JPWO2020074999A1 - 半導体装置、および半導体装置の作製方法 - Google Patents

半導体装置、および半導体装置の作製方法 Download PDF

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Abstract

信頼性が良好な半導体装置を提供する。トランジスタと、トランジスタを取り囲むように配置された絶縁体と、を有する半導体装置であって、絶縁体は、水素に対してバリア性を有し、トランジスタは、酸化物と、導電体と、を有し、導電体は、窒素と、金属と、を有し、導電体は、水素を抜き取る、物性を有し、導電体は、水素濃度が２．０×１０＾１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ＾３以上１．０×１０＾２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ＾３以下である領域を有し、領域に含まれる水素原子の少なくとも一部は、窒素原子と結合している。

Description

本発明の一態様は、半導体装置、および半導体装置の作製方法に関する。また、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、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、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。
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。
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）構造が見出されている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。
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が開示されている。
Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ ４３，ｉｓｓｕｅ １，ｐ．１８３−１８６ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ５３，Ｎｕｍｂｅｒ ４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８−１−０４ＥＤ１８−１０
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、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、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、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、本発明の一態様は、低消費電力の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、トランジスタと、トランジスタを取り囲むように配置された絶縁体と、を有する半導体装置であって、絶縁体は、水素に対してバリア性を有し、トランジスタは、酸化物と、導電体と、を有し、導電体は、窒素と、金属と、を有し、導電体は、水素を抜き取る、物性を有し、導電体は、水素濃度が２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域を有し、領域に含まれる水素原子の少なくとも一部は、窒素原子と結合している。
また、本発明の一態様は、トランジスタと、トランジスタを取り囲むように配置された絶縁体と、を有する半導体装置であって、絶縁体は、水素に対してバリア性を有し、トランジスタは、酸化物と、導電体と、を有し、酸化物は、チャネル形成領域を有し、導電体は、窒素と、金属と、を有し、導電体は、水素を抜き取る、物性を有し、導電体は、チャネル形成領域よりも水素濃度が高い領域を有し、領域に含まれる水素原子の少なくとも一部は、窒素原子と結合している。
また、本発明の一態様は、トランジスタと、導電体と、トランジスタおよび導電体を取り囲むように配置された絶縁体と、を有する半導体装置であって、絶縁体は、水素に対してバリア性を有し、トランジスタは、酸化物を有し、導電体は、窒素と、金属と、を有し、導電体は、水素を抜き取る、物性を有し、導電体は、水素濃度が２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域を有し、領域に含まれる水素原子の少なくとも一部は、窒素原子と結合している。
また、本発明の一態様は、複数のトランジスタと、複数のトランジスタを取り囲むように配置された絶縁体と、を有する半導体装置であって、絶縁体は、水素に対してバリア性を有し、トランジスタは、酸化物と、導電体と、を有し、導電体は、窒素と、金属と、を有し、導電体は、水素を抜き取る、物性を有し、導電体は、水素濃度が２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域を有し、領域に含まれる水素原子の少なくとも一部は、窒素原子と結合している。
上記半導体装置において、絶縁体を形成した後に、３５０℃以上７００℃以下にて加熱処理を行い、酸化物中の水素を絶縁体に吸い取らせる、ことが好ましい。
また、上記半導体装置において、金属は、タンタルである、ことが好ましい。
また、上記半導体装置において、絶縁体は、窒素と、シリコンと、を有する、ことが好ましい。
また、上記半導体装置において、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、または錫）と、亜鉛と、を有する、ことが好ましい。
また、本発明の他の一態様は、第１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、第２の導電体、および第３の導電体と、第２の酸化物上の、第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の、第４の導電体と、第４の導電体上の、第３の絶縁体と、を有する半導体装置であって、第１の絶縁体および第３の絶縁体のそれぞれは、水素に対してバリア性を有し、第３の絶縁体は、第１の絶縁体と接する第１の領域を有し、第２の導電体および第３の導電体のそれぞれは、窒素と、金属と、を有し、第２の導電体および第３の導電体のそれぞれは、水素を抜き取る、物性を有し、第２の導電体および第３の導電体のそれぞれは、水素濃度が２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である第２の領域を有し、第２の領域に含まれる水素原子の少なくとも一部は、窒素原子と結合している。
上記半導体装置において、金属は、タンタルである、ことが好ましい。
また、上記半導体装置において、第１の絶縁体および第３の絶縁体のそれぞれは、窒素と、シリコンと、を有する、ことが好ましい。
また、上記半導体装置において、第１の酸化物は、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、または錫）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、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、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、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、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、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
図１Ａ乃至図１Ｃは、本発明に係る半導体装置を説明する模式図である。
図２Ａは、本発明の一態様に係る半導体装置の上面図である。図２Ｂ乃至図２Ｄは、本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図３Ａ、図３Ｂは、本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図４Ａは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図４Ｂ、図４Ｃは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図５Ａは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図５Ｂ、図５Ｃは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図６Ａは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図６Ｂ、図６Ｃは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図７Ａは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図７Ｂ、図７Ｃは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図８Ａは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図８Ｂ、図８Ｃは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図９Ａは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図９Ｂ、図９Ｃは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１０Ａは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１０Ｂ、図１０Ｃは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１１Ａは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１１Ｂ、図１１Ｃは、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１２Ａ乃至図１２Ｃは、本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図である。
図１３は、本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図１４は、本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図１５Ａは、本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図である。図１５Ｂは、本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す模式図である。
図１６Ａ乃至図１６Ｈは、本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図である。
図１７Ａは、本発明の一態様に係る半導体装置のブロック図である。図１７Ｂは、本発明の一態様に係る半導体装置の模式図である。
図１８Ａ乃至図１８Ｅは、本発明の一態様に係る記憶装置の模式図である。
図１９Ａ乃至図１９Ｈは、本発明の一態様に係る電子機器を示す図である。
図２０Ａ乃至図２０Ｅは、実施例に係るサンプルのＸＲＤスペクトルの測定結果を説明する図である。
図２１Ａ乃至図２１Ｅは、実施例に係るサンプルの断面ＳＴＥＭ像を説明する図である。
図２２は、実施例に係るサンプルの、酸化膜および層の膜厚、ならびに抵抗率の算出結果を説明する図である。
図２３Ａ、図２３Ｂは、実施例のＳＩＭＳ分析の結果を示す図である。
図２４Ａは、本実施例の窒化タンタル中の、重水素Ｄ濃度のプロファイルである。図２４Ｂは、本実施例の窒化タンタル中の、水素Ｈ濃度と重水素Ｄ濃度とを足し合わせた濃度のプロファイルである。
図２５は、本実施例の窒化タンタル中の酸素（１８Ｏ）濃度のプロファイルである。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするため、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、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間に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。）を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
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、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネル形成領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネル形成領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
チャネル幅とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネル形成領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向のチャネル形成領域の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネル形成領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
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、半導体の欠陥準位密度が高くなることや、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、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。なお、水も不純物として機能する場合がある。また、例えば不純物の混入によって、酸化物半導体に酸素欠損が形成される場合がある。
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°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°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°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
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トランジスタと記載する場合においては、金属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あたりのドレイン電流が、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）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の構成を、図１Ａ乃至図１Ｃを用いて説明する。
図１Ａは、本発明の一態様の半導体装置の断面模式図である。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を取り囲むように配置された絶縁体２０と、を有する。
なお、絶縁体２０が、トランジスタ２００を取り囲むとは、絶縁体２０が、トランジスタ２００の、上面の少なくとも一部、側面の少なくとも一部、および下面の少なくとも一部に位置するように設けられた構成をさす。特に、絶縁体２０がトランジスタ２００を挟んで対向して設けられていると、より好適である。例えば、トランジスタ２００を中心に、絶縁体２０が上下に配置される、または、トランジスタ２００を中心に、絶縁体２０が左右に配置されると好ましい。
なお、図１Ａにおいては、絶縁体２０がトランジスタ２００の外周を全て取り囲む構成を例示しているが、これに限定されない。絶縁体２０がトランジスタ２００の一部と重畳しない領域を有していても良い。また、絶縁体２０と、トランジスタ２００との間に、他の構成要素が位置しても構わない。他の構成要素とは、例えば、トランジスタ２００に接続される導電体、トランジスタ２００を保護する絶縁体などが挙げられる。
また、トランジスタ２００は、酸化物３０と、酸化物３０の一部と接する導電体４２（導電体４２ａ、および導電体４２ｂ）と、酸化物３０と重なる領域を有する導電体６０と、を有する。酸化物３０は、トランジスタ２００のチャネル形成領域を有する。導電体６０は、トランジスタ２００のゲート電極として機能し、導電体４２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。
トランジスタ２００は、チャネル形成領域を有する酸化物３０に、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。当該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、チャネル形成領域に上記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リーク電流（オフ電流）が極めて小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、金属酸化物は、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。なお、金属酸化物（酸化物半導体）の詳細については後述する。
金属酸化物に不純物が混入すると、欠陥準位または酸素欠損（ＶＯ）が形成される場合がある。よって、金属酸化物のチャネル形成領域に不純物が混入することで、金属酸化物を用いたトランジスタの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、上記欠陥準位には、トラップ準位が含まれる場合がある。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。金属酸化物の不純物としては、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。
特に、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、金属酸化物中に酸素欠損を形成する場合がある。金属酸化物中のチャネル形成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る場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥（ＶＯＨと表記する場合がある。）はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。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場合がある。したがって、水素が高濃度で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。
そこで、導電体４２（導電体４２ａ、および導電体４２ｂ）は、水素が導電体４２へ拡散しやすい特性を有する導電性材料で構成されることが好ましく、酸化物３０中の水素が導電体４２へ拡散しやすい特性を有する導電性材料で構成されることがさらに好ましい。酸化物３０の水素が導電体４２へ拡散することで、酸化物３０の水素濃度が低減され、トランジスタ２００に安定した電気特性を付与することができる。なお、本明細書などでは、酸化物中の水素が導電体へ拡散しやすいことを、当該導電体は当該酸化物中の水素を抜き取りやすい（吸い取りやすい）と表現する場合がある。
