JP7130738B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュール、および電子機器に関する。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置、および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
トランジスタに適用可能な半導体薄膜として、シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯとも呼ぶ）に関する研究が盛んに行われている。
ＩＧＺＯに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（非特許文献１乃至非特許文献３参照）。非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献４および非特許文献５に示されている。
さらに、ＩＧＺＯを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち（非特許文献６参照）、その特性を利用したＬＳＩおよびディスプレイが報告されている（非特許文献７および非特許文献８参照）。
Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ ４３，ｉｓｓｕｅ １，ｐ．１８３－１８６ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ５３，Ｎｕｍｂｅｒ ４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８－１－０４ＥＤ１８－１０ Ｓ．Ｉｔｏ ｅｔ ａｌ．，"Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＭ－ＦＰＤ’１３ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"，２０１３，ｐ．１５１－１５４ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"ＥＣＳ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ３，ｉｓｓｕｅ ９，ｐ．Ｑ３０１２－Ｑ３０２２ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ，"ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ６４，ｉｓｓｕｅ １０，ｐ．１５５－１６４ Ｋ．Ｋａｔｏ ｅｔ ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ ５１，ｐ．０２１２０１－１－０２１２０１－７ Ｓ．Ｍａｔｓｕｄａ ｅｔ ａｌ．，"２０１５ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"，２０１５，ｐ．Ｔ２１６－Ｔ２１７ Ｓ．Ａｍａｎｏ ｅｔ ａｌ．，"ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"，２０１０，ｖｏｌｕｍｅ ４１，ｉｓｓｕｅ １，ｐ．６２６－６２９
本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、オン電流が大きい半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、信頼性が良好な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、オフ電流の小さい半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。
本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、第１の層と、第１の層上の第２の層と、を有し、第１の層、および第２の層は、それぞれトランジスタを有し、第１の層および第２の層のトランジスタは、第１の酸化物と、第１の酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、第１の導電体、第２の導電体、および第１の酸化物を覆って配置された第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第２の絶縁体と、第１の酸化物上で、第１の導電体と第２の導電体の間に配置される第２の酸化物と、第２の酸化物上の第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第３の導電体と、第２の絶縁体の上面、第２の酸化物の上面、第３の絶縁体の上面、および第３の導電体の上面に接する、第４の絶縁体と、を有し、第１の絶縁体および第４の絶縁体は、第２の絶縁体より酸素を透過させにくい、半導体装置である。
上記において、第２の酸化物は結晶性を有する、ことが好ましい。また、上記において、第２の酸化物は、第２の絶縁体の側面に接し、当該側面に対して概略垂直になるようにｃ軸が配向した領域を有する、ことが好ましい。また、上記において、第２の酸化物上に接して、第３の酸化物が配置される、ことが好ましい。
また、上記において、第１の酸化物および第１の絶縁体の下に第５の絶縁体が配置され、第５の絶縁体の下に第６の絶縁体が配置され、第６の絶縁体は、第５の絶縁体より酸素を透過させにくい、ことが好ましい。また、上記において、第６の絶縁体の下に、第１の酸化物と重なるように第４の導電体が配置される、ことが好ましい。
また、上記において、第１の絶縁体および第４の絶縁体は、アルミニウム、およびハフニウムの一方または両方を含む酸化物である、ことが好ましい。
また、上記において、第１の酸化物、および第２の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する、ことが好ましい。
また、上記において、第１の層の下に第３の層が配置され、第３の層は、シリコン基板上の第７の絶縁体と、第７の絶縁体上の第５の導電体と、を有する、ことが好ましい。
本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流が大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 （Ａ）－（Ｄ）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。 （Ａ）（Ｂ）本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 （Ａ）－（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 （Ａ）－（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 （Ａ）－（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 （Ａ）－（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 （Ａ）－（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 （Ａ）－（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 （Ａ）－（Ｄ）本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 （Ａ）（Ｂ）本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。 （Ａ）－（Ｈ）本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 （Ａ）（Ｂ）本発明の一態様に係る半導体装置の模式図および斜視図。 （Ａ）－（Ｅ）本発明の一態様に係る記憶装置の模式図。 （Ａ）－（Ｅ）本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 （Ａ）－（Ｃ）本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 （Ａ）－（Ｃ）本発明の一態様に係る並列計算機、計算機、及びＰＣカードの構成例を示す図。 本発明の実施例に係るトランジスタの断面ＴＥＭ像。 （Ａ）（Ｂ）本発明の実施例に係るトランジスタの断面ＴＥＭ像。 （Ａ）（Ｂ）本発明の実施例に係るトランジスタの電気特性を示す図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするため、図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
また、特に上面図（「平面図」ともいう）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
また、本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に開示されているものとする。
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。
なお、本明細書等において、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。
また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が－１０度以上１０度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、－５度以上５度以下の場合も含まれる。また、「概略平行」とは、二つの直線が－３０度以上３０度以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０度以上１００度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５度以上９５度以下の場合も含まれる。また、「概略垂直」とは、二つの直線が６０度以上１２０度以下の角度で配置されている状態をいう。
なお、本明細書において、バリア膜とは、水、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、当該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ ＦＥＴあるいはＯＳトランジスタと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりの電流が、室温において１×１０－２０Ａ以下、８５℃において１×１０－１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０－１６Ａ以下であることをいう。
（実施の形態１）
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成とその特性について説明する。
図１は、下から、層１０＿１乃至層１０＿ｎ（ｎは２以上の自然数）が、層１０＿１から順に積層された半導体装置の断面図である。なお、以下において、層１０＿１乃至層１０＿ｎの任意の層を、序数を付けずに層１０と呼ぶ場合がある。
層１０＿１乃至層１０＿ｎは、それぞれ、少なくとも１以上のトランジスタ２０を有する。図１において、層１０＿１乃至層１０＿ｎは、それぞれ１個ずつのトランジスタ２０を有する状態を示しているが、これに限られることなく、トランジスタの個数は、層１０ごとに異なっていてもよい。なお、層１０には、求められる半導体装置の機能に応じて、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、およびダイオードなどの回路素子、配線、電極、または、端子などを適宜設ければよい。
図１に示すように、トランジスタ２０は、絶縁体３０と、絶縁体３０上の絶縁体３２と、絶縁体３２上の酸化物２２ａと、酸化物２２ａ上の導電体２８ａおよび導電体２８ｂと、導電体２８ａ、導電体２８ｂ、および酸化物２２ａを覆って配置された絶縁体３４と、絶縁体３４上の絶縁体３６と、酸化物２２ａ上で、導電体２８ａと導電体２８ｂの間に配置される酸化物２２ｂと、酸化物２２ｂ上の絶縁体２４と、絶縁体２４上の導電体２６と、絶縁体３６の上面、酸化物２２ｂの上面、絶縁体２４の上面、および導電体２６の上面に接する、絶縁体３８と、を有する。なお、以下において、酸化物２２ａおよび酸化物２２ｂをまとめて酸化物２２と呼ぶ場合がある。
ここで、導電体２８ａおよび導電体２８ｂは、それぞれトランジスタ２０のソース電極またはドレイン電極として機能する。また、導電体２６はトランジスタ２０のゲート電極として機能し、絶縁体２４はトランジスタ２０のゲート絶縁体として機能する。トランジスタ２０は、導電体２６、絶縁体２４、および酸化物２２ｂが、絶縁体３６、絶縁体３４、導電体２８ａ、および導電体２８ｂによって形成される開口を埋めるように自己整合的に形成される。これにより、導電体２８ａと導電体２８ｂの間の領域に、導電体２６を位置合わせなしでも確実に配置することができる。
ここで、絶縁体３８、絶縁体３４および絶縁体３０は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。例えば、絶縁体３８および絶縁体３４は、絶縁体３０より酸素を透過させにくいことが好ましい。また、例えば、絶縁体３０は、絶縁体３２より酸素を透過させにくいことが好ましい。このような酸素に対してバリア性を有する絶縁体としては、例えば、アルミニウム、およびハフニウムの一方または両方を含む酸化物を用いればよい。
また、絶縁体３６は、加熱により脱離する酸素を含むことが好ましい。また、絶縁体３６は、酸化物であることが好ましく、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含んでもよい。なお、以下において、加熱により脱離する酸素のことを過剰酸素と呼ぶ場合がある。
ここで、絶縁体３６の上面の高さは、導電体２６の上面、絶縁体２４の上面、および酸化物２２ｂの上面の高さと概略一致することが好ましい。また、絶縁体３６、導電体２６、絶縁体２４、および酸化物２２ｂは、絶縁体３８に覆われていることが好ましい。また、絶縁体３６の側面が酸化物２２ｂの側面に接することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体３６を、絶縁体３８と酸化物２２ｂによって、導電体２６と離隔することができる。これにより、絶縁体３６に含まれる酸素が、導電体２６に直接的に拡散するのを防ぐことができる。
また、絶縁体３６の下面が絶縁体３４に接することが好ましい。また、絶縁体３４が酸化物２２ｂの側面、導電体２８ａの上面および側面、導電体２８ｂの上面および側面、酸化物２２ａの側面、および絶縁体３２の上面に接することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体３６を、酸化物２２ｂと絶縁体３４によって、導電体２８ａおよび導電体２８ｂと離隔することができる。これにより、絶縁体３６に含まれる酸素が、導電体２８ａおよび導電体２８ｂに直接的に拡散するのを防ぐことができる。
また、絶縁体３８上に絶縁体４０を設けてもよい。なお、図１において、下層の層１０の絶縁体４０の上面に接して、上層の層１０の絶縁体３０が設けられているが、これに限られるものではない。下層の層１０と、上層の層１０の間に、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、およびダイオードなどの回路素子、配線、電極、または、端子などを適宜設ければよい。また、絶縁体４０を設けず、下層の層１０の絶縁体３８が、上層の層１０の絶縁体３０を兼ねる構成にしてもよい。
酸化物２２ａは、導電体２８ａと導電体２８ｂの間の領域にチャネル形成領域を有し、導電体２８ａ（導電体２８ｂ）と重なる領域近傍に、チャネル形成領域を挟みこむようにソース領域とドレイン領域を有する。なお、ソース領域、および／またはドレイン領域が、導電体２８ａ（導電体２８ｂ）より内側に突出する形状になる場合もある。また、トランジスタ２０のチャネル形成領域は、酸化物２２ａだけでなく、酸化物２２ａと酸化物２２ｂの界面近傍、および／または酸化物２２ｂに形成される場合もある。
ここで、トランジスタ２０において、酸化物２２ａおよび酸化物２２ｂは、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。例えば、酸化物２２ａおよび酸化物２２ｂとなる金属酸化物としては、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いたトランジスタは、オフ電流（リーク電流）が小さい。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半導体装置を提供できる。
例えば、酸化物２２ａおよび酸化物２２ｂとして、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、酸化物２２ａおよび酸化物２２ｂとして、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
ここで、酸化物２２ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２２ｂに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きくなってもよい。このように、酸化物２２ａの上に、酸化物２２ｂを配置することで、酸化物２２ｂよりも上方に形成された構造物からの、酸化物２２ａに対する不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２２ａと酸化物２２ｂが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、酸化物２２ａと酸化物２２ｂの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。酸化物２２ａと酸化物２２ｂとの界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
酸化物２２ａおよび酸化物２２ｂは、それぞれ結晶性を有することが好ましい。特に、酸化物２２ａおよび酸化物２２ｂとして、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることが好ましい。
ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ－ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ－ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損（ＶＯ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）など）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
ここで、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ－ＯＳの例について説明する。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、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概略垂直な方向を向いているということができる。
また、電子回折によって解析したＣＡＡＣ－ＯＳの例について説明する。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、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に含まれる結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概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ると、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に含まれる結晶のａ軸およびｂ軸は配向性を有さないということができる。
酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれている、または当該酸素欠損に不純物（代表的には水素）が取り込まれると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。酸化物半導体は、酸素が供給されない状況で熱処理を行うと、酸素が脱離して酸素欠損が形成されるおそれがある。例えば、トランジスタ作製工程中の熱処理によって、酸化物半導体からソース電極およびドレイン電極に酸素が吸収され、酸化物半導体に酸素欠損が形成される場合がある。
