、またはＭＢＥ法などを用いて成膜することができる。

続いて、半導体層４０３上にゲート絶縁膜を形成する。

ゲート絶縁膜の材料として、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ハフニウム、または酸化タンタルなどの酸化物絶縁層を用いることが好ましい。また、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙ、ｘ＞０、ｙ＞０）、窒素が添加されたハフニウムシリケート、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙ、ｘ＞０、ｙ＞０）、酸化ランタン、などのＨｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリーク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁膜は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。

なお、ここで酸化窒化シリコンとは、その組成において窒素よりも酸素の含有量が多いものを示し、例として、少なくとも酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。但し、上記範囲は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：ＲｕｔｈｅｒｆｏｒｄＢａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：ＨｙｄｒｏｇｅｎＦｏｒｗａｒｄＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の含有比率は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。

ゲート絶縁膜の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とし、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法等を適宜用いることができる。

本実施の形態では、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを２０ｎｍ成膜する。なお、ここでは、ゲート絶縁膜の成膜後、島状のゲート絶縁層４０２への加工は行わない。

なお、ゲート絶縁膜の被覆性を向上させるために、半導体層４０３上面に平坦化処理を行ってもよい。特にゲート絶縁膜として膜厚の小さい絶縁膜を用いる場合、半導体層４０３の表面は平坦性が良好であることが好ましい。

次に、ゲート絶縁膜上に、半導体層４０３と重畳するように、ゲート電極層４０１を形成する。

ゲート電極層４０１の材料は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウム等の金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて形成することができる。また、ゲート電極層４０１としてリン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコン膜に代表される半導体膜、ニッケルシリサイドなどのシリサイド膜を用いてもよい。さらに、インジウムスズ酸化物、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スズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化珪素を添加したインジウムスズ酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。

また、ゲート絶縁膜と接するゲート電極層４０１の一層として、窒素を含む金属酸化物、具体的には窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を用いることができる。これらの膜は５ｅＶ、または５．５ｅＶ以上の仕事関数を有し、ゲート電極として用いた場合、トランジスタの電気特性の閾値電圧をプラスにすることができ、いわゆるノーマリオフのスイッチング素子を実現できる。

ゲート電極の膜厚は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好ましい。本実施の形態では、スパッタリング法を用いて、膜厚３０ｎｍの窒化タンタルと膜厚２００ｎｍのタングステンの積層を成膜する。

また、ゲート電極層４０１のチャネル長方向の長さは、１００ｎｍ以下、好ましくは、３０ｎｍ以下であることが好ましい。本発明の一態様の半導体装置の作製方法を適用することによって、微細なトランジスタを歩留まりよく作製することができる。そのため、チャネル長が小さく、膜厚の薄いゲート電極層を有するトランジスタとすることができる。

なお、ここで、ゲート電極層４０１をマスクとして、半導体層４０３に不純物元素を導入して、半導体層４０３の抵抗を低減してもよい。不純物元素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。

導入する不純物元素は、リン、ホウ素、窒素、ヒ素、アルゴン、アルミニウム、またはこれらを含む分子イオンなどを用いることができる。これらの元素のドーズ量は、１×１０^１３〜５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２とするのが好ましい。また、不純物元素としてリンを導入する場合、加速電圧を０．５〜８０ｋＶとするのが好ましい。

また、半導体層４０３に不純物元素を導入する処理は、複数回行っても良い。半導体層４０３に不純物元素を導入する処理を複数回行う場合、不純物元素は複数回すべてにおいて同じであってもよいし、１回の処理毎に変えてもよい。

不純物元素が導入されることで抵抗が低減された領域を半導体層が有することにより、半導体層４０３と、後に形成されるソース電極層及びドレイン電極層とのコンタクト抵抗が小さくなる。コンタクト抵抗が小さくなったことで、ソース電極層及びドレイン電極層近傍の電界が緩和され、オン特性が高く、高速動作、高速応答が可能な、電気特性に優れた半導体装置とすることができる。

次に、ゲート絶縁膜及びゲート電極層４０１上に絶縁層を形成し、該絶縁層をエッチングして側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂを形成する。エッチングには、異方性エッチングを用いる。さらに、ゲート電極層４０１、側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂをマスクとして、ゲート絶縁膜をエッチングし、ゲート絶縁層４０２を形成する（図１（Ａ）参照）。

側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂとなる絶縁層は代表的には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化酸化アルミニウムなどの無機絶縁材料を用いることができる。また、側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂはプラズマＣＶＤ法またはスパッタリング方等を用いて形成することができる。

本実施の形態では、酸化窒化シリコン膜を用いて、側壁絶縁層を形成する。

次いで、半導体層４０３、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４０１、側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂ上に、ソース電極層及びドレイン電極層（これらと同じ層で形成される配線等を含む）となる導電膜４１５を形成する（図１（Ｂ）参照）。

導電膜４１５は、ゲート電極層４０１と同様の材料、方法を用いて形成することができる。導電膜４１５は、後の形成工程においてエッチングされ、膜厚が減少するため、ソース電極層及びドレイン電極層（これらと同じ層で形成される配線等を含む）として必要な膜厚よりも厚く形成する必要がある。少なくとも、導電膜４１５の膜厚はゲート電極層４０１の膜厚以上である。本実施の形態では、スパッタリング法により、膜厚３００ｎｍのタングステン膜を形成する。

導電膜４１５は、導電膜を形成し、導電膜上にフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、導電膜を選択的にエッチングすることで島状に加工した後、レジストマスクを除去することで形成できる。なお、該エッチング工程では、ゲート電極層４０１と重畳する領域の導電膜４１５の除去は行わない。

続いて、導電膜４１５のゲート電極層４０１と重畳する領域の一部を化学的機械研磨によって研磨し、該領域の膜厚を減少させた導電膜４１６を形成する（図１（Ｃ）参照）。

ここで行う研磨処理によって、導電膜４１５のゲート電極層４０１と重畳する領域の膜厚を減少させ、少なくとも導電膜４１５のゲート電極層と重畳する領域の膜厚（図１（Ｃ）に示すＬａ）を、導電膜４１５のゲート電極層４０１と重畳しない領域の膜厚（図１（Ｃ）中に示すＬｂ）よりも小さくする。より具体的には、ＬａとＬｂの差が、後に形成されるソース電極層及びドレイン電極層の膜厚となっていればよい。つまり、研磨処理によって、導電膜４１５のゲート電極層４０１と重畳する領域を、ソース電極層及びドレイン電極層となる膜厚だけ減少させればよい。

導電膜４１５の研磨処理には、化学的機械研磨を用いるため、導電膜４１５のゲート電極層と重畳し、高さが高くなっている箇所（基板からの距離が遠い箇所）から研磨され、導電膜４１５のゲート電極層４０１と重畳する領域を研磨することができる。