上記導電性材料の導電体として、例えば、導電性の金属窒化物を用いると好ましい。当該金属窒化物としては、例えば、タンタルを含む窒化物、チタンを含む窒化物、モリブデンを含む窒化物、タングステンを含む窒化物、タンタルおよびアルミニウムを含む窒化物、チタンおよびアルミニウムを含む窒化物などが挙げられる。本発明の一態様においては、タンタルを含む窒化物が特に好ましい。タンタルを含む窒化物は、組成式がＴａＮｘ（ｘは０より大きく１．６７以下の実数）を満たすことが好ましい。また、タンタルを含む窒化物は、酸素を有してもよい。よって、タンタルを含む窒化物は、金属タンタル、窒化タンタル、窒化酸化タンタル、酸化窒化タンタルなどを有する。
導電体４２に上記金属窒化物を用いることで、導電体４２となる導電膜の形成以降の工程での熱処理において、酸化物３０中の水素が導電体４２へ拡散し、酸化物３０中の水素濃度を低減することができる。
また、金属窒化物へ拡散した水素は、当該金属窒化物に留まる場合がある。金属窒化物中に拡散した水素の一部は、水素原子として、当該金属窒化物中の窒素原子と結合する。水素原子は窒素原子と結合することで、拡散し難くなり、金属窒化物中に留まりやすくなる。別言すると、水素は金属窒化物に吸い取られる（ゲッタリングされる）場合がある。
なお、上記熱処理を行うことで、酸化物３０中の水素が導電体４２に吸い取られるため、導電体４２は、上記熱処理を行う前よりも水素濃度が高い領域を有する。具体的には、導電体４２となる導電膜の形成以降の工程での熱処理を３５０℃以上７００℃以下で行う場合、導電体４２は、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度が、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、または２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の領域を有する。
また、酸化物３０中の水素は、導電体４２を透過して、導電体４２の周辺に設けられた構造体、トランジスタ２００と絶縁体２０との間に位置する構成要素などへ放出される場合がある。
なお、上記金属窒化物を用いることができる導電体は、導電体４２に限られない。例えば、導電体６０と酸化物３０との間に位置する構成要素が、水素が拡散しやすい特性を有する場合、導電体６０に、上記金属窒化物を用いてもよい。または、導電体４２および導電体６０の双方に、上記金属窒化物を用いてもよい。なお、トランジスタ２００が、導電体６０に上記金属窒化物を用い、酸化物３０に低抵抗領域を形成する構成である場合、トランジスタ２００は、導電体４２を有さなくてもよい場合がある。
さらに、トランジスタ２００を、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絶縁体で取り囲むことが好ましい。つまり、当該絶縁体を絶縁体２０に用いることが好ましい。絶縁体２０に当該絶縁体を用いることで、絶縁体２０の外方に設けられた構造体に含まれる水素が、酸化物３０へ混入することを抑制できる。よって、電気特性の変動が抑制され、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。
また、絶縁体２０の水素濃度は低いことが好ましい。絶縁体２０の水素濃度を低くすることで、酸化物３０への水素の混入を抑制することができる。
また、絶縁体２０に用いる絶縁性材料は、水素の拡散を抑制する機能に加えて、酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。当該絶縁性材料を絶縁体２０に用いることで、トランジスタ２００の構成要素に含まれる酸素が、絶縁体２０の外方に放出されるのを抑制し、かつ、絶縁体２０の外方に設けられた構造体に含まれる水素が、酸化物３０へ混入することを抑制できる。よって、電気特性の変動が抑制され、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。
例えば、絶縁体２０として、窒化シリコンを用いることが好ましい。窒化シリコンは、水素の拡散を抑制する機能を有するため、好ましい。さらに、絶縁体２０は、スパッタリング法を用いて成膜されることが好ましい。具体的には、絶縁体２０の成膜に、シリコンターゲットを用い、スパッタリングガスとして、アルゴンと窒素の混合ガスを用いる。絶縁体２０の成膜に水素を用いないので、絶縁体２０中の水素濃度を低くことができる。また、絶縁体２０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などを用いてもよい。
また、図１Ａでは、絶縁体２０を単層で図示したが、積層構造としてもよく、酸化物３０に酸素を供給することができる絶縁性材料と、水素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料との積層としてもよい。絶縁体２０を当該積層構造にすることで、酸化物３０に酸素を供給し、酸化物３０中の酸素欠損を低減でき、かつ、絶縁体２０の外方に設けられた構造体に含まれる水素が、酸化物３０へ混入することを抑制できる。また、絶縁体２０は、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料と、水素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料との積層としてもよい。絶縁体２０を当該積層構造にすることで、トランジスタ２００の構成要素に含まれる酸素が、絶縁体２０の外方に放出されるのを抑制し、かつ、絶縁体２０の外方に設けられた構造体に含まれる水素が、酸化物３０へ混入することを抑制できる。よって、電気特性の変動が抑制され、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。
酸化物３０に酸素を供給することができる、または、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料として、例えば、酸化アルミニウムを用いることが好ましく、スパッタリング法を用いて成膜される酸化アルミニウムを用いることがさらに好ましい。積層構造を有する絶縁体２０の作製方法として、例えば、トランジスタ２００を取り囲むように、スパッタリング法を用いて酸化アルミニウムを形成し、当該酸化アルミニウムを取り囲むように、スパッタリング法を用いて窒化シリコンを形成するとよい。
また、図１Ｂに示すように、本発明の一態様の半導体装置は、絶縁体２０と、トランジスタ２００と、導電体４０（導電体４０ａ、および導電体４０ｂ）と、を有してもよい。導電体４０は、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。
上記金属窒化物は、絶縁体２０に取り囲まれた領域で、かつ、トランジスタ２００の近傍に設けられてもよい。例えば、導電体４０に上記金属窒化物を用いてもよい。導電体４０に上記金属窒化物を用いることで、酸化物３０中の水素が導電体４０に拡散し、酸化物３０の水素濃度を低減することができる。なお、導電体４０に拡散した水素は、絶縁体２０の外方へ放出される場合がある。
なお、酸化物３０中の水素が、酸化物３０と金属窒化物との間に位置する構成要素を介して、金属窒化物へ拡散する場合、絶縁体２０に取り囲まれた領域で、かつ、トランジスタ２００の近傍に設ける金属窒化物は、酸化物３０またはトランジスタ２００と接しなくてもよい。
また、図１Ａおよび図１Ｂでは、絶縁体２０が、１つのトランジスタ２００を取り囲む構成を示したが、これに限られない。図１Ｃに示すように、絶縁体２０が、複数のトランジスタ２００を取り囲む構成としてもよい。
また、図１Ａおよび図１Ｂでは、絶縁体２０を単層で図示したが、これに限られない。絶縁体２０は、複数の絶縁体で構成してもよい。例えば、図１Ｃに示すように、絶縁体２０が、絶縁体２０ａおよび絶縁体２０ｂで構成されてもよい。絶縁体２０ａ、および絶縁体２０ｂは、絶縁体２０に用いることができる絶縁性材料を、用いることができる。なお、絶縁体２０ａ、および絶縁体２０ｂは、同じ材料としてもよいし、異なる材料としてもよい。
また、図１Ｃに示す半導体装置の作製方法として、絶縁体２０ａを形成し、絶縁体２０ａ上に複数のトランジスタ２００を形成し、複数のトランジスタ２００上に絶縁体２０ｂを形成するとよい。
以上より、低消費電力の半導体装置を提供することができる。また、高集積型の半導体装置を提供することができる。また、電気特性の変動が抑制され、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、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。
（実施の形態２）
本実施の形態では、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、図２Ａ乃至図１２Ｃを用いて説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図２Ａ乃至図２Ｄ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上面図および断面図である。図２Ａは、当該半導体装置の上面図である。また、図２Ｂ、図２Ｃ、および図２Ｄは、当該半導体装置の断面図である。ここで、図２Ｂは、図２Ａ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２Ｃは、図２ＡにＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図２Ｄは、図２ＡにＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図２Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、層間膜として機能する絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２７４と、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（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）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２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２７４など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２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２７４など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２７４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２Ａ乃至図２Ｄに示すように、トランジスタ２００は、基板（図示せず。）の上に配置され、かつ、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２３０ｃ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、絶縁体２２４の上面の一部、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、導電体２４２ａの側面および上面、ならびに、導電体２４２ｂの側面および上面に接して配置された絶縁体２５４と、を有する。
図２Ａ乃至図２Ｄに示す酸化物２３０は、図１Ａおよび図１Ｂに示す酸化物３０に対応する。また、図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｄに示す導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、それぞれ、図１Ａおよび図１Ｂに示す導電体４２ａおよび導電体４２ｂに対応する。また、図２Ａ乃至図２Ｃに示す導電体２６０は、図１Ａおよび図１Ｂに示す導電体６０に対応する。また、図２Ａ、図２Ｂに示す導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、それぞれ、図１Ｂに示す導電体４０ａおよび導電体４０ｂに対応する。
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。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、トランジスタ２００では、酸化物２３０が、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２３０ａと酸化物２３０ｂ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し、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃのそれぞれが積層構造を有していてもよい。
例えば、酸化物２３０として、インジウム（Ｉｎ）、元素Ｍおよび亜鉛（Ｚｎ）を有する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、マグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｍ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、またはＭ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
酸化物２３０ｂ上には、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２６０は、トランジスタ２００の第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能し、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、それぞれトランジスタ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、先の実施の形態で説明した金属窒化物を用いることが好ましく、タンタルを含む窒化物を用いることが特に好ましい。当該金属窒化物を導電体２４２に用いることで、酸化物２３０中の水素濃度を低減することができる。
図２Ｂにおける一点鎖線で囲む領域の拡大図を、図３Ａに示す。図３Ａに示すように、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と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１（領域２３１ａ、および領域２３１ｂ）と、を有する。
なお、図３Ａでは、領域２３１、および領域２３４が、酸化物２３０ｂに形成されている構成を示しているが、これに限られることなく、例えば、領域２３１、または領域２３４は、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに形成されてもよいし、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃに形成されてもよいし、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃに形成されてもよい。
また、図３Ａでは、領域２３１と領域２３４との境界を、酸化物２３０ｂの下面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域２３４が、酸化物２３０ｂの表面近傍では、導電体２４０側に進行し、酸化物２３０ｂの下面近傍では、狭まった形状になる場合がある。
酸化物２３０に金属酸化物を用いる場合、導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）と酸化物２３０とが接することで、酸化物２３０中の酸素が導電体２４２へ拡散し、導電体２４２が酸化する場合がある。導電体２４２が酸化することで、導電体２４２の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物２３０中の酸素が導電体２４２へ拡散することを、導電体２４２が酸化物２３０中の酸素を吸収する、と言い換えることができる。
また、酸化物２３０中の酸素が導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）へ拡散することで、導電体２４２ａと酸化物２３０ｂとの間、および、導電体２４２ｂと酸化物２３０ｂとの間に層が形成される場合がある。当該層は、導電体２４２よりも酸素を多く含むため、当該層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体２４２と、当該層と、酸化物２３０ｂとの３層構造は、金属−絶縁体−半導体からなる３層構造とみなすことができ、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造と呼ぶ、またはＭＩＳ構造を主としたダイオード接合構造と呼ぶ場合がある。
なお、上記層は、導電体２４２と酸化物２３０ｂとの間に形成されることに限られず、例えば、上記層が、導電体２４２と酸化物２３０ｃとの間に形成される場合や、導電体２４２と酸化物２３０ｂとの間、および導電体２４２と酸化物２３０ｃとの間に形成される場合がある。
また、酸化物２３０中の酸素が導電体２４２へ拡散することで、上記層と酸化物２３０ｂとの間または酸化物２３０ｂの上記層近傍に、酸素欠乏状態の領域が形成される場合がある。当該領域は、酸素欠損を多く含む領域である。この場合、当該領域には、酸素欠損に入り込んだ不純物（水素等）がドナーとして機能し、キャリア濃度が増加し、部分的に低抵抗領域が形成される場合がある。
なお、領域２３１ａ、および領域２３１ｂはそれぞれ、上記領域の少なくとも一部を含む。よって、領域２３１は、キャリア濃度が高い、低抵抗化した領域である。また、領域２３４は、領域２３１よりも、キャリア濃度が低い領域である。
上記層の膜厚が大きくなるほど、導電体２４２と酸化物２３０との間のキャリアの移動が抑制される蓋然性が高い。また、上記層の膜厚が大きくなるほど、酸素欠乏状態の領域は拡大する。よって、トランジスタの電気特性のバラツキや、トランジスタの信頼性の低下などの原因となる蓋然性が高い。
先の実施の形態で説明した金属窒化物、特にタンタルを含む窒化物は、水素が拡散しやすい特性に加えて、酸素が拡散しにくい特性を有する導電性材料であるため、導電体２４２に好適である。導電体２４２にタンタルを含む窒化物を用いることで、導電体２４２となる導電膜の形成以降の工程での熱処理において、酸化物２３０中の水素が導電体２４２へ拡散し、酸化物２３０中の水素濃度を低減することができる。さらに、導電体２４２と酸化物２３０との間に層が形成されるのを防ぐ、または、当該層の膜厚が厚くなるのを抑えることができる。また、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）に対して安定となる。なお、酸化物中の酸素が導電体へ拡散しにくいことを、当該導電体は酸化しにくい、当該導電体は耐酸化性を有する、などと表現する場合がある。
導電体２４２にタンタルを含む窒化物を用いることで、図３Ａに示す領域１０１において、酸化物２３０中の水素が、酸化物２３０の領域２３１から導電体２４２へ拡散し、領域２３１の水素濃度が低減される。領域２３１の水素濃度が低減されることで、領域２３４中の水素が領域２３１へと拡散する。よって、領域２３４の水素濃度を低減することができる。
また、図３Ａに示す領域１０２において、領域２３４の水素は、酸化物２３０ｃを介して、導電体２４２へと拡散する場合がある。これにより、領域２３４の水素濃度を低減することができる。