これに対して、酸化物半導体の近傍に過剰酸素を含む絶縁体を設け、熱処理を行うときに、当該絶縁体から酸化物半導体に酸素を供給できる構成にすればよい。ただし、過剰酸素を含む絶縁体に接して、ゲート、ソース、またはドレインとして機能する導電体が配置されていると、当該絶縁体に含まれる酸素が、これらの導電体に吸収され、酸化物半導体に供給されにくくなる恐れがある。
本実施の形態のように、複数のトランジスタを積層して設ける場合、下層のトランジスタは、上層にトランジスタを作製するたびに、その作製工程で熱処理に曝されることになる。言い換えると、下層に位置するトランジスタほど、サーマルバジェットが増加する。よって、上層のトランジスタの作製工程中に、下層のトランジスタでは、過剰酸素を含む絶縁体の酸素が導電体に吸収され、酸化物半導体に酸素を供給できなくなるおそれがある。このとき、当該酸化物半導体に供給される酸素量が、当該酸化物半導体から吸収される酸素量を上回ることになる。ゆえに、下層のトランジスタの完成時に酸化物半導体の酸素欠損が十分低減されていても、上層のトランジスタの作製工程中に、当該酸化物半導体に酸素欠損が形成されることになる。
ここで、本実施の形態に係るトランジスタ２０に熱処理を行ったときの、絶縁体３６に含まれる酸素５０の挙動について、図２を用いて説明する。図２は、トランジスタ２０の拡大断面図である。上述の通り、本実施の形態に示す半導体装置では、過剰酸素を含む絶縁体３６が、絶縁体３８、酸化物２２ｂ、および絶縁体３４で囲まれており、導電体２６、導電体２８ａ、および導電体２８ｂと離隔されている。よって、図２に示すように、熱処理を行っても、絶縁体３６の酸素５０は、絶縁体３８、酸化物２２ｂ、および絶縁体３４に阻まれ、導電体２６、導電体２８ａ、および導電体２８ｂに直接的には拡散しない。
また、熱処理によって、酸化物２２ａの酸素が脱離し、酸素欠損が形成されると、酸化物２２ａと酸化物２２ｂの界面近傍において、酸化物２２ｂから酸化物２２ａに酸素が拡散して、酸素欠損を補填する。酸化物２２ａに供給された酸素は、酸化物２２ａ中で酸素欠損の補填を繰り返しながら、酸化物２２ａ中を拡散する。
また、酸化物２２ａに酸素を供給することで、酸化物２２ｂ中にも酸素欠損が形成される。このとき、絶縁体３６と酸化物２２ｂの界面近傍において、絶縁体３６から酸化物２２ｂに酸素５０が拡散して、酸素欠損を補填する。酸化物２２ｂに供給された酸素５０は、酸化物２２ｂ中で酸素欠損の補填を繰り返しながら、酸化物２２ｂ中を拡散する。
ここで、酸化物２２ｂが、ＣＡＡＣ－ＯＳであることが好ましい。酸化物２２ｂは、図２に示すように、ａ－ｂ面方向に伸長した結晶の層２２ｂＰと、ａ－ｂ面方向に垂直なｃ軸２２ｂＸと、を有する、結晶の領域を含む。酸化物２２ｂにおいて、ｃ軸２２ｂＸは、酸化物２２ｂの被形成面に概略垂直な方向を向いていることが好ましい。これにより、酸化物２２ｂは、酸化物２２ａの上面に対して概略垂直になるようにｃ軸２２ｂＸが配向した領域と、導電体２８ａ、絶縁体３４、および絶縁体３６の側面に対して概略垂直になるようにｃ軸２２ｂＸが配向した領域と、導電体２８ｂ、絶縁体３４、および絶縁体３６の側面に対して概略垂直になるようにｃ軸２２ｂＸが配向した領域と、を有する。
ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸方向よりもａ－ｂ面方向に酸素を拡散させやすい性質を有する。よって、絶縁体３６から酸化物２２ｂに供給された酸素５０は、図２に示すように、優先的に酸化物２２ｂと酸化物２２ａの界面近傍まで拡散され、酸化物２２ｂの酸素欠損を補填することができる。
以上のように、本実施の形態に示すトランジスタ２０は、完成後に熱処理を行っても、絶縁体３６から酸化物２２に酸素を供給し、酸化物２２に酸素欠損が増大するのを抑制することができる。よって、下層の層１０においても、トランジスタ２０の電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、トランジスタ２０の信頼性を向上させることができる。
このようなトランジスタ２０を含む層１０＿１乃至層１０＿ｎを積層することにより、本実施の形態に示す半導体装置の上面視における占有面積を低減し、当該半導体装置の微細化または高集積化を図ることができる。
本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
以下では、先の実施の形態に示す半導体装置の具体的な構成の一例について、図３乃至図１３を用いて説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、および図３（Ｄ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の上面図および断面図である。トランジスタ２００は、先の実施の形態に示すトランジスタ２０に対応している。つまり、先の実施の形態に示すように、トランジスタ２００を積層することができる。
図３（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図３（Ｂ）、および図３（Ｃ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図３（Ｄ）は、図３（Ａ）にＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。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。
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、層間膜として機能する絶縁体２１４、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２８１を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）とを有する。なお、プラグとして機能する導電体２４０の側面に接して絶縁体２４１（絶縁体２４１ａ、および絶縁体２４１ｂ）が設けられる。
また、絶縁体２５４、絶縁体２７４、および絶縁体２８１の開口の内壁に接して絶縁体２４１が設けられ、その側面に接して導電体２４０の第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４０の第２の導電体が設けられている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８１の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２４０の第１の導電体および導電体２４０の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
［トランジスタ２００］
図１に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示せず）の上に配置された絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６の上および導電体２０５の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ１、および酸化物２３０ｃ２）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、酸化物２３０ｂの上面の一部と接する導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと、絶縁体２２４の上面の一部、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、導電体２４２ａの側面、導電体２４２ａの上面、導電体２４２ｂの側面、および導電体２４２ｂの上面に接して配置された絶縁体２５４と、絶縁体２５４の上に配置された絶縁体２８０と、絶縁体２８０の上に配置された絶縁体２７４と、を有する。導電体２６０は、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを有し、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように導電体２６０ａが配置される。ここで、図３（Ｂ）に示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０の上面、酸化物２３０ｃ１の上面、酸化物２３０ｃ２の上面、および絶縁体２８０の上面と概略一致して配置される。また、絶縁体２７４は、導電体２６０、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０のそれぞれの上面と接する。なお、以下において、酸化物２３０ｃ１と酸化物２３０ｃ２を合わせて酸化物２３０ｃという場合がある。
ここで、絶縁体２１４は、先の実施の形態のトランジスタ２０の絶縁体３０に対応する。また、絶縁体２２４は、先の実施の形態のトランジスタ２０の絶縁体３２に対応する。また、酸化物２３０ｂは、先の実施の形態のトランジスタ２０の酸化物２２ａに対応する。また、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、先の実施の形態のトランジスタ２０の導電体２８ａおよび導電体２８ｂに対応する。また、絶縁体２５４は、先の実施の形態のトランジスタ２０の絶縁体３４に対応する。また、絶縁体２８０は、先の実施の形態のトランジスタ２０の絶縁体３６に対応する。また、酸化物２３０ｃは、先の実施の形態のトランジスタ２０の酸化物２２ｂに対応する。また、絶縁体２５０は、先の実施の形態のトランジスタ２０の絶縁体２４に対応する。また、導電体２６０は、先の実施の形態のトランジスタ２０の導電体２６に対応する。また、絶縁体２７４は、先の実施の形態のトランジスタ２０の絶縁体３８に対応する。また、絶縁体２８１は、先の実施の形態のトランジスタ２０の絶縁体４０に対応する。なお、絶縁体２２２を、先の実施の形態のトランジスタ２０の絶縁体３２に対応させてもよい。
また、絶縁体２８０は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体２８０を、酸化物２３０ｃ１と接して設けることで、絶縁体２８０中の酸素を、酸化物２３０ｃ１を通じて、酸化物２３０ｂへと効率良く供給することができる。
絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。また、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４は、水素（例えば、水素原子、水素分子など）の少なくとも一の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４は、それぞれ絶縁体２２４よりも酸素および水素の一方または双方の透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４は、それぞれ絶縁体２５０よりも酸素および水素の一方または双方の透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４は、それぞれ絶縁体２８０よりも酸素および水素の一方または双方の透過性が低いことが好ましい。
また、絶縁体２５４は、図３（Ｂ）（Ｃ）に示すように、導電体２４２ａの上面と側面、導電体２４２ｂの上面と側面、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面、ならびに絶縁体２２４の上面に接することが好ましい。
上記のような構成にすることで、絶縁体２８０を、絶縁体２７４と酸化物２３０ｃによって、導電体２６０と離隔することができる。これにより、絶縁体２８０に含まれる酸素が、導電体２６０に直接的に拡散するのを防ぐことができる。また、絶縁体２８０を、酸化物２３０ｃと絶縁体２５４によって、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと離隔することができる。これにより、絶縁体２８０に含まれる酸素が、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに直接的に拡散するのを防ぐことができる。
また、酸化物２３０は、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａの上に配置された酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂの上に配置され、少なくとも一部が酸化物２３０ｂの上面に接する酸化物２３０ｃと、を有することが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｃ１と、酸化物２３０ｃ１の上面に接する酸化物２３０ｃ２との積層構造にしてもよい。
なお、トランジスタ２００では、チャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう）と、その近傍において、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ１および酸化物２３０ｃ２の４層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂの単層、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ａの２層構造、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃ２の２層構造、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ１の３層構造、または５層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ２００では、導電体２６０を２層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２６０が、単層構造であってもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。
ここで、導電体２６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。トランジスタ２００は、ゲート電極として機能する導電体２６０が、絶縁体２８０などによって形成される開口を埋めるように自己整合的に形成される。導電体２６０をこのように形成することにより、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域に、導電体２６０を位置合わせすることなく確実に配置することができる。なお、図１に示すように、導電体２６０は、導電体２６０ａと、導電体２６０ａの上に配置された導電体２６０ｂと、を有することが好ましい。
また、トランジスタ２００は、基板（図示しない）の上に配置された絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２２と、を有することが好ましい。さらに、絶縁体２２２の上に絶縁体２２４が配置されることが好ましい。
また、トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ１および酸化物２３０ｃ２）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。
チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ２００は、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ２００に用いることができる。
例えば、酸化物２３０として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、酸化物２３０として、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、チャネルが形成される領域中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、酸化物２３０ｃなどを介して酸化物２３０ｂに酸素を供給し、酸素欠損を補填すればよい。これにより、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させたトランジスタを提供することができる。
また、酸化物２３０上に接するように設けられ、ソース電極やドレイン電極として機能する導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）に含まれる元素（例えば、第２の元素）が、酸化物２３０の酸素を吸収する機能を有する場合、酸化物２３０と導電体２４２の間、または酸化物２３０の表面近傍に、部分的に低抵抗領域が形成される場合がある。この場合、当該低抵抗領域には、酸素欠損に入り込んだ不純物（水素、窒素、または金属元素等）がドナーとして機能し、キャリア密度が増加する場合がある。なお、以下において、酸素欠損に入り込んだ水素のことをＶＯＨと呼ぶ場合がある。
また、図３（Ｂ）に示すトランジスタ２００の一部の領域の拡大図を図４（Ａ）に示す。図４（Ａ）に示すように、酸化物２３０上に接するように導電体２４２が設けられ、酸化物２３０の、導電体２４２との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域２４３（領域２４３ａ、および領域２４３ｂ）が形成される場合がある。酸化物２３０は、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する領域２３４と、領域２４３の一部を含み、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１（領域２３１ａ、および領域２３１ｂ）と、を有する。なお、以降の図面において、拡大図などで領域２４３を示さない場合でも、同様の領域２４３が形成されている場合がある。
なお、領域２４３ａ、および領域２４３ｂは、酸化物２３０ｂの導電体２４２近傍において、深さ方向に拡散するように設けられる例を示しているが、本発明はこれに限らない。領域２４３ａおよび領域２４３ｂは、求められるトランジスタの電気特性に合わせて適宜形成すればよい。また、酸化物２３０において、各領域の境界を明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化していてもよい。
本発明の一態様であるトランジスタ２００は、図４（Ａ）に示すように、絶縁体２７４の下面と酸化物２３０ｃの上面が接しており、導電体２６０が絶縁体２８０と離隔されている。これにより、絶縁体２８０に含まれる酸素が導電体２６０に吸収されるのを防ぐことができる。また、本発明の一態様であるトランジスタ２００は、図４（Ａ）に示すように、酸化物２３０ｃの側面と、絶縁体２５４の側面が接しており、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂが絶縁体２８０と離隔されている。これにより、絶縁体２８０に含まれる酸素が導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに吸収されるのを防ぐことができる。
ここで、図３（Ｃ）に示すトランジスタ２００の一部の領域の拡大図を図４（Ｂ）に示す。図４（Ｂ）は、トランジスタ２００のＷ幅方向のチャネル形成領域を拡大した図である。
図４（Ｂ）に示すように、絶縁体２２４の底面を基準として、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂと、導電体２６０とが、重ならない領域における導電体２６０の底面の高さは、酸化物２３０ｂの底面の高さより低い位置に配置されていることが好ましい。また、酸化物２３０ｂと、導電体２６０とが、重ならない領域における導電体２６０の底面の高さと、酸化物２３０ｂの底面の高さと、の差をＴ２とすると、Ｔ２は、０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。
このように、ゲート電極として機能する導電体２６０が、チャネル形成領域の酸化物２３０ｂの側面および上面を酸化物２３０ｃおよび絶縁体２５０を介して覆う構成となっており、導電体２６０の電界をチャネル形成領域の酸化物２３０ｂ全体に作用させやすくなる。よって、トランジスタ２００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。
以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、高い周波数特性を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
