JPWO2020008304A1 - 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

微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供する。酸化物と、酸化物上に、お互いに離間して設けられた第１の導電体、および第２の導電体と、酸化物上、かつ第１の導電体と第２の導電体の間の領域と重畳する領域を有する第３の導電体と、第３の導電体上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体に設けられた第１の開口を介して、第１の導電体と電気的に接続する第４の導電体と、第１の絶縁体上に設けられ、かつ第１の開口内部で第４の導電体上に設けられた第２の絶縁体と、第１の開口内部で、第２の絶縁体を間に挟み、第４の導電体と重畳する第５の導電体と、第１の絶縁体、および第２の絶縁体に設けられた第２の開口内で第２の導電体と電気的に接続する第６の導電体と、を有し、第５の導電体、および第６の導電体は、第１の絶縁体上において、第２の絶縁体の上面と接する。

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やＣＰＵやメモリが主に用いられている。ＣＰＵは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路（少なくともトランジスタおよびメモリ）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やＣＰＵやメモリなどの半導体回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えば、プリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。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低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献１参照。）。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタで、ゲート電極を開口部に埋め込んで作製する方法などが開示されている（特許文献２参照。）。
また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、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 特開２０１７−０５０５３０号公報
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、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、良好な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。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、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、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、酸化物と、酸化物上に、お互いに離間して設けられた第１の導電体、および第２の導電体と、酸化物上、かつ第１の導電体と第２の導電体の間の領域と重畳する領域を有する第３の導電体と、第３の導電体上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体に設けられた第１の開口を介して、第１の導電体と電気的に接続する第４の導電体と、第１の絶縁体上に設けられ、かつ第１の開口内部で第４の導電体上に設けられた第２の絶縁体と、第１の開口内部で、第２の絶縁体を間に挟み、第４の導電体と重畳する第５の導電体と、第１の絶縁体、および第２の絶縁体に設けられた第２の開口内で第２の導電体と電気的に接続する第６の導電体と、を有し、第５の導電体、および第６の導電体は、第１の絶縁体上において、第２の絶縁体の上面と接する半導体装置である。
上記において、第４の導電体、第２の導電体、および第５の導電体により容量素子を構成することが好ましい。
上記において、半導体装置は第３の絶縁体を有していてもよく、第３の絶縁体は、第３の導電体と酸化物の間と、第３の導電体と第１の導電体の間と、第３の導電体と第２の導電体の間に設けられることが好ましい。
上記において、第３の絶縁体は、第１の絶縁体と接することが好ましい。
上記において、第５の導電体、および第６の導電体は、同じ材料を含むことが好ましい。
上記において、第５の導電体、および第６の導電体は、同じ工程で形成されることが好ましい。
上記において、酸化物は、インジウムと、元素Ｍ（Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズ）と、亜鉛と、を有することが好ましい。
本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。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、良好な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。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、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。 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。
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、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。
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」、または「直交」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」、または「略直交」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、および図２は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、および容量素子１００を有する半導体装置、および半導体装置周辺の上面図および断面図である。なお、本明細書において、当該半導体装置をメモリセル６００と表記する場合がある。
図１（Ａ）は、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、および図２（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２（Ａ）は、図１（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、導電体２６０の延びる方向のチャネル形成領域の断面図である。なお、図２（Ａ）は、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面を表している。また、図２（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、配線ＢＬとして機能する導電体２４０と導電体２４２ｃとの接続部における断面図である。また、図２（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ７−Ａ８の一点鎖線で示す部位の断面図であり、容量素子１００ａと導電体２４２ａとの接続部における断面図である。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、トランジスタ２００と電気的に接続する容量素子１００と、層間膜として機能する絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２８１を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０とを有する。
なお、トランジスタ２００は、一つの半導体層に２つのゲート電極として機能する導電層２６０を有する。すなわち、トランジスタ２００は、一つの半導体層にトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂを有する構造と別言することができる。また、トランジスタ２００ａのソースおよびドレインの一方は、トランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方と共有している。このため、トランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂをそれぞれ形成する場合に比べ、トランジスタ２００に接続するプラグなどの数を削減でき、また、トランジスタ２００の面積を小さくすることができる。また、トランジスタ２００ａのソースおよびドレインの他方と容量素子１００ａが電気的に接続し、トランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの他方と容量素子１００ｂが電気的に接続している。
ここで、本実施の形態では、トランジスタ２００の詳細な説明として、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂの一方を中心に説明する場合があるが、特段の説明が無い限り、トランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂは同様の構成を有しているため、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂの他方の説明は省略する。また、本明細書において、トランジスタ２００は、トランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂの一方、または両方を指す場合がある。
また、本実施の形態では、容量素子１００の詳細な説明として、容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂの一方を中心に説明する場合があるが、特段の説明が無い限り、容量素子１００ａと容量素子１００ｂは同様の構成を有しているため、容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂの他方の説明は省略する。また、本明細書において、容量素子１００は、容量素子１００ａ、および容量素子１００ｂの一方、または両方を指す場合がある。
また、絶縁体２５６、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２８１、および絶縁体１３０の開口内壁に接して、絶縁体２４１を設けてもよい。このとき導電体２４０は、絶縁体２５６、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２８１、および絶縁体１３０の開口内において、絶縁体２４１を介して、該開口の内壁に接して設けられる。絶縁体２４１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。絶縁体２４１を設けることで、半導体装置の特性や信頼性の向上が期待できるが、必ずしも設ける必要は無い。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２５６、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２８１の開口内壁に接して絶縁体１４１を設けてもよい。このとき容量素子１００は、絶縁体２５６、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２８１の開口内において、絶縁体１４１を介して、該開口の内壁に接して設けられる。絶縁体１４１に接して、下部電極として機能する導電体１１０が形成され、導電体１１０の内側に絶縁体１３０が形成され、絶縁体１３０の内側に上部電極として機能する導電体１２０が形成されている。絶縁体１４１を設けることで、半導体装置の特性や信頼性の向上が期待できるが、必ずしも設ける必要は無い。導電体１２０は、導電体２４０と同じ材料を用い、同じ工程にて形成されることが好ましい。
［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２１２と、絶縁体２１２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２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５（導電体２０５ａ、導電体２０５ｂ、および導電体２０５ｃ）と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、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の上に配置された導電体２４２（導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および導電体２４２ｃ）と、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２を覆う絶縁体２５６（絶縁体２５６ａ、および絶縁体２５６ｂ）と、絶縁体２５６の上に配置され、開口部を有する絶縁体２８０（絶縁体２８０ａ、および絶縁体２８０ｂ）と、該開口部内で酸化物２３０ｂの上面、および側面と、酸化物２３０ａの側面と、導電体２４２の側面と、絶縁体２５６の側面と、絶縁体２８０の側面と、に接するように設けられた酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｃの内側に設けられた絶縁体２５０と、絶縁体２５０の内側に設けられた導電体２６０ａと、導電体２６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体２６０ｂと、を有する。
なお、絶縁体２８０、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ上に絶縁体２７４が設けられ、絶縁体２７４上に絶縁体２８１が設けられ、絶縁体２８１上に絶縁体１３０が設けられ、絶縁体１３０、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５６に開口が設けられ、該開口の側面には、絶縁体２４１が設けられ、絶縁体２４１が設けられた該開口の内部に、導電体２４０が設けられる。
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２３０が、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層の積層構造を有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２３０は、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有する構成にしてもよい。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃがそれぞれ２層以上の積層構造を有していてもよい。図３（Ａ）、および図３（Ｂ）は、それぞれ図１（Ｂ）、および図２（Ａ）に示すトランジスタ２００ａのチャネル形成領域近傍の拡大図である。図３（Ａ）、および図３（Ｂ）では、酸化物２３０ｃが酸化物２３０ｃ１、および酸化物２３０ｃ１上の酸化物２３０ｃ２の２層からなる積層構造を有する例を示す。なお、図３（Ａ）、および図３（Ｂ）では、トランジスタ２００ａの拡大図のみ示しているが、トランジスタ２００ｂにおいても同様の構成となる。また、トランジスタ２００では、導電体２６０を導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂの２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、単層構造でも、３層以上の積層構造であってもよい。
