JP7221216B2 - 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、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、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。
本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第３の酸化物と、第３の酸化物上の絶縁体とを有し、第２の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有し、第１の酸化物、および第３の酸化物は、それぞれ、第２の酸化物よりも、Ｉｎ濃度が少ない領域を有し、絶縁体中のＩｎ濃度は、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置である。
本発明の一態様は、第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物に、互いに離隔して、配置された第１の導電体および第２の導電体と、第２の酸化物、第１の導電体、および第２の導電体上の第３の酸化物と、第３の酸化物上の絶縁体と、を有し、第３の酸化物は、前記第１の導電体の側面と上面、および前記第２の導電体の側面と上面と接し、第２の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有し、第１の酸化物、および第３の酸化物は、それぞれ、第２の酸化物よりも、Ｉｎ濃度が少ない領域を有し、絶縁体中のＩｎ濃度は、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置である。
上記において、第１の導電体と第２の酸化物の間に第３の導電体が配置され、第２の導電体と第２の酸化物の間に第４の導電体が配置され、第１の導電体は、第２の酸化物の上面、第３の導電体の上面、および第３の導電体の側面に接し、第２の導電体は、第２の酸化物の上面、第４の導電体の上面、および第４の導電体の側面に接することが好ましい。
上記において、第３の酸化物は、第１の層と、第１の層上の第２の層と、有し、第１の層は、第２の酸化物と概略同等の組成を有し、第２の層は、第２の酸化物よりも、Ｉｎ濃度が少ない領域を有することが好ましい。
上記において、半導体装置は、絶縁体上に導電体を有し、絶縁体は、導電体の底部、および側面に沿って設けられ、第３の酸化物は、絶縁体を介して導電体の底部、および側面に沿って設けられることが好ましい。
上記において、導電体は、第２の酸化物の側面と対向するように設けられ、導電体と、第２の酸化物の側面との間に、第３の酸化物と、絶縁体が設けられることが好ましい。
上記において、第１の酸化物は、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎを有し、第２の酸化物は、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎを有し、第３の酸化物は、Ｇａと、Ｚｎを有することが好ましい。
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、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す図。 本発明の一態様に係る記憶装置を示す図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 本発明の実施例を説明する図。 本発明の実施例を説明する図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするため、図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
また、特に上面図（「平面図」ともいう。）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
また、本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に開示されているものとする。
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
本明細書において、酸化物、金属酸化物、化合物などを構成する元素の原子数比を示す場合、特段断りが無い限りは、その原子数比の近傍も含まれる場合がある。ここで、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の５０％以上１５０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の比率の近傍として、１以上３以下を含み、［Ｂ］の比率の近傍として、０．５以上１．５以下を含むものとする。また、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の８０％以上１２０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の比率の近傍として、１．６以上２．４以下を含み、［Ｂ］の比率の近傍として、０．８以上１．２以下を含むものとする。また、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の９０％以上１１０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の比率の近傍として、１．８以上２．２以下を含み、［Ｂ］の比率の近傍として、０．９以上１．１以下を含むものとする。
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。
なお、本明細書等において、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。
また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が－１０度以上１０度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、－５度以上５度以下の場合も含まれる。また、「概略平行」とは、二つの直線が－３０度以上３０度以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０度以上１００度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５度以上９５度以下の場合も含まれる。また、「概略垂直」とは、二つの直線が６０度以上１２０度以下の角度で配置されている状態をいう。
なお、本明細書において、バリア膜とは、水、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、当該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む。）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう。）などに分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ ＦＥＴあるいはＯＳトランジスタと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりの電流が、室温において１×１０－２０Ａ以下、８５℃において１×１０－１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０－１６Ａ以下であることをいう。
（実施の形態１）
以下では、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１乃至図１１を用いて説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の上面図および断面図である。また、図２は、トランジスタ２００の拡大図である。
図１（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、図２（Ａ）は、図１（Ｂ）における酸化物２３０ｃおよびその近傍の拡大図であり、図２（Ｂ）は、図１（Ｃ）における酸化物２３０ｂと導電体２６０、およびその近傍の拡大図である。
［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（図示しない。）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、互いに離隔して配置された導電体２４３ａ、および導電体２４３ｂと、導電体２４３ａおよび酸化物２３０ｂ上に配置された導電体２４２ａと、導電体２４３ｂおよび酸化物２３０ｂ上に配置された導電体２４２ｂと、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂ上に配置され、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体２５４と、絶縁体２５４と重なるように配置された絶縁体２４４と、絶縁体２４４と重なるように配置された絶縁体２８０と、開口の中に配置された導電体２６０と、酸化物２３０ｂ、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および絶縁体２５４と、導電体２６０と、の間に配置された絶縁体２５０と、酸化物２３０ｂ、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および絶縁体２５４と、絶縁体２５０と、の間に配置された酸化物２３０ｃと、導電体２６０の上面、絶縁体２５０の上面、酸化物２３０ｃの上面、絶縁体２５４の上面、絶縁体２４４の上面、および絶縁体２８０の上面と接するように配置された絶縁体２７４と、を有する。ここで、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０、絶縁体２５４、絶縁体２４４、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２８０の上面と略一致することが好ましい。
なお、以下において、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃをまとめて酸化物２３０と呼称する場合がある。また、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂをまとめて導電体２４２と呼称する場合がある。また、導電体２４３ａおよび導電体２４３ｂをまとめて導電体２４３と呼称する場合がある。また、導電体２４３は、導電体２４２に用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電体２４３の膜厚は、少なくとも導電体２４２より厚いことが好ましい。また、トランジスタ２００において、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の距離が、絶縁体２８０、絶縁体２４４、および絶縁体２５４に形成される開口のチャネル長方向の長さより短い。
トランジスタ２００は、上記のような構成を有することにより、酸化物２３０の導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂ近傍の領域にも、導電体２６０の電界の寄与を大きくすることができる。これにより、トランジスタ２００の実質的なチャネル長を短くし、オン電流および周波数特性の向上を図ることができる。
また、導電体２４３ａ（導電体２４３ｂ）は、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、当該開口と重畳して導電体２４３ａ（導電体２４３ｂ）が設けられるので、酸化物２３０ｂがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。
図１に示すトランジスタ２００では、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの導電体２６０側の側面が、概略垂直な形状を有している。なお、図１に示すトランジスタ２００は、これに限られるものではなく、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの側面と底面がなす角が、１０°以上８０°以下、好ましくは、３０°以上６０°以下としてもよい。また、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの対向する側面は、それぞれ側面と底面のなす角が異なる複数の面を有していてもよい。
また、図１に示すように、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３ａ、導電体２４３ｂ、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および酸化物２３０ｃと、絶縁体２８０と、の間に絶縁体２４４および絶縁体２５４が配置されることが好ましい。ここで、絶縁体２５４は、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、酸化物２３０ｃの側面、導電体２４２の上面と側面、導電体２４３の側面、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。絶縁体２４４は絶縁体２５４の上面に接して配置されることが好ましい。また、絶縁体２４４および絶縁体２５４のどちらか一方のみを配置してもよい。
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、および酸化物２３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの２層構造、または４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃのそれぞれが２層以上の積層構造を有していてもよい。本実施の形態では、図２に示すように、酸化物２３０ｃが酸化物２３０ｃ１、および酸化物２３０ｃ１上の酸化物２３０ｃ２の２層からなる積層構造を有する例を示す。また、トランジスタ２００では、導電体２６０を導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂを有する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。単層構造とすることで工程が簡略することができるため好ましい。例えば、導電体２６０の成膜装置の台数、あるいは成膜装置の成膜室（チャンバーともいう）の数を削減することができる。このため、半導体装置の製造に係るコストや時間を削減できる。一方、２層以上の積層構造とすることで、導電体２６０に用いることができる導電性材料の選択肢が増えるため好ましい。絶縁体２５０と接する導電体２６０ａを所望の仕事関数を有する材料とすることができる。また、導電体２６０ｂとして、導電体２６０ａよりも低抵抗な材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂに用いる導電性材料が絶縁体２５０、または酸化物２３０に拡散する恐れがある場合、導電体２６０ａとして当該導電性材料の拡散を抑制できる材料を用いることができる。このような材料をバリア膜と呼ぶ場合がある。また、絶縁体２５０と導電体２６０ｂの密着性を向上するために導電体２６０ａを設けてもよい。導電体２６０を３層以上の積層構造とする場合、導電体２６０ａを２層以上の積層構造としてもよいし、導電体２６０ｂを２層以上の積層構造としてもよい。
酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂは、島状に形成され、絶縁体２２４の上に配置されている。酸化物２３０ｃは、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）に示すように、絶縁体２８０に設けられた開口部内で、絶縁体２５４の側面に接するように設けられる。また、酸化物２３０ｃは、図１（Ｃ）に示すように、該開口部内で、酸化物２３０ｂの上面および側面と、酸化物２３０ａの側面と接するように設けられる。