また、上述した酸素欠乏状態の領域は、酸素欠損を多く含む領域である。金属酸化物を有する酸化物２３０において、酸素欠損内の水素は、酸素原子と結合する水素、または格子間に存在する水素よりも、拡散しにくい傾向がある。よって、酸素欠乏状態の領域を有する領域２３１は、領域２３４よりも、拡散しにくい水素をより多く有する。つまり、領域２３１の水素と比べて、領域２３４の水素は、導電体２４２へと拡散しやすい。よって、領域２３４の水素濃度は、領域２３１の水素濃度よりも低くなる場合がある。
導電体２４２にタンタルを含む窒化物を用いることで、導電体２４２と酸化物２３０ｂとの間に、膜厚の薄い層を形成することができる。具体的には、当該層の膜厚を、０．１ｎｍ以上４ｎｍ以下、より好ましくは、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることができる。これにより、酸化物２３０中の水素は、当該層を介して導電体２４２へ拡散し、領域２３４の水素濃度を低減することができる。
以上より、酸化物２３０の水素濃度を低減することができる。したがって、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、上記層は、タンタルと、酸素とを含むため、絶縁性を有する場合がある。このとき、導電体２４２と、上記層と、酸化物２３０とでＭＩＳ構造が形成される。このような構成にすることで、導電体２４２と酸化物２３０とが接せず、導電体２４２と酸化物２３０との界面が、熱処理によって劣化することを抑制することができる。また、上記層の膜厚が薄いため、導電体２４２と酸化物２３０との間の電流が流れやすくなり、トランジスタの信頼性向上を図ることができる。
また、導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）は２層以上の積層構造であることが好ましい。例えば、図３Ｂに示すように、導電体２４２は、酸化物２３０ｂと接する側に導電体２４２ａ１、および導電体２４２ｂ１が配置され、導電体２４２ａ１上、および導電体２４２ｂ１上のそれぞれに、導電体２４２ａ２、および導電体２４２ｂ２が配置された２層の積層構造にすることが好ましい。
導電体２４２の下層（導電体２４２ａ１、および導電体２４２ｂ１）は、例えば、水素を吸い取りやすく（抜き取りやすく）、かつ、酸化しにくい、特性を有する導電性材料で構成されることが好ましい。また、酸化物２３０中の水素が導電体２４２の下層へ拡散しやすく、かつ、酸化物２３０中の酸素が導電体２４２の下層へ拡散しにくい、特性を有する導電性材料で構成されることがより好ましい。これにより、酸化物２３０の水素が導電体２４２の下層へ拡散することで、酸化物２３０の水素濃度が低減され、トランジスタ２００に安定した電気特性を付与することができる。また、導電体２４２の下層が酸化し、導電体２４２の導電率が低下するのを抑制することができる。
また、導電体２４２の上層（導電体２４２ａ２、および導電体２４２ｂ２）は、導電体２４２の下層（導電体２４２ａ１、および導電体２４２ｂ１）よりも、導電性の高い導電性材料で構成されることが好ましい。または、導電体２４２の上層は、導電体２４２の下層よりも、抵抗率が低い導電性材料で構成されることが好ましい。これにより、配線遅延を抑制した半導体装置を作製することができる。
なお、導電体２４２の上層は、水素を吸い取りやすい、特性を有してもよい。これにより、導電体２４２の下層に吸い取られた水素が、導電体２４２の上層にも拡散し、酸化物２３０中の水素濃度をより低減することができる。よって、トランジスタ２００に安定した電気特性を付与することができる。
ここで、導電体２４２の下層（導電体２４２ａ１、および導電体２４２ｂ１）と、導電体２４２の上層（導電体２４２ａ２、および導電体２４２ｂ２）と、は、構成する元素が同じで、かつ、化学組成の異なる導電性材料を用いることが好ましい。このとき、導電体２４２の下層と導電体２４２の上層とを、大気環境にさらさずに連続して成膜することができる。大気開放せずに成膜することで、導電体２４２の下層表面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、導電体２４２の下層と導電体２４２の上層との界面近傍を清浄に保つことができる。
例えば、導電体２４２の下層に、タンタルに対する窒素の原子数比が高い、タンタルを含む窒化物を用い、導電体２４２の上層に、タンタルに対する窒素の原子数比が低い、タンタルを含む窒化物を用いることが好ましい。
タンタルを含む窒化物において、タンタルに対する窒素の原子数比を高くすることで、タンタルを含む窒化物の酸化を抑制することができる。また、タンタルを含む窒化物の耐酸化性を高めることができる。また、タンタルを含む窒化物中への酸素の拡散を抑制することができる。よって、タンタルに対する窒素の原子数比が高い、タンタルを含む窒化物を導電体２４２の下層に用いることが好ましい。これにより、導電体２４２の下層と酸化物２３０との間に層が形成されるのを防ぐ、または層の膜厚を薄くすることができる。なお、タンタルを含む窒化物の耐酸化性については後述する。
また、タンタルを含む窒化物において、タンタルに対する窒素の原子数比を低くすることで、当該窒化物の抵抗率を下げることができる。よって、タンタルに対する窒素の原子数比が低い、タンタルを含む窒化物を導電体２４２の上層に用いることが好ましい。これにより、配線遅延を抑制した半導体装置を作製することができる。
なお、導電体２４２において、上層と下層の境界は明確に検出することが困難な場合がある。タンタルを含む窒化物を導電体２４２に用いる場合、各層内で検出されるタンタル、および窒素濃度は、各層の段階的な変化に限らず、上層と下層との間の領域で連続的に変化（グラデーションともいう）していてもよい。つまり、導電体２４２の、領域２３１に近い領域であるほど、タンタルに対する窒素の原子数比が高ければよい。よって、導電体２４２の下方に位置する領域における、タンタルに対する窒素の原子数比は、導電体２４２の上方に位置する領域における、タンタルに対する窒素の原子数比よりも高いことが好ましい。
また、導電体２４２の下層（導電体２４２ａ１、および導電体２４２ｂ１）と、導電体２４２の上層（導電体２４２ａ２、および導電体２４２ｂ２）と、が、構成する元素は同じで、かつ、化学組成の異なる導電性材料を用いる例について示したが、これに限られず、導電体２４２の下層と、導電体２４２の上層と、は、異なる導電性材料を用いて形成されてもよい。
以上より、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、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、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、低消費電力の半導体装置を提供することができる。
＜半導体装置の詳細な構成＞
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。
絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２５４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３は、水、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に拡散するのを抑制する絶縁性バリア膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２５４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３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絶縁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、当該不純物、または当該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。また、水素または酸素の拡散を抑制する機能を有する膜を、水素または酸素が透過しにくい膜、水素または酸素の透過性が低い膜、水素または酸素に対してバリア性を有する膜、水素または酸素に対するバリア膜などと呼ぶ場合がある。また、バリア膜に導電性を有する場合、当該バリア膜を導電性バリア膜と呼ぶことがある。
ここで、図１２Ａに、トランジスタ２００を有する半導体装置の断面図を示す。図１２Ａに示すように、例えば、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２５４、絶縁体２８０、および絶縁体２８２に開口を形成し、絶縁体２１２と絶縁体２８３とが接する構成にするとよい。当該構成にすることで、トランジスタ２００を、絶縁体２１２および絶縁体２８３で取り囲む構成とすることができる。さらに、絶縁体２１２および絶縁体２８３に先の実施の形態で説明した、絶縁体２０に用いることができる絶縁体を用いることで、水、水素などの不純物が、絶縁体２１２および絶縁体２８３よりも基板側からトランジスタ２００に拡散するのを抑制することができる。また、絶縁体２８３は、ＣＶＤ法またはＡＬＤ法を用いて成膜されることが好ましい。ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、凹凸によって、段切れなどが形成されるのを防ぐことができる。
また、例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２８３として、窒化シリコンなどを用い、絶縁体２１４、絶縁体２５４、および絶縁体２８２として、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。つまり、絶縁体２１２、および絶縁体２８３として、先の実施の形態で説明した、絶縁体２０に用いることができる絶縁体を適用するとよい。これにより、水、水素などの不純物が、絶縁体２１２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２１２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、水素などの不純物が絶縁体２５４よりも上方に配置されている絶縁体２８０などから絶縁体２５４を介してトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。この様に、トランジスタ２００を、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２５４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で取り囲む構造とすることが好ましい。
また、絶縁体２１２、および絶縁体２８３の抵抗率を低くすることが好ましい場合がある。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２８３の抵抗率を概略１×１０１３Ωｃｍとすることで、半導体装置作製工程のプラズマ等を用いる処理において、絶縁体２１２、および絶縁体２８３が、導電体２０５、導電体２４２または導電体２６０のチャージアップを緩和することができる場合がある。絶縁体２１２、および絶縁体２８３の抵抗率は、好ましくは、１×１０１０Ωｃｍ以上１×１０１５Ωｃｍ以下とする。
絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２７４は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２７４として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよい。
また、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、水素濃度が低く、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域（以下、過剰酸素領域ともいう。）または加熱により離脱する酸素（以下、過剰酸素ともいう。）を有することが好ましい。例えば、絶縁体２１６、および絶縁体２８０として、スパッタリング法を用いて成膜した酸化シリコンを用いることが好ましい。これにより、酸化物２３０への水素の混入を抑制することができる、または、酸化物２３０に酸素を供給し、酸化物２３０中の酸素欠損を低減することができる。したがって、電気特性の変動が抑制され、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。
なお、絶縁体２１６を積層構造にしてもよい。例えば、絶縁体２１６において、少なくとも導電体２０５の側面と接する部分に、絶縁体２１４と同様の絶縁体を設ける構成にしてもよい。このような構成にすることで、絶縁体２１６に含まれる酸素によって、導電体２０５が酸化するのを抑制することができる。または、導電体２０５により、絶縁体２１６に含まれる酸素量が減少するのを抑制することができる。
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のしきい値電圧（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。
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２１４または絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。
なお、導電体２０５は、図２Ｂに示すように、酸化物２３０におけるチャネル形成領域よりも、大きく設けるとよい。特に、図２Ｃに示すように、導電体２０５は、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物２３０のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。または、導電体２０５を大きく設けることによって、導電体２０５形成以降の作製工程のプラズマを用いた処理において、局所的なチャージング（チャージアップと言う。）の緩和ができる場合がある。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。導電体２０５は、少なくとも導電体２４２ａと、導電体２４２ｂとの間に位置する酸化物２３０と重畳すればよい。
上記構成を有することで、第１のゲート電極として機能する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極として機能する導電体２０５の電界によって、酸化物２３０のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
また、図２Ｄに示すように、ソース電極およびドレイン電極として機能する導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに接する酸化物２３０ｂの側面および周辺は、絶縁体２５４と接する。絶縁体２５４として酸化物を用いる場合、絶縁体２５４中の酸素が、当該側面および周辺に供給される場合がある。または、当該側面および周辺の酸素が、絶縁体２５４へ拡散するのを防ぐ場合がある。これにより、当該側面および周辺は、チャネル形成領域と同様にＩ型となりうる。なお、本明細書等において、Ｉ型とは、前述の高純度真性と同様として扱うことができる。
本明細書等において、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み、かつ、ソース電極およびドレイン電極として機能する導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに接する酸化物２３０の側面及び周辺が、チャネル形成領域と同じくＩ型であるといった特徴を有するトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。なお、本明細書等で開示するＳ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、Ｆｉｎ型構造及びプレーナ型構造とは異なる。Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。
また、図２Ｃに示すように、導電体２０５は延伸させて、配線としても機能させている。ただし、これに限られることなく、導電体２０５の下に、配線として機能する導電体を設ける構成にしてもよい。また、導電体２０５は、必ずしも各トランジスタに一個ずつ設ける必要はない。例えば、導電体２０５を複数のトランジスタで共有する構成にしてもよい。
なお、トランジスタ２００では、導電体２０５の第１の導電体と導電体２０５の第２の導電体とを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０５は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
ここで、導電体２０５の第１の導電体は、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。
導電体２０５の第１の導電体に、酸素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により、導電体２０５の第２の導電体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、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体２０５の第１の導電体としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。例えば、導電体２０５の第１の導電体は、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と、チタンまたは窒化チタンとの積層としてもよい。
また、導電体２０５の第２の導電体は、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。なお、導電体２０５の第２の導電体を単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと、当該導電性材料との積層としてもよい。
絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体として機能する。
絶縁体２２２は、水、水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４より水素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２、および絶縁体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、水、水素などの不純物が、外方からトランジスタ２００に拡散することを抑制することができる。
絶縁体２２２が水素の拡散を抑制する機能を有する場合、例えば、図１２Ｂに示すように、絶縁体２２４、絶縁体２５４、絶縁体２８０、および絶縁体２８２に開口を形成し、絶縁体２２２と絶縁体２８３とが接する構成にしてもよい。当該構成にすることで、酸化物２３０を、絶縁体２２２および絶縁体２８３で取り囲む構成とすることができる。さらに、絶縁体２８３に先の実施の形態で説明した、絶縁体２０に用いることができる絶縁体を用いることで、水、水素などの不純物が、絶縁体２２２および絶縁体２８３よりも基板側から酸化物２３０に拡散するのを抑制することができる。また、絶縁体２８３は、ＣＶＤ法またはＡＬＤ法を用いて成膜されることが好ましい。ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、凹凸により段切れが起きるのを防ぐことができる。
さらに、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物２３０が有する酸素が、絶縁体２２２より下側へ拡散することを低減できるので、好ましい。また、導電体２０５が、絶縁体２２４や、酸化物２３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