ここで、導電体２６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および導電体２４２ｃ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。上記のように、導電体２６０は、絶縁体２８０の開口、および導電体２４２ａと導電体２４２ｃに挟まれた領域、または導電体２４２ｂと導電体２４２ｃに挟まれた領域に、酸化物２３０ｃや、絶縁体２５０などを介して、埋め込まれるように形成される。ここで、導電体２６０、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および導電体２４２ｃの配置は、絶縁体２８０の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ２００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体２６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ２００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。
さらに、導電体２６０が、導電体２４２ａと導電体２４２ｃの間の領域、または導電体２４２ｂと導電体２４２ｃの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体２６０は、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、または導電体２４２ｃと重畳する領域を有さない。これにより、導電体２６０と導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および導電体２４２ｃとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、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せしめることができる。
また、トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。
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、あるいはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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、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。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。
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、導電体２４２ｂ、および導電体２４２ｃ）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として、領域２３１（領域２３１ａ、領域２３１ｂ、および領域２３１ｃ）が形成される場合がある。
絶縁体２５６（絶縁体２５６ａ、および絶縁体２５６ｂ）は、導電体２４２の酸化を抑制するために設けられている。よって、導電体２４２が、耐酸化性材料、または酸素を吸収しても導電性が著しく低下することがない材料の場合は、絶縁体２５６は必ずしも設ける必要はない。また、絶縁体２５６が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面を覆って、絶縁体２２４、あるいは絶縁体２２２と接することにより、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂへの水素や水などの不純物の混入、および酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂからの酸素の放出を抑制することができる。
図１（Ｂ）に示すように、酸化物２３０上に接するように導電体２４２が設けられ、酸化物２３０の、導電体２４２との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域２３１（領域２３１ａ、領域２３１ｂ、および領域２３１ｃ）が形成されている。また、酸化物２３０は、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する領域２３４（領域２３４ａ、および領域２３４ｂ）を有する。なお、領域２３４ａ、および領域２３４ｂは、それぞれトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂのチャネル形成領域として機能する。
領域２３１は、ソース領域またはドレイン領域として機能する。また、領域２３１は、領域２３４と比較して、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多く含む、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２３１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２３１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。
なお、低抵抗領域である領域２３１が金属元素を含む場合、領域２３１は、酸化物２３０に含まれる金属元素の他に、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２３１が、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るが、本発明はこれに限らない。例えば、領域２３１は、酸化物２３０ｂの膜厚と概略同じ厚さを有していてもよいし、酸化物２３０ａにも、形成されていてもよい。
また、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となる導電膜２４２Ａ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。
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と近接する絶縁体２５０が、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素（過剰酸素ともいう。）を含むことが好ましい。絶縁体２５０が有する酸素は、酸化物２３０へと拡散し、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。
つまり、絶縁体２５０が有する酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと拡散することで、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減することができる。
また、酸化物２３０、および絶縁体２５０が有する酸素の、トランジスタ２００より外方への拡散を抑制するために、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２５６、絶縁体２７４などが設けられることが好ましい。これら絶縁体として、酸素が透過しにくい材料を用いることが好ましい。例えば、アルミニウム、およびハフニウムの一方を含む酸化物、シリコンの窒化物などを用いることができる。また、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｃ２に用いることができる金属酸化物、すなわちＩｎの濃度が低減されたインジウム−ガリウム−亜鉛酸化物、またはＩｎを含まない金属酸化物などの金属酸化物を用いることができる。さらに、これら絶縁体は、水素、水、窒素、金属元素などの不純物が透過しにくい材料であることが好ましい。このような材料を用いることで、トランジスタ２００の外方から、トランジスタ２００への不純物の混入を抑制することができる。
また、酸化物半導体は、スパッタリング法やＡＬＤ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２０５は、図１（Ａ）および図２（Ａ）に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。また、図１（Ｂ）に示すように、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（Ｂ）、および図２（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２（Ａ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０の領域２３４のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物２３０のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。
上記構成を有することで、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。
また詳細は後述するが、導電体２０５は、絶縁体２１６の開口の内壁に接して導電体２０５ａが形成され、導電体２０５ａの内側に導電体２０５ｂが形成され、導電体２０５ｂの内側に導電体２０５ｃが形成されている。ここで、導電体２０５ａ、導電体２０５ｂ、および導電体２０５ｃ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、導電体２０５ｂ、および導電体２０５ｃ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、２層の積層構造、または４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、および導電体２０５ｂの一方または両方は、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、および導電体２０５ｂの一方または両方が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５ｃ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、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。したがって、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂは、それぞれ上記から選ばれた導電性材料を用いて形成されればよい。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２０５ｃは、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂより導電性が高い材料を用いることが好ましく、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。
絶縁体２１２、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２１２、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。
絶縁体２１２、および絶縁体２１４として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、窒化シリコンなどを用いることができる。また、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｃ２に用いることができる金属酸化物、すなわちＩｎの濃度が低減されたインジウム−ガリウム−亜鉛酸化物、またはＩｎを含まない金属酸化物などの金属酸化物を用いることができる。例えば、絶縁体２１２として窒化シリコンなどを用い、絶縁体２１４として酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体２１２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２１６、または絶縁体２２４などに含まれる酸素が、絶縁体２１２および絶縁体２１４よりも基板側に、拡散するのを抑制することができる。
また、層間膜として機能する絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１は、絶縁体２１２、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。
ここで、絶縁体２２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰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。
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する絶縁体を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する絶縁体とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素分子の脱離量が１．０×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
例えば、絶縁体２２４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。
また、絶縁体２２４が、過剰酸素領域を有する場合、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。
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２１６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。
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ることが好ましい。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。
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。
なお、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
なお、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
また、酸化物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として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、または１：１：０．５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、または１：１：１［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、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、図３に示すように酸化物２３０ｃを酸化物２３０ｃ１と、酸化物２３０ｃ１上の酸化物２３０ｃ２を含む積層構造とする場合の具体例としては、酸化物２３０ｃ１としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、酸化物２３０ｃ２としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］との積層構造、酸化物２３０ｃ１としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、酸化物２３０ｃ２としてＧａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］との積層構造、酸化物２３０ｃ１としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、酸化物２３０ｃ２としてＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］との積層構造、酸化物２３０ｃ１としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、酸化物２３０ｃ２として酸化ガリウムとの積層構造などが挙げられる。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。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と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、またはＩｎの濃度が低減された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。