また、絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの内側に設けられることが好ましい。絶縁体２５０は、Ｉｎ濃度が極力低減されていることが好ましい。絶縁体２５０と接する酸化物２３０ｃにＩｎが含まれている場合、該Ｉｎが絶縁体２５０中に拡散する恐れがある。絶縁体２５０中の金属Ｉｎは、負の電荷を捕獲し、トランジスタの閾値電圧のプラスシフトや、Ｓ値の増大など、トランジスタ特性、およびそのばらつきに影響を及ぼす恐れがある。例えば、トランジスタの閾値電圧がプラスシフトし、ノーマリーオフ特性となった場合、該トランジスタは、より高い駆動電圧が必要となり、低電圧駆動が困難となる。この場合、該トランジスタ、およびそれを有する電子機器の消費電力は増大してしまう。
そこで、絶縁体２５０に含まれるＩｎ濃度は、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは、１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、であることが好ましい。あるいは、絶縁体２５０と接する酸化物２３０ｃ（２３０ｃ２）として、Ｉｎを含まない酸化物とすることが好ましい。例えば、酸化物２３０ｃ１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）を用い、酸化物２３０ｃ２として、元素Ｍの酸化物、Ｍ－Ｚｎ酸化物などを用いることが好ましい。具体的には、酸化物２３０ｃ１として、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物とし、酸化物２３０ｃ２として、酸化ガリウム、またはＧａ－Ｚｎ酸化物を用いることが好ましい。
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と導電体２４３ａ、および導電体２４２ｂと導電体２４３ｂ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。導電体２６０は、絶縁体２８０の開口に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体２６０、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの配置は、絶縁体２８０の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ２００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体２６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ２００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。
また、図１に示すように、導電体２６０は、絶縁体２５０の内側に設けられた導電体２６０ａと、導電体２６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体２６０ｂと、を有することが好ましい。
ここで、導電体２６０は、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃを介して、導電体２４２と重なるように設けられることが好ましい。図２（Ａ）において、導電体２６０と、導電体２４２が重なる領域をＴ１として示している。導電体２６０と、導電体２４２が重なる領域を有することで、導電体２６０と導電体２４２とのオフセットを無くし、導電体２６０に印加されるゲート電界によるトランジスタの制御性の向上が期待できる。ここで、Ｔ１は、０ｎｍ以上３０ｎｍ以下、好ましくは０ｎｍより大きく１５ｎｍ以下とする。
また、トランジスタ２００は、基板（図示しない。）の上に配置された絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された導電体２０５と、絶縁体２１４の上に、導電体２０５の側面と接するように配置された絶縁体２１６と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、を有することが好ましい。このとき、絶縁体２２２は、導電体２０５の上面、および絶縁体２１６の上面と接するように設けられることが好ましい。絶縁体２２４の上に酸化物２３０ａが配置されることが好ましい。
また、トランジスタ２００の上に、層間膜として機能する絶縁体２８１が配置されることが好ましい。
絶縁体２２２、絶縁体２５４、絶縁体２４４、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、絶縁体２４４、および絶縁体２７４は、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および絶縁体２８０より水素透過性が低いことが好ましい。また、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２４４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。例えば、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２４４は、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および絶縁体２８０より酸素透過性が低いことが好ましい。
ここで、絶縁体２２４、酸化物２３０、および絶縁体２５０は、絶縁体２８０および絶縁体２８１から、絶縁体２５４、絶縁体２４４および絶縁体２７４によって離隔されている。ゆえに、絶縁体２８０および絶縁体２８１に含まれる水素などの不純物や、過剰な酸素が、絶縁体２２４、酸化物２３０、および絶縁体２５０に混入するのを抑制することができる。
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）が設けられることが好ましい。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。つまり、絶縁体２５４、絶縁体２４４、絶縁体２８０、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が設けられる。また、絶縁体２４１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る構成にしてもよい。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体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。
また、トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。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。
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、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、または酸化ガリウムを用いてもよい。
また、図１（Ｂ）に示すように、酸化物２３０ｂは、導電体２４２と重ならない領域の膜厚が、導電体２４２と重なる領域の膜厚より薄くなる場合がある。これは、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂを形成する際に、酸化物２３０ｂの上面の一部を除去することにより形成される。酸化物２３０ｂの上面には、導電体２４２となる導電膜を成膜した際に、当該導電膜との界面近傍に抵抗の低い領域が形成される場合がある。このように、酸化物２３０ｂの上面の導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間に位置する、抵抗の低い領域を除去することにより、当該領域がチャネルの一部となることを防ぐことができる。また、図示しないが、酸化物２３０ｂは、導電体２４３と重ならない領域の膜厚が、導電体２４３と重なる領域の膜厚より薄くなる場合がある。これは、導電体２４３ａおよび導電体２４３ｂを形成する際に、酸化物２３０ｂの上面の一部を除去することにより形成される。すなわち、酸化物２３０ｂは、それぞれ異なる第１の厚さを有する領域、第２の厚さを有する領域、および第３の厚さを有する領域を含む場合がある。
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。
また、導電体２０５は、酸化物２３０におけるチャネル形成領域よりも、大きく設けるとよい。特に、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０の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、酸化物２３０のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
また、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は延伸させて、配線としても機能させている。ただし、これに限られることなく、導電体２０５の下に、配線として機能する導電体を設ける構成にしてもよい。
また、導電体２０５は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体２０５を単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
また、導電体２０５の下に水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（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の下に、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電体を用いることにより、導電体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。
絶縁体２１４は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体２１４として、酸化アルミニウムまたは窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水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、層間膜として機能する絶縁体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は、Ｉｎ濃度が低い絶縁体を用いることが好ましい。絶縁体２２４と接する酸化物２３０ａにＩｎが含まれている場合、該Ｉｎが絶縁体２２４中に拡散する恐れがある。絶縁体２２４中の金属Ｉｎは、負の電荷を捕獲し、トランジスタの閾値電圧のプラスシフトや、Ｓ値の増大など、トランジスタ特性、およびそのばらつきに影響を及ぼす恐れがある。例えば、トランジスタの閾値電圧がプラスシフトし、ノーマリーオフ特性となった場合、該トランジスタは、より高い駆動電圧が必要となり、低電圧駆動が困難となる。この場合、該トランジスタ、およびそれを有する電子機器の消費電力は増大してしまう。
そこで、例えば、絶縁体２２４に含まれるＩｎ濃度は、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは、１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、であることが好ましい。あるいは、絶縁体２２４と接する酸化物２３０ａとして、Ｉｎを含まない酸化物とすることが好ましい。例えば、酸化物２３０ａとして、元素Ｍの酸化物（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）、Ｍ－Ｚｎ酸化物、あるいはＭ－Ｚｎ酸化物と、Ｍ－Ｚｎ酸化物上のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を含む積層体を用いることが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａとして、酸化ガリウム、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、あるいはＧａ－Ｚｎ酸化物と、Ｇａ－Ｚｎ酸化物上のＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を含む積層体を用いることが好ましい。
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１（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、絶縁体２１４などと同様に、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４より水素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２、絶縁体２５４、絶縁体２４４、および絶縁体２７４によって、絶縁体２２４、酸化物２３０、および絶縁体２５０などを囲むことにより、外方から水または水素などの不純物がトランジスタ２００に侵入することを抑制することができる。
さらに、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）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、基板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。
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。また、絶縁体２２２の下に絶縁体２２４と同様の絶縁体を設ける構成にしてもよい。
酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。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。
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。
酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃ）は、結晶性を有することが好ましく、特に、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抑制することができる。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（所謂サーマルバジェット）に対して安定である。
また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、伝導帯下端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と酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃが、酸素以外に共通の元素を少なくとも一つ有することで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの構成並びに材料について、以下に説明を行う。なお、下記酸化物に含まれる金属元素の原子数比は、スパッタリングターゲットにおける原子数比、あるいは、基板上に形成された金属酸化物における原子数比を示す。
＜酸化物２３０ａ＞
酸化物２３０ａとしては、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、または酸化ガリウムを用いることができる。具体的には、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［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、あるいは酸化ガリウムなどの金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ａを第１の層（酸化物２３０ａ１とする）と、酸化物２３０ａ１上の第２の層（酸化物２３０ａ２）との積層構造としてもよい。ただし、積層構造については、これに限定されず、２以上の層数としてもよい。酸化物２３０ａを積層構造とする場合、第２の層よりも、第１の層のバンドギャップを大きくするのが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａを、酸化物２３０ａ１と、酸化物２３０ａ１上の酸化物２３０ａ２との積層構造とした場合、酸化物２３０ａ１には、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、あるいは酸化ガリウムを用いることができる。なお、酸化物２３０ａ１は、Ｉｎを含まない酸化物を用いると好適である。また、酸化物２３０ａ２には、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ることができる。