また、化学的機械研磨によって、少なくとも、導電膜４１５のゲート電極層４０１と重畳する領域と、その他の領域との膜厚差が生じるまで研磨すればよいので、化学的機械研磨による研磨量が少なくて済み、研磨量のばらつきが生じにくい。

続いて、導電膜４１６をゲート電極層４０１の上面が露出するまでエッチングすることで、ゲート電極層４０１と重畳する領域の導電膜４１６を除去し、自己整合的にソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成する（図１（Ｄ）参照）。

導電膜４１６に対するエッチングは、異方性エッチングである。導電膜４１６は、先の研磨処理によって、ゲート電極層４０１と重畳する領域が研磨され、ゲート電極層４０１と重畳する領域における膜厚が他の領域の膜厚よりも小さい。そのため、導電膜４１６に対して異方性エッチングを行うと、膜厚の薄いゲート電極層４０１と重畳する領域の導電膜が全て除去されても、他の領域の導電膜は残り、残った導電膜によってソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを自己整合的に形成することができる。

したがって、導電膜４１６のゲート電極層４０１と重畳する領域の膜厚（図１（Ｃ）に示すＬａ）と、その他の領域の膜厚（図１（Ｃ）に示すＬｂ）の差が、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの膜厚となる。

エッチングとしては、ドライエッチングを用いても、ウェットエッチングを用いてもよいが、異方性の高いエッチングとしては、ドライエッチングが好ましく、例えば、エッチングガスとして、四フッ化炭素（ＣＦ_４）、塩素（Ｃｌ_２）、酸素（Ｏ_２）等を含むガスや、塩素と酸素を含んだガス等を用いることが好ましい。また、トリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ_４Ｆ_８）、テトラフルオロメタン（ＣＦ_４）等のフッ素を含むガスを用いることができ、ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）等の希ガスまたは水素（Ｈ_２）を添加しても良い。さらに、ドライエッチングとして、基板に高周波電圧を印加する、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を用いるのが好ましい。

上記の方法は、ゲート電極層４０１上の導電膜４１６をエッチングによって除去することで、自己整合的にソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成することができる。したがって、レジストマスクを用いたエッチングを行う必要がなく、マスクの精密な位置合わせ等が不要となる。したがって、微細なトランジスタを歩留まりよく作製することができる。

以上の工程によって、トランジスタ４２０を形成することができる。

図２にトランジスタ４２０の上面図及び断面図を示す。図２（Ａ）は、トランジスタ４２０の上面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂにおける断面図である。

トランジスタ４２０は、基板４００と、基板４００上の半導体層４０３と、半導体層４０３上のゲート絶縁層４０２と、ゲート絶縁層４０２上のゲート電極層４０１と、ゲート電極層４０１の側面を覆う側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂと、基板４００及び半導体層４０３上の、側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂと接するソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂと、を有する。

なお、本実施の形態のトランジスタは、上記の構成に限らず、図３（Ａ）に示すように、ゲート電極層４０１上に絶縁層４１３を積層したトランジスタ４３０してもよい。絶縁層４１３を積層することで、ゲート電極層４０１と、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂとの絶縁性が確保されるため、トランジスタの信頼性をさらに向上させることができる。

絶縁層４１３には、代表的には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化酸化アルミニウムなどの無機絶縁材料を用いることができる。また、絶縁層４１３はプラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法等を用いて形成することができる。

絶縁層４１３は、ゲート電極層４０１の形成時にゲート電極層４０１となる導電膜上に絶縁層４１３となる絶縁膜を形成し、ゲート電極層４０１のエッチングに用いるマスクと同じマスクを用いてエッチングすることで形成することができる。その後、ゲート電極層４０１及び絶縁層４１３上に側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂとなる絶縁層を設け、エッチングすることで、ゲート電極層４０１及び絶縁層４１３の側面を覆う側壁絶縁層４１４ａ及び側壁絶縁層４１４ｂが形成される。

なお、絶縁層４１３を設けない場合、図３（Ｂ）に示すトランジスタ４４０のように、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの形成工程において、ゲート電極層も一緒にエッチングされ、膜厚が減少する場合がある。

また、図示していないが、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂ上に層間絶縁層を形成してもよい。層間絶縁層は、ゲート絶縁層４０２と同様の材料及び方法を用いて形成することができる。本実施の形態では、ＣＶＤ法により形成した酸化窒化シリコンを用いる。

さらに、層間絶縁層上に平坦化絶縁層を形成してもよい。平坦化絶縁層は、ゲート絶縁層４０２と同様の材料、方法を用いて形成することができる。また、平坦化絶縁層は積層構造であってもよい。平坦化絶縁層として、緻密性の高い無機絶縁層（代表的には酸化アルミニウム等）を用いると、トランジスタ４２０の保護絶縁層として機能する。

本実施の形態で示した半導体装置は、ゲート電極層４０１上の導電膜を、化学的機械研磨法によって膜厚を減少させてから、異方性エッチングによって除去することで、自己整合的にソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成することができる。したがって、レジストマスクを用いたエッチングを行う必要がなく、マスクの精密な位置合わせが不要となり、微細なトランジスタを歩留まりよく作製することができる。

化学的機械研磨法は、少なくとも導電膜のゲート電極層と重畳する領域の膜厚と、他の領域との膜厚に差を生じさせるために用いるため、化学的機械研磨法による研磨量が少なくて済み、半導体装置に対するばらつきが生じにくい。したがって、半導体装置の形状や特性にばらつきが生じにくく、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。

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

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１とは異なる、本発明の一態様の半導体装置の作製方法について図面を用いて説明する。

図４及び図５に、本実施の形態の半導体装置の作製方法について示す。なお、半導体層４０３、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４０１、側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂについては、実施の形態１と同様の材料、方法を用いて形成することができるため、詳細な説明を省略する。他にも、実施の形態１と同様の箇所については、説明を省略する場合がある。

まず、実施の形態１と同様の材料、方法を用いて、半導体層４０３、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４０１、側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂを形成する（図４（Ａ）参照）。

続いて、半導体層４０３、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４０１、側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂ上に、ソース電極層及びドレイン電極層（これらと同じ層で形成される配線等を含む）となる導電膜２１５を形成する（図４（Ｂ）参照）。

導電膜２１５は、実施の形態１に示す導電膜４１５と同様の材料、方法を用いて形成することができる。ただし、導電膜２１５は、導電膜４１５とは異なり、後の形成工程において、エッチングにより膜厚が減少することがないため、導電膜４１５よりも薄く形成すればよい。導電膜２１５の膜厚は２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。本実施の形態では、膜厚３０ｎｍのタングステン膜を形成する。