また、酸化物２３０ｃを積層構造とすることで、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｃ１との界面およびその近傍となる場合がある。
また、酸化物２３０ｃ１は、絶縁体２８０の側面と接するため、絶縁体２８０に含まれる酸素を、酸化物２３０ｃ１を介してトランジスタ２００のチャネル形成領域に供給することができる。また、酸化物２３０ｃ２として、酸素が透過しにくい材料を用いることが好ましい。上述した材料を用いることで、絶縁体２８０に含まれる酸素が酸化物２３０ｃ１、および酸化物２３０ｃ２を透過して、絶縁体２５０、または導電体２６０に吸収されることを抑制でき、効率的にチャネル形成領域に酸素を供給することができる。
また、酸化物２３０は、領域２３１および領域２３４を有する。なお、領域２３１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２３１ａ、領域２３１ｂ、または領域２３１ｃ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の少なくとも一部は、チャネルが形成される領域として機能する。
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（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。例えば、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、導電体２４２ｂ、および導電体２４２ｃ）が設けられる。導電体２４２としては、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、酸化ルチニウム、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２３１の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域２３１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２３１のキャリア密度が増加し、領域２３１は、低抵抗領域となる。
ここで、導電体２４２ａと導電体２４２ｃの間の領域、および導電体２４２ｂと導電体２４２ｃの間の領域は、絶縁体２８０の開口に重畳して形成される。これにより、導電体２４２ａと導電体２４２ｃの間、および導電体２４２ｂと導電体２４２ｃの間に導電体２６０を自己整合的に配置することができる。
絶縁体２５６は、導電体２４２を覆うように設けられ、導電体２４２の酸化を抑制する。このとき、絶縁体２５６は、酸化物２３０の側面を覆い、絶縁体２２４と接するように設けられてもよい。
絶縁体２５６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。また、絶縁体２５６として、酸化物２３０ａ、または酸化物２３０ｃ２に用いることができる金属酸化物、すなわちＩｎの濃度が低減されたインジウム−ガリウム−亜鉛酸化物、またはＩｎを含まない金属酸化物などの金属酸化物を用いてもよい。
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、導電体２４２が耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体２５６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。
絶縁体２５６は、絶縁体２５６ａ、および絶縁体２５６ａ上の絶縁体２５６ｂを含む積層構造としてもよい。このとき、絶縁体２５６ａと絶縁体２５６ｂは、互いに異なる材料でもよい。また、絶縁体２５６ａと絶縁体２５６ｂは、互いに異なる方法で形成することができる。例えば、絶縁体２５６ａとしてスパッタリング法により形成された酸化アルミニウム、絶縁体２５６ｂとしてＡＬＤ法により形成された酸化アルミニウムを用いることができる。
絶縁体２５６上には、絶縁体２８０が設けられる。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、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に含まれる酸素を、酸化物２３０ｃ（酸化物２３０ｃが積層構造の場合は酸化物２３０ｃ１）を介して酸化物２３０ｂに供給するために、絶縁体２８０はより多くの酸素を含んでいることが好ましく、例えば、化学量論比より多くの酸素を含んでいることが好ましい。絶縁体２８０に含まれる酸素の濃度を増加させるために、絶縁体２８０の形成に用いられる成膜ガスには、酸素が含まれていることが好ましい。
絶縁体２８０中の水、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は、２層以上の積層構造を有していてもよい。また、絶縁体２８０の上面は、平坦化されていてもよい。また、絶縁体２８０は、水素濃度が低く、過剰酸素領域または過剰酸素を有することが好ましく、例えば、絶縁体２１６と同様の材料を用いて設けてもよい。
なお、絶縁体２８０は、図１（Ｂ）では、絶縁体２８０ａと絶縁体２８０ｂの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。
絶縁体２８０ａは、絶縁体２５６上に設けられ、絶縁体２８０ｂは、絶縁体２８０ａ上に設けられる。このとき、絶縁体２８０ｂの上面は、平坦化されていることが好ましい。
例えば、絶縁体２８０ａ、および絶縁体２８０ｂは、過剰酸素領域を有する絶縁性材料、または、過剰酸素領域が形成されやすい絶縁性材料を用いることが好ましい。具体的には、絶縁体２８０ａとして、スパッタリング法を用いて成膜された酸化シリコンを用い、絶縁体２８０ｂとして、ＣＶＤ法を用いて成膜された酸化窒化シリコンを用いればよい。絶縁体２８０ａの膜厚は、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とするのが好ましく、４０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とするのがさらに好ましい。このような２層を積層する構成にすることで、絶縁体２８０のカバレッジを向上させることができる。
また、例えば、絶縁体２８０ａとして、過剰酸素領域を有する絶縁性材料、または、過剰酸素領域が形成されやすい絶縁性材料を用い、絶縁体２８０ｂとして、被形成膜に過剰酸素領域を形成しやすい絶縁性材料を用いることが好ましい。具体的には、絶縁体２８０ａとして、スパッタリング法を用いて成膜された酸化シリコンを用い、絶縁体２８０ｂとして、スパッタリング法を用いて成膜された酸化アルミニウムを用いればよい。このような２層を積層する構成にすることで、絶縁体２８０ａが有する過剰酸素を、酸化物２３０に効率的に供給することができる。
酸化物２３０ｃは、図１（Ｂ）、および図２（Ａ）に示すように、酸化物２３０ｂの上面、酸化物２３０ｂの側面、酸化物２３０ａの側面、導電体２４２の側面、絶縁体２５６の側面、および絶縁体２８０の側面に接するように設けられる。
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の内側（上面および側面）に接して配置することが好ましい。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。例えば、ＴＤＳ分析にて、酸素分子の脱離量が１．０×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
具体的には、絶縁体２５０として、過剰酸素を有する酸化シリコン、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。
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、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｃを通じて、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給できる場合がある。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。
第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、図１（Ｂ）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。例えば、導電体２６０が、２層構造である場合、導電体２６０ａは、導電体２０５ａ、または導電体２０５ｂ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。
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、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、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２（Ａ）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。
ここで、図１（Ｂ）に示すように、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の上面の高さは、絶縁体２８０の上面の高さと概略一致することが好ましい。
また、絶縁体２８０の上に、絶縁体２７４を設けることが好ましい。絶縁体２７４は、水または水素などの不純物が、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２７４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。
絶縁体２７４として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、窒化シリコンなどを用いることができる。また、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｃ２に用いることができる金属酸化物、すなわちＩｎの濃度が低減されたインジウム−ガリウム−亜鉛酸化物、またはＩｎを含まない金属酸化物などの金属酸化物を用いることができる。また、絶縁体２７４は、絶縁体２７４ａと、絶縁体２７４ａ上の絶縁体２７４ｂを含む積層構造としてもよい。例えば、絶縁体２７４ａとして酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体２７４ｂ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２５０、または絶縁体２８０などに含まれる酸素が、絶縁体２７４よりも上方に、拡散するのを抑制することができる。
また、絶縁体２７４の上に、層間膜として機能する絶縁体２８１を設けることが好ましい。絶縁体２８１は、絶縁体２２４や、絶縁体２８０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。絶縁体２８１上には、後述する絶縁体１３０が設けられる。
また、絶縁体１３０上かつ、絶縁体１３０、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５６に形成された開口に、導電体２４２ｃと電気的に接続する導電体２４０を配置する。このとき、該開口の側面には絶縁体２４１を設けることが好ましい。絶縁体２４１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ことが好ましい。絶縁体２４１として、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２５６、絶縁体２７４などと同様の材料を用いることができる。絶縁体２４１を設けることにより、導電体２４０による酸素の吸収を抑制することができる。導電体２４０による酸素の吸収を抑制することで、導電体２４０の酸化による抵抗率の増加や、絶縁体２８０などに含まれる酸素が導電体２４０に吸収されることなく、酸化物２３０に供給することができる。また、絶縁体２８０、および絶縁体２８１に含まれる水素の導電体２４０を介した酸化物２３０への拡散を抑制することができる。
なお、導電体２４０は第１の導電体、および第２の導電体からなる積層構造としてもよい。この場合、導電体２４２と接続する第１の導電体上に第２の導電体が設けられる。また、第１の導電体は、第２の導電体の側面を覆うように設けることが好ましい。
ここで、図２（Ｂ）に、図１（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位、すなわちトランジスタ２００のソース領域またはドレイン領域の断面図を示す。図２（Ｂ）に示すように、導電体２４０は、絶縁体２４１に覆われない、導電体２４２ｃの上面と接する。
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、第１の導電体と、第１の導電体上の第２の導電体を含む積層構造とする場合、第１の導電体には、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、第１の導電体上に設ける第２の導電体として、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。
［容量素子１００］
図１（Ｂ）に示すように、容量素子１００ａは、トランジスタ２００ａと重畳する領域を有するように設ける。同様に、容量素子１００ｂは、トランジスタ２００ｂと重畳する領域を有するように設ける。また、図２（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ７−Ａ８の一点鎖線で示す部位の断面図であり、容量素子１００ａと導電体２４２ａとの接続部における断面図である。なお、容量素子１００ｂは、容量素子１００ａが有する構造と、それぞれ対応する構造を有する。以下において、容量素子１００ａ、および容量素子１００ｂを容量素子１００として、その詳細な構造について説明する。特にことわりが無い限り容量素子１００ａ、および容量素子１００ｂについては、容量素子１００の説明を参酌することができる。
容量素子１００は、導電体１１０、絶縁体１３０、絶縁体１３０上の導電体１２０を有する。
容量素子１００は、下部電極（第１の端子と呼ぶ場合もある）として機能する導電体１１０と、上部電極（第２の端子と呼ぶ場合もある）として機能する導電体１２０が、誘電体として機能する絶縁体１３０を挟んで対向する構成である。
容量素子１００は、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５６に形成された開口に埋め込まれるように設けられる。
導電体１１０は、開口内部で導電体２４２と接するように設けられる。また、導電体１１０は、開口の側面にも接するように設けられることが好ましい。また、開口内部で、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５６の側壁を覆うように絶縁体１４１を設けてもよい。絶縁体１４１は、絶縁体２４１と同様の機能を有することが好ましく、同様の材料を用いることができる。絶縁体１４１を設ける場合、導電体１１０は、絶縁体１４１と接し、絶縁体１４１は、導電体１１０と、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５６の間に設けられる。導電体１１０の上面は、絶縁体２８１の上面と概略一致することが好ましい。
