JPWO2019130162A1 - 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

オン電流が大きく、信頼性の優れた半導体装置を提供する。第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第２の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、第１の導電体上の第３の絶縁体と、第２の導電体上の第４の絶縁体と、第２の酸化物上の第３の酸化物と、第３の酸化物上の第５の絶縁体と、第５の絶縁体上に位置し、第３の酸化物と重なる第３の導電体と、第１乃至第５の絶縁体、第１の酸化物、第２の酸化物、および第１乃至第３の導電体を覆う第６の絶縁体と、第６の絶縁体上の第７の絶縁体と、を有し、第６の絶縁体は、第１の絶縁体の上面の一部、第２の絶縁体の側面、第５の絶縁体の側面、第１乃至第３の酸化物の側面、第１乃至第３の導電体の側面、および第３の導電体の上面と接する半導体装置。

Description

本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュール、および電子機器に関する。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置、および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
トランジスタに適用可能な半導体薄膜の材料として、シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯとも呼ぶ）に関する研究が盛んに行われている。
ＩＧＺＯに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（非特許文献１乃至非特許文献３参照）。非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献４および非特許文献５に示されている。
さらに、ＩＧＺＯを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち（非特許文献６参照）、その特性を利用したＬＳＩおよびディスプレイが報告されている（非特許文献７および非特許文献８参照）。
Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ ４３，ｉｓｓｕｅ １，ｐｐ．１８３−１８６ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ５３，Ｎｕｍｂｅｒ ４Ｓ，ｐｐ．０４ＥＤ１８−１−０４ＥＤ１８−１０ Ｓ．Ｉｔｏ ｅｔ ａｌ．，"Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＭ−ＦＰＤ’１３ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"，２０１３，ｐｐ．１５１−１５４ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"ＥＣＳ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ３，ｉｓｓｕｅ ９，ｐｐ．Ｑ３０１２−Ｑ３０２２ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ，"ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ６４，ｉｓｓｕｅ １０，ｐｐ．１５５−１６４ Ｋ．Ｋａｔｏ ｅｔ ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ ５１，ｐｐ．０２１２０１−１−０２１２０１−７ Ｓ．Ｍａｔｓｕｄａ ｅｔ ａｌ．，"２０１５ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"，２０１５，ｐｐ．Ｔ２１６−Ｔ２１７ Ｓ．Ａｍａｎｏ ｅｔ ａｌ．，"ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"，２０１０，ｖｏｌｕｍｅ ４１，ｉｓｓｕｅ １，ｐｐ．６２６−６２９
本発明の一態様は、オン電流が大きい半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、信頼性が良好な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。
本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第２の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、第１の導電体上の第３の絶縁体と、第２の導電体上の第４の絶縁体と、第２の酸化物上の第３の酸化物と、第３の酸化物上の第５の絶縁体と、第５の絶縁体上に位置し、第３の酸化物と重なる第３の導電体と、第１乃至第５の絶縁体、第１の酸化物、第２の酸化物、および第１乃至第３の導電体を覆う第６の絶縁体と、第６の絶縁体上の第７の絶縁体と、を有し、第６の絶縁体は、第１の絶縁体の上面の一部、第２の絶縁体の側面、第５の絶縁体の側面、第１乃至第３の酸化物の側面、第１乃至第３の導電体の側面、および第３の導電体の上面と接する半導体装置である。
また、第１の絶縁体、第６の絶縁体および第７の絶縁体は、それぞれ、第２の絶縁体よりも酸素および水素の一方または双方を透過し難いことが好ましい。
また、第１の絶縁体、第６の絶縁体および第７の絶縁体は、それぞれ、第５の絶縁体よりも酸素および水素の一方または双方を透過し難いことが好ましい。
また、第１の絶縁体、第６の絶縁体は、それぞれ、アルミニウム、およびハフニウムの一方または両方を含む酸化物であることが好ましい。
また、第１の絶縁体および第６の絶縁体は、それぞれ、酸化アルミニウムであることが好ましい。
また、第７の絶縁体は、シリコンと、窒素と、を有することが好ましい。
また、第１乃至第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。
また、第２の酸化物は、第２の酸化物の上面における透過電子顕微鏡像を画像解析することで得られる格子点群を有し、格子点群から作成されたボロノイ図において、ボロノイ領域の形状が六角形である割合が５０％以上８０％以下である、ことが好ましい。
また、本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第２の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、第１の導電体上の第３の絶縁体と、第２の導電体上の第４の絶縁体と、第２の酸化物上の第３の酸化物と、第３の酸化物上の第５の絶縁体と、第５の絶縁体上に位置し、第３の酸化物と重なる第３の導電体と、を有し、トランジスタのチャネル長方向の断面において、第１の絶縁体の底面の高さを基準として、第２の酸化物と重なる領域の第３の導電体の底面の高さは、第２の導電体の上面の高さより低く、トランジスタのチャネル幅方向の断面において、第１の絶縁体の底面の高さを基準として、第２の酸化物と重ならない領域の第３の導電体の底面の高さは、第２の酸化物の底面の高さより低い、半導体装置である。
また、本発明の一態様は、第１の絶縁膜を成膜し、第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を成膜し、第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を成膜し、第３の絶縁膜上に第１の酸化物を成膜し、第１の酸化膜上に第２の酸化物を成膜し、第２の酸化膜上に第１の導電膜を成膜し、第１の導電膜上に第４の絶縁膜を成膜し、第４の絶縁膜上に第２の導電膜を成膜し、リソグラフィー法を用いて、第２の導電膜の一部を加工することで、第２の導電膜に第４の絶縁膜が露出する開口を形成し、リソグラフィー法を用いて、第２の導電膜、第４の絶縁膜および第１の導電膜を加工することで、開口、第２の導電膜、第４の絶縁膜および第１の導電膜を含む第１の層を形成し、第１の層をエッチングマスクとして、第２の酸化物および第１の酸化物を加工し、開口に露出した第４の絶縁膜を除去することで、開口に第１の導電膜を露出させ、開口に露出した第１の導電膜および第２の導電膜を除去することによって、開口に第２の酸化物を露出させ、第１の導電膜を、第１の導電体と、第２の導電体に分離し、第４の絶縁膜を第１の絶縁体と、第２の絶縁体に分離し、第２の絶縁膜を加工し、第２の絶縁膜、第１の酸化物、第２の酸化物、第１の導電体、第２の導電体、第１の絶縁体および第２の絶縁体を含む第２の層を形成し、第１の絶縁膜上および第２の層上に第３の酸化物を成膜し、第３の酸化物上に第５の絶縁膜を成膜し、第５の絶縁膜上に第２の導電膜を成膜し、リソグラフィー法を用いて、第２の導電膜、第５の絶縁膜、および第３酸化物を加工し、第２の導電膜、第５の絶縁膜、および第３酸化物を含む第３の層を形成し、第１の絶縁膜上、第２の層上および第３の層上に第６の絶縁膜を成膜する、半導体装置の作製方法である。
また、第１の絶縁膜、第２の絶縁膜、第３の絶縁膜、第１の酸化物、第２の酸化物、第１の導電膜、第４の絶縁膜、および第２の導電膜は、複数の処理室を有する成膜装置を用いて、減圧下において連続で成膜することが好ましい。
また、第３の酸化物、第５の絶縁膜、および第２の導電膜は、複数の処理室を有する成膜装置を用いて、減圧下において連続で成膜することが好ましい。
また、処理室では、スパッタリング法による成膜を行ってもよい。
本発明の一態様により、オン電流が大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様の半導体装置を作製するための装置を説明する上面図。 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のブロック図および模式図。 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。 実施例に係る試料の電気特性を示す図。 六角形の回転角を導出する方法を説明する図。 実施例に係る試料の平面ＴＥＭ像を画像処理した像を説明する図。 ボロノイ図の作成方法を説明する図。 実施例に係る試料のボロノイ領域の形状の割合を説明する図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
また、特に上面図（「平面図」ともいう）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
また、本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に開示されているものとする。
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。
なお、本明細書等において、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損が形成される場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。
また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０度以上１０度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５度以上５度以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０度以上３０度以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０度以上１００度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５度以上９５度以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０度以上１２０度以下の角度で配置されている状態をいう。
なお、本明細書において、バリア膜とは、水、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、当該バリア膜が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）、および図１（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の上面図および断面図である。
図１（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
本発明の一態様の半導体装置は、絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された、トランジスタ２００と、トランジスタ２００の上に配置された絶縁体２８０、絶縁体２８０上に配置された絶縁体２８２と、絶縁体２８２の上に配置された絶縁体２８１と、を有する。絶縁体２１４、絶縁体２８０、絶縁体２８１、および絶縁体２８２は層間膜として機能する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）とを有する。なお、プラグとして機能する導電体２４０の側面に接して絶縁体２４１（絶縁体２４１ａ、および絶縁体２４１ｂ）が設けられる。
また、絶縁体２７３ａ、絶縁体２５４、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８１の開口の内壁に接して絶縁体２４１ａが設けられ、その側面に接して導電体２４０ａの第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４０ａの第２の導電体が設けられている。また、絶縁体２７３ｂ、絶縁体２５４、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８１の開口の内壁に接して絶縁体２４１ｂが設けられ、その側面に接して導電体２４０ｂの第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４０ｂの第２の導電体が設けられている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８１の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２４０の第１の導電体および導電体２４０の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
［トランジスタ２００］
図１に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示せず）上に配置された絶縁体２１４上の絶縁体２１６と、絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６の上および導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、酸化物２３０ｂの上面の一部と接する導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと、導電体２４２ａの上に配置された絶縁体２７３ａと、導電体２４２ｂの上に配置された絶縁体２７３ｂと、絶縁体２２２の上面の一部、絶縁体２２４の側面、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、導電体２４２ａの側面、導電体２４２ｂの側面、絶縁体２７３ａの側面、絶縁体２７３ａの上面、絶縁体２７３ｂの側面、絶縁体２７３ｂの上面、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、導電体２６０の側面、および導電体２６０の上面に接して配置された絶縁体２５４と、絶縁体２５４の上に配置された絶縁体２７４と、を有する。
また、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。また、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４は、それぞれ絶縁体２２４よりも酸素および水素の一方または双方の透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４は、それぞれ絶縁体２５０よりも酸素および水素の一方または双方の透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４は、それぞれ絶縁体２８０よりも酸素および水素の一方または双方の透過性が低いことが好ましい。
また、酸化物２３０は、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａの上に配置された酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂの上に配置され、少なくとも一部が酸化物２３０ｂの上面に接する酸化物２３０ｃと、を有することが好ましい。
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、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。
また、トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。
チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ２００は、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。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、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、およびＧａ酸化物を用いてもよい。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、チャネルが形成される領域中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体２５０などを介して酸化物２３０に酸素を供給し、酸素欠損を補填すればよい。これにより、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させたトランジスタを提供することができる。
導電体２６０は、トランジスタ２００のゲート電極として機能する。また、導電体２４２（導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂ）はトランジスタ２００のソース電極またはドレイン電極として機能する。
また、図１（Ｂ）に示すように、酸化物２３０上に接するように設けられ、トランジスタ２００のソース電極またはドレイン電極として機能する導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）に含まれる元素が、酸化物２３０の酸素を吸収する機能を有する場合、酸化物２３０と導電体２４２の間、または酸化物２３０の表面近傍に、部分的に低抵抗領域が形成される場合があり、トランジスタ２００のソース領域またはドレイン領域として機能する。この場合、当該低抵抗領域には、酸素欠損に入り込んだ不純物（水素、窒素、または金属元素等）がドナーとして機能し、キャリア密度が増加する場合がある。なお、以下において、酸素欠損に入り込んだ水素のことをＶｏＨと呼ぶ場合がある。また、酸化物２３０は、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと重ならない領域に、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する領域を有する。該領域は、低抵抗領域よりもキャリア密度が小さく、ＶｏＨが低減されていることが好ましい。
図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、絶縁体２５４は、絶縁体２２２の上面の一部、絶縁体２２４の側面、酸化物２３０の側面、導電体２４２ａの側面、導電体２４２ｂと側面、絶縁体２５０の側面、導電体２６０の側面および導電体２６０の上面に接することが好ましい。さらに絶縁体２５４上に絶縁体２７４が配置されることが好ましい。これにより、絶縁体２８０は、絶縁体２５４および絶縁体２７４によって、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および酸化物２３０と離隔される。このような構造とすることで、絶縁体２８０に含まれる水素や水などの不純物、またはトランジスタ２００の外方から水素などの不純物が浸入することを抑制できるので、トランジスタ２００に良好な電気特性および信頼性を与えることができる。
また、絶縁体２７３（絶縁体２７３ａおよび絶縁体２７３ｂ）は、水素や水などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する。絶縁体２７３ａは、導電体２４２ａ上にあって、導電体２４２ａの上方からの水素や水などの不純物および酸素の拡散を防止することができる。絶縁体２７３ｂは、導電体２４２ｂ上にあって、導電体２４２ｂの上方からの酸素の拡散を防止することができる。
図３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のソース領域またはドレイン領域の一方におけるチャネル幅方向の断面図でもある。図３に示すように、絶縁体２５４および絶縁体２７４によって、導電体２４２ａの側面が覆われているので、導電体２４２ａの側面方向からの水素や水などの不純物および酸素の拡散を防止する。従って、絶縁体２７３ａ、絶縁体２５４、および絶縁体２７４によって、導電体２４２ａの上面および側面が覆われ、導電体２４２ａの酸化を抑制することができる。尚、導電体２４２ｂに対しても同様の効果が得られる。
また、図１（Ｂ）において、絶縁体２２４の底面を基準として、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと重ならない領域における導電体２６０の底面の高さは、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂのそれぞれの上面の高さより低いことが好ましい。ゲート電極として機能する導電体２６０からの電界がチャネル形成領域全体に作用することができるのでトランジスタの動作が良好となり好ましい。
図１（Ｃ）に示すように、絶縁体２２４の底面を基準として、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂと、導電体２６０とが、重ならない領域における導電体２６０の底面の高さは、酸化物２３０ｂの底面の高さより低い位置に配置されていることが好ましい。また、酸化物２３０ｂと、導電体２６０とが、重ならない領域における導電体２６０の底面の高さと、酸化物２３０ｂの底面の高さと、の差は、０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。
このように、ゲート電極として機能する導電体２６０が、チャネル形成領域の酸化物２３０ｂの側面および上面を酸化物２３０ｃおよび絶縁体２５０を介して覆う構成となっており、導電体２６０の電界をチャネル形成領域の酸化物２３０ｂ全体に作用させやすくなる。よって、トランジスタ２００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。
以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、高い周波数特性を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
導電体２０５は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。また、導電体２０５は、絶縁体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。
なお、導電体２０５は、図１（Ａ）に示すように、酸化物２３０の導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと重ならない領域よりも、チャネル幅方向に長く設けるとよい。特に、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側に延伸していることが好ましい。つまり、酸化物２３０のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。
上記構成を有することで、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、酸化物２３０のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。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、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体２０５を単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
ここで、酸化物半導体と、酸化物半導体の下層に位置する絶縁体、または導電体と、酸化物半導体の上層に位置する絶縁体、または導電体として、大気開放を行わずに、異なる膜種を連続成膜することで、不純物（特に、水素、水）の濃度が低減された、実質的に高純度真性である酸化物半導体膜を成膜することができるので好ましい。
例えば、７つの処理チャンバーを有する成膜装置を用いて、絶縁体２１６および導電体２０５上に配置される、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４となる絶縁膜、酸化物２３０ａとなる酸化膜、酸化物２３０ｂとなる酸化膜、導電体２４２となる導電膜、および絶縁体２７３となる絶縁膜を順に連続成膜すればよい。
絶縁体２１４および絶縁体２７４は、水または水素などの不純物が、基板側から、または、上方からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体２１４および絶縁体２７４として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水または水素などの不純物が絶縁体２１４よりも基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が、絶縁体２１４よりも基板側に、拡散するのを抑制することができる。また、水または水素などの不純物が絶縁体２７４よりも上方に配置されている絶縁体２８０などからトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。
また、絶縁体２１４は、積層構造であってもよい。例えば、酸化アルミニウム膜と、窒化シリコン膜との積層構造を絶縁体２１４に好適に用いることができる。酸化アルミニウム膜によって、絶縁体２１４の上方に酸素を供給することができる。また、窒化シリコン膜によって、基板側からトランジスタ２００側への水素、水などの不純物の拡散を抑制することができる。
また、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよい。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
例えば、絶縁体２２０は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。
また、酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、加熱により酸素を脱離することが好ましい。本明細書では、加熱により脱離する酸素を過剰酸素と呼ぶことがある。例えば、絶縁体２２４は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
絶縁体２２４として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
絶縁体２２２は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４より水素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２、絶縁体２７４、および絶縁体２５４によって、絶縁体２２４および酸化物２３０などを囲むことにより、外方から水または水素などの不純物がトランジスタ２００に侵入することを抑制することができる。
さらに、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物２３０が有する酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することを低減できるので、好ましい。また、導電体２０５が、絶縁体２２４や、酸化物２３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
絶縁体２２２は、絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
また、絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
なお、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、それぞれ、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
なお、酸化物２３０は、金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
また、酸化物２３０ｂは、結晶性を有することが好ましい。例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることが好ましい。ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥（酸素欠損など）が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物２３０ｂからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物２３０ｂから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ２００は、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対して安定である。
また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
ここで、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の界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、または１：１：０．５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、または３：１：２［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃを積層構造とする場合の具体例としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の金属酸化物と、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］の金属酸化物との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の金属酸化物と、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の金属酸化物と、酸化ガリウムとの積層構造などが挙げられる。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。なお、酸化物２３０ｃを積層構造とした場合、上述の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｃの界面における欠陥準位密度を低くする効果に加え、酸化物２３０ｃが有する構成元素が、絶縁体２５０側に拡散するのを抑制することが期待される。より具体的には、酸化物２３０ｃを積層構造とし、積層構造の上方にＩｎを含まない酸化物を位置させるため、絶縁体２５０側に拡散しうるＩｎを抑制することができる。絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能するため、Ｉｎが拡散した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、酸化物２３０ｃを積層構造とすることで、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
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、チャネル形成領域となる金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半導体装置を提供できる。
酸化物２３０ｂ上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）が設けられる。導電体２４２の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上２５ｎｍ以下、とすればよい。
導電体２４２としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、または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、または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、または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、またはストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、酸化物２３０のチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
また、絶縁体２５０と導電体２６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
また、当該金属酸化物は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体２５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、当該金属酸化物は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。ゲート絶縁体を、絶縁体２５０と当該金属酸化物との積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、ゲート絶縁体の物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の低減が可能となる。
