JP7341147B2 - 半導体装置の作製方法 - 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。
近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩやＣＰＵやメモリが主に用いられている。ＣＰＵは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路（少なくともトランジスタ及びメモリ）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。
ＬＳＩやＣＰＵやメモリなどの半導体回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する）のような電子デバイスに広く応用されている。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。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献１参照。）。また、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て、長期にわたり記憶内容を保持することができる記憶装置などが、開示されている（特許文献２参照。）。
また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、集積回路のさらなる高密度化への要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。
特開２０１２－２５７１８７号公報 特開２０１１－１５１３８３号公報
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、ノーマリーオフの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、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、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の導電体と、第１および第２の絶縁体と、第１および第２の酸化物と、を有する半導体装置の作製方法において、基板上に第１の酸化物を形成し、第１の酸化物上に、第１の絶縁体を成膜し、第１の絶縁体に、第１の酸化物に達する開口を形成し、開口において、第１の酸化物および第１の絶縁体に接するように、第１の酸化膜を成膜し、第１の酸化膜上に、ＰＥＡＬＤ法を用いて第１の絶縁膜を成膜し、第１の絶縁膜上に、第１の導電膜を成膜し、第１の酸化膜の一部、第１の絶縁膜の一部、および第１の導電膜の一部を、第１の絶縁体の上面が露出するまで除去して、第２の酸化物、第２の絶縁体、および第１の導電体を形成し、第１の絶縁膜の成膜は、基板を３００℃以上に加熱しながら行い、シリコンを含む第１のガスをチャンバーに導入する工程と、酸素ラジカルを含み、水素原子を含まない第２のガスをチャンバーに導入する工程と、を有する、半導体装置の作製方法である。
また、第２のガスを導入する工程において、第１の酸化物、第１の酸化膜、および第１の絶縁体に、マイクロ波を照射する、ことが好ましい。
また、本発明の他の一態様は、第１の導電体と、第１および第２の絶縁体と、第１および第２の酸化物と、を有する半導体装置の作製方法において、基板上に第１の酸化物を形成し、第１の酸化物上に、第１の絶縁体を成膜し、第１の絶縁体に、第１の酸化物に達する開口を形成し、開口において、第１の酸化物および第１の絶縁体に接するように、第１の酸化膜を成膜し、第１の酸化膜上に、サーマル（Ｔｈｅｒｍａｌ）ＡＬＤ法を用いて第１の絶縁膜を成膜し、第１の絶縁膜上に、第１の導電膜を成膜し、第１の酸化膜の一部、第１の絶縁膜の一部、および第１の導電膜の一部を、第１の絶縁体の上面が露出するまで除去して、第２の酸化物、第２の絶縁体、および第１の導電体を形成し、第１の絶縁膜の成膜は、基板を３５０℃以上に加熱しながら行い、シリコンを含む第１のガスをチャンバーに導入する工程と、オゾンおよび酸素の少なくとも一方を含み、水素原子を含まない第２のガスをチャンバーに導入する工程と、を有する、半導体装置の作製方法である。
また、上記において、第１の絶縁膜を成膜する前に、第１の酸化物、第１の酸化膜、および第１の絶縁体に、マイクロ波を照射する、ことが好ましい。また、上記において、第１の絶縁膜を成膜する前に、第１の酸化物、第１の酸化膜、および第１の絶縁体に、酸素を含む雰囲気でプラズマ処理を行う、ことが好ましい。
また、上記において、第２の酸化物、第２の絶縁体、および第１の導電体の形成後、さらに、第１の絶縁体、第２の酸化物、第２の絶縁体、および第１の導電体の上に、第３の絶縁体を成膜し、第３の絶縁体上に、ＰＥＡＬＤ法を用いて窒化シリコン膜を成膜する、ことが好ましい。また、上記において、窒化シリコン膜を成膜する前に、第１の酸化物、第２の酸化物、および第１の絶縁体に、マイクロ波を照射する、ことが好ましい。
本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、ノーマリーオフの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、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、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。
図１Ａは本発明の一態様に係る半導体装置の上面図である。図１Ｂおよび図１Ｃは本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図２は本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法に係るモデルを示す断面図である。
図３は本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法に係るモデルを示す断面図である。
図４Ａおよび図４Ｂは本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図５Ａは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である。図５Ｂおよび図５Ｃは本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図６Ａは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である。図６Ｂおよび図６Ｃは本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図７Ａは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である。図７Ｂおよび図７Ｃは本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図８Ａは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である。図８Ｂおよび図８Ｃは本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図９Ａは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である。図９Ｂおよび図９Ｃは本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１０Ａは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である。図１０Ｂおよび図１０Ｃは本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１１Ａは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である。図１１Ｂおよび図１１Ｃは本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１２Ａは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である。図１２Ｂおよび図１２Ｃは本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１３Ａは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である。図１３Ｂおよび図１３Ｃは本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１４Ａは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である。図１４Ｂおよび図１４Ｃは本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１５Ａは本発明の一態様に係る成膜装置を説明する上面図である。図１５Ｂは本発明の一態様に係る成膜装置を説明する断面図である。
図１６Ａ乃至図１６Ｃは本発明の一態様に係る成膜装置を説明する断面図である。
図１７Ａ、図１７Ｂは本発明の一態様に係る成膜方法を説明する図である。
図１８は本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図１９は本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図２０Ａは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である。図２０Ｂは本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す模式図である。
図２１Ａ乃至図２１Ｈは本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図である。
図２２Ａおよび図２２Ｂは本発明の一態様に係る半導体装置の模式図である。
図２３Ａおよび図２３Ｅは本発明の一態様に係る記憶装置の模式図である。
図２４Ａ乃至図２４Ｆは本発明の一態様に係る電子機器を示す図である。
図２５Ａおよび図２５Ｂは実施例の酸化物のキャリア濃度を示すグラフである。
図２６Ａおよび図２６Ｂは実施例の酸化物の水素濃度を示すグラフである。
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に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（チャネル形成領域）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、「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、「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トランジスタ２００を有する半導体装置の一例、およびその作製方法について説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃ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。
図１Ａ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１Ｂ、および図１Ｃは、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１Ｂは、図１Ａ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１Ｃは、図１Ａ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１Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
本発明の一態様の半導体装置は、基板（図示せず）上の絶縁体２１２と、絶縁体２１２上の絶縁体２１４と、絶縁体２１４上のトランジスタ２００と、トランジスタ２００上の絶縁体２８０と、絶縁体２８０上の絶縁体２８２と、絶縁体２８２上の絶縁体２８３と、絶縁体２８３上の絶縁体２７４と、絶縁体２７４上の絶縁体２８１と、を有する。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２７４、および絶縁体２８１は層間膜として機能する。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２８１上、および導電体２４０上には、導電体２４０と電気的に接続し、配線として機能する導電体２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）が設けられる。
また、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２７４、および絶縁体２８１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の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４０ａの第２の導電体が設けられている。また、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２７４、および絶縁体２８１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の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４０ｂ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、絶縁体２１４上の絶縁体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（導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂ）と、絶縁体２１６上、および導電体２０５上の絶縁体２２２と、絶縁体２２２上の絶縁体２２４と、絶縁体２２４上の酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２４３ａおよび酸化物２４３ｂと、酸化物２４３ａ上の導電体２４２ａと、酸化物２４３ｂ上の導電体２４２ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｃ上の絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に位置し、酸化物２３０ｃと重なる導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）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、酸化物２４３ａの側面、酸化物２４３ｂ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の上面と接する絶縁体２７２と、絶縁体２７２上の絶縁体２７３と、を有する。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２４３ａの側面、酸化物２４３ｂの側面、導電体２４２ａの側面および導電体２４２ｂの側面とそれぞれ接する。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１Ｂに示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０の上面および酸化物２３０ｃの上面と略一致して配置される。また、絶縁体２８２は、導電体２６０、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および絶縁体２８０のそれぞれの上面と接する。
また、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１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。また、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１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２１２、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１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２１２、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１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２１２、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１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。
図１Ｂに示すように、絶縁体２７２は、導電体２４２ａの上面と側面、導電体２４２ｂの上面と側面、酸化物２４３ａの側面、酸化物２４３ｂの側面、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、および絶縁体２２４の上面に接することが好ましい。また、絶縁体２７２上に絶縁体２７３が接して設けられていることが好ましい。これにより、絶縁体２７２、および絶縁体２７３によって、絶縁体２８０は、絶縁体２２４および酸化物２３０と離隔される。