続いて、導電膜２１５上に、層間絶縁膜２１７を形成する（図４（Ｃ）参照）。層間絶縁膜２１７は、実施の形態１に示すゲート絶縁層４０２と同様の材料、方法を用いて形成することができる。本実施の形態では、酸化窒化シリコンを３００ｎｍ形成する。

次に、層間絶縁膜２１７のゲート電極層４０１と重畳する領域を化学的機械研磨法によって研磨し、該領域の膜厚を減少させた層間絶縁膜２１８を形成する（図５（Ａ）参照）。その後、層間絶縁膜２１８をエッチングし、層間絶縁層４１７を形成する（図５（Ｂ）参照）。

層間絶縁膜２１８のエッチングには、異方性エッチングを用いる。また、導電膜２１５とのエッチングの選択比が高い条件を用いることが好ましい。エッチングとしては例えば、ドライエッチングが好ましく、例えば、エッチングガスとして、メタン（ＣＨ_４）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ_４Ｆ_８）、テトラフルオロメタン（ＣＦ_４）等のフッ素を含むガスを用いることができ、ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）等の希ガスまたは水素（Ｈ_２）を添加しても良い。さらに、ドライエッチングとして、基板に高周波電圧を印加する、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を用いるのが好ましい。

先の研磨処理によって、層間絶縁膜２１８のゲート電極層４０１と重畳する領域は、膜厚が減少し、層間絶縁膜２１８の他の領域よりも膜厚が小さい。そのため、層間絶縁膜２１８に対して異方性エッチングを行い、ゲート電極層４０１と重畳する領域を除去しても、その他の領域（化学的機械研磨処理を受けていない領域）における層間絶縁膜２１８は残り、層間絶縁層４１７が形成される。

続いて、層間絶縁層４１７をマスクとして導電膜２１５をゲート電極層４０１の上面が露出するまでエッチングする。ゲート電極層４０１の上面が露出するまでエッチングを行うことで、ゲート電極層４０１上の導電膜２１５を除去して、自己整合的にソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成することができる（図５（Ｃ）参照）。

導電膜２１５のエッチングは、層間絶縁層４１７に対して導電膜２１５のエッチングの選択比が高い条件を用いて行う。例えば、エッチングガスとして塩素や、酸素を含んだガスを用いたドライエッチングや、エッチングガスとして四フッ化炭素、塩素、酸素等を含んだガスを用いたドライエッチング等を用いてもよい。

なお、エッチング選択比とは二つの異なる層のエッチングレートの比を意味する。つまり、層間絶縁層４１７に対して導電膜２１５のエッチングの選択比が高いとは、導電膜２１５のエッチングレートを層間絶縁膜のエッチングレートで割った値が高いことを意味している。

上記の方法を用いることで、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの作製工程のゲート電極層上の導電膜の除去において、レジストマスクを用いるエッチングを行う必要がなく、マスクの精密な位置合わせ等が不要なため、微細な加工を正確に行うことができる。

化学的機械研磨法は、少なくとも層間絶縁膜２１８のゲート電極層４０１と重畳する領域の膜厚と、他の領域との膜厚に差を生じさせるために用いる。そのため、化学的機械研磨法による研磨量が少なくて済み、半導体装置に対するばらつきが生じない。したがって、半導体装置の形状や特性にばらつきが生じにくく、歩留まりのよい半導体装置を作製することができる。

以上の工程によって、トランジスタ４５０を形成することができる。

トランジスタ４５０の上面図及び断面図を図６に示す。図６（Ａ）はトランジスタ４５０の上面図を示し、図６（Ｂ）は図６（Ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｄにおける断面図を示す。

トランジスタ４５０は、基板４００と、基板４００上の半導体層４０３と、半導体層４０３上のゲート絶縁層４０２と、ゲート絶縁層４０２上のゲート電極層４０１と、ゲート電極層４０１の側面を覆う側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂと、基板４００、半導体層４０３、ゲート絶縁層４０２、側壁絶縁層４１２ａ及び側壁絶縁層４１２ｂと接するソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂと、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂ上の層間絶縁層４１７と、を有する。

なお、本実施の形態は上記の構成に限らず、例えば、図７（Ａ）に示すように、ゲート電極層４０１上に絶縁層４１３が積層されたトランジスタ４６０としてもよい。絶縁層４１３を積層することで、ゲート電極層４０１と、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂとの絶縁性が確保されるため、トランジスタの歩留まりをさらに向上させることができる。

ゲート電極層４０１と積層された絶縁層４１３を有する場合、絶縁層４１３によって、ゲート電極層４０１と、ソース電極層及びドレイン電極層との絶縁性が確保されるため、図７（Ｂ）に示すトランジスタ４７０のように、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの上端は、ゲート電極層４０１の上面よりも高くてもよい。

なお、図７（Ｃ）に示すトランジスタ４８０のように、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの上端が、エッチングによって層間絶縁層４１７及び絶縁層４１３の上面よりも低くなる場合がある。また、図示していないが、絶縁層４１３を設けない場合は、ゲート電極層４０１の上面も同様に、層間絶縁層４１７の上面より低くなる場合がある。

本実施の形態で示した半導体装置は、ゲート電極層４０１上の層間絶縁膜を、化学的機械研磨法によって予め膜厚を減少させた後、エッチングによって除去し、自己整合的に層間絶縁層を形成する。該層間絶縁層をマスクとして、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂを形成することができる。したがって、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂの形成工程において、レジストマスクを用いたエッチングを行う必要がなく、マスクの精密な位置合わせが不要となり、微細なトランジスタを歩留まりよく作製することができる。

化学的機械研磨法は、少なくとも層間絶縁膜のゲート電極層と重畳する領域の膜厚と、他の領域との膜厚に差を生じさせるために用いるため、化学的機械研磨による研磨量が少なくて済み、半導体装置に対する影響が少ない。したがって、半導体装置の形状や特性にばらつきが生じにくく、歩留まりのよい半導体装置を作製することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１及び実施の形態２に示した半導体装置の半導体層に適用できる半導体として好ましい形態である酸化物半導体について詳細を説明する。

酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）、或いは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを低減するためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。スタビライザーとしては他にも、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドであるランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、セリウム（Ｃｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。

例えば、酸化物半導体として、単元系金属の酸化物である酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。

なお、ここでは、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属が入っていてもよい。

また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ_２ＳｎＯ_５（ＺｎＯ）_ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：２：１（＝１／２：１／３：１／６）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。

なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成のｒだけ近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）^２＋（ｂ−Ｂ）^２＋（ｃ−Ｃ）^２≦ｒ^２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。

しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物元素濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。

例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を下げることにより移動度を上げることができる。

酸化物半導体膜は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう）、または非晶質などの状態をとる。好ましくは、酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜（ＣＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜とする。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部及び非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸及びｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。

なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部のしめる割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物等を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向はＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いることで、可視光や紫外光の照射によるトランジスタの電気特性の変動を低減することが可能である。よって、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。

なお、本実施の形態の半導体装置は、領域によって結晶性が異なる酸化物半導体層を用いてもよい。例えば、チャネルが形成される領域は高い結晶性を有し、それ以外の領域においては、結晶性の低い膜を用いてもよい。具体的には、チャネル形成領域はＣＡＡＣ−ＯＳ膜であり、その他の領域は非晶質構造とすることもできる。

なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。

なお、一例として、酸化物半導体膜をＩｎ−Ｚｎ系金属酸化物により形成する場合には、ターゲットの組成を原子数比で、Ｉｎ／Ｚｎ＝１〜１００、好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１〜２０、さらに好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１〜１０とする。Ｚｎの原子数比を好ましい範囲とすることで、電界効果移動度を向上させることができる。ここで、酸素を過剰に含ませるために、金属酸化物の原子数比Ｉｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚを、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとすることが好ましい。

酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物をスパッタリング法で成膜する場合、好ましくは、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、４：２：３、３：１：２、１：１：２、２：１：３、または３：１：４で示されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いる。前述の原子数比を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いて酸化物半導体膜を成膜することで、多結晶またはＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。

また、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物をスパッタリング法で成膜する場合、好ましくは、原子数比がＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１、２：１：３、１：２：２、または２０：４５：３５で示されるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いる。前述の原子数比を有するＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いて酸化物半導体層を成膜することで、多結晶またはＣＡＡＣが形成されやすくなる。

なお、ここで、ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．９％以下であるとよい。ターゲットの充填率を高くすることで、形成される酸化物半導体層を緻密なものとすることができる。

なお、酸化物半導体膜に適用することができる金属酸化物は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、さらに好ましくは、３ｅＶ以上であるとよい。このように、バンドギャップの広い金属酸化物を用いると、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

また、酸化物半導体膜は、複数の酸化物半導体層が積層された構造でもよい。例えば、酸化物半導体膜を、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の積層として、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜に、異なる組成の金属酸化物を用いてもよい。例えば、第１の酸化物半導体膜に三元系金属の酸化物を用い、第２の酸化物半導体層に二元系金属の酸化物を用いてもよい。また、例えば、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜を、どちらも三元系金属の酸化物としてもよい。

また、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の構成元素を同一とし、両者の組成を異ならせてもよい。例えば、第１の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１とし、第２の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２としてもよい。また、第１の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２とし、第２の酸化物半導体膜の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３としてもよい。

この時、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜のうち、ゲート電極に近い側（チャネル側）の酸化物半導体膜のＩｎとＧａの含有率をＩｎ＞Ｇａとするとよい。またゲート電極から遠い側（バックチャネル側）の酸化物半導体膜のＩｎとＧａの含有率をＩｎ≦Ｇａとするとよい。

酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、Ｉｎの含有率を多くすることによりｓ軌道のオーバーラップが多くなる傾向があるため、Ｉｎ＞Ｇａの組成となる酸化物はＩｎ≦Ｇａの組成となる酸化物と比較して高い移動度を備える。また、ＧａはＩｎと比較して酸素欠損の形成エネルギーが大きく酸素欠損が生じにくいため、Ｉｎ≦Ｇａの組成となる酸化物はＩｎ＞Ｇａの組成となる酸化物と比較して安定した特性を備える。

チャネル側にＩｎ＞Ｇａの組成となる酸化物半導体を適用し、バックチャネル側にＩｎ≦Ｇａの組成となる酸化物半導体を適用することで、トランジスタの移動度および信頼性をさらに高めることが可能となる。

また、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜に、結晶性の異なる酸化物半導体を適用してもよい。すなわち、単結晶酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体、またはＣＡＡＣ−ＯＳ膜を適宜組み合わせた構成としてもよい。また、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜の少なくともどちらか一方に非晶質酸化物半導体を適用すると、酸化物半導体層の内部応力や外部からの応力を緩和し、トランジスタの特性ばらつきが低減され、また、トランジスタの信頼性をさらに高めることが可能となる。

一方で、非晶質酸化物半導体は水素などのドナーとなる不純物を吸収しやすく、また、酸素欠損が生じやすいためｎ型化されやすい。このため、チャネル側の酸化物半導体膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜などの結晶性を有する酸化物半導体を適用することが好ましい。

また、酸化物半導体膜を３層以上の積層構造とし、複数層の結晶性を有する酸化物半導体層で非晶質酸化物半導体層を挟む構造としてもよい。また、結晶性を有する酸化物半導体層と非晶質酸化物半導体層を交互に積層する構造としてもよい。

また、酸化物半導体層を複数層の積層構造とする場合の上記構成は、それぞれを適宜組み合わせて用いることができる。

なお、酸化物半導体層のアルカリ金属及びアルカリ土類金属は少なくすることが好ましく、これらの濃度は、好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアが生成される場合があり、トランジスタのオフ電流を増大させる原因となるからである。

酸化物半導体膜の厚さは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上３５ｎｍ以下とする。

酸化物半導体膜は、好ましくはスパッタリング法により、基板加熱温度を１００℃以上６００℃以下、好ましくは１５０℃以上５５０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上５００℃以下とし、酸素ガス雰囲気で成膜する。成膜時の基板加熱温度が高いほど得られる酸化物半導体膜の不純物元素濃度は低くなる。また、酸化物半導体膜の中の原子配列が整い、高密度化され、多結晶またはＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。

さらに、酸素ガス雰囲気下で成膜することでも、希ガスなどの余分な原子が含まれないため、多結晶またはＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ただし、酸素ガスや、アルゴン等の希ガスの混合雰囲気としてもよく、その場合は酸素ガスの割合は３０体積％以上、好ましくは５０体積％以上、さらに好ましくは８０体積％以上とする。なお、酸化物半導体膜の成膜に用いるアルゴン及び酸素は、水、水素などが含まれないことが好ましい。例えば、アルゴンの純度を９Ｎ（露点−１２１℃、水０．１ｐｐｂ、水素０．５ｐｐｂ）、酸素の純度を８Ｎ（露点−１１２℃、水１ｐｐｂ、水素１ｐｐｂ）とすることが好ましい。

本実施の形態では、アルゴンと酸素の流量比が２：１の雰囲気下において、スパッタリング法を用い、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜を２０ｎｍ成膜する。