具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
導電体２６０は、図１では２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。
導電体２６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
また、導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０に含まれる酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
また、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２６０は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。
絶縁体２８０は、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、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンなどを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料は、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成することができるため好ましい。
絶縁体２８０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。また、絶縁体２８０の上面は、平坦化されていてもよい。
絶縁体２８２は、水または水素などの不純物が、上方から絶縁体２８０に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体２８２としては、例えば、絶縁体２５４に用いることができる絶縁体を用いればよい。
また、絶縁体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、絶縁体２７４、絶縁体２５４、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。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面は、絶縁体２８１の上面と、同一平面上にあってもよい。
なお、絶縁体２８１、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２５４、および絶縁体２７３ａの開口の内壁に接して、絶縁体２４１ａが設けられ、その側面に接して導電体２４０ａの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２４２ａが位置しており、導電体２４０ａが導電体２４２ａと接する。同様に、絶縁体２８１、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２５４、および絶縁体２７３ｂの開口の内壁に接して、絶縁体２４１ｂが設けられ、その側面に接して導電体２４０ｂの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２４２ｂが位置しており、導電体２４０ｂが導電体２４２ｂと接する。
導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂはそれぞれ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、少なくとも導電体２４２と接する導電体には、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８０に添加された酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。また、絶縁体２８１より上層から水または水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂとしては、例えば、絶縁体２５４等に用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂは、絶縁体２５４に接して設けられるので、絶縁体２８０などから水または水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。また、絶縁体２８０に含まれる酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。
また、図示しないが、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
＜半導体装置の構成材料＞
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
＜＜基板＞＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
＜＜絶縁体＞＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体（絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４など）で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、またはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、または酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。
また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が有する酸素欠損を補償することができる。
＜＜導電体＞＞
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から脱離した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたは錫などが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫などとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、および非晶質酸化物半導体などがある。
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損（ＶＯ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）など）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。特に、ＩＧＺＯは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍの結晶、または数ｃｍの結晶）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する金属酸化物である。ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
酸化物半導体（金属酸化物）は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
［不純物］
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。
このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
トランジスタの半導体に用いる金属酸化物として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。
２００９年に、ＣＡＡＣ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯと呼ぶ）が発見されたことが、非特許文献１および非特許文献２で報告されている。ここでは、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯは、ｃ軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。
また、２０１３年には、ｎｃ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ｎｃ−ＩＧＺＯと呼ぶ）が発見された（非特許文献３参照）。ここでは、ｎｃ−ＩＧＺＯは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。
非特許文献４および非特許文献５では、上記のＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ、ｎｃ−ＩＧＺＯ、および結晶性の低いＩＧＺＯのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、１ｎｍ程度の結晶性ＩＧＺＯが観察されている。よって、ここでは、ＩＧＺＯにおいて、完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜と比べて、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜およびｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜またはｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜を用いることが好ましい。
金属酸化物を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい、具体的には、トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流がｙＡ／μｍ（１０−２４Ａ／μｍ）オーダである、ことが非特許文献６に示されている。例えば、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（非特許文献７参照）。
また、金属酸化物を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている（非特許文献８参照）。表示装置では、表示される画像が１秒間に数十回切り換っている。１秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動と呼ぶ。
ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造の発見は、ＣＡＡＣ構造またはｎｃ構造を有する金属酸化物を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびＬＳＩへの応用研究が進められている。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、図１に示す、本発明に係るトランジスタ２００を有する半導体装置について、作製方法を図４乃至図１３を用いて説明する。また、図４乃至図１３において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
まず、基板（図示しない）を準備し、当該基板上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
また、ＡＬＤ法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、および低温での成膜が可能、などの効果がある。また、ＡＬＤ法には、プラズマを利用した成膜方法ＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）法も含まれる。プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を実現するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
本実施の形態では、絶縁体２１４として、ＣＶＤ法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体２１４として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体２１４より下層（図示せず）の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
次に絶縁体２１４上に、導電体２０５となる導電膜を成膜する。導電体２０５となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。また、導電体２０５となる導電膜は、多層膜とすることができる。本実施の形態では、導電体２０５となる導電膜としてタングステンを成膜する。
次に、リソグラフィー法を用いて、導電体２０５となる導電膜を加工し、導電体２０５を形成する。
なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。
また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電体２０５となる導電膜上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。導電体２０５となる導電膜のエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。導電体２０５となる導電膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。
ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
次に、絶縁体２１４上、導電体２０５上に絶縁体２１６となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２１６となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６となる絶縁膜として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
ここで、絶縁体２１６となる絶縁膜の膜厚は、導電体２０５の膜厚以上とすることが好ましい。例えば、導電体２０５の膜厚を１とすると、絶縁体２１６となる絶縁膜の膜厚は、１以上３以下とする。本実施の形態では、導電体２０５の膜厚の膜厚を１５０ｎｍとし、絶縁体２１６となる絶縁膜の膜厚を３５０ｎｍとする。
次に、絶縁体２１６となる絶縁膜にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、絶縁体２１６となる絶縁膜の一部を除去し、導電体２０５の表面を露出させる。これにより、上面が平坦な、導電体２０５と、絶縁体２１６を形成することができる（図４参照）。
ここからは、上記と異なる導電体２０５の形成方法について以下に説明する。
絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、絶縁体２１６に絶縁体２１４に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１４は、絶縁体２１６をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体２１６に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体２１４は窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。
開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０５ａとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
本実施の形態では、導電体２０５ａとなる導電膜を、多層構造とする。まず、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜し、当該窒化タンタルの上に窒化チタンを積層する。このような金属窒化物を導電体２０５ａとなる導電膜の下層に用いることにより、後述する導電体２０５ｂとなる導電膜として銅などの拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０５から外に拡散するのを防ぐことができる。
次に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体２０５ｂとなる導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、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２０５となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５を形成することができる。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１６の一部が除去される場合がある。以上が、導電体２０５の異なる形成方法である。この方法によって形成される導電体２０５を有する半導体装置の一例を図２に示す。
次に、絶縁体２１６上、および導電体２０５上に絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、絶縁膜２４２Ａ、絶縁膜２７３Ａ、および導電膜２４３Ａを順に連続成膜する（図５参照）。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７３Ａ、および導電膜２４３Ａを大気に晒すことなく順に連続成膜することで、水などが絶縁膜、酸化膜および導電膜のそれぞれの表面に吸着することを防ぐことができる。従って、上記積層膜の各界面は、大気に曝されないため、不純物濃度が低減される。また、水、または水素などの不純物が絶縁膜、酸化膜および導電膜などへ侵入することを抑制できる。
絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７３Ａ、および導電膜２４３Ａを大気に晒すことなく順に成膜するためには、異なる膜種が連続成膜可能となる複数の処理室を有する、マルチチャンバー装置を用いることが好ましい。
該マルチチャンバー装置を用いて、まず、加熱処理室にて、減圧下で加熱処理を行ってもよい。該加熱処理を行うことにより、絶縁体２１６の表面および導電体２０５の表面に吸着する水を除去することができて好ましい。この後、表面吸着水が除去された状態を保って、絶縁体２２０が成膜され、さらに、絶縁体２２２、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７３Ａ、および導電膜２４３Ａが順に成膜することができるので、水、または水素などの不純物が絶縁膜、酸化膜および導電膜などへ侵入することを抑制できる。
複数の処理室を有する、マルチチャンバー装置の詳細については、実施の形態２を参酌することができる。以下では、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７３Ａ、および導電膜２４３Ａの詳細について説明する。
絶縁体２２０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、および窒化酸化シリコンなどを用いることが好ましい。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。
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。
絶縁膜２２４Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
酸化膜２３０Ａおよび、酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。
特に、酸化膜２３０Ａの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を、３０％を超えて１００％以下、好ましくは７０％以上１００％以下として成膜すると、酸素過剰型の酸化物半導体が形成される。酸素過剰型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い信頼性が得られる。
本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］、あるいは１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
導電膜２４２Ａの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
絶縁膜２７３Ａとしては、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膜を成膜するとよい。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膜として、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膜は、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。
導電膜２４３Ａの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、リソグラフィー法によって、導電膜２４３Ａを加工し、導電体層２４３Ｂを形成する（図６参照）。該加工においては、断面形状がテーパー形状を有することが好ましい。該テーパー角度は、基板底面と平行な面に対して、３０度以上７５度未満、好ましくは３０度以上７０度未満とする。このようなテーパー角度を有することによって、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。また、該加工はドライエッチング法を用いることが好ましい。ドライエッチング法による加工は微細加工および上述のテーパー形状の加工に適している。
次に、リソグラフィー法によって、レジスト２４４を形成する（図７参照）。
次に、レジスト２４４をエッチングマスクとして、導電体層２４３Ｂ、絶縁膜２７３Ａおよび導電膜２４２Ａをエッチングし、導電体２４３ａ、導電体２４３ｂ、絶縁体層２７３Ｂ、および導電体層２４２Ｂを形成し、次に、レジスト２４４を除去する（図８参照）。
次に、導電体２４３ａ、導電体２４３ｂおよび絶縁体層２７３Ｂの表面が露出している部分をエッチングマスクとして、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂをエッチングし、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂを形成する。同時に、導電体層２４２Ｂ上であって、導電体２４３ａと、導電体２４３ｂと、が挟まれる領域の絶縁体層２７３Ｂがエッチングされることによって、絶縁体２７３ａおよび絶縁体２７３ｂが形成される（図９参照）。
導電体２４３ａ、導電体２４３ｂおよび導電体層２４２Ｂのエッチング速度に対して酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂのエッチング速度が速いエッチング条件を用いて加工することが好ましい。導電体２４３ａ、導電体２４３ｂおよび導電体層２４２Ｂのエッチング速度を１とすると、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂのエッチング速度は３以上５０以下、好ましくは、５以上３０以下とする。
次に、導電体２４３ａ、導電体２４３ｂ、および導電体層２４２Ｂの表面が露出している部分をエッチングし、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂを形成する。次に、絶縁膜２２４Ａを絶縁体２２２の表面が露出するまでエッチングし、絶縁体２２４を形成する（図１０参照）。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、導電体２４２ａの側面および導電体２４２ｂの側面は、それぞれ、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。または、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、導電体２４２ａの側面および導電体２４２ｂの側面が、それぞれ、絶縁体２２２の上面となす角が小さい構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、導電体２４２ａの側面および導電体２４２ｂの側面が、それぞれ、絶縁体２２２の上面となす角は６０°以上７０°未満が好ましい。この様な形状とすることで、これより後の工程において、絶縁体２７３などの被覆性が向上し、鬆などの欠陥を低減することができる。
なお、当該酸化膜および導電膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
これまでのドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
ウェット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。
次に加熱処理を行っても良い。加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して酸化物２３０ｃとなる酸化膜を成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化物２３０ｂの表面などに表面に吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とする。
酸化物２３０ｃとなる酸化膜の成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化物２３０ｃとなる酸化膜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、酸化物２３０ｃとなる酸化膜を成膜すればよい。本実施の形態では、酸化物２３０ｃとなる酸化膜を、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、あるいは４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
特に、酸化物２３０ｃとなる酸化膜の成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに供給される場合がある。したがって、酸化物２３０ｃとなる酸化膜のスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
次に加熱処理を行っても良い。加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して絶縁体２５０となる絶縁膜を成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化物２３０ｃとなる酸化膜の表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃとなる酸化膜中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。
絶縁体２５０となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁体２５０となる絶縁膜として、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、絶縁体２５０となる絶縁膜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。絶縁体２５０となる絶縁膜を、４００℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。
次に、導電体２６０ａとなる導電膜および導電体２６０ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２６０ａとなる導電膜および導電体２６０ｂ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。例えば、ＣＶＤ法を用いることが好ましい。
本実施の形態では、導電体２６０ａとなる導電膜としてスパッタリング法によって窒化チタンを成膜し、導電体２６０ｂとなる導電膜として、スパッタリング法によって、タングステンを成膜する。
また、上述と異なる酸化物２３０ｃとなる酸化膜、絶縁体２５０となる絶縁膜、導電体２６０ａとなる導電膜、および導電体２６０ｂとなる導電膜の成膜方法として、例えば、酸化物２３０ｃとなる酸化膜、絶縁体２５０となる絶縁膜、導電体２６０ａとなる導電膜、および導電体２６０ｂとなる導電膜を、マルチチャンバー装置を用いて連続して成膜してもよい。
上記構成とすることで、不純物（代表的には、水、水素など）を徹底的に排除した積層膜を形成することが可能となる。複数の処理室を有する、マルチチャンバー装置の詳細については、実施の形態２を参酌することができる。
次に、導電体２６０ａとなる導電膜、導電体２６０ｂとなる導電膜、絶縁体２５０となる絶縁膜および酸化物２３０ｃとなる酸化膜をリソグラフィー法によって、順に加工し、導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃを形成する。尚、本実施の形態では、導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、および絶縁体２５０はドライエッチング法を用いて加工し、酸化物２３０ｃはウェットエッチング法を用いて加工する（図１１参照）。
尚、導電体２６０ａの側面、導電体２６０ｂの側面、絶縁体２５０の側面、および酸化物２３０ｃの側面は、概略一致していることが好ましい。
次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、窒素雰囲気にて３００℃以上４５０℃以下で行うことが好ましい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
次に絶縁体２２２、酸化物２３０、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、絶縁体２７３ａ、絶縁体２７３ｂ、絶縁体２５０および導電体２６０を覆って、絶縁体２５４を成膜する。
絶縁体２５４の成膜前に、加熱処理を行ってもよい。該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して絶縁体２５４となる絶縁膜を成膜してもよい。この様に加熱処理を行うことによって、表面吸着水を除去し、表面吸着水が再付着することなく絶縁体２５４の成膜ができるので好ましい。
絶縁体２５４は、水、水素など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ることが好ましい。絶縁体２５４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、スパッタリング装置を用いて、減圧下にて加熱処理を行った後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。
次に、絶縁体２５４上に、絶縁体２７４を成膜する。絶縁体２７４は、水、水素など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ることが好ましい。例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウムなどを用いることができる。絶縁体２７４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、スパッタリング法によって、窒化シリコンを成膜する（図１２参照）。
次に、絶縁体２７４上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２８０となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。次に、絶縁体２８０となる絶縁膜にＣＭＰ処理を行い、上面が平坦な絶縁体２８０を形成する。
次に、加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。該加熱処理によって、絶縁体２５０および絶縁体２８０中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
次に、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成してもよい。絶縁体２８２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８２としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体２８０が有する水素を絶縁体２５０および酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる場合がある。
次に、加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。該加熱処理によって、絶縁体２８２の成膜によって添加された酸素を絶縁体２５０および絶縁体２８０へ注入することができる。
次に絶縁体２８２上に、絶縁体２８１を成膜してもよい。絶縁体２８１の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図１３参照）。
次に、絶縁体２７３ａ、絶縁体２５４、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８１に、導電体２４２ａに達する開口を形成する。ならびに、絶縁体２７３ｂ、絶縁体２５４、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８１に、導電体２４２ｂに達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。
次に、絶縁体２４１となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして絶縁体２４１を形成する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２４１となる絶縁膜としては、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。また、異方性エッチングは、例えばドライエッチング法などを行えばよい。開口の側壁部をこのような構成とすることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。
次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、水、水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体２４０となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８１を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（図１参照）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８１の一部が除去される場合がある。