また、酸化物２３０は、絶縁体２２４上の酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ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。
なお、トランジスタ２００では、チャネル形成領域と、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。例えば、酸化物２３０ｃを２層構造にして、４層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。このように導電体２６０を形成することにより、導電体２６０の位置合わせなしで、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域に、導電体２６０を確実に配置することができる。
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。例えば、酸化物半導体として機能する金属酸化物は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上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大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタ２００の非導通状態におけるリーク電流（オフ電流）を極めて小さくすることができる。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。
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－Ｍ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、またはＭ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
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。
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１：１：１［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］、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２３０ｃを積層構造とする場合の具体例としては、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、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］と、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造、酸化ガリウムと、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］との積層構造などが挙げられる。
また、酸化物２３０ｂは、結晶性を有することが好ましい。例えば、後述するＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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。また、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、電子親和力または伝導帯下端のエネルギー準位Ｅｃは、真空準位と価電子帯上端のエネルギーＥｖとの差であるイオン化ポテンシャルＩｐと、エネルギーギャップＥｇから求めることができる。イオン化ポテンシャルＩｐは、例えば、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定することができる。エネルギーギャップＥｇは、例えば、分光エリプソメータを用いて測定することができる。
また、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。
また、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形成領域のドナー濃度が高くなると、ゲート電圧の増加に対してキャリア濃度が極端に大きくなり、ノーマリーオン特性になりやすくなる。酸化物半導体中のドナーは、主に、酸化物半導体中の酸素欠損（ＶＯ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）に水素が捕獲されることで形成される。以下において、酸素欠損に捕獲された水素のことをＶＯＨと呼ぶ場合がある。
なお、酸化物半導体中のドナー濃度に係る物理量である、ＶＯＨを定量的に評価することは困難である。そこで、酸化物半導体は、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、酸化物半導体のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。
さらに、酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水となり、酸素欠損を形成する場合がある。これにより、酸化物半導体中の酸素欠損量が増加し、それに伴ってＶＯＨが増加する恐れがある。また、酸化物半導体中の水素は、熱、電界などのストレスによって動きやすいため、酸化物半導体に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化する恐れもある。
このように、酸化物半導体中の水素濃度（Ｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）が高くなると、トランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすく、良好な電気特性および信頼性を有する半導体装置を構成することができなくなる。
また、図１に示すように、トランジスタ２００では、酸化物２３０上に接して絶縁体２５０が形成される。ここで、絶縁体２５０は、酸化シリコン等の、シリコンを含む絶縁体を用いることが好ましい。このような絶縁体２５０を成膜する場合、ＳｉＨ４などの水素化ケイ素が原料ガスとして用いられることが多い。このような原料ガスが成膜時に分解されることで、反応性の高い水素（例えば、水素ラジカル等）が大量に発生し、酸化物２３０にＶＯＨが形成される場合がある。また、成膜した絶縁体２５０に大量の水素が取り込まれ、トランジスタ２００作製工程中の熱処理等により、当該水素が酸化物２３０に拡散する場合がある。このように、ゲート絶縁膜の成膜工程に起因して、酸化物半導体中の水素濃度が高くなる恐れがある。
これに対して、本実施の形態に示すトランジスタ２００では、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ゲート絶縁膜（絶縁体２５０）を成膜することで、酸化物半導体のチャネル形成領域の水素濃度の低減を図る。
ＡＬＤ法では、反応のための第１の原料ガス（以下、プリカーサと呼ぶ。前駆体、金属プリカーサとも呼ぶことができる。）と第２の原料ガス（以下、リアクタントと呼ぶ。反応剤、非金属プリカーサとも呼ぶことができる。）を交互にチャンバーに導入し、これらの原料ガスの導入を繰り返すことで成膜を行う。このように原料ガスを切り替えながら成膜することで、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。よって、ＡＬＤ法で成膜することで、極薄膜厚の成膜、アスペクト比の高い構造への成膜、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜、被覆性に優れた成膜、および低温での成膜、などを行うことができる。
なお、ＡＬＤ法は、熱などのエネルギーを用いてプリカーサ、およびリアクタントを反応させて行う成膜方法である。ＡＬＤ法の中でも、プラズマ励起されたリアクタントをチャンバーに導入することで処理を行うものをＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）法と呼ぶことがある。またＰＥＡＬＤ法に対して、プリカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーのみで行うＡＬＤ法をサーマルＡＬＤ法と呼ぶことがある。
以下、図２および図３を用いて、酸化物２３０上に、ＡＬＤ法を用いて、シリコンを含む酸化物である絶縁体２５０を成膜することにより、酸化物半導体のチャネル形成領域の水素濃度を低減するメカニズムについて説明する。
まず、図２に示すように、第１の原料ガスとして、プリカーサ１０をチャンバーに導入する。導入されたプリカーサ１０は、アミノ基の一つと酸化物２３０表面のＯＨ基が反応して、酸化物２３０の表面に吸着する。プリカーサ１０が酸化物２３０の表面に吸着すると、表面化学反応の自己停止機構が作用し、酸化物２３０の表面のプリカーサ１０の層の上にさらにプリカーサ１０が吸着することはない。
また、上記反応でプリカーサ１０から脱離した副生成物（ＨＮＲ３Ｒ４）は、水素原子を含む。しかしながら、プリカーサ１０の導入工程では、反応が熱エネルギーによって進むため、当該副生成物は、反応性の高い水素ラジカルなどには分解されない。よって、プリカーサ１０の導入工程では、チャンバー内に大量の水素ラジカルなどが発生することはない。
なお、プリカーサ１０を構成するＲ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４は、官能基を表し、例えば、水素、またはアルキル基等の炭化水素基とすればよい。なお、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４は、それぞれ異なる構造であってもよいし、２つ以上が同じ構造であってもよい。また、図２に示すプリカーサ１０は、Ｓｉが２個のＮと結合しているアミノシラン化合物であるが、これに限られるものではない。プリカーサ１０において、Ｓｉに結合するＮは１個でもよいし、３個以上でもよい。例えば、プリカーサ１０として、２ＤＥＡＳ（Ｂｉｓ（ｄｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｓｉｌａｎｅ）、ＢＥＭＡＳ（Ｂｉｓ（ｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｓｉｌａｎｅ）、ＢＴＢＡＳ（Ｂｉｓ（ｔｅｒｔ－ｂｕｔｙｌａｍｉｎｏ）ｓｉｌａｎｅ）、３ＤＭＡＳ（Ｔｒｉｓ（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｓｉｌａｎｅ）、４ＤＭＡＳ（Ｔｅｔｒａｋｉｓ（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｓｉｌａｎｅ）などを用いてもよい。なお、プリカーサ１０は、アミノシラン化合物に限られるものではなく、自己停止機構を有する表面化学反応が成立する範囲において、シリコンを含む化合物を適宜選択すればよい。
ＡＬＤ成膜中は、トランジスタ２００が形成された基板の温度を、表面化学反応の自己停止機構が作用する基板温度の適正範囲（ＡＬＤ Ｗｉｎｄｏｗとも呼ぶ。）にしておく。ＡＬＤ Ｗｉｎｄｏｗは、プリカーサ１０の温度特性、蒸気圧、分解温度などによって決まるが、１００℃以上５００℃以下、好ましくは、２００℃以上４００℃以下とする。
また、原料ガス導入の際、窒素（Ｎ２）やアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスをキャリアガスとして原料ガスと一緒にチャンバーに導入してもよい。キャリアガスを用いることで、原料ガスの揮発性が低い、あるいは蒸気圧が低い場合でも、原料ガスが配管内部やバルブ内部に吸着することを抑制し、原料ガスをチャンバーに導入することが可能になる。また、形成される膜の均一性の向上を図ることができる。なお、キャリアガスは、原料ガス導入の際だけ導入するのではなく、ＡＬＤ成膜中に常に導入し続けてもよい。
次に、チャンバー内の余剰なプリカーサ１０および副生成物を、チャンバーから排出する（パージとも呼ぶ。）。パージはキャリアガスを導入しながら行ってもよいし、キャリアガスを導入せず、真空排気を行ってもよい。
次に、図２に示すように、第２の原料ガスとして、リアクタント２０をチャンバーに導入する。導入されたリアクタント２０は酸化剤として機能するので、酸化物２３０の表面に結合したシリコンは酸化される。このとき、リアクタント２０は、Ｓｉ－Ｈ結合またはＳｉ－Ｎ結合を切断するが、Ｓｉ－Ｏ結合は切断しない。ここで、副生成物として、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯｘなどが生成される。
また、図２に示すように、リアクタント２０は、酸化物２３０表面のシリコンだけでなく、酸化物２３０も酸化し、ＶＯＨを脱離させる場合がある。これにより、酸化物２３０中の酸素欠損ＶＯは、酸素で補填され、酸化物２３０中の水素濃度の低減を図ることができる。また、チャンバー内はリアクタント２０によって酸化雰囲気となっているので、酸化物２３０中から放出された水素は、副生成物のＨ２Ｏとして放出される。なお、図２では、リアクタント２０として、酸素ラジカルＯ＊を示しているが、リアクタント２０はこれに限られるものではない。
ＰＥＡＬＤ法で絶縁体２５０を成膜する場合、リアクタント２０として酸素ラジカルを用いればよい。酸素ラジカルは、酸素ガス（Ｏ２）をプラズマ化することで得られる。なお、酸素プラズマ中には、酸素が、分子（例えば、Ｏ２またはＯ３など）、ラジカル、またはイオンなどの状態で含まれる。例えば、酸素ガスに、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）等の高周波や、マイクロ波を印加することで、酸素ラジカルを含む酸素プラズマを生成することができる。
また、リアクタント２０を含む第２の原料ガスは、水素原子または水素原子を有する分子などが含まれないことが好ましい。水素原子または水素原子を有する分子がプラズマにさらされると、反応性の高い水素ラジカルが大量に生成され、チャンバー内が還元雰囲気になる。チャンバー内が還元雰囲気になると、酸化物２３０中の酸素が引き抜かれてＶＯＨが形成されてしまう。よって、チャンバー内は、酸素ラジカルを含むリアクタント２０によって酸化雰囲気になっていることが好ましい。
ＰＥＡＬＤ法で絶縁体２５０を成膜する場合、リアクタント２０の反応性が高いので、基板温度を２００℃より高く、好ましくは３００℃以上、より好ましくは３５０℃以上にすることで、酸化物２３０中のキャリア濃度を低減することができる。また、上記の基板温度で絶縁体２５０を成膜することで、酸化物２３０に含まれる水素濃度の増加を抑制することができる。
また、ＲＦ等の高周波やアイクロ波を、酸化物２３０に照射してもよい。これにより、図２に示すように、酸化物２３０中のＶＯＨからＨを脱離させることができる。さらにチャンバー内は酸化雰囲気なので、リアクタント２０によって、酸化物２３０中の酸素欠損ＶＯを補填することができる。
また、サーマルＡＬＤ法で絶縁体２５０を成膜する場合、リアクタント２０としてオゾンガス（Ｏ３）を用いればよい。オゾンガス（Ｏ３）は、酸素ガス（Ｏ２）を原料として、オゾン発生装置で生成することができる。このとき、リアクタント２０には、オゾンガス（Ｏ３）と酸素ガス（Ｏ２）が含まれる場合がある。また、ＰＥＡＬＤ法と同様に、リアクタント２０を含む第２の原料ガスは、水素原子または水素原子を有する分子などが含まれないことが好ましい。
サーマルＡＬＤ法で絶縁体２５０を成膜する場合、ＰＥＡＬＤ法と比較してリアクタント２０の反応性が低いので、基板温度を３００℃より高く、好ましくは３５０℃以上にすることで、酸化物２３０中のキャリア濃度を低減することができる。また、上記の基板温度で絶縁体２５０を成膜することで、酸化物２３０に含まれる水素濃度の増加を抑制することができる。
次に、パージを行って、チャンバー内の余剰なリアクタント２０、およびＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯｘ等の副生成物を、チャンバーから排出する。パージはキャリアガスを導入しながら行ってもよいし、キャリアガスを導入せず、真空排気を行ってもよい。このようにして、図２に示すように、酸化物２３０の表面にシリコン酸化物の単一層を形成することができる。
同様の方法で、パージを挟みながら、プリカーサ１０の導入と、リアクタント２０の導入を行うことにより、シリコン酸化物の単一層をさらに一層堆積させることができる。このように、パージを挟みながら、プリカーサ１０の導入と、リアクタント２０の導入のサイクルを繰り返すことで、シリコン酸化物の単一層を一層ずつ堆積させることができる。当該サイクルを、膜が所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、図２に示すように、酸化物２３０上に絶縁体２５０を形成することができる。
