JP6705810B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、トランジスタおよび半導体装置、ならびにそれらの製造方法に関する。または、本発明は、例えば、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、プロセッサ、電子機器に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、撮像装置、電子機器の製造方法に関する。または、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。
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の技術分野は、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。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
近年は、酸化物半導体を用いたトランジスタが注目されている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい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。）。
特開２０１２−２５７１８７号公報
微細なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、寄生容量の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、周波数特性の高いトランジスタを提供することを課題の一とする。または、電気特性の良好なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することを課題の一とする。または、オフ時の電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、新規なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、動作速度の速い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、基板上の半導体と、半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、第１の金属酸化物及び第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第３の絶縁体は第１の絶縁体の側面と接し、半導体は、半導体と、第１の導電体および第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、半導体と、第２の導電体および第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、半導体と、第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、半導体の上面と第３の導電体の底面との間の長さは、第１の領域と第３の領域との間の長さよりも、大きい半導体装置である。
本発明の一態様は、基板上の半導体と、半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、第１の金属酸化物及び第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第３の絶縁体は第１の絶縁体の側面と接し、半導体は、半導体と、第１の導電体および第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、半導体と、第２の導電体および第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、半導体と、第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、半導体の上面と第３の導電体の底面との間の長さは、第１の領域と第３の領域との間の長さよりも、大きい半導体装置である。
本発明の一態様は、基板上の半導体と、半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、第１の金属酸化物及び第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第３の導電体と、第１の絶縁体及び第３の導電体上の第４の導電体を有し、第３の絶縁体は第１の絶縁体の側面と接し、半導体は、半導体と、第１の導電体および第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、半導体と、第２の導電体および第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、半導体と、第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、半導体の上面と第３の導電体の底面との間の長さは、第１の領域と第３の領域との間の長さよりも、大きく、第１の導電体または第２の導電体と、第４の導電体との間の長さは、第１の領域と第２の領域との間の長さよりも、大きい半導体装置である。
本発明の一態様は、基板上の半導体と、第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、第１の金属酸化物及び第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、第１の導電体及び第２の導電体上の第１の絶縁体と、半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第３の導電体と、第１の絶縁体及び第３の導電体上の第４の導電体を有し、第３の絶縁体は第１の絶縁体の側面と接し、半導体は、半導体と、第１の導電体および第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、半導体と、第２の導電体および第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、半導体と、第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、半導体の上面と第３の導電体の底面との間の長さは、第１の領域と第３の領域との間の長さよりも、大きく、第１の導電体または第２の導電体と、第４の導電体との間の長さは、第１の領域と第２の領域との間の長さよりも、大きい半導体装置である。
本発明の一態様は、基板上の半導体と、半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、第１の金属酸化物及び第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、第４の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第４の絶縁体は第１の絶縁体の側面と接し、半導体は、半導体と、第１の導電体および第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、半導体と、第２の導電体および第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、半導体と、第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、半導体の上面と第３の導電体の底面との間の長さは、第１の領域と第３の領域との間の長さよりも、大きい半導体装置である。
本発明の一態様は、 基板上の半導体と、半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、第１の金属酸化物及び第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、第４の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第４の絶縁体は第１の絶縁体の側面と接し、半導体は、半導体と、第１の導電体および第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、半導体と、第２の導電体および第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、半導体と、第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、半導体の上面と第３の導電体の底面との間の長さは、第１の領域と第３の領域との間の長さよりも、大きい半導体装置である。
本発明の一態様は、 基板上の半導体と、半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、第１の金属酸化物及び第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、第４の絶縁体上の第３の導電体と、第１の絶縁体及び第３の導電体上の第４の導電体を有し、第４の絶縁体は第１の絶縁体の側面と接し、半導体は、半導体と、第１の導電体および第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、半導体と、第２の導電体および第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、半導体と、第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、半導体の上面と第３の導電体の底面との間の長さは、第１の領域と第３の領域との間の長さよりも、大きく、第１の導電体または第２の導電体と、第４の導電体との間の長さは、第１の領域と第２の領域との間の長さよりも、大きい半導体装置である。
本発明の一態様は、基板上の半導体と、半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、第１の金属酸化物及び第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、半導体上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、第４の絶縁体上の第３の導電体と、第１の絶縁体及び第３の導電体上の第４の導電体を有し、第４の絶縁体は第１の絶縁体の側面と接し、半導体は、半導体と、第１の導電体および第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、半導体と、第２の導電体および第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、半導体と、第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、半導体の上面と第３の導電体の底面との間の長さは、第１の領域と第３の領域との間の長さよりも、大きく、第１の導電体または第２の導電体と、第４の導電体との間の長さは、第１の領域と第２の領域との間の長さよりも、大きい半導体装置である。
上記構成において、第１の金属酸化物または第２の金属酸化物と、第４の導電体との間の長さは、第１の領域と第２の領域との間の長さの１．５倍以上２倍以下である。
微細なトランジスタを提供することができる。または、寄生容量の小さいトランジスタを提供することができる。または、周波数特性の高いトランジスタを提供することができる。または、電気特性の良好なトランジスタを提供することができる。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することができる。または、オフ時の電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、新規なトランジスタを提供することができる。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、動作速度の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。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器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トランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの一部を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの一部を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの一部を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの一部を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの一部を示す断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの一部を示す断面図。 スパッタリング装置の一部を示す断面図。 スパッタリング装置の一部を示す断面図。 成膜装置の一例を示す上面図。 成膜装置の構成の一例を示す図。 本発明の一態様に係る製造装置を示す上面図。 本発明の一態様に係るチャンバーを示す上面図。 本発明の一態様に係るチャンバーを示す上面図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの断面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像、およびＣＡＡＣ−ＯＳの断面模式図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。 ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図。 ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。 Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。 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記憶装置を示す回路図。 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回路図。 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回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。 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断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す斜視図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図、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回路図および断面図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す斜視図。 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。 計算モデルを説明する図。 バッファー層の低効率と電界強度の層間を説明する図。 バッファー層の低効率と電界強度の層間を説明する図。
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。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。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際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。
なお、図において、大きさ、膜（層）の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。
なお、本明細書において、例えば、物体の形状を「径」、「粒径」、「大きさ」、「サイズ」、「幅」などで規定する場合、物体が収まる最小の立方体における一辺の長さ、または物体の一断面における円相当径と読み替えてもよい。物体の一断面における円相当径とは、物体の一断面と等しい面積となる正円の直径をいう。
なお、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
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である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、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、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、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、例えば水素などの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、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、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呼ぶ。）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呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される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、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、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、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが互いに重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである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像などを取得して、その画像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、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
なも、本明細書において、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載する場合、上面図または断面図において、Ａの少なくとも一端が、Ｂの少なくとも一端よりも外側にある形状を有することを示す場合がある。したがって、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載されている場合、例えば上面図において、Ａの一端が、Ｂの一端よりも外側にある形状を有すると読み替えることができる。
なお、本明細書において、「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、「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。
なお、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
なお、明細書において、半導体と記載する場合、酸化物半導体と読み替えることができる。半導体としては、シリコン、ゲルマニウムなどの第１４族半導体、炭化シリコン、ケイ化ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、セレン化亜鉛、硫化カドミウム、酸化物半導体などの化合物半導体、カーボンナノチューブ、グラフェンおよび有機半導体などを用いることができる。
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膜を指し、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膜を指す。
また、本明細書等においては、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念を導き出すことは、当業者であれば容易に理解される。したがって、ある一つの実施の形態において述べる図または文章において、少なくとも一つの具体例が記載される場合、その具体例の上位概念も、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は、明確であると言える。
また、本明細書等においては、少なくとも図に記載した内容（図の中の一部でもよい）は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。したがって、ある内容について、図に記載されていれば、文章を用いて述べていなくても、その内容は、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。同様に、図の一部を取り出した図についても、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。そして、その発明の一態様は明確であると言える。
また、明細書の中の文章や図面において規定されていない内容について、その内容を除くことを規定した発明の一態様を構成することが出来る。または、ある値について、上限値と下限値などで示される数値範囲が記載されている場合、その範囲を任意に狭めることで、または、その範囲の中の一点を除くことで、その範囲を一部除いた発明の一態様を規定することができる。これらにより、例えば、従来技術が本発明の一態様の技術的範囲内に入らないことを規定することができる。
（実施の形態１）
＜トランジスタ構造１＞
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置が有するトランジスタの構造について説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、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である。図１（Ａ）は上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、チャネル長方向の断面形状を示す。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図であり、チャネル幅方向の断面形状を示す。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図１に示すトランジスタは、基板４００上の導電体４１３および絶縁体４０１と、導電体４１３および絶縁体４０１上の絶縁体４０２と、絶縁体４０２上の絶縁体４０６ａと、絶縁体４０６ａ上の半導体４０６ｂと、半導体４０６ｂの上面と接する領域を有する導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、導電体４１６ａ上および導電体４１６ｂ上にそれぞれと接する金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂと、絶縁体４０２、金属酸化物４１７ａの上面、及び金属酸化物４１７ｂの上面と接し、開口を有する絶縁体４１０と、金属酸化物４１７ａの側面、金属酸化物４１７ｂの側面、半導体４０６ｂの上面および側面と接する絶縁体４０６ｃと、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４１０の開口の側面と接する絶縁体４１２と、絶縁体４１２および絶縁体４０６ｃを介して半導体４０６ｂ上に配置する、導電体４０４ａ、および導電体４０４ｂを有する導電体４０４と、を有する。なお、導電体４０４ａは、導電体４０４ｂと絶縁体４１２を介して、絶縁体４１０の開口の側面と対向している。また、トランジスタ上に、導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂ上の導電体４２０と、絶縁体４１２および導電体４２０上の絶縁体４０８と、を有する。また、また、図４９（Ａ）、図４９（Ｂ）、および図４９（Ｃ）に示すように、導電体４１３および絶縁体４０１は必須の構成ではなく、導電体４１３および絶縁体４０１がない構成としてもよい。
絶縁体４０６ｃは、半導体４０６ｂの有する、酸素以外の元素の少なくとも一を有すると好ましい。それによって、半導体４０６ｂおよび絶縁体４０６ｃの界面において、欠陥の生成を抑制することができる。また、絶縁体４０６ｃの結晶性を向上させることができる。
半導体４０６ｂおよび絶縁体４０６ｃは、後述するＣＡＡＣ−ＯＳを有することが好ましい。また、絶縁体４０６ａもＣＡＡＣ−ＯＳを有することが好ましい。
本トランジスタにおいて、導電体４０４ａ、及び４０４ｂは第１のゲート電極としての機能を有する。また、導電体４０４ａ、及び４０４ｂの少なくとも一方が酸素を透過させない導電体であると好ましい。例えば酸素を透過しにくい導電体を下層となる導電体４０４ａに形成することで導電体４０４ｂの酸化による導電率の低下を防ぐことができる。また、絶縁体４１２は第１のゲート絶縁体としての機能を有する。
また、導電体４１３は、第２のゲート電極としての機能を有する。また、導電体４１３は酸素を透過させない性質の導電体を含む積層構造とすることもできる。酸素を透過させない性質の導電体を含む積層構造とすることで導電体４１３の酸化による導電率の低下を防ぐことができる。絶縁体４０２は第２のゲート絶縁体としての機能を有する。導電体４１３へ印加する電位によって、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。また、第１のゲート電極と第２のゲート電極を電気的に接続することで、導通時の電流（オン電流）を大きくすることができる。なお、第１のゲート電極の機能と、第２のゲート電極の機能と、が入れ替わっても構わない。
また、導電体４１６ａは、ソース電極またはドレイン電極の一方としての機能を有する。また、導電体４１６ｂは、ソース電極またはドレイン電極の他方としての機能を有する。なお、導電体の導電率は、２端子法などを用いて測定することができる。
また、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂは、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂの端部に生じる電界集中を緩和する機能を有する。なお、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂは、それぞれ膜厚の異なる領域を有すると好ましい。例えば、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂの側面と接する金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂの側面方向の厚さは、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂの上面と接する金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂの上面方向の厚さよりも大きいと好ましい。つまり、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂが、絶縁体４０６ｃまたは絶縁体４１２と接する領域の膜厚が大きいと好ましい。
また、金属酸化物４１７ａ及び金属酸化物４１７ｂの端部は、絶縁体４１０が有する開口と重なる領域を有することが好ましい。つまり、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂが、絶縁体４１２と重なる領域を有することで、電界集中を効果的に緩和し、信頼性を向上させることができる。また、短チャネル効果を抑制することができる。さらに、導電体４１６ａと導電体４０４との間に生じるリーク電流を抑制することができる。
導電体４０４に印加する電位によって、半導体４０６ｂの抵抗を制御することができる。即ち、導電体４０４に印加する電位によって、導電体４１６ａの間の導通・非導通を制御することができる。
図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示すように、半導体４０６ｂの上面は、導電体４１６ａと接する。また、ゲート電極としての機能を有する導電体４０４の電界によって、半導体４０６ｂを電気的に取り囲むことができる。ゲート電極の電界によって、半導体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。そのため、半導体４０６ｂの全体にチャネルが形成される場合がある。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大きな電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を大きくすることができる。また、半導体４０６ｂが、導電体４０４の電界によって取り囲まれていることから、非導通時の電流（オフ電流）を小さくすることができる。
本実施の形態におけるトランジスタは、ゲート電極として機能する領域が、絶縁体４１０などによって形成される開口を埋めるように自己整合（ｓｅｌｆ ａｌｉｇｎ）的に形成されるので、ＴＧＳＡｓ−ｃｈａｎｎｅｌ ＦＥＴ（Ｔｒｅｎｃｈ Ｇａｔｅ Ｓｅｌｆ Ａｌｉｇｎ ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ ＦＥＴ）と呼ぶこともできる。
ここで、図１（Ｂ）において、導電体４０４と重なる領域の半導体４０６ｂの上面と導電体４０４の底面との間の長さをｔ１とする。また、図１（Ａ）において、半導体４０６ｂにおいて、金属酸化物４１７ａの底面と接する領域と、導電体４０４の底面と接する領域と、の間の長さをＬ１とする。または、金属酸化物４１７ｂの底面と接する領域と、導電体４０４の底面と接する領域との間の領域と、の間の長さをＬ１とする。
トランジスタにおいて、長さＬ１となる領域を有することで、トランジスタのオフ電流を下げることができる一方、当該領域が大きすぎる場合、トランジスタのオン電流を下げてしまう。
また、半導体４０６ｂのチャネルが形成される領域を、絶縁体４０６ｃで覆うことで、チャネルの形成される領域へ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックすることができる。従って、絶縁体４０６ｃは少なくとも半導体４０６ｂ上に形成されていればよい。
そこで、絶縁体４０６ｃを、絶縁体４１２を介して導電体４０４の側面に設けない、あるいは、絶縁体４０６ｃが絶縁体４１２を介して導電体４０４の側面を覆う領域は、絶縁体４０６ｃが導電体４０４の底面と重なる領域よりも、絶縁体４０６ｃを薄く設けることにより、形成されるＬ１を小さくすることができる。従って、ｔ１は、Ｌ１よりも大きく、Ｌ１／ｔ１は１未満となる。
また、図１（Ｂ）において、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂと、導電体４２０との間の長さをｔ２とする。また、図１（Ｂ）において、金属酸化物４１７ａと金属酸化物４１７ｂの間の長さをＬ２とする。
トランジスタが微細化されていくにつれ、トランジスタ近傍の寄生容量は無視できない大きな問題となる。例えば、導電体４２０と導電体４１６ａ、または導電体４１６ｂとの間に寄生容量が形成される場合がある。チャネルが形成される領域の近傍に寄生容量が大きい場合、トランジスタ動作において、寄生容量の充電に要する時間が必要となり、トランジスタの応答性、ひいては半導体装置の応答性を低下させてしまう。また、寄生容量に充電するための不要な電力を消費する為、複数のトランジスタを用いて構成される回路において、消費電力が大きくなる。従って、ｔ２は寄生容量がゲート容量と比較して無視できる程度に、十分な長さであることが好ましい。
また、トランジスタが微細化されていくにつれ、Ｌ２は小さくなり、導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂに十分な電圧を印加することが難しくなる。しかしながら、ｔ２を十分な長さに設計することで、導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂの抵抗を下げることができる。従って、ｔ２は、Ｌ２よりも大きければよく、好ましくはｔ２／Ｌ２が１．５以上２以下とするとよい。
基板４００としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（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４００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板４００に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板４００として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板４００が伸縮性を有してもよい。また、基板４００は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板４００は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板４００を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板４００を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板４００上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可とう性基板である基板４００としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板４００は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板４００としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板４００として好適である。
なお、トランジスタを、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば絶縁体４０８として、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を用いればよい。
水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
また、例えば、絶縁体４０８としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、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を用いればよい。なお、絶縁体４０８は、酸化アルミニウムを有することが好ましい。例えば、絶縁体４０８は酸素を有するプラズマを用いて成膜すると絶縁体４０８の下地層となる絶縁体４１０へ酸素を添加することができる。または、絶縁体４１２の側面に酸素を添加することもできる。添加された酸素は、絶縁体４１０中または絶縁体４１２中で過剰酸素となる。絶縁体４０８が酸化アルミニウムを有することで、半導体４０６ｂに水素などの不純物が混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体４０８が酸化アルミニウムを有することで、上述の絶縁体４１０および絶縁体４１２へ添加した過剰酸素の外方拡散を低減することができる。
絶縁体４０２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４０２としては、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有することが好ましい。
なお、絶縁体４１０は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体４１０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体４１０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４１２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４１２としては、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有することが好ましい。
なお、絶縁体４１２は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体４１２は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、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、またはシリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物などを有することが好ましい。または、絶縁体４１２は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。例えば、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを、絶縁体４０６ｃ側に有することで、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、半導体４０６ｂに混入することを抑制することができる。また、例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを、絶縁体４０６ｃ側に有することで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。
導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、プラチナ、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金膜や化合物膜であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、またはチタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂとしては、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、プラチナ、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む金属酸化物を用いればよい。特に酸化タングステンが好ましい。
導電体４０４、導電体４１３、及び導電体４２０としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金膜や化合物膜であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、またはチタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
半導体４０６ｂとしては、酸化物半導体を用いることが好ましい。ただし、シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウムまたは有機半導体などを用いても構わない場合がある。
絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃとしては、半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物を用いることが好ましい。ただし、シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウムまたは有機半導体などを用いても構わない場合がある。
半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、半導体４０６ｂは、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、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、イットリウム、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、マグネシウム、タングステンなどがある。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。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体４０６ｂは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
ただし、半導体４０６ｂは、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体４０６ｂは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。