以上により、図１に示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。図４乃至図１３に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ２００を作製することができる。
本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を作製する際に用いることができる装置について、図１４を参照して説明する。
本発明の一態様の半導体装置を作製する際には、異なる膜種が連続成膜可能となる複数の処理室を有する、所謂マルチチャンバー装置を用いることが好ましい。各処理室では、それぞれ、スパッタリング、ＣＶＤ、及びＡＬＤなどの成膜処理を行うことができる。例えば、１つの処理室をスパッタリング室とした場合、当該スパッタリング室には、ガス供給装置、当該ガス供給装置に接続されるガス精製装置、真空ポンプ、ターゲットなどを接続することができる。
また、各処理室では、基板のクリーニング処理、プラズマ処理、逆スパッタリング処理、エッチング処理、アッシング処理、加熱処理などを行ってもよい。各処理室において、適宜異なる処理を行うことで、絶縁体、導電体、および半導体膜を、大気開放を行わずに成膜することができる。
本発明の一態様に用いる半導体膜としては、代表的には酸化物半導体膜が挙げられる。特に、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）酸化物半導体膜を用いることで、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。ここでは、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よぶ。
高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、該酸化物半導体膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
なお、酸化物半導体膜中の不純物としては、代表的には水、水素などが挙げられる。また、本明細書等において、酸化物半導体膜中から水および水素を低減または除去することを、脱水化、脱水素化と表す場合がある。また、酸化物半導体膜に酸素を添加することを、加酸素化と表す場合があり、加酸素化され且つ化学量論的組成よりも過剰の酸素を有する状態を過剰酸素状態と表す場合がある。
ここで、酸化物半導体と、酸化物半導体の下層に位置する絶縁体、または導電体と、酸化物半導体の上層に位置する絶縁体、または導電体として、大気開放を行わずに、異なる膜種を連続成膜することで、不純物（特に、水素、水）の濃度が低減された、実質的に高純度真性である酸化物半導体膜を成膜することができる。
まず、本発明の一態様の半導体装置を作製する際に用いることができる装置の構成例の詳細について、図１４を用いて説明する。図１４に示す装置を用いることで、半導体膜と、半導体膜の下層に位置する絶縁体、または導電体と、半導体膜の上層に位置する絶縁体、または導電体とを連続成膜することができる。従って、半導体膜中に入り込みうる不純物（特に水素、水）を抑制することができる。
図１４は、枚葉式のマルチチャンバーの装置４０００の上面図を模式的に示している。
装置４０００は、大気側基板供給室４０１０と、大気側基板供給室４０１０から、基板を搬送する大気側基板搬送室４０１２と、基板の搬入を行い、且つ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室４０２０ａと、基板の搬出を行い、且つ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロードロック室４０２０ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室４０２９、および搬送室４０３９と、搬送室４０２９と搬送室４０３９とを接続する移送室４０３０ａ、および移送室４０３０ｂと、成膜、または加熱を行う処理室４０２４ａ、処理室４０２４ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅと、を有する。
なお、複数の処理室は、それぞれ、並列して異なる処理を行うことができる。従って、異なる膜種の積層構造を容易に作製することができる。なお、並列処理は、最大で処理室の数だけ行うことができる。例えば、図１４に示す装置４０００は、７つの処理室を有する装置である。従って、１つの装置を用いて（本明細書ではｉｎ−ｓｉｔｕともいう）、７つの成膜処理を、大気解放せずに連続して行うことができる。
一方、積層構造において、大気開放せずに作製できる積層数は、必ずしも処理室の数と同じにはならない。例えば、求める積層構造において、同材料の層を複数有する場合、当該層は１つの処理室で設けることができるため、設置された処理室の数よりも、多い積層数の積層構造を作製することができる。
また、大気側基板供給室４０１０は、基板を収容するカセットポート４０１４と、基板のアライメントを行うアライメントポート４０１６と、を備える。なお、カセットポート４０１４は、複数（例えば、図１４においては、３つ）有する構成としても良い。
また、大気側基板搬送室４０１２は、ロードロック室４０２０ａおよびアンロードロック室４０２０ｂと接続される。搬送室４０２９は、ロードロック室４０２０ａ、アンロードロック室４０２０ｂ、移送室４０３０ａ、移送室４０３０ｂ、処理室４０２４ａ、および処理室４０２４ｂと接続される。移送室４０３０ａ、および移送室４０３０ｂは、搬送室４０２９、および搬送室４０３９と接続される。また、搬送室４０３９は、移送室４０３０ａ、移送室４０３０ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅと接続される。
なお、各室の接続部にはゲートバルブ４０２８、またはゲートバルブ４０３８が設けられており、大気側基板供給室４０１０と、大気側基板搬送室４０１２を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板搬送室４０１２は、搬送ロボット４０１８を有する。搬送室４０２９は、搬送ロボット４０２６を有し、搬送室４０３９は、搬送ロボット４０３６を有する。搬送ロボット４０１８、搬送ロボット４０２６、および搬送ロボット４０３６は、複数の可動部と、基板を保持するアームと、を有し、各室へ基板を搬送することができる。
なお、搬送室、処理室、ロードロック室、アンロードロック室および移送室は、上述の数に限定されず、設置スペースやプロセス条件に合わせて、適宜最適な数とすることができる。
特に、搬送室を複数有する場合、一つの搬送室と、他の搬送室との間には、２以上の移送室を有することが好ましい。例えば、図１４に示すように、搬送室４０２９、および搬送室４０３９を有する場合、搬送室４０２９と搬送室４０３９との間に、移送室４０３０ａおよび移送室４０３０ｂが並列して配置されることが好ましい。
移送室４０３０ａおよび移送室４０３０ｂを並列して配置することで、例えば、搬送ロボット４０２６が移送室４０３０ａに基板を搬入する工程と、搬送ロボット４０３６が移送室４０３０ｂに基板を搬入する工程と、を同時に行うことができる。また、搬送ロボット４０２６が移送室４０３０ｂから基板を搬出する工程と、搬送ロボット４０３６が移送室４０３０ａから基板を搬出する工程と、を同時に行うことができる。つまり、複数の搬送ロボットを同時に駆動することで、生産効率が向上する。
また、図１４では、１室の搬送室が、１つの搬送ロボットを有し、かつ複数の処理室と接続する例を示したが、本構造に限定されない。１室の搬送室につき、複数の搬送ロボットを有していてもよい。
また、搬送室４０２９、および搬送室４０３９の一方、または両方は、バルブを介して真空ポンプと、クライオポンプと、に接続している。従って、搬送室４０２９、および搬送室４０３９は、真空ポンプを用いて、大気圧から低真空または中真空（数１００Ｐａから０．１Ｐａ程度）まで排気した後、バルブを切り替え、クライオポンプを用いて、中真空から高真空または超高真空（０．１Ｐａから１×１０−７Ｐａ程度）まで排気することができる。
また、例えば、クライオポンプは、１室の搬送室に対し、２台以上並列に接続しても良い。複数のクライオポンプを有することで、１台のクライオポンプがリジェネ中であっても、他のクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、リジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子（または原子）を放出する処理とする。クライオポンプは、分子（または原子）をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネを行うとよい。
処理室４０２４ａ、処理室４０２４ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅは、それぞれ、異なる処理を並列して行うことができる。つまり、処理室毎に、設置された基板に対し、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、およびＡＬＤ法などによる成膜処理、加熱処理、およびプラズマ処理のいずれか一または複数の処理を行うことができる。また、処理室では、加熱処理、またはプラズマ処理を行った後、成膜処理を行ってもよい。
装置４０００は、複数の処理室を有することで、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送することが可能なため、基板に不純物が吸着することを抑制できる。また、処理室毎に、異なる膜種の成膜処理、加熱処理、または、プラズマ処理を行うことができるため、成膜や加熱処理などの順番を自由に構築することができる。
なお、各処理室は、バルブを介して真空ポンプと接続してもよい。真空ポンプとしては、例えば、ドライポンプ、およびメカニカルブースターポンプ等を用いることができる。
また、各処理室は、プラズマを発生させることができる電源と接続してもよい。当該電源としては、ＤＣ電源、ＡＣ電源、高周波（ＲＦ、マイクロ波など）電源を設ければよい。また、ＤＣ電源にパルス発生装置を接続しても良い。
また、処理室は、ガス供給装置を介して、ガス精製装置と接続してもよい。なお、ガス供給装置およびガス精製装置は、ガス種の数だけ設けるとよい。
例えば、処理室で、スパッタリングによる成膜処理を行う場合、処理室は、ターゲットと、ターゲットに接続されたバッキングプレートと、バッキングプレートを介して、ターゲットと対向して配置されたカソードと、防着板と、基板ステージなどを備えてもよい。また、例えば、基板ステージは、基板を保持する基板保持機構や、基板を裏面から加熱する裏面ヒーター等を備えていても良い。
なお、基板ステージは、成膜時に床面に対して概略垂直状態に保持され、基板受け渡し時には床面に対して概略水平状態に保持される。ここで、基板ステージを床面に対して概略垂直とすることで、成膜時に混入しうるゴミまたはパーティクルが基板に付着する確率を、水平状態に保持するよりも抑制することができる。ただし、基板ステージを床面に対して垂直（９０°）状態に保持すると、基板が落下する可能性があるため、基板ステージの床面に対する角度は、８０°以上９０°未満とすることが好ましい。
なお、基板ステージの構成としては、上記構成に限定されない。例えば、基板ステージを床面に対して概略水平とする構成としてもよい。当該構成の場合、基板ステージよりも下方にターゲットを配置し、ターゲットと、基板ステージとの間に基板を配置すればよい。また、基板ステージは、基板が落下しないような基板を固定する治具、または基板を固定する機構を備えていても良い。
また、処理室に防着板を備えることで、ターゲットからスパッタリングされる粒子が不要な領域に堆積することを抑制することができる。また、防着板は、累積されたスパッタリング粒子が剥離しないように、加工することが望ましい。例えば、表面粗さを増加させるブラスト処理、または防着板の表面に凹凸を設けても良い。
バッキングプレートは、ターゲットを保持する機能を有し、カソードは、ターゲットに電圧（例えば、負電圧）を印加する機能を有する。
なお、ターゲットは、導電体、絶縁体、または半導体を用いることができる。例えば、ターゲットが金属酸化物などの酸化物半導体の場合、処理室にて酸化物半導体膜を成膜することができる。また、ターゲットが金属酸化物の場合においても、成膜ガスとして、窒素ガスを用いると酸化窒化物半導体膜を形成することもできる。
また、各処理室は、ガス加熱機構を介してガス供給装置と接続してもよい。ガス加熱機構はガス供給装置を介してガス精製装置と接続される。処理室に導入されるガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下、さらに好ましくは−１２０℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス（アルゴンガスなど）を用いることができる。また、ガス加熱機構により、処理室に導入されるガスを４０℃以上４００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構、ガス供給装置、およびガス精製装置は、ガス種の数だけ設けるとよい。
また、各処理室は、バルブを介してターボ分子ポンプおよび真空ポンプと接続してもよい。また、各処理室には、クライオトラップを設けてもよい。
なお、クライオトラップは、水などの比較的融点の高い分子（または原子）を吸着することができる機構である。ターボ分子ポンプは大きいサイズの分子（または原子）を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低い。そこで、水などに対する排気能力を高めるため、クライオトラップを用いることができる。クライオトラップの冷凍機の温度は１００Ｋ以下、好ましくは８０Ｋ以下とする。また、クライオトラップが複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、１段目の冷凍機の温度を１００Ｋ以下とし、２段目の冷凍機の温度を２０Ｋ以下とすればよい。
なお、処理室の排気方法は、これに限定されず、接続する搬送室に示す排気方法（クライオポンプと真空ポンプとの排気方法）と同様の構成としてもよい。なお、搬送室の排気方法を処理室と同様の構成（ターボ分子ポンプと真空ポンプとの排気方法）としてもよい。
特に、酸化物半導体膜を成膜する処理室の排気方法としては、真空ポンプとクライオトラップとを組み合わせる構成としてもよい。酸化物半導体膜を成膜する処理室に設けられる排気方法としては、少なくとも水分子を吸着することができる機能を有すると好ましい。
また、酸化物半導体膜を成膜する処理室は、水素分子の分圧が１×１０−２Ｐａ以下であり、且つ水分子の分圧が１×１０−４Ｐａ以下である、と好ましい。また、酸化物半導体膜を成膜する処理室の待機状態における圧力が８．０×１０−５Ｐａ以下、好ましくは５．０×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは１．０×１０−５Ｐａ以下である。また、上記の水素分子の分圧、および水分子の分圧の数値については、スパッタリングを行う処理室が待機状態のとき、および成膜状態（プラズマが放電状態）のときの双方の数値である。
なお、処理室の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製、四重極形質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓともいう）Ｑｕｌｅｅ ＣＧＭ−０５１を用いればよい。
処理室の水素分子の分圧、水分子の分圧、および待機状態における圧力を上記の範囲とすることで、形成される、酸化物半導体膜中の不純物の濃度を低くすることができる。
特に、各処理室を、それぞれ、スパッタリングによる成膜処理に用いることで、先の実施の形態で示したトランジスタ２００の構成の一部を、ｉｎ−ｓｉｔｕで連続成膜した積層構造により作製することができる。
例えば、トランジスタ２００を作製する場合、少なくとも、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７３Ａを、装置４０００を用いることで、連続成膜することができる。さらに、導電膜２４３Ａを、導電膜２４２Ａと同材料を用い、同条件にて成膜することで、導電膜２４３Ａは導電膜２４２Ａを成膜した処理室にて、成膜することができる。つまり、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７３Ａ、および導電膜２４３Ａを、大気開放を行わず、連続して成膜することができる。
また、例えば、酸化物２３０ｃとなる酸化膜、絶縁体２５０となる絶縁膜、導電体２６０ａとなる導電膜、および導電体２６０ｂとなる導電膜を、連続して成膜することができる。
上記構成とすることで、不純物（代表的には、水、水素など）を徹底的に排除した積層膜を形成することが可能となる。また、上記積層膜の各界面は、大気に曝されないため、不純物濃度が低減される。
また、例えば、処理室で、加熱処理を行う場合、処理室は、基板を格納することができる複数の加熱ステージを備えてもよい。例えば、加熱ステージは、多段の構成としてもよい。加熱ステージの段数を増やすことで複数の基板を同時に加熱処理できるため、生産性を向上させることができる。
処理室に用いることのできる加熱機構としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構としてもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を用いることができる。ＬＲＴＡは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。
