JPWO2019092541A1 - 半導体装置、および半導体装置の作製方法 - Google Patents

半導体装置、および半導体装置の作製方法 Download PDF

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Abstract

信頼性が良好な半導体装置を提供する。第１の絶縁体と、第１の絶縁体の上に配置された、第１の酸化物と、第１の酸化物の上に配置された、第２の酸化物と、第２の酸化物上に、互いに離して配置された、第１の導電体、および第２の導電体と、第２の酸化物、第１の導電体、および第２の導電体の上に配置された、第３の酸化物と、第３の酸化物の上に配置された第２の絶縁膜と、第３の酸化物、および第２の絶縁膜を間に挟み、第２の酸化物上に配置された第３の導電体と、を有し、第３の酸化物は、金属元素と、窒素を含み、金属元素は窒素と結合している。

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、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサ、およびメモリの開発が進められている。プロセッサは、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およびメモリ）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、ＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、および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。当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小さ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、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度に集積した集積回路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
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、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。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。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、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。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。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。
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、チャネル形成領域を有する半導体層と、半導体層と接するように設けられた、固定電荷を保持する層を有する半導体装置である。半導体装置は、固定電荷を保持する層により閾値が制御される。
また、半導体層は酸化物を含むことが好ましい。
本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体の上に配置された、第１の酸化物と、第１の酸化物の上に配置された、第２の酸化物と、第２の酸化物上に、互いに離して配置された、第１の導電体、および第２の導電体と、第２の酸化物、第１の導電体、および第２の導電体の上に配置された、第３の酸化物と、第３の酸化物の上に配置された第２の絶縁膜と、第３の酸化物、および第２の絶縁膜を間に挟み、第２の酸化物上に配置された第３の導電体と、を有し、第３の酸化物は、金属元素と、窒素を含み、金属元素は窒素と結合している半導体装置である。
上記において、第３の酸化物は、固定電荷を保持する層であることが好ましい。
上記において、第３の酸化物において、窒素の原子数比率が、０．１ａｔｏｍｉｃ％未満であることが好ましい。
本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体の上に配置された、第１の酸化物と、第１の酸化物の上に配置された、第２の酸化物と、第２の酸化物上に、互いに離して配置された、第１の導電体、および第２の導電体と、第２の酸化物、第１の導電体、および第２の導電体の上に配置された、第３の酸化物と、第３の酸化物の上に配置された第２の絶縁膜と、第３の酸化物、および第２の絶縁膜を間に挟み、第２の酸化物上に配置された第３の導電体と、を有し、第１の酸化物は、第１の層と、第２の層を有し、第２の層は、金属元素と、窒素を含み、金属元素は窒素と結合している半導体装置である。
上記において、第２の層は、固定電荷を保持する層であることが好ましい。
上記において、第２の層において、窒素の原子数比率が、０．１ａｔｏｍｉｃ％未満であることが好ましい。
上記において、第１の層は、第２の層より酸素濃度が高く、第２の層は、第１の層より窒素濃度が高いことが好ましい。
上記において、第１の酸化物、第２の酸化物、および第３の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する、ことが好ましい。
上記において、金属元素は、Ｉｎ、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）、およびＺｎから選ばれた一つであることが好ましい。
上記において、第１の導電体、および第２の導電体は、ルテニウムを含むことが好ましい。
本発明の一態様により、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。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、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。本発明の一態様により、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。
本発明の一態様により、情報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。本発明の一態様により、設計自由度が高い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、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。本発明の一態様により、新規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、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す図。 本発明の一態様に係る記憶装置の模式図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 本発明の実施例に係る半導体装置の断面図。 本発明の実施例に係る計算結果を示す図。 本発明の実施例に係る半導体装置の断面図。 本発明の実施例に係る計算結果を示す図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするため、図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
また、特に上面図（「平面図」ともいう。）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
また、本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に開示されているものとする。
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
本明細書において、酸化物、金属酸化物、化合物などを構成する元素の原子数比を示す場合、特段断りが無い限りは、その原子数比の近傍も含まれる場合がある。ここで、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の５０％以上１５０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の近傍として、１以上３以下を含み、［Ｂ］の近傍として、０．５以上１．５以下を含むものとする。また、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の８０％以上１２０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の近傍として、１．６以上２．４以下を含み、［Ｂ］の近傍として、０．８以上１．２以下を含むものとする。また、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の９０％以上１１０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の近傍として、１．８以上２．２以下を含み、［Ｂ］の近傍として、０．９以上１．１以下を含むものとする。
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。
なお、本明細書などにおいて、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う微細トランジスタでは、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。
また、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、「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について説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、および図１（Ｄ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の上面図および断面図である。
図１（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、および図１（Ｄ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図１（Ｄ）は、図１（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、および絶縁体２８１を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３、導電体２５６、およびプラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、および導電体２４０ｃ）とを有する。
なお、導電体２０３は、絶縁体２１２の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２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２０３が単層構造とな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２０３を２層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
また、導電体２４０は、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８１の開口の内壁、および絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８１の開口の内側に接して導電体２４０の第１の導電体が形成され、さらに内側に導電体２４０の第２の導電体が形成されている。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。また、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８１の開口の内壁と導電体２４０の間に、水素や水などの不純物や、酸素などの透過を抑制する絶縁性バリア、または導電性バリアを設けることが好ましい。本実施の形態では、絶縁性バリアとして絶縁体２７６を設ける例を示す。絶縁体２７６は、少なくとも絶縁体２８０の側面と、絶縁体２８２の側面の一部に設けられていればよく、絶縁体２８０に含まれる水素や水などの不純物や、酸素などの導電体２４０への拡散を抑制することが好ましい。
トランジスタ２００では、導電体２５６が、単層構造とな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２０３を２層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
［トランジスタ２００］
図１に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示しない。）の上に配置された 絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ１、および酸化物２３０ａ２）、および酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上に、互いに離して配置された導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂと、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂの上にそれぞれ設けられた絶縁体２７３ａ、および絶縁体２７３ｂと、酸化物２３０、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、絶縁体２７３ａ、および絶縁体２７３ｂの上に配置された酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｃの上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０の上に配置され、少なくとも一部が導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間に重なるように配置された導電体２６０と、絶縁体２５０の上に設けられ、かつ導電体２６０を覆って配置された絶縁体２７４と、絶縁体２７４の上に配置された絶縁体２８０と、絶縁体２８０の上に配置された絶縁体２８２と、を有する。
ここで、絶縁体２２２、絶縁体２７３、および絶縁体２７４は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（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、絶縁体２７３、および絶縁体２７４は、絶縁体２２４または絶縁体２８０より酸素透過性が低いことが好ましい。
また、酸化物２３０ａ１、酸化物２３０ａ２、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの少なくとも一は、窒素を含む酸化物であることが好ましい。例えば、酸化物２３０ｂと接する酸化物２３０ａ２、および酸化物２３０ｃの一方、または両方が窒素を含む酸化物であることが好ましい。
また、酸化物２３０ａ２として、窒素を含む酸化物を用いる場合、酸化物２３０ａ１は、窒素を含まない酸化物、酸化物２３０ａ２に比べて窒素の含有量が少ない酸化物、または酸化物２３０ａ２に比べて酸素の含有量が多い酸化物であることが好ましい。酸化物２３０ａ１は、その形成時、あるいは形成後に絶縁体２２４に酸素を供給できることが好ましい。例えば、酸素を含む雰囲気で酸化物２３０ａ１を形成することで、酸化物２３０ａ１の形成時において絶縁体２２４への酸素の供給や、酸素の含有量の多い酸化物を形成が可能となる。また、酸化物２３０ａ１として、酸素の含有量の多い酸化物を用いることで、加熱処理により絶縁体２２４に酸素を放出することが可能となる。
なお、トランジスタ２００では、チャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう。）と、その近傍において、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂ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。また、酸化物２３０ａが、酸化物２３０ａ１、および酸化物２３０ａ２の２層を有する例を示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、単層構造でも、３層以上の積層構造でもよい。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。
窒素を含む酸化物は、固定電荷を保持する層として機能する。窒素を含む酸化物は、その形成時、あるいは形成後に、酸化物に含まれる酸素の一部が窒素に置換される、あるいは酸化物中の酸素欠損（Ｖｏと表記する場合がある）に窒素が入ることで形成される。この構造は、ミッドギャップ、およびその近傍に状態を形成することが、第一原理計算の結果より示唆されている。このミッドギャップ、およびその近傍に状態が形成されると、同時に窒素を含む酸化物中に負の電荷が存在することになり、その電荷は窒素を含む酸化物内で固定される。すなわち、窒素を含む酸化物は、負の固定電荷を保持する。
負の固定電荷を保持する窒素を含む酸化物が、チャネル形成領域を有する酸化物と接するように設けられたトランジスタは、窒素を含む酸化物が設けられていないトランジスタと比較して、閾値がプラス側にシフトする。これは、チャネル形成領域が、固定電荷による電界の影響を受けているためと考えられる。
なお、酸化物中の酸素欠損（Ｖｏ）に窒素（Ｎ）が入ることをＶｏＮが形成されると表記する場合がある。
窒素を含む酸化物内において、ＶｏＮが増加すれば、その分負の固定電荷は増加する。つまり、窒素を含む酸化物中のＶｏＮ密度の増加により、固定電荷密度は増加する。窒素を含む酸化物中の固定電荷密度は、２．０×１０＋１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０＋１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１．０×１０＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０＋１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とするのが好ましい。窒素を含む酸化物中の負の固定電荷密度の増加に伴い、該トランジスタの閾値は、プラス側にシフトする。
トランジスタの閾値は、バックゲートとして機能する第２のゲートに電位を印加することでも制御可能である。一方、該トランジスタを所望の閾値に制御するため第２のゲートに印加する電位は、該トランジスタを有する半導体装置、あるいは電子機器の消費電力を増加させる。本実施の形態のように、チャネル形成領域を有する酸化物と接するように窒素を含む酸化物を設けることで、第２のゲートに印加する電位の絶対値を小さくできるため好ましい。あるいは、チャネル形成領域を有する酸化物と接するように窒素を含む酸化物を設けることで、所望の閾値を有するトランジスタを得ることができる場合は、第２のゲートへの電位の印加、あるいは第２のゲート自体が不要になるため好ましい。これにより、消費電力が低減されたトランジスタ、半導体装置、および電子機器を得ることができる。
また、第２のゲートに電位を印加することによるトランジスタの劣化が懸念される場合、チャネル形成領域を有する酸化物と接するように窒素を含む酸化物を設け、第２のゲートに印加する電位を低減することで、トランジスタの劣化が抑制、あるいは劣化の程度が低減されるため好ましい。これにより、信頼性の向上したトランジスタ、半導体装置、および電子機器を得ることができる。
ここで、導電体２６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。導電体２６０は、絶縁体２５０を介して導電体２４２ａと重なる領域と、絶縁体２５０を介して導電体２４２ｂと重なる領域を有することが好ましい。導電体２６０をこのような形状にすることにより、導電体２６０に位置合わせのマージンを持たせることができるので、酸化物２３０の導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域に、導電体２６０を確実に重畳させることができる。
なお、図１に示すように、導電体２６０は、導電体２６０ａと、導電体２６０ａの上に配置された導電体２６０ｂと、を有することが好ましい。また、本明細書において、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂをまとめて導電体２４２という場合がある。
また、トランジスタ２００は、基板（図示しない。）の上に配置された絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、を有することが好ましい。さらに、絶縁体２２０の上に絶縁体２２２が配置されることが好ましい。
また、トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。
チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ２００は、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ２００に用いることができる。