＜酸化物２３０ｂ＞
酸化物２３０ｂとしては、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を用いることができる。具体的には、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ることができる。
＜酸化物２３０ｃ＞
酸化物２３０ｃとしては、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、または酸化ガリウムを用いることができる。具体的には、酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［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、あるい酸化ガリウムなどの金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃを第１の層（酸化物２３０ｃ１とする）と、酸化物２３０ｃ１上の第２の層（酸化物２３０ｃ２とする）との積層構造としてもよい。ただし、積層構造については、これに限定されず、２以上の層数としてもよい。酸化物２３０ｃを積層構造とする場合、第１の層よりも、第２の層のバンドギャップを大きくするのが好ましい。具体的には、酸化物２３０ｃを、酸化物２３０ｃ１と、酸化物２３０ｃ１上の酸化物２３０ｃ２との積層構造とした場合、酸化物２３０ｃ１には、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ることができる。また、酸化物２３０ｃ２には、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、あるいは酸化ガリウムを用いることができる。なお、酸化物２３０ｃ２は、Ｉｎを含まない酸化物を用いると好適である。
なお、酸化物２３０ａ、及び酸化物２３０ｃは、上述の積層構造とすることが好ましく、上述の積層構造を別言すると、絶縁体（絶縁体２２４または絶縁体２５０）と接する酸化物は、Ｉｎを含まない酸化物であるとも言える。
酸化物２３０ａ１として、Ｉｎを含まない酸化物を用いることで、絶縁体２２４へのＩｎの拡散を抑制することが可能となる。また、酸化物２３０ｃ２として、Ｉｎを含まない酸化物を用いることで、絶縁体２５０へのＩｎの拡散を抑制することが可能となる。なお、絶縁体２２４および絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能するため、Ｉｎが拡散した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、絶縁体（絶縁体２２４または絶縁体２５０）と接する酸化物に、Ｉｎを含まない酸化物を用いることで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、及び酸化物２３０ｃを上記の構成とすることで、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の積層構造とすることで、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といった優れた効果を奏する。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。
なお、上記の説明においては、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの双方を積層構造とする場合について、例示したがこれに限定されない。酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃのいずれか一方のみが積層構造の場合でも構わない。
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、酸化物２３０のチャネル形成領域となる金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタの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。
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２４３（導電体２４３ａ、および導電体２４３ｂ）、および導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）が設けられる。導電体２４３、および導電体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、窒化タングステン、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。
導電体２４３、および導電体２４２は、同じ材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。また、酸化物２３０ｂ上において、導電体２４２の面積は、導電体２４３の面積よりも大きく、導電体２４２は、導電体２４３の上面、および側面の一部と接し、かつ酸化物２３０ｂの上面の一部と接する。また、導電体２４２の膜厚は、導電体２４３の膜厚よりも薄いことが好ましい。
酸化物２３０と接するように導電体２４３、および導電体２４２を設けることで、酸化物２３０の導電体２４３、および導電体２４２近傍において、酸素濃度が低減する場合がある。また、酸化物２３０の導電体２４３、および導電体２４２近傍において、導電体２４３、および導電体２４２に含まれる金属と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、酸化物２３０の導電体２４３、および導電体２４２近傍の領域において、キャリア密度が増加し、当該領域は、低抵抗領域となる。
ここで、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域は、絶縁体２８０の開口に重畳して形成される。これにより、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間に導電体２６０を自己整合的に配置することができる。
絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置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２５０は、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。また、絶縁体２５０中のＩｎ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。これにより、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、上述の、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電体を用いることが好ましい。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２６０は、配線としても機能するため、導電体２６０ｂとして、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体２６０ｂ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、および窒化チタンの一方、または両方と上記導電性材料との積層構造としてもよい。
また、図１（Ａ）（Ｃ）に示すように、酸化物２３０ｂの導電体２４２と重ならない領域、言い換えると、酸化物２３０のチャネル形成領域において、酸化物２３０の側面が導電体２６０で覆われるように配置されることが好ましい。これにより、第１のゲート電極としての機能する導電体２６０の電界を、酸化物２３０の側面に作用させやすくなる。よって、トランジスタ２００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。例えば、図２（Ｂ）に示すように、導電体２６０の下端部は、酸化物２３０ｂの下端部よりＴ２だけ、絶縁体２２２側に設けられていることが好ましい。この場合、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。
絶縁体２５４は、絶縁体２１４などと同様に、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。さらに、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、絶縁体２５４は、酸化物２３０ｃの側面、導電体２４２の上面と側面、導電体２４３の側面、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に含まれる水素が、導電体２４２、導電体２４３、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび絶縁体２２４の上面または側面から酸化物２３０に侵入するのを抑制することができる。
さらに、絶縁体２５４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２５４は、絶縁体２８０または絶縁体２２４より酸素透過性が低いことが好ましい。
絶縁体２５４は、被覆性に優れた、ＡＬＤ法を用いて成膜されることが好ましい。
または、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から基板側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。
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は、フッ素を含んでいてもよい。絶縁体２５４に含まれるフッ素は、酸化物２３０およびその近傍に存在する水素を捕獲し、酸化物２３０からの水素のゲッタリングや、絶縁体２５４の外部から酸化物２３０への水素などの不純物の混入を抑制することができ、好ましい。フッ素を含む絶縁体２５４の形成は、絶縁体２５４形成後にフッ素を添加すればよい。または、絶縁体２５４の成膜を、フッ素を含む雰囲気で行ってもよい。
絶縁体２４４は、絶縁体２１４などと同様に、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２４４は、絶縁体２２４より水素透過性が低いことが好ましい。さらに、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、絶縁体２４４は、絶縁体２５４に接するように配置されることが好ましい。この様な構成とすることで、絶縁体２８０に含まれる水素が、導電体２６０、酸化物２３０ｃおよび絶縁体２５０の側面から酸化物２３０ｂに侵入するのを抑制することができる。
絶縁体２４４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２４４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２５４を透過して、絶縁体２２４に酸素を添加することができる。これにより、絶縁体２２４から、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２４４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から基板側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。
絶縁体２４４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と同様に、絶縁体２４４は、フッ素を含んでいてもよい。絶縁体２４４がフッ素を含むことで、絶縁体２４４においても酸化物２３０およびその近傍に存在する水素を捕獲し、酸化物２３０からの水素のゲッタリングや、絶縁体２４４の外部から酸化物２３０への水素などの不純物の混入を抑制することができ、好ましい。フッ素を含む絶縁体２４４の形成は、絶縁体２４４形成後にフッ素を添加すればよい。または、絶縁体２４４の成膜を、フッ素を含む雰囲気で行ってもよい。
このように、水素に対してバリア性を有する、あるいは水素などの不純物を捕獲する絶縁体２５４および絶縁体２４４によって、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および酸化物２３０を覆うことで、絶縁体２８０は、絶縁体２５４または絶縁体２４４によって、絶縁体２２４、酸化物２３０、および絶縁体２５０と離隔されている。これにより、トランジスタ２００の外方から水素などの不純物が浸入することを抑制できるので、トランジスタ２００に良好な電気特性および信頼性を与えることができる。
さらに、絶縁体２４４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２４４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２４４が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、導電体２６０が、絶縁体２８０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
絶縁体２４４としては、例えば、窒化アルミニウムを含む絶縁体を用いてもよい。絶縁体２４４として、組成式がＡｌＮｘ（ｘは０より大きく２以下の実数、好ましくは、ｘは０．５より大きく１．５以下の実数）を満たす窒化物絶縁体を用いることが好ましい。これにより、絶縁性に優れ、且つ熱伝導性に優れた膜とすることができるため、トランジスタ２００を駆動したときに生じる熱の放熱性を高めることができる。また、絶縁体２４４として、窒化アルミニウムチタン、窒化チタンなどを用いることもできる。この場合、スパッタリング法を用いて成膜することで、成膜ガスに酸素またはオゾンなどの酸化性の強いガスを用いずに成膜することができるので、好ましい。また、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどを用いることもできる。
また、上記絶縁体２４４は、ＡＬＤ法を用いて成膜されることが好ましい場合がある。ＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、絶縁体２４４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２８０は、絶縁体２４４および絶縁体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。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２１４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２１４、絶縁体２５４、絶縁体２４４等に用いることができる絶縁体を用いればよい。
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、絶縁体２４４、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、絶縁体２４４、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、絶縁体２４４、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２４４、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２８１と接する導電体には、上述の、水または水素などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電体を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料は、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、例えば、絶縁体２４４等に用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂは、絶縁体２５４および絶縁体２４４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。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。