絶縁体１３０は、導電体１１０を覆うように、少なくとも導電体１１０の内側、および上面に設けられる。また、絶縁体１３０は、図１（Ｂ）、および図２（Ｃ）に示すように、絶縁体２８１の上面を覆うように設けてもよい。
導電体１２０は、絶縁体１３０上に設けられ、少なくとも導電体１１０、および絶縁体１３０を介して、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５６に形成された開口内部に設けられる。また、導電体１２０の一部を配線として機能させるため、絶縁体２８１および絶縁体１３０の一方または両方の上方に設けてもよい。導電体１２０は、絶縁体１３０上で、導電体２４０と同じ層に設けられることが好ましい。例えば、導電体１２０、および導電体２４０は、絶縁体２８１の上方において、絶縁体１３０の上面に接する。
容量素子１００は、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５６に形成された開口において、底面だけでなく、側面においても上部電極と下部電極とが誘電体を挟んで対向する構成となっており、単位面積当たりの静電容量を大きくすることができる。よって、当該開口の深さを深くするほど、容量素子１００の静電容量を大きくすることができる。このように容量素子１００の単位面積当たりの静電容量を大きくすることにより、半導体装置の微細化または高集積化を推し進めることができる。
導電体１１０および導電体１２０は、導電体２０５、導電体２４２、導電体２６０、または導電体２４０などに用いることができる導電体を用いればよい。また、導電体１１０、または導電体１２０は、積層構造であってもよい。例えば、導電体１１０、または導電体１２０は、チタン、窒化チタン、タンタル、または窒化タンタルを主成分とする導電性材料と、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と、の積層構造としてもよい。また、導電体１１０、または導電体１２０は、単層構造としてもよいし、３層以上の積層構造としてもよい。
特に、導電体１２０は、導電体２４０と同じ材料を用い、同じ工程にて形成されることが好ましい。導電体１２０、および導電体２４０を、同じ材料を用いて、同じ工程にて形成することで、成膜工程の削減、およびリソグラフィー法を用いた加工におけるマスク枚数の削減が可能となり、半導体装置の製造コストを削減することができる。このように形成された導電体１２０、および導電体２４０は、絶縁体１３０上の同じ層に配置される。例えば、導電体１２０、および導電体２４０は、絶縁体１３０の上面に接する。
また、絶縁体１３０は、誘電率の大きい絶縁体を用いることが好ましい。例えば、アルミニウム及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ことができる。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
また、絶縁体１３０は、積層構造であってもよい、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、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）などから、２層以上を選び積層構造としても良い。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムおよび酸化ハフニウムを順に成膜し、積層構造とすることが好ましい。酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムの膜厚は、それぞれ、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。このような積層構造とすることで、容量値が大きく、かつ、リーク電流の小さな容量素子１００とすることができる。
＜記憶装置＞
上記トランジスタ２００と、容量素子１００を有する半導体装置をメモリセル６００として、記憶装置を構成することができる。
＜メモリセル６００の構成例＞
図４乃至図６にメモリセル６００の構成例について説明する。
図４、および図５にメモリセル６００のレイアウト例を示す上面図、図６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、１つのＯＳトランジスタと、１つの容量素子を有する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４乃至図６に示す、メモリセル６００は、２つのメモリセルを有し、一方はトランジスタ２００ａ、および容量素子１００ａを有し、他方はトランジスタ２００ｂ、および容量素子１００ｂを有する。なお、トランジスタ２００ａと、トランジスタ２００ｂは、それぞれゲート（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。メモリセル６００は、マトリクス状に配置されることでメモリセルアレイを形成する。
図４、および図５に示すメモリセルアレイでは、メモリセル６００が有するトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂのチャネル長方向と、配線ＢＬ、および配線ＣＡＬの一方または両方が伸びる方向のなす角がゼロより大きく９０°未満となる例を示している。このとき、トランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂのチャネル長方向と、配線ＷＬが伸びる方向のなす角がゼロより大きく９０°未満となる。別言すると、トランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂのチャネル長方向は、配線ＢＬ、配線ＣＡＬ、および配線ＷＬのいずれが延びる方向とも平行にならず、直交しない。
図４においては、メモリセルアレイ内の全てのメモリセル６００において、トランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂのチャネル長方向が互いに平行となる例を示しているが、本実施の形態はこれに限らない。図５に示すように、メモリセルアレイにおいて、少なくとも一つのメモリセル６００が有するトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂのチャネル長方向が、他のメモリセル６００が有するトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂのチャネル長方向と異なっていてもよい。図５では、列毎にメモリセル６００が有するトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂのチャネル長方向が異なる例を示している。特に、行方向に隣り合うメモリセル６００が列方向、すなわち配線ＷＬが延びる方向に対して線対称となるように配置されている。
トランジスタ２００ａの第１端子は、容量素子１００ａの第１端子と接続され、トランジスタ２００ｂの第１端子は、容量素子１００ｂの第１端子と接続され、トランジスタ２００ａの第２端子、およびトランジスタ２００ｂの第２端子は、配線ＢＬと接続され、トランジスタ２００ａのゲートと、トランジスタ２００ｂのゲートは、それぞれ異なる配線ＷＬと接続され、トランジスタ２００ａのバックゲートと、トランジスタ２００ｂのバックゲートは、それぞれ異なる配線ＢＧと接続されている。容量素子１００ａの第２端子、および容量素子１００ｂの第２端子は、それぞれ配線ＣＡＬと接続されている。なお、トランジスタ２００の第１端子は、ソースおよびドレインの一方として機能し、第２端子は、ソースおよびドレインの他方として機能する。
ここで、容量素子１００ａの第２端子、および容量素子１００ｂの第２端子は、それぞれ異なる配線ＣＡＬと接続されている。このとき、配線ＣＡＬには互いに等しい電位が供給されてもよいし、異なる電位が供給されてもよい。
配線ＢＬは、ビット線として機能し、配線ＷＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子１００ａの第２端子、および容量素子１００ｂ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ＢＧは、トランジスタ２００ａ、またはトランジスタ２００ｂ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ＢＧに任意の電位を印加することによって、トランジスタ２００ａ、またはトランジスタ２００ｂのしきい値電圧を増減することができる。
なお、メモリセル６００は、図６に示すものに限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセル６００は、トランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂが、バックゲートを有さないトランジスタで構成されたメモリセルとしてもよい。このとき、配線ＢＧは省略することができる。メモリセル、またはメモリセルアレイに求められる特性に合わせて適宜選択することができる。
メモリセル６００が有するトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂ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２００ａ、およびトランジスタ２００ｂ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２００ａ、およびトランジスタ２００ｂ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６００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。
＜記憶装置の構成例＞
図７にＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、メモリセルアレイ１４７０、および周辺回路を有する。周辺回路は、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。また、周辺回路に、トランジスタ２００のバックゲートに印加する電位を制御するバックゲート制御回路１４２５を設けてもよい。バックゲート制御回路１４２５は、行回路１４２０の一部とみなすことができる。
列回路１４３０は、例えば、列デコーダ１４３１、プリチャージ回路１４３２、センスアンプ１４３３、および書き込み回路１４３４等を有する。プリチャージ回路１４３２は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプ１４３３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１４２１、ワード線ドライバ回路１４２２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１４２１および列デコーダ１４３１に入力され、ＷＤＡＴＡは書き込み回路１４３４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６００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６００の構成、一列に有するメモリセル６００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６００の構成、一行に有するメモリセル６００の数などによって決まる。
なお、図７において、メモリセルアレイ１４７０と周辺回路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、周辺回路、または少なくともその一部の上に、メモリセルアレイ１４７０が重なるように設けられてもよい。このとき、周辺回路、または少なくともその一部は、酸化物半導体を有するＯＳトランジスタ、またはシリコントランジスタにより構成されることが好ましい。すなわち、ＯＳトランジスタ上にＯＳトランジスタを積層して設ける構成や、シリコントランジスタ上にＯＳトランジスタを積層して設ける構成とすることが好ましい。例えば、シリコントランジスタにより構成されるセンスアンプの上に、ＯＳトランジスタにより構成されるメモリセルアレイ１４７０が積層して設けられ、該センスアンプとメモリセルアレイ１４７０が互いに重なる領域を有するように設けられる構成にしてもよい。
図８は、トランジスタ２００、および容量素子１００を有するメモリセル６００がトランジスタ３００の上方に設けられる例を示す。メモリセル６００は、メモリセルアレイ１４７０の一部とみなすことができ、トランジスタ３００は、周辺回路の一部、例えばセンスアンプの一部とみなすことができる。
図８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、配線１００７はトランジスタ３００のゲート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、配線１００３を配線１００１、配線１００２、または配線１００７と電気的に接続する構成にしてもよい。
＜トランジスタ３００＞
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。
ここで、半導体領域３１３の上に絶縁体３１５が配置され、絶縁体３１５の上に導電体３１６が配置される。また、同じ層に形成されるトランジスタ３００は、素子分離絶縁層として機能する絶縁体３１２によって、電気的に分離されている。絶縁体３１２は、後述する絶縁体３２６などと同様の絶縁体を用いることができる。トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
基板３１１は、半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
ここで、図８に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
なお、図８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。
また、図８に示すように半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００とを、積層して設けている。例えば、トランジスタ３００をシリコン系半導体材料で形成し、トランジスタ２００を酸化物半導体で形成することができる。このように、図８に示す半導体装置は、シリコン系半導体材料と、酸化物半導体とを、ことなるレイヤーに混載して形成することが可能である。また、図８に示す半導体装置は、シリコン系半導体材料で用いる製造装置と同様のプロセスで作製することが可能であり、高集積化することも可能である。
＜配線層＞
各構造体の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
例えば、トランジスタ３００上には、層間膜として、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には、配線１００１、配線１００２、配線１００７など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８において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能する。例えば、図８に示すように、導電体３５６は、配線１００１とトランジスタ３００のソースを接続する配線、配線１００２とトランジスタ３００のドレインを接続する配線、および配線１００７とトランジスタ３００のゲートを接続する配線の少なくとも一として機能させることができる。
絶縁体３５４の上に絶縁体３６０が配置され、絶縁体３６０の上に絶縁体３６２が配置され、絶縁体３６２の上に絶縁体２１２が配置され、メモリセル６００が配置される。
また、トランジスタ３００をセンスアンプの一部として用いる場合、配線１００３と、配線１００１、配線１００２、および配線１００７の少なくとも一以上が接続される構成にしてもよい。このような構成にすることで、トランジスタ２００とトランジスタ３００を接続する配線の距離を、当該配線をトランジスタ２００の上で引き回した場合と比較して、短くすることができる。
また、メモリセル６００の上に、配線層を設けてもよい。
なお、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は、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