導電体２０５は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。また、導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。ここで、導電体２０５の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体２０５上面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下にすればよい。これにより、導電体２０５の上に形成される、絶縁体２２４の平坦性を良好にし、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃの結晶性の向上を図ることができる。
ここで、導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体２０５は、第２のゲート（ボトムゲートともいう）電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００のＶｔｈを制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００のＶｔｈを０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体２０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
なお、導電体２０５は、図３（Ａ）に示すように、酸化物２３０における領域２３４よりも、大きく設けるとよい。特に、図３（Ｃ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０の領域２３４のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物２３０のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。
上記構成を有することで、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
また、図３（Ｃ）に示すように、導電体２０５は延伸させて、配線としても機能させている。ただし、これに限られることなく、導電体２０５の下に、配線として機能する導電体を設ける構成にしてもよい。また、導電体２０５は、必ずしも各トランジスタに一個ずつ設ける必要はない。例えば、導電体２０５を複数のトランジスタで共有する構成にしてもよい。
また、導電体２０５は、絶縁体２１６の開口の内壁に接して第１の導電体が形成され、さらに内側に第２の導電体が形成されている。ここで、導電体２０５の第１の導電体および第２の導電体の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２０５の第１の導電体と第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０５は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
また、導電体２０５の第１の導電体として、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）導電体を用いてもよい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）導電体を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一またはすべての拡散を抑制する機能とする。
導電体２０５の第１の導電体として、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電体を用いることにより、導電体２０５が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電体としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体２０５の第１の導電体としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。
また、導電体２０５の第２の導電体として、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。
絶縁体２１４は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。また、絶縁体２１４は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水または水素などの不純物が絶縁体２１４よりも基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が、絶縁体２１４よりも基板側に、拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２２として、絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いてもよい。
また、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよい。
絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
ここで、酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、加熱により酸素を脱離することが好ましい。本明細書では、加熱により離脱する酸素を過剰酸素と呼ぶことがある。例えば、絶縁体２２４は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
絶縁体２２４として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
また、図３（Ｃ）に示すように、絶縁体２２４は、絶縁体２５４と重ならず、且つ酸化物２３０ｂと重ならない領域の膜厚が、それ以外の領域の膜厚より薄くなる場合がある。絶縁体２２４において、絶縁体２５４と重ならず、且つ酸化物２３０ｂと重ならない領域の膜厚は、上記酸素を十分に拡散できる膜厚であることが好ましい。
絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物２３０が有する酸素が、絶縁体２２０側へ拡散することを低減できるので、好ましい。また、導電体２０５が、絶縁体２２４や、酸化物２３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
さらに、絶縁体２２２は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４より水素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２、および絶縁体２５４によって、絶縁体２２４および酸化物２３０などを囲むことにより、外方から水または水素などの不純物がトランジスタ２００に侵入することを抑制することができる。
絶縁体２２２は、絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
また、絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
なお、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
また、図３などに示すように、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｃ１と、酸化物２３０ｃ１の上に配置された酸化物２３０ｃ２と、を有することが好ましい。酸化物２３０ｃ１は、酸化物２３０ｂに用いられる金属酸化物を構成する金属元素の少なくとも一つを含むことが好ましく、当該金属元素を全て含むことがより好ましい。これにより、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃ１との界面における欠陥準位密度を低くすることができる。
なお、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。また、酸化物２３０ｃ１と酸化物２３０ｃ２の積層構造とする場合、酸化物２３０ｃ２に用いる金属酸化物において、構成元素中のＩｎの原子数比を、酸化物２３０ｃ１に用いる金属酸化物における、構成元素中のＩｎの原子数比より小さくすることで、Ｉｎが絶縁体２５０側に拡散するのを抑制することができる。
また、酸化物２３０ｂは、結晶性を有することが好ましい。例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳを用いることが好ましい。ＣＡＡＣ－ＯＳなどの結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥（酸素欠損など）が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物２３０ｂからの酸素の引き抜きを低減することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物２３０ｂから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ２００は、製造工程における高い温度、またはサーマルバジェットに対して安定である。
また、酸化物２３０ｃ１、および酸化物２３０ｃ２は、結晶性を有することが好ましく、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳを用いることが好ましい。
また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃ２の伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃ２の電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、または１：１：０．５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、または３：１：２［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃ１と、酸化物２３０ｃ２の組み合わせの具体例としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、酸化ガリウムとの積層構造などが挙げられる。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。
酸化物２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、領域２３４となる金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半導体装置を提供できる。
ここで、本実施の形態に係るトランジスタ２００に熱処理を行ったときの、絶縁体２８０に含まれる酸素２９０の挙動について、図５および図６を用いて説明する。図５は、トランジスタ２００のチャネル長方向の拡大断面図であり、図６はトランジスタ２００のチャネル幅方向の拡大断面図である。上述の通り、本実施の形態に示す半導体装置では、過剰酸素を含む絶縁体２８０が、絶縁体２７４、酸化物２３０ｃ１、酸化物２３０ｃ２、および絶縁体２５４で囲まれており、導電体２６０、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂと離隔されている。よって、図５および図６に示すように、熱処理を行っても、絶縁体２８０の酸素２９０は、絶縁体２７４、酸化物２３０ｃ１、酸化物２３０ｃ２、および絶縁体２５４に阻まれ、導電体２６０、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂに直接的には拡散しない。
また、熱処理によって、酸化物２３０ｂの酸素が脱離し、酸素欠損が形成されると、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃ１の界面近傍において、酸化物２３０ｃ１から酸化物２３０ｂに酸素が拡散して、酸素欠損を補填する。酸化物２３０ｂに供給された酸素は、酸化物２３０ｂ中で酸素欠損の補填を繰り返しながら、酸化物２３０ｂ中を拡散する。
また、酸化物２３０ｂに酸素を供給することで、酸化物２３０ｃ１中にも酸素欠損が形成される。このとき、絶縁体２８０と酸化物２３０ｃ１の界面近傍において、絶縁体２８０から酸化物２３０ｃ１に酸素２９０が拡散して、酸素欠損を補填する。酸化物２３０ｃ１に供給された酸素２９０は、酸化物２３０ｃ中で酸素欠損の補填を繰り返しながら、酸化物２３０ｃ１中を拡散する。なお、図５および図６に示すように、酸化物２３０ｃ１中の酸素２９０が、酸化物２３０ｃ２中に拡散し、酸化物２３０ｃ２を介して酸化物２３０ｂに供給される場合もある。
ここで、酸化物２３０ｃ１が、ＣＡＡＣ－ＯＳであることが好ましい。酸化物２３０ｃ１は、図５および図６に示すように、ａ－ｂ面方向に伸長した結晶の層２３０ｃ１Ｐと、ａ－ｂ面方向に垂直なｃ軸２３０ｃ１Ｘと、を有する、結晶の領域を含む。ここで、酸化物２３０ｃ１において、ｃ軸２３０ｃ１Ｘは、酸化物２３０ｃ１の被形成面に概略垂直な方向を向いていることが好ましい。これにより、酸化物２３０ｃ１は、酸化物２３０ｂの上面に対して概略垂直になるようにｃ軸２３０ｃ１Ｘが配向した領域と、導電体２４２ａ、絶縁体２５４、および絶縁体２８０の側面に対して概略垂直になるようにｃ軸２３０ｃ１Ｘが配向した領域と、導電体２４２ｂ、絶縁体２５４、および絶縁体２８０の側面に対して概略垂直になるようにｃ軸２３０ｃ１Ｘが配向した領域と、を有する。なお、酸化物２３０ｃ１と同様に、酸化物２３０ｃ２も、ＣＡＡＣ－ＯＳであり、図５および図６に示すように、ａ－ｂ面方向に伸長した結晶の層２３０ｃ２Ｐと、ａ－ｂ面方向に垂直なｃ軸２３０ｃ２Ｘと、を有する、結晶の領域を含んでいてもよい。
ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸方向よりもａ－ｂ面方向に酸素を拡散させやすい性質を有する。よって、絶縁体２８０から酸化物２３０ｃ１および酸化物２３０ｃ２に供給された酸素２９０は、図５に示すように、優先的に酸化物２３０ｃ１と酸化物２３０ｂの界面近傍まで拡散され、酸化物２３０ｃの酸素欠損を補填することができる。
以上のように、本実施の形態に示すトランジスタ２００は、完成後に熱処理を行っても、絶縁体２８０から酸化物２３０に酸素を供給し、酸化物２３０に酸素欠損が増大するのを抑制することができる。よって、積層構造の下層においても、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
なお、図５および図６では、酸素２９０が酸化物２３０ｃ１および酸化物２３０ｃ２中を拡散する例を示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、酸素２９０が酸化物２３０ｃ１中のみを拡散し、酸化物２３０ｃ２は酸素２９０の拡散を防ぐ構造にしてもよい。このような構成にすることで、酸素２９０が導電体２６０に吸収されるのをより低減することができる。
酸化物２３０ｂ上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）が設けられる。導電体２４２の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上２５ｎｍ以下、とすればよい。
導電体２４２としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
絶縁体２５４は、絶縁体２２２などと同様に、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。例えば、絶縁体２５４は、絶縁体２２４より酸素透過性が低いことが好ましい。さらに、図３（Ｂ）（Ｃ）に示すように、絶縁体２５４は、導電体２４２ａの上面と側面、導電体２４２ｂの上面と側面、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面、ならびに絶縁体２２４の上面に接することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体２８０に含まれる酸素が、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに吸収されるのを抑制することができる。
なお、図３（Ｄ）に示すように、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの、導電体２４２ｂ（導電体２４２ａ）と重畳する領域のチャネル幅方向側の側面まで、絶縁体２５４に覆われている。このような構成にすることで、絶縁体２８０に含まれる酸素が、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに吸収されるのをさらに抑制することができる。
さらに、水または水素などの不純物が、絶縁体２８０側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体２５４は、絶縁体２２４より水素透過性が低いことが好ましい。
絶縁体２５４は、スパッタリング法を用いて成膜されることが好ましい。絶縁体２５４を、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２２４の絶縁体２５４と接する領域近傍に酸素を添加することができる。これにより、当該領域から、絶縁体２２４を介して酸化物２３０中に酸素を供給することができる。ここで、絶縁体２５４が、上方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物２３０から絶縁体２８０へ拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体２２２が、下方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物２３０から絶縁体２１６へ拡散することを防ぐことができる。このようにして、酸化物２３０のチャネル形成領域として機能する領域２３４に酸素が供給される。これにより、酸化物２３０の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。
また、絶縁体２５４は、２層以上の多層構造とすることができる。例えば、絶縁体２５４として、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて１層目を成膜し、次にＡＬＤ法を用いて２層目を成膜し、２層構造としてもよい。ＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、１層目の凹凸によって、段切れなどが形成されるのを防ぐことができる。
絶縁体２５４としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。また、絶縁体２５４として、窒化シリコンなどのバリア性の高い窒化物を用いてもよい。
絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
また、絶縁体２５０と導電体２６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
また、当該金属酸化物は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体２５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、当該金属酸化物は、比誘電率が高いｈｉｇｈ－ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。ゲート絶縁体を、絶縁体２５０と当該金属酸化物との積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、ゲート絶縁体の物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
導電体２６０は、図１では２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。
導電体２６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
また、導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０に含まれる酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
また、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２６０は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。