半導体４０６ｂは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体４０６ｂのエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
また、絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃは、半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物である。半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃが構成されるため、絶縁体４０６ａと半導体４０６ｂとの界面、および半導体４０６ｂと絶縁体４０６ｃとの界面において、欠陥準位が形成されにくい。
半導体４０６ｂは、絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体４０６ｂとして、絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃより電子親和力が０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端とのエネルギー差である。
このように、半導体４０６ｂの上下に絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃを配置したトランジスタにおいて、ゲート電圧を印加すると、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂ、絶縁体４０６ｃのうち、電子親和力の大きい半導体４０６ｂにチャネルが形成される。このように、いわゆる埋め込みチャネル構造を形成することができる。
ここで、絶縁体４０６ａと半導体４０６ｂとの間には、絶縁体４０６ａと半導体４０６ｂとの混合領域を有する場合がある。また、半導体４０６ｂと絶縁体４０６ｃとの間には、半導体４０６ｂと絶縁体４０６ｃとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、欠陥準位密度が低くなる。そのため、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂ、絶縁体４０６ｃの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）。なお、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂ、絶縁体４０６ｃはそれぞれの界面を明確に判別できない場合がある。
このとき、電子は絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃ中ではなく、半導体４０６ｂ中を主として移動する。
トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。
トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体４０６ｂの上面または下面（被形成面、ここでは絶縁体４０６ａ）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。
上述の３層構造は一例である。例えば、絶縁体４０６ａの上もしくは下、または絶縁体４０６ｃの上もしくは下に、絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃとして例示した絶縁体のいずれか一以上を有する積層構造としても構わない。
なお、半導体に用いることのできる酸化物半導体の詳細については、他の実施の形態で詳細に説明する。
＜トランジスタの作製方法１＞
以下では、本発明に係る図１のトランジスタの作製方法を図９乃至図１１を用いて説明する。
まず、基板４００を準備する。
次に、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように基板４００上に絶縁体４０１となる絶縁体を成膜し、絶縁体４０１に開口部を形成し、絶縁体４０１上に導電体４１３となる導電膜を成膜する。導電体４１３となる導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。また、導電体４１３は酸素を透過させない性質の導電体を含む多層構造としても良い。次に化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）などを用いて、絶縁体４０２の開口部に導電体４１３を埋め込むとよい。また導電体４１３の他の形成方法としては導電体を成膜し、フォトリソグラフィー法などを用いて加工し、導電体４１３を形成してもよい。
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、またはウェットエッチング処理を行う、またはドライエッチング処理に加えて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に加えてドライエッチング処理を行うことができる。
ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：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。
次に、図９（Ａ）または（Ｂ）の矢印で示すように、高密度プラズマ処理を行ってもよい。高密度プラズマ処理は、酸素雰囲気または窒素雰囲気で行うと好ましい。酸素雰囲気とは、酸素原子を有する気体雰囲気であり、酸素、オゾンまたは窒素酸化物（一酸化窒素、二酸化窒素、一酸化二窒素、三酸化二窒素、四酸化二窒素、五酸化二窒素など）雰囲気をいう。また、酸素雰囲気において、窒素、または希ガス（ヘリウム、アルゴンなど）の不活性気体が含まれてもよい。このように酸素雰囲気での高密度プラズマ処理を行うことによって、例えば炭素、水素などを脱離させることができる。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離させやすい。
窒素雰囲気での高密度プラズマ処理としては、例えば窒素と希ガスを含む雰囲気下、または窒素と水素と希ガスを含む雰囲気下、またはアンモニアと希ガスを含む雰囲気下において、上記高密度プラズマ処理を行えばよい。それによって、被処理物の表面およびその近傍を窒化することができる。窒化される領域は、被処理物の表面側に極めて薄く形成できる。また、このように窒化された領域によって、不純物の拡散を抑制することができる。
また、高密度プラズマ処理は、酸素雰囲気で行った後、窒素雰囲気で行ってもよく、また窒素雰囲気で処理後、酸素雰囲気で処理してもよい。また、それぞれの高密度プラズマ処理の前後にアニール処理を行ってもよい。なお、プラズマの密度を高くするためには、十分な量のガスを流すことが好ましい場合がある。ガスの量が十分でないと、ラジカルの生成速度よりも失活速度が高くなる場合がある。例えば、ガスを１００ｓｃｃｍ以上、３００ｓｃｃｍ以上または８００ｓｃｃｍ以上流すと好ましい場合がある。
高密度プラズマ処理は、例えば、周波数０．３ＧＨｚ以上３．０ＧＨｚ以下、０．７ＧＨｚ以上１．１ＧＨｚ以下、または２．２ＧＨｚ以上２．８ＧＨｚ以下（代表的には２．４５ＧＨｚ）の高周波発生器を用いて発生させたマイクロ波を用いればよい。また、処理圧力を１０Ｐａ以上５０００Ｐａ以下、好ましくは２００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下、さらに好ましくは３００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、基板温度を１００℃以上６００℃以下（代表的には４００℃）とし、酸素とアルゴンとの混合ガスを用いて行うことができる。
高密度プラズマは、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いることによって生成され、電子密度が１×１０１１／ｃｍ３以上１×１０１３／ｃｍ３以下、電子温度が２ｅＶ以下、またはイオンエネルギーが５ｅＶ以下で行うと好ましい。このような高密度プラズマ処理は、ラジカルの運動エネルギーが小さく、従来のプラズマ処理と比較してプラズマによるダメージが少ない。そのため、欠陥の少ない膜を形成することができる。マイクロ波を発生するアンテナから被処理物までの距離は５ｍｍ以上１２０ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とするとよい。
または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）バイアスを印加するプラズマ電源を有してもよい。ＲＦバイアスの周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚまたは２７．１２ＭＨｚなどを用いればよい。高密度プラズマを用いることより高密度の酸素イオンを生成することができ、基板側にＲＦバイアス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イオンを効率よく被処理物に導くことができる。そのため、基板バイアスを印加しながら、高密度プラズマ処理を行うことが好ましい。
また、高密度プラズマ処理の後、大気に暴露することなく連続してアニール処理を行ってもよい。また、高密度プラズマ処理は、アニール処理の後、大気に暴露することなく連続して行ってもよい。高密度プラズマ処理と、アニール処理と、を連続して行うことによって、処理の間で不純物が混入することを抑制できる。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行った後、アニール処理を行うことによって、被処理物へ添加された酸素のうち、酸素欠損の補償に使用されなかった不要な酸素を脱離させることができる。また、上記アニール処理は、例えばランプアニールなどにより行えばよい。
また、高密度プラズマ処理の処理時間は、３０秒以上１２０分以下、１分以上９０分以下、２分以上３０分以下、または３分以上１５分以下とすると好ましい。
また、アニール処理は、２５０℃以上８００℃以下、３００℃以上７００℃以下または４００℃以上６００℃以下の処理時間は、３０秒以上１２０分以下、１分以上９０分以下、２分以上３０分以下、または３分以上１５分以下とすると好ましい。
次に、絶縁体４０２を成膜する。絶縁体４０２の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを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、上記のようにプラズマに曝されることに起因する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、成膜中にプラズマに曝されることがないため、欠陥の少ない膜が得られやすい。
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、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。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
また、絶縁体４０２に酸素を添加する処理を行っても構わない。酸素を添加する処理としては、例えば、イオン注入法、プラズマ処理法などがある。なお、絶縁体４０２に添加された酸素は、過剰酸素となる。
次に、図９（Ｃ）及び図９（Ｄ）に示すように、絶縁体４０６ａとなる絶縁体、及び半導体４０６ｂとなる半導体を形成する。
まず、絶縁体４０２上に絶縁体４０６ａとなる絶縁体を成膜する。絶縁体４０６ａとなる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。特に、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。なお、本明細書などにおいて、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いた成膜法を、ＶＤＳＰ（ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ＳＰ）と呼ぶこともできる。
対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて絶縁体を成膜することによって、成膜時におけるプラズマ損傷を低減できる。そのため、膜中の酸素欠損を低減することができる。また、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いることで、高真空での成膜が可能となる。それにより、成膜された絶縁体中の不純物濃度（例えば水素、希ガス（アルゴンなど）、水など）を低減させることができる。
また、誘導結合型アンテナ導体板を有するスパッタリング装置を用いてもよい。それにより、成膜速度が高く、大面積かつ均一性の高い膜を成膜することができる。
成膜は、酸素を含むガス、希ガス、窒素を含むガスなどを用いて行うと好ましい。窒素を含むガスとして、たとえば窒素（Ｎ２）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、アンモニア（ＮＨ３）などを用いればよい。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
また、絶縁体４０６ａとなる絶縁体に酸素を添加する処理を行っても構わない。酸素を添加する処理としては、イオン注入法、プラズマ処理法などがある。なお、絶縁体４０６ａとなる絶縁体に添加された酸素は、過剰酸素となる。
次に絶縁体４０６ａとなる絶縁体上に半導体４０６ｂとなる半導体を成膜する。半導体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。特に、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。
対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて半導体を成膜することによって、成膜時におけるプラズマ損傷を低減できる。そのため、膜中の酸素欠損を低減することができる。また、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いることで、高真空での成膜が可能となる。それにより、成膜された半導体中の不純物濃度（例えば水素、希ガス（アルゴンなど）、水など）を低減させることができる。
また、誘導結合型アンテナ導体板を有するスパッタリング装置を用いてもよい。それにより、成膜速度が高く、大面積かつ均一性の高い膜を成膜することができる。
成膜は、酸素を含むガス、希ガス、窒素を含むガスなどを用いて行うと好ましい。窒素を含むガスとして、たとえば窒素（Ｎ２）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、アンモニア（ＮＨ３）などを用いればよい。
次に、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下で行えばよい。第１の加熱処理は、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、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理によって、半導体の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。または、第１の加熱処理は、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）を印加するプラズマ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半導体４０６ｂ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。
次に、図９（Ｅ）及び図９（Ｆ）に示すように、絶縁体４０６ａとなる絶縁体および半導体４０６ｂとなる半導体を、レジストマスク４３０を用いたフォトリソグラフィー法などによって加工し、絶縁体４０６ａおよび半導体４０６ｂを有する多層膜を形成する（図９（Ｃ）参照。）。なお、多層膜を形成する際、絶縁体４０２もエッチングされ、一部の領域が薄くなる場合がある。即ち、絶縁体４０２は、多層膜と接する領域に凸部を有する形状となる場合がある。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
次に、図９（Ｇ）及び図９（Ｈ）に示すように、導電体４１６を形成する。
まず、導電体４１６を成膜する。導電体４１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
なお、導電体４１６は、多層膜を覆う形状とする。該多層膜に導電体を成膜時に、絶縁体４０６ａの側面、半導体４０６ｂの上面および半導体４０６ｂの側面の一部にダメージを与えられることで、低抵抗化された領域が形成される場合がある。絶縁体４０６ａおよび半導体４０６ｂの一部が低抵抗化された領域を有するため、導電体４１６と、半導体４０６ｂと、の間のコンタクト抵抗を下げることができる。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
続いて、フォトリソグラフィー法などによって加工し、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを形成する。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
次に、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すように、絶縁体４１０となる絶縁体を成膜する。絶縁体４１０となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。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。
絶縁体４１０となる絶縁体は、上面が平坦性を有するように形成してもよい。例えば、絶縁体４１０となる絶縁体は、成膜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４１０となる絶縁体は、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、化学的機械研磨処理、ドライエッチング処理などがある。ただし、絶縁体４１０となる絶縁体の上面が平坦性を有さなくても構わない。
ここで、絶縁体４１０を成膜する際に、成膜ガス中の酸素により、導電体４１６の表面が酸化され、導電体４１６の上面に金属酸化物４１７が形成される。つまり、導電体４１６が酸化物となるため、導電体４１６の膜厚は薄くなる。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
次に、絶縁体４１０となる絶縁体上にリソグラフィー法などによってレジストマスク４３１を形成する。ここで絶縁体４１０となる絶縁体の上面とレジストマスクとの間の密着性を向上するために、例えば、有機塗布膜を絶縁体４１０となる絶縁体上とレジストマスクの間に設けても良い。
次に、図１０（Ｃ）及び図１０（Ｄ）に示すように、絶縁体４１０および導電体４１６に開口を形成する。まず、絶縁体４１０となる絶縁体を、ドライエッチング法などを用いて導電体４１６の上面に達するまで第１の加工を行う。ドライエッチング法は上述のドライエッチング装置を使用することができるが、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接続する構成のドライエッチング装置の使用が好ましい。
次に、導電体４１６を、ドライエッチング法などを用いて第２の加工をすることで、導電体４１６を、導電体４１６ａ、及び導電体４１６ｂに分離する。なお、絶縁体４１０の加工と、導電体４１６の加工と、を共通のフォトリソグラフィー法による工程中に行っても構わない。フォトリソグラフィー法による工程を共通化することで、工程数を少なくすることができる。そのため、トランジスタを有する半導体装置の生産性を高くすることができる。
このとき、半導体４０６ｂは、露出した領域を有する。半導体４０６ｂの露出した領域の一部は、上述の第２の加工により除去されることがある。また、露出した半導体４０６ｂにエッチングガスの残留成分などの不純物元素が付着する場合がある。例えば、エッチングガスとして塩素系ガスを用いると、塩素などが付着する場合がある。また、エッチングガスとして炭化水素系ガスを用いると、炭素や水素などが付着する場合がある。このため、半導体４０６ｂの露出した表面に付着した不純物元素を低減することが好ましい。当該不純物の低減は、例えば、希フッ酸などを用いた洗浄処理、オゾンなどを用いた洗浄処理、または紫外線などを用いた洗浄処理で行なえばよい。なお、複数の洗浄処理を組み合わせてもよい。これにより、半導体４０６ｂの露出した面、言い換えるとチャネルが形成される領域は高抵抗となる。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。さらに、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことで、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの開口の内側に露出した側面が酸化され、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面に金属酸化物を形成することができる。
次に、図１０（Ｅ）及び図１０（Ｆ）に示すように、少なくとも絶縁体４１０の側面を除いた、半導体４０６ｂの上面および側面、絶縁体４０６ａの側面、絶縁体４０２の上面、及び絶縁体４１０の上面に絶縁体４０６ｃを成膜した後、絶縁体４１２を成膜する。
絶縁体４０６ｃの成膜は、スパッタリング法を用いて行うことができる。ここで、絶縁体４０６ｃの成膜に用いるスパッタリング装置について、図１２及び図１３を用いて説明する。
図１２は、スパッタリング装置１０１の一部を示す断面図である。図１２に示すスパッタリング装置１０１は、部材１９０と、部材１９０上に配置されたコリメータ１５０と、ターゲットホルダ１２０と、ターゲットホルダ１２０上に配置されたバッキングプレート１１０と、バッキングプレート１１０上に配置されたターゲット１００と、バッキングプレート１１０を介してターゲット１００の下に配置されたマグネット１３０Ｎおよびマグネット１３０Ｓを含むマグネットユニット１３０と、マグネットユニット１３０を支持するマグネットホルダ１３２と、を有する。なお、本明細書では、複数のマグネット（磁石）を組み合わせたものをマグネットユニットと呼ぶ。マグネットユニットは、カソード、カソードマグネット、磁気部材、磁気部品などと呼びかえることができる。
なお、ターゲット１００と向かい合って配置された基板ステージ１７０と、基板ステージ１７０に支持された基板１６０も示す。また、マグネットユニット１３０によって形成される磁力線１８０ａおよび磁力線１８０ｂを示す。
ターゲットホルダ１２０とバッキングプレート１１０とは、ネジ（ボルトなど）を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ１２０は、バッキングプレート１１０を介してターゲット１００を支持する機能を有する。
バッキングプレート１１０は、ターゲット１００を固定する機能を有する。
スパッタリング装置１０１は、バッキングプレート１１０の内部または下部などに水路を有してもよい。そして、水路に流体（空気、窒素、希ガス、水、オイルなど）を流すことで、スパッタ時にターゲット１００の温度の上昇による放電異常や、ターゲット１００などの部材の変形によるスパッタリング装置１０１の損傷などを抑制することができる。このとき、バッキングプレート１１０とターゲット１００とをボンディング材を介して密着させると、冷却性能が高まるため好ましい。
なお、ターゲットホルダ１２０とバッキングプレート１１０との間にガスケットを有すると、スパッタリング装置１０１内に外部や水路などに起因した不純物が混入しにくくなるため好ましい。
マグネットユニット１３０において、マグネット１３０Ｎとマグネット１３０Ｓとは、ターゲット１００側に異なる極性を向けて配置されたマグネットである。ここでは、マグネット１３０Ｎをターゲット１００側がＮ極となるように配置し、マグネット１３０Ｓをターゲット１００側がＳ極となるように配置する場合について説明する。ただし、マグネットユニット１３０におけるマグネットおよび極性の配置は、図１２の配置に限定されるものではない。
磁力線１８０ａは、ターゲット１００の表面近傍における水平磁場を形成する磁力線の一つである。ターゲット１００の表面近傍は、例えば、ターゲット１００から垂直距離が０ｍｍ以上１０ｍｍ以下、特に０ｍｍ以上５ｍｍ以下の領域である。
磁力線１８０ｂは、マグネットユニット１３０の表面から、垂直距離ｄにおける水平磁場を形成する磁力線の一つである。垂直距離ｄは、例えば、０ｍｍ以上２０ｍｍ以下または５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。
成膜時、ターゲットホルダ１２０に印加される電位Ｖ１は、例えば、基板ステージ１７０に印加される電位Ｖ２よりも低い電位である。また、基板ステージ１７０に印加される電位Ｖ２は、例えば、接地電位である。また、マグネットホルダ１３２に印加される電位Ｖ３は、例えば、接地電位である。なお、電位Ｖ１、電位Ｖ２および電位Ｖ３は上記の電位に限定されない。また、ターゲットホルダ１２０、基板ステージ１７０、マグネットホルダ１３２の全てに電位が印加されなくても構わない。例えば、基板ステージ１７０が電気的に浮いていても構わない。
また、図１２では、バッキングプレート１１０およびターゲットホルダ１２０と、マグネットユニット１３０およびマグネットホルダ１３２と、は電気的に接続されない例を示したが、これに限定されない。例えば、バッキングプレート１１０およびターゲットホルダ１２０と、マグネットユニット１３０およびマグネットホルダ１３２と、が電気的に接続されており、等電位となっていても構わない。
スパッタリング装置１０１内に、成膜ガス（例えば、アルゴンなどの希ガス、酸素、窒素など）を流し、圧力を一定（例えば、０．０５Ｐａ以上１０Ｐａ以下、好ましくは０．１Ｐａ以上０．８Ｐａ以下）とし、ターゲットホルダ１２０に電位Ｖ１を印加すると、マグネットユニット１３０によって形成された磁場の中にプラズマが形成される。プラズマの電位は、電位Ｖ１よりも高い電位Ｖｐとなる。このとき、プラズマ中の陽イオンは、電位Ｖｐと電位Ｖ１との電位差によってターゲット１００に向けて加速される。そして、陽イオンがターゲット１００に衝突することで、スパッタ粒子を放出する。放出されたスパッタ粒子のうち、基板１６０に到達したスパッタ粒子が膜として堆積する。
一般にスパッタリング装置では、アスペクト比が大きい、かつ小さな開口の底部には、スパッタ粒子が到達しにくくなる。また、基板に対して、斜め方向に飛行するスパッタ粒子が間口近傍に堆積し、間口を狭めしまい、開口内に成膜されない場合がある。
一方、上記構成のスパッタリング装置を用いることで、放出されたスパッタ粒子のうち、基板１６０の被形成面に対し、斜めに方向に飛行するスパッタ粒子はコリメータ１５０に付着する。つまり、コリメータ１５０を設置することで、ターゲット１００と基板１６０との間に設置されたコリメータ１５０を通過した、基板１６０に対し垂直成分を持つスパッタ粒子が、基板に到達する。よって、基板に対し平行な面に堆積する。一方、スパッタ粒子は、基板に対し垂直な面には堆積しない、または基板に対し平行な面よりも堆積が少ない。従って、上記スパッタリング装置を使用することで、図１０（Ｃ）及び図１０（Ｄ）に示すように、基板に対し垂直な面を除いて、絶縁体４０６ｃを成膜することができる。
なお、ターゲット１００とコリメータ１５０、または基板１６０とコリメータ１５０との垂直距離は成膜する膜質によって、適宜変更するとよい。従って、コリメータ１５０は、図１３に示すように、可動部１５１および可動部１５２を備えていてもよい。可動部１５１を有することで、コリメータ１５０の使用の有無を容易に選択することができる。また、可動部１５２を有することで、コリメータ１５０と、基板１６０及びターゲット１００との垂直距離を容易に調整することができる。
また、ロングスロースパッタリング法を用いることもできる。ロングスロースパッタリング法とは、ターゲット１００と基板１６０との垂直距離を遠くすることで、スパッタ粒子の基板１６０への入射方向を垂直に近づけることができる。従って、コリメータ１５０を用いなくとも、絶縁体４０６ｃを、基板に対し垂直な面を除いて成膜することもできる。なお、基板１６０とターゲット１００との垂直距離を１５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下とすればよい。また、ロングスロースパッタリング法にコリメータ１５０を組み合わせてもよい。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。その場合、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことで、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂにおいて、絶縁体４１０が有する開口側の側面が酸化され、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面に金属酸化物を形成することができる。
続いて、絶縁体４１０および絶縁体４０６ｃ上に絶縁体４１２となる絶縁体を成膜する。絶縁体４１２となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
ここで、絶縁体４１２を成膜する際に、成膜ガス中の酸素により、導電体４１６ａの側面および導電体４１６ｂの側面が酸化され、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂが形成される。なお、この時、導電体４１６ａの上面および導電体４１６ｂの上面は、絶縁体４１０を成膜する際に形成された金属酸化物がすでに形成されている。従って、金属酸化物は側面にのみ形成される。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂが酸化されるため、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面は後退し、一方、金属酸化物４１７ａ及び金属酸化物４１７ｂの端部は、絶縁体４１０が有する開口と重なる領域が形成される。
さらに、絶縁体４１２を成膜する際に、成膜ガス中の酸素が絶縁体４０６ｃを介して、半導体４０６ｂに添加され、半導体４０６ｂの酸素欠損を補償することができる。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
次に、図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、導電体４０４ａ、及び４０４ｂとなる導電体を成膜する。導電体４０４ａ、及び４０４ｂとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂとなる導電体は、絶縁体４１０などによって形成される開口部を埋めるように成膜する。したがって、ＣＶＤ法（特にＭＣＶＤ法）を用いることが好ましい。また、ＭＣＶＤ法で成膜する導電体の密着性を高めるために、ＡＬＤ法などによって成膜した導電体と、ＣＶＤ法で成膜した導電体との積層膜にすると好ましい場合がある。例えば、窒化チタンと、タングステンとがこの順に成膜された積層膜などを用いればよい。
続いて、図１１（Ｃ）及び図１１（Ｄ）に示すように、ＣＭＰ処理などにより、絶縁体４１０が露出するまで、導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ、絶縁体４１２、絶縁体４０６ｃを除去する。この際、絶縁体４１０をストッパー層として使用することもでき、絶縁体４１０の厚さが減少する場合がある。そのため、完成したトランジスタにおいて導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂが、十分に抵抗が低くなるように、絶縁体４１０の膜厚に余裕を持たせて設計しておくことで、ばらつきの少ないトランジスタを複数作成することができる。
なお、ＣＭＰ処理は、１回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてＣＭＰ処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うのが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、研磨表面の平坦性をさらに向上させることができる。
次に、導電体４２０となる導電体を成膜する。なお、導電体４２０は積層構造でも構わない。導電体４２０となる導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。続いて、フォトリソグラフィー法などによって加工し、導電体４２０を形成する。
次に、続いて、図１１（Ｅ）及び図１１（Ｆ）に示すように、絶縁体４１０上および導電体４２０上に絶縁体４０８を形成する。絶縁体４０８の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。好ましくは、絶縁体４０８として、酸素を有するプラズマを用いて酸化アルミニウムを成膜することで、該プラズマ中の酸素を過剰酸素（ｅｘＯ）として、絶縁体４１０の上面および絶縁体４１２の絶縁体４０８と接する領域へ添加することができる。このとき絶縁体４０８と絶縁体４１０の膜界面近傍に過剰酸素を多く含んだ混合領域が形成されることがある。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
また、絶縁体４０８の成膜より後のいずれかのタイミングにおいて、第２の加熱処理を行っても構わない。第２の加熱処理を行うことで、絶縁体４１０および混合領域に含まれる過剰酸素が絶縁体４１２、絶縁体４０２、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ａを通過して半導体４０６ｂまで移動する。このように、過剰酸素が半導体４０６ｂまで移動するため、半導体４０６ｂの欠陥（酸素欠損）を低減することができる。
なお、第２の加熱処理は、絶縁体４１０および混合領域に含まれる過剰酸素が半導体４０６ｂまで拡散する温度で行えばよい。例えば、第１の加熱処理についての記載を参照しても構わない。または、第２の加熱処理は、第１の加熱処理よりも低い温度が好ましい。第１の加熱処理と第２の加熱処理の温度差は、２０℃以上１５０℃以下、好ましくは４０℃以上１００℃以下とする。これにより、絶縁体４０２などから余分に過剰酸素が放出することを抑えることができる。なお、第２の加熱処理は、同等の加熱処理を各層の成膜時の加熱によって兼ねることができる場合、行わなくてもよい場合がある。
また、特に図示しないが、絶縁体４０８および絶縁体４１０に、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂに達する開口部を形成し、それぞれの開口部に配線として機能する導電体を形成してもよい。また、絶縁体４０８に導電体４０４に達する開口部を形成し、配線として機能する導電体を形成してもよい。
以上のようにして、図１に示したトランジスタを作製することができる。
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、半導体として、酸化物半導体を用いた場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、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、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体等を用いてもよい。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
＜トランジスタ構造２＞
以下では、図１と異なる構成のトランジスタおよびその作製方法について、図２を用いて説明する。図２は、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を示す。図２（Ａ）は上面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図２（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
本トランジスタは、絶縁体４０６ｃが、金属酸化物４１７ａと金属酸化物４１７ｂとの間を埋める構造とする。当該構造とすることで、ゲート絶縁体となる絶縁体４１２が段差を乗り越えない為、耐圧を高くすることができ、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
＜トランジスタの作製方法２＞
まず、実施の形態１に示す図１０（Ｃ）及び図１０（Ｄ）まで同様に工程を行う。
次に、実施の形態１と同様の条件で、絶縁体４０６ｃを形成する。その時、絶縁体４０６ｃにより、導電体４１６ａ上および導電体４１６ｂ上に形成された金属酸化物の上面まで、絶縁体４０６ｃを成膜する。
続いて、実施の形態１と同様の条件で、絶縁体４１２を形成する。この時、成膜ガス中の酸素が絶縁体４０６ｃを透過し、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面を酸化し、体積が膨張する。従って、図１０（Ｃ）に示す導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面は、絶縁体４１０の内側方向にも酸化が進行する。また、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂの側面は、絶縁体４１０に形成された開口と重なる領域にも参加が進行する。一方、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面は、前工程において、金属酸化物が形成されているため、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面方向には酸化が進まない。
以降の工程は、実施の形態１に示したトランジスタの作製方法１における工程と同様にして行えばよい。
以上のようにして、図２に示したトランジスタを作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
＜トランジスタ構造３＞
以下では、図１と異なる構成のトランジスタおよびその作製方法について、図３を用いて説明する。図３は、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を示す。図３（Ａ）は上面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図３（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
本トランジスタは、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂと絶縁体４０６ｃとの間の金属酸化物４１７ａまたは金属酸化物４１７ｂの領域が、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂと絶縁体４１２との間の金属酸化物４１７ａまたは金属酸化物４１７ｂの領域よりも、薄く形成される、または存在しない構成とする。当該構造とすることで、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂが、絶縁体４０６ｃに近接して形成することができるため、トランジスタのオン特性を向上することができる。
＜トランジスタの作製方法３＞
まず、実施の形態１に示す図１０（Ｃ）及び図１０（Ｄ）まで同様に工程を行う。
次に、次に、実施の形態１と同様の条件で、絶縁体４０６ｃを形成する。続いて、絶縁体４１２を形成する。この時、成膜ガス中の酸素が絶縁体４０６ｃを通り抜けない条件で成膜すれば良い。従って、絶縁体４０６ｃと接していない領域のみ、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面が酸化される。なお、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面は、前工程において、金属酸化物が形成されているため、金属酸化物の上面は酸化されない。そのため、金属酸化物４１７ａと導電体４１６ａの界面、及び金属酸化物４１７ｂと導電体４１６ｂの界面は、絶縁体４１０と重なる。また、絶縁体４１２と、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂとが接する面は、絶縁体４１０に形成された開口と重なる。
以降の工程は、実施の形態１に示したトランジスタの作製方法１における工程と同様にして行えばよい。
以上のようにして、図２に示したトランジスタを作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態４）
＜トランジスタ構造４＞
以下では、図１と異なる構成のトランジスタおよびその作製方法について、図４を用いて説明する。図４は、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を示す。図４（Ａ）は上面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、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。