例えば、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２６、絶縁体３５２、絶縁体３５４、絶縁体３６２等は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
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等としては、上記の材料で形成される金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
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を微細化または高集積化させることができる。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、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。
なお、図８において、基板３１１にチャネル形成領域が形成されるトランジスタ３００を設ける例について示したが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図９に示すように、トランジスタ２００の下に酸化物半導体を有するトランジスタ４００を設ける構成にしてもよい。図９に示す半導体装置は、トランジスタ３００の代わりにトランジスタ４００が設けられること以外は、図８に示す半導体装置と同様の構成を有する。
図９に示す半導体装置は、図８に示す半導体装置と異なり、基板３１１と絶縁体３５２の間に、絶縁体４１２、絶縁体４１４、絶縁体４１６、絶縁体４２２、絶縁体４８０、絶縁体４８２、および絶縁体４８１と、これらの層の中に形成されるトランジスタ４００と、を有する。ここで、絶縁体４１２は絶縁体２１２と、絶縁体４１４は絶縁体２１４と、絶縁体４１６は絶縁体２１６と、絶縁体４２２は絶縁体２２２と、絶縁体４８０は絶縁体２８０と、絶縁体４８２は絶縁体２７４と、絶縁体４８１は絶縁体２８１と、トランジスタ４００はトランジスタ２００と、それぞれ対応する。
つまり、トランジスタ４００およびトランジスタ４００を含む層は、上述のトランジスタ２００およびトランジスタ２００を含む層と同様の構成を有する。よって、トランジスタ４００およびトランジスタ４００を含む層の詳細については、上述の記載を参酌することができる。
なお、絶縁体４８０、絶縁体４８２、および絶縁体４８１に形成された開口に埋め込まれるように、導電体４４５が設けられる。導電体４４５はそれぞれ、配線１００１とトランジスタ４００のソースを接続するプラグ、配線１００２とトランジスタ４００のドレインを接続するプラグ、配線１００７とトランジスタ４００のゲートを接続するプラグ、として機能する。
導電体４４５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４４５は積層構造としてもよい。
また、導電体４４５を積層構造とする場合、下層の導電体には、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する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、および酸素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４８０に添加された酸素が導電体４４５に吸収されるのを防ぐことができる。また、絶縁体４８１より上層から水または水素などの不純物が、導電体４４５を通じてトランジスタ４００に混入するのを抑制することができる。
なお、トランジスタ４００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けられることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
例えば、図９に示すように、過剰酸素を有する絶縁体４８０と、導電体４４５との間に、絶縁体４７６を設けてもよい。ここで、絶縁体４７６は先の実施の形態に示す絶縁体２４１と同様の構成にすればよい。絶縁体４７６を設けることで、絶縁体４８０が有する過剰酸素が、導電体４４５に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体４７６を有することで、不純物である水素が、導電体４４５を介して、トランジスタ４００へ拡散することを抑制することができる。
また、メモリセルアレイ１４７０が、センスアンプと重なるように設けられる構成にすると、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。
なお、本実施の形態に示す、周辺回路、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。
例えば、図４乃至図６において、容量素子１００ａの第２端子、および容量素子１００ｂの第２端子は、それぞれ異なる配線ＣＡＬと接続される例を示しているが、本実施の形態はこれに限らない。図１０に示すように、容量素子１００ａの第２端子、および容量素子１００ｂの第２端子を一つの配線と接続してもよい。すなわち、容量素子１００ａの第２端子、および容量素子１００ｂの第２端子が一つの導電体により構成されてもよい。このとき、メモリセル６００が有するトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂのチャネル長方向と、配線ＢＬ、および配線ＣＡＬの一方、および両方が延びる方向は、略並行になることが好ましい。また、メモリセル６００が有するトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂのチャネル長方向と、配線ＷＬが延びる方向は、略直交することが好ましい。
＜半導体装置の構成材料＞
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
＜＜基板＞＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどを材料とした半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
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としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、リン、塩素、アルゴン、シリコン、アルミニウム、ハフニウム、マグネシウム、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、タングステン、チタン、タンタル、またはニッケルを含む絶縁体を、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、酸化タングステン、酸化チタン、酸化タンタル、または酸化ニッケ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のシリコン窒化物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２５０、および絶縁体２２４は、酸素を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、酸素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。
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１３０は、絶縁体２５０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４と同様な材料を用いることができる。また、絶縁体１３０は、上記材料を含む積層構造としてもよい。
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の単層、または積層を有することが好ましい。例えば、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２１２、絶縁体２１４、絶縁体２５６、絶縁体２７４、絶縁体１４１、および絶縁体２４１としては、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を用いればよい。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２５６、絶縁体２７４、絶縁体１４１、および絶縁体２４１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、酸化タングステン、酸化チタン、酸化タンタル、または酸化ニッケ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。また、上記絶縁体として、Ｉｎの濃度が低減されたインジウム−ガリウム−亜鉛酸化物、またはＩｎを含まない金属酸化物などの金属酸化物を用いることができる。
＜＜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２０５、導電体２４２、導電体２４０、導電体１１０、および導電体１２０としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。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（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
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スズ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、またはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、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。
［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、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。
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、上述のナノ結晶により構成され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）により構成される方が、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。
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、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている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。したがって、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。
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属酸化物中に浅い欠陥準位（ｓＤＯＳ：ｓｈａｌｌｏｗ ｌｅｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）を形成する場合がある。浅い欠陥準位とは、伝導帯下端の近くに位置する界面準位を指す。浅い欠陥準位は、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍に存在することが推定される。ここでは、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域は、領域に含まれる水素の量で区別する。すなわち、低密度領域と比較して、高密度領域は、水素をより多く含む領域とする。金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍は、両領域間の応力歪によって、微小なクラックが生じやすく、当該クラック近傍に酸素欠損およびインジウムのダングリングボンドが発生し、ここに、水素または水などの不純物が局在することで、浅い欠陥準位が形成されるものと推定される。
また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも結晶性が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも膜密度が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物が、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、有する組成の場合、高密度領域は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、低密度領域は、インジウムと、亜鉛と、を有する場合がある。別言すると、低密度領域は、高密度領域よりもガリウムの割合が少ない場合がある。
なお、上記浅い欠陥準位は、酸素欠損に起因すると推定される。金属酸化物中の酸素欠損が増えると、浅い欠陥準位密度とともに深い欠陥準位密度（ｄＤＯＳ：ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）も増えると推定される。これは、深い欠陥準位も酸素欠損によるものだと考えられるためである。なお、深い欠陥準位とは、バンドギャップの中央付近に位置する欠陥準位を指す。
したがって、金属酸化物中の酸素欠損を抑制することで、浅い欠陥準位及び深い欠陥準位の双方の準位密度を低減させることが可能となる。また、浅い欠陥準位については、金属酸化物の成膜時の温度を調整することで、ある程度制御できる可能性がある。具体的には、金属酸化物の成膜時の温度を、１７０℃またはその近傍、好ましくは１３０℃またはその近傍、さらに好ましくは室温とすることで、浅い欠陥準位密度を低減することができる。
また、金属酸化物の浅い欠陥準位は、金属酸化物を半導体層に用いたトランジスタの電気特性に影響を与える。すなわち、浅い欠陥準位によって、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧（Ｉｄ−Ｖｇ）特性において、ゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄの変化が緩やかとなり、トランジスタのオフ状態からオン状態への立ち上がり特性の良し悪しの目安の１つである、Ｓ値（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ、ＳＳとも言う。）が悪化する。これは浅い欠陥準位に電子がトラップされたためと考えられる。
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。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、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１１乃至図２４を用いて説明する。また、図１１乃至図２４において、各図の（Ａ）は、図１（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る。また、各図の（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の（Ｄ）は、図１（Ａ）にＡ７−Ａ８の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。
まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１２を成膜する。絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（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。
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。