絶縁体２８０は、絶縁体２５４を介して、絶縁体２２４、酸化物２３０、および導電体２４２上に設けられる。絶縁体２８０は、加熱により脱離する酸素を含むことが好ましい。例えば、絶縁体２８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンなどを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料は、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成することができるため好ましい。
絶縁体２８０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。また、絶縁体２８０の上面は、平坦化されていてもよい。
絶縁体２７４は、絶縁体２１０などと同様に、水または水素などの不純物が、上方から絶縁体２８０に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体２７４としては、例えば、絶縁体２１０、絶縁体２５４等に用いることができる絶縁体を用いればよい。
絶縁体２７４は、絶縁体２２２などと同様に、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。例えば、絶縁体２７４は、絶縁体２８０より酸素透過性が低いことが好ましい。さらに、図３（Ｂ）（Ｃ）に示すように、絶縁体２７４は、導電体２６０の上面、絶縁体２５０の上面、酸化物２３０ｃの上面、および絶縁体２８０の上面に接することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体２８０に含まれる酸素が、導電体２６０に吸収されるのを抑制することができる。
さらに、絶縁体２７４は、水または水素などの不純物が、絶縁体２８１側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体２７４は、絶縁体２８０より水素透過性が低いことが好ましい。
絶縁体２７４は、スパッタリング法を用いて成膜されることが好ましい。絶縁体２７４は、酸素を含む雰囲気で、スパッタリング法を用いて成膜されることがより好ましい。絶縁体２７４を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２８０の絶縁体２７４と接する領域近傍に過剰酸素を添加することができる。これにより、当該領域から、酸化物２３０ｃを介して酸化物２３０ｂ中に酸素を供給することができる。ここで、絶縁体２７４が、上方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が絶縁体２８０の上方へ拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体２５４が、下方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が絶縁体２８０から下方へ拡散することを防ぐことができる。このようにして、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域として機能する領域２３４に酸素が供給される。これにより、酸化物２３０ｂの酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。
また、絶縁体２７４の上に、層間膜として機能する絶縁体２８１を設けることが好ましい。絶縁体２８１は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
また、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５４に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８１の上面と、同一平面上としてもよい。
なお、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５４の開口の内壁に接して、絶縁体２４１ａが設けられ、その側面に接して導電体２４０ａの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２４２ａが位置しており、導電体２４０ａが導電体２４２ａと接する。同様に、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５４の開口の内壁に接して、絶縁体２４１ｂが設けられ、その側面に接して導電体２４０ｂの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２４２ｂが位置しており、導電体２４０ｂが導電体２４２ｂと接する。
導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは積層構造としてもよい。
また、導電体２４０を積層構造とする場合、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２、絶縁体２５４、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２８１と接する導電体には、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８０に添加された酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。また、絶縁体２８１より上層から水または水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂとしては、絶縁体２５４等に用いることができる絶縁体（例えば、酸化アルミニウム、または窒化シリコンなど）を用いればよい。絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂは、絶縁体２５４に接して設けられるので、絶縁体２８０などから水または水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。また、絶縁体２８０に含まれる酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。
また、図示しないが、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
＜半導体装置の構成材料＞
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
＜＜基板＞＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムを材料とした半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
＜＜絶縁体＞＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、ｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体（絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４など）で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、またはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、または酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。
また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が有する酸素欠損を補償することができる。
＜＜導電体＞＞
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたは錫などが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫などとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、および非晶質酸化物半導体などがある。
［不純物］
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。
このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
トランジスタの半導体に用いる金属酸化物として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。
２００９年に、ＣＡＡＣ構造を有するＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯと呼ぶ）が発見されたことが、非特許文献１および非特許文献２で報告されている。ここでは、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯは、ｃ軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。
また、２０１３年には、ｎｃ構造を有するＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（ｎｃ－ＩＧＺＯと呼ぶ）が発見された（非特許文献３参照）。ここでは、ｎｃ－ＩＧＺＯは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。
非特許文献４および非特許文献５では、上記のＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ、ｎｃ－ＩＧＺＯ、および結晶性の低いＩＧＺＯのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、１ｎｍ程度の結晶性ＩＧＺＯが観察されている。よって、ここでは、ＩＧＺＯにおいて、完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜と比べて、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯの薄膜およびｎｃ－ＩＧＺＯの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯの薄膜またはｎｃ－ＩＧＺＯの薄膜を用いることが好ましい。
金属酸化物を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい、具体的には、トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流がｙＡ／μｍ（１０－２４Ａ／μｍ）オーダである、ことが非特許文献６に示されている。例えば、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（非特許文献７参照）。
また、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている（非特許文献８参照）。表示装置では、表示される画像が１秒間に数十回切り換っている。１秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動と呼ぶ。
ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造の発見は、ＣＡＡＣ構造またはｎｃ構造を有する金属酸化物を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびＬＳＩへの応用研究が進められている。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、図１に示す、本発明に係るトランジスタ２００を有する半導体装置について、作製方法を図５乃至図１２を用いて説明する。また、図５乃至図１２において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、各図の（Ｄ）は、（Ａ）にＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
まず、基板（図示しない）を準備し、当該基板上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
また、ＡＬＤ法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、および低温での成膜が可能、などの効果がある。また、ＡＬＤ法には、プラズマを利用した成膜方法ＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）法も含まれる。プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
本実施の形態では、絶縁体２１４として、ＣＶＤ法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体２１４として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体２１４より下層（図示せず）の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
次に絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
次に、リソグラフィー法を用いて、絶縁体２１６に、絶縁体２１４に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成にはウェットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１４は、絶縁体２１６をエッチングして開口を形成する際のエッチングストッパとして機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、開口を形成する絶縁体２１６に酸化シリコンを用いた場合は、絶縁体２１４は、エッチングストッパとして機能する絶縁体として、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムを用いるとよい。
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、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。
また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、絶縁体２１６となる絶縁膜上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。絶縁体２１６となる絶縁膜のエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。絶縁体２１６となる絶縁膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。
ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
開口の形成後に、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜は、不純物や酸素の透過を抑制する機能を有する導電性バリア膜を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０５の第１の導電体となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
本実施の形態では、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜として、窒化タンタル、または、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜する。導電体２０５の第１の導電体としてこのような金属窒化物を用いることにより、導電体２０５の第２の導電体で銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０５の第１の導電体から外に拡散するのを抑制することができる。
次に、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜上に、導電体２０５の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体２０５の第２の導電体となる導電膜として、タングステン、銅、アルミニウムなどの低抵抗導電性材料を成膜する。
次に、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜、および導電体２０５の第２の導電体となる導電膜の一部を研磨により除去し、絶縁体２１６を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜、および導電体２０５の第２の導電体となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５の第１の導電体、および導電体２０５の第２の導電体を含む導電体２０５を形成することができる（図５参照）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１６の一部が除去される場合がある。
なお、絶縁体２１６および導電体２０５の作製方法は上記に限られるものではない。例えば、絶縁体２１４の上に導電体２０５となる導電膜を成膜し、リソグラフィー法を用いて当該導電膜加工することで導電体２０５を形成する。次に、導電体２０５を覆うように絶縁体２１６となる絶縁膜を設け、ＣＭＰ処理により当該絶縁膜の一部を、導電体２０５の一部が露出するまで除去することで導電体２０５、および絶縁体２１６を形成してもよい。
上記のようにＣＭＰ処理を用いて導電体２０５、および絶縁体２１６を形成することで、導電体２０５と絶縁体２１６の上面の平坦性を向上させることができ、後工程にて酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃを構成するＣＡＡＣ－ＯＳの結晶性を向上させることができる。
次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２２が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体２２２を通じてトランジスタ２００の内側へ拡散することが抑制され、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、絶縁体２２２上に絶縁体２２４となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２２４となる絶縁膜成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体２２４に含まれる水、水素などの不純物を除去することなどができる。
また、加熱処理は、絶縁体２２２の成膜後に行ってもよい。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。
ここで、絶縁体２２４に過剰酸素領域を形成するために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁体２２４内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体２２４に含まれる水、水素などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
ここで、絶縁体２２４上に、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウムを絶縁体２２４に達するまで、ＣＭＰを行ってもよい。当該ＣＭＰを行うことで絶縁体２２４表面の平坦化および絶縁体２２４表面の平滑化を行うことができる。当該酸化アルミニウムを絶縁体２２４上に配置してＣＭＰを行うことで、ＣＭＰの終点検出が容易となる。また、ＣＭＰによって、絶縁体２２４の一部が研磨されて、絶縁体２２４の膜厚が薄くなることがあるが、絶縁体２２４の成膜時に膜厚を調整すればよい。絶縁体２２４表面の平坦化および平滑化を行うことで、後に成膜する酸化物の被覆率の悪化を防止し、半導体装置の歩留りの低下を防ぐことができる場合がある。また、絶縁体２２４上に、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜することにより、絶縁体２２４に酸素を添加することができるので好ましい。
次に、絶縁体２２４上に、酸化物２３０ａとなる酸化膜、酸化物２３０ｂとなる酸化膜を順に成膜する。なお、上記酸化膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化物２３０ａとなる酸化膜、および酸化物２３０ｂとなる酸化膜上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化物２３０ａとなる酸化膜と酸化物２３０ｂとなる酸化膜との界面近傍を清浄に保つことができる。