本トランジスタは、図４（Ｂ）において、絶縁体４１０の側面が、導電体４１６ａの上面に対して０度よりも大きく、９０度未満の角度θを有し、絶縁体４１０の側面に絶縁体４０６ｃが形成されている。なお、角度θは７５度以上９０度未満、好ましくは８０度以上９０度未満、さらに好ましくは８５度以上９０未満とすればよい。なお、絶縁体４０６ｃが絶縁体４１２を介して導電体４０４の側面を覆う領域は、絶縁体４０６ｃが導電体４０４の底面と重なる領域よりも、絶縁体４０６ｃを薄く設ける。なお、その他の構成は図１に示すトランジスタを参酌する。
＜トランジスタの作製方法４＞
まず、実施の形態１に示す図１０（Ａ）及び図（Ｂ）まで同様に工程を行う。
次に、絶縁体４１０の側面が、導電体４１６ａの上面に対して、０度よりも大きく９０度未満の角度θを有するように形成する。続いて、実施の形態１で説明した成膜装置を用いて、絶縁体４０６ｃを形成する。この時、例えば、角度θが小さいほど、ステッパ粒子が堆積する蓋然性が高くなり、絶縁体４１０の側面には、絶縁体４０６ｃは厚く形成される。また、角度θが大きいほど、絶縁体４１０の側面に、絶縁体４０６ｃは薄く形成される。従って、絶縁体４１０の側面に形成される絶縁体４０６ｃの膜厚は、角度θによって調整することができる。つまり、形成されるオフセット領域の幅となるＬ１を小さくすることができる。ｔ１は、Ｌ１よりも大きく、Ｌ１／ｔ１は１未満となる。
なお、絶縁体４０６ｃを形成する時点で、金属酸化物の側面が酸化されていない場合、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂに接して形成される絶縁体４０６ｃは、絶縁体４１０の側面に形成される絶縁体４０６ｃ同様に、半導体４０６ｂ上に形成される絶縁体４０６ｃよりも、薄く形成される。
また、絶縁体４０６ｃを形成する時点で、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂがすでに形成されている場合、金属酸化物４１７ａの側面および金属酸化物４１７ｂの側面に形成される絶縁体４０６ｃは、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂが絶縁体４１０の開口と重なる領域に形成される絶縁体４０６ｃよりも、薄く形成される。
以降の工程は、実施の形態１に示したトランジスタの作製方法１における工程と同様にして行えばよい。
以上のようにして、図４に示したトランジスタを作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
＜トランジスタ構造５及び６＞
以下では、図１と異なる構成のトランジスタおよびその作製方法について、図５および図６を用いて説明する。図５および図６は、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を示す。
図５及び図６に示すトランジスタについて説明する。なお、図５（Ａ）及び図６（Ａ）は上面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図５（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
また、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図６（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。
図５及び図６に示すトランジスタは、絶縁体４０６ｃ、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂが、絶縁体４１０の上面の一部領域にも形成されている。その他の構成は図１または図４に示すトランジスタを参酌する。
図５及び図６に示すトランジスタは、ゲート電極として機能する導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂの一部が配線としての機能を有していてもよい。。つまり、絶縁体４０６ｃ、及び絶縁体４１２を介して、絶縁体４１０上に形成された導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂが、トランジスタ構造１における導電体４２０に相当する。従って、当該構造において、ｔ２は、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂと、絶縁体４１０上の導電体４０４ａとの垂直距離とする。なお、また、絶縁体４０６ｃ、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを同時に形成しているため、絶縁体４１０上に形成された導電体４０４ａとの間に、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４１２を介在する。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面に、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂが形成されることで、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは薄膜化されている。従って、ｔ２はＬ２に対し、十分な距離を有することができ、寄生容量を抑制することができる。
＜トランジスタの作製方法５及び６＞
以下では図５に示したトランジスタの作製方法について説明する。
まず、実施の形態１に示す図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）まで同様に工程を行う。
次に、リソグラフィー法などを用いて、絶縁体４０６ｃ、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを形成する。当該構成とすることで、トランジスタ構造１における導電体４２０に相当する導電体を、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを用いて、同時に形成することができる。
次に絶縁体４０８を形成させる。
以上のようにして、図５に示したトランジスタを作製することができる。
なお、図６に示したトランジスタは図４に示したトランジスタと同様の工程を用いて、絶縁体４０６ｃ、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを成膜する。その後、リソグラフィー法などを用いて、絶縁体４０６ｃ、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを形成する。当該構成とすることで、トランジスタ構造１における導電体４２０に相当する導電体を、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを用いて、同時に形成することができる。
以上のようにして、図６に示したトランジスタを作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
＜トランジスタ構造７及び８＞
以下では、図１と異なる構成のトランジスタおよびその作製方法について、図７および図８を用いて説明する。図７および図８は、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を示す。
図７及び図８に示すトランジスタについて説明する。なお、図７（Ａ）及び図８（Ａ）は上面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図７（Ｃ）は、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図７（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
また、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図８（Ｃ）は、図８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図８（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。
図７及び図８に示すトランジスタは、導電体４１６ａ、及び導電体４１６ｂが、半導体４０６ｂ上にのみ形成されている。その他の構成は図１または図４に示すトランジスタを参酌する。
＜トランジスタの作製方法７及び８＞
以下では図７に示したトランジスタの作製方法について説明する。
まず、実施の形態１に示す図９（Ａ）及び図９（Ｂ）まで同様に工程を行う。
次に、絶縁体４０６ａおよび半導体４０６ｂを成膜した後、導電体４１６を形成する。続いて、リソグラフィー法などによって、導電体４１６上にレジストを形成し、レジストをマスクとして導電体４１６に対して、第１のエッチングを行う。次にレジストを除去した後、導電体４１６をマスクとして、第２のエッチングを行う。第２のエッチングは、絶縁体４０６ａ、及び半導体４０６ｂに対して行われる。。
後の工程は、図１０以降の工程と同様である。以上のようにして、図５に示したトランジスタを作製することができる。
なお、図８に示したトランジスタも図７に示したトランジスタと同様に、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂ、導電体４１６を形成する。その後、図４に示したトランジスタと同様の工程を用いてトランジスタを作製するとよい。
以上のようにして、図８に示したトランジスタを作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態７）
＜トランジスタ構造９＞
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置が有するトランジスタの構造について説明する。
図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、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である。図１２（Ａ）は上面図である。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図であり、チャネル長方向の断面形状を示す。図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図であり、チャネル幅方向の断面形状を示す。なお、図１２（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。
図１２に示すトランジスタは、基板４００上の導電体４１３および絶縁体４０１と、導電体４１３および絶縁体４０１上の絶縁体４０２と、絶縁体４０２上の絶縁体４０６ａと、絶縁体４０６ａ上の半導体４０６ｂと、半導体４０６ｂの上面と接する領域を有する導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂと、導電体４１６ａ上および導電体４１６ｂ上にそれぞれと接する金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂと、絶縁体４０２、金属酸化物４１７ａの上面、及び金属酸化物４１７ｂの上面と接し、開口を有する絶縁体４１０と、金属酸化物４１７ａの側面、金属酸化物４１７ｂの側面、半導体４０６ｂの上面および側面と接する絶縁体４０６ｃと、絶縁体４０６ｃ上の絶縁体４０６ｄと、絶縁体４０６ｄおよび絶縁体４１０の開口の側面と接する絶縁体４１２と、絶縁体４１２、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄを介して半導体４０６ｂ上に配置する、導電体４０４ａ、および導電体４０４ｂを有する導電体４０４と、を有する。なお、導電体４０４ａは、導電体４０４ｂと絶縁体４１２を介して、絶縁体４１０の開口の側面と対向している。また、トランジスタ上に、導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂ上の導電体４２０と、絶縁体４１２および導電体４２０上の絶縁体４０８と、を有する。また、図５７（Ａ）、図５７（Ｂ）、および図５７（Ｃ）に示すように、導電体４１３および絶縁体４０１は必須の構成ではなく、導電体４１３および絶縁体４０１がない構成としてもよい。
絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄは、半導体４０６ｂの有する、酸素以外の元素の少なくとも一を有すると好ましい。それによって、半導体４０６ｂおよび絶縁体４０６ｃ、ならびに絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄのそれぞれの界面において、欠陥の生成を抑制することができる。また、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄの結晶性を向上させることができる。
半導体４０６ｂおよび絶縁体４０６ｃは、後述するＣＡＡＣ−ＯＳを有することが好ましい。さらに、絶縁体４０６ｄもＣＡＡＣ−ＯＳを有することが好ましい。また、絶縁体４０６ａもＣＡＡＣ−ＯＳを有することが好ましい。
本トランジスタにおいて、導電体４０４ａ、及び４０４ｂは第１のゲート電極としての機能を有する。また、導電体４０４ａ、及び４０４ｂの少なくとも一方が酸素を透過させない導電体であると好ましい。例えば酸素を透過しにくい導電体を下層となる導電体４０４ａに形成することで導電体４０４ｂの酸化による導電率の低下を防ぐことができる。また、絶縁体４１２は第１のゲート絶縁体としての機能を有する。
また、導電体４１３は、第２のゲート電極としての機能を有する。また、導電体４１３は酸素を透過させない性質の導電体を含む積層構造とすることもできる。酸素を透過させない性質の導電体を含む積層構造とすることで導電体４１３の酸化による導電率の低下を防ぐことができる。絶縁体４０２は第２のゲート絶縁体としての機能を有する。導電体４１３へ印加する電位によって、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。また、第１のゲート電極と第２のゲート電極を電気的に接続することで、導通時の電流（オン電流）を大きくすることができる。なお、第１のゲート電極の機能と、第２のゲート電極の機能と、が入れ替わっても構わない。
また、導電体４１６ａは、ソース電極またはドレイン電極の一方としての機能を有する。また、導電体４１６ｂは、ソース電極またはドレイン電極の他方としての機能を有する。なお、導電体の導電率は、２端子法などを用いて測定することができる。
また、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂは、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂの端部に生じる電界集中を緩和する機能を有する。なお、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂは、それぞれ膜厚の異なる領域を有すると好ましい。例えば、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂの側面と接する金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂの側面方向の厚さは、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂの上面と接する金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂの上面方向の厚さよりも大きいと好ましい。つまり、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂが、絶縁体４０６ｃまたは絶縁体４１２と接する領域の膜厚が大きいと好ましい。
また、金属酸化物４１７ａ及び金属酸化物４１７ｂの端部は、絶縁体４１０が有する開口と重なる領域を有することが好ましい。つまり、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂが、絶縁体４１２と重なる領域を有することで、電界集中を効果的に緩和し、信頼性を向上させることができる。また、短チャネル効果を抑制することができる。さらに、導電体４１６ａと導電体４０４との間に生じるリーク電流を抑制することができる。
導電体４０４に印加する電位によって、半導体４０６ｂの抵抗を制御することができる。即ち、導電体４０４に印加する電位によって、導電体４１６ａの間の導通・非導通を制御することができる。
図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）に示すように、半導体４０６ｂの上面は、導電体４１６ａと接する。また、ゲート電極としての機能を有する導電体４０４の電界によって、半導体４０６ｂを電気的に取り囲むことができる。ゲート電極の電界によって、半導体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。そのため、半導体４０６ｂの全体にチャネルが形成される場合がある。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのソース−ドレイン間に大きな電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を大きくすることができる。また、半導体４０６ｂが、導電体４０４の電界によって取り囲まれていることから、非導通時の電流（オフ電流）を小さくすることができる。
本実施の形態におけるトランジスタは、ゲート電極として機能する領域が、絶縁体４１０などによって形成される開口を埋めるように自己整合（ｓｅｌｆ ａｌｉｇｎ）的に形成されるので、ＴＧＳＡｓ−ｃｈａｎｎｅｌ ＦＥＴ（Ｔｒｅｎｃｈ Ｇａｔｅ Ｓｅｌｆ Ａｌｉｇｎ ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ ＦＥＴ）と呼ぶこともできる。
ここで、図１２（Ｂ）において、導電体４０４と重なる領域の半導体４０６ｂの上面と導電体４０４の底面との間の長さをｔ１とする。また、図１２（Ａ）において、半導体４０６ｂにおいて、金属酸化物４１７ａの底面と接する領域と、導電体４０４の底面と接する領域と、の間の長さをＬ１とする。または、金属酸化物４１７ｂの底面と接する領域と、導電体４０４の底面と接する領域との間の領域と、の間の長さをＬ１とする。
トランジスタにおいて、長さＬ１となる領域を有することで、トランジスタのオフ電流を下げることができる一方、当該領域が大きすぎる場合、トランジスタのオン電流を下げてしまう。
また、半導体４０６ｂのチャネルが形成される領域を、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄで覆うことで、チャネルの形成される領域へ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックすることができる。従って、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄは少なくとも半導体４０６ｂ上に形成されていればよい。
そこで、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄを、絶縁体４１２を介して導電体４０４の側面に設けない、あるいは、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄが絶縁体４１２を介して導電体４０４の側面を覆う領域は、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄが導電体４０４の底面と重畳する領域よりも、絶縁体４０６ｃ、ないし絶縁体４０６ｄを薄く設けることにより、形成されるＬ１を小さくすることができる。従って、ｔ１は、Ｌ１よりも大きく、Ｌ１／ｔ１は１未満となる。
また、図１２（Ｂ）および図１３（Ａ）において、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂと、導電体４２０との間の長さをｔ２とする。また、図１２（Ｂ）において、金属酸化物４１７ａと金属酸化物４１７ｂの間の長さをＬ２とする。
トランジスタが微細化されていくにつれ、トランジスタ近傍の寄生容量は無視できない大きな問題となる。例えば、導電体４２０と導電体４１６ａ、または導電体４１６ｂとの間に寄生容量が形成される場合がある。チャネルが形成される領域の近傍に寄生容量が大きい場合、トランジスタ動作において、寄生容量の充電に要する時間が必要となり、トランジスタの応答性、ひいては半導体装置の応答性を低下させてしまう。また、寄生容量に充電するための不要な電力を消費する為、複数のトランジスタを用いて構成される回路において、消費電力が大きくなる。従って、ｔ２は寄生容量がゲート容量と比較して無視できる程度に、十分な長さであることが好ましい。
また、トランジスタが微細化されていくにつれ、Ｌ２は小さくなり、導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂに十分な電圧を印加することが難しくなる。しかしながら、ｔ２を十分な長さに設計することで、導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂの抵抗を下げることができる。従って、ｔ２は、Ｌ２よりも大きければよく、好ましくはｔ２／Ｌ２が１．５以上２以下とするとよい。
図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示す本実施の形態におけるトランジスタは、絶縁体４１０に設けられる開口部の拡大図を示す。絶縁体４０６ｄの上面の高さは、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面と同じくらいの高さとすればよい。なお、絶縁体４０６ｄの上面とは、絶縁体４０６ｄが導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂの底面と重なる領域において、導電体４０４ａに近い面とする。理想的には、図１３（Ａ）に示すように、絶縁体４０６ｄの上面は、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面と同じ高さであることが好ましい。
また、絶縁体４０６ｃの上面の高さは、半導体４０６ｂと、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面と同じくらいの高さとなることが好ましい。なお、絶縁体４０６ｃの上面とは、絶縁体４０６ｃが導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂの底面と重なる領域において、導電体４０４ａに近い面とする。理想的には、絶縁体４０６ｃの上面は、半導体４０６ｂと、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとの界面と同じで高さであることが好ましい。しかしながら、絶縁体４０６ｃは、少なくとも半導体４０６ｂのオーバーエッチングされた部分を埋めていればよく、図１３（Ｂ）に示すように、半導体４０６ｂと、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとの界面よりも上方にあってもかまわない。
また、本実施の形態におけるトランジスタにおいて、半導体４０６ｂ上に絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄの２層を設ける構成を示したが、これに限らず、３層以上の積層構造としてもよい。
基板４００としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（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４００として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板４００に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板４００として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板４００が伸縮性を有してもよい。また、基板４００は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板４００は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板４００を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板４００を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板４００上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可とう性基板である基板４００としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板４００は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板４００としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板４００として好適である。
なお、トランジスタを、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば絶縁体４０８として、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を用いればよい。
水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
また、例えば、絶縁体４０８としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、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を用いればよい。なお、絶縁体４０８は、酸化アルミニウムを有することが好ましい。例えば、絶縁体４０８は酸素を有するプラズマを用いて成膜すると絶縁体４０８の下地層となる絶縁体４１０へ酸素を添加することができる。または、絶縁体４１２の側面に酸素を添加することもできる。添加された酸素は、絶縁体４１０中または絶縁体４１２中で過剰酸素となる。絶縁体４０８が酸化アルミニウムを有することで、半導体４０６ｂに水素などの不純物が混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体４０８が酸化アルミニウムを有することで、上述の絶縁体４１０および絶縁体４１２へ添加した過剰酸素の外方拡散を低減することができる。
絶縁体４０２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４０２としては、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有することが好ましい。
なお、絶縁体４１０は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体４１０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体４１０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４１２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体４１２としては、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有することが好ましい。
なお、絶縁体４１２は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体４１２は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、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、またはシリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物などを有することが好ましい。または、絶縁体４１２は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。例えば、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄ側に有することで、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、半導体４０６ｂに混入することを抑制することができる。また、例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄ側に有することで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。
導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、プラチナ、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金膜や化合物膜であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、またはチタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂとしては、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、プラチナ、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む金属酸化物を用いればよい。特に酸化タングステンが好ましい。
導電体４０４、導電体４１３、及び導電体４２０としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金膜や化合物膜であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、またはチタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
半導体４０６ｂとしては、酸化物半導体を用いることが好ましい。ただし、シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウムまたは有機半導体などを用いても構わない場合がある。
絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄしては、半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物を用いることが好ましい。ただし、シリコン（歪シリコン含む）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウムまたは有機半導体などを用いても構わない場合がある。
半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。半導体４０６ｂは、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、半導体４０６ｂは、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、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、イットリウム、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、マグネシウム、タングステンなどがある。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。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体４０６ｂは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
ただし、半導体４０６ｂは、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体４０６ｂは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであっても構わない。
半導体４０６ｂは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体４０６ｂのエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。
また、絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄは、半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物である。半導体４０６ｂを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄが構成されるため、絶縁体４０６ａと半導体４０６ｂとの界面、および半導体４０６ｂと絶縁体４０６ｃとの界面、絶縁体４０６ｃと絶縁体４０６ｄの界面において、欠陥準位が形成されにくい。
半導体４０６ｂは、絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、半導体４０６ｂとして、絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄより電子親和力が０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端とのエネルギー差である。
このように、半導体４０６ｂの上下に絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄを配置したトランジスタにおいて、ゲート電圧を印加すると、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂ、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄのうち、電子親和力の大きい半導体４０６ｂにチャネルが形成される。このように、いわゆる埋め込みチャネル構造を形成することができる。
ここで、絶縁体４０６ａと半導体４０６ｂとの間には、絶縁体４０６ａと半導体４０６ｂとの混合領域を有する場合がある。また、半導体４０６ｂと絶縁体４０６ｃとの間には、半導体４０６ｂと絶縁体４０６ｃとの混合領域を有する場合がある。また、絶縁体４０６ｃと絶縁体４０６ｄとの間には、絶縁体４０６ｃと絶縁体４０６ｄとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、欠陥準位密度が低くなる。そのため、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂ、絶縁体４０６ｃの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう。）。なお、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂ、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄはそれぞれの界面を明確に判別できない場合がある。
このとき、電子は絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄ中ではなく、半導体４０６ｂ中を主として移動する。
トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くすることができる。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合にも阻害される。
トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体４０６ｂの上面または下面（被形成面、ここでは絶縁体４０６ａ）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖともいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて測定することができる。
上述の４層構造は一例である。例えば、絶縁体４０６ａの上もしくは下、または絶縁体４０６ｄの上もしくは下に、絶縁体４０６ａ、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄとして例示した絶縁体のいずれか一以上を有する積層構造としても構わない。
なお、半導体に用いることのできる酸化物半導体の詳細については、他の実施の形態で詳細に説明する。
＜トランジスタの作製方法９＞
以下では、本発明に係る図１２のトランジスタの作製方法を図２１乃至図２３を用いて説明する。
まず、基板４００を準備する。
次に、図２１（Ａ）及び図２０（Ｂ）に示すように基板４００上に絶縁体４０１となる絶縁体を成膜し、絶縁体４０１に開口部を形成し、絶縁体４０１上に導電体４１３となる導電膜を成膜する。導電体４１３となる導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。また、導電体４１３は酸素を透過させない性質の導電体を含む多層構造としても良い。次に化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）などを用いて、絶縁体４０２の開口部に導電体４１３を埋め込むとよい。また導電体４１３の他の形成方法としては導電体を成膜し、フォトリソグラフィー法などを用いて加工し、導電体４１３を形成してもよい。
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、またはウェットエッチング処理を行う、またはドライエッチング処理に加えて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に加えてドライエッチング処理を行うことができる。
ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：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。
次に、図２１（Ａ）または（Ｂ）の矢印で示すように、高密度プラズマ処理を行ってもよい。高密度プラズマ処理は、酸素雰囲気または窒素雰囲気で行うと好ましい。酸素雰囲気とは、酸素原子を有する気体雰囲気であり、酸素、オゾンまたは窒素酸化物（一酸化窒素、二酸化窒素、一酸化二窒素、三酸化二窒素、四酸化二窒素、五酸化二窒素など）雰囲気をいう。また、酸素雰囲気において、窒素、または希ガス（ヘリウム、アルゴンなど）の不活性気体が含まれてもよい。このように酸素雰囲気での高密度プラズマ処理を行うことによって、例えば炭素、水素などを脱離させることができる。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離させやすい。
窒素雰囲気での高密度プラズマ処理としては、例えば窒素と希ガスを含む雰囲気下、または窒素と水素と希ガスを含む雰囲気下、またはアンモニアと希ガスを含む雰囲気下において、上記高密度プラズマ処理を行えばよい。それによって、被処理物の表面およびその近傍を窒化することができる。窒化される領域は、被処理物の表面側に極めて薄く形成できる。また、このように窒化された領域によって、不純物の拡散を抑制することができる。
また、高密度プラズマ処理は、酸素雰囲気で行った後、窒素雰囲気で行ってもよく、また窒素雰囲気で処理後、酸素雰囲気で処理してもよい。また、それぞれの高密度プラズマ処理の前後にアニール処理を行ってもよい。なお、プラズマの密度を高くするためには、十分な量のガスを流すことが好ましい場合がある。ガスの量が十分でないと、ラジカルの生成速度よりも失活速度が高くなる場合がある。例えば、ガスを１００ｓｃｃｍ以上、３００ｓｃｃｍ以上または８００ｓｃｃｍ以上流すと好ましい場合がある。
高密度プラズマ処理は、例えば、周波数０．３ＧＨｚ以上３．０ＧＨｚ以下、０．７ＧＨｚ以上１．１ＧＨｚ以下、または２．２ＧＨｚ以上２．８ＧＨｚ以下（代表的には２．４５ＧＨｚ）の高周波発生器を用いて発生させたマイクロ波を用いればよい。また、処理圧力を１０Ｐａ以上５０００Ｐａ以下、好ましくは２００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下、さらに好ましくは３００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、基板温度を１００℃以上６００℃以下（代表的には４００℃）とし、酸素とアルゴンとの混合ガスを用いて行うことができる。
高密度プラズマは、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いることによって生成され、電子密度が１×１０１１／ｃｍ３以上１×１０１３／ｃｍ３以下、電子温度が２ｅＶ以下、またはイオンエネルギーが５ｅＶ以下で行うと好ましい。このような高密度プラズマ処理は、ラジカルの運動エネルギーが小さく、従来のプラズマ処理と比較してプラズマによるダメージが少ない。そのため、欠陥の少ない膜を形成することができる。マイクロ波を発生するアンテナから被処理物までの距離は５ｍｍ以上１２０ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とするとよい。