アモルファス状態の酸化物半導体は、比較的容易に平坦な表面を得ることができるため、これを用いたトランジスタは動作時のキャリア（電子）の界面散乱を低減でき、比較的容易に、比較的高い移動度を得ることができる。

また、結晶性を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。

なお、Ｒａは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）で定義されている算術平均粗さを曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値」で表現でき、以下の式にて定義される。

ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標（ｘ_１，ｙ_１，ｆ（ｘ_１，ｙ_１）），（ｘ_１，ｙ_２，ｆ（ｘ_１，ｙ_２）），（ｘ_２，ｙ_１，ｆ（ｘ_２，ｙ_１）），（ｘ_２，ｙ_２，ｆ（ｘ_２，ｙ_２））の４点で表される四角形の領域とし、指定面をｘｙ平面に投影した長方形の面積をＳ_０、基準面の高さ（指定面の平均の高さ）をＺ_０とする。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて測定可能である。

酸化物半導体膜の形成面を平坦化するため、基板上に下地絶縁層を設け、該下地絶縁層に対して平坦化処理を行ってから、酸化物半導体層を形成してもよい。下地絶縁層は、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いることができる。なお、下地絶縁層をスパッタリング法を用いて形成すると、水素等の不純物元素低減することができる。

このように、酸化物半導体層のチャネルが形成される領域において、下地絶縁層の平均面粗さを０．３ｎｍ以下とするためには、平坦化処理を行えばよい。平坦化処理は酸化物半導体膜の形成前に行えばよい。

例えば、平坦化処理として、ドライエッチングなどを行えばよい。ここで、エッチングガスとしては、塩素、塩化ボロン、塩化シリコンまたは四塩化炭素などの塩素系ガス、四フッ化炭素、フッ化硫黄またはフッ化窒素などのフッ素系ガスなどを用いればよい。

また、酸化物半導体膜に含まれる水素は、極力少ないことが好ましい。この水素は、水素原子の他、水素分子、水、水酸基、またはその他の水素化物として含まれる場合もある。そのため、酸化物半導体層に含まれる過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための熱処理を行うことが好ましい。熱処理の温度は３００℃以上７００℃以下、または基板の歪み点未満とする。熱処理は減圧雰囲気または不活性雰囲気下などで行うことができる。また、熱処理は酸化物半導体膜の形成後、島状に加工する前に行ってもよいし、島状に加工した後に行ってもよい。さらに、脱水化、脱水素化のための熱処理は複数回行ってもよく、他の加熱処理と兼ねてもよい。

熱処理は、減圧雰囲気または不活性雰囲気で熱処理を行った後、温度を保持しつつ酸化性雰囲気に切り替えてさらに熱処理を行うと好ましい。これは減圧雰囲気または不活性雰囲気にて熱処理を行うと、酸化物半導体層中の不純物（例えば、水素等）濃度を低減することができるが、同時に酸素欠損も生じてしまう恐れがあり、このとき生じた酸素欠損を、酸化性雰囲気での熱処理により低減することができる。

酸化物半導体膜は、熱処理を行うことで、膜中の水素等の不純物元素を極めて小さくすることが可能となる。その結果、トランジスタの電界効果移動度を理想的な電界効果移動度近くまで高めることが可能となる。

また、下地絶縁層として、酸素を過剰に含む絶縁膜を用いてもよい。下地絶縁層としては、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ハフニウム、または酸化タンタルなどの酸化物絶縁層を用いることが好ましい。また、これらの化合物を単層構造または２層以上の積層構造で形成して用いることができる。積層構造とする際、例えば、基板と接する下地絶縁層にＣＶＤ法によって形成した酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体層と接する下地絶縁層にスパッタリング法によって形成した酸化シリコン膜を用いる構成としてもよい。酸化物半導体層と接する絶縁層を、水素濃度が低減された酸化物絶縁層とすることで、酸化物半導体層に水素の拡散を抑制する他に、酸化物半導体層の酸素欠陥に下地絶縁層となる酸化物絶縁層から酸素が供給されるため、トランジスタの電気特性を良好にすることができる。

下地絶縁層は、酸化物半導体層と接するため、層中（バルク中）に少なくとも化学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好ましい。例えば、下地絶縁膜として、酸化シリコン層を用いる場合には、ＳｉＯ_{（２＋α）}（ただし、α＞０）とする。

また、ゲート絶縁膜も下地絶縁層と同様に酸化物半導体層と接するため、層中（バルク中）に少なくとも化学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好ましい。

酸化物半導体層上に、平坦化絶縁層として、酸化アルミニウム膜を成膜した後、熱処理を行ってもよい。酸化アルミニウム膜は、酸化物半導体層への水（水素を含む）の侵入防止機能及び酸化物半導体層からの酸素の脱離防止機能を有する。よって、酸化物半導体層、またはそれに接する絶縁層が酸素過剰領域を有していると、酸化アルミニウム膜を設けた状態で熱処理を行うことによって、酸化物半導体層の膜中、または絶縁層と酸化物半導体層の界面において、少なくとも１ヶ所、該膜の化学量論比を超える酸素が存在する領域（酸素過剰領域とも表記する）を設けることができる。

実施の形態１及び実施の形態２に示す半導体装置に、本実施の形態で示す酸化物半導体を適用することで、オン特性に優れ、リーク電流の少ないトランジスタとすることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態３に示す酸化物半導体を半導体層に用いたトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置の一例を、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態の半導体装置は、トランジスタ１６２として実施の形態１及び実施の形態２に記載のトランジスタを適用して構成される。

図８は、半導体装置の構成の一例である。図８（Ａ）に半導体装置の断面図を、図８（Ｂ）に半導体装置の上面図を、図８（Ｃ）に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで、図８（Ａ）は、図８（Ｂ）のＥ−Ｆ、及びＧ−Ｈにおける断面に相当する。なお、図８（Ｂ）においては、図の明瞭化のため、図８（Ａ）に示す半導体装置の一部の構成要素を省略している。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ１６０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ１６２を有するものである。トランジスタ１６２は、実施の形態３で示した、酸化物半導体層を半導体層に用いたトランジスタを適用することができる。

ここで、第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが望ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（シリコンなど）とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。

なお、上記トランジスタは、いずれもｎチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、ｐチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、開示する発明の技術的な本質は、情報を保持するために酸化物半導体をトランジスタ１６２に用いる点にあるから、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。

図８（Ａ）におけるトランジスタ１６０は、基板１００に設けられたチャネル形成領域１１６と、チャネル形成領域１１６を挟むように設けられた不純物元素領域１２０を含む半導体層と、チャネル形成領域１１６上に設けられたゲート絶縁層１０８と、ゲート絶縁層１０８上に設けられたゲート電極層１１０と、不純物元素領域１２０上の絶縁層１３０と、絶縁層１３０に設けられた開口に形成され、不純物元素領域１２０と接する導電層１１２ａ及び導電層１１２ｂと、を有する。