酸化物２３０ａとなる酸化膜および、酸化物２３０ｂとなる酸化膜の成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
例えば、酸化物２３０ａとなる酸化膜、および酸化物２３０ｂとなる酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。
特に、酸化物２３０ａとなる酸化膜の成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。したがって、酸化物２３０ａとなる酸化膜のスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
また、酸化物２３０ｂとなる酸化膜をスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。また、基板を加熱しながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。酸化物２３０ｂとなる酸化膜をスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を、３０％を超えて１００％以下、好ましくは７０％以上１００％以下として成膜すると、酸素過剰型の酸化物半導体が形成される。酸素過剰型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い信頼性が得られる。
本実施の形態では、酸化物２３０ａとなる酸化膜として、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］（２：２：１［原子数比］）、あるいは１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。また、酸化物２３０ｂとなる酸化膜として、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
ここで、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化物２３０ａとなる酸化膜、および酸化物２３０ｂとなる酸化膜を、大気に暴露することなく成膜することが好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。
次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化物２３０ａとなる酸化膜、および酸化物２３０ｂとなる酸化膜中の水、水素などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
次に、酸化膜２３２Ｂ上に導電体層２４２Ａとなる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、酸化物２３０ａとなる酸化膜、酸化物２３０ｂとなる酸化膜および導電体層２４２Ａとなる導電膜を島状に加工して、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび導電体層２４２Ａを形成する。なお、当該工程において、絶縁体２２４の酸化物２３０ａと重ならない領域の膜厚が薄くなることがある（図７参照）。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび導電体層２４２Ａは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび導電体層２４２Ａの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび導電体層２４２Ａの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。または、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび導電体層２４２Ａと絶縁体２２２の上面のなす角が低い角度になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角は６０°以上７０°未満が好ましい。この様な形状とすることで、これより後の工程において、絶縁体２７３などの被覆性が向上し、鬆などの欠陥を低減することができる。
また、導電体層２４２Ａの側面と導電体層２４２Ａの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、導電体層２４２Ａ層の端部において、曲率半径が、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以上６ｎｍ以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。
なお、当該酸化膜および導電膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
次に絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび導電体層２４２Ａの上に、絶縁膜２５４Ａを成膜する（図８参照）。
絶縁膜２５４Ａは、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって、酸素を含むガスを用いて酸化アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体２２４中へ酸素を注入することができる。つまり、絶縁体２２４は過剰酸素を有することができる。
次に、絶縁膜２５４Ａ上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２８０となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体２８０となる絶縁膜として、ＰＥＣＶＤ法を用いて酸化窒化シリコン膜を成膜すればよい。また、例えば、絶縁体２８０となる絶縁膜として、スパッタリング法を用いて酸化シリコン膜を成膜すればよい。
次に、絶縁体２８０となる絶縁膜にＣＭＰ処理を行い、上面が平坦な絶縁体２８０Ａを形成する（図８参照）。
次に、絶縁体２８０Ａの一部、絶縁膜２５４Ａの一部、および導電体層２４２Ａの一部を加工して、酸化物２３０ｂに達する開口を形成する。該開口は、導電体２０５と重なるように形成することが好ましい。該開口によって、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、絶縁体２５４、および絶縁体２８０を形成する（図９参照）。
また、絶縁体２８０の一部、絶縁膜２５４Ａの一部、および導電体の一部の加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。例えば、絶縁体２８０Ａの一部をドライエッチング法で加工し、絶縁膜２５４Ａの一部をウェットエッチング法で加工し、導電体層２４２Ａの一部をドライエッチング法で加工してもよい。
これまでのドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
ウェット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。
次に加熱処理を行っても良い。加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して酸化膜２３０Ｃ１を成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化物２３０ｂの表面などに表面に吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とする（図１０参照）。
酸化膜２３０Ｃ１の成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２３０Ｃ１に求める特性に合わせて、酸化物２３０ａとなる酸化膜、または酸化物２３０ｂとなる酸化膜と同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｃ１を成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃ１を、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
特に、酸化膜２３０Ｃ１の成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ｃ１のスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
さらに連続して、酸化膜２３０Ｃ２の成膜を、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２３０Ｃ２に求める特性に合わせて、酸化物２３０ａとなる酸化膜、または酸化物２３０ｂとなる酸化膜と同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｃ２を成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃ２を、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
次に加熱処理を行っても良い。加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して絶縁膜２５０Ａを成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化膜２３０Ｃ２の表面などに表面に吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化膜２３０Ｃ１、および酸化膜２３０Ｃ２中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。
絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３５０℃以上４５０℃未満、特に４００℃前後とすることが好ましい。絶縁膜２５０Ａを、４００℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。
次に、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを成膜する。導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、ＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａａを成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電膜２６０Ａｂを成膜する（図１１参照）。
次に、ＣＭＰ処理によって、酸化膜２３０Ｃ１、酸化膜２３０Ｃ２、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、酸化物２３０ｃ１、酸化物２３０ｃ２、絶縁体２５０および導電体２６０（導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂ）を形成する（図１２参照）。
次に、加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。該加熱処理によって、絶縁体２５０および絶縁体２８０中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
次に、絶縁体２８０上に、絶縁体２７４となる絶縁膜を形成する。絶縁体２７４となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２７４となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体２８０に熱処理で脱離する酸素を添加することができる（図１２参照）。
次に、加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。該加熱処理によって、絶縁体２７４の成膜によって絶縁体２８０に添加された酸素を、酸化物２３０ｃを介して酸化物２３０ｂに供給することができる。
次に絶縁体２７４上に、絶縁体２８１となる絶縁体を成膜してもよい。絶縁体２８１となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図１２参照）。
次に、絶縁体２５４、絶縁体２８０、絶縁体２７４および絶縁体２８１に、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。
次に、絶縁体２４１となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして絶縁体２４１を形成する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２４１となる絶縁膜としては、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。また、異方性エッチングは、例えばドライエッチング法などを行えばよい。開口の側壁部をこのような構成とすることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。
次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、水、水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅などと、の積層とすることができる。導電体２４０となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８１を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（図１参照）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８１の一部が除去する場合がある。
以上により、図１に示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。図５乃至図１２に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ２００を作製することができる。
先の実施の形態に示す、トランジスタが積層された半導体装置を作製するには、上記の工程を繰り返し、トランジスタ２００を積層していけばよい。下層のトランジスタほど完成後に余剰な熱処理がかかることになるが、上述の通り、絶縁体２８０から酸化物２３０に酸素を供給し、酸化物２３０に酸素欠損が増大するのを抑制することができる。よって、下層のトランジスタ２００においても、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性、および良好な信頼性を半導体装置に与えることができる。
本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
＜半導体装置の変形例＞
以下では、図１３を用いて、先の＜半導体装置の構成例＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
また、図１３（Ａ）は上面図を示す。また、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図１３（Ｄ）は、図１３（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。なお、図１３（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
なお、図１３に示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置（図１参照）を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目において、トランジスタ２００の構成材料については＜半導体装置の構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
図１３に示すトランジスタ２００は、導電体２４２が設けられていない点において、図３に示すトランジスタ２００と異なる。図１３に示すトランジスタ２００においては、例えば、酸化物２３０のキャリア密度を増大させ、低抵抗化させることができる元素をドーパントとして添加することによって、領域２４３を形成すればよい。
ドーパントとしては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素などを用いればよい。このような元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。また、希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。また、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を添加してもよい。上述した中でもドーパントとしては、ホウ素、及びリンが好ましい。ホウ素、リンをドーパントとして用いる場合、アモルファスシリコン、または低温ポリシリコンの製造ラインの装置を使用することができるため、設備投資を抑制することができる。上記元素の濃度は、ＳＩＭＳなどを用いて測定すればよい。
特に、領域２４３に添加する元素として、酸化物を形成しやすい元素を用いることが好ましい。このような元素としては、代表的にはホウ素、リン、アルミニウム、マグネシウム等がある。領域２４３に添加された当該元素は、酸化物２３０中の酸素を奪って酸化物を形成しうる。その結果、領域２４３には多くの酸素欠損が生じる。当該酸素欠損と、酸化物２３０中の水素とが結合することでキャリアが生じ、極めて低抵抗な領域となる。さらに、領域２４３に添加された元素は安定な酸化物の状態で領域２４３に存在するため、その後の工程で高い温度を要する処理が行われたとしても、領域２４３から脱離しにくい。すなわち、領域２４３に添加する元素として、酸化物を形成しやすい元素を用いることで、酸化物２３０中に高温のプロセスを経ても高抵抗化しにくい領域を形成できる。
酸化物２３０にソース領域またはドレイン領域として機能する領域２４３を形成することで、金属で形成されたソース電極およびドレイン電極を設けることなく、領域２４３にプラグとして機能する導電体２４０を接続することができる。
ドーパントの添加によって領域２４３を形成する場合、例えば、トランジスタ２００のチャネル形成領域となる位置にレジストマスクまたはハードマスクなどのマスクを設けて、ドーパントの添加を行えばよい。これにより、酸化物２３０において、当該マスクが重畳していない領域に、上記の元素を含む領域２４３を形成することができる。
ドーパントの添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。質量分離を行う場合、添加するイオン種およびその濃度を厳密に制御することができる。一方、質量分離を行わない場合、短時間で高濃度のイオンを添加することができる。また、原子または分子のクラスターを生成してイオン化するイオンドーピング法を用いてもよい。なお、ドーパントを、イオン、ドナー、アクセプター、不純物または元素などと言い換えてもよい。
また、領域２４３に酸素欠損を形成する元素を添加して、熱処理を行うことで、チャネル形成領域として機能する領域２３４に含まれる水素を、領域２４３に含まれる酸素欠損で捕獲できる場合がある。これにより、トランジスタ２００に安定な電気特性を与え、信頼性の向上を図ることができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１４および図１５を用いて説明する。
［記憶装置１］
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置（記憶装置）の一例を図１４に示す。本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ３００を含む層２９１と、層２９１上の層２９０＿１と、層２９０＿１上の層２９０＿２と、を有する。ここで、層２９１＿１は、トランジスタ２００＿１と、容量素子１００＿１と、配線１００１＿１乃至配線１００６＿１と、を有する。また、層２９１＿２は、トランジスタ２００＿２と、容量素子１００＿２と、配線１００１＿２乃至配線１００６＿２と、を有する。ここで、層２９１＿１と層２９１＿２は、ほぼ同様の構造を有するので、同様の導電体、絶縁体、および酸化物には同符号を付与する。また、トランジスタ２００＿１とトランジスタ２００＿２をまとめてトランジスタ２００という場合がある。また、容量素子１００＿１と容量素子１００＿２をまとめて容量素子１００という場合がある。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００を用いることができる。
トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