または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）バイアスを印加するプラズマ電源を有してもよい。ＲＦバイアスの周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚまたは２７．１２ＭＨｚなどを用いればよい。高密度プラズマを用いることより高密度の酸素イオンを生成することができ、基板側にＲＦバイアス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イオンを効率よく被処理物に導くことができる。そのため、基板バイアスを印加しながら、高密度プラズマ処理を行うことが好ましい。
また、高密度プラズマ処理の後、大気に暴露することなく連続してアニール処理を行ってもよい。また、高密度プラズマ処理は、アニール処理の後、大気に暴露することなく連続して行ってもよい。高密度プラズマ処理と、アニール処理と、を連続して行うことによって、処理の間で不純物が混入することを抑制できる。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行った後、アニール処理を行うことによって、被処理物へ添加された酸素のうち、酸素欠損の補償に使用されなかった不要な酸素を脱離させることができる。また、上記アニール処理は、例えばランプアニールなどにより行えばよい。
また、高密度プラズマ処理の処理時間は、３０秒以上１２０分以下、１分以上９０分以下、２分以上３０分以下、または３分以上１５分以下とすると好ましい。
また、アニール処理は、２５０℃以上８００℃以下、３００℃以上７００℃以下または４００℃以上６００℃以下の処理時間は、３０秒以上１２０分以下、１分以上９０分以下、２分以上３０分以下、または３分以上１５分以下とすると好ましい。
次に、絶縁体４０２を成膜する。絶縁体４０２の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを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、上記のようにプラズマに曝されることに起因する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、成膜中にプラズマに曝されることがないため、欠陥の少ない膜が得られやすい。
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、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。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
また、絶縁体４０２に酸素を添加する処理を行っても構わない。酸素を添加する処理としては、例えば、イオン注入法、プラズマ処理法などがある。なお、絶縁体４０２に添加された酸素は、過剰酸素となる。
次に、図２１（Ｃ）及び図２１（Ｄ）に示すように、絶縁体４０６ａとなる絶縁体、及び半導体４０６ｂとなる半導体を形成する。
まず、絶縁体４０２上に絶縁体４０６ａとなる絶縁体を成膜する。絶縁体４０６ａとなる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。特に、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。なお、本明細書などにおいて、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いた成膜法を、ＶＤＳＰ（ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ＳＰ）と呼ぶこともできる。
対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて絶縁体を成膜することによって、成膜時におけるプラズマ損傷を低減できる。そのため、膜中の酸素欠損を低減することができる。また、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いることで、高真空での成膜が可能となる。それにより、成膜された絶縁体中の不純物濃度（例えば水素、希ガス（アルゴンなど）、水など）を低減させることができる。
また、誘導結合型アンテナ導体板を有するスパッタリング装置を用いてもよい。それにより、成膜速度が高く、大面積かつ均一性の高い膜を成膜することができる。
成膜は、酸素を含むガス、希ガス、窒素を含むガスなどを用いて行うと好ましい。窒素を含むガスとして、たとえば窒素（Ｎ２）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、アンモニア（ＮＨ３）などを用いればよい。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
また、絶縁体４０６ａとなる絶縁体に酸素を添加する処理を行っても構わない。酸素を添加する処理としては、イオン注入法、プラズマ処理法などがある。なお、絶縁体４０６ａとなる絶縁体に添加された酸素は、過剰酸素となる。
次に絶縁体４０６ａとなる絶縁体上に半導体４０６ｂとなる半導体を成膜する。半導体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。特に、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。
対向ターゲット式スパッタリング装置を用いて半導体を成膜することによって、成膜時におけるプラズマ損傷を低減できる。そのため、膜中の酸素欠損を低減することができる。また、対向ターゲット式スパッタリング装置を用いることで、高真空での成膜が可能となる。それにより、成膜された半導体中の不純物濃度（例えば水素、希ガス（アルゴンなど）、水など）を低減させることができる。
また、誘導結合型アンテナ導体板を有するスパッタリング装置を用いてもよい。それにより、成膜速度が高く、大面積かつ均一性の高い膜を成膜することができる。
成膜は、酸素を含むガス、希ガス、窒素を含むガスなどを用いて行うと好ましい。窒素を含むガスとして、たとえば窒素（Ｎ２）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、アンモニア（ＮＨ３）などを用いればよい。
次に、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下で行えばよい。第１の加熱処理は、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、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理によって、半導体の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。または、第１の加熱処理は、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）を印加するプラズマ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半導体４０６ｂ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。
次に、図２１（Ｅ）及び図２１（Ｆ）に示すように、絶縁体４０６ａとなる絶縁体および半導体４０６ｂとなる半導体を、レジストマスク４３０を用いたフォトリソグラフィー法などによって加工し、絶縁体４０６ａおよび半導体４０６ｂを有する多層膜を形成する（図２１（Ｃ）参照。）。なお、多層膜を形成する際、絶縁体４０２もエッチングされ、一部の領域が薄くなる場合がある。即ち、絶縁体４０２は、多層膜と接する領域に凸部を有する形状となる場合がある。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
次に、図２１（Ｇ）及び図２１（Ｈ）に示すように、導電体４１６を形成する。
まず、導電体４１６を成膜する。導電体４１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
なお、導電体４１６は、多層膜を覆う形状とする。該多層膜に導電体を成膜時に、絶縁体４０６ａの側面、半導体４０６ｂの上面および半導体４０６ｂの側面の一部にダメージを与えられることで、低抵抗化された領域が形成される場合がある。絶縁体４０６ａおよび半導体４０６ｂの一部が低抵抗化された領域を有するため、導電体４１６と、半導体４０６ｂと、の間のコンタクト抵抗を下げることができる。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
続いて、フォトリソグラフィー法などによって加工し、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂを形成する。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
次に、図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）に示すように、絶縁体４１０となる絶縁体を成膜する。絶縁体４１０となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。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。
絶縁体４１０となる絶縁体は、上面が平坦性を有するように形成してもよい。例えば、絶縁体４１０となる絶縁体は、成膜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４１０となる絶縁体は、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、化学的機械研磨処理、ドライエッチング処理などがある。ただし、絶縁体４１０となる絶縁体の上面が平坦性を有さなくても構わない。
ここで、絶縁体４１０を成膜する際に、成膜ガス中の酸素により、導電体４１６の表面が酸化され、導電体４１６の上面に金属酸化物４１７が形成される。つまり、導電体４１６が酸化物となるため、導電体４１６の膜厚は薄くなる。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
次に、絶縁体４１０となる絶縁体上にリソグラフィー法などによってレジストマスク４３１を形成する。ここで絶縁体４１０となる絶縁体の上面とレジストマスクとの間の密着性を向上するために、例えば、有機塗布膜を絶縁体４１０となる絶縁体上とレジストマスクの間に設けても良い。
次に、図２２（Ｃ）及び図２２（Ｄ）に示すように、絶縁体４１０および導電体４１６に開口を形成する。まず、絶縁体４１０となる絶縁体を、ドライエッチング法などを用いて導電体４１６の上面に達するまで第１の加工を行う。ドライエッチング法は上述のドライエッチング装置を使用することができるが、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接続する構成のドライエッチング装置の使用が好ましい。
次に、導電体４１６を、ドライエッチング法などを用いて第２の加工をすることで、導電体４１６を、導電体４１６ａ、及び導電体４１６ｂに分離する。なお、絶縁体４１０の加工と、導電体４１６の加工と、を共通のフォトリソグラフィー法による工程中に行っても構わない。フォトリソグラフィー法による工程を共通化することで、工程数を少なくすることができる。そのため、トランジスタを有する半導体装置の生産性を高くすることができる。
このとき、半導体４０６ｂは、露出した領域を有する。半導体４０６ｂの露出した領域の一部は、上述の第２の加工により除去されることがある。また、露出した半導体４０６ｂにエッチングガスの残留成分などの不純物元素が付着する場合がある。例えば、エッチングガスとして塩素系ガスを用いると、塩素などが付着する場合がある。また、エッチングガスとして炭化水素系ガスを用いると、炭素や水素などが付着する場合がある。このため、半導体４０６ｂの露出した表面に付着した不純物元素を低減することが好ましい。当該不純物の低減は、例えば、希フッ酸などを用いた洗浄処理、オゾンなどを用いた洗浄処理、または紫外線などを用いた洗浄処理で行なえばよい。なお、複数の洗浄処理を組み合わせてもよい。これにより、半導体４０６ｂの露出した面、言い換えるとチャネルが形成される領域は高抵抗となる。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。さらに、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことで、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの開口の内側に露出した側面が酸化され、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面に金属酸化物を形成することができる。
次に、図２２（Ｅ）及び図２２（Ｆ）に示すように、少なくとも絶縁体４１０の側面を除いた、半導体４０６ｂの上面および側面、絶縁体４０６ａの側面、絶縁体４０２の上面、及び絶縁体４１０の上面に絶縁体４０６ｃを成膜した後、絶縁体４１２を成膜する。なお、絶縁体４０６ｃは、半導体４０６ｂに形成されたザグリを埋めるように形成することが好ましい。絶縁体４０６ｃの成膜は、スパッタリング法を用いて行うことができる。
ここで、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄの成膜に用いるスパッタリング装置について、図２４及び図２５を用いて説明する。
図２４は、スパッタリング装置１０１の一部を示す断面図である。図２４に示すスパッタリング装置１０１は、部材１９０と、部材１９０上に配置されたコリメータ１５０と、ターゲットホルダ１２０と、ターゲットホルダ１２０上に配置されたバッキングプレート１１０と、バッキングプレート１１０上に配置されたターゲット１００と、バッキングプレート１１０を介してターゲット１００の下に配置されたマグネット１３０Ｎおよびマグネット１３０Ｓを含むマグネットユニット１３０と、マグネットユニット１３０を支持するマグネットホルダ１３２と、を有する。なお、本明細書では、複数のマグネット（磁石）を組み合わせたものをマグネットユニットと呼ぶ。マグネットユニットは、カソード、カソードマグネット、磁気部材、磁気部品などと呼びかえることができる。
なお、ターゲット１００と向かい合って配置された基板ステージ１７０と、基板ステージ１７０に支持された基板１６０も示す。また、マグネットユニット１３０によって形成される磁力線１８０ａおよび磁力線１８０ｂを示す。
ターゲットホルダ１２０とバッキングプレート１１０とは、ネジ（ボルトなど）を用いて固定されており、等電位となる。また、ターゲットホルダ１２０は、バッキングプレート１１０を介してターゲット１００を支持する機能を有する。
バッキングプレート１１０は、ターゲット１００を固定する機能を有する。
スパッタリング装置１０１は、バッキングプレート１１０の内部または下部などに水路を有してもよい。そして、水路に流体（空気、窒素、希ガス、水、オイルなど）を流すことで、スパッタ時にターゲット１００の温度の上昇による放電異常や、ターゲット１００などの部材の変形によるスパッタリング装置１０１の損傷などを抑制することができる。このとき、バッキングプレート１１０とターゲット１００とをボンディング材を介して密着させると、冷却性能が高まるため好ましい。
なお、ターゲットホルダ１２０とバッキングプレート１１０との間にガスケットを有すると、スパッタリング装置１０１内に外部や水路などに起因した不純物が混入しにくくなるため好ましい。
マグネットユニット１３０において、マグネット１３０Ｎとマグネット１３０Ｓとは、ターゲット１００側に異なる極性を向けて配置されたマグネットである。ここでは、マグネット１３０Ｎをターゲット１００側がＮ極となるように配置し、マグネット１３０Ｓをターゲット１００側がＳ極となるように配置する場合について説明する。ただし、マグネットユニット１３０におけるマグネットおよび極性の配置は、図２４の配置に限定されるものではない。
磁力線１８０ａは、ターゲット１００の表面近傍における水平磁場を形成する磁力線の一つである。ターゲット１００の表面近傍は、例えば、ターゲット１００から垂直距離が０ｍｍ以上１０ｍｍ以下、特に０ｍｍ以上５ｍｍ以下の領域である。
磁力線１８０ｂは、マグネットユニット１３０の表面から、垂直距離ｄにおける水平磁場を形成する磁力線の一つである。垂直距離ｄは、例えば、０ｍｍ以上２０ｍｍ以下または５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。
成膜時、ターゲットホルダ１２０に印加される電位Ｖ１は、例えば、基板ステージ１７０に印加される電位Ｖ２よりも低い電位である。また、基板ステージ１７０に印加される電位Ｖ２は、例えば、接地電位である。また、マグネットホルダ１３２に印加される電位Ｖ３は、例えば、接地電位である。なお、電位Ｖ１、電位Ｖ２および電位Ｖ３は上記の電位に限定されない。また、ターゲットホルダ１２０、基板ステージ１７０、マグネットホルダ１３２の全てに電位が印加されなくても構わない。例えば、基板ステージ１７０が電気的に浮いていても構わない。
また、図２４では、バッキングプレート１１０およびターゲットホルダ１２０と、マグネットユニット１３０およびマグネットホルダ１３２と、は電気的に接続されない例を示したが、これに限定されない。例えば、バッキングプレート１１０およびターゲットホルダ１２０と、マグネットユニット１３０およびマグネットホルダ１３２と、が電気的に接続されており、等電位となっていても構わない。
スパッタリング装置１０１内に、成膜ガス（例えば、アルゴンなどの希ガス、酸素、窒素など）を流し、圧力を一定（例えば、０．０５Ｐａ以上１０Ｐａ以下、好ましくは０．１Ｐａ以上０．８Ｐａ以下）とし、ターゲットホルダ１２０に電位Ｖ１を印加すると、マグネットユニット１３０によって形成された磁場の中にプラズマが形成される。プラズマの電位は、電位Ｖ１よりも高い電位Ｖｐとなる。このとき、プラズマ中の陽イオンは、電位Ｖｐと電位Ｖ１との電位差によってターゲット１００に向けて加速される。そして、陽イオンがターゲット１００に衝突することで、スパッタ粒子を放出する。放出されたスパッタ粒子のうち、基板１６０に到達したスパッタ粒子が膜として堆積する。
一般にスパッタリング装置では、アスペクト比が大きい、かつ小さな開口の底部には、スパッタ粒子が到達しにくくなる。また、基板に対して、斜め方向に飛行するスパッタ粒子が間口近傍に堆積し、間口を狭めしまい、開口内に成膜されない場合がある。
一方、上記構成のスパッタリング装置を用いることで、放出されたスパッタ粒子のうち、基板１６０の被形成面に対し、斜めに方向に飛行するスパッタ粒子はコリメータ１５０に付着する。つまり、コリメータ１５０を設置することで、ターゲット１００と基板１６０との間に設置されたコリメータ１５０を通過した、基板１６０に対し垂直成分を持つスパッタ粒子が、基板に到達する。よって、基板に対し平行な面に堆積する。一方、スパッタ粒子は、基板に対し垂直な面には堆積しない、または基板に対し平行な面よりも堆積が少ない。従って、上記スパッタリング装置を使用することで、図２２（Ｃ）及び図２２（Ｄ）に示すように、基板に対し垂直な面を除いて、絶縁体４０６ｃを成膜することができる。
なお、ターゲット１００とコリメータ１５０、または基板１６０とコリメータ１５０との垂直距離は成膜する膜質によって、適宜変更するとよい。従って、コリメータ１５０は、図２５に示すように、可動部１５１および可動部１５２を備えていてもよい。可動部１５１を有することで、コリメータ１５０の使用の有無を容易に選択することができる。また、可動部１５２を有することで、コリメータ１５０と、基板１６０及びターゲット１００との垂直距離を容易に調整することができる。
また、ロングスロースパッタリング法を用いることもできる。ロングスロースパッタリング法とは、ターゲット１００と基板１６０との垂直距離を遠くすることで、スパッタ粒子の基板１６０への入射方向を垂直に近づけることができる。従って、コリメータ１５０を用いなくとも、絶縁体４０６ｃを、基板に対し垂直な面を除いて成膜することもできる。なお、基板１６０とターゲット１００との垂直距離を１５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下とすればよい。また、ロングスロースパッタリング法にコリメータ１５０を組み合わせてもよい。
次に、図２１（Ｅ）及び図２１（Ｆ）に示すように、絶縁体４０６ｄを形成する。絶縁体４０６ｄは、絶縁体４０６ｃと同様の工程で形成することができる。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。その場合、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことで、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂにおいて、絶縁体４１０が有する開口側の側面が酸化され、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面に金属酸化物を形成することができる。
続いて、絶縁体４１０および絶縁体４０６ｃ上に絶縁体４１２となる絶縁体を成膜する。絶縁体４１２となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
ここで、絶縁体４１２を成膜する際に、成膜ガス中の酸素により、導電体４１６ａの側面および導電体４１６ｂの側面が酸化され、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂが形成される。なお、この時、導電体４１６ａの上面および導電体４１６ｂの上面は、絶縁体４１０を成膜する際に形成された金属酸化物がすでに形成されている。従って、金属酸化物は側面にのみ形成される。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂが酸化されるため、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面は後退し、一方、金属酸化物４１７ａ及び金属酸化物４１７ｂの端部は、絶縁体４１０が有する開口と重なる領域が形成される。
さらに、絶縁体４１２を成膜する際に、成膜ガス中の酸素が絶縁体４０６ｃを介して、半導体４０６ｂに添加され、半導体４０６ｂの酸素欠損を補償することができる。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
次に、図２３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、導電体４０４ａ、及び４０４ｂとなる導電体を成膜する。導電体４０４ａ、及び４０４ｂとなる導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂとなる導電体は、絶縁体４１０などによって形成される開口部を埋めるように成膜する。したがって、ＣＶＤ法（特にＭＣＶＤ法）を用いることが好ましい。また、ＭＣＶＤ法で成膜する導電体の密着性を高めるために、ＡＬＤ法などによって成膜した導電体と、ＣＶＤ法で成膜した導電体との積層膜にすると好ましい場合がある。例えば、窒化チタンと、タングステンとがこの順に成膜された積層膜などを用いればよい。
続いて、図２３（Ｃ）及び図２３（Ｄ）に示すように、ＣＭＰ処理などにより、絶縁体４１０が露出するまで、導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ、絶縁体４１２、絶縁体４０６ｃ、および絶縁体４０６ｄを除去する。この際、絶縁体４１０をストッパー層として使用することもでき、絶縁体４１０の厚さが減少する場合がある。そのため、完成したトランジスタにおいて導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂが、十分に抵抗が低くなるように、絶縁体４１０の膜厚に余裕を持たせて設計しておくことで、ばらつきの少ないトランジスタを複数作成することができる。
なお、ＣＭＰ処理は、１回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてＣＭＰ処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うのが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、研磨表面の平坦性をさらに向上させることができる。
次に、導電体４２０となる導電体を成膜する。なお、導電体４２０は積層構造でも構わない。導電体４２０となる導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。続いて、フォトリソグラフィー法などによって加工し、導電体４２０を形成する。
次に、続いて、図２３（Ｅ）及び図２３（Ｆ）に示すように、絶縁体４１０上および導電体４２０上に絶縁体４０８を形成する。絶縁体４０８の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。好ましくは、絶縁体４０８として、酸素を有するプラズマを用いて酸化アルミニウムを成膜することで、該プラズマ中の酸素を過剰酸素（ｅｘＯ）として、絶縁体４１０の上面および絶縁体４１２の絶縁体４０８と接する領域へ添加することができる。このとき絶縁体４０８と絶縁体４１０の膜界面近傍に過剰酸素を多く含んだ混合領域が形成されることがある。
次に、上述した高密度プラズマ処理を行うことで、炭素、水素などを脱離させてもよい。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ処理を行うことによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離することができる。
また、絶縁体４０８の成膜より後のいずれかのタイミングにおいて、第２の加熱処理を行っても構わない。第２の加熱処理を行うことで、絶縁体４１０および混合領域に含まれる過剰酸素が絶縁体４１２、絶縁体４０２、絶縁体４０６ｄ、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ａを通過して半導体４０６ｂまで移動する。このように、過剰酸素が半導体４０６ｂまで移動するため、半導体４０６ｂの欠陥（酸素欠損）を低減することができる。
なお、第２の加熱処理は、絶縁体４１０および混合領域に含まれる過剰酸素が半導体４０６ｂまで拡散する温度で行えばよい。例えば、第１の加熱処理についての記載を参照しても構わない。または、第２の加熱処理は、第１の加熱処理よりも低い温度が好ましい。第１の加熱処理と第２の加熱処理の温度差は、２０℃以上１５０℃以下、好ましくは４０℃以上１００℃以下とする。これにより、絶縁体４０２などから余分に過剰酸素が放出することを抑えることができる。なお、第２の加熱処理は、同等の加熱処理を各層の成膜時の加熱によって兼ねることができる場合、行わなくてもよい場合がある。
また、特に図示しないが、絶縁体４０８および絶縁体４１０に、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂに達する開口部を形成し、それぞれの開口部に配線として機能する導電体を形成してもよい。また、絶縁体４０８に導電体４０４に達する開口部を形成し、配線として機能する導電体を形成してもよい。
以上のようにして、図１２に示したトランジスタを作製することができる。
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態および他の実施の形態では、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、半導体として、酸化物半導体を用いた場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様は、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、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体等を用いてもよい。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態８）
＜トランジスタ構造１０＞
以下では、図１２と異なる構成のトランジスタおよびその作製方法について、図１４を用いて説明する。図１４は、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を示す。図１４（Ａ）は上面図である。図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図１４（Ｃ）は、図１４（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１４（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
本トランジスタは、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄが、金属酸化物４１７ａと金属酸化物４１７ｂとの間を埋める構造とする。当該構造とすることで、ゲート絶縁体となる絶縁体４１２が段差を乗り越えない為、耐圧を高くすることができ、信頼性の高いトランジスタを作製することができる。
＜トランジスタの作製方法１０＞
まず、実施の形態１に示す図２２（Ｃ）及び図２２（Ｄ）まで同様に工程を行う。
次に、実施の形態１と同様の条件で、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄを形成する。その時、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄにより、導電体４１６ａ上および導電体４１６ｂ上に形成された金属酸化物の上面まで、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄを成膜する。
続いて、実施の形態１と同様の条件で、絶縁体４１２を形成する。この時、成膜ガス中の酸素が絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄを透過し、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面を酸化し、体積が膨張する。従って、図２１（Ｃ）に示す導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面は、絶縁体４１０の内側方向にも酸化が進行する。また、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂの側面は、絶縁体４１０に形成された開口と重なる領域にも参加が進行する。一方、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面は、前工程において、金属酸化物が形成されているため、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面方向には酸化が進まない。
以降の工程は、実施の形態１に示したトランジスタの作製方法１における工程と同様にして行えばよい。
以上のようにして、図１４に示したトランジスタを作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態９）
＜トランジスタ構造１１＞
以下では、図１２と異なる構成のトランジスタおよびその作製方法について、図１５を用いて説明する。図１５は、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を示す。図１５（Ａ）は上面図である。図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図１５（Ｃ）は、図１５（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１５（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
本トランジスタは、導電体４１６ａまたは電体４１６ｂと、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄとの間の金属酸化物４１７ａまたは金属酸化物４１７ｂの領域が、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂと絶縁体４１２との間の金属酸化物４１７ａまたは金属酸化物４１７ｂの領域よりも、薄く形成される、または存在しない構成とする。当該構造とすることで、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂが、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄに近接して形成することができるため、トランジスタのオン特性を向上することができる。
＜トランジスタの作製方法１１＞
まず、実施の形態１に示す図２２（Ｃ）及び図２２（Ｄ）まで同様に工程を行う。
次に、次に、実施の形態１と同様の条件で、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄを形成する。続いて、絶縁体４１２を形成する。この時、成膜ガス中の酸素が絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄを通り抜けない条件で成膜すれば良い。従って、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄと接していない領域のみ、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの側面が酸化される。なお、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面は、前工程において、金属酸化物が形成されているため、金属酸化物の上面は酸化されない。そのため、金属酸化物４１７ａと導電体４１６ａの界面、及び金属酸化物４１７ｂと導電体４１６ｂの界面は、絶縁体４１０と重なる。また、絶縁体４１２と、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂとが接する面は、絶縁体４１０に形成された開口と重なる。
以降の工程は、実施の形態１に示したトランジスタの作製方法１における工程と同様にして行えばよい。
以上のようにして、図１４に示したトランジスタを作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態１０）
＜トランジスタ構造１２＞
以下では、図１２と異なる構成のトランジスタおよびその作製方法について、図１６を用いて説明する。図１６は、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を示す。図１６（Ａ）は上面図である。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１６（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
本トランジスタは、図１６（Ｂ）において、絶縁体４１０の側面が、導電体４１６ａの上面に対して０度よりも大きく、９０度未満の角度θを有し、絶縁体４１０の側面に絶縁体４０６ｃ、及び絶縁体４０６ｃを介して絶縁体４０６ｄが形成されている。なお、角度θは７５度以上９０度未満、好ましくは８０度以上９０度未満、さらに好ましくは８５度以上９０未満とすればよい。なお、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄが絶縁体４１２を介して導電体４０４の側面を覆う領域は、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄが導電体４０４の底面と重なる領域よりも、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄを薄く設ける。その他の構成は図１２に示すトランジスタを参酌する。
なお、ｔ１は、Ｌ１よりも大きく、Ｌ１／ｔ１は１未満となればよく、絶縁体４０６ｃまたは絶縁体４０６ｄのどちらか一方のみ、絶縁体４１０の側面を覆う領域を薄く形成してもよい。さらに、絶縁体４０６ｃまたは絶縁体４０６ｄのどちらか一方のみ、絶縁体４１０の側面を覆う領域に形成し、他方はなくてもよい。
なお、絶縁体４０６ｄの上面の高さは、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面と同じくらいの高さとすればよい。なお、絶縁体４０６ｄの上面とは、絶縁体４０６ｄが導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂの底面と重なる領域において、導電体４０４ａに近い面とする。理想的には、絶縁体４０６ｄの上面は、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面と同じ高さであることが好ましい。
また、絶縁体４０６ｃの上面の高さは、半導体４０６ｂと、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面と同じくらいの高さとなることが好ましい。なお、絶縁体４０６ｃの上面とは、絶縁体４０６ｃが導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂの底面と重なる領域において、導電体４０４ａに近い面とする。理想的には、絶縁体４０６ｃの上面は、半導体４０６ｂと、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとの界面と同じで高さであることが好ましい。しかしながら、絶縁体４０６ｃは、少なくとも半導体４０６ｂのオーバーエッチングされた部分を埋めていればよく、半導体４０６ｂと、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂとの界面よりも上方にあってもかまわない。
また、本実施の形態におけるトランジスタにおいて、半導体４０６ｂ上に絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄの２層を設ける構成を示したが、これに限らず、３層以上の積層構造としてもよい。
＜トランジスタの作製方法１２＞
まず、実施の形態１に示す図２２（Ａ）及び図（Ｂ）まで同様に工程を行う。
次に、絶縁体４１０の側面が、導電体４１６ａの上面に対して、０度よりも大きく９０度未満の角度θを有するように形成する。続いて、実施の形態１で説明した成膜装置を用いて、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄを形成する。この時、例えば、角度θが小さいほど、ステッパ粒子が堆積する蓋然性が高くなり、絶縁体４１０の側面には、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄは厚く形成される。また、角度θが大きいほど、絶縁体４１０の側面に、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４０６ｄは薄く形成される。従って、絶縁体４１０の側面に形成される絶縁体４０６ｃの膜厚は、角度θによって調整することができる。つまり、形成されるオフセット領域の幅となるＬ１を小さくすることができる。ｔ１は、Ｌ１よりも大きく、Ｌ１／ｔ１は１未満となる。
なお、絶縁体４０６ｃを形成する時点で、金属酸化物の側面が酸化されていない場合、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂに接して形成される絶縁体４０６ｃは、絶縁体４１０の側面に形成される絶縁体４０６ｃ同様に、半導体４０６ｂ上に形成される絶縁体４０６ｃよりも、薄く形成される。
また、絶縁体４０６ｃを形成する時点で、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂがすでに形成されている場合、金属酸化物４１７ａの側面および金属酸化物４１７ｂの側面に形成される絶縁体４０６ｃは、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂが絶縁体４１０の開口と重なる領域に形成される絶縁体４０６ｃよりも、薄く形成される。
以降の工程は、実施の形態１に示したトランジスタの作製方法１における工程と同様にして行えばよい。
以上のようにして、図１６に示したトランジスタを作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態１１）
＜トランジスタ構造１３及び１４＞
以下では、図１２と異なる構成のトランジスタおよびその作製方法について、図１７および図１８を用いて説明する。図１７および図１８は、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を示す。
図１７及び図１８に示すトランジスタについて説明する。なお、図１７（Ａ）及び図１８（Ａ）は上面図である。図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図１７（Ｃ）は、図１７（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１７（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
また、図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図１８（Ｃ）は、図１８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１８（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