ロードロック室４０２０ａは、基板受け渡しステージや、基板を裏面から加熱する裏面ヒーター等を備えていても良い。ロードロック室４０２０ａは、減圧状態から大気圧まで圧力を上昇させ、ロードロック室４０２０ａの圧力が大気圧になった時に、大気側基板搬送室４０１２に設けられている搬送ロボット４０１８から基板受け渡しステージが基板を受け取る。その後、ロードロック室４０２０ａを真空引きし、減圧状態としたのち、搬送室４０２９に設けられている搬送ロボット４０２６が基板受け渡しステージから基板を受け取る。
また、ロードロック室４０２０ａは、バルブを介して真空ポンプ、およびクライオポンプと接続されている。なお、アンロードロック室４０２０ｂは、ロードロック室４０２０ａと同様の構成とすればよい。
大気側基板搬送室４０１２は、搬送ロボット４０１８を有するため、搬送ロボット４０１８により、カセットポート４０１４とロードロック室４０２０ａとの基板の受け渡しを行うことができる。また、大気側基板搬送室４０１２、および大気側基板供給室４０１０の上方にＨＥＰＡフィルター（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ Ｆｉｌｔｅｒ）等のゴミまたはパーティクルの混入を抑制するための機構を設けてもよい。また、カセットポート４０１４は、複数の基板を格納することができる。
上記の装置４０００を用いて、絶縁膜、半導体膜、および導電膜を、大気開放を行わず連続成膜することで、半導体膜への不純物の入り込みを好適に抑制できる。
上記より、本発明の一態様の装置を用いることで、半導体膜を有する積層構造を連続成膜により、作製することができる。従って、半導体膜中に取り込まれる水素、水などの不純物を抑制し、且つ欠陥準位密度の低い半導体膜を作製することができる。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態、実施例などと適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１５および図１６を用いて説明する。
［記憶装置１］
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置（記憶装置）の一例を図１５に示す。本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００を用いることができる。
トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
図１５に示す半導体装置において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００の第１のゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００の第２のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
また、図１５に示す記憶装置は、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
＜トランジスタ３００＞
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
ここで、図１５に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
なお、図１５に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
＜容量素子１００＞
容量素子１００は、トランジスタ２００の上方に設けられる。容量素子１００は、第１の電極として機能する導電体１１０と、第２の電極として機能する導電体１２０、および誘電体として機能する絶縁体１３０とを有する。
また、例えば、導電体２４６上に設けた導電体１１２と、導電体１１０は、同時に形成することができる。なお、導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。
図１５では、導電体１１２、および導電体１１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
また、絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料と、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料との積層構造を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子１００は、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
なお、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料（高い比誘電率の材料）の絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムまたはアルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
一方、絶縁耐力が大きい材料（低い比誘電率の材料）としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。
＜配線層＞
各構造体の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数設けることができる。ここで、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
例えば、トランジスタ３００上には、層間膜として、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能する。
また、層間膜として機能する絶縁体は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１５において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられており、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能する。
同様に、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。さらに、導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。
層間膜として用いることができる絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
例えば、層間膜として機能する絶縁体には、誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
例えば、絶縁体２１６、絶縁体２１２、絶縁体３５２、および絶縁体３５４等には、誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。従って、絶縁体２１０、および絶縁体３５０等には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。
水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
配線、プラグに用いることができる導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
例えば、導電体３２８、導電体３３０、導電体３５６、導電体２１８、および導電体１１２等としては、上記の材料で形成される金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料を用いることが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
＜＜酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ＞＞
なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
例えば、図１５では、絶縁体２２４、およびトランジスタ２００は、バリア性を有する絶縁体２２０、絶縁体２５４、および絶縁体２７４により、封止する構造とすることができる。また、絶縁体２７６は導電体２４６および絶縁体２８０の一部と接しており、絶縁体２８０に含まれている、水または水素などの不純物、および酸素の導電体２４６への拡散を抑制することができる。
つまり、絶縁体２７６を設けることで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、導電体２４６に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体２７６を有することで、不純物である水素が、導電体２４６を介して、トランジスタ２００へ拡散することを抑制することができる。
なお、絶縁体２７６としては、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
［記憶装置２］
本発明の一態様である半導体装置を使用した、記憶装置の一例を図１６に示す。図１６に示す記憶装置は、図１５で示したトランジスタ２００、トランジスタ３００、および容量素子１００を有する半導体装置に加え、トランジスタ４００を有している。
トランジスタ４００は、トランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。例えば、トランジスタ４００の第１のゲート及び第２のゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ４００のソースと、トランジスタ２００の第２のゲートを接続する構成とする。当該構成でトランジスタ２００の第２のゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ４００の第１のゲート−ソース間の電圧および、第２のゲート−ソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ４００において、第２のゲート電圧及び第１のゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流が非常に小さいため、トランジスタ２００およびトランジスタ４００に電源供給をしなくても、トランジスタ２００の第２のゲートの負電位を長時間維持することができる。これにより、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置は、長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。
従って、図１６において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００のゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のバックゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。配線１００７はトランジスタ４００のソースと電気的に接続され、配線１００８はトランジスタ４００のゲートと電気的に接続され、配線１００９はトランジスタ４００のバックゲートと電気的に接続され、配線１０１０はトランジスタ４００のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線１００６、配線１００７、配線１００８、及び配線１００９が電気的に接続されている。
また、図１６に示す記憶装置は、図１５に示す記憶装置と同様に、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ４００は、トランジスタ２００よりも、少ない個数を設けるとよい。
＜トランジスタ４００＞
トランジスタ４００は、トランジスタ２００と、同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ４００は、第１のゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電体４０５と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、ドレインとして機能する導電体４４２ａ、酸化物４３２ｂ、および酸化物４３２ａと、ソースとして機能する導電体４４２ｂ、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３１ａと、導電体４４０（導電体４４０ａ、および導電体４４０ｂ）と、を有する。
トランジスタ４００における導電体４０５は、導電体２０５と、同じ層である。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａは、酸化物２３０ａと、同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂは、酸化物２３０ｂと、同じ層である。導電体４４２ａおよび導電体４４２ｂは、導電体２４２と、同じ層である。酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃと同じ層である。絶縁体４５０は、絶縁体２５０と、同じ層である。導電体４６０は、導電体２６０と、同じ層である。
なお、同じ層に形成された構造体は、同時に形成することができる。例えば、酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃとなる酸化膜を加工することで、形成することができる。
トランジスタ４００の活性層として機能する酸化物４３０ｃは、酸化物２３０などと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、第２のゲート電圧及び第１のゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流を非常に小さくすることができる。
＜＜ダイシングライン＞＞
以下では、大面積基板を半導体素子ごとに分断することによって、複数の半導体装置をチップ状で取り出す場合に設けられるダイシングライン（スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある）について説明する。分断方法としては、例えば、まず、基板に半導体素子を分断するための溝（ダイシングライン）を形成した後、ダイシングラインにおいて切断し、複数の半導体装置に分断（分割）する場合がある。
ここで、例えば、図１６に示すように、絶縁体２５４と、絶縁体２２２とが接する領域をダイシングラインとなるように設計することが好ましい。つまり、複数のトランジスタ２００を有するメモリセル、およびトランジスタ４００の外縁に設けられるダイシングラインとなる領域近傍において、絶縁体２２４に開口を設ける。また、絶縁体２２４の側面を覆うように、絶縁体２５４を設ける。
つまり、上記絶縁体２２４に設けた開口において、絶縁体２２２と、絶縁体２５４とが接する。例えば、このとき、絶縁体２２２と、絶縁体２５４とを同材料及び同方法を用いて形成してもよい。絶縁体２２２、および絶縁体２５４を、同材料、および同方法で設けることで、密着性を高めることができる。例えば、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。
当該構造により、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４で、絶縁体２２４、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を包み込むことができる。絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体素子が形成された回路領域ごとに、基板を分断することにより、複数のチップに加工しても、分断した基板の側面方向から、水素又は水などの不純物が混入し、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００に拡散することを防ぐことができる。
また、当該構造により、絶縁体２２４の過剰酸素が絶縁体２７４、および絶縁体２２２の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２２４の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態、実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態４）
本実施の形態では、図１７および図１８を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ場合がある）、および容量素子が適用されている記憶装置（以下、ＯＳメモリ装置と呼ぶ場合がある）について説明する。ＯＳメモリ装置は、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有する記憶装置である。ＯＳトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、ＯＳメモリ装置は優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
＜記憶装置の構成例＞