本実施の形態では、絶縁体２１２として、スパッタリング法、ＣＶＤ法、またはＡＬＤ法によって窒化シリコンを成膜する。また、絶縁体２１２は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、またはＡＬＤ法によって酸化シリコンを成膜し、当該酸化シリコン上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法、またはＡＬＤ法によって窒化シリコンを成膜する構造としてもよい。
次に、絶縁体２１２上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体２１４は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
次に、絶縁体２１４上に絶縁体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、または酸化窒化シリコンを成膜する。
次に、絶縁体２１６に、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２１４は、絶縁体２１６をエッチングして開口を形成する際のエッチングストッパとして機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、開口を形成する絶縁体２１６に酸化シリコンを用いた場合は、絶縁体２１４は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または窒化シリコンを用いるとよい。
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する。
次に、導電体２０５ｂとなる導電膜上に、導電体２０５ｃ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２０５ｃとなる導電膜として、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、導電体２０５ｂとなる導電膜、および導電体２０５ｃ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、導電体２０５ｂ、および導電体２０５ｃ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、導電体２０５ｂ、および導電体２０５ｃを含む導電体２０５を形成することができる（図１１参照。）。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。ＡＬＤ法を用いて形成した膜は、被覆性が良好である。一方、スパッタリング法を用いることで、他の手法を用いるよりも水素濃度の低減した膜を形成することができ、好ましい。デバイスに求められる特性に合わせて選択するとよい。
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、スパッタリング法を用いて酸化シリコンを成膜する。また、ＣＶＤ法によって酸化シリコン、または酸化窒化シリコンを成膜してもよい。
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２２２の成膜後に行うこともできる。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。
ここで、絶縁体２２４に多くの酸素を含有させるために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えば、マイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率良く絶縁体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、酸化膜２３０Ａと、酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図１１参照。）。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２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂとの界面近傍を清浄に保つことができる。
酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、例えば、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にはより多くの酸素が含まれることが好ましい。したがって、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。
また、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０ＢをＡＬＤ法によって成膜する場合は、Ｉｎを含むプリカーサ、Ｍを含むプリカーサ、およびＺｎを含むプリカーサを用いることができる。また、Ｉｎ、Ｍ、およびＺｎの内、２以上を含むプリカーサを用いてもよい。基板が投入された反応室内に上記プリカーサを順次、または同時に導入した後、酸化剤を導入する工程を繰り返すことで酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを成膜してもよいし、各プリカーサの導入と酸化剤の導入を交互に行う工程を繰り返すことで酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを成膜してもよい。
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＝１：３：４、または１：１：０．５［いずれも原子数比］のターゲットを用いて成膜することができる。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、５：１：６、または１：１：１［いずれも原子数比］のターゲットを用いて成膜することができる。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に求められる特性に合わせて形成するとよい。
次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水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を形成する（図１１参照。）。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、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。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を加工して、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを加工するためのハードマスクを形成する。
なお、導電膜２４２Ａの加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウ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。
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、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。
次に、レジストマスクを用いて、導電膜２４２Ａをエッチングすることでハードマスクとして機能する導電体２４２Ｂを形成する（図１２参照。）。導電体２４２Ｂ形成後は、レジストマスクを除去してから酸化膜の加工を行ってもよいし、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。
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、導電体２４２Ｂをハードマスクとして用い、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを島状に加工して、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成する（図１２参照。）。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。上記酸化膜のエッチング後にハードマスクとして機能する導電体２４２Ｂをエッチングにより除去してもよいが、本実施の形態では、導電体２４２Ｂをさらに加工して、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体を形成するため、導電体２４２Ｂは除去しない。
ここで、酸化物２３０ａ、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、または基板の上面に対し、テーパー形状を有することが好ましい。酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面が、絶縁体２２２の上面、または基板の上面に対し、テーパー形状を有することで、後工程において酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面への膜の形成、あるいは側面に形成された膜の除去を容易に行うことができる。
また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２Ｂの側面と、導電体２４２Ｂの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、導電体２４２Ｂの端部において、曲率半径が、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以上６ｎｍ以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。
なお、当該酸化膜の加工は、導電体２４２Ｂをハードマスクに用い、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。
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、および酸化物２３０ｂなどの側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２４２Ｂ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２４２Ｂ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。
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２Ｂ上に絶縁体２５６を成膜する（図１３参照。）。なお、絶縁体２５６は、絶縁性バリアとして機能することが好ましく、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、酸化タングステン、酸化チタン、酸化タンタル、または酸化ニッケ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含む絶縁体を成膜するとよい。また、アルミニウムおよびハフニウムの双方を含む絶縁体として、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できる。また、Ｉｎの濃度が低減されたインジウム−ガリウム−亜鉛酸化物、またはＩｎを含まない金属酸化物などの金属酸化物を用いることができる。
また、絶縁体２５６は、絶縁体２５６ａ、および絶縁体２５６ａ上の絶縁体２５６ｂを含む積層構造としてもよい。このとき、絶縁体２５６ａと絶縁体２５６ｂは、互いに異なる材料でもよい。また、絶縁体２５６ａと絶縁体２５６ｂは、互いに異なる方法で形成することができる。例えば、絶縁体２５６ａとしてスパッタリング法により形成された酸化アルミニウム、絶縁体２５６ｂとしてＡＬＤ法により形成された酸化アルミニウムを用いることができる。
バリア性を有する絶縁体２５６により、導電体２４２Ｂの酸化を抑制することができる。なお、導電体２４２Ｂが、耐酸化性材料を含む場合、絶縁体２５６は、必ずしも設ける必要は無い。なお、絶縁体２５６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２５６の上に、絶縁体２８０を成膜する。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。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。
また、絶縁体２８０は、絶縁体２８０ａ、および絶縁体２８０ａ上の絶縁体２８０ｂを含む積層構造としてもよい。このとき、絶縁体２８０ａと絶縁体２８０ｂは、互いに異なる材料でもよい。また、絶縁体２８０ａと絶縁体２８０ｂは、互いに異なる方法で形成することができる。
本実施の形態では、絶縁体２８０ａとして、スパッタリング法によって酸化シリコンを成膜し、絶縁体２８０ｂとして、ＣＶＤ法によって酸化窒化シリコンを成膜する。絶縁体２８０ａの形成にスパッタリング法を用いることで、絶縁体２８０中の水素濃度を低減できるため、好ましい。また、絶縁体２８０ｂの形成にＣＶＤ法を用いることで被覆性よく絶縁体２８０を形成できるため好ましい。
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、平坦化処理と呼び、得られる膜を平坦化膜と呼ぶ場合がある。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、少なくとも導電体２０５と重なる領域を有するように、絶縁体２８０、絶縁体２５６、および導電体２４２Ｂに対して加工処理を行い、開口２４５を形成する（図１４参照。）。開口の形成にはレジストマスク、またはハードマスクを用いて、ウエットエッチング法、またはドライエッチング法を用いることができる。ただし、微細加工が可能な点、また絶縁体２８０の側面を概略垂直に加工できる点からドライエッチング法を用いるほうが好ましい。また、導電体２４２Ｂを加工することにより、導電体２４２（導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および導電体２４２ｃ）が形成される。該加工により、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの上面と側面、および絶縁体２２４の表面の一部が露出する。また、該加工により絶縁体２２４の一部がエッチングされ、絶縁体２２４が薄くなる、または絶縁体２２２の一部が露出する場合がある。また、該加工にハードマスクを用いる場合、加工により、ハードマスクも除去されることが好ましい。一方、絶縁体２８０上にハードマスクは残っていてもよく、その場合、後工程の導電体２６０などの研磨工程にて除去すればよい。
導電体２４２ａと導電体２４２ｃ、および導電体２４２ｂと導電体２４２ｃが互いに向かい合う面の断面は、テーパー形状を有する場合がある。一方、該断面は概略垂直形状を有していてもよい。
なお、後工程にて形成される導電体２６０は、開口２４５内に自己整合的に配置される。
ここで、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。一方、導電体２４２が耐酸化性を有する導電体の場合、該加熱処理を、酸素を含む雰囲気で行ってもよい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、加熱処理として、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、導電体２４２に含まれる金属元素が酸化物２３０ｂへ拡散し、酸化物２３０ｂに金属元素が添加される場合がある。また、酸化物２３０ｂ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２３０ｂ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２３０ｂ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２３０ｂの一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０ｂ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１４（Ａ）では、酸化物２３０ｂの上記低抵抗化領域の一例として、点線にて領域２３１（領域２３１ａ、領域２３１ｂ、および領域２３１ｃ）を示している。また、開口２４５により露出した酸化物２３０ｂには、チャネル形成領域として機能する領域２３４（領域２３４ａ、および領域２３４ｂ）が形成される。