絶縁体２２２は、絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。当該絶縁体として、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から基板側への酸素の放出や、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拡散を抑制する層として機能する。
または、上記絶縁体に、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。また、絶縁体２２２は、これら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）、（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。
酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、加熱により酸素を脱離することが好ましい。本明細書では、加熱により離脱する酸素を過剰酸素と呼ぶことがある。例えば、絶縁体２２４は、酸化シリコン、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膜とは、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。
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、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、金属酸化物を構成する金属元素に対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、金属酸化物を構成する金属元素に対する元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
具体的には、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、または１：１：０．５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。
なお、金属酸化物をスパッタリング法により成膜する場合、上記の原子数比は、成膜された金属酸化物の原子数比に限られず、金属酸化物の成膜に用いるスパッタリングターゲットの原子数比であってもよい。
また、酸化物２３０ｂは、結晶性を有することが好ましい。例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることが好ましい。ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥（酸素欠損など）が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物２３０ｂからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物２３０ｂから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ２００は、製造工程における高い温度（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の伝導帯下端は、酸化物２３０ｂの伝導帯下端より真空準位に近いことが好ましい。言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力は、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。
ここで、電子親和力または伝導帯下端は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差であるイオン化ポテンシャルと、エネルギーギャップから求めることができる。イオン化ポテンシャルは、例えば、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定することができる。エネルギーギャップは、例えば、分光エリプソメータを用いて測定することができる。
また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、伝導帯下端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との界面に形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃが、酸素以外に共通の元素を主成分として有することで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いてもよい。
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。
また、酸化物２３０ｃは、２層以上の積層構造を有していてもよい。例えば、酸化物２３０ｃの第１の酸化物と、酸化物２３０ｃの第１の酸化物の上に配置された酸化物２３０ｃの第２の酸化物と、を有していてもよい。
酸化物２３０ｃの第１の酸化物は、酸化物２３０ｂに用いられる金属酸化物を構成する金属元素の少なくとも一つを含むことが好ましく、当該金属元素を全て含むことがより好ましい。例えば、酸化物２３０ｃの第１の酸化物として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物２３０ｃの第２の酸化物として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、または酸化ガリウムを用いるとよい。これにより、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの第１の酸化物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。また、酸化物２３０ｃの第２の酸化物は、酸化物２３０ｃの第１の酸化物より、酸素の拡散または透過を抑制する金属酸化物であることが好ましい。絶縁体２５０と酸化物２３０ｃの第１の酸化物との間に酸化物２３０ｃの第２の酸化物を設けることで、絶縁体２８０に含まれる酸素が、絶縁体２５０に拡散するのを抑制することができる。したがって、当該酸素は、酸化物２３０ｃの第１の酸化物を介して、酸化物２３０ｂに供給されやすくなる。
具体的には、酸化物２３０ｃの第１の酸化物として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の金属酸化物を用い、酸化物２３０ｃの第２の酸化物として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、もしくはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物、または酸化ガリウムを用いればよい。これにより、酸化物２３０ｃの第１の酸化物と酸化物２３０ｃの第２の酸化物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。
また、酸化物２３０ｃの第２の酸化物に用いる金属酸化物において、主成分である金属元素に対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ｃの第１の酸化物に用いる金属酸化物における、主成分である金属元素に対するＩｎの原子数比より小さくすることで、Ｉｎが絶縁体２５０側に拡散するの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が絶縁体２５０などに混入した場合、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、導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）と、酸化物２３０ｂとの間に、酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物を配置してもよい。当該酸化物をソース電極やドレイン電極として機能する導電体２４２と酸化物２３０ｂとの間に配置することで、導電体２４２と酸化物２３０とが接しない構造となるので、導電体２４２が、酸化物２３０の酸素を吸収することを抑制することができる。よって、導電体２４２と、酸化物２３０ｂとの間の電気抵抗を低減することができる。このような構成とすることで、トランジスタ２００の電気特性およびトランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
上記酸化物として、元素Ｍを有する金属酸化物を用いてもよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。上記酸化物は、酸化物２３０ｂよりも元素Ｍの濃度が高いことが好ましい。また、上記酸化物として、酸化ガリウムを用いてもよい。また、上記酸化物として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物等の金属酸化物を用いてもよい。具体的には、上記酸化物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、上記酸化物の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下である。また、上記酸化物は、結晶性を有すると好ましい。上記酸化物が結晶性を有する場合、酸化物２３０中の酸素の放出を好適に抑制することができる。例えば、上記酸化物が、六方晶などの結晶構造を有すると、酸化物２３０中の酸素の放出を抑制できる場合がある。
絶縁体２５４は、図２Ｂに示すように、導電体２４２ａの上面および側面、導電体２４２ｂの上面および側面、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面、ならびに絶縁体２２４の上面の一部に接することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体２８０は、絶縁体２５４によって、絶縁体２２４、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂと離隔されている。
また、絶縁体２５４は、絶縁体２２２と同様に、水素および酸素の一方または双方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２５４は、絶縁体２２４、および絶縁体２８０よりも水素および酸素の一方または双方の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。これにより、絶縁体２８０に含まれる水素が、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに拡散するのを抑制することができる。さらに、絶縁体２２２、および絶縁体２５４によって、絶縁体２２４、酸化物２３０などを囲むことにより、水、水素などの不純物が、外方から絶縁体２２４、および酸化物２３０に拡散することを抑制することができる。よって、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。
絶縁体２５４は、スパッタリング法を用いて成膜されることが好ましい。絶縁体２５４を、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２２４の絶縁体２５４と接する領域近傍に酸素を添加することができる。これにより、当該領域から、絶縁体２２４を介して酸化物２３０中に酸素を供給することができる。ここで、絶縁体２５４が、上方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物２３０から絶縁体２８０へ拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体２２２が、下方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物２３０から基板側へ拡散することを防ぐことができる。このようにして、酸化物２３０のチャネル形成領域に酸素が供給される。これにより、酸化物２３０の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。
絶縁体２５４としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。この場合、絶縁体２５４は、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜されることが好ましい。ＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、絶縁体２５４の凹凸により段切れが起きるのを防ぐことができる。
また、絶縁体２５４としては、例えば、窒化アルミニウムを含む絶縁体を用いればよい。これにより、絶縁性に優れ、且つ熱伝導性に優れた膜とすることができるため、トランジスタ２００を駆動したときに生じる熱の放熱性を高めることができる。また、窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを用いることもできる。
また、絶縁体２５４としては、例えば、ガリウムを含む酸化物を用いてもよい。ガリウムを含む酸化物は、水素および酸素の一方または双方の拡散を抑制する機能を有する場合があるため好ましい。なお、ガリウムを含む酸化物として、酸化ガリウム、ガリウム亜鉛酸化物、インジウムガリウム亜鉛酸化物などを用いることができる。なお、絶縁体２５４としてインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いる場合、インジウムに対するガリウムの原子数比は大きい方が好ましい。当該原子数比を大きくすることで、当該酸化物の絶縁性を高くすることができる。
また、絶縁体２５４は、２層以上の多層構造とすることができる。絶縁体２５４を２層の積層構造とする場合、絶縁体２５４の下層、および上層の成膜には、上記方法を用いて行うことができ、絶縁体２５４の下層、および上層の成膜は、同じ方法を用いてもよいし、異なる方法を用いてもよい。例えば、絶縁体２５４として、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて絶縁体２５４の下層を成膜し、次にＡＬＤ法を用いて絶縁体２５４の上層を成膜してもよい。ＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、１層目の凹凸により段切れが起きるのを防ぐことができる。
また、絶縁体２５４の下層、および上層には上記材料を用いることができ、絶縁体２５４の下層、および上層は同じ材料としてもよいし、異なる材料としてもよい。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンと、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、の積層構造としてもよい。また、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、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。
絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
絶縁体２５０は、絶縁体２２４と同様に、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給し、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の酸素欠損を低減することができる。したがって、電気特性の変動が抑制され、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。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０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。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への酸素の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。
なお、上記金属酸化物は、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、上記金属酸化物は、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と上記金属酸化物との積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、ゲート絶縁体の物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、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ことが好ましい。
または、当該金属酸化物は、第１のゲート電極の一部としての機能を有する場合がある。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
特に、ゲートとして機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
導電体２６０は、導電体２６０ａと、導電体２６０ａの上に配置された導電体２６０ｂと、を有することが好ましい。例えば、導電体２６０ａは、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように配置されることが好ましい。
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、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、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
また、導電体２６０は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体２６０ｂ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、チタンまたは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、導電体２６０に、先の実施の形態で説明した金属窒化物を用いてもよい。
図２Ｂ、図２Ｃでは、導電体２６０は、導電体２６０ａと導電体２６０ｂ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。
また、トランジスタ２００では、導電体２６０は、絶縁体２８０などに形成されている開口を埋めるように自己整合的に形成される。導電体２６０をこのように形成することにより、導電体２４２ａと導電体２４２ｂとの間の領域に、導電体２６０を位置合わせすることなく確実に配置することができる。
また、図２Ｂに示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０の上面および酸化物２３０ｃの上面と略一致している。
また、図２Ｃに示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向において、導電体２６０の、導電体２６０と酸化物２３０ｂとが重ならない領域の底面は、酸化物２３０ｂの底面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が、絶縁体２５０などを介して、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の側面および上面を覆う構成とすることで、導電体２６０の電界を酸化物２３０ｂのチャネル形成領域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。絶縁体２２２の底面を基準としたとき、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の底面の高さと、酸化物２３０ｂの底面の高さと、の差をＴ１とすると、Ｔ１は、０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。