図１７（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１７（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１７（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１８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１８（Ａ）乃至（Ｃ）に、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、１ＯＳトランジスタ１容量素子型のメモリセルを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ場合がある。図１８（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１８（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１８（Ｃ）に示すメモリセル１４７３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は多値データ、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１８（Ｄ）乃至（Ｈ）に、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図１８（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１８（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１８（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１８（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１８（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１８（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、実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、図１９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１９（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１９（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、携帯型ゲーム機などの携帯型電子機器に用いることが好適である。また、ＧＰＵ１２１２を用いた積和演算回路により、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの演算を実行することができるため、チップ１２００をＡＩチップ、またはＧＰＵモジュール１２０４をＡＩシステムモジュールとして用いることができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態、実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図２０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２０（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２０（Ｂ）はＳＤカードの外観の模式図であり、図２０（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２０（Ｄ）はＳＳＤの外観の模式図であり、図２０（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、実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態７）
本発明の一態様に係る半導体装置は、ＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図２１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、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２１に、電子機器の例を示す。
［携帯電話］
図２１（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２１（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２１（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にも本発明の一態様のチップ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２１（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２１（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キャラクターの言動、ゲーム上で発生する現象などは、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構成が可能になる。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うことが可能となる。
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２１（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２１（Ｅ１）は移動体の一例である自動車５７００を示し、図２１（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２１（Ｅ２）では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。
表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、燃料計、ギア状態、エアコンの設定などを表示することで、様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。
表示パネル５７０４には、自動車５７００に設けられた撮像装置（図示しない）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車５７００の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該チップを自動車５７００の自動運転システムに用いることができる。また、当該チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０４には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。
なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。
［放送システム］
本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは、放送システムに適用することができる。
図２１（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２１（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２１（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２１（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、実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
本実施例では、試料Ａとして、本発明の一態様である、図２に示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製した。作製した試料Ａの電気特性を測定した。具体的には、試料Ａが有する複数のトランジスタのうち、３つのトランジスタ（トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａ）のＩｄ−Ｖｇ特性を測定した。なお、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａのチャネル長は６５ｎｍ、チャネル幅は６２ｎｍとした。
電気特性を測定した後、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａに対して薄片化処理を行い、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａが有する酸化物の結晶性を評価した。
＜試料Ａが有するトランジスタの作製方法＞
以下に、試料Ａが有するトランジスタの作製方法を説明する。
導電体２０５として、窒化タンタル膜、窒化チタン膜、タングステン膜、窒化チタン膜、およびタングステン膜の積層構造を用いた。また、第２のゲート絶縁体として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２および絶縁体２２４として、それぞれ、酸化窒化シリコン膜、酸化ハフニウム膜および酸化窒化シリコン膜を用いた。
酸化物２３０ａとなる第１の酸化物として、スパッタリング法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。第１の酸化物は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いて、酸素ガス流量４５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度２００℃の条件にて成膜した。
続いて、第１の酸化物上に、酸化物２３０ｂとなる第２の酸化物として、スパッタリング法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。第２の酸化物は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いて、アルゴンガス流量３０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量１５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度２００℃の条件にて成膜した。なお、第１の酸化物と第２の酸化物とは、連続成膜した。
次に、熱処理を行った。当該熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。
次に、第２の酸化物上に、導電体２４２となる導電体として、窒化タンタル膜を成膜し、導電体２４２となる導電体上に、バリア膜となる酸化アルミニウム膜を成膜した。その後、当該酸化アルミニウム膜、窒化タンタル膜、第２の酸化物、および第１の酸化物を加工し、バリア膜、導電体２４２、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａを形成した。
次に、真空雰囲気にて、温度２００℃、５分の熱処理を行い、続けて、酸化物２３０ｃとなる第３の酸化物として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物をスパッタリング法により、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いて成膜した。
次に、絶縁体２５０となる絶縁体として、酸化窒化シリコン膜を成膜した。
次に、絶縁体２５０となる絶縁体上に、導電体２６０ａとなる導電膜として、窒化チタン膜を成膜した。続いて、導電体２６０ｂとなる導電膜として、タングステン膜を成膜した。なお、窒化チタン膜、およびタングステン膜は連続成膜により形成した。その後、タングステン膜、窒化チタン膜、酸化窒化シリコン膜、および第３の酸化物を加工し、導電体２６０ｂ、導電体２６０ａ、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃを形成した。
次に、絶縁体２５４として、酸化アルミニウム膜を成膜し、絶縁体２７４として、酸化アルミニウム膜を成膜した。
以上の工程より、試料Ａが有するトランジスタを作製した。
＜トランジスタの電気特性＞
次に、試料Ａの電気特性として、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３ＡのＩｄ−Ｖｇ特性を測定した。
なお、Ｉｄ−Ｖｇ特性の測定では、トランジスタの第１のゲート電極として機能する導電体２６０に印加する電位（以下、ゲート電位（Ｖｇ）ともいう）を、第１の値から第２の値まで変化させたときの、ソース電極として機能する導電体２４２ａとドレイン電極として機能する導電体２４２ｂとの間の電流（以下、ドレイン電流（Ｉｄ）ともいう）の変化を測定する。
ここでは、導電体２４２ａに印加する電位（以下、ソース電位Ｖｓともいう）と導電体２４２ｂに印加する電位（以下、ドレイン電位Ｖｄともいう）との差である電圧（以下、ドレイン電圧ともいう）を＋０．１Ｖ、または＋１．２Ｖとし、ソース電位とゲート電位との差である電圧（以下、ゲート電圧ともいう）を−４．０Ｖから＋４．０Ｖまで変化させたときのドレイン電流（Ｉｄ）の変化を測定した。
なお、本測定においては、第２のゲート電極（バックゲート電極）として機能する導電体２０５の電位（以下、バックゲート電位（Ｖｂｇ）ともいう）を、０．００Ｖとした。
図２２に、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３ＡのＩｄ−Ｖｇ特性を示す。なお、図２２には、実線で示すＩｄ−Ｖｇ特性、トランジスタのチャネル長およびチャネル幅、ならびに、ゲート絶縁体の膜厚および誘電率から算出した電界効果移動度（μＦＥ）を破線で示す。図２２において、横軸は、Ｖｇであり、左側の縦軸は、Ｉｄであり、右側の縦軸は、μＦＥである。
図２２より、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａのトランジスタ特性（Ｉｄ−Ｖｇ、μＦＥ）のばらつきは小さいことが分かった。
＜透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像の画像解析＞
本項目では、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａが有する酸化物を、高角散乱環状暗視野走査透過電子顕微鏡（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ）によって解析した結果について説明する。
平面ＴＥＭ像の画像解析を行った結果について説明する。なお、平面ＴＥＭ像は、球面収差補正機能を用いて観察した。なお、平面ＴＥＭ像の撮影には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆを用いて、加速電圧２００ｋＶの電子線を照射して行った。
画像処理、および画像解析の方法について説明する。まず、画像処理として、平面ＴＥＭ像を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得した。次に、取得したＦＦＴ像を、２．８ｎｍ−１から５．０ｎｍ−１の範囲を残してマスク処理を行った。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴフィルタリング像を取得した。
画像解析として、まず、ＦＦＴフィルタリング像から格子点を抽出した。格子点の抽出は、以下の手順で行った。まず、ＦＦＴフィルタリング像のノイズを除去する処理を行った。ノイズを除去する処理として、半径０．０５ｎｍの範囲における輝度を下式によって平滑化した。
Figure 2019130162
ここで、Ｓ＿Ｉｎｔ（ｘ，ｙ）は座標（ｘ，ｙ）における平滑化された輝度を示し、ｒは座標（ｘ，ｙ）と座標（ｘ’，ｙ’）との距離を示し、Ｉｎｔ（ｘ’，ｙ’）は、座標（ｘ’，ｙ’）における輝度を示す。なお、ｒが０のときは、ｒを１として計算した。
次に、格子点の探索を行った。ここでは、半径０．２２ｎｍ内の全ての座標の中で、輝度が最も高い座標を、格子点とした。なお、半径０．２２ｎｍ内であれば、ノイズによる格子点の誤検出の頻度を小さくすることができる。また、ＴＥＭ像では格子点間に一定の距離があるため、半径０．２２ｎｍ内には二つ以上の格子点が含まれる可能性は低い。
まず、格子点候補を抽出した。次に、抽出された格子点候補を中心に、半径０．２２ｎｍ内で最も輝度の高い座標を抽出し、格子点候補を更新した。格子点候補の抽出を繰り返し、新たな格子点候補が現れなくなったときの座標を格子点として認定した。同様に、認定された格子点から０．２２ｎｍよりも離れた位置において、新たな格子点の認定を行うことで、全ての範囲で格子点を認定した。得られた複数の格子点は、まとめて格子点群と呼ぶ。
次に、抽出した格子点群から六角形格子の角度を導出する方法について、図２３（Ａ）乃至（Ｃ）に示す模式図、ならびに図２３（Ｄ）に示すフローチャートを用いて説明する。
まず、基準格子点を定め、その最近接である６点の近接格子点を結び、六角形格子を形成した（図２３（Ａ）、図２３（Ｄ）ステップＳ１０１参照）。その後、該六角形格子の中心点である基準格子点から頂点である各格子点までの距離の平均値Ｒを導出した。算出したＲを各頂点までの距離とし、基準格子点を中心点とした正六角形を形成した（図２３（Ｄ）ステップＳ１０２参照）。このとき、正六角形の各頂点と、それぞれに最も近い近接格子点との距離を距離ｄ１、距離ｄ２、距離ｄ３、距離ｄ４、距離ｄ５および距離ｄ６とする（図２３（Ｂ）、図２３（Ｄ）ステップＳ１０３参照）。