図１７及び図１８に示すトランジスタは、絶縁体４０６ｃ、絶縁体４０６ｄ、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂが、絶縁体４１０の上面の一部領域にも形成されている。その他の構成は図１２または図１６に示すトランジスタを参酌する。
図１７及び図１８に示すトランジスタは、ゲート電極として機能する導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂの一部が配線としての機能を有していてもよい。。つまり、絶縁体４０６ｃ、絶縁体４０６ｄ、及び絶縁体４１２を介して、絶縁体４１０上に形成された導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂが、トランジスタ構造１における導電体４２０に相当する。従って、当該構造において、ｔ２は、導電体４１６ａまたは導電体４１６ｂと、絶縁体４１０上の導電体４０４ａとの垂直距離とする。なお、また、絶縁体４０６ｃ、絶縁体４０６ｄ、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを同時に形成しているため、絶縁体４１０上に形成された導電体４０４ａとの間に、絶縁体４０６ｃおよび絶縁体４１２を介在する。また、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂの上面に、金属酸化物４１７ａおよび金属酸化物４１７ｂが形成されることで、導電体４１６ａおよび導電体４１６ｂは薄膜化されている。従って、ｔ２はＬ２に対し、十分な距離を有することができ、寄生容量を抑制することができる。
＜トランジスタの作製方法１３及び１４＞
以下では図１７に示したトランジスタの作製方法について説明する。
まず、実施の形態１に示す図２３（Ａ）及び図２３（Ｂ）まで同様に工程を行う。
次に、リソグラフィー法などを用いて、絶縁体４０６ｃ、絶縁体４０６ｄ、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを形成する。当該構成とすることで、トランジスタ構造１における導電体４２０に相当する導電体を、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを用いて、同時に形成することができる。
次に絶縁体４０８を形成させる。
以上のようにして、図１７に示したトランジスタを作製することができる。
なお、図１８に示したトランジスタは図１６に示したトランジスタと同様の工程を用いて、絶縁体４０６ｃ、絶縁体４０６ｄ、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを成膜する。その後、リソグラフィー法などを用いて、絶縁体４０６ｃ、絶縁体４０６ｄ、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを形成する。当該構成とすることで、トランジスタ構造１における導電体４２０に相当する導電体を、導電体４０４ａ、及び導電体４０４ｂを用いて、同時に形成することができる。
以上のようにして、図１８に示したトランジスタを作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態１２）
＜トランジスタ構造１５及び１６＞
以下では、図１２と異なる構成のトランジスタおよびその作製方法について、図１９および図２０を用いて説明する。図１９および図２０は、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を示す。
図１９及び図２０に示すトランジスタについて説明する。なお、図１９（Ａ）及び図２０（Ａ）は上面図である。図１９（Ｂ）は、図１９（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図１９（Ｃ）は、図１９（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図１９（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
また、図２０（Ｂ）は、図２０（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２に対応する断面図である。図２０（Ｃ）は、図２０（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図である。なお、図２０（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。
図１９及び図２０に示すトランジスタは、導電体４１６ａ、及び導電体４１６ｂが、半導体４０６ｂ上にのみ形成されている。その他の構成は図１２または図１６に示すトランジスタを参酌する。
＜トランジスタの作製方法１５及び１６＞
以下では図１９に示したトランジスタの作製方法について説明する。
まず、実施の形態１に示す図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）まで同様に工程を行う。
次に、絶縁体４０６ａおよび半導体４０６ｂを成膜した後、導電体４１６を形成する。続いて、リソグラフィー法などによって、導電体４１６上にレジストを形成し、レジストをマスクとして導電体４１６に対して、第１のエッチングを行う。次にレジストを除去した後、導電体４１６をマスクとして、第２のエッチングを行う。第２のエッチングは、絶縁体４０６ａ、及び半導体４０６ｂに対して行われる。。
後の工程は、図２２以降の工程と同様である。以上のようにして、図１７に示したトランジスタを作製することができる。
なお、図２０に示したトランジスタも図１９に示したトランジスタと同様に、絶縁体４０６ａ、半導体４０６ｂ、導電体４１６を形成する。その後、図１６に示したトランジスタと同様の工程を用いてトランジスタを作製するとよい。
以上のようにして、図２０に示したトランジスタを作製することができる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態１３）
＜成膜装置＞
以下では、上述したスパッタリング装置を含む成膜装置の構成について説明する。成膜時に膜中に不純物の混入が少ない成膜装置の構成について図２６及び図２７を用いて説明する。
図２６は、枚葉式マルチチャンバーの成膜装置１７００の上面図を模式的に示している。成膜装置１７００は、基板を収容するカセットポート１７６１と、基板のアライメントを行うアライメントポート１７６２と、を備える大気側基板供給室１７０１と、大気側基板供給室１７０１から、基板を搬送する大気側基板搬送室１７０２と、基板の搬入を行い、かつ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室１７０３ａと、基板の搬出を行い、かつ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロードロック室１７０３ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室１７０４と、基板の加熱を行う基板加熱室１７０５と、成膜を行う成膜室１７０６ａ、１７０６ｂおよび１７０６ｃと、を有する。なお、成膜室１７０６ａ、１７０６ｂ、１７０６ｃの全て、または一部に、前述のスパッタリング装置１０１を適用することができる。
なお、カセットポート１７６１は、図２６に示すように複数（図では３つ）有していてもよい。
また、大気側基板搬送室１７０２は、ロードロック室１７０３ａおよびアンロードロック室１７０３ｂと接続され、ロードロック室１７０３ａおよびアンロードロック室１７０３ｂは、搬送室１７０４と接続され、搬送室１７０４は、基板加熱室１７０５、成膜室１７０６ａ、成膜室１７０６ｂおよび成膜室１７０６ｃと接続する。
なお、各室の接続部にはゲートバルブ１７６４が設けられており、大気側基板供給室１７０１と、大気側基板搬送室１７０２を除き、各室を独立して圧力制御することができる。また、大気側基板搬送室１７０２、搬送室１７０４は、それぞれ搬送ロボット１７６３ａ、搬送ロボット１７６３ｂを有し、基板を搬送することができる。
また、基板加熱室１７０５は、プラズマ処理室を兼ねると好ましい。成膜装置１７００は、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送することが可能なため、大気などに由来した不純物の基板への吸着を抑制できる。また、成膜や熱処理などの順番を自由に構築することができる。なお、搬送室、成膜室、ロードロック室、アンロードロック室および基板加熱室は、上述の構成に限定されず、設置スペースやプロセス条件に合わせて、適宜最適な構成とすることができる。
次に、図２６に示す成膜装置１７００の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２、および一点鎖線Ｙ２−Ｙ３に相当する断面を図２７に示す。
図２７（Ａ）は、基板加熱室１７０５と、搬送室１７０４の断面を示しており、基板加熱室１７０５は、基板を収容することができる複数の加熱ステージ１７６５を有している。なお、図２７（Ａ）において、加熱ステージ１７６５が７段設けられた構成を示すが、これに限定されず、１段以上７段未満の構成や８段以上の構成としてもよい。加熱ステージ１７６５の段数を増やすことで複数の基板を同時に熱処理できるため、生産性を向上させることができる。また、基板加熱室１７０５は、バルブを介して真空ポンプ１７７０と接続されている。真空ポンプ１７７０としては、例えば、ドライポンプ、およびメカニカルブースターポンプ等を用いることができる。
また、基板加熱室１７０５には、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構を用いてもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を用いることができる。なお、ＬＲＴＡは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する。また、ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。
また、基板加熱室１７０５は、マスフローコントローラ１７８０を介して、精製機１７８１と接続される。なお、マスフローコントローラ１７８０および精製機１７８１は、ガス種の数だけ設けられるが、理解を容易にするため一つのみを示す。基板加熱室１７０５に入れるガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス（アルゴンガスなど）を用いる。
搬送室１７０４は、搬送ロボット１７６３ｂを有している。搬送ロボット１７６３ｂは、複数の可動部と、基板を保持するアームと、を有し、各室へ基板を搬送することができる。また、搬送室１７０４は、バルブを介して真空ポンプ１７７０と、クライオポンプ１７７１と、接続されている。このような構成とすることで、搬送室１７０４は、大気圧から低真空または中真空（０．１から数百Ｐａ程度）まで真空ポンプ１７７０を用いて排気され、バルブを切り替えて中真空から高真空または超高真空（０．１Ｐａから１×１０−７Ｐａ）まではクライオポンプ１７７１を用いて排気される。
また、例えば、クライオポンプ１７７１は、搬送室１７０４に対して２台以上並列に接続してもよい。このような構成とすることで、１台のクライオポンプがリジェネ中であっても、残りのクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、上述したリジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子（または原子）を放出する処理をいう。クライオポンプは、分子（または原子）をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネが行われる。
図２７（Ｂ）は、成膜室１７０６ｂと、搬送室１７０４と、ロードロック室１７０３ａの断面を示している。
ここで、図２７（Ｂ）を用いて、各成膜室の詳細について説明する。なお、各成膜室の構成については、図２４に示したスパッタリング装置１０１についての説明を参酌し、以降の説明と適宜組み合わせることができる。図２７（Ｂ）に示す成膜室１７０６ｂは、ターゲット１００と、基板ステージ１７０と、ターゲットと基板ステージの間に設置されたコリメータ１５０を有する。なお、ここでは基板ステージ１７０には、基板が設置されている。基板ステージ１７０は、図示しないが、基板を保持する基板保持機構や、基板を裏面から加熱する裏面ヒーター等を備えていてもよい。
また、成膜室１７０６ｂは、ガス加熱機構１７８２を介してマスフローコントローラ１７８０と接続され、ガス加熱機構１７８２はマスフローコントローラ１７８０を介して精製機１７８１と接続される。ガス加熱機構１７８２により、成膜ガスを４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構１７８２、マスフローコントローラ１７８０、および精製機１７８１は、ガス種の数だけ設けられるが、理解を容易にするため一つのみを示す。成膜ガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いると好ましい。
なお、成膜室１７０６ｂに、平行平板型スパッタリング装置、イオンビームスパッタリング装置を適用しても構わない。
なお、ガス導入口の直前に精製機を設ける場合、精製機１７８１から成膜室１７０６ｂまでの配管の長さを１０ｍ以下、好ましくは５ｍ以下、さらに好ましくは１ｍ以下とする。配管の長さを１０ｍ以下、５ｍ以下または１ｍ以下とすることで、配管からの放出ガスの影響を長さに応じて低減できる。さらに、ガスの配管には、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで内部が被覆された金属配管を用いるとよい。前述の配管は、例えばＳＵＳ３１６Ｌ−ＥＰ配管と比べ、不純物を含むガスの放出量が少なく、成膜ガスなどへの不純物の入り込みを低減できる。また、配管の継手には、高性能超小型メタルガスケット継手（ＵＰＧ継手）を用いるとよい。また、配管を全て金属で構成することで、樹脂等を用いた場合と比べ、生じる放出ガスおよび外部リークの影響を低減できて好ましい。
また、成膜室１７０６ｂは、バルブを介してターボ分子ポンプ１７７２および真空ポンプ１７７０と接続される。また、成膜室１７０６ｂは、クライオトラップを有すると好ましい。
クライオトラップ１７５１は、水などの比較的融点の高い分子（または原子）を吸着することができる機構である。ターボ分子ポンプ１７７２は大きいサイズの分子（または原子）を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低い。そこで、水などに対する排気能力を高めるため、クライオトラップ１７５１が成膜室１７０６ｂに接続された構成としている。クライオトラップ１７５１の冷凍機の温度は１００Ｋ以下、好ましくは８０Ｋ以下とする。また、クライオトラップ１７５１が複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、１段目の冷凍機の温度を１００Ｋ以下とし、２段目の冷凍機の温度を２０Ｋ以下とすればよい。
なお、成膜室１７０６ｂの排気方法は、これに限定されず、先の搬送室１７０４に示す排気方法（クライオポンプと真空ポンプとの排気方法）と同様の構成としてもよい。もちろん、搬送室１７０４の排気方法を成膜室１７０６ｂと同様の構成（ターボ分子ポンプと真空ポンプとの排気方法）としてもよい。
なお、上述した搬送室１７０４、基板加熱室１７０５、および成膜室１７０６ｂの背圧（全圧）、ならびに各気体分子（原子）の分圧は、以下の通りとすると好ましい。とくに、形成される膜中に不純物が混入され得る可能性があるので、成膜室１７０６ｂの背圧、ならびに各気体分子（原子）の分圧には注意する必要がある。
上述した各室の背圧（全圧）は、１×１０−４Ｐａ以下、好ましくは３×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０−５Ｐａ以下である。上述した各室の質量電荷比（ｍ／ｚ）が１８である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。また、上述した各室のｍ／ｚが２８である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。また、上述した各室のｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の分圧は、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下である。
なお、真空チャンバー内の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極形質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓともいう。）Ｑｕｌｅｅ ＣＧＭ−０５１を用いればよい。
また、上述した搬送室１７０４、基板加熱室１７０５、および成膜室１７０６ｂは、外部リークまたは内部リークが少ない構成とすることが望ましい。
例えば、上述した搬送室１７０４、基板加熱室１７０５、および成膜室１７０６ｂのリークレートは、３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは３×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−５Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。また、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）のリークレートが３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下である。
なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧および分圧から導出すればよい。
リークレートは、外部リークおよび内部リークに依存する。外部リークは、微小な穴やシール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リークおよび内部リークの両面から対策をとる必要がある。
例えば、成膜室１７０６ｂの開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。
また、成膜装置１７００を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の部材を鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低減できる。
または、前述の成膜装置１７００の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで被覆してもよい。
成膜装置１７００の部材は、極力金属のみで構成することが好ましく、例えば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。
成膜室に存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために成膜室の圧力に影響しないが、成膜室を排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、成膜室に存在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、成膜室をベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくすることができる。ベーキングは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを成膜室に入れながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに高くすることができる。なお、不活性ガスをベーキングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。また、成膜する膜種によっては不活性ガスの代わりに酸素などを用いても構わない。例えば、酸化物を成膜する場合は、主成分である酸素を用いた方が好ましい場合もある。
または、加熱した希ガスなどの不活性ガスまたは酸素などを用いることで成膜室内の圧力を高め、一定時間経過後に再び成膜室を排気する処理を行うと好ましい。加熱したガスにより成膜室内の吸着物を脱離させることができ、成膜室内に存在する不純物を低減することができる。なお、この処理は２回以上３０回以下、好ましくは５回以上１５回以下の範囲で繰り返し行うと効果的である。具体的には、温度が４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下である不活性ガスまたは酸素などを入れることで成膜室内の圧力を０．１Ｐａ以上１０ｋＰａ以下、好ましくは１Ｐａ以上１ｋＰａ以下、さらに好ましくは５Ｐａ以上１００Ｐａ以下とし、圧力を保つ期間を１分以上３００分以下、好ましくは５分以上１２０分以下とすればよい。その後、成膜室を５分以上３００分以下、好ましくは１０分以上１２０分以下の期間排気する。
また、ダミー成膜を行うことでも吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ダミー成膜とは、ダミー基板に対してスパッタリング法などによる成膜を行うことで、ダミー基板および成膜室内壁に膜を堆積させ、成膜室内の不純物および成膜室内壁の吸着物を膜中に閉じこめることをいう。ダミー基板は、放出ガスの少ない基板が好ましい。ダミー成膜を行うことで、後に成膜される膜中の不純物濃度を低減することができる。なお、ダミー成膜はベーキングと同時に行ってもよい。
次に、図２７（Ｂ）に示す搬送室１７０４、およびロードロック室１７０３ａと、図２７（Ｃ）に示す大気側基板搬送室１７０２、および大気側基板供給室１７０１の詳細について以下説明を行う。なお、図２７（Ｃ）は、大気側基板搬送室１７０２、および大気側基板供給室１７０１の断面を示している。
図２７（Ｂ）に示す搬送室１７０４については、図２７（Ａ）に示す搬送室１７０４の記載を参照する。
ロードロック室１７０３ａは、基板受け渡しステージ１７５２を有する。ロードロック室１７０３ａは、減圧状態から大気まで圧力を上昇させ、ロードロック室１７０３ａの圧力が大気圧になった時に、大気側基板搬送室１７０２に設けられている搬送ロボット１７６３ａから基板受け渡しステージ１７５２に基板を受け取る。その後、ロードロック室１７０３ａを真空引きし、減圧状態としたのち、搬送室１７０４に設けられている搬送ロボット１７６３ｂが基板受け渡しステージ１７５２から基板を受け取る。
また、ロードロック室１７０３ａは、バルブを介して真空ポンプ１７７０、およびクライオポンプ１７７１と接続されている。真空ポンプ１７７０、およびクライオポンプ１７７１の排気系の接続方法は、搬送室１７０４の接続方法を参考とすることで接続できるため、ここでの説明は省略する。なお、図２６に示すアンロードロック室７０３ｂは、ロードロック室１７０３ａと同様の構成とすることができる。
大気側基板搬送室１７０２は、搬送ロボット１７６３ａを有する。搬送ロボット１７６３ａにより、カセットポート１７６１とロードロック室１７０３ａとの基板の受け渡しを行うことができる。また、大気側基板搬送室１７０２、および大気側基板供給室１７０１の上方にＨＥＰＡフィルタ（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ Ｆｉｌｔｅｒ）等のゴミまたはパーティクルを清浄化するための機構を設けてもよい。
大気側基板供給室１７０１は、複数のカセットポート１７６１を有する。カセットポート１７６１は、複数の基板を収容することができる。
ターゲットは、表面温度が１００℃以下、好ましくは５０℃以下、さらに好ましくは室温程度（代表的には２５℃）とする。大面積の基板に対応するスパッタリング装置では大面積のターゲットを用いることが多い。ところが、大面積に対応した大きさのターゲットをつなぎ目なく作製することは困難である。現実には複数のターゲットをなるべく隙間のないように並べて大きな形状としているが、どうしても僅かな隙間が生じてしまう。こうした僅かな隙間から、ターゲットの表面温度が高まることで亜鉛などが揮発し、徐々に隙間が広がっていくことがある。隙間が広がると、バッキングプレートや接着に用いている金属がスパッタリングされることがあり、不純物濃度を高める要因となる。したがって、ターゲットは、十分に冷却されていることが好ましい。
具体的には、バッキングプレートとして、高い導電性および高い放熱性を有する金属（具体的には銅）を用いる。また、バッキングプレート内に水路を形成し、水路に十分な量の冷却水を流すことで、効率的にターゲットを冷却できる。
なお、ターゲットが亜鉛を含む場合、酸素ガス雰囲気で成膜することにより、プラズマダメージが軽減され、亜鉛の揮発が起こりにくい酸化物半導体を得ることができる。
以上の成膜装置を用いることで、成膜する膜への不純物の混入を抑制できる。
（実施の形態１４）
＜製造装置＞
以下では、本発明の一態様に係る高密度プラズマ処理を行う製造装置について説明する。
まずは、半導体装置などの製造時に不純物の混入が少ない製造装置の構成について図２８、図２９および図３０を用いて説明する。
図２８は、枚葉式マルチチャンバーの製造装置２７００の上面図を模式的に示している。製造装置２７００は、基板を収容するカセットポート２７６１と、基板のアライメントを行うアライメントポート２７６２と、を備える大気側基板供給室２７０１と、大気側基板供給室２７０１から、基板を搬送する大気側基板搬送室２７０２と、基板の搬入を行い、かつ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室２７０３ａと、基板の搬出を行い、かつ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロードロック室２７０３ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室２７０４と、チャンバー２７０６ａと、チャンバー２７０６ｂと、チャンバー２７０６ｃと、チャンバー２７０６ｄと、を有する。
また、大気側基板搬送室２７０２は、ロードロック室２７０３ａおよびアンロードロック室２７０３ｂと接続され、ロードロック室２７０３ａおよびアンロードロック室２７０３ｂは、搬送室２７０４と接続され、搬送室２７０４は、チャンバー２７０６ａ、チャンバー２７０６ｂ、チャンバー２７０６ｃおよびチャンバー２７０６ｄと接続する。
なお、各室の接続部にはゲートバルブＧＶが設けられており、大気側基板供給室２７０１と、大気側基板搬送室２７０２を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板搬送室２７０２には搬送ロボット２７６３ａが設けられており、搬送室２７０４には搬送ロボット２７６３ｂが設けられている。搬送ロボット２７６３ａおよび搬送ロボット２７６３ｂによって、製造装置２７００内で基板を搬送することができる。
搬送室２７０４および各チャンバーの背圧（全圧）は、例えば、１×１０−４Ｐａ以下、好ましくは３×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０−５Ｐａ以下とする。また、搬送室２７０４および各チャンバーの質量電荷比（ｍ／ｚ）が１８である気体分子（原子）の分圧は、例えば、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下とする。また、搬送室２７０４および各チャンバーのｍ／ｚが２８である気体分子（原子）の分圧は、例えば、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下とする。また、搬送室２７０４および各チャンバーのｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の分圧は、例えば、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下とする。
なお、搬送室２７０４および各チャンバー内の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極形質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓともいう。）Ｑｕｌｅｅ ＣＧＭ−０５１を用いればよい。
また、搬送室２７０４および各チャンバーは、外部リークまたは内部リークが少ない構成とすることが望ましい。例えば、搬送室２７０４および各チャンバーのリークレートは、３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。また、例えば、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは３×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。また、例えば、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−５Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。また、例えば、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）のリークレートが３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。
なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧および分圧から導出すればよい。リークレートは、外部リークおよび内部リークに依存する。外部リークは、微小な穴やシール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リークおよび内部リークの両面から対策をとる必要がある。
例えば、搬送室２７０４および各チャンバーの開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。
また、製造装置２７００を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の部材を鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低減できる。
または、前述の製造装置２７００の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで被覆してもよい。
製造装置２７００の部材は、極力金属のみで構成することが好ましく、例えば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。
搬送室２７０４および各チャンバーに存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために搬送室２７０４および各チャンバーの圧力に影響しないが、搬送室２７０４および各チャンバーを排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、搬送室２７０４および各チャンバーに存在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、搬送室２７０４および各チャンバーをベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくすることができる。ベーキングは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを搬送室２７０４および各チャンバーに導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。なお、導入する不活性ガスをベーキングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。
または、加熱した希ガスなどの不活性ガスまたは酸素などを導入することで搬送室２７０４および各チャンバー内の圧力を高め、一定時間経過後に再び搬送室２７０４および各チャンバーを排気する処理を行うと好ましい。加熱したガスの導入により搬送室２７０４および各チャンバー内の吸着物を脱離させることができ、搬送室２７０４および各チャンバー内に存在する不純物を低減することができる。なお、この処理は２回以上３０回以下、好ましくは５回以上１５回以下の範囲で繰り返し行うと効果的である。具体的には、温度が４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下である不活性ガスまたは酸素などを導入することで搬送室２７０４および各チャンバー内の圧力を０．１Ｐａ以上１０ｋＰａ以下、好ましくは１Ｐａ以上１ｋＰａ以下、さらに好ましくは５Ｐａ以上１００Ｐａ以下とし、圧力を保つ期間を１分以上３００分以下、好ましくは５分以上１２０分以下とすればよい。その後、搬送室２７０４および各チャンバーを５分以上３００分以下、好ましくは１０分以上１２０分以下の期間排気する。
次に、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃについて図２９に示す断面模式図を用いて説明する。
チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃは、例えば、被処理物に高密度プラズマ処理を行うことが可能なチャンバーである。なお、チャンバー２７０６ｂと、チャンバー２７０６ｃと、は高密度プラズマ処理を行う際の雰囲気が異なるのみである。そのほかの構成については共通するため、以下ではまとめて説明を行う。
チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃは、スロットアンテナ板２８０８と、誘電体板２８０９と、基板ステージ２８１２と、排気口２８１９と、を有する。また、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃの外などには、ガス供給源２８０１と、バルブ２８０２と、高周波発生器２８０３と、導波管２８０４と、モード変換器２８０５と、ガス管２８０６と、導波管２８０７と、マッチングボックス２８１５と、高周波電源２８１６と、真空ポンプ２８１７と、バルブ２８１８と、が設けられる。
高周波発生器２８０３は、導波管２８０４を介してモード変換器２８０５と接続している。モード変換器２８０５は、導波管２８０７を介してスロットアンテナ板２８０８に接続している。スロットアンテナ板２８０８は、誘電体板２８０９と接して配置される。また、ガス供給源２８０１は、バルブ２８０２を介してモード変換器２８０５に接続している。そして、モード変換器２８０５、導波管２８０７および誘電体板２８０９を通るガス管２８０６によって、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃにガスが送られる。また、真空ポンプ２８１７は、バルブ２８１および排気口２８１９を介して、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃからガスなどを排気する機能を有する。また、高周波電源２８１６は、マッチングボックス２８１５を介して基板ステージ２８１２に接続している。
基板ステージ２８１２は、基板２８１１を保持する機能を有する。例えば、基板２８１１を静電チャックまたは機械的にチャックする機能を有する。また、高周波電源２８１６から電力を供給される電極としての機能を有する。また、内部に加熱機構２８１３を有し、基板２８１１を加熱する機能を有する。
真空ポンプ２８１７としては、例えば、ドライポンプ、メカニカルブースターポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプ、クライオポンプまたはターボ分子ポンプなどを用いることができる。また、真空ポンプ２８２７に加えて、クライオトラップを用いてもよい。クライオポンプおよびクライオトラップを用いると、水を効率よく排気できて特に好ましい。
また、加熱機構２８１３としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構とすればよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）またはＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を用いることができる。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。
また、ガス供給源２８０１は、マスフローコントローラを介して、精製機と接続されていてもよい。ガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いることが好ましい。例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス（アルゴンガスなど）を用いればよい。
誘電体板２８０９としては、例えば、酸化シリコン（石英）、酸化アルミニウム（アルミナ）または酸化イットリウム（イットリア）などを用いればよい。また、誘電体板２８０９の表面に、さらに別の保護層が形成されていてもよい。保護層としては、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化クロム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化アルミニウムまたは酸化イットリウムなどを用いればよい。誘電体板２８０９は、後述する高密度プラズマ２８１０の特に高密度領域に曝されることになるため、保護層を設けることで損傷を緩和することができる。その結果、処理時のパーティクルの増加などを抑制することができる。
高周波発生器２８０３では、例えば、０．３ＧＨｚ以上３．０ＧＨｚ以下、０．７ＧＨｚ以上１．１ＧＨｚ以下、または２．２ＧＨｚ以上２．８ＧＨｚ以下のマイクロ波を発生させる機能を有する。高周波発生器２８０３で発生させたマイクロ波は、導波管２８０４を介してモード変換器２８０５に伝わる。モード変換器２８０５では、ＴＥモードとして伝わったマイクロ波がＴＥＭモードに変換される。そして、マイクロ波は、導波管２８０７を介してスロットアンテナ板２８０８に伝わる。スロットアンテナ板２８０８は、複数のスロット孔が設けられており、マイクロ波は該スロット孔および誘電体板２８０９を通過する。そして、誘電体板２８０９の下方に電界を生じさせ、高密度プラズマ２８１０を生成することができる。高密度プラズマ２８１０には、ガス供給源２８０１から供給されたガス種に応じたイオンおよびラジカルが存在する。例えば、酸素ラジカルまたは窒素ラジカルなどが存在する。
このとき、基板２８１１が高密度プラズマ２８１０で生成されたイオンおよびラジカルによって、基板２８１１上の膜などを改質することができる。なお、高周波電源２８１６を用いて、基板２８１１側にバイアスを印加すると好ましい場合がある。高周波電源２８１６には、例えば、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚなどの周波数のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電源を用いればよい。基板側にバイアスを印加することで、高密度プラズマ２８１０中のイオンを基板２８１１上の膜などの開口部の奥まで効率よく到達させることができる。
例えば、チャンバー２７０６ｂでは、ガス供給源２８０１から酸素を導入することで高密度プラズマ２８１０を用いた酸素ラジカル処理を行い、チャンバー２７０６ｃでは、ガス供給源２８０１から窒素を導入することで高密度プラズマ２８１０を用いた窒素ラジカル処理を行うことができる。
次に、チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄについて図３０に示す断面模式図を用いて説明する。
チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄは、例えば、被処理物に電磁波の照射を行うことが可能なチャンバーである。なお、チャンバー２７０６ａと、チャンバー２７０６ｄと、は電磁波の種類が異なるのみである。そのほかの構成については共通する部分が多いため、以下ではまとめて説明を行う。
チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄは、一または複数のランプ２８２０と、基板ステージ２８２５と、ガス導入口２８２３と、排気口２８３０と、を有する。また、チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄの外などには、ガス供給源２８２１と、バルブ２８２２と、真空ポンプ２８２７と、バルブ２８２９と、が設けられる。
ガス供給源２８２１は、バルブ２８２２を介してガス導入口２８２３に接続している。真空ポンプ２８２８は、バルブ２８２９を介して排気口２８３０に接続している。ランプ２８２０は、基板ステージ２８２５と向かい合って配置されている。基板ステージ２８２５は、基板２８２４を保持する機能を有する。また、基板ステージ２８２５は、内部に加熱機構２８２６を有し、基板２８２４を加熱する機能を有する。
ランプ２８２０としては、例えば、可視光または紫外光などの電磁波を放射する機能を有する光源を用いればよい。例えば、波長１０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、または４０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下にピークを有する電磁波を放射する機能を有する光源を用いればよい。