また、図示しないが、当該導電体を覆うように、抵抗率が１．０×１０１３Ωｃｍ以上１．０×１０１５Ωｃｍ以下、好ましくは５．０×１０１３Ωｃｍ以上５．０×１０１４Ωｃｍ以下の絶縁体を設けることが好ましい。当該導電体上に上記のような抵抗率を有する絶縁体を設けることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ２００、当該導電体等の配線間に蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタや、該トランジスタを有する電子機器の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。
＜半導体装置の構成材料＞
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
＜＜基板＞＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
＜＜絶縁体＞＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、比誘電率の高い材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。
また、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、絶縁体２４４、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、窒化チタンなどの金属窒化物や、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。
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、窒化タングステン、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（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、多結晶酸化物半導体、および非晶質酸化物半導体などが知られている。
トランジスタの半導体に用いる酸化物半導体として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物平導体の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。
２００９年に、ＣＡＡＣ構造を有するＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯと呼ぶ。）が発見されたことが、非特許文献１および非特許文献２で報告されている。ここでは、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯは、ｃ軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。
また、２０１３年には、ｎｃ構造を有するＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（ｎｃ－ＩＧＺＯと呼ぶ。）が発見された（非特許文献３参照。）。ここでは、ｎｃ－ＩＧＺＯは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。
非特許文献４および非特許文献５では、上記のＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ、ｎｃ－ＩＧＺＯ、および結晶性の低いＩＧＺＯのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、１ｎｍ程度の結晶性ＩＧＺＯが観察されている。よって、ここでは、ＩＧＺＯにおいて、完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜と比べて、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯの薄膜およびｎｃ－ＩＧＺＯの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯの薄膜またはｎｃ－ＩＧＺＯの薄膜を用いることが好ましい。
酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい、具体的には、トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流がｙＡ／μｍ（１０－２４Ａ／μｍ）オーダである、ことが非特許文献６に示されている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（非特許文献７参照。）。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている（非特許文献８参照。）。表示装置では、表示される画像が１秒間に数十回切り換っている。１秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動と呼ぶ。
ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造の発見は、ＣＡＡＣ構造またはｎｃ構造を有する酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびＬＳＩへの応用研究が進められている。
［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳの構成について説明する。
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、及びＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
すなわち、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。
ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ－ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ－ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。
ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。即ち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。
酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
［酸化物半導体を有するトランジスタ］
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。例えば、酸化物半導体は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０－９／ｃｍ３以上とすればよい。
また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
［不純物］
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
［真空ベークの効果］
ここでは、金属酸化物に含まれる、弱いＺｎ－Ｏ結合について説明し、該結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一例について示す。
金属酸化物を用いたトランジスタにおいて、トランジスタの電気特性の不良に繋がる欠陥の一例として酸素欠損がある。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、閾値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。これは、金属酸化物に含まれる酸素欠損に起因したドナーが生成され、キャリア濃度が増加するためである。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に動作不良が発生しやすくなる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題が生じる。
また、モジュールを作製するための接続配線を形成する工程における熱履歴（サーマルバジェット）により、閾値電圧の変動、寄生抵抗の増大、などのトランジスタの電気特性の劣化、該電気特性の劣化に伴う電気特性のばらつきの増大、などの問題がある。これらの問題は、製造歩留りの低下に直結するため、対策の検討は重要である。また、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化（経年変化）を短時間で評価することができるストレス試験でも電気特性の劣化が生じる。該電気特性の劣化は、製造の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって金属酸化物中の酸素が欠損することに起因すると推測される。
金属酸化物中には、金属原子との結合が弱く、酸素欠損となりやすい酸素原子が存在する。特に、金属酸化物がＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物である場合は、亜鉛原子と酸素原子とが弱い結合（弱いＺｎ－Ｏ結合、ともいう）を形成しやすい。ここで、弱いＺｎ－Ｏ結合とは、製造の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって切断される程度の強さで結合した、亜鉛原子と酸素原子の間に生じる結合である。弱いＺｎ－Ｏ結合が金属酸化物中に存在すると、熱処理または電流ストレスによって、該結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸素欠損が形成されることにより、熱処理に対する耐性、ストレス試験における耐性などといった、トランジスタの安定性が低下する。
亜鉛原子と多く結合している酸素原子と、該亜鉛原子との間に生じる結合は、弱いＺｎ－Ｏ結合である場合がある。ガリウム原子と比べて、亜鉛原子は、酸素原子との結合が弱い。したがって、亜鉛原子と多く結合している酸素原子は欠損しやすい。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、その他の金属との結合よりも弱いと推測される。
また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、弱いＺｎ－Ｏ結合が形成されやすいと推測される。金属酸化物中の不純物としては、例えば、水分子や水素がある。金属酸化物中に水分子や水素が存在することで、水素原子が、金属酸化物を構成する酸素原子と結合する（ＯＨ結合ともいう。）場合がある。金属酸化物を構成する酸素原子は、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物が単結晶である場合、金属酸化物を構成する金属原子４つと結合している。しかしながら、水素原子と結合した酸素原子は、２つまたは３つの金属原子と結合している場合がある。酸素原子に結合している金属原子の数が減少することで、該酸素原子は欠損しやすくなる。なお、ＯＨ結合を形成している酸素原子に亜鉛原子が結合している場合、該酸素原子と該亜鉛原子との結合は弱いと推測される。
また、弱いＺｎ－Ｏ結合は、複数のナノ結晶が連結する領域に存在する歪みに形成される場合がある。ナノ結晶は六角形を基本とするが、該歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する。該歪みでは、原子間の結合距離が一様でないため、弱いＺｎ－Ｏ結合が形成されていると推測される。
また、弱いＺｎ－Ｏ結合は、金属酸化物の結晶性が低い場合に形成されやすいと推測される。金属酸化物の結晶性が高い場合、金属酸化物を構成する亜鉛原子は、酸素原子４つまたは５つと結合している。しかし、金属酸化物の結晶性が低くなると、亜鉛原子と結合する酸素原子の数が減少する傾向がある。亜鉛原子に結合する酸素原子の数が減少すると、該亜鉛原子は欠損しやすくなる。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、単結晶で生じる結合よりも弱いと推測される。
上記の弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することで、熱処理または電流ストレスによる酸素欠損の形成を抑制し、トランジスタの安定性を向上させることができる。なお、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子のみを低減し、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する亜鉛原子が減少しない場合、該亜鉛原子近傍に酸素原子を供給すると、弱いＺｎ－Ｏ結合が再形成される場合がある。したがって、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する亜鉛原子および酸素原子を低減することが好ましい。
弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一つとして、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施する方法が挙げられる。真空ベークとは、真空雰囲気下で行う加熱処理のことである。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。なお、処理室の圧力は、１×１０－２Ｐａ以下、好ましくは１×１０－３Ｐａ以下とすればよい。また、加熱処理時の基板の温度は、３００℃以上、好ましくは４００℃以上とすればよい。
真空ベークを実施することで、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。また、真空ベークによって金属酸化物に熱が与えられるため、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減した後、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減するとともに、弱いＺｎ－Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、真空ベークを実施することで、金属酸化物中の水分子または水素を放出し、ＯＨ結合を低減することができる。金属酸化物中のＯＨ結合が減少することで、４つの金属原子と結合している酸素原子の割合が増える。また、水分子または水素が放出される際、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ－Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
以上のように、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施することで、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。したがって、該工程により、トランジスタの安定性を向上することができる。また、トランジスタの安定性が向上することで、材料や形成方法の選択の自由度が高くなる。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、図１に示す、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について、作製方法を図３乃至図１１を用いて説明する。また、図３乃至図１１において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、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。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、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体２１４は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