微細化されたトランジスタ２００の、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体２５０の膜厚は、極めて薄く（例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下程度。）、且つバラつきが小さくなるようにする必要がある。これに対して、絶縁体２５０の膜厚は、上記サイクルを繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能である。よって、微細化されたトランジスタ２００が要求するゲート絶縁膜の精度を達成することができる。また、図１に示すように、絶縁体２５０は、絶縁体２８０等によって形成される開口の底面および側面に、被覆性良く成膜される必要がある。当該開口の底面および側面において、図２に示すように、シリコン酸化物の単一層を一層ずつ堆積させることができるので、絶縁体２５０を当該開口に対して良好な被覆性で成膜することができる。
例えば、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法を用いて絶縁体２５０の成膜を行う場合、ＳｉＨ４などの水素化ケイ素がプラズマ中で分解されて、大量の水素ラジカルが発生する。水素ラジカルの還元反応によって、酸化物２３０中の酸素が引き抜かれてＶＯＨが形成されると、酸化物２３０中の水素濃度が高くなる。しかしながら、本実施の形態に示すように、ＡＬＤ法を用いて絶縁体２５０を成膜すると、プリカーサ１０の導入時もリアクタント２０の導入時も、水素ラジカルはほとんど発生しない。よって、ＡＬＤ法を用いてゲート絶縁膜を成膜することにより、酸化物半導体中の水素濃度が高くなることを抑制することができる。これにより、酸化物半導体中のキャリア濃度を１．０×１０１６／ｃｍ３以下、好ましくは１．０×１０１３／ｃｍ３未満にすることができる。このような酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオフ特性にすることができ、良好な電気特性および信頼性を有する半導体装置を構成することができる。
また、プリカーサ１０の導入の前に、図３に示すように、電磁波３０を酸化物２３０に照射してもよい。ここで、電磁波３０としては、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波を用いればよい。照射された電磁波３０は酸化物２３０中に浸透して、酸化物２３０中のＶＯＨを分断し、水素Ｈが酸化物２３０から除去され、酸素欠損ＶＯが酸化物２３０中に残存する。つまり、酸化物２３０中において、ＶＯＨ→Ｈ↑＋ＶＯという反応が起きて、酸化物２３０中の水素濃度が低減されることになる。このとき発生した水素Ｈの一部は、酸素と結合してＨ２Ｏとして、酸化物２３０から除去される場合がある。また、水素Ｈの一部は、導電体２４２に捕獲（ゲッタリングとも呼ぶ。）される場合がある。
次に、図３に示すように、上記と同様の方法でプリカーサ１０の導入を行い、その後パージを行う。
次に、図３に示すように、上記と同様の方法でリアクタント２０を導入する。ここで、リアクタント２０（例えば、酸素ラジカルなど）が酸化物２３０中の酸素欠損ＶＯを補填することができる。よって、図３に示す方法によって、酸化物２３０中の水素濃度を低減し、且つ、ＶＯＨを形成する元になる酸素欠損も低減することができる。
また、ＰＥＡＬＤ法を用いてリアクタント２０を導入する場合、酸素ガス（Ｏ２）またはオゾンガス（Ｏ３）をプラズマ化するのに印加する、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波を酸化物２３０に照射してもよい。これにより、図３に示す電磁波３０の照射と同様の効果が得られるので、リアクタント２０の導入時に、並行してＶＯＨの除去を行うことができる。なお、図２に示すリアクタント２０を導入する工程においても、同様に、電磁波３０（マイクロ波、またはＲＦ等の高周波）を酸化物２３０に照射してもよい。
以下、図２に示す方法と同様の方法で、酸化物２３０上に絶縁体２５０を成膜することができる。
以上のようにして、酸化物半導体中でドナーとして機能するＶＯＨを低減することができるので、酸化物半導体中のキャリア濃度を１．０×１０１６／ｃｍ３以下、好ましくは１．０×１０１３／ｃｍ３未満にすることができる。このような酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオフ特性にすることができ、良好な電気特性および信頼性を有する半導体装置を構成することができる。
なお、図３においては、リアクタント２０の導入と同時に酸素欠損ＶＯの除去を行ったが、本実施の形態はこれに限られるものではない。図３に示す電磁波３０の照射の際に、電磁波３０によって酸素ガスをプラズマ化し、酸素ラジカルを形成してもよい。つまり、電磁波３０の照射と同時に、酸素を含む雰囲気でプラズマ処理を行ってもよい。形成した酸素ラジカルによって、電磁波３０の照射で形成された酸化物２３０中の酸素欠損ＶＯを補填することができる。これにより、電磁波３０の照射を行いながら、酸化物２３０中のＶＯＨ、および酸素欠損ＶＯを低減することができる。
酸素のプラズマ化は、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酸化物２３０中に導くことができる。
なお、図２及び図３に示す工程では、プリカーサ１０の導入を、リアクタント２０の導入より先に行ったが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図２および図３に示すプリカーサ１０の導入の前にリアクタント２０の導入を行う構成にしてもよい。また、例えば、プリカーサ１０の導入の前に、リアクタント２０の導入とパージを複数回繰り返し行う構成にしてもよい。このような構成にすることで、絶縁体２５０の下地となる酸化物２３０により多くの酸素を供給できる。このような方法を用いて形成された半導体装置は、良好な特性を有し、高い信頼性を得ることができる。
また、図２及び図３に示す工程では、プリカーサ１０の導入とリアクタント２０の導入を一回ずつ繰り返す構成を示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図２および図３に示すサイクルにおいて、リアクタント２０の導入とパージを複数回繰り返し行う構成にしてもよい。また、リアクタント２０の導入とパージを複数回繰り返す場合、必ずしも同じ種類のリアクタント２０の導入を繰り返す必要はない。
このようにして、チャンバー内でリアクタント２０の導入とパージを短時間で複数回繰り返すことで、酸化物２３０表面に吸着したプリカーサから、余分な水素原子、炭素原子、塩素原子などをより確実に取り除き、チャンバーの外に排除することができる。このように、成膜中に水素原子が酸化物２３０および絶縁体２５０中に取り込まれないようにすることで、酸化物２３０中の水素濃度を低減することができる。
また、図１Ｂに示すように、酸化物２３０ｂと、ソース電極または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）と、の間に酸化物２４３（酸化物２４３ａおよび酸化物２４３ｂ）を配置してもよい。導電体２４２と、酸化物２３０とが接しない構成となるので、導電体２４２が、酸化物２３０の酸素を吸収することを抑制できる。つまり、導電体２４２の酸化を防止することで、導電体２４２の導電率の低下を抑制することができる。従って、酸化物２４３は、導電体２４２の酸化を抑制する機能を有することが好ましい。
従って、酸化物２４３は、酸素の透過を抑制する機能を有することが好ましい。ソース電極やドレイン電極として機能する導電体２４２と酸化物２３０ｂとの間に酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物２４３を配置することで、導電体２４２と、酸化物２３０ｂとの間の電気抵抗が低減されるので好ましい。このような構成とすることで、トランジスタ２００の電気特性およびトランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
酸化物２４３として、元素Ｍを有する金属酸化物を用いてもよい。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。酸化物２４３は、酸化物２３０ｂよりも元素Ｍの濃度が高いことが好ましい。また、酸化物２４３として、酸化ガリウムを用いてもよい。また、酸化物２４３として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物等の金属酸化物を用いてもよい。具体的には、酸化物２４３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２４３の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下である。また、酸化物２４３は、結晶性を有すると好ましい。酸化物２４３が結晶性を有する場合、酸化物２３０中の酸素の放出を好適に抑制することが出来る。例えば、酸化物２４３としては、六方晶などの結晶構造であれば、酸化物２３０中の酸素の放出を抑制できる場合がある。
なお、酸化物２４３は必ずしも設けなくてもよい。例えば、酸化物２３０ｂに導電体２４２が接していても、導電体２４２の酸化が抑えられ、導電率が十分高い場合、酸化物２４３を設けず、酸化物２３０ｂ上に接して導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂを設けてもよい。
本発明の一態様であるトランジスタ２００は、図１Ｂ、図１Ｃに示すように、絶縁体２８２と、絶縁体２５０とが、直接接する構造となっている。このような構造とすることで、絶縁体２８０に含まれる酸素が、導電体２６０に吸収され難くなる。従って、絶縁体２８０に含まれる酸素は、酸化物２３０ｃを介して、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂへ効率よく供給することができるので、酸化物２３０ａ中および酸化物２３０ｂ中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の電気特性および信頼性を向上させることができる。また、絶縁体２８０に含まれる水素などの不純物が絶縁体２５０へ混入することを抑えることができるので、トランジスタ２００の電気特性および信頼性への悪影響を抑制することができる。絶縁体２８２としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムを用いることができる。
絶縁体２７２、および絶縁体２７３は、水素や水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ことが好ましい。
図４Ａは、図１ＡにＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面を拡大した図であり、トランジスタ２００のソース領域またはドレイン領域のチャネル幅方向の断面図でもある。図４Ａに示すように、導電体２４２ｂの上面、導電体２４２ｂの側面、酸化物２４３ｂの側面、酸化物２３０ａの側面、および酸化物２３０ｂの側面は、絶縁体２７２、および絶縁体２７３で覆う構造となっているので、導電体２４２ｂの側面および導電体２４２ｂの上面方向から導電体２４２ｂへの水素や水などの不純物および酸素の拡散を抑制することができる。また、導電体２４２ｂの下面は酸化物２４３ｂと接する構造となっており、酸化物２３０ｂの酸素は、酸化物２４３ｂによってブロックされるので導電体２４２ｂへ拡散することを抑制する。従って、導電体２４２ｂの周囲からの導電体２４２ｂへの酸素の拡散を抑制することができるので、導電体２４２ｂの酸化を抑制することができる。なお、導電体２４２ａについても同様の効果を有する。また、酸化物２３０ａの側面、および酸化物２３０ｂの側面方向から酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂへの水素や水などの不純物の拡散を抑制することができる。絶縁体２７２としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、インジウムガリウム亜鉛酸化物、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、または窒化酸化シリコン膜を用いることができる。また、絶縁体２７３としては、例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムを用いることができる。
図４Ｂは、図１Ｂのトランジスタ２００の右半分を拡大した図である。導電体２４２ｂの左側の側面（図４Ｂに点線で囲んだ箇所）は、酸化物２３０ｃが接しており、絶縁体２５０からの水素や水などの不純物および酸素が導電体２４２ｂへ拡散することを抑制することができる。また、導電体２４２ｂの右側の側面は、絶縁体２７２が接しており、絶縁体２８０からの水素や水などの不純物および酸素が導電体２４２ｂへ拡散することを抑制することができる。なお、導電体２４２ａについても、同様の効果を有する。
以上のように導電体２４２の周囲を水素や水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２７２、酸化物２３０ｃ、および酸化物２４３ｂで囲む構成とすることで、導電体２４２の酸化を抑制し、トランジスタ２００の電気特性の向上およびトランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
また、図１Ｃ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、ノーマリーオフの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、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、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。また、導電体２０５の一部が絶縁体２１４に埋め込まれていてもよい。
ここで、導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）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）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１Ａに示すように、酸化物２３０の導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと重ならない領域の大きさよりも、大きく設けるとよい。特に、図１Ｃ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。または、導電体２０５を大きく設けることによって、導電体２０５形成以降の作製工程のプラズマを用いた処理において、局所的なチャージング（チャージアップと言う）の緩和ができる場合がある。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。導電体２０５は、少なくとも導電体２４２ａと、導電体２４２ｂとの間に位置する酸化物２３０と重畳すればよい。
上記構成を有することで、第１のゲートとしての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲートとしての機能を有する導電体２０５の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート、および第２のゲートの電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
また、導電体２０５ａは、水または水素などの不純物および酸素の透過を抑制する導電体が好ましい。例えば、チタン、窒化チタン、タンタル、または窒化タンタルを用いることができる。また、導電体２０５ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体２０５を２層で図示したが、３層以上の多層構造としてもよい。
ここで、酸化物半導体と、酸化物半導体の下層に位置する絶縁体、または導電体と、酸化物半導体の上層に位置する絶縁体、または導電体とを、大気開放を行わずに、異なる膜種を連続成膜することで、不純物（特に、水素、水）の濃度が低減された、実質的に高純度真性である酸化物半導体膜を成膜することができるので好ましい。
例えば、６つの処理チャンバーを有する成膜装置を用いて、絶縁体２１６、および導電体２０５上に配置される、絶縁体２２２、絶縁体２２４となる絶縁膜、酸化物２３０ａとなる酸化膜、酸化物２３０ｂとなる酸化膜、酸化物２４３となる酸化膜、および導電体２４２となる導電膜を順に連続成膜すればよい。
絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８２、絶縁体２８３および絶縁体２８１は、水または水素などの不純物が、基板側から、または、上方からトランジスタ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２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８２、絶縁体２８３および絶縁体２８１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２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１として、窒化シリコンなどを用い、絶縁体２１４、絶縁体２７２、絶縁体２７３、および絶縁体２８３として、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、水または水素などの不純物が絶縁体２１２、および絶縁体２１４を介して、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２１２、および絶縁体２１４を介して基板側に、拡散するのを抑制することができる。また、水または水素などの不純物が絶縁体２７３よりも上方に配置されている絶縁体２８０、および導電体２４６などから絶縁体２７３を介してトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。この様に、トランジスタ２００を、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体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１で取り囲む構造とすることが好ましい。