例えば、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。また、酸化物２３０として、窒素を含む金属酸化物を用いることができる。酸化物２３０の一部に、窒素を含む金属酸化物を用いることで、トランジスタの閾値をプラス側にシフトさせ、トランジスタ特性のノーマリーオン化を抑制することができる。
酸化物２３０が窒素を有する場合、その窒素濃度は、２．０×１０＋１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましい。さらには、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上４×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましい。さらには、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましい。さらには、２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満が好ましい。
または、酸化物２３０中の窒素の原子数比率は、０．００１ａｔｏｍｉｃ％以上１０ａｔｏｍｉｃ％以下が好ましい。さらには、０．００５ａｔｏｍｉｃ％以上５ａｔｏｍｉｃ％以下が好ましい。さらには、０．０１ａｔｏｍｉｃ％以上３ａｔｏｍｉｃ％以下が好ましい。さらには、０．０２ａｔｏｍｉｃ％以上０．１ａｔｏｍｉｃ％未満が好ましい。本明細書等において、窒素の原子数比率（ａｔｏｍｉｃ％）は、インジウム、元素Ｍ、亜鉛、酸素、窒素それぞれの原子数の合計に対する、窒素の原子数比率を示す。なお、本明細書等において、窒素の原子数比率を窒素濃度と記す場合がある。
窒素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）、金属酸化物層の組成、及び密度（ｇ／ｃｍ３）から、窒素の原子数比率（ａｔｏｍｉｃ％）を算出できる。金属酸化物層の密度は、Ｘ線反射率法（ＸＲＲ：Ｘ−ｒａｙ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）により評価できる。
酸化物２３０中の窒素濃度又は窒素の原子数比率を前述の範囲とすることで、酸化物２３０は固定電荷を保持する層として機能し、ノーマリーオフの電気特性を有し、かつオン電流が高いトランジスタを得ることができる。また、これにより消費電力が低減されたトランジスタ、半導体装置、および電子機器を得ることができる。
本明細書等において、例えば、ＡはＢより窒素濃度が高いと記す場合、Ａの窒素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）又は窒素の原子数比率（ａｔｏｍｉｃ％）がＢのそれより高いことを示す。
ここで、酸化物２３０は、水素、窒素、または金属元素などの不純物が存在すると、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。また、酸化物２３０に含まれる酸素濃度が低下すると、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。
酸化物２３０上に接するように設けられ、ソース電極やドレイン電極として機能する導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）が、酸化物２３０の酸素を吸収する機能を有する場合、または酸化物２３０に水素、窒素、または金属元素などの不純物を供給する機能を有する場合、酸化物２３０には、部分的に低抵抗領域が形成される場合がある。
ここで、図１（Ｂ）に示すように、酸化物２３０ｂ上に接するように導電体２４２が設けられ、酸化物２３０ｂの、導電体２４２との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域２４３（領域２４３ａ、および領域２４３ｂ）が形成されている。領域２４３ａはソース領域およびドレイン領域の一方として機能し、領域２４３ｂはソース領域およびドレイン領域の他方として機能する。領域２４３ａおよび領域２４３ｂの間には、チャネル形成領域として機能する領域２３４が設けられる。
ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２４３は、酸素濃度が低い、または水素や、窒素や、金属元素などの不純物を含む、ことでキャリア濃度が増加し、低抵抗化した領域である。すなわち、領域２４３は、領域２３４と比較して、キャリア密度が高く、低抵抗な領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域２３４は、領域２４３よりも、酸素濃度が高い、または不純物濃度が低いため、キャリア密度が低い高抵抗領域である。
ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、チャネルが形成される領域２３４中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
トランジスタのノーマリーオン化を抑制するには、酸化物２３０に接して、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体を設け、熱処理によって当該絶縁体が含む酸素を酸化物２３０へと拡散させればよい。例えば、絶縁体２８０に酸素を添加し、絶縁体２８０に含まれる酸素を、熱処理によって拡散させればよい。これにより、酸化物２３０に酸素が供給され、当該酸素により、酸化物２３０の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。
また、低抵抗領域である領域２４３が金属元素を含む場合、領域２４３は、酸化物２３０の他に、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。
また、図１（Ｂ）では、領域２４３が、酸化物２３０ｂの膜厚と概略同じ厚さを有しているが、これに限られない。例えば、図５（Ａ）に示すように、領域２４３は、酸化物２３０ｂの膜厚方向において、酸化物２３０ｂの導電体２４２との界面近傍に形成されていてもよいし、酸化物２３０ａにも、形成されていてもよい。また、図５（Ｂ）は、導電体２４２が積層構造を有している例を示している。導電体２４２は、酸化物２３０ｂと接する導電体２４２−１、および導電体２４２−１の上の導電体２４２−２を有している。導電体２４２−１が酸化物２３０ｂに含まれる酸素を吸収することで、酸化物２３０ｂに低抵抗領域として機能する領域２４３を形成する。なお、領域２４３を接合層、あるいはＮ型接合層と呼ぶ場合がある。
また、酸化物２３０において、各領域の境界を明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、ならびに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化（グラデーションともいう。）していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、ならびに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
酸化物２３０を、選択的に低抵抗化するには、導電体２４２として、例えば、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を含む材料を用いることが好ましい。または、導電体２４２の形成において、酸化物２３０に、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などの不純物が注入される材料や成膜方法などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、希ガス等が挙げられる。また、希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。
例えば、導電体２４２−１として、アルミニウム、チタン、シリコン、タンタル、タングステン、およびこれらを含む化合物の少なくとも一を含む材料を用い、導電体２４２−２として、ルテニウムや、アルミニウムを含むルテニウムを用いることができる。
また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。
以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、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。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。
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２０３は、図１（Ａ）および図１（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、導電体２０５に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれて設けることが好ましい。
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、導電体２０３の上に接して設けるとよい。また、導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。
ここで、導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能する場合がある。また、導電体２０５は、第２のゲート（ボトムゲートともいう。）電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００のＶｔｈを制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００のＶｔｈを０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体２０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
また、導電体２０３上に導電体２０５を設けることで、第１のゲート電極、および配線としての機能を有する導電体２６０と、導電体２０３との距離を適宜設計することが可能となる。つまり、導電体２０３と導電体２６０の間に絶縁体２１４および絶縁体２１６などが設けられることで、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減し、導電体２０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることができる。
また、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減することで、トランジスタ２００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体２０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体２１４および絶縁体２１６の膜厚を厚くすることが好ましい。なお、導電体２０３の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ２００のチャネル長方向に延伸されてもよい。
なお、導電体２０５は、図１（Ａ）に示すように、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、酸化物２３０における領域２３４よりも、大きく設けるとよい。特に、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０ｂの領域２３４のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物２３０ｂのチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。
上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、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２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６の開口の内壁に接して導電体２０５ａが形成され、さらに内側に導電体２０５ｂが形成されている。ここで、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂの上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０５は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
ここで、導電体２０５ａ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。）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（上記酸素が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一またはすべての拡散を抑制する機能とする。
導電体２０５ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５ｂ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。したがって、導電体２０５ａとしては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体２０５を通じて、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。
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２０５ｂを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
また、導電体２０３は、配線として機能するため、導電体２０５ｂより導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、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２０３は積層構造としてもよく、例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、または窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
特に、導電体２０３に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物２３０に拡散することで、トランジスタ２００の電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体２１４には、銅の透過性が低い窒化シリコン、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。
なお、導電体２０５、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体２０３の一部が第２のゲート電極として機能することができる。
絶縁体２１０、および絶縁体２１４は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１０、および絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体２１０として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体２１０および絶縁体２１４よりも基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が、絶縁体２１０および絶縁体２１４よりも基板側に、拡散するのを抑制することができる。
また、導電体２０３の上に導電体２０５を積層して設ける構成にすることにより、導電体２０３と導電体２０５の間に絶縁体２１４を設けることができる。ここで、導電体２０３の第２の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
また、層間膜として機能する絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１は、絶縁体２１０、または絶縁体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２１２、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。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。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体２５０は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
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が有する酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することがなく、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。
特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料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。
また、絶縁体２２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、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、好適である。また、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体２２０を得ることができる。
なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。また、絶縁体２２０を設けず、絶得ない２２２と絶縁体２２４だけを設ける構成にしてもよい。
酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。また、酸化物２３０ａは、酸化物２３０ａ１、および酸化物２３０ａ２の積層構造を有する。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。
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）で表すことができる金属酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物などを用いることができる。
なお、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
また、詳細は後述するが、酸化物２３０に、弱いＺｎ−Ｏ結合が存在すると、トランジスタの安定性が低下する場合がある。よって、酸化物２３０、特に酸化物２３０ｂに含まれるＺｎが少ない方が好ましい。例えば、酸化物２３０ｂに含まれるＺｎの原子数比は、酸化物２３０ｂに含まれるＩｎの原子数比より小さくすればよい。
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、製造工程における熱履歴（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２３０の少なくとも一部が窒素を含む場合、酸化物２３０の形成時、あるいは形成後に酸化物２３０から酸素が引き抜かれることにより生じる酸素欠損（Ｖｏと表記する場合がある）に窒素が入ることでＶｏＮを形成し、酸素欠損を補完する場合がある。金属酸化物中の酸素が窒素に置き換わることで、金属酸化物は、金属（Ｍ）と窒素（Ｎ）の結合（ＭＮ結合と表記する場合がある）を有する。ここで、ＭはＩｎ、Ｇａ、またはＺｎであることが好ましい。金属酸化物中のＶｏＮ、およびＭＮ結合は極めて安定であると考えられる。よって、酸化物２３０からＺｎ、Ｇａ、Ｉｎなどの金属元素の脱離を抑制することができる。このような金属酸化物を用いた半導体装置は、安定した電気特性を有するとともに、信頼性が向上する。
また、酸化物２３０ａ１、酸化物２３０ａ２、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃのいずれか一、または複数に窒素を含む金属酸化物を用いることで、該酸化物は負の固定電荷を保持し、トランジスタ２００の閾値をプラス側にシフトさせることができるため好ましい。
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、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする。）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