絶縁層１３０上には、絶縁層１３５が設けられ、絶縁層１３５に設けられた開口には、ゲート電極層１１０、導電層１１２ａ及び導電層１１２ｂとそれぞれ接する導電層１１４ｃ、導電層１１４ａ及び導電層１１４ｂが形成されている。さらに、絶縁層１３５上には絶縁層１４０が設けられ、絶縁層１４０には、導電層１１４ｃと接する導電層１１５が設けられている。導電層１１５は、トランジスタ１６２のソース電極層またはドレイン電極層となる電極層１４２ａと接する。

なお、高集積化を実現するためには、図８（Ａ）に示すようにトランジスタ１６０が側壁絶縁層を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ１６０の特性を重視する場合には、ゲート電極層１１０の側面に側壁絶縁層を設け、不純物元素度が異なる領域を含む不純物元素領域１２０としてもよい。

絶縁層１４０上面において、平坦化処理を行うことが好ましい。本実施の形態では、研磨処理（例えばＣＭＰ処理）により十分に平坦化した（好ましくは、絶縁層１４０の上面の平均面粗さは０．１５ｎｍ以下）絶縁層１４０上に酸化物半導体層１４４を形成する。

図８（Ａ）に示すトランジスタ１６２は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタである。ここで、トランジスタ１６２に含まれる酸化物半導体層１４４は、高純度化されたものであることが望ましい。高純度化された酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ特性のトランジスタ１６２を得ることができる。

トランジスタ１６２は、オフ電流が小さいため、これを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、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。

トランジスタ１６２は実施の形態１に示した、作製工程においてゲート電極層１４８、及び側壁絶縁層１３６ａ、１３６ｂ上に設けられた導電膜の一部を化学機械研磨処理により膜厚を減少させ、該導電膜をエッチングすることで、ゲート電極層１４８上の導電膜を除去する工程を用いて、ソース電極層及びドレイン電極層として機能する電極層１４２ａ、１４２ｂを形成するトランジスタである。

よって、トランジスタ１６２は、ソース電極層又はドレイン電極層として機能する電極層１４２ａ、電極層１４２ｂと酸化物半導体層１４４が接する領域（コンタクト領域）と、ゲート電極層１４８との距離が側壁絶縁層１３６ａ及び側壁絶縁層１３６ｂによって決定され、容易に距離を短くすることができる。したがって、電極層１４２ａ、１４２ｂと酸化物半導体層１４４とが接する領域（コンタクト領域）、及びゲート電極層１４８間の抵抗が減少し、トランジスタ１６２のオン特性を向上させることが可能となる。

電極層１４２ａ、１４２ｂの形成工程におけるゲート電極層１４８上の導電膜を除去する工程において、レジストマスクを用いたエッチング工程を用いないため、精密な加工を正確に行うことができる。よって、半導体装置の作製工程において、形状や特性のばらつきの少ない微細な構造を有するトランジスタを歩留まりよく作製することができる。

トランジスタ１６２上には、絶縁層１４５が単層または積層で設けられている。また、絶縁層１４５上には絶縁層１５０が設けられ、絶縁層１５０のトランジスタ１６２の電極層１４２ａと重畳する領域には、導電層１５３が設けられており、電極層１４２ａと、絶縁層１３０と、導電層１５３とによって、容量素子１６４が構成される。すなわち、トランジスタ１６２の電極層１４２ａは、容量素子１６４の一方の電極として機能し、導電層１５３は、容量素子１６４の他方の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子１６４を設けない構成とすることもできる。また、容量素子１６４は、別途、トランジスタ１６２の上方に設けてもよい。

トランジスタ１６２および容量素子１６４の上には絶縁層１５５が設けられている。絶縁層１５５上にはトランジスタ１６２と、他のトランジスタを接続するための配線１５８が設けられている。配線１５８はトランジスタ１６２のドレイン電極層となる電極層１４２ｂと電気的に接続している。

なお、電極層１４２ｂ及び配線１５８の電気的接続は、電極層１４２ｂ及び配線１５８を直接接続させて行ってもよいし、電極層１４２ｂ及び配線１５８の間の絶縁膜に電極を設け、該電極を介して行ってもよい。また、間に介する電極は、複数でもよい。図８（Ａ）では配線１５８は、絶縁層１５０、絶縁層１５５及び絶縁層１３０などに形成された開口に形成された導電層１５２、導電層１５４及び導電層１５６を介して電極層１４２ｂと電気的に接続される。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）において、トランジスタ１６０と、トランジスタ１６２とは、少なくとも一部が重畳するように設けられており、トランジスタ１６０のソース領域またはドレイン領域と酸化物半導体層１４４の一部が重畳するように設けられているのが好ましい。また、トランジスタ１６２及び容量素子１６４が、トランジスタ１６０の少なくとも一部と重畳するように設けられている。例えば、容量素子１６４の導電層１５３は、トランジスタ１６０のゲート電極層１１０と少なくとも一部が重畳して設けられている。このような平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。

次に、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に対応する回路構成の一例を図８（Ｃ）に示す。

図８（Ｃ）において、第１の配線（１ｓｔＬｉｎｅ）とトランジスタ１６０のソース電極層とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄＬｉｎｅ）とトランジスタ１６０のドレイン電極層とは、電気的に接続されている。また、第３の配線（３ｒｄＬｉｎｅ）とトランジスタ１６２のソース電極層またはドレイン電極層の一方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈＬｉｎｅ）と、トランジスタ１６２のゲート電極層とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ１６０のゲート電極層と、トランジスタ１６２のソース電極層またはドレイン電極層の一方は、容量素子１６４の電極の他方と電気的に接続され、第５の配線（５ｔｈＬｉｎｅ）と、容量素子１６４の電極の他方は電気的に接続されている。

図８（Ｃ）に示す半導体装置では、トランジスタ１６０のゲート電極層の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。

情報の書き込み及び保持について説明する。まず、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位が、トランジスタ１６０のゲート電極層、及び容量素子１６４に与えられる。すなわち、トランジスタ１６０のゲート電極層には、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）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、トランジスタ１６０のゲート電極層に与えられた電荷が保持される（保持）。

トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ１６０のゲート電極層の電荷は長時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の配線に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ１６０のゲート電極層に保持された電荷量に応じて、第２の配線は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ１６０をｎチャネル型とすると、トランジスタ１６０のゲート電極層にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖ_ｔｈ＿Ｈは、トランジスタ１６０のゲート電極層にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖ_ｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ１６０を「オン状態」とするために必要な第５の配線の電位をいうものとする。したがって、第５の配線の電位をＶ_ｔｈ＿ＨとＶ_ｔｈ＿Ｌの中間の電位Ｖ_０とすることにより、トランジスタ１６０のゲート電極層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、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ_０（＞Ｖ_ｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ１６０は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ_０（＜Ｖ_ｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ１６０は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線の電位を見ることで、保持されている情報を読み出すことができる。

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極層の状態にかかわらずトランジスタ１６０が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｈより小さい電位を第５の配線に与えればよい。または、ゲート電極層の状態にかかわらずトランジスタ１６０が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線に与えればよい。

本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて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、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。

また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。

（実施の形態５）
本実施の形態においては、実施の形態１及び実施の形態２に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態３に示した構成と異なる構成について、図９及び図１０を用いて説明を行う。なお、本実施の形態の半導体装置は、トランジスタ１６２として実施の形態３に記載の酸化物半導体層を半導体層に用いたトランジスタを適用して構成される。トランジスタ１６２としては、実施の形態１及び実施の形態２で示すトランジスタのいずれの構造も適用することができる。

図９（Ａ）は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図９（Ｂ）は半導体装置の一例を示す概念図である。まず、図９（Ａ）に示す半導体装置について説明を行い、続けて図９（Ｂ）に示す半導体装置について、以下説明を行う。

図９（Ａ）に示す半導体装置において、ビット線ＢＬとトランジスタ１６２のソース電極層またはドレイン電極層とは電気的に接続され、ワード線ＷＬとトランジスタ１６２のゲート電極層とは電気的に接続され、トランジスタ１６２のソース電極層またはドレイン電極層と容量素子２５４の第１の端子とは電気的に接続されている。

酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ１６２をオフ状態とすることで、容量素子２５４の第１の端子の電位（あるいは、容量素子２５４に蓄積された電荷）を極めて長時間にわたって保持することが可能である。

次に、図９（Ａ）に示す半導体装置（メモリセル２５０）に、情報の書き込み及び保持を行う場合について説明する。

まず、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位として、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、ビット線ＢＬの電位が、容量素子２５４の第１の端子に与えられる（書き込み）。その後、ワード線ＷＬの電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位として、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、容量素子２５４の第１の端子の電位が保持される（保持）。

トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいから、容量素子２５４の第１の端子の電位（あるいは容量素子に蓄積された電荷）は長時間にわたって保持することができる。

次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ１６２がオン状態となると、浮遊状態であるビット線ＢＬと容量素子２５４とが導通し、ビット線ＢＬと容量素子２５４の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線ＢＬの電位が変化する。ビット線ＢＬの電位の変化量は、容量素子２５４の第１の端子の電位（あるいは容量素子２５４に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。

例えば、容量素子２５４の第１の端子の電位をＶ、容量素子２５４の容量をＣ、ビット線ＢＬが有する容量成分（以下、ビット線容量とも呼ぶ）をＣＢ、電荷が再分配される前のビット線ＢＬの電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後のビット線ＢＬの電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。従って、メモリセル２５０の状態として、容量素子２５４の第１の端子の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ）は、電位Ｖ０を保持している場合のビット線ＢＬの電位（＝ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。

そして、ビット線ＢＬの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。

このように、図９（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ１６２のオフ電流が極めて小さいという特徴から、容量素子２５４に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。

次に、図９（Ｂ）に示す半導体装置について、説明を行う。

図９（Ｂ）に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図９（Ａ）に示したメモリセル２５０を複数有するメモリセルアレイ２５１ａ及びメモリセルアレイ２５１ｂを有し、下部に、メモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａ及びメモリセルアレイ２５１ｂ）を動作させるために必要な周辺回路２５３を有する。なお、周辺回路２５３は、メモリセルアレイ２５１と電気的に接続されている。

図９（Ｂ）に示した構成とすることにより、周辺回路２５３をメモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａ及びメモリセルアレイ２５１ｂ）の直下に設けることができるため半導体装置の小型化を図ることができる。

周辺回路２５３に設けられるトランジスタは、トランジスタ１６２とは異なる半導体材料を用いるのがより好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。したがって、前記トランジスタにより、高速動作が要求される各種回路（論理回路、駆動回路など）を好適に実現することが可能である。

なお、図９（Ｂ）に示した半導体装置では、２つのメモリセルアレイ２５１（メモリセルアレイ２５１ａと、メモリセルアレイ２５１ｂ）が積層された構成を例示したが、積層するメモリセルの数はこれに限定されない。３つ以上のメモリセルを積層する構成としても良い。

次に、図９に示したメモリセル２５０に適用できる半導体装置の具体的な構成について図１０を用いて説明する。図１０（Ｂ）は半導体装置の上面図を示し、図１０（Ａ）は図１０（Ｂ）の一点鎖線Ｊ−Ｊ、Ｋ−Ｌにおける断面を示す。なお、図１０（Ｂ）においては、図の明瞭化のため、図１０（Ａ）に示す半導体装置の一部の構成要素を省略している。

図１０に示すメモリセルは、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタ１６２と、容量素子２５４とを有する。なお、トランジスタ１６２の構成は、図８に示す半導体装置が有するトランジスタ１６２と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

図１０において容量素子２５４は、ドレイン電極層となる電極層１４２ａ、絶縁層１４５、及び導電層１５３で構成されている。

図１０に示す電極層１４２ｂと電気的に接続する導電層１５２、導電層１５４、導電層１５６、配線１５８及びこれらと電気的に接続する層は、図９に示すビット線ＢＬとして機能する。また、図１０に示すゲート電極層１４８と電気的に接続する層は、図１０に示すワード線ＷＬとして機能する。

図９に示すように、トランジスタ１６２、容量素子２５４を含むメモリセルアレイ２５１を重畳するように密に積層して設けることで、より半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。

以上のように、上部に多層に形成された複数のメモリセルは、酸化物半導体を用いたトランジスタにより形成されている。高純度化され、真性化された酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを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、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。

このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ（換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ）を用いた周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ（より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ）を用いた記憶回路とを一体に備えることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。また、周辺回路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の集積化を図ることができる。

上記のようなトランジスタは、オン特性が高く、高速動作、高速応答が可能である。また、微細化も達成できる。よって、該トランジスタを用いることで高性能及び高信頼性の半導体装置を提供することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態６）
本明細書に開示する半導体装置は、様々な電子機器に適用することができる。電子機器としては、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、遊技機（パチンコ機、スロットマシン等）、ゲーム筐体が挙げられる。

図１１に電子機器の具体例を示す。図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、２つ折り可能なタブレット型端末である。図１１（Ａ）は、開いた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂ、表示モード切り替えスイッチ９０３４、電源スイッチ９０３５、省電力モード切り替えスイッチ９０３６、留め具９０３３、操作スイッチ９０３８を有する。