図１４に示す半導体装置において、配線１００１＿１および配線１００１＿２はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２＿１および配線１００２＿２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。
配線１００３＿１はトランジスタ２００＿１のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４＿１はトランジスタ２００＿１の第１のゲートと電気的に接続され、配線１００６＿１はトランジスタ２００＿１の第２のゲートと電気的に接続されている。また、トランジスタ２００＿１のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００＿１の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５＿１は容量素子１００＿１の電極の他方と電気的に接続されている。なお、配線１００１＿１は、配線１００３＿１、配線１００４＿１、配線１００５＿１、または配線１００６＿１と電気的に接続されてもよい。また、配線１００２＿１は、配線１００３＿１、配線１００４＿１、配線１００５＿１、または配線１００６＿１と電気的に接続されてもよい。
また、配線１００３＿２はトランジスタ２００＿２のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４＿２はトランジスタ２００＿２の第１のゲートと電気的に接続され、配線１００６＿２はトランジスタ２００＿２の第２のゲートと電気的に接続されている。また、トランジスタ２００＿２のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００＿２の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５＿２は容量素子１００＿２の電極の他方と電気的に接続されている。なお、配線１００１＿２は、配線１００３＿２、配線１００４＿２、配線１００５＿２、または配線１００６＿２と電気的に接続されてもよい。また、配線１００２＿２は、配線１００３＿２、配線１００４＿２、配線１００５＿２、または配線１００６＿２と電気的に接続されてもよい。
図１４に示す記憶装置は、トランジスタ２００のスイッチングによって、容量素子１００の電極の一方の電位が保持可能という特性を有することで、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
また、図１４に示す記憶装置は、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
次に、層２９１が含まれるトランジスタ３００について、説明する。
＜トランジスタ３００＞
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。
ここで、半導体領域３１３の上に絶縁体３１５が配置され、絶縁体３１５の上に導電体３１６が配置される。また、同じ層に形成されるトランジスタ３００は、素子分離絶縁層として機能する絶縁体３１２によって、電気的に分離されている。絶縁体３１２は、後述する絶縁体３２６などと同様の絶縁体を用いることができる。トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
基板３１１は、半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
ここで、図１４に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
トランジスタ３００上には、層間膜として、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能する。
また、層間膜として機能する絶縁体は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１４において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能する。
なお、図１４に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
次に、層２９０＿１および層２９０＿２の容量素子１００、および配線層について説明する。なお、以下の説明は、層２９０＿１と層２９０＿２の両方に共通のものである。なお、トランジスタ２００の詳細な記載は先の実施の形態を参酌することができるので省略する。
＜容量素子１００＞
容量素子１００は、トランジスタ２００の上方に設けられる。容量素子１００は、第１の電極として機能する導電体１１０と、第２の電極として機能する導電体１２０、および誘電体として機能する絶縁体１３０とを有する。
また、例えば、導電体２４６上に設けた導電体１１２と、導電体１１０は、同時に形成することができる。なお、導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。
図１４では、導電体１１２、および導電体１１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
また、絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。例えば、絶縁体１３０として、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムの順番で積層された絶縁膜を用いることができる。
例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料と、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料との積層構造を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子１００は、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
なお、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料（高い比誘電率の材料）の絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
一方、絶縁耐力が大きい材料（低い比誘電率の材料）としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。
＜配線層＞
各層の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
導電体３５６などと同様に、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。さらに、導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。
層間膜として用いることができる絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
例えば、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
例えば、絶縁体１５０、絶縁体２１２、絶縁体３５２、および絶縁体３５４等には、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。従って、絶縁体２１０、および絶縁体３５０等には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。
水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
配線、プラグに用いることができる導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
例えば、導電体３２８、導電体３３０、導電体３５６、導電体２１８、および導電体１１２等としては、上記の材料で形成される金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
＜＜酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ＞＞
なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けられることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
例えば、図１４では、過剰酸素を有する絶縁体２２４と、導電体２４６との間に、絶縁体２７６を設けるとよい。絶縁体２７６と、絶縁体２２２、および絶縁体２７４とが接して設けられることで、絶縁体２２４、およびトランジスタ２００は、バリア性を有する絶縁体により、封止する構造とすることができる。さらに、絶縁体２７６は、絶縁体２８０の一部とも接することが好ましい。絶縁体２７６が、絶縁体２８０まで延在していることで、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。
つまり、絶縁体２７６を設けることで、絶縁体２２４が有する過剰酸素が、導電体２４６に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体２７６を有することで、不純物である水素が、導電体２４６を介して、トランジスタ２００へ拡散することを抑制することができる。
なお、絶縁体２７６としては、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
なお、図１４では、層２９０＿１と層２９０＿２の２層積層構造について示しているが、これに限られることなく、トランジスタ２００を含む層が３層以上積層される構成にしてもよい。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、トランジスタ２００を含む層を積層させることができるので、上面視における占有面積を低減し、半導体装置を微細化または高集積化させることができる。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
また、上記に置いて、容量素子１００はプレーナ型であったが容量素子の形状はこれに限定されるものではない。図１５（Ａ）に示すように、容量素子１００をシリンダ型にしてもよい。図１５（Ａ）に示す容量素子１００は、絶縁体２８１上に設けられた絶縁体２８３に形成された開口の中に配置された導電体１１０と、導電体１１０および絶縁体２８３上の絶縁体１３０と、絶縁体１３０上の導電体１２０と、を有する。なお、その他の構成については、図１４に示すトランジスタ２００および容量素子１００と同様である。
なお、図１５（Ａ）では、容量素子１００がトランジスタ２００の上方に設けられているが、本実施の形態はこれに限るものではなく、容量素子１００がトランジスタ２００の下方に設けられる構成にしてもよい。このように、トランジスタ２００と容量素子１００が重畳するように配置することで、トランジスタと容量素子の上面視における占有面積を低減することができるので、半導体装置をさらに高集積化させることができる。
また、図１５（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂにおいて、導電体２０５、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２、導電体２４６、絶縁体２４１、および導電体１１２が、共有される構造にしてもよい。ここで、トランジスタ２００ａおよび容量素子１００ａと、トランジスタ２００ｂおよび容量素子１００ｂは、図１５（Ａ）に示すトランジスタ２００および容量素子１００と同様の構造を有する。よって詳細は上記を参酌することができる。
図１５（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂが、導電体２４６を共有する構成にすることにより、トランジスタ１素子当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、半導体装置をさらに高集積化させることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態４）
本実施の形態では、図１６および図１７を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ場合がある）、および容量素子が適用されている記憶装置（以下、ＯＳメモリ装置と呼ぶ場合がある）について説明する。ＯＳメモリ装置は、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有する記憶装置である。ＯＳトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、ＯＳメモリ装置は優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
＜記憶装置の構成例＞
図１６にＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、メモリセルアレイ１４７０＿１、およびメモリセルアレイ１４７０＿２を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、コントロールロジック回路１４６０を有する。なお、以下において、メモリセルアレイ１４７０＿１、およびメモリセルアレイ１４７０＿２をまとめてメモリセルアレイ１４７０という場合がある。
記憶装置１４００は、図１４に示す記憶装置と対応している。行回路１４２０および列回路１４３０は層２９１に、メモリセルアレイ１４７０＿１は層２９０＿１に、メモリセルアレイ１４７０＿２は層２９０＿２に、対応する。
列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、および書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。
コントロールロジック回路１４６０は、外部からの入力信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。ＣＥは、チップイネーブル信号であり、ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
メモリセルアレイ１４７０＿１は、周辺回路１４１１の一部の上に形成され、メモリセルアレイ１４７０＿２はメモリセルアレイ１４７０＿１の上に形成される。メモリセルアレイ１４７０は、行列状に配置された、複数個のメモリセルＭＣと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ１４７０と行回路１４２０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一列に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ１４７０と列回路１４３０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一行に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。
なお、図１６において、周辺回路１４１１の上に２層のメモリセルアレイ１４７０が積層される例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、周辺回路１４１１の上に３層以上メモリセルアレイが積層される構成にしてもよい。
図１７に上述のメモリセルＭＣに適用できるメモリセルの構成例について説明する。
［ＤＯＳＲＡＭ］
図１７（Ａ）乃至（Ｃ）に、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、１ＯＳトランジスタ１容量素子型のメモリセルを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ場合がある。図１７（Ａ）に示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（フロントゲートと呼ぶ場合がある）、及びバックゲートを有する。
トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
ここで、図１７（Ａ）に示すメモリセル１４７１は、図１４に示す記憶装置の層２９１＿１または層２９１＿２に対応している。つまり、層２９１＿１において、トランジスタＭ１はトランジスタ２００＿１に、容量素子ＣＡは容量素子１００＿１に、配線ＢＩＬは配線１００３＿１に、配線ＷＯＬは配線１００４＿１に、配線ＢＧＬは配線１００６＿１に、配線ＣＡＬは配線１００５＿１に対応している。また、層２９１＿２において、トランジスタＭ１はトランジスタ２００＿２に、容量素子ＣＡは容量素子１００＿２に、配線ＢＩＬは配線１００３＿２に、配線ＷＯＬは配線１００４＿２に、配線ＢＧＬは配線１００６＿２に、配線ＣＡＬは配線１００５＿２に対応している。なお、図１４に記載のトランジスタ３００は、図１６に示す記憶装置１４００の行回路１４２０および列回路１４３０に設けられるトランジスタに対応する。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７１に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１７（Ｂ）に示すメモリセル１４７２のように、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１７（Ｃ）に示すメモリセル１４７３ように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ１で構成されたメモリセルとしてもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７１等に用いる場合、トランジスタＭ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＡとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
また、ＤＯＳＲＡＭにおいて、上記のように、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
［ＮＯＳＲＡＭ］
図１７（Ｄ）乃至（Ｈ）に、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図１７（Ｄ）に示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、データの読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７４に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１７（Ｅ）に示すメモリセル１４７５のように、トランジスタＭ２のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１７（Ｆ）に示すメモリセル１４７６のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ２で構成されたメモリセルとしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１７（Ｇ）に示すメモリセル１４７７のように、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＢとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に低くすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７４に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至１４７７も同様である。
トランジスタＭ２、Ｍ３にＯＳトランジスタを用いることで、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
なお、トランジスタＭ３は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタと呼ぶ場合がある）であってもよい。Ｓｉトランジスタの導電型は、ｎチャネル型としてもよいし、ｐチャネル型としてもよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタＭ３として、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタＭ３にＳｉトランジスタを用いることで、トランジスタＭ３の上に積層してトランジスタＭ２を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。