絶縁体２８０は、絶縁体２５４を介して、絶縁体２２４、酸化物２３０、および導電体２４２上に設けられる。また、絶縁体２８０の上面は、平坦化されていてもよい。
層間膜として機能する絶縁体２８０は、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。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、水素などの不純物濃度は低減されていることが好ましい。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、２層以上の積層構造を有していてもよい。
図２Ｂに示すように、絶縁体２８２は、導電体２６０、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃのそれぞれの上面と接し、絶縁体２８３は、絶縁体２８２の上面と接することが好ましい。これにより、絶縁体２７４などに含まれる水素などの不純物が、絶縁体２５０へ混入することを抑えることができる。したがって、トランジスタの電気特性およびトランジスタの信頼性への悪影響を抑制することができる。
絶縁体２８３の上に、絶縁体２７４を設けることが好ましい。絶縁体２７４は、絶縁体２１６などと同様に、誘電率が低いことが好ましい。また、絶縁体２７４は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水、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２７４、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２５４に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２７４の上面と、同一平面上としてもよい。
なお、絶縁体２７４、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２５４の開口の側壁に接して、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２７４、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２５４の開口の側壁に接して、絶縁体２４１ｂが設けられ、その側面に接して導電体２４０ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２４２ｂが位置しており、導電体２４０ｂが導電体２４２ｂと接する。
導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。
また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは積層構造としてもよい。なお、トランジスタ２００では、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを、２層の積層構造として設け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。
また、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂを積層構造とする場合、導電体２４２と接し、かつ、絶縁体２５４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２７４と、絶縁体２４１を介して接する導電体には、水、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、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水、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２７４より上層に含まれる、水、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に拡散するのを抑制することができる。
絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂとしては、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂは、絶縁体２５４に接して設けられるので、絶縁体２８０などに含まれる水、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に拡散するのを抑制することができる。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好適である。また、絶縁体２８０に含まれる酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。
また、図示しないが、上記導電体を覆うように、抵抗率が１．０×１０１３Ωｃｍ以上１．０×１０１５Ωｃｍ以下の絶縁体を設けることが好ましく、５．０×１０１３Ωｃｍ以上５．０×１０１４Ωｃｍ以下の絶縁体を設けることがより好ましい。上記導電体上に上記のような抵抗率を有する絶縁体を設けることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ２００、上記導電体等の配線間に蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタや、該トランジスタを有する電子機器の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。
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。
また、図１２Ｃに示すように、絶縁体２７４の上に、絶縁体２８４を設け、絶縁体２８４の上に、絶縁体２７５を設けてもよい。
絶縁体２８４は、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２５４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２７４に形成された開口、ならびに絶縁体２７４上に設け、絶縁体２１２と絶縁体２８４とが接する構成にするとよい。当該構成にすることで、トランジスタ２００を、絶縁体２１２および絶縁体２８４で取り囲む構成とすることができる。さらに、絶縁体２１２および絶縁体２８４に先の実施の形態で説明した、絶縁体２０に用いることができる絶縁体を用いることで、水、水素などの不純物が、絶縁体２１２および絶縁体２８４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、絶縁体２８４は、ＣＶＤ法またはＡＬＤ法を用いて成膜されることが好ましい。ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、凹凸により段切れが起きるのを防ぐことができる。
絶縁体２７５は、絶縁体２７４に用いることができる絶縁性材料を、用いることができる。なお、図１２Ｃに示す構成とする場合、絶縁体２８３は設けなくてもよい場合がある。
また、配線として機能する導電体を、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配置する場合、絶縁体２８４を当該導電体の上、および絶縁体２１２に達する開口内に設け、絶縁体２８４と、絶縁体２１２とが接する構成としてもよい。
＜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、ゲルマニウムからなる半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
＜＜絶縁体＞＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、またはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。
また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が有する酸素欠損を補償することができる。
＜＜導電体＞＞
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、窒化タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、窒化タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、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。
金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上のものを用いることが好ましく、２．５ｅＶ以上のものを用いることがより好ましい。バンドギャップの大きい金属酸化物を酸化物２３０に用いることで、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。
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、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、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、または錫とする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（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）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。
酸化物半導体に不純物が混入すると、欠陥準位または酸素欠損が形成される場合がある。よって、酸化物半導体のチャネル形成領域に不純物が混入することで、酸化物半導体を用いたトランジスタの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、チャネル形成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。
また、酸化物半導体のチャネル形成領域に不純物が存在すると、チャネル形成領域の結晶性が低くなる場合がある、また、チャネル形成領域に接して設けられる酸化物の結晶性が低くなる場合がある。チャネル形成領域の結晶性が低いと、トランジスタの安定性または信頼性が悪化する傾向がある。また、チャネル形成領域に接して設けられる酸化物の結晶性が低いと、界面準位が形成され、トランジスタの安定性または信頼性が悪化する場合がある。
また、トランジスタには、キャリア濃度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物のキャリア濃度を低くする場合においては、金属酸化物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。
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。
酸素欠損に水素が入った欠陥は、金属酸化物のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、金属酸化物においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、金属酸化物のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。
よって、金属酸化物を酸化物２３０に用いる場合、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、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）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。水素などの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。
また、酸化物２３０に金属酸化物を用いる場合、チャネル形成領域として機能する金属酸化物のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましく、１×１０１７ｃｍ−３未満であることがより好ましく、１×１０１６ｃｍ−３未満であることがさらに好ましく、１×１０１３ｃｍ−３未満であることがさらに好ましく、１×１０１２ｃｍ−３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域として機能する金属酸化物のキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、１×１０−９ｃｍ−３とすることができる。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、図２Ａ乃至図２Ｄに示す、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の作製方法を、図４Ａ乃至図１１Ｃを用いて説明する。
図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ、図８Ａ、図９Ａ、図１０Ａ、および図１１Ａは上面図を示す。また、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、図９Ｂ、図１０Ｂ、および図１１Ｂはそれぞれ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ、図８Ａ、図９Ａ、図１０Ａ、および図１１Ａ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、図４Ｃ、図５Ｃ、図６Ｃ、図７Ｃ、図８Ｃ、図９Ｃ、図１０Ｃ、および図１１Ｃはそれぞれ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ、図８Ａ、図９Ａ、図１０Ａ、および図１１Ａ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、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ、図８Ａ、図９Ａ、図１０Ａ、および図１１Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１２を成膜する。絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージが生じない成膜方法である。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、低温での成膜が可能、などの効果がある。また、ＡＬＤ法には、プラズマを利用した成膜方法であるＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）法も含まれる。プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
本実施の形態では、絶縁体２１２として、ＣＶＤ法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体２１２として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体２１２より下層（図示せず。）の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体２１２を介して上の層に拡散するのを抑制することができる。また、水、水素などの不純物が透過しにくい絶縁体を用いることにより、水、水素などの不純物が絶縁体２１２より下層から拡散するのを抑制することができる。
次に、絶縁体２１２上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１４として、酸化アルミニウムを用いる。
次に、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、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法によって酸化窒化シリコンを成膜する。
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に酸化窒化シリコンを用いた場合は、絶縁体２１４は窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムを用いるとよい。
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圧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圧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圧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圧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。
開口の形成後に、導電体２０５の第１の導電体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、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体と、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。該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、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２０５の第１の導電体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膜を成膜し、窒化タンタルの上に窒化チタン膜を成膜する。このような金属窒化物を導電体２０５の第１の導電体に用いることにより、後述する導電体２０５の第２の導電体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の第１の導電体から外に拡散するのを防ぐことができる。
次に、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜上に、導電体２０５の第２の導電体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、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、該導電膜として、タングステン膜を成膜する。
次に、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜、および導電体２０５の第２の導電体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の第１の導電体となる導電膜、および導電体２０５の第２の導電体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の第１の導電体および導電体２０５の第２の導電体を含む導電体２０５を形成することができる（図４Ａ乃至図４Ｃ参照。）。