次に絶縁体２１４上に、導電体２０５となる導電膜を成膜する。導電体２０５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。また、導電体２０５となる導電膜は、多層膜とすることができる。本実施の形態では、導電体２０５となる導電膜としてタングステンを成膜する。
次に、リソグラフィー法を用いて、導電体２０５となる導電膜を加工し、導電体２０５を形成する。
なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。
また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電体２０５となる導電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。導電体２０５となる導電膜のエッチングは、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。導電体２０５となる導電膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。
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、絶縁体２１４上、導電体２０５上に絶縁体２１６となる絶縁膜を成膜する。該絶縁膜は、導電体２０５の上面、および側面と接するように形成する。絶縁体２１６となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６となる絶縁膜として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
ここで、絶縁体２１６となる絶縁膜の膜厚は、導電体２０５の膜厚以上とすることが好ましい。例えば、導電体２０５の膜厚を１とすると、絶縁体２１６となる絶縁膜の膜厚は、１以上３以下とする。本実施の形態では、導電体２０５の膜厚を１５０ｎｍとし、絶縁体２１６となる絶縁膜の膜厚を３５０ｎｍとする。
次に、絶縁体２１６となる絶縁膜にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、絶縁体２１６となる絶縁膜の一部を除去し、導電体２０５の表面を露出させる。これにより、上面が平坦な、導電体２０５と、導電体２０５の側面と接する絶縁体２１６を形成することができる（図３参照。）。絶縁体２１６と導電体２０５の上面の平坦性を向上させることにより、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃを形成するＣＡＡＣ－ＯＳの結晶性を向上させることができる。
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の上に絶縁体２１６となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜に開口を設け、当該開口に埋め込むように導電体２０５を形成してもよい。
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となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
続いて、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、加熱処理として、絶縁体２２４の成膜後に窒素雰囲気にて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の成膜後などのタイミングで行うこともできる。
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。
次に、絶縁体２２４上に、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図３参照。）。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、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ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、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂとの界面近傍を清浄に保つことができる。
酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ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、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜をスパッタリング法によって行う場合は、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、上記の酸化膜の成膜をスパッタリング法によって行う場合は、上記のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。また、ターゲットには、直流（ＤＣ）電源または、高周波（ＲＦ）電源などの交流（ＡＣ）電源が接続され、ターゲットの電気伝導度に応じて、必要な電力を印加することができる。例えば、酸化ガリウムを酸化物として成膜する場合、ＲＦ電源を用いることが好ましい。また、Ｇａ－Ｚｎ酸化物を酸化物として成膜する場合、ターゲットの電気伝導度に応じて、ＤＣ電源、あるいはＲＦ電源を使い分けて用いればよい。
特に、酸化膜２３０Ａ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、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体を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。
本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［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、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。なお、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。
また、酸化膜２３０Ａ及び酸化膜２３０Ｂの成膜において、スパッタリングガスを高純度化することが好ましい。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスや希ガスは、露点が－６０℃以下、好ましくは－１００℃以下にまで高純度化したガスを用いる。高純度化されたスパッタリングガスを用いて成膜することで、酸化物２３０に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
また、スパッタリング法で酸化膜２３０Ａ及び酸化膜２３０Ｂを成膜する場合、スパッタリング装置が有する成膜室内の水分を可能な限り除去することが好ましい。例えば、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、成膜室内を高真空（５×１０－７Ｐａから１×１０－４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、成膜室内のＨ２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧を１×１０－４Ｐａ以下、好ましく５×１０－５Ｐａ以下とすることが好ましい。
次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水、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２３０Ｂ上に導電膜を形成し、該導電膜をリソグラフィー法を用いて加工し、導電体２４３Ａを形成する。
次に、酸化膜２３０Ｂ上、および導電体２４３Ａ上に導電膜２４２Ａを形成する。導電膜２４２Ａは、導電体２４３Ａの上面および側面に接し、かつ導電体２４３Ａに覆われていない酸化膜２３０Ｂの上面と接するように形成される（図３参照。）。
次に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電体２４３Ａ、および導電膜２４２Ａを島状に加工して、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３（導電体２４３ａ、導電体２４３ｂ）、および導電体層２４２Ｂ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４参照。）。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび導電体層２４２Ｂ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、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂ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、酸化物２３０ｂ、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂ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２５４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。または、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直にしてもよい。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂ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、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂの側面と導電体層２４２Ｂの上面との間に、湾曲面が設けられることが好ましい。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２４３、および導電体層２４２Ｂ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、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電体２４３Ａ、および導電膜２４２Ａ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。
また、ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
ウェット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。
続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂの上に、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜を成膜する。
ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜は、加工してダミーゲートとして使用する。ダミーゲートとは、仮のゲート電極のことである。つまり、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜を加工することで、仮のゲート電極を形成し、後の工程において該ダミーゲートを除去し、代わりに導電膜等によるゲート電極を形成する。従って、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜は微細加工が容易であり、かつ、除去も容易な膜を用いることが好ましい。
ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜の成膜は、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、半導体、または導電体を用いることができる。具体的には、ポリシリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコンなどのシリコン、アルミニウム、チタン、タングステンなどの金属膜などを用いればよい。または、塗布法を用いて、炭素を含む膜、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、樹脂膜などを形成しても良い。樹脂膜としては、例えば、フォトレジスト、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。ＳＯＧ、樹脂膜を塗布法によって形成することで、ダミーゲート膜の表面を平坦にすることができる。このように、ダミーゲート膜の表面を平坦にすることで、微細加工が容易となり、さらに、除去も容易である。
また、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜は、異なる膜種を用いて多層膜とすることもできる。例えば、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜を導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造の膜とすることができる。ダミーゲート膜をこのような構造とすることで、例えば、後のＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、ＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、加工ばらつきの低減が可能となる場合がある。
次に、リソグラフィー法によって、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜をエッチングし、ダミーゲート層２６２Ａを形成する（図５参照。）。ダミーゲート層２６２Ａは、少なくとも一部が、導電体２０５および酸化物２３０と重なるように形成する。
次に、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３ａ、導電体２４３ｂ、導電体層２４２Ｂおよびダミーゲート層２６２Ａを覆うように、絶縁膜２５４Ａを成膜する。続いて、絶縁膜２５４Ａの上に絶縁膜２４４Ａを成膜してもよい（図５参照。）。絶縁膜２５４Ａおよび絶縁膜２４４Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。
絶縁膜２５４Ａは、水素などの不純物や、酸素の拡散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。被覆性に優れたＡＬＤ法を用いることにより、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３ａ、導電体２４３ｂ、導電体層２４２Ｂ、およびダミーゲート層２６２Ａにより生じる段差部に対しても均一な厚さを有する絶縁膜２５４Ａを形成できる。
絶縁膜２４４Ａは、水素などの不純物や、酸素の拡散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。
また、絶縁膜２４４Ａとして、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを、成膜してもよい。例えば、絶縁膜２４４Ａとして、アルミニウムターゲットを用いた反応性スパッタリングで、窒化アルミニウム膜を成膜する場合、成膜ガスの全流量に対する窒素ガスの流量を３０％以上１００％以下、好ましくは４０％以上１００％以下、より好ましくは５０％以上１００％以下とすることが好ましい。
また、絶縁膜２４４Ａとして、高温で基板加熱を行いながら、酸化アルミニウムを成膜してもよい。絶縁膜２４４Ａ成膜時の基板加熱温度は、２００℃以上、好ましくは２５０℃以上、より好ましくは３５０℃以上にすればよい。このとき、絶縁膜２５４ＡとしてＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを成膜しておくことにより、上記の温度で絶縁膜２４４Ａを成膜したときに、ダミーゲート層２６２Ａが変形することを防ぐことができる。