また、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１の抵抗率を低くすることが好ましい場合がある。例えば、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１の抵抗率を概略１×１０１３Ωｃｍとすることで、半導体装置作製工程のプラズマ等を用いる処理において、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１が、導電体２０５、導電体２４２または導電体２６０のチャージアップを緩和することができる場合がある。絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１の抵抗率は、好ましくは、１×１０１０Ωｃｍ以上１×１０１５Ωｃｍ以下とする。
また、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２７４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２７４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、昇温脱離ガス分析（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析）にて、酸素分子の脱離量が１．０×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／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。
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２７２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。
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、絶縁体２２２より下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。
酸化物２３０ｂ上には、酸化物２４３が設けられ、酸化物２４３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、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。
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のチャネル形成領域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。
または、当該金属酸化物は、ゲートの一部としての機能を有する場合がある。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。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
導電体２６０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、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２８２または絶縁体２８３は、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。また、絶縁体２８２または絶縁体２８３は、酸素の透過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２８２および絶縁体２８３としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。例えば、絶縁体２８２として、酸素に対してブロッキング性が高い酸化アルミニウムを用い、絶縁体２８３として、水素に対してブロッキング性が高い窒化シリコンを用いればよい。
また、絶縁体２８２の上に、層間膜として機能する絶縁体２７４を設けることが好ましい。絶縁体２７４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。
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、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７３、および絶縁体２７２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、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化酸化シリコンなどの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２７２、および絶縁体２７３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。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好適である。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、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２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）を配置してもよい。導電体２４６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、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、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、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ、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。
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。
なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム－ガリウム－亜鉛酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。特に、ＩＧＺＯは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍの結晶、または数ｃｍの結晶）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。
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金属酸化物である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、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（金属酸化物）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。
なお、本発明の一態様の半導体装置においては、酸化物半導体（金属酸化物）の構造に特に限定はないが、好ましくは結晶性を有すると好ましい。例えば、酸化物２３０をＣＡＡＣ－ＯＳ構造とし、酸化物２４３を六方晶の結晶構造とすることが出来る。酸化物２３０、及び酸化物２４３を上記の結晶構造とすることで、高い信頼性を有する半導体装置とすることができる。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２４３を概略同じ組成とすることができる。
［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、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。
＜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１４を用いて説明する。また、図５乃至図１４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いる。
まず、基板（図示しない）を準備し、当該基板上に絶縁体２１２を成膜する。絶縁体２１２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である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２１２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２１２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２１２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２１２を介して上の層に拡散するのを抑制することができる。また、窒化シリコンのように水または水素などの不純物が透過しにくい絶縁体を用いることにより絶縁体２１２より下層から水または水素などの不純物の拡散を抑制することができる。
次に、絶縁体２１２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、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２１４として、酸化アルミニウムを用いる。
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。
次に、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。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１４は、絶縁体２１６をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体２１６に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体２１４は窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。
開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０５ａ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２０５ａとなる導電膜を多層構造とする。まず、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜し、当該窒化タンタルの上に窒化チタンを積層する。このような金属窒化物を導電体２０５ｂの下層に用いることにより、後述する導電体２０５ｂとなる導電膜として銅などの拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０５ａから外に拡散するのを防ぐことができる。
次に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、メッキ法、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２０５ｂとなる導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。
次に、ＣＭＰ処理（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を行うことで、導電体２０５ａとなる導電膜、ならびに導電体２０５ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０５ａ及び導電体２０５ｂが残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５を形成することができる。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（図５参照）。
なお、上記においては、導電体２０５を絶縁体２１６の開口に埋め込むように形成したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体２１４上に導電体２０５を形成し、導電体２０５上に絶縁体２１６を成膜し、絶縁体２１６にＣＭＰ処理を行うことで、絶縁体２１６の一部を除去し、導電体２０５の表面を露出させればよい。
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上に絶縁膜２２４Ａを成膜する。絶縁膜２２４Ａ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、加熱処理を行うことが好ましい。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、絶縁膜２２４Ａ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。
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、絶縁膜２２４Ａ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などの高周波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膜２２４Ａ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、絶縁膜２２４Ａ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、絶縁膜２２４Ａ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膜２２４Ａに達するまで、ＣＭＰを行ってもよい。当該ＣＭＰを行うことで絶縁膜２２４Ａ表面の平坦化および絶縁膜２２４Ａ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膜２２４Ａ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、絶縁膜２２４Ａの一部が研磨されて、絶縁膜２２４Ａの膜厚が薄くなることがあるが、絶縁膜２２４Ａの成膜時に膜厚を調整すればよい。絶縁膜２２４Ａ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、絶縁膜２２４Ａ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、絶縁膜２２４Ａに酸素を添加することができるので好ましい。
次に、絶縁膜２２４Ａ上に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図５参照）。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膜２２４Ａ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。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。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、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］、あるいは１：１：１［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。
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上に酸化膜２４３Ａを成膜する（図５参照）。酸化膜２４３Ａ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２４３Ａは、Ｉｎに対するＧａの原子数比が、酸化膜２３０ＢのＩｎに対するＧａの原子数比より大きいことが好ましい。本実施の形態では、酸化膜２４３Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
次に、酸化膜２４３Ａ上に導電膜２４２Ａを成膜する（図５参照）。導電膜２４２Ａ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５参照）。
次に、リソグラフィー法を用いて、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、酸化膜２４３Ａ、および導電膜２４２Ａを島状に加工して、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、および導電体層２４２Ｂを形成する（図６参照）。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。なお、図示しないが、当該工程において、絶縁膜２２４Ａ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。
なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。
また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電膜２４２Ａ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。導電膜２４２Ａなどのエッチングは、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。導電膜２４２Ａなど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。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、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、酸化物層２４３Ｂ、および導電体層２４２Ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、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。または、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、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、酸化物層２４３Ｂ、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２７２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２４２Ｂの側面と導電体層２４２Ｂ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。
次に絶縁膜２２４Ａ、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、および導電体層２４２Ｂの上に、絶縁膜２７２Ａを成膜する（図７参照）。
絶縁膜２７２Ａ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。絶縁膜２７２Ａ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、スパッタリング法またはＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、または、酸化ガリウムを成膜してもよい。
次に、絶縁膜２７２Ａ上に、絶縁膜２７３Ａを成膜する（図７参照）。絶縁膜２７３Ａ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、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウムを成膜することが好ましい。本実施の形態では、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウムを成膜する。なお、絶縁膜２７３Ａを成膜しない構成とすることもできる。
次に、絶縁膜２７３Ａ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として、スパッタリング法を用いて酸化シリコン膜を成膜し、その上にＰＥＡＬＤ法またはサーマルＡＬＤ法を用いて酸化シリコン膜を成膜すればよい。ここで、絶縁体２８０をＰＥＡＬＤ法またはサーマルＡＬＤ法を用いて成膜することで、図２および図３を用いて示したように、絶縁体２８０中の水素濃度を低減することができる。
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２８０を形成する（図８参照）。
次に、絶縁体２８０の一部、絶縁膜２７３Ａの一部、絶縁膜２７２Ａの一部、酸化物層２４３Ｂ、および導電体層２４２Ｂ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。該開口の形成によって、酸化物２４３ａ、酸化物２４３ｂ、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、絶縁体２７２、絶縁体２７３、および絶縁体２２４を形成する（図８参照）。
また、絶縁体２８０の一部、絶縁膜２７３Ａの一部、絶縁膜２７２Ａの一部、酸化物層２４３Ｂ、および導電体層２４２Ｂ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２８０の一部をドライエッチング法で加工し、絶縁膜２７３Ａの一部をウェットエッチング法で加工し、絶縁膜２７２Ａの一部、酸化物層２４３Ｂ、および導電体層２４２Ｂ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、アンモニア水、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。
上記エッチング後、または上記洗浄後に加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、例えば、１００℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、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。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行ってもよい。これにより、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに酸素を供給して、酸素欠損ＶＯの低減を図ることができる。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、窒素ガスもしくは不活性ガスの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％以上含む雰囲気で行ってもよい。
次に、加熱処理を行っても良く、当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して酸化膜２３０Ｃを成膜してもよい（図９参照）。また、当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気で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２３０ｂの表面など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℃以下が好ましく、さらに好ましくは１５０℃以上３５０℃以下である。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とし、減圧下で行う。
ここで、酸化膜２３０Ｃは、少なくとも酸化物２３０ａの側面の一部、酸化物２３０ｂの側面の一部および上面の一部、酸化物２４３の側面の一部、導電体２４２の側面の一部、絶縁体２７２の側面、絶縁体２７３の側面、および絶縁体２８０の側面と接するように設けられることが好ましい。導電体２４２は、酸化物２４３、絶縁体２７２、酸化膜２３０Ｃに囲まれることで、以降の工程において導電体２４２の酸化による導電率の低下を抑制することができる。
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として、Ｉｎに対するＧａの原子数比が、酸化膜２３０ＢのＩｎに対するＧａの原子数比より大きいことが好ましい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
なお、酸化膜２３０Ｃは、積層としてもよい。例えば、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して、連続してＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜してもよい。
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。または、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絶縁体２８０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。
次に、加熱処理を行っても良い。また、当該加熱処理を減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して、電磁波２９０の照射、または絶縁膜２５０Ａの成膜を行ってもよい。当該加熱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および水素を除去し、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。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。
次に、図３を用いて示したように、電磁波２９０を酸化物２３０Ｃ、絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａに照射してもよい（図１０参照）。ここで、電磁波２９０としては、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波を用いればよい。照射された電磁波２９０は酸化物２３０Ｃ、絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａ中に浸透して、これらの中のＶＯＨを除去する。このとき発生した水素の一部は、酸素と結合してＨ２Ｏとして、酸化物２３０、および絶縁体２８０から除去される場合がある。また、水素の一部は、導電体２４２にゲッタリングされる場合がある。このように、電磁波２９０を照射することで、酸化物２３０Ｃ、絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａ中の水素濃度を低減することができる。
また、電磁波２９０の照射の際に、電磁波２９０によって酸素ガスをプラズマ化し、酸素ラジカルを形成してもよい。つまり、酸化物２３０Ｃ、絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａに酸素を有する雰囲気でプラズマ処理を行ってもよい。形成した酸素ラジカルによって、電磁波２９０の照射で形成された、酸化物２３０Ｃ、絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａ中の酸素欠損ＶＯを補填することができる。これにより、電磁波２９０の照射を行いながら、酸化物２３０Ｃ、絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａ中のＶＯＨ、および酸素欠損ＶＯを低減することができる。
次に、酸化物２３０Ｃ上に絶縁膜２５０Ａを成膜する（図１１参照）。このとき、電磁波２９０の照射から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。図２および図３を用いて示したように、絶縁膜２５０Ａは、ＰＥＡＬＤ法、またはサーマルＡＬＤ法などのＡＬＤ法などを用いて成膜することが好ましい。絶縁膜２５０Ａとして、酸化シリコン、または酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。ＰＥＡＬＤ法を用いて絶縁膜２５０Ａを成膜する場合、基板温度を２００℃より高く、好ましくは３００℃以上、より好ましくは３５０℃以上にすることで、絶縁膜２５０Ａ、絶縁体２８０、および酸化物２３０に含まれる水素濃度を低減することができる。また、サーマルＡＬＤ法を用いて絶縁膜２５０Ａを成膜する場合、基板温度を３００℃より高く、好ましくは３５０℃以上にすることで、絶縁膜２５０Ａ、絶縁体２８０、および酸化物２３０に含まれる水素濃度を低減することができる。
ここで、ＡＬＤ法を用いて成膜することが可能な装置の一例として、成膜装置４０００の構成について、図１５Ａ及び図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａは、マルチチャンバー型の成膜装置４０００の模式図であり、図１５Ｂは、成膜装置４０００に用いることができるＡＬＤ装置の断面図である。
＜成膜装置の構成例＞
成膜装置４０００は、搬入搬出室４００２と、搬入搬出室４００４と、搬送室４００６と、成膜室４００８と、成膜室４００９と、成膜室４０１０と、搬送アーム４０１４と、を有する。ここで、搬入搬出室４００２、搬入搬出室４００４、及び成膜室４００８乃至４０１０は、搬送室４００６とそれぞれ独立に接続されている。これにより、成膜室４００８乃至４０１０において大気に曝すことなく、連続成膜を行うことができ、膜中に不純物が混入するのを防ぐことができる。また、基板と膜の界面、および各膜の界面の汚染は低減され、清浄な界面が得られる。
なお、搬入搬出室４００２、搬入搬出室４００４、搬送室４００６、及び成膜室４００８乃至４０１０は、水分の付着などを防ぐため、露点が管理された不活性ガス（窒素ガス等）を充填させておくことが好ましく、減圧を維持させることが望ましい。
また、成膜室４００８乃至４０１０には、ＡＬＤ装置を用いることができる。また、成膜室４００８乃至４０１０のいずれかにＡＬＤ装置以外の成膜装置を用いる構成としてもよい。成膜室４００８乃至４０１０に用いることができる成膜装置としては、例えば、スパッタリング装置、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）装置、熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）装置、光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）装置、金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）装置、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）装置などがある。また、成膜室４００８乃至４０１０のいずれか１つまたは複数に、成膜装置以外の機能を有する装置を設けても構わない。当該装置としては、例えば、加熱装置（代表的には、真空加熱装置）、プラズマ発生装置（代表的には、μ波プラズマ発生装置）などが挙げられる。
例えば、成膜室４００８をスパッタリング装置とし、成膜室４００９をＡＬＤ装置とし、成膜室４０１０を金属ＣＶＤ装置とした場合、成膜室４００８で金属酸化物、成膜室４００９でゲート絶縁膜として機能する絶縁膜、成膜室４０１０でゲート電極として機能する導電膜を形成することができる。このとき、金属酸化物と、その上の絶縁膜と、その上の導電膜を、大気に曝すことなく、連続で形成することができる。
また、成膜装置４０００は、搬入搬出室４００２、搬入搬出室４００４、成膜室４００８乃至４０１０を有する構成としているが、本発明はこれに限られるものではない。成膜装置４０００の成膜室を４個以上にする構成としてもよい。また、成膜装置４０００の成膜室を２個、または１個にする構成としてもよい。また、成膜装置４０００は枚葉式としてもよいし、複数の基板を一括で成膜するバッチ式にしてもよい。
＜ＡＬＤ装置＞
次に、成膜装置４０００に用いることができるＡＬＤ装置の構成について、図１５Ｂを用いて説明する。ＡＬＤ装置は、成膜室（チャンバー４０２０）と、原料供給部４０２１（原料供給部４０２１ａ、および４０２１ｂ）、原料供給部４０３１と、導入量制御器である高速バルブ４０２２ａ、４０２２ｂと、原料導入口４０２３（原料導入口４０２３ａ、および４０２３ｂ）、原料導入口４０３３と、原料排出口４０２４と、排気装置４０２５を有する。チャンバー４０２０内に設置される原料導入口４０２３ａ、４０２３ｂ、および４０３３は供給管やバルブを介して原料供給部４０２１ａ、４０２１ｂ、および４０３１とそれぞれ接続されており、原料排出口４０２４は、排出管やバルブや圧力調整器を介して排気装置４０２５と接続されている。
また、図１５Ｂに示すようにチャンバー４０２０にプラズマ発生装置４０２８を接続することにより、サーマルＡＬＤ法に加えて、ＰＥＡＬＤ法で成膜を行うことができる。プラズマ発生装置４０２８は、高周波電源に接続されたコイル４０２９を用いる誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ： ＩＣＰ）型のプラズマ発生装置とするのが好ましい。高周波電源は、１０ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下、好ましくは１ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下、より好ましくは１０ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下の周波数を持った電力を出力することができる。例えば、１３．５６ＭＨｚ、６０ＭＨｚの周波数を持った電力を出力することができる。ＩＣＰ型のプラズマ発生装置では、基板から離れた状態でプラズマを発生させることもできる。このようにプラズマを発生させることにより、基板へのプラズマダメージを抑えることができる。