なお、導電体２０５を形成した後に、導電体２０５の第２の導電体の一部を除去して、導電体２０５の第２の導電体に溝を形成し、当該溝を埋め込むように導電体２０５および絶縁体２１６上に導電膜を成膜し、ＣＭＰ処理を行う工程を行ってもよい。当該ＣＭＰ処理により、当該導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する。なお、導電体２０５の第２の導電体の一部は、ドライエッチング法などを用いて除去するとよい。
上記工程により、上面が平坦な、上記導電膜を含む導電体２０５を形成することができる。絶縁体２１６と導電体２０５の上面の平坦性を向上させることにより、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの結晶性の向上を図ることができる。なお、当該導電膜には、導電体２０５の第１の導電体または導電体２０５の第２の導電体と同様の材料を用いるとよい。
なお、上記においては、導電体２０５を絶縁体２１６の開口に埋め込むように形成したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体２１４上に導電体２０５を形成し、導電体２０５上に絶縁体２１６を成膜し、絶縁体２１６にＣＭＰ処理を行うことで、絶縁体２１６の一部を除去し、導電体２０５の表面を露出させればよい。
次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、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２２２として、ＡＬＤ法によって、酸化ハフニウムまたは酸化アルミニウムを成膜する。
続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で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２２２の成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体２２２に含まれる水、水素などの不純物を除去することなどができる。また、加熱処理は、絶縁体２２４の成膜後などのタイミングで行うこともできる。
次に、絶縁体２２２上に絶縁体２２４を成膜する。絶縁体２２４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２２４として、ＣＶＤ法によって酸化窒化シリコンを成膜する。
ここで、絶縁体２２４に過剰酸素領域を形成するために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）などの高周波を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁体２２４内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体２２４に含まれる水、水素などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
ここで、絶縁体２２４上に、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜した後、絶縁体２２４に達するまで、ＣＭＰ処理を行ってもよい。当該ＣＭＰ処理を行うことで絶縁体２２４表面の平坦化および平滑化を行うことができる。当該酸化アルミニウムを絶縁体２２４上に配置してＣＭＰ処理を行うことで、ＣＭＰ処理の終点検出が容易となる。また、ＣＭＰ処理によって、絶縁体２２４の一部が研磨されて、絶縁体２２４の膜厚が薄くなることがあるが、絶縁体２２４の成膜時に膜厚を調整すればよい。絶縁体２２４表面の平坦化および平滑化を行うことで、後に成膜する酸化物の被覆率の悪化を防止し、半導体装置の歩留りの低下を防ぐことができる場合がある。また、絶縁体２２４上に、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜することにより、絶縁体２２４に酸素を添加することができるので好ましい。
次に、絶縁体２２４上に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図４Ｂ、図４Ｃ参照。）。なお、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂは、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂとの界面近傍を清浄に保つことができる。
酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、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酸化物ターゲットなど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、当該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、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。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１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。また、基板を加熱しながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。
本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、１：３：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物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Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物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。
なお、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを、大気に暴露することなく成膜することが好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。
次に、加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水、水素などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
次に、酸化膜２３０Ｂ上に導電膜２４２Ａを成膜する。導電膜２４２Ａの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図４Ｂ、図４Ｃ参照。）。なお、導電膜２４２Ａの成膜前に、加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して導電膜２４２Ａを成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化膜２３０Ｂの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化膜２３０Ａおよび酸化膜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。
次に、リソグラフィー法を用いて、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および導電膜２４２Ａを島状に加工して、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂを形成する（図５Ａ乃至図５Ｃ参照。）。また、当該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。また、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および導電膜２４２Ａの加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。なお、当該工程において、絶縁体２２４の酸化物２３０ａと重ならない領域の膜厚が薄くなることがある。
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、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で、除去することができる。
また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電体２４２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２４２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２４２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。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。または、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂの側面と、絶縁体２２２の上面とのなす角が低い角度になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂの側面と、絶縁体２２２の上面とのなす角は６０°以上７０°未満が好ましい。この様な形状とすることで、これより後の工程において、絶縁体２５４などの被覆性が向上し、鬆などの欠陥を低減することができる。
また、導電層２４２Ｂの側面と導電層２４２Ｂの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、当該側面の端部と当該上面の端部は、湾曲していることが好ましい。湾曲面は、例えば、導電層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。
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂの上に、絶縁膜２５４Ａを成膜する（図６Ｂ、図６Ｃ参照）。
絶縁膜２５４Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁膜２５４Ａは、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、スパッタリング法またはＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、または酸化ガリウム膜を成膜する。また、スパッタリング法によって酸化アルミニウム膜を成膜し、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膜を成膜してもよい。
次に、絶縁膜２５４Ａ上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、当該絶縁膜として、ＣＶＤ法、またはスパッタリング法によって酸化シリコン膜を成膜する。
また、絶縁体２８０となる絶縁膜は、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シリコン膜を成膜し、当該酸化シリコン膜上に、ＣＶＤ法、ＰＥＡＬＤ法、またはサーマルＡＬＤ法によって酸化シリコン膜を成膜する構造としてもよい。
なお、絶縁体２８０となる絶縁膜の成膜前に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して当該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、絶縁膜２５４Ａ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、および絶縁膜２５４Ａ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。上述した加熱処理条件を用いることができる。
次に、絶縁体２８０となる絶縁膜にＣＭＰ処理を行い、上面が平坦な絶縁体２８０を形成する（図６Ｂ、図６Ｃ参照。）。
ここで、マイクロ波処理を行ってもよい。マイクロ波処理は、酸素を含む雰囲気下、および減圧下にて行うことが好ましい。マイクロ波処理を行うことにより、マイクロ波による電界が絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａに与えられ、絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａ中のＶＯＨを酸素欠損（ＶＯ）と水素（Ｈ）に分断することができる。この時分断された水素の一部は、絶縁体２８０が有する酸素と結合して、水分子として除去される場合がある。また、水素の一部は、絶縁体２５４を介して、導電体２４２にゲッタリングされる場合がある。
また、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行ってもよい。このような処理を行うことで、絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａ中の水素を効率よく除去することができる。なお、加熱処理温度は、３００℃以上、５００℃以下とすることが好ましい。
また、マイクロ波処理を行うことにより、絶縁体２８０の膜質を改質することで、水素、水、不純物などの拡散を抑制することができる。したがって、絶縁体２８０形成以降の後工程、または熱処理などにより、絶縁体２８０を介して、水素、水、不純物などが、酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる。
次に、絶縁体２８０の一部、絶縁膜２５４Ａの一部、および導電層２４２Ｂの一部を加工して、酸化物２３０ｂに達する開口を形成する（図７Ａ乃至図７Ｃ参照。）。当該開口は、導電体２０５と重なるように形成することが好ましい。当該開口の形成によって、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および絶縁体２５４を形成する。このとき、酸化物２３０ｂの当該開口と重なる領域の膜厚が薄くなる場合がある。
また、絶縁体２８０の一部、絶縁膜２５４Ａの一部、および導電層２４２Ｂの一部の加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。例えば、絶縁体２８０の一部をドライエッチング法で加工し、絶縁膜２５４Ａの一部をウェットエッチング法で加工し、導電層２４２Ｂの一部をドライエッチング法で加工してもよい。
これまでのドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面に付着または内部に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、洗浄処理を行う。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、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、アンモニア水、シュウ酸、リン酸、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、純水、炭酸水などを用いて洗浄処理を行ってもよい。また、これらの水溶液、純水、または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。また、これらの洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
上記エッチング後、または上記洗浄後に加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、例えば、１００℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行ってもよい。これにより、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに酸素を供給して、酸素欠損の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で行ってもよい。
次に加熱処理を行ってもよく、当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して酸化膜２３０Ｃを成膜してもよい（図８Ａ乃至図８Ｃ参照。）。このような処理を行うことによって、酸化物２３０ｂの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とする。
酸化膜２３０Ｃの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２３０Ｃとして、Ｉｎに対するＧａの原子数比が、酸化膜２３０ＢのＩｎに対するＧａの原子数比より大きいことが好ましい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いて成膜する。
なお、酸化膜２３０Ｃは、積層としてもよい。例えば、スパッタリング法によって、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、連続して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成膜してもよい。
酸化膜２３０Ｃの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに供給される場合がある。または、酸化膜２３０Ｃの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２８０に供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ｃのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
次に加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して絶縁膜２５０Ａを成膜してもよい（図９Ａ乃至図９Ｃ参照。）。このような処理を行うことによって、酸化膜２３０Ｃの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。
絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。本実施の形態では、絶縁膜２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコン膜を成膜する。なお、絶縁膜２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３５０℃以上４５０℃未満、特に４００℃前後とすることが好ましい。絶縁膜２５０Ａを、４００℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁膜を成膜することができる。
絶縁膜２５０Ａを成膜した後に、マイクロ波処理を行ってもよい。当該マイクロ波処理は、上述したマイクロ波処理条件を用いることができる。マイクロ波処理を行うことにより、絶縁膜２５０Ａの膜質を改質することで、水素、水、不純物などの拡散を抑制することができる。したがって、導電体２６０となる導電膜の成膜などの後工程、または熱処理などの後処理により、絶縁体２５０を介して、水素、水、不純物などが、酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる。
次に、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂを順に成膜する。導電膜２６０Ａおよび導電膜２６０Ｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａを成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電膜２６０Ｂを成膜する（図１０Ａ乃至図１０Ｃ参照。）。