また、絶縁膜２４４Ａまたは絶縁膜２５４Ａのいずれか一方または両方の成膜後に、フッ素の添加を行っても良い。絶縁膜２４４Ａまたは絶縁膜２５４Ａのいずれか一方または両方へのフッ素の添加は、フッ素系のガス（例えば、ＣＦ４など）を含む雰囲気でプラズマ処理を行う、またはフッ素を含むガスをドーピングすることで、行うことができる。絶縁膜２４４Ａまたは絶縁膜２５４Ａのいずれか一方または両方へフッ素を添加することにより、当該膜中に含まれる水素を、フッ素によって終端化またはゲッタリングすることが期待できる。
以上により、絶縁体２２４に含まれる過剰酸素が外方へ拡散することを防止し、また外方から水や水素のような不純物の絶縁体２２４への侵入を防止することができる。尚、絶縁膜２４４Ａの成膜は省略することができる。
次に、絶縁膜２４４Ａ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。
次に、絶縁体２８０となる絶縁膜、ダミーゲート層２６２Ａ、絶縁膜２５４Ａ、および絶縁膜２４４Ａの一部を、ダミーゲート層２６２Ａの一部が露出するまで除去し、絶縁体２８０、ダミーゲート２６２、絶縁体２５４および絶縁体２４４を形成する（図６参照。）。絶縁体２８０、ダミーゲート２６２、絶縁体２５４および絶縁体２４４の形成にはＣＭＰ処理を用いることが好ましい。
また、上述のようにダミーゲート層２６２Ａを、例えば、導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造の膜とすることで、ＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、該導電膜がＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、ダミーゲート２６２の高さのばらつきの低減が可能となる場合がある。図６（Ｂ）、および図６（Ｃ）に示すように、ダミーゲート２６２の上面と、絶縁体２５４、絶縁体２４４および絶縁体２８０の上面が略一致する。
次に、ダミーゲート２６２を除去し、開口２６３を形成する（図７参照。）。ダミーゲート２６２の除去は、ウェットエッチング、ドライエッチング、またはアッシングなどを用いて行うことができる。または、適宜、上記の処理を複数組み合わせて行ってもよい。例えば、アッシング処理の後に、ウェットエッチング処理を行うなどがある。ダミーゲート２６２を除去することにより、開口２６３から導電体層２４２Ｂの表面の一部が露出する。
次に、絶縁体２８０、絶縁体２４４、絶縁体２５４、および導電体層２４２Ｂの上に、ダミー膜２６５を成膜する（図７参照。）。ダミー膜２６５は開口２６３の側壁に成膜される必要があり、ダミー膜の厚さによって、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの距離、つまり実質的なチャネル長が決まる。このため、ダミー膜２６５は、被覆性が高く、膜厚の微調整が比較的容易なＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。ダミー膜２６５の膜厚は、トランジスタ２００に求められる電気特性に合わせて適宜設定すればよいが、例えば、５ｎｍに設定することで、チャネル長を実質的に１０ｎｍ縮めることができる。なお、ダミー膜２６５は、最終的には除去されるので、微細加工が容易であり、かつ、除去も容易な膜を用いることが好ましい。
次に、ダミー膜２６５に異方性エッチングを行い、ダミー膜２６５の開口２６３の側壁に接する部分のみを残存させる。さらに、残存したダミー膜２６５をマスクとして用いて、導電体層２４２Ｂをエッチングすることで、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂを形成する（図８参照。）。なお、ダミー膜２６５のエッチングと導電体層２４２Ｂのエッチングは連続して行ってもよい。また、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間から露出した、酸化物２３０ｂの上面の一部が除去される場合がある。
このとき、残存したダミー膜２６５をマスクとして用いて、導電体層２４２Ｂを加工することで、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂを形成する。よって、絶縁体２８０、絶縁体２４４、および絶縁体２５４に形成された開口２６３は、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域に重畳することになる。これにより、後の工程において、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間に導電体２６０を自己整合的に配置することができる。
次に、残存したダミー膜２６５を、等方性エッチングを用いて、選択的に除去する（図９参照。）。等方性エッチングとしては、例えば、ウェットエッチングまたは、反応性ガスを用いたエッチングを用いればよい。このようにして、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの距離を、開口２６３のチャネル長方向の長さより短くすることができる。
次に、酸化膜２３０Ｃの成膜前に加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、１００℃以上４００℃以下で行えばよく、例えば２００℃で行えばよい。あるいは、酸化膜２３０Ｃの成膜温度と同じ温度で行うことが好ましい。ここで、成膜温度とは、成膜中の基板温度に限らず、成膜装置の設定温度の場合を含む。例えば、酸化膜２３０Ｃを３００℃で成膜する場合、当該加熱処理は３００℃とすることが好ましい。当該加熱処理は、減圧下で行うことが好ましく、例えば、真空雰囲気で行ってもよい。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。真空雰囲気では、処理室の圧力は、１×１０－２Ｐａ以下、好ましくは１×１０－３Ｐａ以下とすればよい。
また、当該加熱処理後、大気に暴露することなく、連続して酸化膜２３０Ｃの成膜を行うことが好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いて、加熱処理と成膜処理を異なるチャンバーで、連続して行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの表面などに吸着している水分、水素、炭素などの不純物を除去し、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。当該加熱処理により除去される不純物には、水素と炭素の結合を有する不純物や、水素と酸素の結合を有する不純物なども含まれる。さらに、外気に曝さず連続で加熱処理と成膜を行うことで、水素などの不純物が酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに再侵入することを防ぐことができる。
酸化膜２３０Ｃの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２３０Ｃに求める特性に合わせて、酸化膜２３０Ａ、または酸化膜２３０Ｂと同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｃを成膜すればよい。酸化膜２３０Ｃとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物や、Ｉｎを含まない酸化物を用いることができる。Ｉｎを含まない酸化物として、Ｇａ－Ｚｎ酸化物や、酸化ガリウムなどを用いることができる。また、酸化膜２３０Ｃとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物とＩｎを含まない酸化物の積層構造を用いてもよい。酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、４：２：４．１［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、あるいはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて酸化物２３０ｃ１となる第１の酸化膜を形成し、第１の酸化膜上に、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］のターゲットを用いて酸化物２３０ｃ２となる第２の酸化膜を形成した。
酸化膜２３０Ｃの成膜は、基板を加熱しながら行うことが好ましい。このとき、基板温度を３００℃以上にすることで、酸化物２３０ｂおよび酸化膜２３０Ｃ中の酸素欠損を低減することができる。また、例えば、後述する絶縁膜２５０Ａの成膜温度と同じ温度で成膜してもよい。また、このように基板を加熱しながら成膜することで、酸化膜２３０Ｃおよび酸化物２３０ｂの結晶性の向上を図ることもできる。
特に、酸化膜２３０Ｃ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２３０Ｃ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、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。
また、酸化膜２３０Ｃを積層構造とし、第２の酸化膜として、Ｉｎを含まない酸化物を用いることで、次に形成される絶縁膜２５０Ａに含まれるＩｎ濃度の低減、あるいはＩｎを含まない絶縁膜２５０Ａの形成が可能となるため、好ましい。ここで、本明細書において、Ｉｎを含まない絶縁膜とは、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いたＩｎ濃度測定において、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは、５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のＩｎ濃度を有する絶縁膜とする。
次に、絶縁膜２５０Ａの成膜前に加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、１００℃以上４００℃以下で行えばよく、例えば２００℃で行えばよい。あるいは、絶縁膜２５０Ａの成膜温度と同じ温度で行うことが好ましい。ここで、成膜温度とは、成膜中の基板温度に限らず、成膜装置の設定温度の場合を含む。例えば、絶縁膜２５０Ａを３５０℃で成膜する場合、当該加熱処理は３５０℃とすることが好ましい。当該加熱処理は、減圧下で行うことが好ましく、例えば、真空雰囲気で行ってもよい。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。真空雰囲気では、処理室の圧力は、１×１０－２Ｐａ以下、好ましくは１×１０－３Ｐａ以下とすればよい。
また、当該加熱処理後、大気に暴露することなく、連続して絶縁膜２５０Ａの成膜を行うことが好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いて、加熱処理と成膜処理を異なるチャンバーで、連続して行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化膜２３０Ｃの表面などに吸着している水分、水素、炭素などの不純物を除去し、さらに酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃ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。当該加熱処理により除去される不純物には、水素と炭素の結合を有する不純物や、水素と酸素の結合を有する不純物なども含まれる。さらに、外気に曝さず連続で加熱処理と成膜を行うことで、水素などの不純物が酸化物２３０に再侵入することを防ぐことができる。
絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３００℃以上４５０℃未満、好ましくは３００℃以上４００℃未満、特に３５０℃前後とすることが好ましい。例えば、絶縁膜２５０Ａを、３５０℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。
なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、当該酸素プラズマに絶縁膜２５０Ａを曝すことで、絶縁膜２５０Ａへ酸素を導入することができる。
また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁膜２５０Ａの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
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１０参照。）。
次に、ＣＭＰ処理によって、酸化膜２３０Ｃ、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２３０ｃ、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１１参照。）。
次に加熱処理を行っても良い。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁体２８０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（図１１参照。）。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が有する水素が酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる場合がある。
次に加熱処理を行っても良い。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁体２８０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２７４上に、絶縁体２８１となる絶縁膜を成膜してもよい。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１１参照。）。
次に、絶縁体２５４、絶縁体２４４、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２８１上、および当該開口内部に、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当該開口の内壁に絶縁体２４１（絶縁体２４１ａ、絶縁体２４１ｂ）を形成する。当該絶縁膜の成膜は、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、当該開口内部に、絶縁体２４１の側壁と接するように、公知の方法を用いて導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの形成方法としては、例えば、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、水素など不純物の拡散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２４０ａおよび導電体２４０ｂ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の一部が除去される場合がある。
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形成してもよい。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。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。
また、図示しないが、当該導電体を覆うように、抵抗率が１．０×１０１３Ωｃｍ以上１．０×１０１５Ωｃｍ以下、好ましくは５．０×１０１３Ωｃｍ以上５．０×１０１４Ωｃｍ以下の絶縁体を形成することが好ましい。当該導電体上に上記のような抵抗率を有する絶縁体を設けることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ２００、当該導電体等の配線間に蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタや、該トランジスタを有する電子機器の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。