実施の形態１または実施の形態２に示す半導体装置は、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂに用いることが可能であり、信頼性の高いタブレット型端末とすることが可能となる。また、実施の形態３または実施の形態４に示す記憶装置を本実施の形態の半導体装置に適用してもよい。

表示部９６３１ａは、一部をタッチパネルの領域９６３２ａとすることができ、表示された操作キー９６３８にふれることでデータ入力をすることができる。なお、表示部９６３１ａにおいては、一例として半分の領域が表示のみの機能を有する構成、もう半分の領域がタッチパネルの機能を有する構成を示しているが、該構成に限定されない。表示部９６３１ａの全面をキーボードボタン表示させてタッチパネルとし、表示部９６３１ｂを表示画面として用いることができる。

また、表示部９６３１ｂにおいても表示部９６３１ａと同様に、表示部９６３１ｂの一部をタッチパネルの領域９６３２ｂとすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタン９６３９が表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで表示部９６３１ｂにキーボードボタン表示することができる。

また、タッチパネルの領域９６３２ａとタッチパネルの領域９６３２ｂに対して同時にタッチ入力することもできる。

また、表示モード切り替えスイッチ９０３４は、縦表示または横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ９０３６は、タブレット型端末に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。

また、図１１（Ａ）では表示部９６３１ｂと表示部９６３１ａの表示面積が同じ例を示しているが特に限定されず、一方のサイズともう一方のサイズが異なっていてもよく、表示の品質も異なっていてもよい。例えば一方が他方よりも高精細な表示を行える表示パネルとしてもよい。

図１１（Ｂ）は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、太陽電池９６３３、充放電制御回路９６３４、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有する。なお、図１１（Ｂ）では充放電制御回路９６３４の一例としてバッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を有する構成について示している。

なお、タブレット型端末は２つ折り可能なため、未使用時に筐体９６３０を閉じた状態にすることができる。従って、表示部９６３１ａ、表示部９６３１ｂを保護できるため、耐久性に優れ、長期使用の観点からも信頼性の優れたタブレット型端末を提供できる。

また、この他にも図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示したタブレット型端末は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付または時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作または編集するタッチ入力機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有することができる。

タブレット型端末の表面に装着された太陽電池９６３３によって、電力をタッチパネル、表示部、または映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池９６３３は、筐体９６３０の一面または二面に効率的なバッテリー９６３５の充電を行う構成とすることができるため好適である。なおバッテリー９６３５としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。

また、図１１（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、および動作について図１１（Ｃ）にブロック図を示し説明する。図１１（Ｃ）には、太陽電池９６３３、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部９６３１について示しており、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図１１（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。

まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための電圧となるようＤＣＤＣコンバータ９６３６で昇圧または降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧または降圧をすることとなる。また、表示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにしてバッテリー９６３５の充電を行う構成とすればよい。

なお太陽電池９６３３については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段によるバッテリー９６３５の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線（非接触）で電力を送受信して充電する無接点電力電送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。

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。

１００基板
１０８ゲート絶縁層
１１０ゲート電極層
１１２ａ導電層
１１２ｂ導電層
１１４ａ導電層
１１４ｂ導電層
１１４ｃ導電層
１１５導電層
１１６チャネル形成領域
１２０不純物元素領域
１３０絶縁層
１３５絶縁層
１３６ａ側壁絶縁層
１３６ｂ側壁絶縁層
１４０絶縁層
１４２ａ電極層
１４２ｂ電極層
１４４酸化物半導体層
１４５絶縁層
１４８ゲート電極層
１５０絶縁層
１５２導電層
１５３導電層
１５４導電層
１５５絶縁層
１５６導電層
１５８配線
１６０トランジスタ
１６２トランジスタ
１６４容量素子
２１５導電膜
２１７層間絶縁膜
２１８層間絶縁膜
２５０メモリセル
２５１メモリセルアレイ
２５１ａメモリセルアレイ
２５１ｂメモリセルアレイ
２５３周辺回路
２５４容量素子
４００基板
４０１ゲート電極層
４０２ゲート絶縁層
４０３半導体層
４０５ａソース電極層
４０５ｂドレイン電極層
４１２ａ側壁絶縁層
４１２ｂ側壁絶縁層
４１３絶縁層
４１４ａ側壁絶縁層
４１４ｂ側壁絶縁層
４１５導電膜
４１６導電膜
４１７層間絶縁層
４２０トランジスタ
４３０トランジスタ
４４０トランジスタ
４５０トランジスタ
４６０トランジスタ
４７０トランジスタ
４８０トランジスタ
９０３３留め具
９０３４スイッチ
９０３５電源スイッチ
９０３６スイッチ
９０３８操作スイッチ
９６３０筐体
９６３１表示部
９６３１ａ表示部
９６３１ｂ表示部
９６３２ａ領域
９６３２ｂ領域
９６３３太陽電池
９６３４充放電制御回路
９６３５バッテリー
９６３６ＤＣＤＣコンバータ
９６３７コンバータ
９６３８操作キー
９６３９ボタン

Claims

半導体層上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層上にゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、
前記半導体層、前記ゲート絶縁層、前記ゲート電極層、前記側壁絶縁層上に導電膜を形成し、
前記導電膜の前記ゲート電極層と重畳する領域の膜厚を化学的機械研磨によって減少させ、
前記導電膜を、前記ゲート電極層の上面が露出するまで異方性エッチングすることで、ソース電極層及びドレイン電極層を形成する半導体装置の作製方法。
半導体層上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層上にゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層の側面を覆う側壁絶縁層を形成し、
前記半導体層、前記ゲート絶縁層、前記側壁絶縁層上に導電膜を形成し、
前記導電膜上に層間絶縁膜を形成し、
前記層間絶縁膜の、前記ゲート電極層と重畳する領域の膜厚を化学的機械研磨によって減少させ、
前記層間絶縁膜を、前記導電膜の上面が露出するまで異方性エッチングすることで、前記ゲート電極層と重畳する領域の前記層間絶縁膜を除去し、
前記層間絶縁膜をマスクとして前記導電膜をエッチングして、ソース電極層及びドレイン電極層を形成する半導体装置の作製方法。
請求項１又は請求項２において、
前記半導体層は酸化物半導体層である半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記ゲート電極層上面に積層された絶縁層を形成する半導体装置の作製方法。
請求項４において、
前記側壁絶縁層は、前記ゲート電極層及び前記絶縁層の側面を覆う半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
前記ゲート電極層のチャネル長方向の長さは１００ｎｍ以下である半導体装置の作製方法。