領域２３１は、酸化物２３０ｂの導電体２４２近傍において、深さ方向に拡散するように設けられる例を示しているが、本発明はこれに限らない。領域２３１は、深さ方向において、酸化物２３０ｂの全体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２３１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２３１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し、後工程で形成される導電体２６０の一部と重なる領域にも形成されてもよい。
また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態になると考えられる。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２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態になると考えられる。したがって、熱処理によって、領域２３１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、より高抵抗化すると考えられる。
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。
なお、導電膜２４２Ａの成膜後、または、導電体２４２の形成後の加熱処理において、導電膜２４２Ａまたは導電体２４２に、酸化物２３０の領域２３１の酸素が吸収されることで、領域２３１に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１のキャリア密度は、増加する。したがって、酸化物２３０の領域２３１は、ｎ型となり、低抵抗化される。
領域２３１の酸素濃度は、領域２３４の酸素濃度より低い場合がある。また、領域２３１の水素濃度は、領域２３４の水素濃度より高い場合がある。
次に、開口２４５内において、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの上面、および側面、導電体２４２の側面、絶縁体２５６の側面、および絶縁体２８０の側面と接する領域を有するように、絶縁体２８０上に酸化膜２３０Ｃを形成する（図１５参照）。
酸化膜２３０Ｃ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。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。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、または１：３：４［いずれも原子数比］のターゲットを用いて成膜することができる。
尚、酸化膜２３０Ｃは、積層としてもよい。例えば、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて酸化物２３０ｃ１となる酸化膜を成膜して、連続してＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて酸化物２３０ｃ２となる酸化膜を成膜してもよい。
続いて、酸化膜２３０Ｃ上に、絶縁体２５０Ａを成膜する（図１５参照。）。
絶縁体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。絶縁体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、絶縁体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。絶縁体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。
なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、当該酸素プラズマに絶縁体２５０Ａを曝すことで、絶縁体２５０Ａ、へ酸素を導入することができる。
また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁体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２６０ａＡ、および導電膜２６０ｂＡを順次成膜する（図１５参照。）。導電膜２６０ａＡ、および導電膜２６０ｂＡ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。導電膜２６０ａＡとして、窒化チタンを成膜し、導電膜２６０ｂＡとして、タングステンを成膜してもよい。
導電膜２６０ａＡ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２６０ａＡに金属窒化物を用いることにより、絶縁体２５０Ａが有する酸素により、導電膜２６０ｂＡ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２６０ｂＡ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、絶縁体２５０Ａから、酸化物２３０ｂに酸素が添加され、酸化物２３０ｂに含まれる酸素濃度を増加させることができる。また、本加熱処理により、酸化物２３０ｂに低抵抗領域（領域２３１）が形成される場合がある。
次に、導電膜２６０ｂＡ、導電膜２６０ａＡ、絶縁体２５０Ａ、および酸化膜２３０Ｃを、絶縁体２８０が露出するまで研磨し、導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂを有する導電体２６０、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃを形成する（図１６参照。）。上記研磨には、ＣＭＰ法を用いることができる。該研磨により、導電体２６０、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃの上面は、絶縁体２８０の上面と概略一致することが好ましい。
このとき、導電体２６０は、少なくとも一部が、導電体２０５、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂと重なるように形成される。導電体２６０のチャネル長方向の幅は、絶縁体２８０に設けられる開口２４５の幅と、酸化膜２３０Ｃの厚さと、絶縁体２５０Ａの厚さにより、決定される。トランジスタ２００、または半導体装置に要求される性能に応じて、上記の幅や厚さを調整し、所望の幅を有する導電体２６０を形成することができる。
このようにして、導電体２６０は、開口２４５に、埋め込まれるように形成される。導電体２６０の形成は、リソグラフィー法を用いることなく自己整合的に行われるので、導電体２６０の位置合わせのマージンを設ける必要がない。よって、トランジスタ２００の占有面積の縮小を図り、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。また、リソグラフィー工程が不要となるので工程簡略化による生産性の向上が見込まれる。
また、半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体２６０の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体２６０の膜厚を大きくすると、導電体２６０はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体２６０を開口２４５に埋め込むように設けるため、導電体２６０をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体２６０を倒壊させることなく、形成することができる。
次に、導電体２６０、絶縁体２５０、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２８０を覆うように絶縁体２７４（絶縁体２７４ａ、および絶縁体２７４ｂ）を形成する（図１７参照。）。特に、絶縁体２７４は、導電体２６０、絶縁体２５０、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２８０の上面と接するように設けられることが好ましい。絶縁体２７４ａ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２７４ａ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。また、絶縁体２７４ｂとして、スパッタリング法、ＣＶＤ法、またはＡＬＤ法によって窒化シリコンを成膜する。また、絶縁体２７４ｂは、多層構造としてもよい。
次に、絶縁体２７４上に絶縁体２８１を形成する（図１７参照。）。絶縁体２８１は、絶縁体２８０と同様の装置を用い、同様の材料を用いて形成することができる。例えば、ＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコンを含む絶縁体２８１を形成する。
次に、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５６を、リソグラフィー法を用いて加工し、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂを露出する開口２９０を形成する（図１８参照。）。
次に、絶縁体１４１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１４１を形成する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体１４１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、酸化アルミニウムまたは窒化シリコン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２９０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１１０Ａの酸化を防止することができる。また、導電体１１０Ａ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。一方、開口２９０内にて導電体１１０Ａが酸化しない場合、あるいは、導電体１１０Ａの酸化が、半導体装置の特性に与える影響が小さい、または影響を与えない場合、必ずしも絶縁体１４１を設ける必要は無い。また、開口２９０内にて導電体１１０Ａから、水、水素などの不純物が外部に拡散しない場合、あるいは、導電体１１０Ａから拡散した不純物が、半導体装置の特性に与える影響が小さい、または影響を与えない場合、必ずしも絶縁体１４１を設ける必要は無い。
次に、導電体１１０Ａを成膜する。導電体１１０Ａとして、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、モリブデン、銅、シリコン、およびゲルマニウムを含む材料を用いることができる。また、これらの材料を複数積層してもよい。導電体１１０Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、導電体１１０Ａの上に充填剤２８８を成膜する（図１９参照。）。充填剤２８８は、この後の工程で行うＣＭＰ処理ができる程度に、開口２９０を埋め込むことができればよい。よって、開口２９０内に空洞などが形成されていてもよい。充填剤２８８として、絶縁体、導電体、および半導体などの材料を用いることができる。充填剤２８８として、絶縁体を用いる場合、シリコンを含む酸化物、シリコンを含む窒化物、金属を含む酸化物、金属を含む窒化物、などを含む材料や、アクリルやポリイミドなどの樹脂、レジストなどの有機物からなる材料、を用いることができる。充填剤２８８として、半導体を用いる場合、シリコンやゲルマニウムなどを含む材料を用いることができる。充填剤２８８は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて形成することができる。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形成することができる。例えば、充填剤２８８として、ＡＰＣＶＤ法を用いて酸化シリコンを成膜すればよい。
次に、ＣＭＰ処理を行って、絶縁体２８１より上の層を除去し、導電体１１０を形成する。（図２０参照。）。ここで、絶縁体２８１が、導電体１１０ＡのＣＭＰ処理に対するストッパーとして機能することが好ましい。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８１の一部が除去される場合がある。
次に、エッチング処理を行って、開口２９０内の充填剤２８８を除去する。エッチング処理としては、ウエットエッチング法およびドライエッチング法のいずれを用いてもよいが、開口２９０内の充填剤２８８を除去するにあたって、ウエットエッチング法を用いた方が容易な場合がある。ウエットエッチングを用いる場合、エッチャントとしてフッ酸などの酸性溶液や、アルカリ性溶液などを用いればよい。また、エッチャントとして、現像液を用いてもよい。また、ドライエッチング法として、酸素を含むプラズマを用いたアッシングにより充填剤２８８を除去してもよい。
次に、導電体１１０および絶縁体２８１の上に絶縁体１３０を成膜する（図２１参照。）。絶縁体１３０は、開口２９０の内側に設けられた導電体１１０に接して形成されることが好ましい。このため、絶縁体１３０は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などの被覆性の良い成膜方法を用いて成膜することが好ましく、例えば、ＡＬＤ法を用いて酸化シリコンを成膜する。なお、ＰＥＡＬＤ法を用いて、酸化シリコンを成膜してもよい。
また、ＡＬＤ法などの成膜方法を用いて絶縁体１３０を成膜し、被覆性良く導電体１１０を覆うことで、容量素子１００の上部電極と下部電極が短絡することを防ぐことができる。
次に、絶縁体１３０、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５６を、リソグラフィー法を用いて加工し、導電体２４２ｃを露出する開口２９２を形成する（図２２参照。）。
次に、絶縁体２４１となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして絶縁体２４１を形成する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２４１となる絶縁膜としては、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウムまたは窒化シリコン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２９２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１２０Ａの酸化を防止することができる。また、導電体１２０Ａ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。一方、開口２９２内にて導電体１２０Ａが酸化しない場合、あるいは、導電体１２０Ａの酸化が、半導体装置の特性に与える影響が小さい、または影響を与えない場合、必ずしも絶縁体２４１を設ける必要は無い。また、開口２９２内にて導電体１２０Ａから、水、水素などの不純物が外部に拡散しない場合、あるいは、導電体１２０Ａから拡散した不純物が、半導体装置の特性に与える影響が小さい、または影響を与えない場合、必ずしも絶縁体２４１を設ける必要は無い。
次に、絶縁体１３０の上に導電体１２０Ａを成膜する（図２３参照。）。導電体１２０Ａは、開口２９０、および開口２９２の内部に形成する必要があるため、導電体１２０Ａは、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などの埋め込み性の良い成膜方法を用いて成膜することが好ましい。例えば、ＡＬＤ法を用いて窒化チタンを成膜し、その上にＣＶＤ法を用いてタングステンを成膜する。