また、図１７（Ｈ）に３トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの一例を示す。図１７（Ｈ）に示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至Ｍ６、および容量素子ＣＣを有する。容量素子ＣＣは適宜設けられる。メモリセル１４７８は、配線ＢＩＬ、ＲＷＬ、ＷＷＬ、ＢＧＬ、およびＧＮＤＬに電気的に接続されている。配線ＧＮＤＬは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル１４７８を、配線ＢＩＬに代えて、配線ＲＢＬ、ＷＢＬに電気的に接続してもよい。
トランジスタＭ４は、バックゲートを有するＯＳトランジスタであり、バックゲートは配線ＢＧＬに電気的に接続されている。なお、トランジスタＭ４のバックゲートとゲートとを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭ４はバックゲートを有さなくてもよい。
なお、トランジスタＭ５、Ｍ６はそれぞれ、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはｐチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、トランジスタＭ４乃至Ｍ６がＯＳトランジスタでもよい。この場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７８に用いる場合、トランジスタＭ４としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ５、Ｍ６としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＣとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４のリーク電流を非常に低くすることができる。
なお、本実施の形態に示す、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、図１８を用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ１２００の一例を示す。チップ１２００には、複数の回路（システム）が実装されている。このように、複数の回路（システム）を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）と呼ぶ場合がある。
図１８（Ａ）に示すように、チップ１２００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１１、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１２、一または複数のアナログ演算部１２１３、一または複数のメモリコントローラ１２１４、一または複数のインターフェース１２１５、一または複数のネットワーク回路１２１６等を有する。
チップ１２００には、バンプ（図示しない）が設けられ、図１８（Ｂ）に示すように、プリント基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）１２０１の第１の面と接続する。また、ＰＣＢ１２０１の第１の面の裏面には、複数のバンプ１２０２が設けられており、マザーボード１２０３と接続する。
マザーボード１２０３には、ＤＲＡＭ１２２１、フラッシュメモリ１２２２等の記憶装置が設けられていてもよい。例えば、ＤＲＡＭ１２２１に先の実施の形態に示すＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ１２２２に先の実施の形態に示すＮＯＳＲＡＭを用いることができる。
ＣＰＵ１２１１は、複数のＣＰＵコアを有することが好ましい。また、ＧＰＵ１２１２は、複数のＧＰＵコアを有することが好ましい。また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２に共通のメモリが、チップ１２００に設けられていてもよい。該メモリには、前述したＮＯＳＲＡＭや、ＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、ＧＰＵ１２１２は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理や積和演算に用いることができる。ＧＰＵ１２１２に、本発明の酸化物半導体を用いた画像処理回路や、積和演算回路を設けることで、画像処理、および積和演算を低消費電力で実行することが可能になる。
また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が同一チップに設けられていることで、ＣＰＵ１２１１およびＧＰＵ１２１２間の配線を短くすることができ、ＣＰＵ１２１１からＧＰＵ１２１２へのデータ転送、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が有するメモリ間のデータ転送、およびＧＰＵ１２１２での演算後に、ＧＰＵ１２１２からＣＰＵ１２１１への演算結果の転送を高速に行うことができる。
アナログ演算部１２１３はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路の一、または両方を有する。また、アナログ演算部１２１３に上記積和演算回路を設けてもよい。
メモリコントローラ１２１４は、ＤＲＡＭ１２２１のコントローラとして機能する回路、およびフラッシュメモリ１２２２のインターフェースとして機能する回路を有する。
インターフェース１２１５は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コントローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとして、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ－Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などを用いることができる。
ネットワーク回路１２１６は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワーク回路を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよい。
チップ１２００には、上記回路（システム）を同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、チップ１２００に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増やす必要が無く、チップ１２００を低コストで作製することができる。
ＧＰＵ１２１２を有するチップ１２００が設けられたＰＣＢ１２０１、ＤＲＡＭ１２２１、およびフラッシュメモリ１２２２が設けられたマザーボード１２０３は、ＧＰＵモジュール１２０４と呼ぶことができる。
ＧＰＵモジュール１２０４は、ＳｏＣ技術を用いたチップ１２００を有しているため、そのサイズを小さくすることができる。また、画像処理に優れていることから、スマートフォン、タブレット端末、ラップトップＰＣ、携帯型（持ち出し可能な）ゲーム機などの携帯型電子機器に用いることが好適である。また、ＧＰＵ１２１２を用いた積和演算回路により、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの演算を実行することができるため、チップ１２００をＡＩチップ、またはＧＰＵモジュール１２０４をＡＩシステムモジュールとして用いることができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図１９にリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
図１９（Ａ）はＵＳＢメモリの模式図である。ＵＳＢメモリ１１００は、筐体１１０１、キャップ１１０２、ＵＳＢコネクタ１１０３および基板１１０４を有する。基板１１０４は、筐体１１０１に収納されている。例えば、基板１１０４には、メモリチップ１１０５、コントローラチップ１１０６が取り付けられている。基板１１０４のメモリチップ１１０５などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図１９（Ｂ）はＳＤカードの外観の模式図であり、図１９（Ｃ）は、ＳＤカードの内部構造の模式図である。ＳＤカード１１１０は、筐体１１１１、コネクタ１１１２および基板１１１３を有する。基板１１１３は筐体１１１１に収納されている。例えば、基板１１１３には、メモリチップ１１１４、コントローラチップ１１１５が取り付けられている。基板１１１３の裏面側にもメモリチップ１１１４を設けることで、ＳＤカード１１１０の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板１１１３に設けてもよい。これによって、ホスト装置とＳＤカード１１１０間の無線通信によって、メモリチップ１１１４のデータの読み出し、書き込みが可能となる。基板１１１３のメモリチップ１１１４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図１９（Ｄ）はＳＳＤの外観の模式図であり、図１９（Ｅ）は、ＳＳＤの内部構造の模式図である。ＳＳＤ１１５０は、筐体１１５１、コネクタ１１５２および基板１１５３を有する。基板１１５３は筐体１１５１に収納されている。例えば、基板１１５３には、メモリチップ１１５４、メモリチップ１１５５、コントローラチップ１１５６が取り付けられている。メモリチップ１１５５はコントローラチップ１１５６のワークメモリであり、例えばＤＯＳＲＡＭチップを用いればよい。基板１１５３の裏面側にもメモリチップ１１５４を設けることで、ＳＳＤ１１５０の容量を増やすことができる。基板１１５３のメモリチップ１１５４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態７）
本発明の一態様に係る半導体装置は、ＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図２０乃至図２２に、本発明の一態様に係るＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。
＜電子機器・システム＞
本発明の一態様に係るＧＰＵ又はチップは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係る集積回路又はチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
本発明の一態様の電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。
本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図２０に、電子機器の例を示す。
［携帯電話］
図２０（Ａ）には、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）が図示されている。情報端末５５００は、筐体５５１０と、表示部５５１１と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５５１１に備えられ、ボタンが筐体５５１０に備えられている。
情報端末５５００は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部５５１１に表示するアプリケーション、表示部５５１１に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部５５１１に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。
［情報端末１］
図２０（Ｂ）には、デスクトップ型情報端末５３００が図示されている。デスクトップ型情報端末５３００は、情報端末の本体５３０１と、ディスプレイ５３０２と、キーボード５３０３と、を有する。
デスクトップ型情報端末５３００は、先述した情報端末５５００と同様に、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、デスクトップ型情報端末５３００を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。
なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、及びデスクトップ用情報端末を例として、それぞれ図２０（Ａ）、（Ｂ）に図示したが、スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
［情報端末２］
図２１（Ａ）には、タブレット型情報端末５０００が図示されている。タブレット型情報端末５０００は、筐体５００２と、表示部５００１と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５００１に備えられ、ボタンが筐体５００２に備えられている。
タブレット型情報端末５０００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、低消費電力のタブレット型情報端末５０００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。
タブレット型情報端末５０００は、コントローラ５０１０の中央部に保持することができる。コントローラ５０１０を用いることで、タブレット型情報端末５０００は、タッチパネルより精密且つ高速な操作を受け付けることができる。これにより、タブレット型情報端末５０００を携帯型ゲーム機として使用することができる。
また、コントローラ５０１０は、上述のセンサの一以上を有していてもよい。また、コントローラ５０１０は、タブレット型情報端末５０００を保持していない状態においても、有線または無線で接続することができる。
また、タブレット型情報端末５０００は、クレードル５０２０に保持することができる。クレードル５０２０は、タブレット型情報端末５０００およびその付属品を充電する機能、タブレット型情報端末５０００の出力データ（例えば、映像データ、音声データ、またはテキストデータなど）を出力する機能、入力装置（例えば、マウス、キーボード、記録メディアドライブまたはコントローラ５０１０など）と接続し、入力データをタブレット型情報端末５０００に伝達する機能、またはタブレット型情報端末５０００を有線または無線で通信回線と電気的に接続する機能の少なくとも一を有する。
このようなクレードル５０２０を用いることで、タブレット型情報端末５０００は、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、または据え置き型ゲーム機として使用することができる。
また、クレードル５０２０は、ＧＰＵチップ、メインメモリ、またはストレージなどを有していてもよい。これらを有することで、例えば、タブレット型情報端末５０００から出力される映像データをアップコンバートすることができる。
［据え置き型ゲーム機］
図２０（Ｄ）は、ゲーム機の一例である据え置き型ゲーム機５１００を示している。据え置き型ゲーム機５１００は、ゲーム機本体５１０１、無線または有線で接続することができるコントローラ５１０２等を有する。
据え置き型ゲーム機５１００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、低消費電力の据え置き型ゲーム機５１００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。
［携帯型ゲーム機］
図２０（Ｅ）は、ゲーム機の一例である携帯型ゲーム機５２００を示している。携帯型ゲーム機は、筐体５２０１、表示部５２０２、ボタン５２０３等を有する。
携帯型ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、低消費電力の携帯型ゲーム機５２００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。
更に、携帯型ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、人工知能を有する携帯型ゲーム機５２００を実現することができる。
本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯型ゲーム機５２００に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、ゲーム中のイベントが発生するタイミング、ゲーム上に登場する人物の言動、等をゲームのプログラムに限定されずに変化させて表現することが可能となる。
また、携帯型ゲーム機５２００で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、１人でもゲームを行うことができる。
上記に置いて、ゲーム機の一例として据え置き型ゲーム機、携帯型ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機としては、例えば、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
［電化製品］
図２１（Ａ）は、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。
電気冷凍冷蔵庫５８００に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫５８００は、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。
本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。
［移動体］
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは、移動体である自動車、及び自動車の運転席周辺に適用することができる。
図２１（Ｂ１）は移動体の一例である自動車５７００を示し、図２１（Ｂ２）は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図２１（Ｂ２）では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。
表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、燃料計、ギア状態、エアコンの設定などを表示することで、様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。
表示パネル５７０４には、自動車５７００に設けられた撮像装置（図示しない）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車５７００の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該チップを自動車５７００の自動運転システムに用いることができる。また、当該チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０４には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。
なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。
［放送システム］
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは、放送システムに適用することができる。
図２１（Ｃ）は、放送システムにおけるデータ伝送を模式的に示している。具体的には、図２１（Ｃ）は、放送局５６８０から送信された電波（放送信号）が、各家庭のテレビジョン受信装置（ＴＶ）５６００に届くまでの経路を示している。ＴＶ５６００は、受信装置を備え（図示しない）、アンテナ５６５０で受信された放送信号は、当該受信装置を介して、ＴＶ５６００に送信される。
図２１（Ｃ）では、アンテナ５６５０は、ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンテナを図示しているが、アンテナ５６５０としては、ＢＳ・１１０°ＣＳアンテナ、ＣＳアンテナなども適用できる。
電波５６７５Ａ、電波５６７５Ｂは地上波放送用の放送信号であり、電波塔５６７０は受信した電波５６７５Ａを増幅して、電波５６７５Ｂの送信を行う。各家庭では、アンテナ５６５０で電波５６７５Ｂを受信することで、ＴＶ５６００で地上波ＴＶ放送を視聴することができる。なお、放送システムは、図２１（Ｃ）に示す地上波放送に限定せず、人工衛星を用いた衛星放送、光回線によるデータ放送などとしてもよい。