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３乃至図１１に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ２００を作製することができる。
本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、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２）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１２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１２に示す。本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００などを用いることができる。
トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
図１２に示す半導体装置において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００の第１のゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００の第２のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
また、図１２に示す記憶装置は、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
＜トランジスタ３００＞
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
ここで、図１２に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
なお、図１２に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
＜容量素子１００＞
容量素子１００は、トランジスタ２００の上方に設けられる。容量素子１００は、第１の電極として機能する導電体１１０と、第２の電極として機能する導電体１２０、および誘電体として機能する絶縁体１３０とを有する。
また、例えば、導電体２４０、および絶縁体１４０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１２では、導電体１１２、および導電体１１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
また、絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料と、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料との積層構造を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子１００は、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
なお、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料（高い比誘電率の材料）の絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
一方、絶縁耐力が大きい材料（低い比誘電率の材料）としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。
＜配線層＞
各構造体の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
例えば、トランジスタ３００上には、層間膜として、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能する。
また、層間膜として機能する絶縁体は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１２において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能する。
同様に、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。さらに、導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。
層間膜として用いることができる絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
例えば、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
例えば、絶縁体１５０、絶縁体２１２、絶縁体３５２、および絶縁体３５４等には、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
また、導電体１１２、または導電体１１０上に設けられる絶縁体１３０、および絶縁体１５０の一方、または両方を抵抗率が１．０×１０１２Ωｃｍ以上１．０×１０１５Ωｃｍ以下、好ましくは５．０×１０１２Ωｃｍ以上１．０×１０１４Ωｃｍ以下、より好ましくは１．０×１０１３Ωｃｍ以上５．０×１０１３Ωｃｍ以下の絶縁体とすることが好ましい。絶縁体１３０、および絶縁体１５０の一方、または両方を上記のような抵抗率を有する絶縁体とすることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ２００、トランジスタ３００、容量素子１００、および導電体１１２や導電体１２０等の配線間に蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタ、該トランジスタを有する記憶装置の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。このような絶縁体として、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンを用いることができる。
また、上記のような抵抗率を有する絶縁体として、絶縁体１４０を導電体１１２の下層に設けてもよい。この場合、絶縁体２８１上に絶縁体１４０を形成し、絶縁体１４０、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２４４、絶縁体２５４などに開口部を形成し、当該開口部内に絶縁体２４１の形成や、トランジスタ２００、導電体２１８などと電気的に接続する導電体２４０の形成を行えばよい。絶縁体１４０は、絶縁体１３０、または絶縁体１５０と同様の材料を用いることができる。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。従って、絶縁体２１０、および絶縁体３５０等には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。
水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
配線、プラグに用いることができる導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
例えば、導電体３２８、導電体３３０、導電体３５６、導電体２１８、および導電体１１２等としては、上記の材料で形成される金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
＜＜酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ＞＞
なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
例えば、図１２では、絶縁体２２４と、導電体２４０との間に、絶縁体２４１を設けるとよい。特に、絶縁体２４１は、過剰酸素領域を有する絶縁体２２４を挟む絶縁体２２２と、絶縁体２５４および絶縁体２４４と、接して設けられることが好ましい。絶縁体２４１と、絶縁体２２２、絶縁体２５４および絶縁体２４４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２４１は、絶縁体２８１の一部とも接することが好ましい。絶縁体２４１が、絶縁体２８１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２４１を設けることで、絶縁体２２４が有する過剰酸素が、導電体２４０に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体２４１を有することで、不純物である水素が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００へ拡散することを抑制することができる。
なお、絶縁体２４１としては、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態３）
本実施の形態では、図１３および図１４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１３（Ａ）にＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、コントロールロジック回路１４６０を有する。
列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、および書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。
コントロールロジック回路１４６０は、外部からの入力信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。ＣＥは、チップイネーブル信号であり、ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
メモリセルアレイ１４７０は、行列状に配置された、複数個のメモリセルＭＣと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ１４７０と行回路１４２０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一列に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ１４７０と列回路１４３０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一行に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。
なお、図１３（Ａ）において、周辺回路１４１１とメモリセルアレイ１４７０を同一平面上に形成する例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図１３（Ｂ）に示すように、周辺回路１４１１の一部の上に、メモリセルアレイ１４７０が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。
図１４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１４（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１４（Ａ）に示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（フロントゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７１に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１４（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１４（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１４（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１４（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１４（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１４（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１４（Ｇ）に示すメモリセル１４７７のように、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ３としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＢとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に低くすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７４に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至１４７７も同様である。
なお、トランジスタＭ３は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタと呼ぶ場合がある）であってもよい。Ｓｉトランジスタの導電型は、ｎチャネル型としてもよいし、ｐチャネル型としてもよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタＭ３として、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタＭ３にＳｉトランジスタを用いることで、トランジスタＭ３の上に積層してトランジスタＭ２を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。
また、トランジスタＭ３はＯＳトランジスタであってもよい。トランジスタＭ２、Ｍ３にＯＳトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
また、図１４（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１４（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、他の実施の形態や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４）
本実施の形態では、図１５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１５（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１５（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での演算後の、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、他の実施の形態や実施例に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図１６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１６（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１６（Ｂ）はＳＤカードの外観の模式図であり、図１６（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１６（Ｄ）はＳＳＤの外観の模式図であり、図１６（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。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態６）
本発明の一態様に係る半導体装置は、ＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図１７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１７に、電子機器の例を示す。