ＰＥＡＬＤ法では、低温でも成膜レートを落とさず成膜ができるので、成膜効率の低い枚葉式の成膜装置で用いるとよい。
チャンバー内部には基板ホルダ４０２６があり、その基板ホルダ４０２６上に基板４０３０を配置する。基板ホルダ４０２６には、一定の電位、または高周波が印加される機構が設けられていてもよい。あるいは、基板ホルダ４０２６は、フローティングでもよいし、接地されていてもよい。また、チャンバー外壁には、ヒータ４０２７が設けられており、チャンバー４０２０内部、基板ホルダ４０２６、および基板４０３０表面などの温度を制御することができる。ヒータ４０２７は、基板４０３０表面の温度を１００℃以上５００℃以下、好ましくは、２００℃以上４００℃以下に制御できることが好ましく、ヒータ４０２７自体の温度は１００℃以上５００℃以下に設定できることが好ましい。
原料供給部４０２１ａ、４０２１ｂ、および４０３１では、気化器や加熱手段などによって固体の原料や液体の原料から原料ガスを形成する。または、原料供給部４０２１ａ、４０２１ｂ、および４０３１は、気体の原料ガスを供給する構成としてもよい。
また、図１５Ｂでは、原料供給部４０２１を２つ、原料供給部４０３１を１つ設けている例を示しているが本実施の形態はこれに限定されない。原料供給部４０２１を１つ、または３つ以上設けてもよい。また原料供給部４０３１を２つ以上設けてもよい。また、高速バルブ４０２２ａ、４０２２ｂは時間で精密に制御することができ、原料供給部４０２１ａから供給される原料ガスと原料供給部４０２１ｂから供給される原料ガスの供給を制御する構成となっている。
図１５Ｂに示す成膜装置では、基板４０３０を基板ホルダ４０２６上に搬入し、チャンバー４０２０を密閉状態とした後、ヒータ４０２７により基板４０３０を所望の温度（例えば、１００℃以上５００℃以下、好ましくは２００℃以上４００℃以下）とし、原料供給部４０２１ａから供給される原料ガスの供給と、排気装置４０２５による排気と、原料供給部４０３１から供給される原料ガスの供給と、排気装置４０２５による排気とを繰り返すことで薄膜を基板表面に形成する。また、該薄膜の形成において、さらに原料供給部４０２１ｂから供給される原料ガスの供給と、排気装置４０２５による排気を行ってもよい。ヒータ４０２７の温度は、形成される膜種、原料ガス、所望の膜質、基板や、そこの設けられている膜や素子の耐熱性に応じて適宜決定すればよい。例えば、ヒータ４０２７の温度を２００℃以上３００℃以下に設定して成膜してもよいし、３００℃以上５００℃以下に設定して成膜してもよい。
ヒータ４０２７を用いて基板４０３０を加熱しながら成膜することで、後工程で必要な基板４０３０の加熱処理を省略することができる。すなわち、ヒータ４０２７が設けられたチャンバー４０２０、または成膜装置４０００を用いることで、基板４０３０上の膜の形成と、基板４０３０の加熱処理を兼ねることができる。
図１５Ｂに示す成膜装置では、原料供給部４０２１、および４０３１で用いる原料（揮発性有機金属化合物など）を適宜選択することにより、図２および図３で示した酸化シリコンなどを成膜することができる。酸化シリコンを成膜する場合、第１の原料供給部４０２１からシリコンを含むプリカーサが供給される。シリコンを含むプリカーサとしては、前述のプリカーサを用いることができる。また、原料供給部４０３１からは、リアクタントが供給される。リアクタントとして、例えば、オゾンおよび酸素の少なくとも１つを含む酸化剤を用いることができる。また、当該酸化剤は水素を含まないことが好ましい。
図１６は、成膜装置４０００に用いることができるＡＬＤ装置の異なる構成について説明する。なお、図１５Ｂに示したＡＬＤ装置と同様の構成や、その機能については詳細な説明を省略する場合がある。
図１６ＡはＰＥＡＬＤ装置の一態様を示す模式図である。ＰＥＡＬＤ装置４１００は、反応室４１２０と反応室４１２０上部に、プラズマ生成室４１１１が設けられている。反応室４１２０は、チャンバーと呼ぶことができる。または、反応室４１２０とプラズマ生成室４１１１を合わせてチャンバーと呼ぶことができる。反応室４１２０は、原料導入口４１２３と、原料排出口４１２４を有し、プラズマ生成室４１１１は、原料導入口４１３３を有する。また、プラズマ生成装置４１２８によりＲＦ等の高周波や、マイクロ波をプラズマ生成室４１１１に導入されたガスに印加し、プラズマ生成室４１１１内にプラズマ４１３１を生成することができる。マイクロ波を用いてプラズマ４１３１を生成する場合、代表的には周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が用いられる。このようなマイクロ波を用いて生成されたプラズマをＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマと呼ぶ場合がある。また、反応室４１２０は、基板ホルダ４１２６を有し、その上に基板４１３０が配置される。原料導入口４１２３から導入された原料ガスは、反応室４１２０に設けられたヒータからの熱により分解され、基板４１３０上に堆積する。また、原料導入口４１３３から導入された原料ガスは、プラズマ生成装置４１２８によりプラズマ状態となる。プラズマ状態となった原料ガスは、基板４１３０表面に到達するまでに電子や他の分子と再結合し、ラジカル状態となり基板４１３０に到達する。このように、ラジカルを利用して成膜を行うＡＬＤ装置を、ラジカルＡＬＤ（Ｒａｄｉｃａｌ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）装置と呼ぶ場合もある。また、ＰＥＡＬＤ装置４１００では、プラズマ生成室４１１１を反応室４１２０の上部に設ける構成を示しているが、本実施の形態はこれに限定されない。プラズマ生成室４１１１を反応室４１２０の側面に隣接して設けてもよい。
図１６ＢはＰＥＡＬＤ装置の一態様を示す模式図である。ＰＥＡＬＤ装置４２００は、チャンバー４２２０を有している。チャンバー４２２０は、電極４２１３、原料排出口４２２４、基板ホルダ４２２６を有し、その上に基板４２３０が配置される。電極４２１３は、原料導入口４２２３と、導入された原料ガスをチャンバー４２２０内に供給するシャワーヘッド４２１４を有している。また、電極４２１３には、コンデンサ４２１７を介して高周波を印加できる電源４２１５が接続されている。基板ホルダ４２２６には、一定の電位、または高周波が印加される機構が設けられていてもよい。あるいは、基板ホルダ４２２６は、フローティングでもよいし、接地されていてもよい。電極４２１３、および基板ホルダ４２２６は、それぞれプラズマ４２３１を生成するための上部電極、および下部電極として機能する。原料導入口４２２３から導入された原料ガスは、チャンバー４２２０に設けられたヒータからの熱により分解され、基板４２３０上に堆積する。または、原料導入口４２２３から導入された原料ガスは、電極４２１３、および基板ホルダ４２２６の間でプラズマ状態となる。プラズマ状態となった原料ガスは、プラズマ４２３１と基板４２３０の間に生じる電位差（イオンシースともいう）により基板４２３０に入射する。
図１６Ｃは、図１６Ｂとは異なるＰＥＡＬＤ装置の一態様を示す模式図である。ＰＥＡＬＤ装置４３００は、チャンバー４３２０を有している。チャンバー４３２０は、電極４３１３、原料排出口４３２４、基板ホルダ４３２６を有し、その上に基板４３３０が配置される。電極４３１３は、原料導入口４３２３と、導入された原料ガスをチャンバー４３２０内に供給するシャワーヘッド４３１４を有している。また、電極４３１３には、コンデンサ４３１７を介して高周波を印加できる電源４３１５が接続されている。基板ホルダ４３２６には、一定の電位、または高周波が印加される機構が設けられていてもよい。あるいは、基板ホルダ４３２６は、フローティングでもよいし、接地されていてもよい。電極４３１３、および基板ホルダ４３２６は、それぞれプラズマ４３３１を生成するための上部電極、および下部電極として機能する。ＰＥＡＬＤ装置４３００は、電極４３１３と基板ホルダ４３２６の間に、コンデンサ４３２２を介して高周波を印加できる電源４３２１が接続されたメッシュ４３１９を有している点で、ＰＥＡＬＤ装置４２００と異なる。メッシュ４３１９を設けることで、基板４１３０からプラズマ４２３１を離すことができる。原料導入口４３２３から導入された原料ガスは、チャンバー４３２０に設けられたヒータからの熱により分解され、基板４３３０上に堆積する。または、原料導入口４３２３から導入された原料ガスは、電極４３１３、および基板ホルダ４３２６の間でプラズマ状態となる。プラズマ状態となった原料ガスは、メッシュ４３１９により電荷が除去され、ラジカルなどの電気的に中性な状態で基板４１３０に到達する。このため、イオンの入射やプラズマによる損傷が抑制された成膜を行うことができる。
＜成膜シーケンス＞
図１７Ａに、図１５Ｂに示すＡＬＤ装置を用いた成膜シーケンスを示す。まず、チャンバー４０２０内の基板ホルダ４０２６に基板４０３０をセットする（Ｓ１０１）。次に、ヒータ４０２７の温度調節を行う（Ｓ１０２）。次に、基板４０３０の温度が基板面内で一様になるように基板４０３０を基板ホルダ４０２６上で保持する（Ｓ１０３）。次に、チャンバー４０２０にパージを挟みながら、プリカーサおよびリアクタントを交互に導入し、基板４０３０上に成膜を行う（Ｓ１０４）。また、Ｓ１０３とＳ１０４の間に、チャンバー４０２０内部を酸素雰囲気にする処理を行ってもよい。基板４０３０のセット、および保持後に、チャンバー４０２０内部を酸素雰囲気とすることで、基板４０３０および基板４０３０上に設けられた膜に酸素を添加できる場合がある。また、成膜前の基板４０３０および基板４０３０上に設けられた膜から水素を脱離できる場合がある。基板４０３０中、または膜中の水素が、基板４０３０中、または膜中に添加された酸素と反応し、水（Ｈ２Ｏ）となって基板４０３０、または膜から離脱する場合がある。
図１７Ｂは、上記成膜シーケンスの具体例を示している。上記Ｓ１０１乃至Ｓ１０３に従って、基板４０３０を基板ホルダ４０２６にセットし、ヒータ４０２７の温度調整、および基板４０３０の保持を行う。
次に、プリカーサ、およびリアクタントを交互に導入し、基板４０３０上に成膜を行う（Ｓ１０４）。プリカーサ、およびリアクタントの導入は、それぞれパルス状に行われる。図１７Ｂでは、プリカーサ、およびリアクタントの導入をそれぞれＯＮで示し、原料ガスが導入されていない期間をＯＦＦで示している。プリカーサ、およびリアクタントが、いずれも導入されていない期間では、チャンバー４０２０内をパージする。チャンバー４０２０にプリカーサを導入するパルス時間は、０．１秒以上１秒以下、好ましくは、０．１秒以上０．５秒以下とするのが好ましい。また、プリカーサが導入されていない期間、すなわちチャンバー４０２０内をパージする時間は、０．０５秒以上３０秒以下、好ましくは、１秒以上２０秒以下とする。チャンバー４０２０にリアクタントを導入するパルス時間は、０．１秒以上３０秒以下、好ましくは、０．３秒以上１５秒以下とするのが好ましい。また、リアクタントが導入されていない期間、すなわちチャンバー４０２０内をパージする時間は、０．０５秒以上３０秒以下、好ましくは、１秒以上２０秒以下とする。
成膜は、プリカーサの導入、プリカーサの排気、リアクタントの導入、リアクタントの排気を１サイクル（ｃｙｃｌｅ）とし、これを繰り返すことで、所望の膜厚を有する膜が形成される。
また、Ｓ１０３とＳ１０４の間に、チャンバー４０２０内部を酸素雰囲気にする処理を行う場合、チャンバー４０２０にリアクタントを導入してもよい。リアクタントとして、酸化剤として機能する、オゾン（Ｏ３）、酸素（Ｏ２）、および水（Ｈ２Ｏ）から選ばれた一、または複数を導入するのが好ましい。本実施の形態では、リアクタントとして、オゾン（Ｏ３）、および酸素（Ｏ２）を用いる。このとき、リアクタントは、Ｓ１０４に示す方法と同様にパルス状に導入されることが好ましいが、本発明はこれに限らない。リアクタントは、連続的に導入されてもよい。リアクタントが導入されていない期間では、チャンバー４０２０内をパージする。チャンバー４０２０にリアクタントを導入するパルス時間は、０．１秒以上３０秒以下、好ましくは、０．３秒以上１５秒以下とするのが好ましい。また、リアクタントが導入されていない期間、すなわちチャンバー４０２０内をパージする時間は、１秒以上３０秒以下、好ましくは、１秒以上２０秒以下とする。チャンバー４０２０に酸化剤などのリアクタントを導入することで、基板４０３０、または基板４０３０上に設けられた膜は、酸化剤などのリアクタントに曝される。
なお、基板４０３０のセット（Ｓ１０１）後に、ヒータ４０２７の温度調節が不要な場合は省略してもよい。また、基板４０３０の保持（Ｓ１０３）後に、チャンバー４０２０内部を酸素雰囲気にする必要が無い場合は、省略してもよい。
以上のようなＡＬＤ装置を用いて絶縁膜２５０Ａを成膜することで、図２および図３に示したようなモデルで絶縁膜２５０Ａを成膜することができる。これにより、絶縁膜２５０Ａ、絶縁体２８０、および酸化物２３０の水素濃度を低減することができる。これにより、酸化物２３０中のキャリア濃度を１．０×１０１６／ｃｍ３以下、好ましくは１．０×１０１３／ｃｍ３未満にすることができる。このような酸化物２３０を用いたトランジスタは、ノーマリーオフ特性にすることができ、良好な電気特性および信頼性を有する半導体装置を構成することができる。
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１２参照）。
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１３参照）。
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、導電体２６０上、酸化物２３０ｃ上、絶縁体２５０上、および絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成する。絶縁体２８２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１４参照）。絶縁体２８２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、酸化アルミニウムを成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いて、酸素を含む雰囲気で絶縁体２８２の成膜を行うことで、成膜しながら、絶縁体２８０に酸素を添加することができる。このとき、基板加熱を行いながら、絶縁体２８０を成膜することが好ましい。また、導電体２６０の上面に接して、絶縁体２８２を形成することで、この後の加熱処理において、絶縁体２８０が有する酸素が導電体２６０へ吸収されることを抑制することができるので好ましい。
次に、絶縁体２８２上に絶縁体２８３を成膜する（図１４参照）。絶縁体２８３も、絶縁体２５０と同様に、ＰＥＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。絶縁体２８３として、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンを成膜することが好ましい。絶縁体２８３の成膜は、図２および図３に示すのと同様の方法で行えばよいが、リアクタント２０として窒素ラジカルを用いる。窒素ラジカルは、窒素ガスをプラズマ化することで得られる。なお、窒素プラズマ中には、窒素が、分子、ラジカル、またはイオンなどの状態で含まれる。例えば、窒素ガスに、ＲＦ等の高周波や、マイクロ波を印加することで、窒素ラジカルを含む窒素プラズマを生成することができる。このとき、リアクタント２０は水素を含まないことが好ましい。
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。当該加熱処理によって、絶縁体２８２の成膜によって添加された酸素を絶縁体２８０へ拡散させ、さらに酸化物２３０ｃを介して、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂへ供給することができる。なお、当該加熱処理は、絶縁体２８３の成膜後に限らず、絶縁体２８２の成膜後に行ってもよい。
ここで、図３を用いて示したように、電磁波２９２を酸化物２３０、絶縁体２５０、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に照射してもよい（図１４参照）。ここで、電磁波２９２としては、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波を用いればよい。照射された電磁波２９２は、酸化物２３０、絶縁体２５０および絶縁体２８０中に浸透して、これらの中のＶＯＨを除去する。このとき発生した水素の一部は、酸素と結合してＨ２Ｏとして、酸化物２３０、および絶縁体２８０から除去される場合がある。また、水素の一部は、導電体２４２にゲッタリングされる場合がある。また、電磁波２９２の照射の際に、電磁波２９２によって酸素ガスをプラズマ化し、酸素ラジカルを形成してもよい。つまり、酸化物２３０、絶縁体２５０、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３ａに酸素を有する雰囲気でプラズマ処理を行ってもよい。以上のようにして、酸化物２３０、絶縁体２５０および絶縁体２８０中の水素濃度を低減することができる。
なお、電磁波２９２の照射は、絶縁体２８３の成膜後に限られるものではない。例えば、導電体２６０の形成直後に行ってもよいし、絶縁体２８２の成膜後に行ってもよい。また、例えば、図２および図３に示すような、絶縁体２８３成膜のリアクタントの導入工程で行ってもよい。