酸化物２３０ａとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：４またはその近傍の原子数比の金属酸化物、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：２またはその近傍の原子数比の金属酸化物、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：０．５またはその近傍の原子数比の金属酸化物、および窒素を含む上記金属酸化物などを用いることができる。ここで、本明細書において、ある原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の５０％以上１５０％以下、好ましくは８０％以上１２０％以下、より好ましくは９０％以上１１０％以下を含めるものとする。また、酸化物２３０ａが酸化物２３０ａ１、および酸化物２３０ａ２を含む積層構造を有する場合、酸化物２３０ａ１が有する金属元素の原子数比は、酸化物２３０ａ２が有する金属元素の原子数比と同じでもよいし、異なっていてもよい。また、酸化物２３０ａ１、および酸化物２３０ａ２の一方、または両方が窒素を含んでいることが好ましい。また、酸化物２３０ａ１、および酸化物２３０ａ２の両方が窒素を含んでいる場合、酸化物２３０ａ１の窒素濃度と、酸化物２３０ａ２の窒素濃度は同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、酸化物２３０ａ１、および酸化物２３０ａ２として、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：４の原子数比の金属酸化物を用い、酸化物２３０ａ１は、酸化物２３０ａ２に比べて酸素濃度が高く、酸化物２３０ａ２は、酸化物２３０ａ１に比べて窒素濃度が高いことが好ましい。
酸化物２３０ｂとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３またはその近傍の原子数比の金属酸化物、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：０．５またはその近傍の原子数比の金属酸化物、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：１：７またはその近傍の原子数比の金属酸化物、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１またはその近傍の原子数比の金属酸化物、および窒素を含む上記金属酸化物などを用いることができる。
酸化物２３０ｃとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３またはその近傍の原子数比の金属酸化物、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：０．５またはその近傍の原子数比の金属酸化物、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：１：７またはその近傍の原子数比の金属酸化物、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１またはその近傍の原子数比の金属酸化物、および窒素を含む上記金属酸化物などを用いることができる。また、酸化物２３０ｃとして、シリコンを含むインジウム錫酸化物を用いることができる。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高いオン電流を得られる。一方、酸化物２３０ｃ、または酸化物２３０ａがキャリアの主たる経路となる場合もある。
また、酸化物２３０は、領域２４３および領域２３４を有する。なお、領域２４３の少なくとも一部は、導電体２４２と接する領域を有する。
なお、トランジスタ２００をオンさせると、領域２４３ａ、または領域２４３ｂは、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域２３４は、チャネルが形成される領域として機能する。また、領域２４３と領域２３４との間に、接合領域として機能する領域を有していてもよい。
また、酸化物２３０ａ１、酸化物２３０ａ２、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの少なくとも一は、固定電荷を保持する層であることが好ましく、固定電荷を保持する層として、窒素を含む酸化物であることが好ましい。
つまり、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
酸化物２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、領域２３４となる金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
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ため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
酸化物２３０ｂ上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）が設けられる。導電体２４２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、アルミニウムを含むルテニウム合金、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、アルミニウムを含むルテニウム合金、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。
酸化物２３０と接するように上記導電体２４２を設けることで、領域２４３の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域２４３に導電体２４２に含まれる金属と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域２４３のキャリア密度が増加し、領域２４３は、低抵抗領域となる。
また、導電体２４２は積層構造としてもよい。例えば、図５（Ｂ）に示すように、導電体２４２として、酸化物２３０に含まれる酸素を吸収する導電体２４２−１と、導電体２４２−１に比べて酸素を吸収しにくい導電体２４２−２を積層してもよい。このような構造とすることで、酸化物２３０に含まれる酸素が導電体２４２−１に吸収され、酸化物２３０において導電体２４２−１の近傍には、酸素濃度が低減することで低抵抗化した領域２４３が形成される場合がある。
例えば、導電体２４２−１として、アルミニウム、チタン、シリコン、タンタル、タングステン、およびこれらを含む化合物の少なくとも一を含む材料を用い、導電体２４２−２として、ルテニウムや、アルミニウムを含むルテニウムを用いることができる。
導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂの上には、それぞれ絶縁体２７３ａ、および絶縁体２７３ｂ（絶縁体２７３）が設けられることが好ましい。
絶縁体２７３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２７３は、絶縁体２２２と同様な材料を用いることができる。絶縁体２７３としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。
絶縁体２７３は、被覆性の良いＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。
このような絶縁体２７３を用いることで、導電体２４２の酸化を抑制することができ、導電体２４２は、酸化物２３０と良好なコンタクトを得ることができる。
絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
絶縁体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、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。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、当該金属酸化物は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
第１のゲート電極として機能する導電体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、導電体２０５ａと同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する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。
また、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５が、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、延伸している場合、導電体２６０は、当該領域において、絶縁体２５０を介して、重畳していることが好ましい。つまり、酸化物２３０の側面の外側において、導電体２０５と、絶縁体２５０と、導電体２６０とは、積層構造を形成することが好ましい。
上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
絶縁体２７４は、絶縁体２５０の上面、および導電体２６０の上面と側面に接することが好ましい。
絶縁体２７４は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。例えば、絶縁体２７４は、絶縁体２２２や、絶縁体２７３と同様な材料を用いることができる。絶縁体２７４としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。
絶縁体２７４は、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。ＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、導電体２６０や、酸化物２３０により生じる凹凸に対して、段切れなどが形成されるのを防ぐことができる。
このような絶縁体２７４を用いることで、導電体２６０の酸化を抑制することができる。
絶縁体２８０は、絶縁体２２４、酸化物２３０、導電体２４２、絶縁体２７３、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７４上に設けられる。絶縁体２８０は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体２８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンなどを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料は、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。
上述のように、絶縁体２８０は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体２８０を、絶縁体２２４と接して設けることで、絶縁体２８０中の酸素を、絶縁体２２４を通じて、酸化物２３０の領域２３４へと効率良く供給することができる。なお、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、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、および図１（Ｄ）に示すように、平坦化されていてもよい。あるいは、絶縁体２８０の上面は、酸化物２３０や導電体２６０により生じる凹凸に沿うように、凹凸面を有していてもよい。
絶縁体２８２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２８２は、絶縁体２２４や、絶縁体２８０より酸素透過性が低いことが好ましい。
絶縁体２８２は、絶縁体２８０の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体２８２を、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２８０へ加熱により脱離する酸素を含む領域を設けることができる。これにより、当該領域から、絶縁体２２４や絶縁体２５０を介して酸化物２３０中に酸素を供給することができる。ここで、絶縁体２８２が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体２８０が有する酸素が、絶縁体２８１側へ拡散することを防ぐことができるので、好ましい。
例えば、絶縁体２８２として、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。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。例えば、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムを絶縁体２８２に用いることで、絶縁体２８２は、絶縁体２８０に酸素供給を行うとともに、絶縁体２８２の上方からの水素などの不純物が、絶縁体２８０側に混入するのを抑制することができる。
また、絶縁体２８２の上に、層間膜として機能する絶縁体２８１を設けることが好ましい。絶縁体２８１は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
また、絶縁体２８１、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。また、絶縁体２８１、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７４に形成された開口に、導電体２４０ｃを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、および導電体２４０ｃの上面の高さは、絶縁体２８１の上面と、同一平面上としてもよい。
なお、絶縁体２８１、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３ａの開口の内壁に接して、導電体２４０ａの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２４２ａが位置しており、導電体２４０ａが導電体２４２ａと接する。同様に、絶縁体２８１、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３ｂの開口の内壁に接して、導電体２４０ｂの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２４２ｂが位置しており、導電体２４０ｂが導電体２４２ｂと接する。同様に、絶縁体２８１、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７４の開口の内壁に接して、導電体２４０ｃの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２６０が位置しており、導電体２４０ｃが導電体２６０と接する。
また、各開口の内壁と、導電体２４０の間には、水素や水などの不純物や、酸素などの透過を抑制する絶縁性バリア、または導電性バリアを設けることが好ましい。本実施の形態では、絶縁性バリアとして絶縁体２７６を設ける例を示す。絶縁体２７６は、少なくとも絶縁体２８０の側面と、絶縁体２８２の側面の一部に設けられていればよく、絶縁体２８０に含まれる水素や水などの不純物や、酸素などの導電体２４０への拡散を抑制することが好ましい。
導電体２４０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２４０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、導電体２４２、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８１と接する導電体には、導電体２０５ａなどと同様に、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２４０に吸収されるのを防ぐことができる。また、絶縁体２８１より上層から水素、水などの不純物が、導電体２４０を通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
また、導電体２４０の上面に接して配線として機能する導電体２５６を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、導電体２５６は、導電体２０３などと同様に、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、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可撓性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。すなわち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
可撓性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。また、基板として、繊維を編み込んだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。可撓性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板である基板としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板である基板として好適である。
＜＜絶縁体＞＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。
また、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。そのため、例えば、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、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
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。
例えば、ゲート絶縁体として機能する絶縁体２２４、および絶縁体２５０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。
また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２２において、アルミニウム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。特に、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。
例えば、絶縁体２２０には、熱に対して安定である酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いることが好ましい。ゲート絶縁体として、熱に対して安定な膜と、比誘電率が高い膜との積層構造とすることで、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域との間のリーク電流を抑制することができる。
絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、またはアクリルなどがある。
絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２７３、絶縁体２７４、および絶縁体２８１としては、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。絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２７３、絶縁体２７４、および絶縁体２８１としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、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、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ればよい。
＜＜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。
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
導電体２６０、導電体２０３、導電体２０５、導電体２４２、および導電体２４０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、アルミニウムを含むルテニウム合金、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、アルミニウムを含むルテニウム合金、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。
＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたは錫などが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫などとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、および非晶質酸化物半導体などがある。
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、およびＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
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。
ここで、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることを示す。