例えば、ランプ２８２０としては、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプまたは高圧水銀ランプなどの光源を用いればよい。
例えば、ランプ２８２０から放射される電磁波は、その一部または全部が基板２８２４に吸収されることで基板２８２４上の膜などを改質することができる。例えば、欠陥の生成もしくは低減、または不純物の除去などができる。なお、基板２８２４を加熱しながら行うと、効率よく、欠陥の生成もしくは低減、または不純物の除去などができる。
または、例えば、ランプ２８２０から放射される電磁波によって、基板ステージ２８２５を発熱させ、基板２８２４を加熱してもよい。その場合、基板ステージ２８２５の内部に加熱機構２８２６を有さなくてもよい。
真空ポンプ２８２７は、真空ポンプ２８１７についての記載を参照する。また、加熱機構２８２６は、加熱機構２８１３についての記載を参照する。また、ガス供給源２８２１は、ガス供給源２８０１についての記載を参照する。
以上の製造装置を用いることで、被処理物への不純物の混入を抑制しつつ、膜の改質などが可能となる。
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態１５）
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
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、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）、非晶質酸化物半導体などがある。
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳなどがある。
非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であって不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が柔軟であり、短距離秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。ただし、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、微小な領域において周期構造を有するものの、鬆（ボイドともいう。）を有し、不安定な構造である。そのため、物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一つである。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、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。
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図３１（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うことができる。
図３１（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図３１（Ｂ）に示す。図３１（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
図３１（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図３１（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図３１（Ｂ）および図３１（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのペレット５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる（図３１（Ｄ）参照。）。図３１（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾きが生じている箇所は、図３１（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
また、図３２（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図３２（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図３２（Ｂ）、図３２（Ｃ）および図３２（Ｄ）に示す。図３２（Ｂ）、図３２（Ｃ）および図３２（Ｄ）より、ペレットは、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図３３（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。より好ましいＣＡＡＣ−ＯＳは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さない。
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図３３（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図３３（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図３４（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図３４（Ｂ）に示す。図３４（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図３４（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因すると考えられる。また、図３４（Ｂ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
上述したように、ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。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、逆の見方をすると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。
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合がある。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体である。具体的には、８×１０１１個／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０個／ｃｍ３未満であり、１×１０−９個／ｃｍ３以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性がある。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
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、異なるペレット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。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いた場合、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークは検出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
＜ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ＞
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、高分解能ＴＥＭ像において鬆が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備する。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行えばよい。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なすことができる。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
図３５は、各試料の結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさを調査した例である。ただし、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図３５より、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図３５中に（１）で示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう。）が、累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２においては２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図３５中の（２）および（３）で示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度であることがわかる。
このように、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合がある。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
（実施の形態１６）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について説明する。
＜ＣＭＯＳインバータ＞
図３６（Ａ）に示す回路図は、ｐチャネル型のトランジスタ２２００とｎチャネル型のトランジスタ２１００を直列に接続し、かつそれぞれのゲートを接続した、いわゆるＣＭＯＳインバータの構成を示している。
＜半導体装置の構造１＞
図３７は、図３６（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図３７に示す半導体装置は、トランジスタ２２００と、トランジスタ２１００と、を有する。また、トランジスタ２１００は、トランジスタ２２００の上方に配置する。なお、トランジスタ２１００として、上述の実施の形態において記載したトランジスタを用いることができる。よって、トランジスタ２１００については、適宜上述したトランジスタについての記載を参酌することができる。
図３７に示すトランジスタ２２００は、半導体基板４５０を用いたトランジスタである。トランジスタ２２００は、半導体基板４５０中の領域４７２ａと、半導体基板４５０中の領域４７２ｂと、絶縁体４６２と、導電体４５４と、を有する。
トランジスタ２２００において、領域４７２ａおよび領域４７２ｂは、ソース領域およびドレイン領域としての機能を有する。また、絶縁体４６２は、ゲート絶縁体としての機能を有する。また、導電体４５４は、ゲート電極としての機能を有する。したがって、導電体４５４に印加する電位によって、チャネル形成領域の抵抗を制御することができる。即ち、導電体４５４に印加する電位によって、領域４７２ａと領域４７２ｂとの間の導通・非導通を制御することができる。
半導体基板４５０としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなどの半導体基板などを用いればよい。好ましくは、半導体基板４５０として単結晶シリコン基板を用いる。
半導体基板４５０は、ｎ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いる。ただし、半導体基板４５０として、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いても構わない。その場合、トランジスタ２２００となる領域には、ｎ型の導電型を付与する不純物を有するウェルを配置すればよい。または、半導体基板４５０がｉ型であっても構わない。
半導体基板４５０の上面は、（１１０）面を有することが好ましい。こうすることで、トランジスタ２２００のオン特性を向上させることができる。
領域４７２ａおよび領域４７２ｂは、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する領域である。このようにして、トランジスタ２２００はｐチャネル型トランジスタを構成する。
なお、トランジスタ２２００は、領域４６０などによって隣接するトランジスタと分離される。領域４６０は、絶縁性を有する領域である。
図３７に示す半導体装置は、絶縁体４６４と、絶縁体４６６と、絶縁体４６８と、導電体４８０ａと、導電体４８０ｂと、導電体４８０ｃと、導電体４７８ａと、導電体４７８ｂと、導電体４７８ｃと、導電体４７６ａと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ａと、導電体４７４ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ａと、導電体４９６ｂと、導電体４９６ｃと、導電体４９６ｄと、導電体４９８ａと、導電体４９８ｂと、導電体４９８ｃと、絶縁体４８９と、絶縁体４９０と、絶縁体４９２と、絶縁体４９３と、絶縁体４９４と、絶縁体４９５と、を有する。
絶縁体４６４は、トランジスタ２２００上に配置する。また、絶縁体４６６は、絶縁体４６４上に配置する。また、絶縁体４６８は、絶縁体４６６上に配置する。また、絶縁体４８９は、絶縁体４６８上に配置する。また、トランジスタ２１００は、絶縁体４８９上に配置する。また、絶縁体４９３は、トランジスタ２１００上に配置する。また、絶縁体４９４は、絶縁体４９３上に配置する。
絶縁体４６４は、領域４７２ａに達する開口部と、領域４７２ｂに達する開口部と、導電体４５４に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８０ａ、導電体４８０ｂまたは導電体４８０ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６６は、導電体４８０ａに達する開口部と、導電体４８０ｂに達する開口部と、導電体４８０ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７８ａ、導電体４７８ｂまたは導電体４７８ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６８は、導電体４７８ｂに達する開口部と、導電体４７８ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７６ａまたは導電体４７６ｂが埋め込まれている。
また、絶縁体４８９は、トランジスタ２１００のチャネル形成領域と重なる開口部と、導電体４７６ａに達する開口部と、導電体４７６ｂに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７４ａ、導電体４７４ｂまたは導電体４７４ｃが埋め込まれている。
導電体４７４ａは、トランジスタ２１００のゲート電極としての機能を有しても構わない。または、例えば、導電体４７４ａに一定の電位を印加することで、トランジスタ２１００のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体４７４ａとトランジスタ２１００のゲート電極としての機能を有する導電体５０４とを電気的に接続しても構わない。こうすることで、トランジスタ２１００のオン電流を大きくすることができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ２１００の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。なお、導電体４７４ａは上記実施の形態の導電体４１３に相当するため、詳細については導電体４１３の記載を参酌することができる。
また、絶縁体４９０は、導電体４７４ｂに達する開口部を有する。なお、絶縁体４９０は上記実施の形態の絶縁体４０２に相当するため、詳細については絶縁体４０２の記載を参酌することができる。
また、絶縁体４９５は、トランジスタ２１００のソースまたはドレインの一方である導電体５０７ｂを通って、導電体４７４ｂに達する開口部と、トランジスタ２１００のソースまたはドレインの他方である導電体５０７ａに達する開口部と、トランジスタ２１００のゲート電極である導電体５０４に達する開口部と、導電体４７４ｃに達する開口部と、を有する。なお、絶縁体４９５は上記実施の形態の絶縁体４１０に相当するため、詳細については絶縁体４１０の記載を参酌することができる。
また、絶縁体４９３は、トランジスタ２１００のソースまたはドレインの一方である導電体５０７ｂを通って、導電体４７４ｂに達する開口部と、トランジスタ２１００のソースまたはドレインの他方である導電体５０７ａに達する開口部と、トランジスタ２１００のゲート電極である導電体５０４に達する開口部と、導電体４７４ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ、導電体４９６ｃまたは導電体４９６ｄが埋め込まれている。ただし、それぞれの開口部は、さらにトランジスタ２１００などの構成要素のいずれかが有する開口部を介する場合がある。
また、絶縁体４９４は、導電体４９６ａに達する開口部と、導電体４９６ｂおよび導電体４９６ｄに達する開口部と、導電体４９６ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９８ａ、導電体４９８ｂまたは導電体４９８ｃが埋め込まれている。
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４８９、絶縁体４９３および絶縁体４９４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。
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４８９、絶縁体４９３または絶縁体４９４の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有することが好ましい。トランジスタ２１００の近傍に、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ２１００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をブロック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。
導電体４８０ａ、導電体４８０ｂ、導電体４８０ｃ、導電体４７８ａ、導電体４７８ｂ、導電体４７８ｃ、導電体４７６ａ、導電体４７６ｂ、導電体４７４ａ、導電体４７４ｂ、導電体４７４ｃ、導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ、導電体４９６ｃ、導電体４９６ｄ、導電体４９８ａ、導電体４９８ｂおよび導電体４９８ｃとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
なお、図３８に示す半導体装置は、図３７に示した半導体装置のトランジスタ２２００の構造が異なるのみである。よって、図３８に示す半導体装置については、図３７に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図３８に示す半導体装置は、トランジスタ２２００がＦｉｎ型である場合を示している。トランジスタ２２００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ２２００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ２２００のオフ特性を向上させることができる。
また、図３９に示す半導体装置は、図３７に示した半導体装置のトランジスタ２２００の構造が異なるのみである。よって、図３９に示す半導体装置については、図３７に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図３９に示す半導体装置は、トランジスタ２２００がＳＯＩ基板である半導体基板４５０に設けられた場合を示している。図３９には、絶縁体４５２によって領域４５６が半導体基板４５０と分離されている構造を示す。半導体基板４５０としてＳＯＩ基板を用いることによって、パンチスルー現象などを抑制することができるためトランジスタ２２００のオフ特性を向上させることができる。なお、絶縁体４５２は、半導体基板４５０を絶縁体化させることによって形成することができる。例えば、絶縁体４５２としては、酸化シリコンを用いることができる。
図３７乃至図３９に示した半導体装置は、半導体基板を用いてｐチャネル型トランジスタを作製し、その上方にｎチャネル型トランジスタを作製するため、素子の占有面積を縮小することができる。即ち、半導体装置の集積度を高くすることができる。また、ｎチャネル型トランジスタと、ｐチャネル型トランジスタとを同一の半導体基板を用いて作製した場合と比べて、工程を簡略化することができるため、半導体装置の生産性を高くすることができる。また、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、ｐチャネル型トランジスタは、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域、シャロートレンチ構造、歪み設計などの複雑な工程を省略できる場合がある。そのため、ｎチャネル型トランジスタを、半導体基板を用いて作製する場合と比べて、生産性および歩留まりを高くすることができる場合がある。
＜ＣＭＯＳアナログスイッチ＞
また図３６（Ｂ）に示す回路図は、トランジスタ２１００とトランジスタ２２００のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるＣＭＯＳアナログスイッチとして機能させることができる。
＜記憶装置１＞
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、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（記憶装置）の一例を図４０に示す。
図４０（Ａ）に示す半導体装置は、第１の半導体を用いたトランジスタ３２００と第２の半導体を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。なお、トランジスタ３３００としては、上述のトランジスタ２１００と同様のトランジスタを用いることができる。
トランジスタ３３００は、オフ電流の小さいトランジスタが好ましい。トランジスタ３３００は、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。トランジスタ３３００のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに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、またはリフレッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置となる。
図４０（Ａ）において、第１の配線３００１はトランジスタ３２００のソースと電気的に接続され、第２の配線３００２はトランジスタ３２００のドレインと電気的に接続される。また、第３の配線３００３はトランジスタ３３００のソース、ドレインの一方と電気的に接続され、第４の配線３００４はトランジスタ３３００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３２００のゲート、およびトランジスタ３３００のソース、ドレインの他方は、容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線３００５は容量素子３４００の電極の他方と電気的に接続されている。
図４０（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００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３３００が導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００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３２００のゲート、および容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧに与えられる。即ち、トランジスタ３２００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３３００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を非導通状態とすることにより、ノードＦＧに電荷が保持される（保持）。
トランジスタ３３００のオフ電流が小さいため、ノードＦＧの電荷は長期間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００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３２００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３２００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ＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を第５の配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を第５の配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。
なお、上記においては、２種類の電荷をノードＦＧに保持する例について示したが、本発明に係る半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、半導体装置のノードＦＧに３種類以上の電荷をノードに保持できる構成としてもよい。このような構成とすることにより、当該半導体装置を多値化して記憶容量の増大を図ることができる。
＜記憶装置の構造１＞
図４１は、図４０（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図４１に示す半導体装置は、トランジスタ３２００と、トランジスタ３３００と、容量素子３４００と、を有する。また、トランジスタ３３００および容量素子３４００は、トランジスタ３２００の上方に配置する。なお、トランジスタ３３００としては、上述したトランジスタ２１００についての記載を参照する。また、トランジスタ３２００としては、図３７に示したトランジスタ２２００についての記載を参照する。なお、図３７では、トランジスタ２２００がｐチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
図４１に示すトランジスタ２２００は、半導体基板４５０を用いたトランジスタである。トランジスタ２２００は、半導体基板４５０中の領域４７２ａと、半導体基板４５０中の領域４７２ｂと、絶縁体４６２と、導電体４５４と、を有する。
図４１に示す半導体装置は、絶縁体４６４と、絶縁体４６６と、絶縁体４６８と、導電体４８０ａと、導電体４８０ｂと、導電体４８０ｃと、導電体４７８ａと、導電体４７８ｂと、導電体４７８ｃと、導電体４７６ａと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ａと、導電体４７４ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ａと、導電体４９６ｂと、導電体４９６ｃと、導電体４９６ｄと、導電体４９８ａと、導電体４９８ｂと、導電体４９８ｃと、絶縁体４８９と、絶縁体４９０と、絶縁体４９２と、絶縁体４９３と、絶縁体４９４と、絶縁体４９５と、を有する。
絶縁体４６４は、トランジスタ３２００上に配置する。また、絶縁体４６６は、絶縁体４６４上に配置する。また、絶縁体４６８は、絶縁体４６６上に配置する。また、絶縁体４８９は、絶縁体４６８上に配置する。また、トランジスタ２１００は、絶縁体４８９上に配置する。また、絶縁体４９３は、トランジスタ２１００上に配置する。また、絶縁体４９４は、絶縁体４９３上に配置する。
絶縁体４６４は、領域４７２ａに達する開口部と、領域４７２ｂに達する開口部と、導電体４５４に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８０ａ、導電体４８０ｂまたは導電体４８０ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６６は、導電体４８０ａに達する開口部と、導電体４８０ｂに達する開口部と、導電体４８０ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７８ａ、導電体４７８ｂまたは導電体４７８ｃが埋め込まれている。
また、絶縁体４６８は、導電体４７８ｂに達する開口部と、導電体４７８ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７６ａまたは導電体４７６ｂが埋め込まれている。
また、絶縁体４８９は、トランジスタ３３００のチャネル形成領域と重なる開口部と、導電体４７６ａに達する開口部と、導電体４７６ｂに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７４ａ、導電体４７４ｂまたは導電体４７４ｃが埋め込まれている。
導電体４７４ａは、トランジスタ３３００のボトムゲート電極としての機能を有しても構わない。または、例えば、導電体４７４ａに一定の電位を印加することで、トランジスタ３３００のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体４７４ａとトランジスタ３３００のトップゲート電極である導電体５０４とを電気的に接続しても構わない。こうすることで、トランジスタ３３００のオン電流を大きくすることができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ３３００の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。
また、絶縁体４９０は、導電体４７４ｂに達する開口部と、導電体４７４ｃに達する開口部と、を有する。なお、絶縁体４９０は上記実施の形態の絶縁体４０２に相当するため、詳細については絶縁体４０２の記載を参酌することができる。
また、絶縁体４９５は、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方である導電体５０７ｂを通って、導電体４７４ｂに達する開口部と、トランジスタ３３００のソースまたはドレインの他方である導電体５０７ａから導電体５１４に達する開口部と、トランジスタ３３００のソースまたはドレインの他方である導電体５０７ａを通って、導電体４７４ｃに達する開口部と、を有する。なお、絶縁体４９５は上記実施の形態の絶縁体４１０に相当するため、詳細については絶縁体４１０の記載を参酌することができる。
また、絶縁体４９３は、トランジスタ３３００のソースまたはドレインの他方である導電体５０７ａと絶縁体５１１を介して重なる導電体５１４に達する開口部と、トランジスタ３３００のゲート配線である導電体に達する開口部と、トランジスタ３３００のソースまたはドレインの他方である導電体５０７ａを通って、導電体４７４ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ、導電体４９６ｃまたは導電体４９６ｄが埋め込まれている。ただし、それぞれの開口部は、さらにトランジスタ３３００などの構成要素のいずれかが有する開口部を介する場合がある。
また、絶縁体４９４は、導電体４９６ａに達する開口部と、導電体４９６ｂに達する開口部と、導電体４９６ｃに達する開口部と、導電体４９６ｄに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９８ａ、導電体４９８ｂまたは導電体４９８ｃが埋め込まれている。
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４８９、絶縁体４９３または絶縁体４９４の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有することが好ましい。トランジスタ３３００の近傍に、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ３３００の電気特性を安定にすることができる。
トランジスタ３２００のソースまたはドレインは、導電体４８０ｂと、導電体４７８ｂと、導電体４７６ａと、導電体４７４ｂと、導電体４９６ｃと、を介してトランジスタ３３００のソースまたはドレインの一方である導電体５０７ｂと電気的に接続する。また、トランジスタ３２００のゲート電極である導電体４５４は、導電体４８０ｃと、導電体４７８ｃと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ｄと、を介してトランジスタ３３００のソースまたはドレインの他方である導電体５０７ａと電気的に接続する。
容量素子３４００は、導電体５１５と、導電体５１４と、絶縁体５１１、を有する。
そのほかの構造については、適宜図３７などについての記載を参酌することができる。
なお、図４２に示す半導体装置は、図４１に示した半導体装置のトランジスタ３２００の構造が異なるのみである。よって、図４２に示す半導体装置については、図４１に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図４２に示す半導体装置は、トランジスタ３２００がＦｉｎ型である場合を示している。Ｆｉｎ型であるトランジスタ３２００については、図３８に示したトランジスタ２２００の記載を参照する。なお、図３８では、トランジスタ２２００がｐチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
また、図４３に示す半導体装置は、図４１に示した半導体装置のトランジスタ３２００の構造が異なるのみである。よって、図４３に示す半導体装置については、図４１に示した半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図４３に示す半導体装置は、トランジスタ３２００がＳＯＩ基板である半導体基板４５０に設けられた場合を示している。ＳＯＩ基板である半導体基板４５０に設けられたトランジスタ３２００については、図３９に示したトランジスタ２２００の記載を参照する。なお、図３９では、トランジスタ２２００がｐチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
＜記憶装置２＞
図４０（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を有さない点で図４０（Ａ）に示した半導体装置と異なる。この場合も図４０（Ａ）に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
図４０（Ｂ）に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ３３００が導通状態になると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子３４００とが導通し、第３の配線３００３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量素子３４００の電極の一方の電位（または容量素子３４００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３４００の電極の一方の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子３４００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２つの状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
そして、第３の配線３００３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。
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ３３００として第２の半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。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、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。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好ましい）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、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。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わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、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した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。
＜記憶装置３＞
図４０（Ａ）に示す半導体装置（記憶装置）の変形例について、図４４に示す回路図を用いて説明する。
図４４に示す半導体装置は、トランジスタ４１００乃至トランジスタ４４００と、容量素子４５００及び容量素子４６００と、を有する。ここでトランジスタ４１００は、上述のトランジスタ３２００と同様のトランジスタを用いることができ、トランジスタ４２００乃至４４００は、上述のトランジスタ３３００と同様のトランジスタを用いることができる。なお、図４４に示す半導体装置は、図４４では図示を省略したが、マトリクス状に複数設けられる。図４４に示す半導体装置は、配線４００１、配線４００３、配線４００５乃至４００９に与える信号又は電位に従って、データ電圧の書き込み、読み出しを制御することができる。
トランジスタ４１００のソース又はドレインの一方は、配線４００３に接続される。トランジスタ４１００のソース又はドレインの他方は、配線４００１に接続される。なお図４４では、トランジスタ４１００の導電型をｐチャネル型として示すが、ｎチャネル型でもよい。
図４４に示す半導体装置は、２つのデータ保持部を有する。例えば第１のデータ保持部は、ノードＦＧ１に接続されるトランジスタ４４００のソース又はドレインの一方、容量素子４６００の一方の電極、及びトランジスタ４２００のソース又はドレインの一方の間で電荷を保持する。また、第２のデータ保持部は、ノードＦＧ２に接続されるトランジスタ４１００のゲート、トランジスタ４２００のソース又はドレインの他方、トランジスタ４３００のソース又はドレインの一方、及び容量素子４５００の一方の電極の間で電荷を保持する。
トランジスタ４３００のソース又はドレインの他方は、配線４００３に接続される。トランジスタ４４００のソース又はドレインの他方は、配線４００１に接続される。トランジスタ４４００のゲートは、配線４００５に接続される。トランジスタ４２００のゲートは、配線４００６に接続される。トランジスタ４３００のゲートは、配線４００７に接続される。容量素子４６００の他方の電極は、配線４００８に接続される。容量素子４５００の他方の電極は、配線４００９に接続される。
トランジスタ４２００乃至４４００は、データ電圧の書き込みと電荷の保持を制御するスイッチとしての機能を有する。なおトランジスタ４２００乃至４４００は、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ電流）が低いトランジスタが用いられることが好適である。オフ電流が少ないトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）であることが好ましい。ＯＳトランジスタは、オフ電流が低い、シリコンを有するトランジスタと重ねて作製できる等の利点がある。なお図４４では、トランジスタ４２００乃至４４００の導電型をｎチャネル型として示すが、ｐチャネル型でもよい。
トランジスタ４２００及びトランジスタ４３００と、トランジスタ４４００とは、酸化物半導体を用いたトランジスタであっても別層に設けることが好ましい。すなわち、図４４に示す半導体装置は、図４４に示すように、トランジスタ４１００を有する第１の層４０２１と、トランジスタ４２００及びトランジスタ４３００を有する第２の層４０２２と、トランジスタ４４００を有する第３の層４０２３と、で構成されることが好ましい。トランジスタを有する層を積層して設けることで、回路面積を縮小することができ、半導体装置の小型化を図ることができる。
次いで、図４４に示す半導体装置への情報の書き込み動作について説明する。