次に絶縁体２８３上に、絶縁体２７４を成膜してもよい。絶縁体２７４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に絶縁体２７４上に、絶縁体２８１を成膜してもよい。絶縁体２８１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２８１としては、例えば、スパッタリング法によって、窒化シリコンを成膜することが好ましい。
次に、絶縁体２７２、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、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、上記の絶縁体２８３の成膜と同様に、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜することが好ましい。窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好ましい。
また、絶縁体２４１となる絶縁膜の異方性エッチングとしては、例えばドライエッチング法などを用いればよい。開口の側壁部に絶縁体２４１を設けることで、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の一部が除去される場合がある。
次に、導電体２４６となる導電膜を成膜する。導電体２４６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、導電体２４６となる導電膜をリソグラフィー法によって加工し、導電体２４０ａの上面と接する導電体２４６ａおよび導電体２４０ｂの上面と接する導電体２４６ｂを形成する（図１参照）。
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１４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、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、ノーマリーオフの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、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、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、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、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、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、構造、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１８および図１９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１８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１８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１８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１８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１８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１８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１８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。
ここで、上記実施の形態に示す絶縁体２４１と同様に、プラグとして機能する導電体２１８の側面に接して絶縁体２１７が設けられる。絶縁体２１７は、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６に形成された開口の内壁に接して設けられている。つまり、絶縁体２１７は、導電体２１８と、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６と、の間に設けられている。なお、導電体２０５は導電体２１８と並行して形成することができるので、導電体２０５の側面に接して絶縁体２１７が形成される場合もある。
絶縁体２１７としては、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２１７は、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２２２に接して設けられるので、絶縁体２１０または絶縁体２１６などから水または水素などの不純物が、導電体２１８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。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好適である。また、絶縁体２１０または絶縁体２１６に含まれる酸素が導電体２１８に吸収されるのを防ぐことができる。
絶縁体２１７は、絶縁体２４１と同様の方法で形成することができる。例えば、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜し、異方性エッチングを用いて導電体３５６に達する開口を形成すればよい。
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２１０、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、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２１４、絶縁体２１２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１８では、過剰酸素を有する絶縁体２２４および絶縁体２８０と、導電体２４０との間に、絶縁体２４１を設けるとよい。絶縁体２４１と、絶縁体２２２、絶縁体２７２、および絶縁体２７３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２８０の一部とも接することが好ましい。絶縁体２４１が、絶縁体２７４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および絶縁体２８０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、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いため好ましい。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。
［記憶装置２］
本発明の一態様である半導体装置を使用した、記憶装置の一例を図１９に示す。図１９に示す記憶装置は、図１８で示したトランジスタ２００、トランジスタ３００、および容量素子１００を有する半導体装置に加え、トランジスタ４００を有している。
トランジスタ４００は、トランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。例えば、トランジスタ４００の第１のゲート及び第２のゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ４００のソースと、トランジスタ２００の第２のゲートを接続する構成とする。当該構成でトランジスタ２００の第２のゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ４００の第１のゲート－ソース間の電圧および、第２のゲートーソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ４００において、第２のゲート電圧及び第１のゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流が非常に小さいため、トランジスタ２００およびトランジスタ４００に電源供給をしなくても、トランジスタ２００の第２のゲートの負電位を長時間維持することができる。これにより、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置は、長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。
従って、図１９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のゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のバック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。配線１００７はトランジスタ４００のソースと電気的に接続され、配線１００８はトランジスタ４００のゲートと電気的に接続され、配線１００９はトランジスタ４００のバックゲートと電気的に接続され、配線１０１０はトランジスタ４００のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線１００６、配線１００７、配線１００８、及び配線１００９が電気的に接続されている。
また、図１９に示す記憶装置は、図１８に示す記憶装置と同様に、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。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ４００は、トランジスタ２００よりも、少ない個数を設けるとよい。
＜トランジスタ４００＞
トランジスタ４００は、トランジスタ２００と、同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ４００は、第１のゲートとして機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、第２のゲートとして機能する導電体４０５（導電体４０５ａ、および導電体４０５ｂ）と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２２、および絶縁体４５０と、チャネル形成領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースとして機能する導電体４４２ａ、酸化物４４３ａ、酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ドレインとして機能する導電体４４２ｂ、酸化物４４３ｂ、酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、プラグとして機能する導電体４４０（導電体４４０ａ、および導電体４４０ｂ）、および導電体４４０のバリア絶縁膜として機能する絶縁体４４１（絶縁体４４１ａ、および絶縁体４４１ｂ）と、を有する。
トランジスタ４００において、導電体４０５は、導電体２０５と、同じ層である。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａは、酸化物２３０ａと、同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂは、酸化物２３０ｂと、同じ層である。導電体４４２は、導電体２４２と、同じ層である。酸化物４４３は、酸化物２４３と、同じ層である。酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃと、同じ層である。絶縁体４５０は、絶縁体２５０と、同じ層である。導電体４６０は、導電体２６０と、同じ層である。導電体４４０は、導電体２４０と、同じ層である。絶縁体４４１は、絶縁体２４１と、同じ層である。
なお、同じ層に形成された構造体は、同時に形成することができる。例えば、酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃとなる酸化膜を加工することで、形成することができる。
トランジスタ４００の活性層として機能する酸化物４３０ｃは、酸化物２３０などと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、第２のゲート電圧及び第１のゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流を非常に小さくすることができる。
＜ダイシングライン＞
以下では、大面積基板を半導体素子ごとに分断することによって、複数の半導体装置をチップ状で取り出す場合に設けられるダイシングライン（スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある）について説明する。分断方法としては、例えば、まず、基板に半導体素子を分断するための溝（ダイシングライン）を形成した後、ダイシングラインにおいて切断し、複数の半導体装置に分断（分割）する場合がある。
ここで、例えば、図１９に示すように、絶縁体２７２と、絶縁体２２２とが接する領域をダイシングラインとなるように設計することが好ましい。つまり、複数のトランジスタ２００を有するメモリセル、およびトランジスタ４００の外縁に設けられるダイシングラインとなる領域近傍において、絶縁体２２４に開口を設ける。また、絶縁体２２４の側面を覆うように、絶縁体２７２を設ける。
つまり、上記絶縁体２２４に設けた開口において、絶縁体２２２と、絶縁体２７２とが接する。例えば、このとき、絶縁体２２２と、絶縁体２７２とを同材料及び同方法を用いて形成してもよい。絶縁体２２２、および絶縁体２７２を、同材料、および同方法で設けることで、密着性を高めることができる。例えば、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。
当該構造により、絶縁体２２２、および絶縁体２７２で、絶縁体２２４、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を包み込むことができる。絶縁体２２２、および絶縁体２７２は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体素子が形成された回路領域ごとに、基板を分断することにより、複数のチップに加工しても、分断した基板の側面方向から、水素又は水などの不純物が混入し、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００に拡散することを防ぐことができる。
また、当該構造により、絶縁体２２４の過剰酸素が絶縁体２７２、および絶縁体２２２を介して外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２２４の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００の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。
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、構造、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、図２０および図２１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２０Ａ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２０Ａ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２０Ｂ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２１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２１Ａ乃至図２１Ｃ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２１Ａ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２１Ｂ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２１Ｃ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２１Ｄ乃至図２１Ｈ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２１Ｄ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２１Ｅ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２１Ｆ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２１Ｇ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２１Ｈ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２１Ｈ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、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、図２２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２２Ａ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２２Ｂ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、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、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２３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２３Ａ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２３ＢはＳＤカードの外観の模式図であり、図２３Ｃ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２３ＤはＳＳＤの外観の模式図であり、図２３Ｅ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、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、構造、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６）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に適用可能な電子機器の具体例について図２４を用いて説明する。