また、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれる結晶のａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なる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。
［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの半導体層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（または正孔）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、および絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、および高い電界効果移動度を得ることができる。
すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記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場合について説明する。
なお、上記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、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
ここで、金属酸化物の電気伝導の仮説の一例について説明する。
固体中の電気伝導は、散乱中心と呼ばれる散乱源によって阻害される。例えば、単結晶シリコンの場合、格子散乱とイオン化不純物散乱が、主な散乱中心であることが知られている。換言すると、格子欠陥および不純物の少ない本質的な状態のとき、固体中の電気伝導の阻害要因がなく、キャリアの移動度は高い。
上記のことは、金属酸化物に対しても、あてはまると推測される。例えば、化学量論的組成よりも酸素の量が少ない金属酸化物では、酸素欠損が多く存在すると考えられる。この酸素欠損周りに存在する原子は、本質的な状態よりも、歪んだ場所に位置する。この酸素欠損による歪みが散乱中心となっている可能性がある。
また、例えば、化学量論的組成よりも酸素の量が少ない金属酸化物では、過剰酸素が存在する。金属酸化物中で遊離した状態で存在する過剰酸素は、電子を受け取ることで、Ｏ−やＯ２−になる。Ｏ−やＯ２−となった過剰酸素が散乱中心になる可能性がある。
以上のことから、金属酸化物が、化学量論的組成を満たす酸素を含む本質的な状態を有する場合、キャリアの移動度は高いと考えられる。
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、とくに、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。これは、大きな結晶を形成するよりも、小さな結晶同士が連結する方が、歪みエネルギーが緩和されるためと考えられる。
なお、小さな結晶同士が連結する領域においては、該領域の歪みエネルギーを緩和するために、欠陥が形成される場合がある。したがって、該領域に欠陥を形成することなく、歪みエネルギーを緩和させることで、キャリアの移動度を高くすることができる。
また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
［不純物］
ここで、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。
金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じる場合があり、キャリア密度が増加することで、ｎ型化する場合がある。すなわち、金属酸化物中の窒素は、不純物になり得る。この結果、窒素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。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、金属酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
また、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。
［真空ベークの効果］
ここでは、金属酸化物に含まれる、弱いＺｎ−Ｏ結合について説明し、該結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一例について示す。
金属酸化物を用いたトランジスタにおいて、トランジスタの電気特性の不良に繋がる欠陥の一例として酸素欠損がある。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、閾値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。これは、金属酸化物に含まれる酸素欠損に起因したドナーが生成され、キャリア濃度が増加するためである。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に動作不良が発生しやすくなる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題が生じる。
また、モジュールを作製するための接続配線を形成する工程における熱履歴（サーマルバジェット）により、閾値電圧の変動、寄生抵抗の増大、などのトランジスタの電気特性の劣化、該電気特性の劣化に伴う電気特性のばらつきの増大、などの問題がある。これらの問題は、製造歩留りの低下に直結するため、対策の検討は重要である。また、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化（経年変化）を短時間で評価することができるストレス試験でも電気特性の劣化が生じる。該電気特性の劣化は、製造過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって金属酸化物中の酸素が欠損することに起因すると推測される。
金属酸化物中には、金属原子との結合が弱く、酸素欠損となりやすい酸素原子が存在する。特に、金属酸化物がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合は、亜鉛原子と酸素原子とが弱い結合（弱いＺｎ−Ｏ結合、ともいう）を形成しやすい。ここで、弱いＺｎ−Ｏ結合とは、製造過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって切断される程度の強さで結合した、亜鉛原子と酸素原子の間に生じる結合である。弱いＺｎ−Ｏ結合が金属酸化物中に存在すると、熱処理または電流ストレスによって、該結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸素欠損が形成されることにより、熱処理に対する耐性、ストレス試験における耐性などといった、トランジスタの安定性が低下する。
亜鉛原子と多く結合している酸素原子と、該亜鉛原子との間に生じる結合は、弱いＺｎ−Ｏ結合である場合がある。ガリウム原子と比べて、亜鉛原子は、酸素原子との結合が弱い。したがって、亜鉛原子と多く結合している酸素原子は欠損しやすい。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、その他の金属との結合よりも弱いと推測される。
また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、弱いＺｎ−Ｏ結合が形成されやすいと推測される。金属酸化物中の不純物としては、例えば、水分子や水素がある。金属酸化物中に水分子や水素が存在することで、水素原子が、金属酸化物を構成する酸素原子と結合する（ＯＨ結合ともいう。）場合がある。金属酸化物を構成する酸素原子は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物が単結晶である場合、金属酸化物を構成する金属原子４つと結合している。しかしながら、水素原子と結合した酸素原子は、２つまたは３つの金属原子と結合している場合がある。酸素原子に結合している金属原子の数が減少することで、該酸素原子は欠損しやすくなる。なお、ＯＨ結合を形成している酸素原子に亜鉛原子が結合している場合、該酸素原子と該亜鉛原子との結合は弱いと推測される。
また、弱いＺｎ−Ｏ結合は、複数のナノ結晶が連結する領域に存在する歪みに形成される場合がある。ナノ結晶は六角形を基本とするが、該歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する。該歪みでは、原子間の結合距離が一様でないため、弱いＺｎ−Ｏ結合が形成されていると推測される。
また、弱いＺｎ−Ｏ結合は、金属酸化物の結晶性が低い場合に形成されやすいと推測される。金属酸化物の結晶性が高い場合、金属酸化物を構成する亜鉛原子は、酸素原子４つまたは５つと結合している。しかし、金属酸化物の結晶性が低くなると、亜鉛原子と結合する酸素原子の数が減少する傾向がある。亜鉛原子に結合する酸素原子の数が減少すると、該亜鉛原子は欠損しやすくなる。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、単結晶で生じる結合よりも弱いと推測される。
上記の弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することで、熱処理または電流ストレスによる酸素欠損の形成を抑制し、トランジスタの安定性を向上させることができる。なお、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子のみを低減し、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する亜鉛原子が減少しない場合、該亜鉛原子近傍に酸素原子を供給すると、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成される場合がある。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する亜鉛原子および酸素原子を低減することが好ましい。
弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一つとして、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施する方法が挙げられる。真空ベークとは、真空雰囲気下で行う加熱処理のことである。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。なお、処理室の圧力は、１×１０−２Ｐａ以下、好ましくは１×１０−３Ｐａ以下とすればよい。また、加熱処理時の基板の温度は、３００℃以上、好ましくは４００℃以上とすればよい。
真空ベークを実施することで、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。また、真空ベークによって金属酸化物に熱が与えられるため、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減した後、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減するとともに、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、真空ベークを実施することで、金属酸化物中の水分子または水素を放出し、ＯＨ結合を低減することができる。金属酸化物中のＯＨ結合が減少することで、４つの金属原子と結合している酸素原子の割合が増える。また、水分子または水素が放出される際、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
以上のように、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施することで、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。したがって、該工程により、トランジスタの安定性を向上することができる。また、トランジスタの安定性が向上することで、材料や形成方法の選択の自由度が高くなる。
＜半導体装置の変形例＞
以下では、図２乃至図４を用いて、先の＜半導体装置の構成例＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタを有する半導体装置の一例について説明する。
また、図２乃至図４において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、各図の（Ｄ）は、（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
なお、図２乃至図４に示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置（図１参照。）を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目において、各トランジスタの構成材料については＜半導体装置の構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
図２に示すトランジスタ２００Ａは、上面視において、絶縁体２７３は、導電体２４２、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａ、および絶縁体２２４を覆い、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面が概略一致し、絶縁体２７４が導電体２６０の上面、および側面、絶縁体２５０の側面、酸化物２３０ｃの側面、および絶縁体２７３の上面、および側面を覆っている点において、図１に示すトランジスタ２００と異なる。また、絶縁体２７３は、導電体２４２の上面の一部、および酸化物２３０ｂの上面を露出する開口を有しており、図２（Ｂ）に示すように、導電体２４２の端部が、絶縁体２７３の端部より領域２３４側に位置している。これは、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２を形成後、上記開口を有する絶縁体２７３を形成し、絶縁体２７３を形成後、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０を形成し、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０を形成後、絶縁体２７４を形成すればよい。
また図２（Ｂ）において、領域２４３の厚さは、酸化物２３０ｂの膜厚と一致する例を示しているが、本発明はこれに限らない。図５（Ａ）、および図５（Ｂ）に示すように、領域２４３は、酸化物２３０ｂの導電体２４２近傍に形成されてもよい。また、領域２４３は、酸化物２３０ｂだけでなく、酸化物２３０ａに形成されてもよい。
図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、および図２（Ｄ）に示すように、トランジスタ２００Ａでは、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの上面の一部、および側面、および導電体２４２の上面の一部、および側面が絶縁体２７３に覆われていることで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに含まれる酸素の外方への拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および絶縁体２２４に水素や水などの不純物や、過剰な酸素など、意図しない物質の混入を抑制することができる。また、導電体２４２の酸化を抑制することができる。
また、導電体２６０の上面、および側面、絶縁体２５０の側面、酸化物２３０ｃの側面、および絶縁体２７３の上面、および側面が、絶縁体２７４に覆われていることで、導電体２６０の酸化や、絶縁体２５０への水素や水などの不純物や、過剰な酸素など、意図しない物質の混入を抑制することができる。
図３に示すトランジスタ２００Ｂは、導電体２４２が、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａの側面の一部を覆い、絶縁体２２４の上面の一部を覆うように延伸している点において、図２に示すトランジスタ２００Ａと異なる。導電体２４２が、酸化物２３０ｂにおける領域２４３の上面、および側面を覆うことで、導電体２４２と領域２４３は良好なコンタクトを形成することができる。これは、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成後、導電体２４２を形成し、導電体２４２を形成後、開口を有する絶縁体２７３を形成し、絶縁体２７３を形成後、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０を形成し、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０を形成後、絶縁体２７４を形成すればよい。
また図３（Ｂ）において、領域２４３の厚さは、酸化物２３０ｂの膜厚と一致する例を示しているが、本発明はこれに限らない。図５（Ａ）、および図５（Ｂ）に示すように、領域２４３は、酸化物２３０ｂの導電体２４２近傍に形成されてもよい。また、領域２４３は、酸化物２３０ｂだけでなく、酸化物２３０ａに形成されてもよい。
図４に示すトランジスタ２００Ｃは、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂの下にそれぞれ酸化物２３０ｄ、および酸化物２３０ｅが設けられており、絶縁体２７３が有する開口部は、図４（Ａ）、および図４（Ｃ）に示すように、酸化物２３０ｂの領域２３４全体を露出し、かつ絶縁体２２４の一部、および絶縁体２２２の一部を露出し、図４（Ａ）、および図４（Ｂ）に示すように、絶縁体２７３の向かい合う側端部は、導電体２４２、および酸化物２３０ｄ、または酸化物２３０ｅの側端部と概略一致する点において、図３に示すトランジスタ２００Ｂと異なる。酸化物２３０ｂと導電体２４２の間に酸化物２３０ｄ、または酸化物２３０ｅを設けることで、酸化物２３０ｂと導電体２４２の間のコンタクト抵抗を低減することができ、トランジスタ２００Ｃのオン電流を大きくすることができる。酸化物２３０ｄ、および酸化物２３０ｅは、金属酸化物を用いることが好ましく、窒素を含む金属酸化物を用いることがより好ましい。また、酸化物２３０ｄ、および酸化物２３０ｅとして、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３またはその近傍の原子数比の金属酸化物、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：０．５またはその近傍の原子数比の金属酸化物、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝５：１：７またはその近傍の原子数比の金属酸化物、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：１：１またはその近傍の原子数比の金属酸化物、および窒素を含む上記金属酸化物などを用いることができる。また、酸化物２３０ｄ、および酸化物２３０ｅとして、シリコンを含むインジウム錫酸化物を用いることができる。
また図４（Ｂ）において、領域２４３の厚さは、酸化物２３０ｂの膜厚、および酸化物２３０ｄ、または酸化物２３０ｅの膜厚の合計と一致する例を示しているが、本発明はこれに限らない。図５（Ｃ）、および図５（Ｄ）に示すように、領域２４３は、酸化物２３０ｄ、または酸化物２３０ｅの導電体２４２近傍に形成されてもよい。また、領域２４３は、酸化物２３０ｄ、酸化物２３０ｅ、または酸化物２３０ｂだけでなく、酸化物２３０ａに形成されてもよい。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、図１に示すトランジスタ２００を有する半導体装置について、作製方法を図６乃至図１０を用いて説明する。また、図６乃至図１０において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、各図の（Ｄ）は、（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１０を成膜する。絶縁体２１０の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ＡＬＤ法は、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。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、搬送や圧力調整にかかる時間を要さない分、成膜にか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２１０として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体２１０は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
次に絶縁体２１０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、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２１２として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２１２に、絶縁体２１０に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１０は、絶縁体２１２をエッチングして開口を形成する際のエッチングストッパ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、開口を形成する絶縁体２１２に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体２１０は、エッチングストッパ膜として機能する絶縁膜として、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、導電膜を成膜する。当該導電膜は、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好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