このように、導電体１２０Ａを成膜することで、開口２９０中に埋め込み性良く、容量素子１００の上部電極を設けることができるので、容量素子１００の静電容量を大きくすることができる。
次に、導電体１２０Ａをリソグラフィー法によって加工し、導電体１２０および導電体２４０を形成する（図２４参照）。なお、導電体１２０Ａの加工において、絶縁体１３０を加工してもよい。また、導電体１２０より上の層に配線として機能する導電体を形成してもよい。導電体１２０は、容量素子１００の上部電極、および配線として機能し、導電体２４０は、導電体２４２ｃと電気的に接続するプラグ、および配線として機能する。このように形成された導電体１２０、および導電体２４０は、絶縁体１３０上の同じ層に配置される。例えば、導電体１２０、および導電体２４０は、絶縁体１３０の上面に接する。
以上により、図１に示すトランジスタ２００および容量素子１００を有する半導体装置を作製することができる。
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。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、良好な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、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。
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。
＜半導体装置の変形例１＞
以下では、図２５を用いて、先の＜半導体装置の構成例＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、および容量素子１００を有する半導体装置の一例について説明する。
なお、図２５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。
以下、トランジスタ２００、および容量素子１００の構成について、図２５を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ２００、および容量素子１００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。
先の＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置（図１参照。）では、トランジスタ２００が一つの半導体層に二つのトランジスタ（トランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂ）、およびそれぞれのトランジスタと電気的に接続する容量素子（容量素子１００ａ、および容量素子１００ｂ）を有している例を示したが、本発明はこれに限らない。図２５に示すようにトランジスタ２００は、一つの半導体層に一つのトランジスタ（トランジスタ２００ａ）、およびトランジスタ２００ａと電気的に接続する一つの容量素子（容量素子１００ａ）を有していてもよい。
このとき、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２ｃにおいて、Ａ２側の側面と接するように絶縁体２５６が設けられる。
トランジスタ２００ａの導電体２４２ｃと電気的に接続する導電体２４０と、容量素子１００ａの上部電極として機能する導電体１２０を、同じ材料を用いて同じ工程にて形成することで、工程数、およびマスク枚数を削減できるため、半導体装置の製造に係るコストを削減することができる。
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、図２６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２６（Ａ）に示すように、チップ１２００は、ＣＰＵ１２１１、ＧＰＵ１２１２、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２６（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）などの手法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３）
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、ノート型のコンピュータ、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２７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２７（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２７（Ｂ）はＳＤカードの外観の模式図であり、図２７（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２７（Ｄ）はＳＳＤの外観の模式図であり、図２７（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２８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またはチップは、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、デスクトップ型またはノート型の情報端末用などのモニタ、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、電子ブックリーダー、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ＧＰＵまた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２８に、電子機器の例を示す。
［情報端末］
図２８（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５１００は、筐体５１０１と、表示部５１０２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５１０２に備えられ、ボタンが筐体５１０１に備えられている。
情報端末５１００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５１０２に表示するアプリケーション、表示部５１０２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５１０２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。
図２８（Ｂ）には、ノート型情報端末５２００が図示されている。ノート型情報端末５２００は、情報端末の本体５２０１と、表示部５２０２と、キーボード５２０３と、を有する。
ノート型情報端末５２００は、先述した情報端末５１００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、ノート型情報端末５２００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、およびノート型情報端末を例として、それぞれ図２８（Ａ）、図２８（Ｂ）に図示したが、スマートフォン、およびノート型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、およびノート型情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、デスクトップ型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
［ゲーム機］
図２８（Ｃ）は、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５３００を示している。携帯ゲーム機５３００は、筐体５３０１、筐体５３０２、筐体５３０３、表示部５３０４、接続部５３０５、操作キー５３０６等を有する。筐体５３０２、および筐体５３０３は、筐体５３０１から取り外すことが可能である。筐体５３０１に設けられている接続部５３０５を別の筐体（図示せず）に取り付けることで、表示部５３０４に出力される映像を、別の映像機器（図示せず）に出力することができる。このとき、筐体５３０２、および筐体５３０３は、それぞれ操作部として機能することができる。これにより、複数のプレイヤーが同時にゲームを行うことができる。筐体５３０１、筐体５３０２、および筐体５３０３の基板に設けられているチップなどに先の実施の形態に示すチップを組み込むことができる。
また、図２８（Ｄ）は、ゲーム機の一例である据え置き型ゲーム機５４００を示している。据え置き型ゲーム機５４００には、無線または有線でコントローラ５４０２が接続されている。
携帯ゲーム機５３００、据え置き型ゲーム機５４００などのゲーム機に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のゲーム機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、およ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５３００に本発明の一態様のＧＰＵまた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５３００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５３００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５３００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２８（Ｃ）、図２８（Ｄ）では、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機、および据え置き型ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまた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またはチップを適用するゲーム機としては、例えば、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
［大型コンピュータ］
本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、大型コンピュータに適用することができる。
図２８（Ｅ）は、大型コンピュータの一例である、スーパーコンピュータ５５００を示す図である。図２８（Ｆ）は、スーパーコンピュータ５５００が有するラックマウント型の計算機５５０２を示す図である。
スーパーコンピュータ５５００は、ラック５５０１と、複数のラックマウント型の計算機５５０２と、を有する。なお、複数の計算機５５０２は、ラック５５０１に格納されている。また、計算機５５０２には、複数の基板５５０４が設けられ、当該基板上に上記実施の形態で説明したＧＰＵまたはチップを搭載することができる。
スーパーコンピュータ５５００は、主に科学技術計算に利用される大型コンピュータである。科学技術計算では、膨大な演算を高速に処理する必要があるため、消費電力が高く、チップの発熱が大きい。スーパーコンピュータ５５００に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のスーパーコンピュータ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、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。
図２８（Ｅ）、図２８（Ｆ）では、大型コンピュータの一例としてスーパーコンピュータを図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータはこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータとしては、例えば、サービスを提供するコンピュータ（サーバー）、大型汎用コンピュータ（メインフレーム）などが挙げられる。
［移動体］
本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、移動体である自動車、および自動車の運転席周辺に適用することができる。
図２８（Ｇ）は、移動体の一例である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２８（Ｇ）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また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。
［電化製品］
図２８（Ｈ）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。
電化製品の一例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。
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。
１００：容量素子、１１０：導電体、１２０：導電体、１３０：絶縁体、１４１：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、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２３０：酸化物、２３１：領域、２３４：領域、２４０：導電体、２４１：絶縁体、２４２：導電体、２４５：開口、２５０：絶縁体、２５６：絶縁体、２６０：導電体、２７４：絶縁体、２８０：絶縁体、２８１：絶縁体、２８８：充填剤、２９０：開口、２９２：開口、６００：メモリセル

Claims (7)

  1. 酸化物と、
    前記酸化物上に、お互いに離間して設けられた第１の導電体、および第２の導電体と、
    前記酸化物上、かつ前記第１の導電体と前記第２の導電体の間の領域と重畳する領域を有する第３の導電体と、
    前記第３の導電体上の第１の絶縁体と、
    前記第１の絶縁体に設けられた第１の開口を介して、前記第１の導電体と電気的に接続する第４の導電体と、
    前記第１の絶縁体上に設けられ、かつ前記第１の開口内部で前記第４の導電体上に設けられた第２の絶縁体と、
    前記第１の開口内部で、前記第２の絶縁体を間に挟み、前記第４の導電体と重畳する第５の導電体と、
    前記第１の絶縁体、および前記第２の絶縁体に設けられた第２の開口内で前記第２の導電体と電気的に接続する第６の導電体と、
    を有し、
    前記第５の導電体、および前記第６の導電体は、前記第１の絶縁体上において、前記第２の絶縁体の上面と接する半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第４の導電体、前記第２の導電体、および前記第５の導電体により容量素子を構成する半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記半導体装置は第３の絶縁体を有し、
    前記第３の絶縁体は、前記第３の導電体と前記酸化物の間と、前記第３の導電体と前記第１の導電体の間と、前記第３の導電体と前記第２の導電体の間に設けられる半導体装置。
  4. 請求項３において、
    前記第３の絶縁体は、前記第１の絶縁体と接する半導体装置。
  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５の導電体、および前記第６の導電体は、同じ材料を含む半導体装置。
  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５の導電体、および前記第６の導電体は、同じ工程で形成される半導体装置。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
    前記酸化物は、インジウムと、元素Ｍ（Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズ）と、亜鉛と、を有する半導体装置。
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