より具体的には、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２４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２４に、電子機器の例を示す。
［携帯電話］
図２４Ａ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２４Ｂ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２４Ａ、図２４Ｂ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２４Ｃ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２４Ｄ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、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２４Ｄ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２４Ｅ１は移動体の一例である自動車５７００を示し、図２４Ｅ２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２４Ｅ２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２４Ｆ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２４Ｆ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２４Ｆ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２４Ｆ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、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
本実施例では、図１に示す、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０に対応する試料１Ａ乃至試料１Ｉを作製し、これらの試料についてキャリア濃度を測定した結果について説明する。
まず、試料１Ａ乃至試料１Ｉの作製方法について説明する。
試料１Ａ乃至試料１Ｉとして、石英基板を準備し、当該石英基板上に、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物膜（以下、ＩＧＺＯ膜と呼ぶ。）を、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚５ｎｍ狙いで成膜した。ＩＧＺＯ膜の成膜は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］ターゲットを用いた（以下、当該ＩＧＺＯ膜をＩＧＺＯ膜（１３４）と呼ぶ）。成膜ガスとして酸素ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａ（キヤノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ－２によって計測した。）とし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を２００℃とし、ターゲット－基板間距離を６０ｍｍとした。当該ＩＧＺＯ膜（１３４）が酸化物２３０ａに対応する。
さらに大気曝露させずに、ＩＧＺＯ膜（１３４）上に、ＩＧＺＯ膜を、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚３５ｎｍ狙いで成膜した。ＩＧＺＯ膜の成膜は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］ターゲットを用いた（以下、当該ＩＧＺＯ膜をＩＧＺＯ膜（４２３）と呼ぶ）。成膜ガスとして酸素ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａ（キヤノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ－２によって計測した。）とし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を２００℃とし、ターゲット－基板間距離を６０ｍｍとした。当該ＩＧＺＯ膜（４２３）が酸化物２３０ｂに対応する。
次に、試料１Ａ乃至試料１Ｉに、窒素雰囲気下で４００℃１時間の加熱処理を行い、さらに、酸素雰囲気下で４００℃１時間の加熱処理を行った。
次に、試料１Ａ乃至試料１Ｉにおいて、ＩＧＺＯ膜（４２３）の上にスパッタリング法を用いて膜厚２５ｎｍの窒化タンタル膜を成膜した。それから、当該窒化タンタル膜を、ドライエッチング処理で除去した。当該ドライエッチング処理では、エッチングガスとしてＣＦ４およびＣｌ２を用いた。当該窒化タンタル膜の成膜及び除去は、上記実施の形態で図５および図８示す、導電体層２４２Ｂの形成および導電体層２４２Ｂの一部を除去する工程に対応する。
次に、試料１Ａ乃至試料１Ｉを、フッ化水素酸を純水で希釈した水溶液を用いて洗浄した。
次に、試料１Ａ乃至試料１Ｉに、窒素雰囲気下で３５０℃１時間の加熱処理を行い、さらに、酸素雰囲気下で３５０℃１時間の加熱処理を行った。
次に、試料１Ａ乃至試料１Ｉにおいて、ＩＧＺＯ膜（４２３）上に、ＩＧＺＯ膜（１３４）を、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚５ｎｍ狙いで成膜した。ＩＧＺＯ膜（１３４）は、上記ＩＧＺＯ膜（１３４）と同様の条件で行った。本工程で成膜したＩＧＺＯ膜（１３４）が酸化物２３０ｃに対応する。
次に、試料１Ｂ乃至試料１Ｅにおいて、ＰＥＡＬＤ法を用いて膜厚１０ｎｍを狙って酸化シリコン膜を成膜した。当該酸化シリコン膜が絶縁体２５０に対応する。ＰＥＡＬＤの１サイクルは、プリカーサとしてアミノシラン化合物のガスを０．５秒間導入し、１８秒間パージを行い、リアクタントとして、酸素ガスを１．４秒間流して、流量を安定させた後、ＲＦプラズマジェネレータの出力を２８００Ｗにして１８秒間酸素プラズマを照射し、８秒間パージを行った。ＰＥＡＬＤの成膜中は、５５０ｓｃｃｍの窒素ガスおよび５０ｓｃｃｍのアルゴンガスを、キャリアガスとして導入し続けた。ＰＥＡＬＤの成膜中の基板温度は、試料１Ｂを２００℃、試料１Ｃを３００℃、試料１Ｄを３５０℃、試料１Ｅを４００℃とした。
また、試料１Ｆ乃至試料１Ｉにおいて、サーマルＡＬＤ法を用いて膜厚１０ｎｍを狙って酸化シリコン膜を成膜した。当該酸化シリコン膜が絶縁体２５０に対応する。サーマルＡＬＤの１サイクルは、プリカーサとしてアミノシラン化合物のガスを０．５秒間導入し、１８秒間パージを行い、リアクタントとしてオゾンと酸素の混合ガスを１８秒間導入し、８秒間パージを行った。サーマルＡＬＤの成膜中は、５５０ｓｃｃｍの窒素ガスおよび５０ｓｃｃｍのアルゴンガスを、キャリアガスとして導入し続けた。サーマルＡＬＤの成膜中の基板温度は、試料１Ｆを２００℃、試料１Ｇを３００℃、試料１Ｈを３５０℃、試料１Ｉを４００℃とした。
次に、試料１Ｂ乃至試料１Ｉにおいて、当該酸化シリコン膜の一部をドライエッチング処理で除去して、ＩＧＺＯ膜に達する開口を形成した。当該ドライエッチング処理では、エッチングガスとしてＣＦ４を用いた。
さらに、当該開口においてＩＧＺＯ膜に接するように、電極として機能するＴｉ－Ａｌ合金膜を形成した。
以上のようにして作製した試料１Ａ乃至試料１Ｉで、株式会社東陽テクニカ製ホール効果測定器「ＲｅｓｉＴｅｓｔ ８４００ ｓｅｒｉｅｓ」を用いて、シート抵抗値を測定し、キャリア濃度を算出した。試料１Ａ乃至試料１Ｅのキャリア濃度［１／ｃｍ３］を図２５Ａに、試料１Ａ、試料１Ｆ乃至試料１Ｉのキャリア濃度［１／ｃｍ３］を図２５Ｂに示す。
図２５Ａに示すように、ＰＥＡＬＤ法で成膜し、基板温度３００℃以上にした、試料１Ｃ、試料１Ｄ、および試料１Ｅは、酸化シリコン膜を成膜しなかった試料１Ａより、ＩＧＺＯ膜のキャリア濃度（ｃａｒｒｉｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）が著しく低くなった。また、図２５Ｂに示すように、サーマルＡＬＤ法で成膜し、基板温度３５０℃以上にした、試料１Ｈ、および試料１Ｉも、酸化シリコン膜を成膜しなかった試料１Ａより、ＩＧＺＯ膜のキャリア濃度が著しく低くなった。
また、基板温度を３５０℃以上にして、ＰＥＡＬＤ法またはサーマルＡＬＤ法で成膜した、試料１Ｄ、試料１Ｅ、試料１Ｈ、および試料１ＩのＩＧＺＯ膜のシート抵抗値は、ホール効果測定器の測定上限以上であった。このことから、試料１Ｄ、試料１Ｅ、試料１Ｈ、および試料１ＩのＩＧＺＯ膜のキャリア濃度は、１×１０１３／ｃｍ３未満であると推測される。
次に、試料１Ａ乃至試料１Ｉに対応して、試料２Ａ乃至試料２Ｉを作製して、各試料のＩＧＺＯ膜のＳＩＭＳ分析を行った。ここで、試料２Ａ乃至試料２Ｉは、石英基板の代わりに、膜厚１００ｎｍの熱酸化膜（Ｔｈｅｒｍａｌ ＳｉＯｘ）が形成されたシリコン基板を用いている点、および電極として機能するＴｉ－Ａｌ合金膜を形成していない点において、試料１Ａ乃至試料１Ｉと異なるが、その他の構造は、試料１Ａ乃至試料１Ｉと同様である。
試料２Ａ乃至試料２Ｅの水素濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］を図２６Ａに、試料２Ａ、試料２Ｆ乃至試料２Ｉの水素濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］を図２６Ｂに示す。図２６Ａおよび図２６Ｂにおいて、横軸に試料の深さ（ｄｅｐｔｈ）［ｎｍ］をとっている。なお、分析方向（Ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）は、試料の裏面から表面に向かう方向とし、ＩＧＺＯ膜中を水素の定量範囲（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）とした。
図２６Ｂに示すように、サーマルＡＬＤ法で成膜した、試料２Ｆ乃至試料２Ｉは、酸化シリコンを成膜しなかった試料２Ａと、水素濃度プロファイルが、ほぼ同様であった。また、図２６Ａに示すように、ＰＥＡＬＤ法で成膜した、試料２Ｂ乃至試料２Ｅでは、基板温度が高い試料２Ｄおよび試料２Ｅの水素濃度がやや高かったが、酸化シリコンを成膜しなかった試料２Ａと、水素濃度プロファイルは、概ね同様であった。
以上に示すように、基板加熱しながら、ＰＥＡＬＤ法またはサーマルＡＬＤ法で酸化シリコン膜を成膜することで、当該酸化シリコン膜の下のＩＧＺＯ膜において、水素濃度の増加を抑制し、キャリア濃度を低減できることが示された。このようなＩＧＺＯ膜をトランジスタに用いることで、トランジスタをノーマリーオフ特性にすることができ、良好な電気特性および信頼性を有する半導体装置を構成することができる。
１０：プリカーサ、２０：リアクタント、３０：電磁波、２００：トランジスタ、２０５：導電体、２０５ａ：導電体、２０５ｂ：導電体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１７：絶縁体、２１８：導電体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２２４Ａ：絶縁膜、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０Ａ：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｃ：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：酸化物、２４３ａ：酸化物、２４３Ａ：酸化膜、２４３ｂ：酸化物、２４３Ｂ：酸化物層、２４６：導電体、２４６ａ：導電体、２４６ｂ：導電体、２５０：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０Ａａ：導電膜、２６０Ａｂ：導電膜、２６０ｂ：導電体、２７２：絶縁体、２７２Ａ：絶縁膜、２７３：絶縁体、２７３Ａ：絶縁膜、２７４：絶縁体、２８０：絶縁体、２８１：絶縁体、２８２：絶縁体、２８３：絶縁体、２８３ａ：絶縁体、２９０：電磁波、２９２：電磁波

Claims (5)

  1. 第１の導電体と、第１および第２の絶縁体と、第１および第２の酸化物と、を有する半導体装置の作製方法において、
    基板上に前記第１の酸化物を形成し、
    前記第１の酸化物上に、前記第１の絶縁体を成膜し、
    前記第１の絶縁体に、前記第１の酸化物に達する開口を形成し、
    前記開口において、前記第１の酸化物および前記第１の絶縁体に接するように、第１の酸化膜を成膜し、
    前記第１の酸化膜上に、ＰＥＡＬＤ法を用いて第１の絶縁膜を成膜し、
    前記第１の絶縁膜上に、第１の導電膜を成膜し、
    前記第１の酸化膜の一部、前記第１の絶縁膜の一部、および前記第１の導電膜の一部を、前記第１の絶縁体の上面が露出するまで除去して、前記第２の酸化物、前記第２の絶縁体、および前記第１の導電体を形成し、
    前記第１の絶縁膜を成膜する前に、前記第１の酸化物、前記第１の酸化膜、および前記第１の絶縁体に、マイクロ波を照射することで、前記第１の酸化物中の酸素欠損に捕縛されている水素を脱離させ、
    前記第１の絶縁膜の成膜は、前記基板を３００℃以上に加熱しながら、シリコンを含む第１のガスをチャンバーに導入する工程と、前記基板を３００℃以上に加熱しながら、酸素ラジカルを含み、水素原子を含まない第２のガスを前記チャンバーに導入する工程と、を有する、半導体装置の作製方法。
  2. 請求項１において、
    前記第２のガスを導入する工程において、
    前記第１の酸化物、前記第１の酸化膜、および前記第１の絶縁体に、マイクロ波を照射する、半導体装置の作製方法。
  3. 第１の導電体と、第１および第２の絶縁体と、第１および第２の酸化物と、を有する半導体装置の作製方法において、
    基板上に前記第１の酸化物を形成し、
    前記第１の酸化物上に、前記第１の絶縁体を成膜し、
    前記第１の絶縁体に、前記第１の酸化物に達する開口を形成し、
    前記開口において、前記第１の酸化物および前記第１の絶縁体に接するように、第１の酸化膜を成膜し、
    前記第１の酸化膜上に、サーマルＡＬＤ法を用いて第１の絶縁膜を成膜し、
    前記第１の絶縁膜上に、第１の導電膜を成膜し、
    前記第１の酸化膜の一部、前記第１の絶縁膜の一部、および前記第１の導電膜の一部を、前記第１の絶縁体の上面が露出するまで除去して、前記第２の酸化物、前記第２の絶縁体、および前記第１の導電体を形成し、
    前記第１の絶縁膜を成膜する前に、前記第１の酸化物、前記第１の酸化膜、および前記第１の絶縁体に、マイクロ波を照射することで、前記第１の酸化物中の酸素欠損に捕縛されている水素を脱離させ、
    前記第１の絶縁膜の成膜は、前記基板を３５０℃以上に加熱しながら、シリコンを含む第１のガスをチャンバーに導入する工程と、前記基板を３５０℃以上に加熱しながら、オゾンおよび酸素の少なくとも一方を含み、水素原子を含まない第２のガスを前記チャンバーに導入する工程と、を有する、半導体装置の作製方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
    前記第２の酸化物、前記第２の絶縁体、および前記第１の導電体の形成後、
    さらに、前記第１の絶縁体、前記第２の酸化物、前記第２の絶縁体、および前記第１の導電体の上に、第３の絶縁体を成膜し、
    前記第３の絶縁体上に、ＰＥＡＬＤ法を用いて窒化シリコン膜を成膜する、半導体装置の作製方法。
  5. 請求項４において、
    前記窒化シリコン膜を成膜する前に、前記第１の酸化物、前記第２の酸化物、および前記第１の絶縁体に、マイクロ波を照射する、半導体装置の作製方法。
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