本実施の形態では、当該導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタル、または、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜の上に、タングステン、アルミニウム、または銅を成膜する。当該導電膜の一部にこのような金属窒化物を用いることにより、当該導電膜の上層に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０３から外に拡散するのを抑制することができる。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、当該導電膜の一部を除去し、絶縁体２１２を露出する。その結果、開口部のみに、上面が平坦な導電体２０３を形成することができる（図６参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１２の一部が除去される場合がある。
次に、絶縁体２１２、および導電体２０３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、ＣＶＤ法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体２１４として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、導電体２０３の一部に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
次に、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２１４および絶縁体２１６に、導電体２０３に達する開口を形成する。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。
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性材料を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体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となる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。
次に、導電体２０５ａとなる導電膜上に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
本実施の形態では、導電体２０５ｂとなる導電膜として、ＣＶＤ法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上にＣＶＤ法によってタングステンを成膜する。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、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、および導電体２０５ｂとなる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂを含む導電体２０５を形成することができる（図６参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１６の一部が除去される場合がある。
次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２０を成膜する。絶縁体２２０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２２０として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２２０上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２２が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体２２２を通じてトランジスタ２００の内側へ拡散することが抑制され、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、絶縁体２２２上に絶縁体２２４を成膜する。絶縁体２２４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２２４として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２４の成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体２２４に含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。
また、加熱処理は、絶縁体２２０成膜後、および絶縁体２２２の成膜後のそれぞれのタイミングで行うこともできる。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が、絶縁体２２０成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。
ここで、絶縁体２２４に加熱により脱離する酸素を含む領域を形成するために、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理、およびプラズマイマージョンイオンインプランテーション法から選ばれた一、または複数の方法を用いて絶縁体２２４に酸素を供給してもよい。このとき、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法を用いることで、絶縁体２２４に制御よく酸素を供給できるため、好ましい。
なお、上記の方法の代わりに、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えば、マイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率良く絶縁体２２４内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体２２４に含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
次に、絶縁体２２４上に、酸化物２３０ａ１となる酸化膜２３０Ａ１と、酸化物２３０ａ２となる酸化膜２３０Ａ２と、酸化物２３０ｂとなる酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図６参照。）。なお、上記酸化膜は、大気環境に晒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２３０Ａ１、酸化膜２３０Ａ２、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２３０Ａ１と酸化膜２３０Ａ２、酸化膜２３０Ａ２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２３０Ａ１、酸化膜２３０Ａ２、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。
酸化膜２３０Ａ１、酸化膜２３０Ａ２、および酸化膜２３０Ｂの成膜は、スパッタリング法を用いることが好ましく、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酸素を増やし、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。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。
また、酸化膜２３０Ａ１、酸化膜２３０Ａ２、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、上記の金属酸化物のターゲットを用いることができる。ただし、例えば、金属酸化物をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。
また、スパッタリングガスを高純度化することが好ましい。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスや希ガスは、露点が−６０℃以下、好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いる。高純度化されたスパッタリングガスを用いて成膜することで、酸化物２３０に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
また、スパッタリング法で酸化膜２３０Ａ１、酸化膜２３０Ａ２、および酸化膜２３０Ｂを成膜する場合、スパッタリング装置が有する成膜室内の水分を可能な限り除去することが好ましい。例えば、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、成膜室内を高真空（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、成膜室内のＨ２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧を１×１０−４Ｐａ以下、好ましく５×１０−５Ｐａ以下とすることが好ましい。
特に、酸化膜２３０Ａ１の成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ａ１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。
酸化膜２３０Ａ２の成膜時に、窒素を含むスパッタリングガスを用いることで、酸化膜２３０Ａ２は窒素を含む酸化膜とすることができる。酸化膜２３０Ａ２のスパッタリングガスに含まれる窒素の割合は５％以上５０％以下、好ましくは５％以上３０％以下、より好ましくは１０％以上２０％以下とすればよい。
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１０％以上、好ましくは３０％以上として成膜すると、酸化膜２３０Ｂを上記のＣＡＡＣ−ＯＳ膜にすることができる。
本実施の形態では、酸化膜２３０Ａ１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、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］のターゲット、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ａ２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、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］のターゲット、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］のターゲットを用いて、窒素を含む雰囲気にて成膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
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２３０Ａ１、酸化膜２３０Ａ２、および酸化膜２３０Ｂ中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
次に、酸化膜２３０Ｂ上に導電膜２４２Ａを成膜する。導電膜２４２Ａ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、アルミニウムを含むルテニウム、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、導電膜２４２Ａは、２層以上の積層構造を有していてもよく、アルミニウムを含むルテニウム上にタンタル、チタン、タングステン、窒化タンタル、または窒化チタンを積層してもよいし、アルミニウム上にルテニウムやアルミニウムを含むルテニウムを積層してもよい。なお、導電膜２４２Ａの形成は、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、導電膜２４２Ａ上に絶縁膜２７３Ａを形成する（図６参照。）。絶縁膜２７３Ａ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。絶縁膜２７３Ａが、水素および水に対するバリア性を有することで、導電膜２４２Ａの酸化を抑制することができる。
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。
次に、リソグラフィー法を用いて、酸化膜２３０Ａ１、酸化膜２３０Ａ２、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７３Ａの一部を選択的に除去して、島状の酸化物２３０ａ１、酸化物２３０ａ２（酸化物２３０ａ）、および酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上に導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂと、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ上にそれぞれ絶縁体２７３ａ、および絶縁体２７３ｂを形成する（図７参照）。当該処理において、酸化膜２３０Ａ１、酸化膜２３０Ａ２、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７３Ａを島状に加工してから、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂの間に位置する導電体、および絶縁体２７３ａ、および絶縁体２７３ｂの間に位置する絶縁体を除去してもよいし、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂの間に位置する導電体、および絶縁体２７３ａ、および絶縁体２７３ｂの間に位置する絶縁体を除去してから、酸化膜２３０Ａ１、酸化膜２３０Ａ２、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７３Ａを島状に加工してもよい。また、酸化膜２３０Ａ１、酸化膜２３０Ａ２、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７３Ａの選択的除去は、ドライエッチング法やウエ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、当該加工処理にて、絶縁体２２４の一部が除去される場合がある。
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 Ｕｌｔｒａ ｖｉｏｌｅｔ）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、レジスト上に直接描画を行うため、上述のレジスト露光用のマスクは不要となる。なお、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウエ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エットエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処理後にドライエッチング処理を行う、などで、除去することができる。
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、当該構成材料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。当該構成材料のエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。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。当該構成材料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よい。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２３０ａ１、および酸化物２３０ａ２）、および酸化物２３０ｂ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、および酸化物２３０ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、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。なお、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角は大きいほど好ましい。
また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２、および絶縁体２７３の側面と、絶縁体２７３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、絶縁体２７３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。このとき、湾曲面は、導電体２４２、および酸化物２３０ｂの側面にまで形成されてもよい。
また、上記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、酸化物２３０ｂ、導電体２４２などの側面、上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、洗浄を行うことが好ましい。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、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。
ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、過酸化水素水、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。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。
続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。ただし、該加熱処理により、導電体２４２の酸化が懸念される場合、該加熱処理は、酸素を含まない雰囲気で行われることが好ましい。一方、導電体２４２が、耐酸化性材料を含む場合、該加熱処理を、酸素を含む雰囲気で行ってもよい。
該加熱処理により、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。また、上記加工におけるドライエッチングにて酸化物２３０ａ、または酸化物２３０ｂに生じたダメージを回復することができる。また、酸素を含む雰囲気で加熱処理を行った場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに酸素を添加することができる。
また、上記加熱処理により、導電体２４２から、上述した金属元素が酸化物２３０へ拡散し、酸化物２３０に金属元素を添加することができる。また、酸化物２３０の導電体２４２との界面近傍における酸素が導電体２４２に吸収される場合がある。その結果、酸化物２３０の導電体２４２との界面近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その際、酸化物２３０の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。なお、図７（Ｂ）では、酸化物２３０の上記低抵抗化領域の一例として、点線にて領域２４３ａ、および領域２４３ｂを示している。
領域２４３（領域２４３ａ、および領域２４３ｂ）は、酸化物２３０ｂの深さ方向に拡散するように設けられる例を示しているが、本発明はこれに限らない。領域２４３は、深さ方向において、導電体２４２近傍のみに形成されていてもよいし、酸化物２３０ａに形成されていてもよい。また、領域２４３は、水平方向において、導電体２４２と重なる領域のみに形成される例を示しているが、本発明はこれに限らない。領域２４３は、導電体２４２から水平方向に拡散した領域に形成されてもよい。
また、酸化物２３０中の水素は、領域２４３に拡散し、領域２４３に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２４３に拡散し、領域２４３に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。したがって、熱処理によって、領域２４３は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、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。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。