次に、ＣＭＰ処理によって、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）を形成する（図１１Ａ乃至図１１Ｃ参照。）。これにより、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂに達する開口の内壁（側壁、および底面）を覆うように配置される。また、絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃを介して、上記開口の内壁を覆うように配置される。また、導電体２６０は、酸化物２３０ｃおよび絶縁体２５０を介して、上記開口を埋め込むように配置される。
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、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を成膜する。絶縁体２８２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、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、酸素を含む雰囲気で絶縁体２８２の成膜を行うことで、成膜しながら、絶縁体２８０に酸素を添加することができる。このとき、基板加熱を行いながら、絶縁体２８２を成膜することが好ましい。また、導電体２６０の上面に接して、絶縁体２８２を形成することで、この後の加熱処理において、絶縁体２８０が有する酸素が導電体２６０へ吸収されることを抑制することができるので好ましい。
次に、絶縁体２８２上に絶縁体２８３を成膜する。絶縁体２８３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図１１Ｂ、図１１Ｃ参照）。絶縁体２８３として、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンを成膜することが好ましい。
次に、加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体２８２の成膜によって絶縁体２８０に添加された酸素を拡散させ、さらに酸化物２３０ｃを介して、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂへ供給することができる。なお、当該加熱処理は、絶縁体２８３の成膜後に限らず、絶縁体２８２の成膜後に行ってもよい。
次に絶縁体２８３上に、絶縁体２７４を成膜してもよい。絶縁体２７４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図１１Ｂ、図１１Ｃ参照。）。
次に、絶縁体２５４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２７４に、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。
次に、絶縁体２４１となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして絶縁体２４１を形成する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。当該絶縁膜としては、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、または窒化シリコン膜を成膜することが好ましい。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好ましい。
また、上記絶縁膜の異方性エッチングとしては、例えばドライエッチング法などを用いればよい。開口の側壁部に絶縁体２４１を設けることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。
次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。当該導電膜は、水、水素など不純物の拡散を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、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２７４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２Ａ、図２Ｂ参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２７４の一部が除去する場合がある。
以上により、図２Ａ乃至図２Ｄ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４Ａ乃至図１１Ｃ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、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、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、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、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、本発明の一態様により、低消費電力の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３）
本実施の形態では、半導体装置（記憶装置）の一形態を、図１３および図１４を用いて説明する。
［記憶装置１］
本発明の一態様である半導体装置を使用した、半導体装置（記憶装置）の一例を図１３に示す。本実施の形態に係る半導体装置では、トランジスタ２００がトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００がトランジスタ２００の上方に設けられている。容量素子１００、またはトランジスタ３００は、少なくとも一部がトランジスタ２００と重畳することが好ましい。これにより、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００の上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る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。なお、本実施の形態に係る半導体装置は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）もしくはＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）に代表されるロジック回路、またはＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）もしくはＮＶＭ（Ｎｏｎ−Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ）に代表されるメモリ回路に適用することができる。
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。よって、トランジスタ２００、およびトランジスタ２００を含む層については、先の実施の形態の記載を参酌することができる。
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。また、半導体層にシリコンを用いるトランジスタと比較して、トランジスタ２００は、高温における電気特性が良好である。例えば、トランジスタ２００は、１２５℃乃至１５０℃の温度範囲においても良好な電気特性を示す。また、１２５℃乃至１５０℃の温度範囲において、トランジスタ２００は、トランジスタのオン／オフ比が１０桁以上を有する。別言すると、半導体層にシリコンを用いるトランジスタと比較して、トランジスタ２００は、トランジスタ特性の一例であるオン電流、周波数特性などが高温になるほど優れた特性を有する。
図１３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。
図１３に示す半導体装置は、トランジスタ２００のスイッチングによって、容量素子１００の電極の一方に充電された電荷が保持可能という特性を有することで、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。また、トランジスタ２００は、ソース、ゲート（トップゲート）、ドレインに加え、バックゲートが設けられた素子である。すなわち、４端子素子であるため、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）特性を利用したＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、相変化メモリ（Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｏｒｙ）などに代表される２端子素子と比較して、入出力の独立制御が簡便に行うことができるといった特徴を有する。また、ＭＲＡＭ、ＲｅＲＡＭ、相変化メモリは、情報の書き換えの際に、原子レベルで構造変化が生じる場合がある。一方で図１３に示す半導体装置は、情報の書き換えの際にトランジスタ及び容量素子を利用した電子のチャージ、またはディスチャージにより動作するため、繰り返し書き換え耐性に優れ、構造変化も少ないといった特徴を有する。
また、図１３に示す半導体装置は、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。この場合、トランジスタ３００は、当該メモリセルアレイに接続される読み出し回路、または駆動回路などとして用いることができる。図１３に示す半導体装置をメモリ素子として用いた場合、例えば、駆動電圧が２．５Ｖ、評価環境温度が−４０℃乃至８５℃の範囲において、２００ＭＨｚ以上の動作周波数を実現することができる。
＜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、ならびに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１３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１３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１３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１３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、異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１３に示す半導体装置は、シリコン系半導体材料を用いる半導体装置の製造装置を使用するプロセス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。
＜容量素子＞
容量素子１００は、絶縁体１６０上の絶縁体１１４と、絶縁体１１４上の絶縁体１４０と、絶縁体１１４および絶縁体１４０に形成された開口の中に配置された導電体１１０と、導電体１１０および絶縁体１４０上の絶縁体１３０と、絶縁体１３０上の導電体１２０と、導電体１２０および絶縁体１３０上の絶縁体１５０と、を有する。ここで、絶縁体１１４および絶縁体１４０に形成された開口の中に導電体１１０、絶縁体１３０、および導電体１２０の少なくとも一部が配置される。
導電体１１０は容量素子１００の下部電極として機能し、導電体１２０は容量素子１００の上部電極として機能し、絶縁体１３０は、容量素子１００の誘電体として機能する。容量素子１００は、絶縁体１１４および絶縁体１４０の開口において、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。
絶縁体１１４、および絶縁体１５０は、絶縁体２８０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１４０は、絶縁体１１４の開口を形成するときのエッチングストッパとして機能することが好ましく、絶縁体２１４に用いることができる絶縁体を用いればよい。
絶縁体１１４および絶縁体１４０に形成された開口を上面から見た形状は、四角形としてもよいし、四角形以外の多角形状としてもよいし、多角形状において角部を湾曲させた形状としてもよいし、楕円を含む円形状としてもよい。ここで、上面視において、当該開口とトランジスタ２００の重なる面積が多い方が好ましい。このような構成にすることにより、容量素子１００とトランジスタ２００を有する半導体装置の占有面積を低減することができる。
導電体１１０は、絶縁体１４０、および絶縁体１１４に形成された開口に接して配置される。導電体１１０の上面は、絶縁体１４０の上面と略一致することが好ましい。また、導電体１１０の下面には、絶縁体１６０上に設けられた導電体１５２が接する。導電体１１０は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することが好ましく、例えば、導電体２０５に用いることができる導電体を用いればよい。
絶縁体１３０は、導電体１１０および絶縁体１４０を覆うように配置される。例えば、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて絶縁体１３０を成膜することが好ましい。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、酸化ジルコニウム、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として、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムの順番で積層された絶縁膜を用いることができる。
また、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、または高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いることが好ましい。または、絶縁耐力が大きい材料と高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料の積層構造を用いてもよい。
なお、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料（高い比誘電率の材料）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、シリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。このようなｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、絶縁体１３０を厚くしても容量素子１００の静電容量を十分確保することができる。絶縁体１３０を厚くすることにより、導電体１１０と導電体１２０の間に生じるリーク電流を抑制することができる。
一方、絶縁耐力が大きい材料としては、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、樹脂などがある。例えば、ＡＬＤ法を用いて成膜した窒化シリコン、ＰＥＡＬＤ法を用いて成膜した酸化シリコン、ＡＬＤ法を用いて成膜した窒化シリコンの順番で積層された絶縁膜を用いることができる。このような、絶縁耐力が大きい絶縁体を用いることで、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。
導電体１２０は、絶縁体１４０および絶縁体１１４に形成された開口を埋めるように配置される。また、導電体１２０は、導電体１１２、および導電体１５３を介して配線１００５と電気的に接続している。導電体１２０は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することが好ましく、例えば、導電体２０５に用いることができる導電体を用いればよい。
また、トランジスタ２００は、酸化物半導体を用いる構成であるため、容量素子１００との相性が優れている。具体的には、酸化物半導体を用いるトランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、容量素子１００と組み合わせて用いることで長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。
＜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機能する導電体は、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、端子として機能する導電体１５３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１３において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体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、および絶縁体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。
絶縁体３５４、および導電体３５６上には、絶縁体２０８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６が順に積層して設けられている。また、絶縁体２０８、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、トランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する。
また、絶縁体１１４、絶縁体１４０、絶縁体１３０、絶縁体１５０、および絶縁体１５４には、導電体１１２、および容量素子１００を構成する導電体（導電体１２０、導電体１１０）等が埋め込まれている。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、端子として機能する導電体１５３と、を電気的に接続するプラグ、または配線として機能する。
また、絶縁体１５４上に導電体１５３が設けられ、導電体１５３は、絶縁体１５６に覆われている。ここで、導電体１５３は導電体１１２の上面に接しており、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００の端子として機能する。
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２１０、絶縁体１１４、絶縁体１５０、絶縁体１５６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、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、アクリルなどがある。
また、導電体１５２または導電体１５３の上または下に設けられる絶縁体の抵抗率が１．０×１０１２Ωｃｍ以上１．０×１０１５Ωｃｍ以下、好ましくは５．０×１０１２Ωｃｍ以上１．０×１０１４Ωｃｍ以下、より好ましくは１．０×１０１３Ωｃｍ以上５．０×１０１３Ωｃｍ以下であることが好ましい。導電体１５２または導電体１５３の上または下に設けられる絶縁体の抵抗率を上記の範囲にすることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ２００、トランジスタ３００、容量素子１００、および導電体１５２等の配線間に蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタ、該トランジスタを有する半導体装置の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。このような絶縁体として、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンを用いることができる。例えば、絶縁体１６０または絶縁体１５４の抵抗率を上記の範囲にすればよい。