上述した放送システムは、本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用した放送システムとしてもよい。放送局５６８０から各家庭のＴＶ５６００に放送データを送信するとき、エンコーダによって放送データの圧縮が行われ、アンテナ５６５０が当該放送データを受信したとき、ＴＶ５６００に含まれる受信装置のデコーダによって当該放送データの復元が行われる。人工知能を利用することによって、例えば、エンコーダの圧縮方法の一である動き補償予測において、表示画像に含まれる表示パターンの認識を行うことができる。また、人工知能を利用したフレーム内予測などを行うこともできる。また、例えば、解像度の低い放送データを受信して、解像度の高いＴＶ５６００で当該放送データの表示を行うとき、デコーダによる放送データの復元において、アップコンバートなどの画像の補間処理を行うことができる。
上述した人工知能を利用した放送システムは、放送データの量が増大する超高精細度テレビジョン（ＵＨＤＴＶ：４Ｋ、８Ｋ）放送に対して好適である。
また、ＴＶ５６００側における人工知能の応用として、例えば、ＴＶ５６００に人工知能を有する録画装置を設けてもよい。このような構成にすることによって、当該録画装置にユーザの好みを人工知能に学習させることで、ユーザの好みにあった番組を自動的に録画することができる。
本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
＜並列計算機＞
本発明の一態様のコンピュータを複数用いてクラスターを組むことで、並列計算機を構成することができる。
図２２（Ａ）には、大型の並列計算機５４００が図示されている。並列計算機５４００には、ラック５４１０にラックマウント型の計算機５４２０が複数格納されている。
計算機５４２０は、例えば、図２２（Ｂ）に示す斜視図の構成とすることができる。図２２（Ｂ）において、計算機５４２０は、マザーボード５４３０を有し、マザーボードは、複数のスロット５４３１、複数の接続端子５４３２、複数の接続端子５４３３を有する。スロット５４３１には、ＰＣカード５４２１が挿されている。加えて、ＰＣカード５４２１は、接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５を有し、それぞれ、マザーボード５４３０に接続されている。
ＰＣカード５４２１は、本発明の一態様に係る、ＣＰＵ、ＧＰＵ、記憶装置などを備えた処理ボードである。例えば、図２２（Ｃ）では、ＰＣカード５４２１が、ボード５４２２を有し、ボード５４２２が、接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５と、チップ５４２６と、チップ５４２７と、接続端子５４２８と、を有する構成を示している。なお、図２２（Ｃ）には、チップ５４２６、及びチップ５４２７以外のチップを図示しているが、それらのチップについては、以下に記載するチップ５４２６、及びチップ５４２７の説明を参酌する。
接続端子５４２８は、マザーボード５４３０のスロット５４３１に挿すことができる形状を有しており、接続端子５４２８は、ＰＣカード５４２１とマザーボード５４３０とを接続するためのインターフェースとして機能する。接続端子５４２８の規格としては、例えば、ＰＣＩｅなどが挙げられる。
接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５は、例えば、ＰＣカード５４２１に対して電力供給、信号入力などを行うためのインターフェースとすることができる。また、例えば、ＰＣカード５４２１によって計算された信号の出力などを行うためのインターフェースとすることができる。接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５のそれぞれの規格としては、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、ＳＡＴＡ（Ｓｅｒｉａｌ ＡＴＡ）、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などが挙げられる。また、接続端子５４２３、接続端子５４２４、接続端子５４２５から映像信号を出力する場合、それぞれの規格としては、ＨＤＭＩ（登録商標）などが挙げられる。
チップ５４２６は、信号の入出力を行う端子（図示しない）を有しており、当該端子をＰＣカード５４２１が備えるソケット（図示しない）に対して差し込むことで、チップ５４２６とＰＣカード５４２１とを電気的に接続することができる。チップ５４２６としては、例えば、本発明の一態様のＧＰＵとすることができる。
チップ５４２７は、複数の端子を有しており、当該端子をＰＣカード５４２１が備える配線に対して、例えば、リフロー方式のはんだ付けを行うことで、チップ５４２７とＰＣカード５４２１とを電気的に接続することができる。チップ５４２７としては、例えば、記憶装置、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＣＰＵなどが挙げられる。
本発明の一態様のコンピュータを、図２２（Ａ）に示す並列計算機５４００の計算機５４２０に適用することで、例えば、人工知能の学習、及び推論に必要な大規模の計算を行うことができる。
本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
本実施例では、先の実施の形態に示すトランジスタを積層した半導体装置を作製し、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて観察を行い、トランジスタの電気特性を測定した。
本実施例では、先の実施の形態に示すトランジスタ２００と同様の構成を有するトランジスタを、２層積層した半導体装置（以下、試料１と呼ぶ）を作製した。以下、試料１の下層のトランジスタをトランジスタ２００＿１と呼び、上層のトランジスタをトランジスタ２００＿２と呼ぶ。試料１では、トランジスタ２００＿１およびトランジスタ２００＿２を、それぞれの層で、０．０５個／μｍ２の密度で配置した。
まず、トランジスタ２００＿１およびトランジスタ２００＿２の構造について説明する。図３に示すように、トランジスタ２００＿１およびトランジスタ２００＿２は、絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された絶縁体２１６と、絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６および導電体２０５の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａの上に配置された酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂの上に離間して配置された導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および絶縁体２２４の上に配置された絶縁体２５４と、絶縁体２５４の上に配置された絶縁体２８０と、酸化物２３０ｂの上に配置された酸化物２３０ｃ１と、酸化物２３０ｃ１の上に配置された酸化物２３０ｃ２と、酸化物２３０ｃ２の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０の上に配置された導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂと、絶縁体２８０、酸化物２３０ｃ１、酸化物２３０ｃ２、絶縁体２５０、および導電体２６０の上に配置された絶縁体２７４と、を有する。
絶縁体２１４として膜厚４０ｎｍの酸化アルミニウムを用いた。また、絶縁体２１６として酸化窒化シリコンを用いた。また、導電体２０５として、窒化タンタル、窒化チタン、タングステンの順に積層した導電膜を用いた。
絶縁体２２２として、ＡＬＤ法を用いて成膜した、膜厚５ｎｍの酸化アルミニウムを用いた。絶縁体２２４として、膜厚３５ｎｍの酸化窒化シリコンを用いた。なお、絶縁体２２４は、成膜後に、窒素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行い、連続して酸素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行った。さらに、絶縁体２２４は、表面にＣＭＰ処理を行った。
酸化物２３０ａとして、ＤＣスパッタリング法を用いて成膜した、膜厚が５ｎｍのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を用いた。なお、酸化物２３０ａの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用い、成膜ガスとして酸素ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａとし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を２００℃とし、ターゲットと基板との間隔を６０ｍｍとした。
酸化物２３０ｂとして、ＤＣスパッタリング法を用いて成膜した、膜厚が２０ｎｍのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を用いた。なお、酸化物２３０ｂの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用い、成膜ガスとしてアルゴンガス３０ｓｃｃｍと酸素ガス１５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａとし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を２００℃とし、ターゲットと基板との間隔を６０ｍｍとした。なお、酸化物２３０ｂの成膜後に、窒素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行い、連続して酸素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行った。
導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、膜厚２５ｎｍの窒化タンタルを用いた。また、絶縁体２５４は、スパッタリング法を用いて成膜した膜厚５ｎｍの酸化アルミニウムと、その上にＡＬＤ法を用いて成膜した膜厚３ｎｍの酸化アルミニウムの積層膜とした。
絶縁体２８０は、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜した酸化窒化シリコンを用いた。
酸化物２３０ｃ１として、ＤＣスパッタリング法を用いて成膜した、膜厚が５ｎｍのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を用いた。なお、酸化物２３０ｃ１の成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用い、成膜ガスとして、酸素ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａとし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を２００℃とし、ターゲットと基板との間隔を６０ｍｍとした。
酸化物２３０ｃ２として、ＤＣスパッタリング法を用いて成膜した、膜厚が５ｎｍのＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を用いた。なお、酸化物２３０ｃ２の成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用い、成膜ガスとして酸素ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａとし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を２００℃とし、ターゲットと基板との間隔を６０ｍｍとした。
絶縁体２５０として、膜厚１０ｎｍの酸化窒化シリコンを用いた。また、導電体２６０ａとして、膜厚１０ｎｍの窒化チタンを用いた。また、導電体２６０ｂとして、タングステンを用いた。
絶縁体２７４として、ＲＦスパッタリング法を用いて成膜した、膜厚が４０ｎｍの酸化アルミニウムを用いた。絶縁体２７４には、Ａｌ２Ｏ３ターゲットを用い、成膜ガスとして、アルゴンガス２５ｓｃｃｍ、酸素ガス２５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．４Ｐａとし、成膜電力を２５００Ｗとし、基板温度を２５０℃とし、ターゲットと基板との間隔を６０ｍｍとした。
以上のような構成を有する試料１のトランジスタ２００＿１およびトランジスタ２００＿２は、チャネル長３６０ｎｍ、チャネル幅３６０ｎｍを狙って設計した。なお、試料１のトランジスタ２００＿１およびトランジスタ２００＿２は、トランジスタ２００と同様に、上記構成に加えて、さらに、導電体２４０、絶縁体２４１、および絶縁体２８１等を有する。
なお、トランジスタ２００＿２がトランジスタ２００＿１の上に作製されるので、トランジスタ２００＿１には、トランジスタ２００＿２の作製時のサーマルバジェットも掛かっている。ただし、トランジスタ２００＿２の作製工程では、絶縁体２２４成膜後の熱処理は行わず、絶縁体２７４成膜後に窒素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行った。試料１の作製後、さらに、窒素雰囲気で４００℃４時間の熱処理を行った。
次に、作製した試料の一部を、日立ハイテクノロジーズ社製「ＨＤ－２３００」を用いて、加速電圧を２００ｋＶとして、断面ＳＴＥＭ像を撮影した。図２３は倍率１万５千倍で撮影した、断面ＳＴＥＭ像であり、図２４（Ａ）は図２３のトランジスタ２００＿１を倍率１０万倍で撮影した、断面ＳＴＥＭ像であり、図２４（Ｂ）は図２３のトランジスタ２００＿２を倍率１０万倍で撮影した、断面ＳＴＥＭ像である。
図２３に示すように、試料１において、トランジスタ２００＿１の上に、トランジスタ２００＿２が積層されて形成されている。
また、図２４（Ａ）に示すように、トランジスタ２００＿１において、絶縁体２８０は、絶縁体２７４、酸化物２３０ｃ２、および絶縁体２５４によって、導電体２６０、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂと離隔されている。同様に、図２４（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００＿２において、絶縁体２８０は、絶縁体２７４、酸化物２３０ｃ２、および絶縁体２５４によって、導電体２６０、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂと離隔されている。
次に、試料１のトランジスタ２００＿１の１３素子と、トランジスタ２００＿２の１３素子のＩｄ－Ｖｇ測定を行った。Ｉｄ－Ｖｇ測定は、トランジスタのドレイン電位Ｖｄを＋０．１Ｖ、＋３．３Ｖとし、ソース電位Ｖｓを０Ｖとし、トップゲート電位ＶＧを－３．３Ｖから＋３．３Ｖまで掃引することで行った。ボトムゲート電位Ｖｂｇは０Ｖで行った。また、Ｉｄ－Ｖｇ測定には、キーサイトテクノロジー製半導体パラメータアナライザーを用いた。
図２５（Ａ）にトランジスタ２００＿１の１３素子のＩｄ－Ｖｇ曲線を、図２５（Ｂ）にトランジスタ２００＿２の１３素子のＩｄ－Ｖｇ曲線を示す。
図２５（Ａ）（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００＿１およびトランジスタ２００＿２ともども、良好なスイッチング特性を示した。
以上より、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を積層した半導体装置は、繰り返し熱処理を行っても、良好な電気特性を有することが示された。
本実施例に示す構成、方法などは、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
１０：層、１０＿ｎ：層、１０＿１：層、１０＿２：層、２０：トランジスタ、２２：酸化物、２２ａ：酸化物、２２ｂ：酸化物、２２ｂＰ：層、２２ｂＸ：ｃ軸、２４：絶縁体、２６：導電体、２８ａ：導電体、２８ｂ：導電体、３０：絶縁体、３２：絶縁体、３４：絶縁体、３６：絶縁体、３８：絶縁体、４０：絶縁体、５０：酸素、１００：容量素子、１００＿１：容量素子、１００＿２：容量素子、１００ａ：容量素子、１００ｂ：容量素子、１１０：導電体、１１２：導電体、１２０：導電体、１３０：絶縁体、１５０：絶縁体、２００：トランジスタ、２００＿１：トランジスタ、２００＿２：トランジスタ、２００ａ：トランジスタ、２００ｂ：トランジスタ、２０５：導電体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１８：導電体、２２０：絶縁体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０ｂ：酸化物、２３０ｃ：酸化物、２３０ｃ１：酸化物、２３０ｃ１Ｐ：層、２３０ｃ１Ｘ：ｃ軸、２３０ｃ２：酸化物、２３０ｃ２Ｐ：層、２３０ｃ２Ｘ：ｃ軸、２３０Ｃ１：酸化膜、２３０Ｃ２：酸化膜、２３１：領域、２３１ａ：領域、２３１ｂ：領域、２３２Ｂ：酸化膜、２３４：領域、２４０：導電体、２４０ａ：導電体、２４０ｂ：導電体、２４１：絶縁体、２４１ａ：絶縁体、２４１ｂ：絶縁体、２４２：導電体、２４２ａ：導電体、２４２Ａ：導電体層、２４２ｂ：導電体、２４３：領域、２４３ａ：領域、２４３ｂ：領域、２４６：導電体、２５０：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２５４：絶縁体、２５４Ａ：絶縁膜、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０Ａａ：導電膜、２６０Ａｂ：導電膜、２６０ｂ：導電体、２７３：絶縁体、２７４：絶縁体、２７６：絶縁体、２８０：絶縁体、２８０Ａ：絶縁体、２８１：絶縁体、２８３：絶縁体、２９０：酸素、２９０＿１：層、２９０＿２：層、２９１：層、２９１＿１：層、２９１＿２：層

Claims (7)

  1. 第１の層と、前記第１の層上の第２の層と、を有し、
    前記第１の層、および前記第２の層は、それぞれトランジスタを有し、
    前記第１の層および前記第２の層の前記トランジスタは、それぞれ、
    第１の酸化物と、
    前記第１の酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、
    前記第１の導電体、前記第２の導電体、および前記第１の酸化物を覆って配置された第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第２の絶縁体と、
    前記第１の酸化物上で、前記第１の導電体と前記第２の導電体の間に配置され、結晶性を有する第２の酸化物と、
    前記第２の酸化物上の第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２の絶縁体の上面、前記第２の酸化物の上面、前記第３の絶縁体の上面、および前記第３の導電体の上面に接する、第４の絶縁体と、を有し、
    前記第１の絶縁体および前記第４の絶縁体は、前記第２の絶縁体より酸素を透過させにくく、
    前記第２の酸化物は、前記第２の絶縁体の側面に接し、当該側面に対して概略垂直になるようにｃ軸が配向した領域を有する、半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第２の酸化物上に接して、第３の酸化物が配置される、半導体装置。
  3. 請求項１又は請求項２において、
    前記第１の酸化物および前記第１の絶縁体の下に第５の絶縁体が配置され、
    前記第５の絶縁体の下に第６の絶縁体が配置され、
    前記第６の絶縁体は、前記第５の絶縁体より酸素を透過させにくい、半導体装置。
  4. 請求項３において、
    前記第６の絶縁体の下に、前記第１の酸化物と重なるように第４の導電体が配置される、半導体装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
    前記第１の絶縁体および前記第４の絶縁体は、
    アルミニウム、およびハフニウムの一方または両方を含む酸化物である、半導体装置。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
    前記第１の酸化物、および前記第２の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する、半導体装置。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
    前記第１の層の下に第３の層が配置され、
    前記第３の層は、
    シリコン基板上の第７の絶縁体と、
    前記第７の絶縁体上の第５の導電体と、を有する半導体装置。
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