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２、および絶縁体２７３の上に、酸化膜２３０Ｃを成膜する（図８参照）。
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。酸化物２３０ｃに求める特性に合わせて、酸化膜２３０Ａ、または酸化膜２３０Ｂと同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｃを成膜すればよい。例えば、酸化膜２３０Ａと同様に、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合を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、本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲット、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：７［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
続いて、酸化膜２３０Ｃ上に、絶縁膜２５０Ａを成膜する（図８参照。）。
絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３５０℃以上４５０℃未満、特に４００℃前後とすることが好ましい。絶縁膜２５０Ａを、４００℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。
また、絶縁膜２５０Ａを成膜する前に、絶縁膜２５０Ａの成膜装置において、加熱処理を行うことが好ましい。ここでの加熱処理は、上述の真空ベークを行うことが好ましい。このように熱処理を行うことで、酸化物２３０の弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する亜鉛原子および酸素原子を除去することができるので、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。さらに、当該加熱処理から外気に曝すことなく、同一成膜装置で連続して成膜を行うことによって、水などの不純物を混入させずに、絶縁膜２５０Ａで酸化物２３０を覆うことができる。また、マルチチャンバー方式の成膜装置で加熱処理と成膜処理を異なるチャンバーで行うことにより、加熱処理で脱離した水、亜鉛などの不純物の影響を受けずに絶縁膜２５０Ａの成膜を行うことができる。
また、絶縁膜２５０Ａの成膜後に加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁膜２５０Ａの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
続いて、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを順次成膜する（図８参照。）。導電膜２６０Ａおよび導電膜２６０Ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。例えば、導電膜２６０Ａとして、窒化チタンを成膜し、導電膜２６０Ｂとして、タングステンを成膜してもよい。
導電膜２６０Ａとして、ＣＶＤ法、またはスパッタリング法により、金属窒化物を形成するとよい。導電膜２６０Ａに金属窒化物を用いることにより、絶縁膜２５０Ａが有する酸素により、導電膜２６０Ｂが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。
また、導電膜２６０Ｂとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、酸化物２３０ｂに低抵抗領域が形成される場合がある。
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂの一部を選択的に除去して、導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂを形成する（図９参照。）。導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂのエッチングは、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
次に、絶縁体２５０、および導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）を覆って、絶縁膜２７４Ａを成膜する（図９参照。）。絶縁膜２７４Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２７４Ａは、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。ＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、酸化物２３０、導電体２６０などにより生じる凹凸によって、段切れなどが形成されるのを防ぐことができる。
絶縁膜２７４Ａは、絶縁性バリアとして機能することが好ましく、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。バリア性を有する絶縁膜２７４Ａにより、絶縁膜２７４Ａの上から酸素が導電体２６０に混入することを低減できる。
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、絶縁膜２７４Ａ、絶縁膜２５０Ａ、および酸化膜２３０Ｃの一部を選択的に除去して、絶縁体２７４、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃを形成する（図１０参照。）。絶縁膜２７４Ａ、絶縁膜２５０Ａ、および酸化膜２３０Ｃのエッチングは、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０、導電体２４２、絶縁体２７３、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７４の上に、絶縁体２８０を成膜する（図１０参照。）。絶縁体２８０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、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体２８０に用いると、後の工程で絶縁体２８０中に、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成できるため好ましい。また、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。絶縁体２８０の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。または、スピンコート法、ディップ法、液滴吐出法（インクジェット法など）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷など）、ドクターナイフ法、ロールコーター法、またはカーテンコーター法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２８０として、ＣＶＤ法によって酸化窒化シリコンを成膜する。
なお、絶縁体２８０は、上面が平坦性を有するように形成することが好ましい。例えば、絶縁体２８０は、成膜した直後に上面が平坦性を有していてもよい。または、例えば、絶縁体２８０は、成膜後に基板裏面などの基準面と平行になるよう絶縁体などを上面から除去していくことで平坦性を有してもよい。このような処理を、平坦化処理と呼ぶ。平坦化処理としては、ＣＭＰ処理、ドライエッチング処理などがある。本実施の形態では、平坦化処理として、ＣＭＰ処理を用いる。ただし、絶縁体２８０の上面は必ずしも平坦性を有さなくてもよい。
次に、絶縁体２８０の上に絶縁体２８２を成膜する（図１０参照。）。絶縁体２８２は、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。また、絶縁体２８２は、水または水素などの不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２８２は、バリア性を有す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用いることが好ましい。本実施の形態では、絶縁体２８２として、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜する。
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に酸素を導入することができる。ここで、酸素は、例えば、酸素ラジカルとして添加されるが、酸素が添加されるときの状態はこれに限定されない。酸素は、酸素原子、又は酸素イオンなどの状態で添加されてもよい。後の工程の熱処理によって、酸素を拡散させて酸化物２３０に効果的に酸素を供給することができる。
なお、絶縁体２８２を成膜する際に、基板加熱を行うことが好ましい。基板加熱は、１００℃よりも高く、３００℃以下であることが好ましい。より、好ましくは１２０℃以上２５０℃以下で行えばよい。基板温度を、１００℃よりも高くすることで、酸化物２３０中の水を除去することができる。また、形成した膜上に、表面吸着水が付着することを防止することができる。また、このように基板加熱を行いながら絶縁体２８２を成膜することにより、成膜しながら酸素を絶縁体２８０から、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および酸化物２３０に拡散させることができる。
また、トランジスタ２００を、絶縁体２８２および絶縁体２２２で挟まれる構造とすることによって、酸素を外方拡散させず、絶縁体２８０、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および酸化物２３０中に多くの酸素を含有させることができる。さらに、絶縁体２８２の上方および絶縁体２２２の下方から水または水素などの不純物が混入するのを防ぎ、絶縁体２８０、絶縁体２２４、および酸化物２３０中の不純物濃度を低減させることができる。
続いて、加熱処理を行う。当該加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。当該加熱処理は、酸素雰囲気で行えばよい。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えばよい。ここで不活性ガスとしては、例えば窒素ガスまたは希ガスなどを用いることができる。当該加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、当該加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、酸素ガス雰囲気中で４００℃、１時間の加熱処理を行う。
次に、絶縁体２８２の上に、絶縁体２８１を成膜する。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。または、スピンコート法、ディップ法、液滴吐出法（インクジェット法など）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷など）、ドクターナイフ法、ロールコーター法、またはカーテンコーター法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、当該絶縁体２８１として、酸化窒化シリコンを用いる。
次に、絶縁体２８１、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７３に、導電体２４２に達する開口、および絶縁体２８１、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７４に、導電体２６０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、該開口の内壁に、絶縁性バリアとして機能する絶縁体２７６を形成してもよい。絶縁体２７６は、該開口内部と絶縁体２８１の上面に絶縁膜を形成した後、異方性エッチングによるエッチバックを行い、開口底部の絶縁膜、および絶縁体２８１上の絶縁膜を除去することで形成することができる。次に、導電体２４０の第１の導電体、および導電体２４０の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、および導電体２４０ｃ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、導電体２４０ｂ、および導電体２４０ｃを形成することができる（図１参照）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８１の一部が除去する場合がある。
また、導電体２４０と電気的に接続し、配線として機能する導電体２５６を設けてもよい。
以上により、図１に示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。図６乃至図１０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、良好な電気特性および信頼性を有する、トランジスタ２００を作成することができる。
本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、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、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、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、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、記憶装置１として機能する半導体装置の一形態を、図１１を用いて説明する。
＜記憶装置１＞
図１１（Ａ）に示す記憶装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、容量素子１００を有している。図１１（Ａ）は、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００のチャネル長方向の断面図である。図１１（Ｂ）には、トランジスタ３００近傍のトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図を示す。なお、以降の説明において、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置について説明する。
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１１（Ａ）に示す記憶装置において、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のトップゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のボトム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。
図１１（Ａ）に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線１００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、配線１００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＳＮに与えられる。すなわち、トランジスタ３００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下、Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、配線１００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＳＮに電荷が保持される（保持）。
トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＳＮの電荷は長期間にわたって保持される。
次に情報の読み出しについて説明する。配線１００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、配線１００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、配線１００２は、ノードＳＮに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上の閾値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上の閾値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上の閾値電圧とは、トランジスタ３００を導通状態とするために必要な配線１００５の電位をいうものとする。したがって、配線１００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＳＮに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＳＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は導通状態となる。一方、ノードＳＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は非導通状態のままである。このため、配線１００２の電位を判別することで、ノードＳＮに保持されている情報を読み出すことができる。
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、メモリセルアレイがＮＯＲ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を非導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＳＮに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が非導通状態となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線１００５に与えればよい。または、例えば、メモリセルアレイがＮＡＮＤ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＳＮに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が導通状態となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線１００５に与えればよい。
＜記憶装置１の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図１１（Ａ）に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００は、トランジスタ３００の上方に設けられる。また、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。
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、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、図１１（Ｂ）に示すように、半導体領域３１３の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ３００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ３００のオフ特性を向上させることができる。
トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することでトランジスタのＶｔｈを調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
なお、図１１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。
トランジスタ３００を覆って、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。
絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、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、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。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。
また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ）などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。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。
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、または配線としての機能を有する。また、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。
各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、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。