［携帯電話］
図１７（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］
図１７（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１７（Ａ）、（Ｂ）に図示したが、スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
［電化製品］
図１７（Ｃ）は、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。
電気冷凍冷蔵庫５８００に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫５８００は、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。
本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、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。
［ゲーム機］
図１７（Ｄ）は、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５２００を示している。携帯ゲーム機は、筐体５２０１、表示部５２０２、ボタン５２０３等を有する。
携帯ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、低消費電力の携帯ゲーム機５２００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。
更に、携帯ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機５２００を実現することができる。
本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する人物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機５２００に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、時刻などに応じて、ゲーム上に登場する人物の言動が変化するといった表現が可能となる。
また、携帯ゲーム機５２００で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、１人でもゲームを行うことができる。
図１７（Ｄ）では、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機としては、例えば、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
［移動体］
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは、移動体である自動車、及び自動車の運転席周辺に適用することができる。
図１７（Ｅ１）は移動体の一例である自動車５７００を示し、図１７（Ｅ２）は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図１７（Ｅ２）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１７（Ｆ）は、放送システムにおけるデータ伝送を模式的に示している。具体的には、図１７（Ｆ）は、放送局５６８０から送信された電波（放送信号）が、各家庭のテレビジョン受信装置（ＴＶ）５６００に届くまでの経路を示している。ＴＶ５６００は、受信装置を備え（図示しない。）、アンテナ５６５０で受信された放送信号は、当該受信装置を介して、ＴＶ５６００に送信される。
図１７（Ｆ）では、アンテナ５６５０は、ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンテナを図示しているが、アンテナ５６５０としては、ＢＳ・１１０°ＣＳアンテナ、ＣＳアンテナなども適用できる。
電波５６７５Ａ、電波５６７５Ｂは地上波放送用の放送信号であり、電波塔５６７０は受信した電波５６７５Ａを増幅して、電波５６７５Ｂの送信を行う。各家庭では、アンテナ５６５０で電波５６７５Ｂを受信することで、ＴＶ５６００で地上波ＴＶ放送を視聴することができる。なお、放送システムは、図１７（Ｆ）に示す地上波放送に限定せず、人工衛星を用いた衛星放送、光回線によるデータ放送などとしてもよい。
上述した放送システムは、本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用した放送システムとしてもよい。放送局５６８０から各家庭のＴＶ５６００に放送データを送信するとき、エンコーダによって放送データの圧縮が行われ、アンテナ５６５０が当該放送データを受信したとき、ＴＶ５６００に含まれる受信装置のデコーダによって当該放送データの復元が行われる。人工知能を利用することによって、例えば、エンコーダの圧縮方法の一である動き補償予測において、表示画像に含まれる表示パターンの認識を行うことができる。また、人工知能を利用したフレーム内予測などを行うこともできる。また、例えば、解像度の低い放送データを受信して、解像度の高いＴＶ５６００で当該放送データの表示を行うとき、デコーダによる放送データの復元において、アップコンバートなどの画像の補間処理を行うことができる。
上述した人工知能を利用した放送システムは、放送データの量が増大する超高精細度テレビジョン（ＵＨＤＴＶ：４Ｋ、８Ｋ）放送に対して好適である。
また、ＴＶ５６００側における人工知能の応用として、例えば、ＴＶ５６００に人工知能を有する録画装置を設けてもよい。このような構成にすることによって、当該録画装置にユーザの好みを人工知能に学習させることで、ユーザの好みにあった番組を自動的に録画することができる。
本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
本実施例では、それぞれ金属元素の原子数比が異なるＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物上に、絶縁体を形成したときの絶縁体中のＩｎ濃度を測定した。Ｉｎ濃度の測定には、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いた。
まず、測定に用いたサンプルについて説明する。各サンプルは、ガラス基板上に、スパッタリング法を用いて、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を１００ｎｍ形成した。形成したＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物に対して、窒素雰囲気にて４００℃の加熱処理を１時間行い、次に窒素および酸素雰囲気にて４００℃の加熱処理を１時間行った。次に、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物上にＣＶＤ法を用いて、成膜ガスとしてＳｉＨ４、およびＮ２Ｏを用いて酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍ形成した。ここで、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物は、上記実施の形態における酸化物２３０、特に酸化物２３０ｃ、特に酸化物２３０ｃ２に相当し、酸化窒化シリコン膜は、絶縁体２５０に相当する。
サンプル１乃至サンプル７の条件を表１に示す。Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物は、金属元素の原子数比や成膜温度が異なる。また、サンプル６、およびサンプル７は、それぞれサンプル３、およびサンプル５において、酸化窒化シリコン膜形成後に窒素雰囲気にて４００℃の加熱処理を４時間行ったものである。
Figure 0007221216000001
なお、表１の成膜温度について、Ｒ．Ｔ．とは、室温を示し、２０℃以上３０℃以下、好ましくは、２７℃を示す。あるいは、成膜中基板に対して意図的に加熱を行わずに成膜することを意味する。後者の場合、成膜中に基板の温度が上昇したとしても、成膜温度は、Ｒ．Ｔ．とする。
各サンプルにおけるＩｎ濃度の測定結果を図１８、および図１９に示す。図中、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物をＯＳと示し、酸化窒化シリコン膜をＳｉＯＮと示す。
図１８（Ａ）に示すように、サンプル１において、ＯＳとの界面から１０ｎｍ付近の間のＳｉＯＮ中に、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の濃度のＩｎが確認された。また、図１８（Ｂ）に示すように、サンプル２において、ＯＳとの界面から６ｎｍ付近の間のＳｉＯＮ中に、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の濃度のＩｎが確認された。また、図１８（Ｃ）に示すように、サンプル３において、ＯＳとの界面から７ｎｍ付近の間のＳｉＯＮ中に、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の濃度のＩｎが確認された。また、サンプル３では、ＳｉＯＮ表面近傍で、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の濃度のＩｎが確認された。
サンプル１乃至サンプル３は、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎの原子数比は同じで、成膜温度が異なる。成膜温度の低いサンプル１にてＳｉＯＮ中のＩｎの拡散距離がやや大きい結果となった。
図１８（Ｄ）に示すように、サンプル４において、ＯＳとの界面から７ｎｍ付近の間のＳｉＯＮ中に、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の濃度のＩｎが確認された。また、ＯＳとの界面から１８ｎｍ付近のＳｉＯＮ中に、Ｉｎ濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上となる部分が確認された。図１８（Ｅ）に示すように、サンプル５において、ＯＳとの界面から１１ｎｍ付近の間のＳｉＯＮ中に、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の濃度のＩｎが確認された。また、ＯＳとの界面から１６ｎｍ付近までＩｎ濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であった。
サンプル３と比較して、サンプル４、およびサンプル５はそれぞれＩｎ、Ｇａ、およびＺｎの原子数比が異なる。サンプル３におけるＳｉＯＮ中のＩｎの拡散距離が最も小さく、サンプル５におけるＳｉＯＮ中のＩｎの拡散距離が最も大きい結果となった。
次に、ＳｉＯＮ形成後の加熱処理によるＩｎ濃度の変化を評価した。図１９（Ｂ）に示すサンプル６は、図１９（Ａ）に示すサンプル３を、上記の条件にて加熱処理したものである。また、図１９（Ｄ）に示すサンプル７は、図１９（Ｃ）に示すサンプル５を、上記の条件にて加熱処理したものである。サンプル６においては、サンプル３と比較して、ＯＳとの界面付近に大きな変化は見られなかったが、ＳｉＯＮ表面にてＩｎ濃度の高い領域が見られた。サンプル７においては、サンプル５と比較して、ＯＳ界面からのＩｎの拡散距離が増加した。具体的には、ＯＳとの界面から４５ｎｍ付近までＩｎ濃度が１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、８４ｎｍ付近までＩｎ濃度が５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であった。Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎの原子数比が異なると、加熱処理によるＳｉＯＮ中のＩｎの拡散距離が異なる結果となった。
２００：トランジスタ、２０５：導電体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１８：導電体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０ａ１：酸化物、２３０ａ２：酸化物、２３０Ａ：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｃ：酸化物、２３０ｃ１：酸化物、２３０ｃ２：酸化物、２３０Ｃ：酸化膜、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：導電膜、２４２ｂ：導電体、２４２Ｂ：導電体層、２４３：導電体、２４３ａ：導電体、２４３Ａ：導電体、２４３ｂ：導電体、２４４：絶縁体、２４４Ａ：絶縁膜、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、２６２：ダミーゲート、２６２Ａ：ダミーゲート層、２６３：開口、２６５：ダミー膜、２７４：絶縁体、２８０：絶縁体、２８１：絶縁体

Claims (3)

  1. 第１の酸化物と、
    前記第１の酸化物上の第２の酸化物と、
    前記第２の酸化物上に、互いに離隔して配置された第１の導電体および第２の導電体と、
    前記第２の酸化物、前記第１の導電体上および前記第２の導電体上の第３の酸化物と、
    前記第３の酸化物上の第１の絶縁体と、
    前記第１の導電体上および前記第２の導電体上の第２の絶縁体と、
    前記第１の導電体と前記第２の酸化物の間に配置された第３の導電体と、
    前記第２の導電体と前記第２の酸化物の間に配置された第４の導電体と、
    前記第１の絶縁体上の第５の導電体と、
    前記第５の導電体、前記第１の導電体上及び前記第２の導電体上の第３の絶縁体と、を有し、
    前記第３の酸化物は、前記第１の導電体の側面と上面、および前記第２の導電体の側面と上面と接し、
    前記第１の導電体は、前記第２の酸化物の上面、前記第３の導電体の上面、および前記第３の導電体の側面に接し、
    前記第２の導電体は、前記第２の酸化物の上面、前記第４の導電体の上面、および前記第４の導電体の側面に接し、
    前記第１の絶縁体は、前記第５の導電体の底部、および側面に沿って設けられ、
    前記第３の酸化物は、前記第１の絶縁体を介して前記第５の導電体の底部、および側面に沿って設けられ、
    前記第５の導電体は、前記第２の酸化物の側面と対向するように設けられ、
    前記第５の導電体と、前記第２の酸化物の側面との間に、前記第３の酸化物と、前記第１の絶縁体が設けられ、
    前記第２の絶縁体は、前記第１の絶縁体および前記第３の酸化物を介して、前記第５の導電体の側面に沿って設けられ、
    前記第２の絶縁体は、前記第２の導電体の側面、前記第４の導電体の側面、前記第１の酸化物の側面、前記第２の酸化物の側面に沿って設けられ、
    前記第３の酸化物の上面、前記第１の絶縁体の上面および前記第２の絶縁体の上面は、前記第３の絶縁体と接する領域を有し、
    前記第２の絶縁体は、窒化アルミニウムを有し、
    前記第３の絶縁体は、酸化アルミニウムを有し、
    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、を有し、
    前記第１の酸化物および前記第３の酸化物は、それぞれ、前記第２の酸化物よりも、Ｉｎ濃度が少ない領域を有し、
    前記第１の絶縁体中のＩｎ濃度は、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第３の酸化物は、第１の層と、前記第１の層上の第２の層と、有し、
    前記第１の層は、前記第２の酸化物と概略同等の組成を有し、
    前記第２の層は、前記第２の酸化物よりも、Ｉｎ濃度が少ない領域を有する、半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記第１の酸化物は、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎを有し、
    前記第２の酸化物は、Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎを有し、
    前記第３の酸化物は、Ｇａと、Ｚｎを有する、半導体装置。
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