最初に、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作（以下、書き込み動作１とよぶ。）について説明する。なお、以下において、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をＶＤ１とし、トランジスタ４１００の閾値電圧をＶｔｈとする。
書き込み動作１では、配線４００３をＶＤ１とし、配線４００１を接地電位とした後に、電気的に浮遊状態とする。また配線４００５、４００６をハイレベルにする。また配線４００７乃至４００９をローレベルにする。すると、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２の電位が上昇し、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、配線４００１の電位が上昇する。またトランジスタ４４００、トランジスタ４２００が導通状態となる。そのため、配線４００１の電位の上昇につれて、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位が上昇する。ノードＦＧ２の電位が上昇し、トランジスタ４１００でゲートとソースとの間の電圧（Ｖｇｓ）がトランジスタ４１００の閾値電圧Ｖｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。そのため、配線４００１、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位の上昇は止まり、ＶＤ１からＶｔｈだけ下がった「ＶＤ１−Ｖｔｈ」で一定となる。
つまり、配線４００３に与えたＶＤ１は、トランジスタ４１００に電流が流れることで、配線４００１に与えられ、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノードＦＧ２の電位が「ＶＤ１−Ｖｔｈ」となると、トランジスタ４１００のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。
次に、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作（以下、書き込み動作２とよぶ。）について説明する。なお、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をＶＤ２として説明する。
書き込み動作２では、配線４００１をＶＤ２とし、配線４００３を接地電位とした後に、電気的に浮遊状態とする。また配線４００７をハイレベルにする。また配線４００５、４００６、４００８、４００９をローレベルにする。トランジスタ４３００を導通状態として配線４００３をローレベルにする。そのため、ノードＦＧ２の電位もローレベルにまで低下し、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、配線４００３の電位が上昇する。またトランジスタ４３００が導通状態となる。そのため、配線４００３の電位の上昇につれて、ノードＦＧ２の電位が上昇する。ノードＦＧ２の電位が上昇し、トランジスタ４１００でＶｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。そのため、配線４００３、ＦＧ２の電位の上昇は止まり、ＶＤ２からＶｔｈだけ下がった「ＶＤ２−Ｖｔｈ」で一定となる。
つまり、配線４００１に与えたＶＤ２は、トランジスタ４１００に電流が流れることで、配線４００３に与えられ、ノードＦＧ２の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノードＦＧ２の電位が「ＶＤ２−Ｖｔｈ」となると、トランジスタ４１００のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。このとき、ノードＦＧ１の電位は、トランジスタ４２００、４４００共に非導通状態であり、書き込み動作１で書きこんだ「ＶＤ１−Ｖｔｈ」が保持される。
図４４に示す半導体装置では、複数のデータ保持部にデータ電圧を書きこんだのち、配線４００９をハイレベルにして、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位を上昇させる。そして、各トランジスタを非導通状態として、電荷の移動をなくし、書きこんだデータ電圧を保持する。
以上説明したノードＦＧ１、ＦＧ２へのデータ電圧の書き込み動作によって、複数のデータ保持部にデータ電圧を保持させることができる。なお書きこまれる電位として、「ＶＤ１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を一例として挙げて説明したが、これらは多値のデータに対応するデータ電圧である。そのため、それぞれのデータ保持部で４ビットのデータを保持する場合、１６値の「ＶＤ１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を取り得る。
次いで、図４４に示す半導体装置からの情報の読み出し動作について説明する。
最初に、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作（以下、読み出し動作１とよぶ。）について説明する。
読み出し動作１では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線４００３を放電させる。配線４００５乃至４００８をローレベルにする。また、配線４００９をローレベルとして、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２の電位を「ＶＤ２−Ｖｔｈ」とする。ノードＦＧ２の電位が下がることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、電気的に浮遊状態の配線４００３の電位が低下する。配線４００３の電位の低下につれて、トランジスタ４１００のＶｇｓが小さくなる。トランジスタ４１００のＶｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。すなわち、配線４００３の電位が、ノードＦＧ２の電位「ＶＤ２−Ｖｔｈ」からＶｔｈだけ大きい値である「ＶＤ２」となる。この配線４００３の電位は、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ電圧はＡ／Ｄ変換を行い、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータを取得する。
つまり、プリチャージ後の配線４００３を浮遊状態とし、配線４００９の電位をハイレベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、浮遊状態にあった配線４００３の電位は低下して「ＶＤ２」となる。トランジスタ４１００では、ノードＦＧ２の「ＶＤ２−Ｖｔｈ」との間のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。そして、配線４００３には、書き込み動作２で書きこんだ「ＶＤ２」が読み出される。
ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータを取得したら、トランジスタ４３００を導通状態として、ノードＦＧ２の「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を放電させる。
次に、ノードＦＧ１に保持される電荷をノードＦＧ２に分配し、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部のデータ電圧を、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部に移す。ここで、配線４００１、４００３をローレベルとする。配線４００６をハイレベルにする。また、配線４００５、配線４００７乃至４００９をローレベルにする。トランジスタ４２００が導通状態となることで、ノードＦＧ１の電荷が、ノードＦＧ２との間で分配される。
ここで、電荷の分配後の電位は、書きこんだ電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」から低下する。そのため、容量素子４６００の容量値は、容量素子４５００の容量値よりも大きくしておくことが好ましい。あるいは、ノードＦＧ１に書きこむ電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」は、同じデータを表す電位「ＶＤ２−Ｖｔｈ」よりも大きくすることが好ましい。このように、容量値の比を変えること、予め書きこむ電位を大きくしておくことで、電荷の分配後の電位の低下を抑制することができる。電荷の分配による電位の変動については、後述する。
次に、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作（以下、読み出し動作２とよぶ。）について説明する。
読み出し動作２では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線４００３を放電させる。配線４００５乃至４００８をローレベルにする。また、配線４００９は、プリチャージ時にハイレベルとして、その後ローレベルとする。配線４００９をローレベルとすることで、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２を電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」とする。ノードＦＧ２の電位が下がることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、電気的に浮遊状態の配線４００３の電位が低下する。配線４００３の電位の低下につれて、トランジスタ４１００のＶｇｓが小さくなる。トランジスタ４１００のＶｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。すなわち、配線４００３の電位が、ノードＦＧ２の電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」からＶｔｈだけ大きい値である「ＶＤ１」となる。この配線４００３の電位は、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ電圧はＡ／Ｄ変換を行い、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部のデータを取得する。以上が、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作である。
つまり、プリチャージ後の配線４００３を浮遊状態とし、配線４００９の電位をハイレベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、浮遊状態にあった配線４００３の電位は低して「ＶＤ１」となる。トランジスタ４１００では、ノードＦＧ２の「ＶＤ１−Ｖｔｈ」との間のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。そして、配線４００３には、書き込み動作１で書きこんだ「ＶＤ１」が読み出される。
以上説明したノードＦＧ１、ＦＧ２からのデータ電圧の読み出し動作によって、複数のデータ保持部からデータ電圧を読み出すことができる。例えば、ノードＦＧ１及びノードＦＧ２にそれぞれ４ビット（１６値）のデータを保持することで計８ビット（２５６値）のデータを保持することができる。また、図４４においては、第１の層４０２１乃至第３の層４０２３からなる構成としたが、さらに層を形成することによって、半導体装置の面積を増大させず記憶容量の増加を図ることができる。
なお読み出される電位は、書きこんだデータ電圧よりＶｔｈだけ大きい電圧として読み出すことができる。そのため、書き込み動作で書きこんだ「ＶＤ１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−Ｖｔｈ」のＶｔｈを相殺して読み出す構成とすることができる。その結果、メモリセルあたりの記憶容量を向上させるとともに、読み出されるデータを正しいデータに近づけることができるため、データの信頼性に優れたものとすることができる。
また、図４５に図４４に対応する半導体装置の断面図を示す。図４５に示す半導体装置は、トランジスタ４１００乃至トランジスタ４４００と、容量素子４５００及び容量素子４６００と、を有する。ここで、トランジスタ４１００は第１の層４０２１に形成され、トランジスタ４２００、４３００、及び容量素子４５００は第２の層４０２２に形成され、トランジスタ４４００及び容量素子４６００は第３の層４０２３に形成される。
ここで、トランジスタ４２００乃至４４００としてはトランジスタ３３００の記載を、トランジスタ４１００としてはトランジスタ３２００の記載を参酌することができる。また、その他の配線、絶縁体等についても適宜図４１の記載を参酌することができる。
なお、図４１に示す半導体装置の容量素子３４００では導電層を基板に対して平行に設けて容量を形成する構成としたが、容量素子４５００、４６００では、トレンチ状に導電層を設けて、容量を形成する構成としている。このような構成とすることで、同じ占有面積であっても大きい容量値を確保することができる。
＜ＦＰＧＡ＞
また本発明の一態様は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などのＬＳＩにも適用可能である。
図４６（Ａ）には、ＦＰＧＡのブロック図の一例を示す。ＦＰＧＡは、ルーティングスイッチエレメント５２１と、ロジックエレメント５２２とによって構成される。また、ロジックエレメント５２２は、コンフィギュレーションメモリに記憶したコンフィギュレーションデータに応じて、組み合わせ回路の機能、または順序回路の機能といった論理回路の機能を切り替えることができる。
図４６（Ｂ）は、ルーティングスイッチエレメント５２１の役割を説明するための模式図である。ルーティングスイッチエレメント５２１は、コンフィギュレーションメモリ５２３に記憶したコンフィギュレーションデータに応じて、ロジックエレメント５２２間の接続を切り替えることができる。なお図４６（Ｂ）では、スイッチを一つ示し、端子ＩＮと端子ＯＵＴの間の接続を切り替える様子を示しているが、実際には複数あるロジックエレメント５２２間にスイッチが設けられる。
図４６（Ｃ）には、コンフィギュレーションメモリ５２３として機能する回路構成の一例を示す。コンフィギュレーションメモリ５２３は、ＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＭ１１と、Ｓｉトランジスタで構成されるＭ１２と、によって構成される。ノードＦＮＳＷには、トランジスタＭ１１を介してコンフィギュレーションデータＤＳＷが与えられる。このコンフィギュレーションデータＤＳＷの電位は、トランジスタＭ１１を非導通状態とすることで、保持することができる。保持したコンフィギュレーションデータＤＳＷの電位によって、トランジスタＭ１２の導通状態が切り替えられ、端子ＩＮと端子ＯＵＴの間の接続を切り替えることができる。
図４６（Ｄ）は、ロジックエレメント５２２の役割を説明するための模式図である。ロジックエレメント５２２は、コンフィギュレーションメモリ５２７に記憶したコンフィギュレーションデータに応じて、端子ＯＵＴｍｅｍの電位を切り替えることができる。ルックアップテーブル５２４は、端子ＯＵＴｍｅｍの電位に応じて、端子ＩＮの信号を処理する組み合わせ回路の機能を切り替えることができる。またロジックエレメント５２２は、順序回路であるレジスタ５２５と、端子ＯＵＴの信号を切り替えるためのセレクタ５２６を有する。セレクタ５２６は、コンフィギュレーションメモリ５２７から出力される端子ＯＵＴｍｅｍの電位に応じて、ルックアップテーブル５２４の信号の出力か、レジスタ５２５の信号の出力か、を選択することができる。
図４６（Ｅ）には、コンフィギュレーションメモリ５２７として機能する回路構成の一例を示す。コンフィギュレーションメモリ５２７は、ＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＭ１３、トランジスタＭ１４と、Ｓｉトランジスタで構成されるトランジスタＭ１５、トランジスタＭ１６と、によって構成される。ノードＦＮＬＥには、トランジスタＭ１３を介してコンフィギュレーションデータＤＬＥが与えられる。ノードＦＮＢＬＥには、トランジスタＭ１４を介してコンフィギュレーションデータＤＢＬＥが与えられる。コンフィギュレーションデータＤＢＬＥは、コンフィギュレーションデータＤＬＥの論理が反転した電位に相当する。このコンフィギュレーションデータＤＬＥ、コンフィギュレーションデータＤＢＬＥの電位は、トランジスタＭ１３、トランジスタＭ１４を非導通状態とすることで、保持することができる。保持したコンフィギュレーションデータＤＬＥ、コンフィギュレーションデータＤＢＬＥの電位によって、トランジスタＭ１５またはトランジスタＭ１６の一方の導通状態が切り替えられ、端子ＯＵＴｍｅｍには電位ＶＤＤまたは電位ＶＳＳを与えることができる。
図４６（Ａ）乃至（Ｅ）の構成に対して、上記実施の形態で説明した構成を適用することができる。例えばトランジスタＭ１２、トランジスタＭ１５、トランジスタＭ１６をＳｉトランジスタで構成し、トランジスタＭ１１、トランジスタＭ１３、トランジスタＭ１４をＯＳトランジスタで構成する。この場合、下層にあるＳｉトランジスタ間を接続する配線を低抵抗な導電材料で構成することができる。そのため、アクセス速度の向上、低消費電力化に優れた回路とすることができる。
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１７）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した撮像装置の一例について説明する。
＜撮像装置の構成＞
図４７（Ａ）は、本発明の一態様に係る撮像装置２００の例を示す平面図である。撮像装置２００は、画素部２１０と、画素部２１０を駆動するための周辺回路２６０と、周辺回路２７０、周辺回路２８０と、周辺回路２９０と、を有する。画素部２１０は、ｐ行ｑ列（ｐおよびｑは２以上の整数）のマトリクス状に配置された複数の画素２１１を有する。周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０は、それぞれ複数の画素２１１に接続し、複数の画素２１１を駆動するための信号を供給する機能を有する。なお、本明細書等において、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある。例えば、周辺回路２６０は周辺回路の一部といえる。
また、撮像装置２００は、光源２９１を有することが好ましい。光源２９１は、検出光Ｐ１を放射することができる。
また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換回路の１つを有する。また、周辺回路は、画素部２１０を形成する基板上に形成してもよい。また、周辺回路は、その一部または全部をＩＣ等の半導体装置を用いてもよい。なお、周辺回路は、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０のいずれか一以上を省略してもよい。
また、図４７（Ｂ）に示すように、撮像装置２００が有する画素部２１０において、画素２１１を傾けて配置してもよい。画素２１１を傾けて配置することにより、行方向および列方向の画素間隔（ピッチ）を短くすることができる。これにより、撮像装置２００における撮像の品質をより高めることができる。
＜画素の構成例１＞
撮像装置２００が有する１つの画素２１１を複数の副画素２１２で構成し、それぞれの副画素２１２に特定の波長域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を組み合わせることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
図４８（Ａ）は、カラー画像を取得するための画素２１１の一例を示す平面図である。図４８（Ａ）に示す画素２１１は、赤（Ｒ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｒ」ともいう）、緑（Ｇ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｇ」ともいう）および青（Ｂ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｂ」ともいう）を有する。副画素２１２は、フォトセンサとして機能させることができる。
副画素２１２（副画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂ）は、配線２３１、配線２４７、配線２４８、配線２４９、配線２５０と電気的に接続される。また、副画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂは、それぞれが独立した配線２５３に接続している。また、本明細書等において、例えばｎ行目の画素２１１に接続された配線２４８および配線２４９を、それぞれ配線２４８［ｎ］および配線２４９［ｎ］と記載する。また、例えばｍ列目の画素２１１に接続された配線２５３を、配線２５３［ｍ］と記載する。なお、図４８（Ａ）において、ｍ列目の画素２１１が有する副画素２１２Ｒに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｒ、副画素２１２Ｇに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｇ、および副画素２１２Ｂに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｂと記載している。副画素２１２は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。
また、撮像装置２００は、隣接する画素２１１の、同じ波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する。図４８（Ｂ）に、ｎ行（ｎは１以上ｐ以下の整数）ｍ列（ｍは１以上ｑ以下の整数）に配置された画素２１１が有する副画素２１２と、該画素２１１に隣接するｎ＋１行ｍ列に配置された画素２１１が有する副画素２１２の接続例を示す。図４８（Ｂ）において、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒがスイッチ２０１を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇがスイッチ２０２を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂがスイッチ２０３を介して接続されている。
なお、副画素２１２に用いるカラーフィルタは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に限定されず、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタを用いてもよい。１つの画素２１１に３種類の異なる波長域の光を検出する副画素２１２を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。
または、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２に加えて、黄（Ｙ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２を有する画素２１１を用いてもよい。または、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２に加えて、青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２を有する画素２１１を用いてもよい。１つの画素２１１に４種類の異なる波長域の光を検出する副画素２１２を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。
また、例えば、図４８（Ａ）において、赤の波長域の光を検出する副画素２１２、緑の波長域の光を検出する副画素２１２、および青の波長域の光を検出する副画素２１２の画素数比（または受光面積比）は、１：１：１でなくても構わない。例えば、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：２：１とするＢａｙｅｒ配列としてもよい。または、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：６：１としてもよい。
なお、画素２１１に設ける副画素２１２は１つでもよいが、２つ以上が好ましい。例えば、同じ波長域の光を検出する副画素２１２を２つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装置２００の信頼性を高めることができる。
また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するＩＲ（ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置２００を実現することができる。
また、ＮＤ（ＮＤ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ（減光フィルタ）を用いることで、光電変換素子（受光素子）に大光量光が入射した時に生じる出力飽和することを防ぐことができる。減光量の異なるＮＤフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装置のダイナミックレンジを大きくすることができる。
また、前述したフィルタ以外に、画素２１１にレンズを設けてもよい。ここで、図４９の断面図を用いて、画素２１１、フィルタ２５４、レンズ２５５の配置例を説明する。レンズ２５５を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体的には、図４９（Ａ）に示すように、画素２１１に形成したレンズ２５５、フィルタ２５４（フィルタ２５４Ｒ、フィルタ２５４Ｇおよびフィルタ２５４Ｂ）、および画素回路２３０等を通して光２５６を光電変換素子２２０に入射させる構造とすることができる。
ただし、一点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光２５６の一部が配線２５７の一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図４９（Ｂ）に示すように光電変換素子２２０側にレンズ２５５およびフィルタ２５４を配置して、光電変換素子２２０が光２５６を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子２２０側から光２５６を光電変換素子２２０に入射させることで、検出感度の高い撮像装置２００を提供することができる。
図４９に示す光電変換素子２２０として、ｐｎ型接合またはｐｉｎ型の接合が形成された光電変換素子を用いてもよい。
また、光電変換素子２２０を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金等がある。
例えば、光電変換素子２２０にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子２２０を実現できる。
ここで、撮像装置２００が有する１つの画素２１１は、図４８に示す副画素２１２に加えて、第１のフィルタを有する副画素２１２を有してもよい。
＜画素の構成例２＞
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を用いて画素を構成する一例について説明する。
図５０（Ａ）、図５０（Ｂ）は、撮像装置を構成する素子の断面図である。図５０（Ａ）に示す撮像装置は、シリコン基板３００に設けられたシリコンを用いたトランジスタ３５１、トランジスタ３５１上に積層して配置された酸化物半導体を用いたトランジスタ３５２およびトランジスタ３５３、ならびにシリコン基板３００に設けられたフォトダイオード３６０を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード３６０は、種々のプラグ３７０および配線３７１と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード３６０のアノード３６１は、低抵抗領域３６３を介してプラグ３７０と電気的に接続を有する。
また撮像装置は、シリコン基板３００に設けられたトランジスタ３５１およびフォトダイオード３６０を有する層３１０と、層３１０と接して設けられ、配線３７１を有する層３２０と、層３２０と接して設けられ、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３を有する層３３０と、層３３０と接して設けられ、配線３７２および配線３７３を有する層３４０を備えている。
なお図５０（Ａ）の断面図の一例では、シリコン基板３００において、トランジスタ３５１が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード３６０の受光面を有する構成とする。該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保することができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード３６０の受光面をトランジスタ３５１が形成された面と同じとすることもできる。
なお、酸化物半導体を用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層３１０を、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層とすればよい。または層３１０を省略し、酸化物半導体を用いたトランジスタのみで画素を構成してもよい。
なおシリコンを用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層３３０を省略すればよい。層３３０を省略した断面図の一例を図５０（Ｂ）に示す。
なお、シリコン基板３００は、ＳＯＩ基板であってもよい。また、シリコン基板３００に替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムまたは有機半導体を有する基板を用いることもできる。
ここで、トランジスタ３５１およびフォトダイオード３６０を有する層３１０と、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３を有する層３３０と、の間には絶縁体３８０が設けられる。ただし、絶縁体３８０の位置は限定されない。
トランジスタ３５１のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ３５１の信頼性を向上させる効果がある。一方、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３などの近傍に設けられる絶縁体中の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなる。そのため、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３などの信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジスタを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体３８０を設けることが好ましい。絶縁体３８０より下層に水素を閉じ込めることで、トランジスタ３５１の信頼性が向上させることができる。さらに、絶縁体３８０より下層から、絶縁体３８０より上層に水素が拡散することを抑制できるため、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３などの信頼性を向上させることができる。
絶縁体３８０としては、例えば、酸素または水素をブロックする機能を有する絶縁体を用いる。
また、図５０（Ａ）の断面図において、層３１０に設けるフォトダイオード３６０と、層３３０に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
また、図５１（Ａ１）および図５１（Ｂ１）に示すように、撮像装置の一部または全部を湾曲させてもよい。図５１（Ａ１）は、撮像装置を同図中の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２の方向に湾曲させた状態を示している。図５１（Ａ２）は、図５１（Ａ１）中の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２で示した部位の断面図である。図５１（Ａ３）は、図５１（Ａ１）中の一点鎖線Ｙ１−Ｙ２で示した部位の断面図である。
図５１（Ｂ１）は、撮像装置を同図中の一点鎖線Ｘ３−Ｘ４の方向に湾曲させ、かつ、同図中の一点鎖線Ｙ３−Ｙ４の方向に湾曲させた状態を示している。図５１（Ｂ２）は、図５１（Ｂ１）中の一点鎖線Ｘ３−Ｘ４で示した部位の断面図である。図５１（Ｂ３）は、図５１（Ｂ１）中の一点鎖線Ｙ３−Ｙ４で示した部位の断面図である。
撮像装置を湾曲させることで、像面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた電子機器などの小型化や軽量化を実現することができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる。
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１８）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むＣＰＵの一例について説明する。
＜ＣＰＵの構成＞
図５２は、上述したトランジスタを一部に用いたＣＰＵの一例の構成を示すブロック図である。
図５２に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース１１９８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図５２に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図５２に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
図５２に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、メモリセルが設けられている。レジスタ１１９６のメモリセルとして、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることができる。
図５２に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作の選択を行う。即ち、レジスタ１１９６が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
図５３は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶素子１２００の回路図の一例である。記憶素子１２００は、電源遮断で記憶データが揮発する回路１２０１と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路１２０２と、スイッチ１２０３と、スイッチ１２０４と、論理素子１２０６と、容量素子１２０７と、選択機能を有する回路１２２０と、を有する。回路１２０２は、容量素子１２０８と、トランジスタ１２０９と、トランジスタ１２１０と、を有する。なお、記憶素子１２００は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していてもよい。
ここで、回路１２０２には、上述した記憶装置を用いることができる。記憶素子１２００への電源電圧の供給が停止した際、回路１２０２のトランジスタ１２０９のゲートにはＧＮＤ（０Ｖ）、またはトランジスタ１２０９がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ１２０９のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
スイッチ１２０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ１２１３を用いて構成され、スイッチ１２０４は、一導電型とは逆の導電型（例えば、ｐチャネル型）のトランジスタ１２１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ１２０３の第１の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０３の第２の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０３はトランジスタ１２１３のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１３の導通状態または非導通状態）が選択される。スイッチ１２０４の第１の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０４の第２の端子はトランジスタ１２１４のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０４はトランジスタ１２１４のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ１２１４の導通状態または非導通状態）が選択される。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの一方は、容量素子１２０８の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ１２１０のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ２とする。トランジスタ１２１０のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）に電気的に接続され、他方は、スイッチ１２０３の第１の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）はスイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と電気的に接続される。スイッチ１２０４の第２の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの他方）は電源電位ＶＤＤを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）と、スイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方）と、論理素子１２０６の入力端子と、容量素子１２０７の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ１とする。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０７の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子１２０８の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。
なお、容量素子１２０７および容量素子１２０８は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
トランジスタ１２０９のゲートには、制御信号ＷＥが入力される。スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４は、制御信号ＷＥとは異なる制御信号ＲＤによって第１の端子と第２の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間は非導通状態となる。
トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方には、回路１２０１に保持されたデータに対応する信号が入力される。図５３では、回路１２０１から出力された信号が、トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６によってその論理値が反転された反転信号となり、回路１２２０を介して回路１２０１に入力される。
なお、図５３では、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６および回路１２２０を介して回路１２０１に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路１２０１に入力されてもよい。例えば、回路１２０１内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
また、図５３において、記憶素子１２００に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ１２０９以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン膜またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子１２００に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子１２００は、トランジスタ１２０９以外にも、チャネルが酸化物半導体で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