絶縁体３２６、および導電体３３０上に、一または複数の配線層を設けてもよい。例えば、図１１（Ａ）において、絶縁体３５０（絶縁体３５０−１、絶縁体３５０−２、絶縁体３５０−３、絶縁体３５０−４）、絶縁体３５２（絶縁体３５２−１、絶縁体３５２−２、絶縁体３５２−３、絶縁体３５２−４）、および絶縁体３５４（絶縁体３５４−１、絶縁体３５４−２、絶縁体３５４−３、絶縁体３５４−４）が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４には、導電体３５６（導電体３５６−１、導電体３５６−２、導電体３５６−３、導電体３５６−４）が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、絶縁体３５２、および絶縁体３５４は、絶縁体３２６と同様の材料を用いることができる。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。
図１１（Ａ）において、導電体３５６を含む配線層を４層積層する例を示しているが、本実施の形態に係る記憶装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層を３層以下にしてもよいし、５層以上にしてもよい。
絶縁体３５４上には絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６が、順に積層して設けられている。絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
また、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、およびトランジスタ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、およびトランジスタ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。導電体２１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
特に、絶縁体２１０、および絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。なお、トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図１１（Ａ）に示すトランジスタ２００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。例えば、図２に示すトランジスタ２００Ａ、図３に示すトランジスタ２００Ｂ、図４に示すトランジスタ２００Ｃなどを用いることができる。
トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８１を設けられる。
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８１には、導電体２４０等が埋め込まれている。
導電体２４０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。導電体２４０は、導電体３２８、あるいは導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
続いて、トランジスタ２００の上方には、容量素子１００が設けられている。容量素子１００は、導電体１１０と、導電体１２０、絶縁体１３０とを有する。
導電体１１０は、容量素子１００の一方の電極としての機能を有する。
導電体１１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。または、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、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
図１１（Ａ）では、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。
絶縁体１３０を介して、導電体１１０と重畳するように、容量素子１００の他方の電極として機能する導電体１２０を設ける。なお、導電体１２０は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。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、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
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。絶縁体１５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体１５０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。
また、絶縁体１５０、および絶縁体１３０には、導電体２４０と電気的に接続する導電体１１２が埋め込まれている。また、導電体１１２、および絶縁体１５０上に導電体１６０を設けてもよい。
本構造を用いることで、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ともに、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、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、上記実施の形態とは異なる、記憶装置として機能する半導体装置の一形態を、図１２および図１３を用いて説明する。図１２および図１３は、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。）を示している。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２の構成例＞
図１２（Ａ）にＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、コントロールロジック回路１４６０を有する。
列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、および書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。
コントロールロジック回路１４６０は、外部からの入力信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。ＣＥは、チップイネーブル信号であり、ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
メモリセルアレイ１４７０は、行列状に配置された、複数個のメモリセルＭＣと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ１４７０と行回路１４２０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一列に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ１４７０と列回路１４３０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一行に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。
なお、図１２（Ａ）において、周辺回路１４１１とメモリセルアレイ１４７０を同一平面上に形成する例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図１２（Ｂ）に示すように、周辺回路１４１１の一部の上に、メモリセルアレイ１４７０が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。
図１３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１３（Ａ）乃至図１３（Ｃ）に、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、１ＯＳトランジスタ１容量素子型のメモリセルを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ場合がある。図１３（Ａ）に示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（フロントゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７１に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１３（Ｂ）に示すメモリセル１４７２のように、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１３（Ｃ）に示すメモリセル１４７３ように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ１で構成されたメモリセルとしてもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７１等に用いる場合、トランジスタＭ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＡとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
また、ＤＯＳＲＡＭにおいて、上記のように、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
［ＮＯＳＲＡＭ］
図１３（Ｄ）乃至図１３（Ｈ）に、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図１３（Ｄ）に示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、データの読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７４に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１３（Ｅ）に示すメモリセル１４７５のように、トランジスタＭ２のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１３（Ｆ）に示すメモリセル１４７６のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ２で構成されたメモリセルとしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１３（Ｇ）に示すメモリセル１４７７のように、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ３としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＢとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に低くすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７４に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至１４７７も同様である。
なお、トランジスタＭ３は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタと呼ぶ場合がある）であってもよい。Ｓｉトランジスタの導電型は、ｎチャネル型としてもよいし、ｐチャネル型としてもよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタＭ３として、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタＭ３にＳｉトランジスタを用いることで、トランジスタＭ３の上に積層してトランジスタＭ２を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。
また、トランジスタＭ３はＯＳトランジスタであってもよい。トランジスタＭ２、Ｍ３にＯＳトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
また、図１３（Ｈ）に３トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの一例を示す。図１３（Ｈ）に示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至Ｍ６、および容量素子ＣＣを有する。容量素子ＣＣは適宜設けられる。メモリセル１４７８は、配線ＢＩＬ、ＲＷＬ、ＷＷＬ、ＢＧＬ、およびＧＮＤＬに電気的に接続されている。配線ＧＮＤＬは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル１４７８を、配線ＢＩＬに代えて、配線ＲＢＬ、ＷＢＬに電気的に接続してもよい。
トランジスタＭ４は、バックゲートを有するＯＳトランジスタであり、バックゲートは配線ＢＧＬに電気的に接続されている。なお、トランジスタＭ４のバックゲートとゲートとを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭ４はバックゲートを有さなくてもよい。
なお、トランジスタＭ５、Ｍ６はそれぞれ、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはｐチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、トランジスタＭ４乃至Ｍ６がＯＳトランジスタでもよい、この場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７８に用いる場合、トランジスタＭ４としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ５、Ｍ６としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＣとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４のリーク電流を非常に低くすることができる。
なお、本実施の形態に示す、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態や実施例に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、図１４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１４（Ａ）に示すように、チップ１２００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１１、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１２、一または複数のアナログ演算部１２１３、一または複数のメモリコントローラ１２１４、一または複数のインターフェース１２１５、一または複数のネットワーク回路１２１６等を有する。
チップ１２００には、バンプ（図示しない）が設けられ、図１４（Ｂ）に示すように、プリント基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）１２０１の第１の面と接続する。また、ＰＣＢ１２０１の第１の面の裏面には、複数のバンプ１２０２が設けられており、マザーボード１２０３と接続する。
マザーボード１２０３には、ＤＲＡＭ１２２１、フラッシュメモリ１２２２等の記憶装置が設けられていてもよい。例えば、ＤＲＡＭ１２２１に先の実施の形態に示すＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ１２２２に先の実施の形態に示すＮＯＳＲＡＭを用いることができる。
ＣＰＵ１２１１は、複数のＣＰＵコアを有することが好ましい。また、ＧＰＵ１２１２は、複数のＧＰＵコアを有することが好ましい。また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２に共通のメモリが、チップ１２００に設けられていてもよい。該メモリには、前述したＮＯＳＲＡＭや、ＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、ＧＰＵ１２１２は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理や積和演算に用いることができる。ＧＰＵ１２１２に、本発明の酸化物半導体を用いた画像処理回路や、積和演算回路を設けることで、画像処理、および積和演算を低消費電力で実行することが可能になる。
また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が同一チップに設けられていることで、ＣＰＵ１２１１およびＧＰＵ１２１２間の配線を短くすることができ、ＣＰＵ１２１１からＧＰＵ１２１２へのデータ転送、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が有するメモリ間のデータ転送、およびＧＰＵ１２１２での演算後に、ＧＰＵ１２１２からＣＰＵ１２１１への演算結果の転送を高速に行うことができる。
アナログ演算部１２１３はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路の一、または両方を有する。また、アナログ演算部１２１３に上記積和演算回路を設けてもよい。
メモリコントローラ１２１４は、ＤＲＡＭ１２２１のコントローラとして機能する回路、およびフラッシュメモリ１２２２のインターフェースとして機能する回路を有する。
インターフェース１２１５は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コントローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとして、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などを用いることができる。
ネットワーク回路１２１６は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワーク回路を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよい。
チップ１２００には、上記回路（システム）を同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、チップ１２００に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増やす必要が無く、チップ１２００を低コストで作製することができる。
ＧＰＵ１２１２を有するチップ１２００が設けられたＰＣＢ１２０１、ＤＲＡＭ１２２１、およびフラッシュメモリ１２２２が設けられたマザーボード１２０３は、ＧＰＵモジュール１２０４と呼ぶことができる。
ＧＰＵモジュール１２０４は、ＳｏＣ技術を用いたチップ１２００を有しているため、そのサイズを小さくすることができる。また、画像処理に優れていることから、スマートフォン、タブレット端末、ラップトップＰＣ、携帯型（持ち出し可能な）ゲーム機などの携帯型電子機器に用いることが好適である。また、ＧＰＵ１２１２を用いた積和演算回路により、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの演算を実行することができるため、チップ１２００をＡＩチップ、またはＧＰＵモジュール１２０４をＡＩシステムモジュールとして用いることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態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１５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１５（Ａ）はＵＳＢメモリの模式図である。ＵＳＢメモリ１１００は、筐体１１０１、キャップ１１０２、ＵＳＢコネクタ１１０３および基板１１０４を有する。基板１１０４は、筐体１１０１に収納されている。例えば、基板１１０４には、メモリチップ１１０５、コントローラチップ１１０６が取り付けられている。基板１１０４のメモリチップ１１０５などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図１５（Ｂ）はＳＤカードの外観の模式図であり、図１５（Ｃ）は、ＳＤカードの内部構造の模式図である。ＳＤカード１１１０は、筐体１１１１、コネクタ１１１２および基板１１１３を有する。基板１１１３は筐体１１１１に収納されている。例えば、基板１１１３には、メモリチップ１１１４、コントローラチップ１１１５が取り付けられている。基板１１１３の裏面側にもメモリチップ１１１４を設けることで、ＳＤカード１１１０の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板１１１３に設けてもよい。これによって、ホスト装置とＳＤカード１１１０間の無線通信によって、メモリチップ１１１４のデータの読み出し、書き込みが可能となる。基板１１１３のメモリチップ１１１４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図１５（Ｄ）はＳＳＤの外観の模式図であり、図１５（Ｅ）は、ＳＳＤの内部構造の模式図である。ＳＳＤ１１５０は、筐体１１５１、コネクタ１１５２および基板１１５３を有する。基板１１５３は筐体１１５１に収納されている。例えば、基板１１５３には、メモリチップ１１５４、メモリチップ１１５５、コントローラチップ１１５６が取り付けられている。メモリチップ１１５５はコントローラチップ１１５６のワークメモリであり、例えばＤＯＳＲＡＭチップを用いればよい。基板１１５３の裏面側にもメモリチップ１１５４を設けることで、ＳＳＤ１１５０の容量を増やすことができる。基板１１５３のメモリチップ１１５４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