次に、正六角形を、中心点を基準に０．１°刻みで０°から６０°まで回転させ、回転した正六角形と六角形格子との平均のずれ［Ｄ＝（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋ｄ４＋ｄ５＋ｄ６）／６］を算出した（図２３（Ｄ）ステップＳ１０４参照）。そして、平均のずれＤが最小となるときの正六角形の回転角度θを求め、六角形格子の角度とした（図２３（Ｄ）ステップＳ１０５）。ここで、半径１ｎｍの範囲において、六角形格子の角度の平均値を算出した。なお、基準格子点と、正六角形の頂点の１つとを結んだ直線の方向が、Ｌ長方向と重なるとき、六角形格子の角度を０°とした。
続いて、画像処理を経て得られた平面ＴＥＭ像を、領域が有する六角形格子の角度に応じ、色、または濃淡で表示した。平面ＴＥＭ像を画像処理した像は、平面ＴＥＭ像を上述の方法により画像解析し、六角形格子の角度に応じた濃淡を示した像である。つまり、平面ＴＥＭ像を画像処理した像は、平面ＴＥＭ像のＦＦＴフィルタリング像において、特定波数領域を色分けすることにより、各特定波数領域の格子点の向きを抽出した画像である。
図２４に、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａが有する酸化物の平面ＴＥＭ像を画像処理した像を示す。図２４（Ａ）は、トランジスタ１Ａが有する酸化物の画像処理像であり、図２４（Ｂ）は、トランジスタ２Ａが有する酸化物の画像処理像であり、図２４（Ｃ）は、トランジスタ３Ａが有する酸化物の画像処理像である。
図２４より、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａが有する酸化物のいずれにおいても、六角形格子の角度が同じ角度を示す領域が、ナノ結晶のサイズ（原子配列に周期性を有する微小な領域）より広範囲にわたって存在することがわかった。また、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａの六角形格子の角度の分布が異なっていても、図２２に示すトランジスタ特性のばらつきは小さいことから、六角形格子の角度の分布の違いがトランジスタ特性に与える影響は小さい、または、ないと推測される。
次に、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａが有する酸化物の格子点群からボロノイ図を作成した。ボロノイ図は、格子点を含む領域で分割した図である。それぞれの格子点は、格子点を囲む領域から最も近い。以下では、図２５（Ａ）乃至（Ｄ）に示す模式図、ならびに図２５（Ｅ）に示すフローチャートを用いて、ボロノイ図の作成方法の詳細を説明する。
まず、図２３に示した方法などによって格子点群を抽出した（図２５（Ａ）および図２５（Ｅ）ステップＳ１１１参照）。次に、近接する格子点間を線分で結んだ（図２５（Ｂ）および図２５（Ｅ）ステップＳ１１２参照）。次に、各線分の垂直二等分線を引いた（図２５（Ｃ）および図２５（Ｅ）ステップＳ１１３参照）。次に、３つの垂直二等分線が交わる点を抽出した（図２５（Ｅ）ステップＳ１１４参照）。この点をボロノイ点と呼ぶ。次に、近接するボロノイ点間を線分で結んだ（図２５（Ｄ）および図２５（Ｅ）ステップＳ１１５参照）。このとき、線分に囲まれた多角形領域をボロノイ領域と呼ぶ。以上の方法によって、ボロノイ図を作成することができた。
酸化物の結晶構造が、ブラベー格子として、六方格子、三方格子、または、菱面格子である場合、単結晶酸化物におけるボロノイ領域の形状が六角形である割合は１００％となる。また、酸化物が、例えば、ＣＡＡＣ構造、ｎｃ構造など、結晶性を有する場合、当該酸化物の歪みにおいて、ボロノイ領域の形状が、六角形以外の多角形である場合がある。よって、当該酸化物におけるボロノイ領域の形状が六角形である割合は最も高いものの、六角形以外の多角形である割合も存在すると推定される。例えば、当該酸化物におけるボロノイ領域の形状が六角形である割合は、５０％以上９０％以下である。
図２６に、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａが有する酸化物におけるボロノイ領域の形状が、三角形乃至八角形、および九角形以上の多角形のいずれかである割合を示す。図２６（Ａ）は、トランジスタ１Ａが有する酸化物における当該割合であり、図２６（Ｂ）は、トランジスタ２Ａが有する酸化物における当該割合であり、図２６（Ｃ）は、トランジスタ３Ａが有する酸化物における当該割合である。なお、図２６に示す棒グラフ、表は、どちらも、トランジスタが有する酸化物におけるボロノイ領域の形状が、三角形乃至八角形、および九角形以上の多角形のいずれかである割合を示している。
図２６より、トランジスタ１Ａ乃至トランジスタ３Ａのいずれにおいても、六角形の割合が最も高く、五角形または七角形の割合が次に高く、四角形以下の多角形または八角形以上の多角形の割合が低いことが分かった。また、六角形の割合は、トランジスタ１Ａでは５８％であり、トランジスタ２Ａでは６３％であり、トランジスタ３Ａでは６２％であった。
本実施例は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
１００：容量素子、１１０：導電体、１１２：導電体、１２０：導電体、１３０：絶縁体、１５０：絶縁体、２００：トランジスタ、２０５：導電体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１８：導電体、２２０：絶縁体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２２４Ａ：絶縁膜、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０Ａ：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｃ：酸化物、２４０：導電体、２４０ａ：導電体、２４０ｂ：導電体、２４１：絶縁体、２４１ａ：絶縁体、２４１ｂ：絶縁体、２４２：導電体、２４２ａ：導電体、２４２Ａ：導電膜、２４２ｂ：導電体、２４２Ｂ：導電体層、２４３ａ：導電体、２４３Ａ：導電膜、２４３ｂ：導電体、２４３Ｂ：導電体層、２４４：レジスト、２４６：導電体、２５０：絶縁体、２５４：絶縁体、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０ｂ：導電体、２７３：絶縁体、２７３ａ：絶縁体、２７３Ａ：絶縁膜、２７３ｂ：絶縁体、２７３Ｂ：絶縁体層、２７４：絶縁体、２７６：絶縁体、２８０：絶縁体、２８１：絶縁体、２８２：絶縁体、３００：トランジスタ、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体、４００：トランジスタ、４０５：導電体、４０５ａ：導電体、４０５ｂ：導電体、４３０ｃ：酸化物、４３１ａ：酸化物、４３１ｂ：酸化物、４３２ａ：酸化物、４３２ｂ：酸化物、４４０：導電体、４４０ａ：導電体、４４０ｂ：導電体、４４２ａ：導電体、４４２ｂ：導電体、４５０：絶縁体、４６０：導電体、４６０ａ：導電体、４６０ｂ：導電体、１００１：配線、１００２：配線、１００３：配線、１００４：配線、１００５：配線、１００６：配線、１００７：配線、１００８：配線、１００９：配線、１０１０：配線、１１００：ＵＳＢメモリ、１１０１：筐体、１１０２：キャップ、１１０３：ＵＳＢコネクタ、１１０４：基板、１１０５：メモリチップ、１１０６：コントローラチップ、１１１０：ＳＤカード、１１１１：筐体、１１１２：コネクタ、１１１３：基板、１１１４：メモリチップ、１１１５：コントローラチップ、１１５０：ＳＳＤ、１１５１：筐体、１１５２：コネクタ、１１５３：基板、１１５４：メモリチップ、１１５５：メモリチップ、１１５６：コントローラチップ、１２００：チップ、１２０１：ＰＣＢ、１２０２：バンプ、１２０３：マザーボード、１２０４：ＧＰＵモジュール、１２１１：ＣＰＵ、１２１２：ＧＰＵ、１２１３：アナログ演算部、１２１４：メモリコントローラ、１２１５：インターフェース、１２１６：ネットワーク回路、１２２１：ＤＲＡＭ、１２２２：フラッシュメモリ、１４００：記憶装置、１４１１：周辺回路、１４２０：行回路、１４３０：列回路、１４４０：出力回路、１４６０：コントロールロジック回路、１４７０：メモリセルアレイ、１４７１：メモリセル、１４７２：メモリセル、１４７３：メモリセル、１４７４：メモリセル、１４７５：メモリセル、１４７６：メモリセル、１４７７：メモリセル、１４７８：メモリセル、４０００：装置、４０１０：大気側基板供給室、４０１２：大気側基板搬送室、４０１４：カセットポート、４０１６：アライメントポート、４０１８：搬送ロボット、４０２０ａ：ロードロック室、４０２０ｂ：アンロードロック室、４０２４ａ：処理室、４０２４ｂ：処理室、４０２６：搬送ロボット、４０２８：ゲートバルブ、４０２９：搬送室、４０３０ａ：移送室、４０３０ｂ：移送室、４０３４ａ：処理室、４０３４ｂ：処理室、４０３４ｃ：処理室、４０３４ｄ：処理室、４０３４ｅ：処理室、４０３６：搬送ロボット、４０３８：ゲートバルブ、４０３９：搬送室、５２００：携帯ゲーム機、５２０１：筐体、５２０２：表示部、５２０３：ボタン、５３００：デスクトップ型情報端末、５３０１：本体、５３０２：ディスプレイ、５３０３：キーボード、５５００：情報端末、５５１０：筐体、５５１１：表示部、５６００：ＴＶ、５６５０：アンテナ、５６７０：電波塔、５６７５Ａ：電波、５６７５Ｂ：電波、５６８０：放送局、５７００：自動車、５７０１：表示パネル、５７０２：表示パネル、５７０３：表示パネル、５７０４：表示パネル、５８００：電気冷凍冷蔵庫、５８０１：筐体、５８０２：冷蔵室用扉、５８０３：冷凍室用扉

Claims (17)

  1. 第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第２の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第１の酸化物と、
    前記第１の酸化物上の第２の酸化物と、
    前記第２の酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、
    前記第１の導電体上の第３の絶縁体と、
    前記第２の導電体上の第４の絶縁体と、
    前記第２の酸化物上の第３の酸化物と、
    前記第３の酸化物上の第５の絶縁体と、
    前記第５の絶縁体上に位置し、前記第３の酸化物と重なる第３の導電体と、
    前記第１乃至第５の絶縁体、前記第１の酸化物、前記第２の酸化物、前記第３の酸化物、および前記第１乃至第３の導電体を覆う第６の絶縁体と、
    前記第６の絶縁体上の第７の絶縁体と、を有し、
    前記第６の絶縁体は、前記第１の絶縁体の上面の一部、前記第２の絶縁体の側面、前記第５の絶縁体の側面、前記第１乃至第３の酸化物の側面、前記第１乃至第３の導電体の側面、および前記第３の導電体の上面と接している、半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第１の絶縁体、前記第６の絶縁体および前記第７の絶縁体は、それぞれ、前記第２の絶縁体よりも酸素および水素の一方または双方を透過し難い、半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記第１の絶縁体、前記第６の絶縁体および前記第７の絶縁体は、それぞれ、前記第５の絶縁体よりも酸素および水素の一方または双方を透過し難い、
    半導体装置。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
    前記第１の絶縁体、前記第６の絶縁体は、それぞれ、アルミニウム、およびハフニウムの一方または両方を含む酸化物である、
    半導体装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
    前記第１の絶縁体および前記第６の絶縁体は、それぞれ、酸化アルミニウムである、半導体装置。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
    前記第７の絶縁体は、シリコンと、窒素と、を有する、
    半導体装置。
  7. トランジスタを有する半導体装置であって、
    前記トランジスタは、
    第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第２の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体上の第１の酸化物と、
    前記第１の酸化物上の第２の酸化物と、
    前記第２の酸化物上の第１の導電体および第２の導電体と、
    前記第１の導電体上の第３の絶縁体と、
    前記第２の導電体上の第４の絶縁体と、
    前記第２の酸化物上の第３の酸化物と、
    前記第３の酸化物上の第５の絶縁体と、
    前記第５の絶縁体上に位置し、前記第３の酸化物と重なる第３の導電体と、を有し、
    前記トランジスタのチャネル長方向の断面において、前記第１の絶縁体の底面の高さを基準として、前記第２の酸化物と重なる領域の前記第３の導電体の底面は、前記第２の導電体の上面より低い箇所を有し、
    前記トランジスタのチャネル幅方向の断面において、前記第１の絶縁体の底面の高さを基準として、前記第２の酸化物と重ならない領域の前記第３の導電体の底面は、前記第２の酸化物の底面より低い箇所を有する、
    半導体装置。
  8. 請求項７において、
    前記第１の絶縁体は、前記第２の絶縁体よりも酸素および水素の一方または双方を透過し難い、半導体装置。
  9. 請求項７または請求項８において、
    前記第１の絶縁体は、前記第５の絶縁体よりも酸素および水素の一方または双方を透過し難い、半導体装置。
  10. 請求項７乃至請求項９のいずれか一項において、
    前記第１の絶縁体は、アルミニウム、およびハフニウムの一方または両方を含む酸化物である、半導体装置。
  11. 請求項７乃至請求項１０のいずれか一項において、
    前記第１の絶縁体は、酸化アルミニウムである、半導体装置。
  12. 請求項１乃至請求１１のいずれか一項において、
    前記第１乃至第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、半導体装置。
  13. 請求項１２において、
    前記第２の酸化物は、前記第２の酸化物の上面における透過電子顕微鏡像を画像解析することで得られる格子点群を有し、
    前記格子点群から作成されたボロノイ図において、ボロノイ領域の形状が六角形である割合が５０％以上８０％以下である、半導体装置。
  14. 第１の絶縁膜を成膜し、
    前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を成膜し、
    前記第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を成膜し、
    前記第３の絶縁膜上に第１の酸化物を成膜し、
    前記第１の酸化膜上に第２の酸化物を成膜し、
    前記第２の酸化膜上に第１の導電膜を成膜し、
    前記第１の導電膜上に第４の絶縁膜を成膜し、
    前記第４の絶縁膜上に第２の導電膜を成膜し、
    リソグラフィー法を用いて、前記第２の導電膜の一部を加工することで、前記第２の導電膜に前記第４の絶縁膜が露出する開口を形成し、
    リソグラフィー法を用いて、前記第２の導電膜、前記第４の絶縁膜および前記第１の導電膜を加工することで、前記開口を有する前記第２の導電膜、前記第４の絶縁膜および前記第１の導電膜を含む第１の層を形成し、
    前記第１の層をエッチングマスクとして、前記第２の酸化物および前記第１の酸化物を加工し、
    前記開口に露出した前記第４の絶縁膜を除去することで、前記開口に前記第１の導電膜を露出させ、
    前記第２の導電膜および前記開口に露出した前記第１の導電膜を除去することで、前記開口に前記第２の酸化物を露出させ、前記第１の導電膜を、第１の導電体と、第２の導電体に分離、前記第４の絶縁膜を第１の絶縁体と、第２の絶縁体に分離し、
    前記第２の絶縁膜を加工することで、前記第２の絶縁膜、前記第１の酸化物、前記第２の酸化物、前記第１の導電体、前記第２の導電体、前記第１の絶縁体および前記第２の絶縁体を含む第２の層を形成し、
    前記第１の絶縁膜上および前記第２の層上に第３の酸化物を成膜し、
    前記第３の酸化物上に第５の絶縁膜を成膜し、
    前記第５の絶縁膜上に第３の導電膜を成膜し、
    リソグラフィー法を用いて、前記第３の導電膜、前記第５の絶縁膜、および前記第３酸化物を加工することで、前記第３の導電膜、前記第５の絶縁膜、および前記第３酸化物を含む第３の層を形成し、
    前記第１の絶縁膜上、前記第２の層上および前記第３の層上に第６の絶縁膜を成膜する、半導体装置の作製方法。
  15. 請求項１４において、
    前記第１の絶縁膜の成膜、前記第２の絶縁膜の成膜、前記第３の絶縁膜の成膜、前記第１の酸化物の成膜、前記第２の酸化物の成膜、前記第１の導電膜の成膜、前記第４の絶縁膜の成膜、および前記第２の導電膜の成膜は、複数の処理室を有する成膜装置を用いて、減圧下において連続で成膜する、半導体装置の作製方法。
  16. 請求項１４において、
    前記第３の酸化物の成膜、前記第５の絶縁膜の成膜、および前記第３の導電膜の成膜は、複数の処理室を有する成膜装置を用いて、減圧下において連続で成膜する、半導体装置の作製方法。
  17. 請求項１５または請求項１６において、
    前記処理室は、スパッタリング法による成膜を行う、 半導体装置の作製方法。
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