図５３における回路１２０１には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子１２０６としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
本発明の一態様に係る半導体装置では、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間は、回路１２０１に記憶されていたデータを、回路１２０２に設けられた容量素子１２０８によって保持することができる。
また、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ１２０９として用いることによって、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間も容量素子１２０８に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子１２００は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容（データ）を保持することが可能である。
また、スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路１２０１が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
また、回路１２０２において、容量素子１２０８によって保持された信号はトランジスタ１２１０のゲートに入力される。そのため、記憶素子１２００への電源電圧の供給が再開された後、容量素子１２０８によって保持された信号を、トランジスタ１２１０の状態（導通状態、または非導通状態）に変換して、回路１２０２から読み出すことができる。それ故、容量素子１２０８に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
このような記憶素子１２００を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。
記憶素子１２００をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶素子１２００は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ等のＬＳＩ、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）デバイスにも応用可能である。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ ＰＬＤ）などのプログラマブル論理回路（ＰＬＤ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）デバイスにも応用可能である。
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１９）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した表示装置について、図５４および図５５を用いて説明する。
＜表示装置の構成＞
表示装置に用いられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう。）、発光素子（発光表示素子ともいう。）などを用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬなどを含む。以下では、表示装置の一例としてＥＬ素子を用いた表示装置（ＥＬ表示装置）および液晶素子を用いた表示装置（液晶表示装置）について説明する。
なお、以下に示す表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。
また、以下に示す表示装置は画像表示デバイス、または光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣ、ＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＣＰの先にプリント配線板を有するモジュールまたは表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
図５４は、本発明の一態様に係るＥＬ表示装置の一例である。図５４（Ａ）に、ＥＬ表示装置の画素の回路図を示す。図５４（Ｂ）は、ＥＬ表示装置全体を示す上面図である。また、図５４（Ｃ）は、図５４（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎの一部に対応するＭ−Ｎ断面である。
図５４（Ａ）は、ＥＬ表示装置に用いられる画素の回路図の一例である。
なお、本明細書等においては、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素子など）などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなくても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続先を特定しなくても、発明の一態様が明確であるといえる。そして、接続先が特定された内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として複数の箇所が想定される場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。したがって、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素子など）などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少なくとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つまり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であるといえる。そして、機能が特定された発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。したがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
図５４（Ａ）に示すＥＬ表示装置は、スイッチ素子７４３と、トランジスタ７４１と、容量素子７４２と、発光素子７１９と、を有する。
なお、図５４（Ａ）などは、回路構成の一例であるため、さらに、トランジスタを追加することが可能である。逆に、図５４（Ａ）の各ノードにおいて、トランジスタ、スイッチ、受動素子などを追加しないようにすることも可能である。
トランジスタ７４１のゲートはスイッチ素子７４３の一端および容量素子７４２の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ７４１のソースは容量素子７４２の他方の電極と電気的に接続され、発光素子７１９の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ７４１のソースは電源電位ＶＤＤが与えられる。スイッチ素子７４３の他端は信号線７４４と電気的に接続される。発光素子７１９の他方の電極は定電位が与えられる。なお、定電位は接地電位ＧＮＤまたはそれより小さい電位とする。
スイッチ素子７４３としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いることで、画素の面積を小さくでき、解像度の高いＥＬ表示装置とすることができる。また、スイッチ素子７４３として、トランジスタ７４１と同一工程を経て作製されたトランジスタを用いると、ＥＬ表示装置の生産性を高めることができる。なお、トランジスタ７４１または／およびスイッチ素子７４３としては、例えば、上述したトランジスタを適用することができる。
図５４（Ｂ）は、ＥＬ表示装置の上面図である。ＥＬ表示装置は、基板７００と、基板７５０と、シール材７３４と、駆動回路７３５と、駆動回路７３６と、画素７３７と、ＦＰＣ７３２と、を有する。シール材７３４は、画素７３７、駆動回路７３５および駆動回路７３６を囲むように基板７００と基板７５０との間に配置される。なお、駆動回路７３５または／および駆動回路７３６をシール材７３４の外側に配置しても構わない。
図５４（Ｃ）は、図５４（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎの一部に対応するＥＬ表示装置の断面図である。
図５４（Ｃ）には、トランジスタ７４１として、基板７００上の絶縁体７０１と、絶縁体７０１上の導電体７０２ａと、導電体７０２ａが埋め込まれた絶縁体７０３と、絶縁体７０３上の絶縁体７０４と、絶縁体７０４上の半導体７０５と、半導体７０５上の導電体７０８および絶縁体７０６と、絶縁体７０６上の絶縁体７０７と、絶縁体７０７上の導電体７０９を有する構造を示す。なお、トランジスタ７４１の構造は一例であり、図５４（Ｃ）に示す構造と異なる構造であっても構わない。
したがって、図５４（Ｃ）に示すトランジスタ７４１において、導電体７０２ａはゲート電極としての機能を有し、絶縁体７０３および絶縁体７０７はゲート絶縁体としての機能を有し、導電体７０８はソース電極またはドレイン電極としての機能を有し、導電体７０９はゲート電極としての機能を有する。なお、半導体７０５は、光が当たることで電気特性が変動する場合がある。したがって、導電体７０２ａ、導電体７０９のいずれか一以上が遮光性を有すると好ましい。
図５４（Ｃ）には、容量素子７４２として、絶縁体７０１上の導電体７０２ｂと、導電体７０２ｂ上の絶縁体７０３と、絶縁体７０３上にあり導電体７０８と、を有する構造を示す。
容量素子７４２において、導電体７０２ｂは一方の電極として機能し、導電体７０８は他方の電極として機能する。
したがって、容量素子７４２は、トランジスタ７４１と共通する膜を用いて作製することができる。また、導電体７０２ａおよび導電体７０２ｂを同種の導電体とすると好ましい。その場合、導電体７０２ａおよび導電体７０２ｂは、同一工程を経て形成することができる。また、導電体７０７ａおよび導電体７０７ｂを同種の導電体とすると好ましい。その場合、導電体７０７ａおよび導電体７０７ｂは、同一工程を経て形成することができる。
図５４（Ｃ）に示す容量素子７４２は、占有面積当たりの容量が大きい容量素子である。したがって、図５４（Ｃ）は表示品位の高いＥＬ表示装置である。
トランジスタ７４１および容量素子７４２上には、絶縁体７２０が配置される。ここで、絶縁体７１６および絶縁体７２０は、トランジスタ７４１のソースとして機能する領域７０５ａに達する開口部を有してもよい。絶縁体７２０上には、導電体７８１が配置される。導電体７８１は、絶縁体７２０の開口部を介してトランジスタ７４１と電気的に接続している。
導電体７８１上には、導電体７８１に達する開口部を有する隔壁７８４が配置される。隔壁７８４上には、隔壁７８４の開口部で導電体７８１と接する発光層７８２が配置される。発光層７８２上には、導電体７８３が配置される。導電体７８１、発光層７８２および導電体７８３の重なる領域が、発光素子７１９となる。
ここまでは、ＥＬ表示装置の例について説明した。次に、液晶表示装置の例について説明する。
図５５（Ａ）は、液晶表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図５５に示す画素は、トランジスタ７５１と、容量素子７５２と、一対の電極間に液晶の充填された素子（液晶素子）７５３とを有する。
トランジスタ７５１では、ソース、ドレインの一方が信号線７５５に電気的に接続され、ゲートが走査線７５４に電気的に接続されている。
容量素子７５２では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
液晶素子７５３では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお、上述した容量素子７５２の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と、液晶素子７５３の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
なお、液晶表示装置も、上面図はＥＬ表示装置と同様として説明する。図５４（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎに対応する液晶表示装置の断面図を図５５（Ｂ）に示す。図５５（Ｂ）において、ＦＰＣ７３２は、端子７３１を介して配線７３３ａと接続される。なお、配線７３３ａは、トランジスタ７５１を構成する導電体または半導体のいずれかと同種の導電体または半導体を用いてもよい。
トランジスタ７５１は、トランジスタ７４１についての記載を参照する。また、容量素子７５２は、容量素子７４２についての記載を参照する。なお、図５５（Ｂ）には、図５４（Ｃ）の容量素子７４２に対応した容量素子７５２の構造を示したが、これに限定されない。
なお、トランジスタ７５１の半導体に酸化物半導体を用いた場合、極めてオフ電流の小さいトランジスタとすることができる。したがって、容量素子７５２に保持された電荷がリークしにくく、長期間に渡って液晶素子７５３に印加される電圧を維持することができる。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に、トランジスタ７５１をオフ状態とすることで、トランジスタ７５１の動作のための電力が不要となり、消費電力の小さい液晶表示装置とすることができる。また、容量素子７５２の占有面積を小さくできるため、開口率の高い液晶表示装置、または高精細化した液晶表示装置を提供することができる。
トランジスタ７５１および容量素子７５２上には、絶縁体７２１が配置される。ここで、絶縁体７２１は、トランジスタ７５１に達する開口部を有する。絶縁体７２１上には、導電体７９１が配置される。導電体７９１は、絶縁体７２１の開口部を介してトランジスタ７５１と電気的に接続する。
導電体７９１上には、配向膜として機能する絶縁体７９２が配置される。絶縁体７９２上には、液晶層７９３が配置される。液晶層７９３上には、配向膜として機能する絶縁体７９４が配置される。絶縁体７９４上には、スペーサ７９５が配置される。スペーサ７９５および絶縁体７９４上には、導電体７９６が配置される。導電体７９６上には、基板７９７が配置される。
なお、液晶の駆動方式としては、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ Ｖｉｅｗ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ゲストホストモード、ブルー相（Ｂｌｕｅ Ｐｈａｓｅ）モードなどを用いることができる。ただし、これに限定されず、駆動方法として様々なものを用いることができる。
上述した構造を有することで、占有面積の小さい容量素子を有する表示装置を提供することができる、または、表示品位の高い表示装置を提供することができる。または、高精細の表示装置を提供することができる。
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、白色、赤色、緑色または青色などの発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していても良い。
ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）またはＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インクまたは電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部または全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
なお、ＬＥＤを用いる場合、ＬＥＤの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体などを容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するｐ型ＧａＮ半導体などを設けて、ＬＥＤを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体との間に、ＡｌＮ層を設けてもよい。なお、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、ＭＯＣＶＤで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、スパッタリング法で成膜することも可能である。
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２０）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した電子機器について説明する。
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図５６に示す。
図５６（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部９０４、マイクロフォン９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８等を有する。なお、図５６（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示部９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
図５６（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体９１１、第２筐体９１２、第１表示部９１３、第２表示部９１４、接続部９１５、操作キー９１６等を有する。第１表示部９１３は第１筐体９１１に設けられており、第２表示部９１４は第２筐体９１２に設けられている。そして、第１筐体９１１と第２筐体９１２とは、接続部９１５により接続されており、第１筐体９１１と第２筐体９１２の間の角度は、接続部９１５により変更が可能である。第１表示部９１３における映像を、接続部９１５における第１筐体９１１と第２筐体９１２との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第１表示部９１３および第２表示部９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
図５６（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体９２１、表示部９２２、キーボード９２３、ポインティングデバイス９２４等を有する。
図５６（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３３等を有する。
図５６（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられている。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
図５６（Ｆ）は自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト９５４等を有する。
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。
なお、以上の実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態などでは、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、トランジスタのチャネル形成領域、ソース領域、ドレイン領域などが、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソース領域、ドレイン領域などは、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソース領域、ドレイン領域などは、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、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソース領域、ドレイン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。
下記に、本発明の一態様におけるトランジスタにおいて、ドレイン電極端付近における電界分布について、デバイス計算を行った結果について説明する。
デバイス計算に使用した計算ソフトは、Ｓｉｌｖａｃｏ社のＡｔｌａｓという二次元デバイスシミュレータであり、図５８に示すような断面形状を有するトランジスタ９００を用いて計算を行った。
トランジスタ９００は、絶縁体３０１と、絶縁体３０１上の酸化物半導体３０３と、ソース電極およびドレイン電極として機能する導電体３０４および導電体３０５と、導電体３０４と接して設けられるバッファー層３０７と、導電体３０５と接して設けられるバッファー層３０８と、酸化物半導体３０３上の絶縁体３０６と、ゲート電極として機能する絶縁体３１１と、ゲート電極として機能する導電体３０２と、を有する。
以下に、計算に用いたトランジスタ９００のパラメータとその値を記す。導電体３０２の仕事関数は４．６ｅＶである。絶縁体３１１の膜厚は１０ｎｍであり、比誘電率は４．１である。酸化物半導体３０３の組成はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］、膜厚は１５ｎｍ、電子親和力は４．６ｅＶ、エネルギーギャップは３．２ｅＶ、比誘電率は１５、電子移動度は１０ｃｍ２／Ｖｓ、正孔移動度は０．０１ｃｍ２／Ｖｓ、価電子帯の実効状態密度は５×１０１８／ｃｍ３、伝導帯の実効状態密度は５×１０１８／ｃｍ３、絶縁体３０６に接する領域のドナー密度は６．６０×１０−９／ｃｍ３、導電体３０４の直下における領域および導電体３０５の直下における領域のドナー密度は５×１０１８／ｃｍ３である。導電体３０４および導電体３０５の仕事関数は４．６ｅＶ、膜厚は２０ｎｍである。絶縁体３０６および絶縁体３０１の組成はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］、絶縁体３０６の膜厚は５ｎｍ、絶縁体３０１の膜厚は２０ｎｍ、電子親和力は４．３ｅＶ、エネルギーギャップは３．７ｅＶ、比誘電率は１５、電子移動度は０．１ｃｍ２／Ｖｓ、正孔移動度は０．０１ｃｍ２／Ｖｓ、価電子帯の実効状態密度は５×１０１８／ｃｍ３、伝導帯の実効状態密度は５×１０１８／ｃｍ３、酸化物半導体３０３に接する領域のドナー密度は６．６０×１０−９／ｃｍ３である。バッファー層３０７およびバッファー層３０８は、膜厚５ｎｍ、電子親和力３．３ｅＶ、エネルギーギャップは３ｅＶ、比誘電率は２０、電子移動度は１０ｃｍ２／Ｖｓ、正孔移動度は０．０１ｃｍ２／Ｖｓ、価電子帯の実効状態密度は５×１０１８／ｃｍ３、伝導帯の実効状態密度は５×１０１８／ｃｍ３、ドナー密度は１×１０１４／ｃｍ３から１×１０２１／ｃｍ３まで条件振りを行った。
次に、導電体３０４を０Ｖとして、トランジスタ９００の導電体３０２に３Ｖの電位を印加し、導電体３０５に１Ｖまたは２Ｖの電位を印加させた場合の電界分布を計算し、導電体３０５およびバッファー層３０８の端部に発生する電界強度を求めた結果を、図５９および図６０に示す。なお、図５９は導電体３０５に１Ｖの電位を印加した場合、図６０は導電体３０５に２Ｖの電位を印加した場合の結果を示す。
図５９および図６０より、バッファー層３０８の抵抗率が低下し、特に１×１００Ω・ｃｍ以下になると、バッファー層３０８端における電界強度が増加し、それに伴い導電体３０５端における電界強度が低下することがわかった。また、１×１０−２Ω・ｃｍ以下になると、導電体３０５端における電界強度の低下は一定となり、導電体３０５端の電界強度は増加し続けることがわかった。
以上の結果より、バッファー層３０８の抵抗率を１×１０−２Ω・ｃｍ以上１×１００Ω・ｃｍ以下とすることによって、導電体３０５およびバッファー層３０８の端部に、局所的に大きな電界がかかるのを抑制することができることがわかった。
１００ ターゲット
１０１ スパッタリング装置
１１０ バッキングプレート
１２０ ターゲットホルダ
１３０ マグネットユニット
１３０Ｎ マグネット
１３０Ｓ マグネット
１３２ マグネットホルダ
１５０ コリメータ
１５１ 可動部
１５２ 可動部
１６０ 基板
１７０ 基板ステージ
１８０ａ 磁力線
１８０ｂ 磁力線
１９０ 部材
２００ 撮像装置
２０１ スイッチ
２０２ スイッチ
２０３ スイッチ
２１０ 画素部
２１１ 画素
２１２ 副画素
２１２Ｂ 副画素
２１２Ｇ 副画素
２１２Ｒ 副画素
２２０ 光電変換素子
２３０ 画素回路
２３１ 配線
２４７ 配線
２４８ 配線
２４９ 配線
２５０ 配線
２５３ 配線
２５４ フィルタ
２５４Ｂ フィルタ
２５４Ｇ フィルタ
２５４Ｒ フィルタ
２５５ レンズ
２５６ 光
２５７ 配線
２６０ 周辺回路
２７０ 周辺回路
２８０ 周辺回路
２８１ バルブ
２９０ 周辺回路
２９１ 光源
３００ シリコン基板
３０１ 絶縁体
３０２ 導電体
３０３ 酸化物半導体
３０４ 導電体
３０５ 導電体
３０６ 絶縁体
３０７ バッファー層
３０８ バッファー層
３１０ 層
３１１ 絶縁体
３２０ 層
３３０ 層
３４０ 層
３５１ トランジスタ
３５２ トランジスタ
３５３ トランジスタ
３６０ フォトダイオード
３６１ アノード
３６３ 低抵抗領域
３７０ プラグ
３７１ 配線
３７２ 配線
３７３ 配線
３８０ 絶縁体
４００ 基板
４０１ 絶縁体
４０２ 絶縁体
４０４ 導電体
４０４ａ 導電体
４０４ｂ 導電体
４０６ａ 絶縁体
４０６ｂ 半導体
４０６ｃ 絶縁体
４０６ｄ 絶縁体
４０８ 絶縁体
４１０ 絶縁体
４１２ 絶縁体
４１３ 導電体
４１６ 導電体
４１６ａ 導電体
４１６ｂ 導電体
４１７ 金属酸化物
４１７ａ 金属酸化物
４１７ｂ 金属酸化物
４２０ 導電体
４３０ レジストマスク
４３１ レジストマスク
４５０ 半導体基板
４５２ 絶縁体
４５４ 導電体
４５６ 領域
４６０ 領域
４６２ 絶縁体
４６４ 絶縁体
４６６ 絶縁体
４６８ 絶縁体
４７２ａ 領域
４７２ｂ 領域
４７４ａ 導電体
４７４ｂ 導電体
４７４ｃ 導電体
４７６ａ 導電体
４７６ｂ 導電体
４７８ａ 導電体
４７８ｂ 導電体
４７８ｃ 導電体
４８０ａ 導電体
４８０ｂ 導電体
４８０ｃ 導電体
４８９ 絶縁体
４９０ 絶縁体
４９２ 絶縁体
４９３ 絶縁体
４９４ 絶縁体
４９５ 絶縁体
４９６ａ 導電体
４９６ｂ 導電体
４９６ｃ 導電体
４９６ｄ 導電体
４９８ａ 導電体
４９８ｂ 導電体
４９８ｃ 導電体
５０４ 導電体
５０７ａ 導電体
５０７ｂ 導電体
５１１ 絶縁体
５１４ 導電体
５１５ 導電体
５２１ ルーティングスイッチエレメント
５２２ ロジックエレメント
５２３ コンフィギュレーションメモリ
５２４ ルックアップテーブル
５２５ レジスタ
５２６ セレクタ
５２７ コンフィギュレーションメモリ
７００ 基板
７０１ 絶縁体
７０２ａ 導電体
７０２ｂ 導電体
７０３ 絶縁体
７０３ｂ アンロードロック室
７０４ 絶縁体
７０５ 半導体
７０５ａ 領域
７０６ 絶縁体
７０７ 絶縁体
７０７ａ 導電体
７０７ｂ 導電体
７０８ 導電体
７０９ 導電体
７１６ 絶縁体
７１９ 発光素子
７２０ 絶縁体
７２１ 絶縁体
７３１ 端子
７３２ ＦＰＣ
７３３ａ 配線
７３４ シール材
７３５ 駆動回路
７３６ 駆動回路
７３７ 画素
７４１ トランジスタ
７４２ 容量素子
７４３ スイッチ素子
７４４ 信号線
７５０ 基板
７５１ トランジスタ
７５２ 容量素子
７５３ 液晶素子
７５４ 走査線
７５５ 信号線
７８１ 導電体
７８２ 発光層
７８３ 導電体
７８４ 隔壁
７９１ 導電体
７９２ 絶縁体
７９３ 液晶層
７９４ 絶縁体
７９５ スペーサ
７９６ 導電体
７９７ 基板
９００ トランジスタ
９０１ 筐体
９０２ 筐体
９０３ 表示部
９０４ 表示部
９０５ マイクロフォン
９０６ スピーカー
９０７ 操作キー
９０８ スタイラス
９１１ 筐体
９１２ 筐体
９１３ 表示部
９１４ 表示部
９１５ 接続部
９１６ 操作キー
９２１ 筐体
９２２ 表示部
９２３ キーボード
９２４ ポインティングデバイス
９３１ 筐体
９３２ 冷蔵室用扉
９３３ 冷凍室用扉
９４１ 筐体
９４２ 筐体
９４３ 表示部
９４４ 操作キー
９４５ レンズ
９４６ 接続部
９５１ 車体
９５２ 車輪
９５３ ダッシュボード
９５４ ライト
１１８９ ＲＯＭインターフェース
１１９０ 基板
１１９１ ＡＬＵ
１１９２ ＡＬＵコントローラ
１１９３ インストラクションデコーダ
１１９４ インタラプトコントローラ
１１９５ タイミングコントローラ
１１９６ レジスタ
１１９７ レジスタコントローラ
１１９８ バスインターフェース
１１９９ ＲＯＭ
１２００ 記憶素子
１２０１ 回路
１２０２ 回路
１２０３ スイッチ
１２０４ スイッチ
１２０６ 論理素子
１２０７ 容量素子
１２０８ 容量素子
１２０９ トランジスタ
１２１０ トランジスタ
１２１３ トランジスタ
１２１４ トランジスタ
１２２０ 回路
１７００ 成膜装置
１７０１ 大気側基板供給室
１７０２ 大気側基板搬送室
１７０３ａ ロードロック室
１７０３ｂ アンロードロック室
１７０４ 搬送室
１７０５ 基板加熱室
１７０６ａ 成膜室
１７０６ｂ 成膜室
１７０６ｃ 成膜室
１７５１ クライオトラップ
１７５２ ステージ
１７６１ カセットポート
１７６２ アライメントポート
１７６３ａ 搬送ロボット
１７６３ｂ 搬送ロボット
１７６４ ゲートバルブ
１７６５ 加熱ステージ
１７７０ 真空ポンプ
１７７１ クライオポンプ
１７７２ ターボ分子ポンプ
１７８０ マスフローコントローラ
１７８１ 精製機
１７８２ ガス加熱機構
２１００ トランジスタ
２２００ トランジスタ
２７００ 製造装置
２７０１ 大気側基板供給室
２７０２ 大気側基板搬送室
２７０３ａ ロードロック室
２７０３ｂ アンロードロック室
２７０４ 搬送室
２７０６ａ チャンバー
２７０６ｂ チャンバー
２７０６ｃ チャンバー
２７０６ｄ チャンバー
２７６１ カセットポート
２７６２ アライメントポート
２７６３ａ 搬送ロボット
２７６３ｂ 搬送ロボット
２８０１ ガス供給源
２８０２ バルブ
２８０３ 高周波発生器
２８０４ 導波管
２８０５ モード変換器
２８０６ ガス管
２８０７ 導波管
２８０８ スロットアンテナ板
２８０９ 誘電体板
２８１０ 高密度プラズマ
２８１１ 基板
２８１２ 基板ステージ
２８１３ 加熱機構
２８１５ マッチングボックス
２８１６ 高周波電源
２８１７ 真空ポンプ
２８１８ バルブ
２８１９ 排気口
２８２０ ランプ
２８２１ ガス供給源
２８２２ バルブ
２８２３ ガス導入口
２８２４ 基板
２８２５ 基板ステージ
２８２６ 加熱機構
２８２７ 真空ポンプ
２８２８ 真空ポンプ
２８２９ バルブ
２８３０ 排気口
３００１ 配線
３００２ 配線
３００３ 配線
３００４ 配線
３００５ 配線
３２００ トランジスタ
３３００ トランジスタ
３４００ 容量素子
４００１ 配線
４００３ 配線
４００５ 配線
４００６ 配線
４００７ 配線
４００８ 配線
４００９ 配線
４０２１ 層
４０２２ 層
４０２３ 層
４１００ トランジスタ
４２００ トランジスタ
４３００ トランジスタ
４４００ トランジスタ
４５００ 容量素子
４６００ 容量素子
５１００ ペレット
５１２０ 基板
５１６１ 領域

Claims (7)

  1. 基板上の半導体と、
    前記半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、
    前記第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、前記第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、
    前記第１の金属酸化物及び前記第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、
    前記半導体上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、
    前記第３の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、
    前記第３の絶縁体は前記第１の絶縁体の側面と接し、
    前記半導体は、
    前記半導体と、前記第１の導電体および前記第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、
    前記半導体と、前記第２の導電体および前記第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、
    前記半導体と、前記第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、
    前記半導体の上面と前記第３の導電体の底面との間の長さは、前記第１の領域と前記第３の領域との間の長さよりも、大きいことを特徴とする半導体装置。
  2. 基板上の半導体と、
    前記半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、
    前記第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、前記第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、
    前記第１の金属酸化物及び前記第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、
    前記半導体上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、
    前記第３の絶縁体上の第３の導電体と、
    前記第１の絶縁体及び前記第３の導電体上の第４の導電体を有し、
    前記第３の絶縁体は前記第１の絶縁体の側面と接し、
    前記半導体は、
    前記半導体と、前記第１の導電体および前記第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、
    前記半導体と、前記第２の導電体および前記第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、
    前記半導体と、前記第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、
    前記半導体の上面と前記第３の導電体の底面との間の長さは、前記第１の領域と前記第３の領域との間の長さよりも、大きく、
    前記第１の導電体または前記第２の導電体と、前記第４の導電体との間の長さは、前記第１の領域と前記第２の領域との間の長さよりも、大きいことを特徴とする半導体装置。
  3. 基板上の半導体と、
    前記半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、
    前記第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、前記第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、
    前記第１の金属酸化物及び前記第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、
    前記半導体上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、
    前記第３の絶縁体上の第３の導電体と、
    前記第１の絶縁体及び前記第３の導電体上に位置し、前記第３の導電体と接する第４の導電体を有し、
    前記第３の絶縁体は前記第１の絶縁体の側面と接し、
    前記半導体は、
    前記半導体と、前記第１の導電体および前記第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、
    前記半導体と、前記第２の導電体および前記第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、
    前記半導体と、前記第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、
    前記第１の導電体または前記第２の導電体と、前記第４の導電体との間の長さは、前記第１の領域と前記第２の領域との間の長さよりも、大きいことを特徴とする半導体装置。
  4. 基板上の半導体と、
    前記半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、
    前記第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、前記第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、
    前記第１の金属酸化物及び前記第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、
    前記半導体上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、
    前記第２の絶縁体は前記第１の絶縁体の側面と接し、
    前記半導体は、
    前記半導体と、前記第１の導電体および前記第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、
    前記半導体と、前記第２の導電体および前記第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、
    前記半導体と、前記第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、
    前記半導体の上面と前記第３の導電体の底面との間の長さは、前記第１の領域と前記第３の領域との間の長さよりも、大きいことを特徴とする半導体装置。
  5. 基板上の半導体と、
    前記半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、
    前記第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、前記第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、
    前記第１の金属酸化物及び前記第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、
    前記半導体上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の第３の導電体と、
    前記第１の絶縁体及び前記第３の導電体上の第４の導電体を有し、
    前記第２の絶縁体は前記第１の絶縁体の側面と接し、
    前記半導体は、
    前記半導体と、前記第１の導電体および前記第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、
    前記半導体と、前記第２の導電体および前記第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、
    前記半導体と、前記第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、
    前記半導体の上面と前記第３の導電体の底面との間の長さは、前記第１の領域と前記第３の領域との間の長さよりも、大きく、
    前記第１の導電体または前記第２の導電体と、前記第４の導電体との間の長さは、前記第１の領域と前記第２の領域との間の長さよりも、大きいことを特徴とする半導体装置。
  6. 基板上の半導体と、
    前記半導体上の第１の導電体及び第２の導電体と、
    前記第１の導電体と接する第１の金属酸化物と、前記第２の導電体と接する第２の金属酸化物と、
    前記第１の金属酸化物及び前記第２の金属酸化物上の第１の絶縁体と、
    前記半導体上の第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の第３の導電体と、
    前記第１の絶縁体及び前記第３の導電体上に位置し、前記第３の導電体と接する第４の導電体を有し、
    前記第２の絶縁体は前記第１の絶縁体の側面と接し、
    前記半導体は、
    前記半導体と、前記第１の導電体および前記第１の金属酸化物の底面と、が重なる第１の領域を有し、
    前記半導体と、前記第２の導電体および前記第２の金属酸化物の底面と、が重なる第２の領域を有し、
    前記半導体と、前記第３の導電体の底面と、が重なる第３の領域を有し、
    前記第１の導電体または前記第２の導電体と、前記第４の導電体との間の長さは、前記第１の領域と前記第２の領域との間の長さよりも、大きいことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項２、請求項３、請求項５、請求項６のいずれか一において、
    前記第１の導電体または前記第２の導電体と、前記第４の導電体との間の長さは、前記第１の領域と前記第２の領域との間の長さの１．５倍以上２倍以下であることを特徴とする半導体装置。
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