本実施の形態は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態６）
本発明の一態様に係る半導体装置は、ＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図１６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１６に、電子機器の例を示す。
［携帯電話］
図１６（Ａ）には、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）が図示されている。情報端末５５００は、筐体５５１０と、表示部５５１１と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５５１１に備えられ、ボタンが筐体５５１０に備えられている。
情報端末５５００は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部５５１１に表示するアプリケーション、表示部５５１１に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部５５１１に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。
［情報端末１］
図１６（Ｂ）には、デスクトップ型情報端末５３００が図示されている。デスクトップ型情報端末５３００は、情報端末の本体５３０１と、ディスプレイ５３０２と、キーボード５３０３と、を有する。
デスクトップ型情報端末５３００は、先述した情報端末５５００と同様に、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、デスクトップ型情報端末５３００を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。
なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、及びデスクトップ用情報端末を例として、それぞれ図１６（Ａ）、（Ｂ）に図示したが、スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
［電化製品］
図１６（Ｃ）は、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。
電気冷凍冷蔵庫５８００に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫５８００は、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。
本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。
［ゲーム機］
図１６（Ｄ）は、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５２００を示している。携帯ゲーム機は、筐体５２０１、表示部５２０２、ボタン５２０３等を有する。
携帯ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、低消費電力の携帯ゲーム機５２００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。
更に、携帯ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機５２００を実現することができる。
本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、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１６（Ｄ）では、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機としては、例えば、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
［移動体］
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは、移動体である自動車、及び自動車の運転席周辺に適用することができる。
図１６（Ｅ１）は移動体の一例である自動車５７００を示し、図１６（Ｅ２）は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図１６（Ｅ１）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、給油量、ギア状態、エアコンの設定など、その他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１６（Ｆ）は、放送システムにおけるデータ伝送を模式的に示している。具体的には、図１６（Ｆ）は、放送局５６８０から送信された電波（放送信号）が、各家庭のテレビジョン受信装置（ＴＶ）５６００に届くまでの経路を示している。ＴＶ５６００は、受信装置を備え（図示しない。）、アンテナ５６５０で受信された放送信号は、当該受信装置を介して、ＴＶ５６００に送信される。
図１６（Ｆ）では、アンテナ５６５０は、ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンテナを図示しているが、アンテナ５６５０としては、ＢＳ・１１０°ＣＳアンテナ、ＣＳアンテナなども適用できる。
電波５６７５Ａ、電波５６７５Ｂは地上波放送用の放送信号であり、電波塔５６７０は受信した電波５６７５Ａを増幅して、電波５６７５Ｂの送信を行う。各家庭では、アンテナ５６５０で電波５６７５Ｂを受信することで、ＴＶ５６００で地上波ＴＶ放送を視聴することができる。なお、放送システムは、図１６（Ｆ）に示す地上波放送に限定せず、人工衛星を用いた衛星放送、光回線によるデータ放送などとしてもよい。
上述した放送システムは、本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用した放送システムとしてもよい。放送局５６８０から各家庭のＴＶ５６００に放送データを送信するとき、エンコーダによって放送データの圧縮が行われ、アンテナ５６５０が当該放送データを受信したとき、ＴＶ５６００に含まれる受信装置のデコーダによって当該放送データの復元が行われる。人工知能を利用することによって、例えば、エンコーダの圧縮方法の一である動き補償予測において、表示画像に含まれる表示パターンの認識を行うことができる。また、人工知能を利用したフレーム内予測などを行うこともできる。また、例えば、解像度の低い放送データを受信して、解像度の高いＴＶ５６００で当該放送データの表示を行うとき、デコーダによる放送データの復元において、アップコンバートなどの画像の補間処理を行うことができる。
上述した人工知能を利用した放送システムは、放送データの量が増大する超高精細度テレビジョン（ＵＨＤＴＶ：４Ｋ、８Ｋ）放送に対して好適である。
また、ＴＶ５６００側における人工知能の応用として、例えば、ＴＶ５６００に人工知能を有する録画装置を設けてもよい。このような構成にすることによって、当該録画装置にユーザの好みを人工知能に学習させることで、ユーザの好みにあった番組を自動的に録画することができる。
本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
＜デバイスシミュレータを用いた計算によるＩｄ−Ｖｇ特性の評価１＞
以下では、金属酸化物中に負の固定電荷が存在する場合の、トランジスタの電気特性について評価した。
デバイスシミュレータを用いた計算で仮定したトランジスタ構造の断面図を図１７に示す。図１７において、導電体ＢＧＥはバックゲート電極であり、図１に示すトランジスタ２００の導電体２０５に相当する。絶縁体ＢＧＩ１、絶縁体ＢＧＩ２、および絶縁体ＢＧＩ３はバックゲート絶縁膜であり、図１に示すトランジスタ２００の絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４にそれぞれ相当する。図１７（Ａ）において、半導体ＳＥＭ１＿１、半導体ＳＥＭ１＿２、半導体ＳＥＭ２、および半導体ＳＥＭ３は活性層であり、図１に示すトランジスタ２００の酸化物２３０ａ１、酸化物２３０ａ２、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃにそれぞれ相当する。また、図１７（Ｂ）において、半導体ＳＥＭ１、半導体ＳＥＭ２、および半導体ＳＥＭ３は活性層であり、図１７（Ａ）における半導体ＳＥＭ１＿１を設けない場合を示している。すなわち、図１に示すトランジスタ２００の酸化物２３０ａが単層である場合に相当する。導電体ＳＥはソース電極であり、図１に示すトランジスタ２００の導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂの一方に相当する。導電体ＤＥはドレイン電極であり、図１に示すトランジスタ２００の導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂの他方に相当する。絶縁体ＣＡＰはバリア膜であり、図１に示すトランジスタ２００の絶縁体２７３に相当する。絶縁体ＴＧＩはトップゲート絶縁膜であり、図１に示すトランジスタ２００の絶縁体２５０に相当する。導電体ＴＧＥはトップゲート電極であり、図１に示すトランジスタ２００の導電体２６０に相当する。
図１７に示すトランジスタ構造を仮定して、デバイスシミュレータを用いた計算を行うことで、Ｉｄ−Ｖｇ特性を算出した。デバイスシミュレータとして、シルバコ社製デバイスシミュレータＡｔｌａｓを使用した。図１７（Ａ）、および図１７（Ｂ）に示したトランジスタに関し、デバイスシミュレータを用いた計算で仮定した各パラメータの値をそれぞれ表１、および表２に示す。
Figure 2019092541
Figure 2019092541
表１、および表２に示すＩＧＺＯ（１３４）は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４の組成から成るＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を想定している。また、表１、および表２に示すＩＧＺＯ（４２３）は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３の組成から成るＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を想定している。また、表１の示すＳＥＭに記載しているパラメータは、半導体ＳＥＭ１＿１、半導体ＳＥＭ１＿２、半導体ＳＥＭ２、および半導体ＳＥＭ３に共通のパラメータである。また、表２の示すＳＥＭに記載しているパラメータは、半導体ＳＥＭ１、半導体ＳＥＭ２、および半導体ＳＥＭ３に共通のパラメータである。
半導体ＳＥＭ１＿２中の負の固定電荷密度を変えて、計算を行った。本計算で想定した、半導体ＳＥＭ１＿２中の負の固定電荷密度を、表３に示す。ここでは、８つの条件（条件１乃至条件８）を想定した。なお、本計算では、負の固定電荷密度が、半導体ＳＥＭ１＿２に一様に分布するよう設定した。
Figure 2019092541
図１７（Ａ）に示すトランジスタにおいて、半導体ＳＥＭ１＿２中の負の固定電荷密度を変えた場合の、ドレイン電圧Ｖｄ＝０．１Ｖ、バックゲート電圧Ｖｂｇ＝０ＶにおけるＩｄ−Ｖｇ特性を図１８（Ａ）に示す。図１８（Ａ）の凡例は、表３に示す条件１乃至条件８で算出されたＩｄ−Ｖｇ特性を表す。
図１８（Ａ）に示すように、半導体ＳＥＭ１＿２に負の固定電荷が存在すると、Ｉｄ−Ｖｇ特性がプラス方向へシフトすることが分かった。さらに、半導体ＳＥＭ１＿２中の負の固定電荷密度が高くなると、Ｉｄ−Ｖｇ特性がプラス方向へよりシフトすることが分かった。
次に、図１７（Ｂ）に示すトランジスタにおいて、半導体ＳＥＭ１中の負の固定電荷密度を変えて、計算を行った。本計算で想定した、半導体ＳＥＭ１中の負の固定電荷密度を、表４に示す。ここでは、８つの条件（条件１乃至条件８）を想定した。なお、本計算では、負の固定電荷密度が、半導体ＳＥＭ１に一様に分布するよう設定した。
Figure 2019092541
半導体ＳＥＭ１中の負の固定電荷密度を変えた場合の、ドレイン電圧Ｖｄ＝０．１Ｖ、バックゲート電圧Ｖｂｇ＝０ＶにおけるＩｄ−Ｖｇ特性を図１８（Ｂ）に示す。図１８（Ｂ）の凡例は、表４に示す条件１乃至条件８で算出されたＩｄ−Ｖｇ特性を表す。
図１８（Ｂ）に示すように、半導体ＳＥＭ１に負の固定電荷が存在すると、Ｉｄ−Ｖｇ特性がプラス方向へシフトすることが分かった。さらに、半導体ＳＥＭ１中の負の固定電荷密度が高くなると、Ｉｄ−Ｖｇ特性がプラス方向へよりシフトすることが分かった。
＜デバイスシミュレータを用いた計算によるＩｄ−Ｖｇ特性の評価２＞
以下では、上記実施例１とは異なる金属酸化物中に負の固定電荷が存在する場合の、トランジスタの電気特性について評価した。
デバイスシミュレータを用いた計算で仮定したトランジスタ構造の断面図を図１９に示す。図１９において、導電体ＢＧＥはバックゲート電極であり、図１に示すトランジスタ２００の導電体２０５に相当する。絶縁体ＢＧＩ１、絶縁体ＢＧＩ２、および絶縁体ＢＧＩ３はバックゲート絶縁膜であり、図１に示すトランジスタ２００の絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４にそれぞれ相当する。半導体ＳＥＭ１、半導体ＳＥＭ２、および半導体ＳＥＭ３は活性層であり、図１に示すトランジスタ２００の酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃにそれぞれ相当する。導電体ＳＥはソース電極であり、図１に示すトランジスタ２００の導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂの一方に相当する。導電体ＤＥはドレイン電極であり、図１に示すトランジスタ２００の導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂの他方に相当する。絶縁体ＣＡＰはバリア膜であり、図１に示すトランジスタ２００の絶縁体２７３に相当する。絶縁体ＴＧＩはトップゲート絶縁膜であり、図１に示すトランジスタ２００の絶縁体２５０に相当する。導電体ＴＧＥはトップゲート電極であり、図１に示すトランジスタ２００の導電体２６０に相当する。
図１９に示すトランジスタ構造を仮定して、デバイスシミュレータを用いた計算を行うことで、Ｉｄ−Ｖｇ特性を算出した。デバイスシミュレータとして、シルバコ社製デバイスシミュレータＡｔｌａｓを使用した。デバイスシミュレータを用いた計算で仮定した各パラメータの値を表５に示す。
Figure 2019092541
表５に示すＩＧＺＯ（１３４）は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４の組成から成るＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を想定している。また、表５に示すＩＧＺＯ（４２３）は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３の組成から成るＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を想定している。また、表５のＳＥＭに記載しているパラメータは、半導体ＳＥＭ１、半導体ＳＥＭ２、および半導体ＳＥＭ３に共通のパラメータである。
半導体ＳＥＭ２および半導体ＳＥＭ３中の負の固定電荷密度を変えて、計算を行った。本計算で想定した、半導体ＳＥＭ２および半導体ＳＥＭ３中の負の固定電荷密度を、表６に示す。ここでは、８つの条件（条件１乃至条件８）を想定した。なお、本計算では、負の固定電荷密度が、半導体ＳＥＭ２および半導体ＳＥＭ３に一様に分布するよう設定した。
Figure 2019092541
半導体ＳＥＭ２および半導体ＳＥＭ３中の負の固定電荷密度を変えた場合の、ドレイン電圧Ｖｄ＝０．１Ｖ、バックゲート電圧Ｖｂｇ＝０ＶにおけるＩｄ−Ｖｇ特性を図２０に示す。図２０の凡例は、表６に示す条件１乃至条件８で算出されたＩｄ−Ｖｇ特性を表す。
図２０に示すように、半導体ＳＥＭ２および半導体ＳＥＭ３に負の固定電荷が存在すると、Ｉｄ−Ｖｇ特性がプラス方向へシフトすることが分かった。さらに、半導体ＳＥＭ２および半導体ＳＥＭ３中の負の固定電荷密度が高くなると、Ｉｄ−Ｖｇ特性がプラス方向へよりシフトすることが分かった。
２００、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ：トランジスタ、２０３、２０５、２０５ａ、２０５ｂ、２１８、２４０、２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ、２４２、２４２−１、２４２−２、２４２ａ、２４２ｂ、２５６、２６０、２６０ａ、２６０ｂ：導電体、２４２Ａ、２６０Ａ、２６０Ｂ：導電膜、２１０、２１２、２１４、２１６、２２０、２２２、２２４、２５０、２７３、２７３ａ、２７３ｂ、２７４、２７６、２８０、２８１、２８２：絶縁体、２５０Ａ、２７３Ａ、２７４Ａ：絶縁膜、２３０、２３０ａ、２３０ａ１、２３０ａ２、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄ、２３０ｅ：酸化物、２３０Ａ、２３０Ａ１、２３０Ａ２、２３０Ｂ、２３０Ｃ：酸化膜、２３４、２４３、２４３ａ、２４３ｂ：領域

Claims (10)

  1. 第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体の上に配置された、第１の酸化物と、
    前記第１の酸化物の上に配置された、第２の酸化物と、
    前記第２の酸化物上に、互いに離して配置された、第１の導電体、および第２の導電体と、
    前記第２の酸化物、前記第１の導電体、および前記第２の導電体の上に配置された、第３の酸化物と、
    前記第３の酸化物の上に配置された第２の絶縁膜と、
    前記第３の酸化物、および前記第２の絶縁膜を間に挟み、前記第２の酸化物上に配置された第３の導電体と、を有し、
    前記第３の酸化物は、金属元素と、窒素を含み、
    前記金属元素は窒素と結合していることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第３の酸化物は、固定電荷を保持する層である、
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１、または請求項２において、
    前記第３の酸化物において、窒素の原子数比率が、０．１ａｔｏｍｉｃ％未満であることを特徴とする半導体装置。
  4. 第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体の上に配置された、第１の酸化物と、
    前記第１の酸化物の上に配置された、第２の酸化物と、
    前記第２の酸化物上に、互いに離して配置された、第１の導電体、および第２の導電体と、
    前記第２の酸化物、前記第１の導電体、および前記第２の導電体の上に配置された、第３の酸化物と、
    前記第３の酸化物の上に配置された第２の絶縁膜と、
    前記第３の酸化物、および前記第２の絶縁膜を間に挟み、前記第２の酸化物上に配置された第３の導電体と、を有し、
    前記第１の酸化物は、第１の層と、第２の層を有し、
    前記第２の層は、金属元素と、窒素を含み、
    前記金属元素は窒素と結合していることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項４において、
    前記第２の層は、固定電荷を保持する層である、
    ことを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項４、または請求項５において、
    前記第２の層において、窒素の原子数比率が、０．１ａｔｏｍｉｃ％未満であることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項４乃至請求項６のいずれか一項において、
    前記第１の層は、前記第２の層より酸素濃度が高く、
    前記第２の層は、前記第１の層より窒素濃度が高いことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、
    前記第１の酸化物、前記第２の酸化物、および前記第３の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する、
    ことを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、
    前記金属元素は、Ｉｎ、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）、およびＺｎから選ばれた一つである、
    ことを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項６において、
    前記第２の層において、窒素の原子数比率が０．０２ａｔｏｍｉｃ％以上であることを特徴とする半導体装置。
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