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３２４、絶縁体３５０、絶縁体２０８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、導電体１１２、導電体１５２、導電体１５３等としては、上記の材料で形成される金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
＜酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ＞
なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けられることがある。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１３では、過剰酸素を有する絶縁体２８０と、導電体２４０との間に、絶縁体２４１を設けるとよい。絶縁体２４１と、絶縁体２８２および絶縁体２８３とが接して設けられることで、導電体２４０、およびトランジスタ２００が、バリア性を有する絶縁体によって、封止される構造とすることができる。
つまり、絶縁体２４１を設けることで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、導電体２４０に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体２４１を有することで、不純物である水素が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００へ拡散することを抑制することができる。
ここで、導電体２４０は、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。
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、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、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、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、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１４に示す。図１４に示す記憶装置は、図１３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。また、図１４に示す記憶装置は、容量素子１００がプレーナ型である点、およびトランジスタ２００とトランジスタ３００が電気的に接続されている点において、図１３に示す記憶装置と異なる。
本発明の一態様の記憶装置では、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。容量素子１００、またはトランジスタ３００は、少なくとも一部がトランジスタ２００と重畳することが好ましい。これにより、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００の上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態の記憶装置を微細化または高集積化させることができる。
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１４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。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の第１のゲートと電気的に接続され、配線１００９はトランジスタ４００の第２の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。
トランジスタ３００のゲートと、トランジスタ２００のソースおよびドレインの他方と、容量素子１００の電極の一方と、が接続されたノードをノードＦＧと呼ぶ場合がある。図１４に示す半導体装置は、トランジスタ２００のスイッチングによって、トランジスタ３００のゲート（ノードＦＧ）の電位が保持可能という特性を有することで、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
また、図１４に示す記憶装置は、図１３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。
なお、トランジスタ２００およびトランジスタ３００として、上述の記憶装置１で記載したトランジスタ２００およびトランジスタ３００を用いることができる。よって、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびこれらを含む層については、上述の記憶装置１の記載を参酌することができる。
絶縁体２０８、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が埋め込まれている。導電体２１８は、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、またはトランジスタ４００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する。例えば、導電体２１８は、トランジスタ３００のゲート電極として機能する導電体３１６と電気的に接続されている。
また、導電体２４０は、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、またはトランジスタ４００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する。例えば、導電体２４０は、トランジスタ２００のソースおよびドレインの他方として機能する導電体２４２ｂと、容量素子１００の電極の一方として機能する導電体１１０を、導電体２４０を介して電気的に接続している。
また、プレーナ型の容量素子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、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を有する。なお、導電体１１０、導電体１２０、および絶縁体１３０は、上述の記憶装置１で記載したものを用いることができる。
また、図１４において、容量素子１００として、プレーナ型の容量素子を用い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、容量素子１００として、図１３に示すようなシリンダ型の容量素子１００を用いてもよい。
＜トランジスタ４００＞
トランジスタ４００は、トランジスタ２００と、同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ４００は、第１のゲートとして機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、第２のゲートとして機能する導電体４０５と、ゲート絶縁体として機能する絶縁体２２２、および絶縁体４５０と、チャネル形成領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースとして機能する導電体４４２ａ、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３１ａと、ドレインとして機能する導電体４４２ｂ、酸化物４３２ｂ、および酸化物４３２ａと、プラグとして機能する導電体４４０（導電体４４０ａ、および導電体４４０ｂ）と、を有する。
導電体４０５と、導電体２０５とは、同じ層に形成される。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａと、酸化物２３０ａとは、同じ層に形成され、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂと、酸化物２３０ｂとは、同じ層に形成される。導電体４４２ａ、および導電体４４２ｂと、導電体２４２とは、同じ層に形成される。酸化物４３０ｃと、酸化物２３０ｃとは、同じ層に形成される。絶縁体４５０と、絶縁体２５０とは、同じ層に形成される。導電体４６０と、導電体２６０とは、同じ層に形成される。
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、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１４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、および絶縁体２５４で、絶縁体２２４、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を包み込むことができる。絶縁体２２２、および絶縁体２５４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、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２５４、および絶縁体２２２を介して外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２２４の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態および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１５Ａ、図１５Ｂ、および図１６Ａ乃至図１６Ｈ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１５Ａ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、および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、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、データ信号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、外部から入力される制御信号（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。制御信号ＣＥは、チップイネーブル信号であり、制御信号ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、制御信号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１５Ａ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１５Ｂ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１６Ａ乃至図１６Ｈ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１６Ａ乃至図１６Ｃ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１６Ａ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（トップ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。
ここで、図１６Ａに示すメモリセル１４７１は、図１３に示す記憶装置に対応している。つまり、トランジスタＭ１はトランジスタ２００に、容量素子ＣＡは容量素子１００に、配線ＢＩＬは配線１００３に、配線ＷＯＬは配線１００４に、配線ＢＧＬは配線１００６に、配線ＣＡＬは配線１００５に対応している。なお、図１３に記載のトランジスタ３００は、図１５Ａ、および図１５Ｂに示す記憶装置１４００の周辺回路１４１１に設けられるトランジスタに対応する。
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１６Ｂ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１６Ｃ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小さ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。または、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小さいため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
また、ＤＯＳＲＡＭにおいて、上記のように、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
［ＮＯＳＲＡＭ］
図１６Ｄ乃至図１６Ｇ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１６Ｄ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、トップゲート（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。
ここで、図１６Ｄに示すメモリセル１４７４は、図１４に示す記憶装置に対応している。つまり、トランジスタＭ２はトランジスタ２００に、容量素子ＣＢは容量素子１００に、トランジスタＭ３はトランジスタ３００に、配線ＷＢＬは配線１００３に、配線ＷＯＬは配線１００４に、配線ＢＧＬは配線１００６に、配線ＣＡＬは配線１００５に、配線ＲＢＬは配線１００２に、配線ＳＬは配線１００１に対応している。
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１６Ｅ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１６Ｆ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１６Ｇ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小さ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。または、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小さいため、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乃至メモリセル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およびトランジスタ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１６Ｈ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１６Ｈに示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至トランジスタ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、配線ＲＷＬ、配線ＷＷＬ、配線ＢＧＬ、および配線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、配線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、トランジスタ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乃至トランジスタ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、トランジスタ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小さ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、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１７Ａ、および図１７Ｂ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１７Ａ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１７Ｂ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用の回路を有する。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、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、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１８Ａ乃至図１８Ｅ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１８Ａ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。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１８ＢはＳＤカードの外観の模式図であり、図１８Ｃ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。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１８ＤはＳＳＤの外観の模式図であり、図１８Ｅ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。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１９Ａ乃至図１９Ｈ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１９Ａ乃至図１９Ｈに、電子機器の例を示す。
［情報端末］
図１９Ａ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１９Ｂ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１９Ａ、図１９Ｂ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１９Ｃ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１９Ｄ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１９Ｃ、図１９Ｄ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１９Ｅ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１９Ｆ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１９Ｅ、図１９Ｆ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１９Ｇ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１９Ｇ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１９Ｈ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、金属酸化物と窒化タンタルとの積層構造における、金属酸化物と窒化タンタルとの界面での層の形成されやすさ、窒化タンタルの耐酸化性、および窒化タンタルの導電性を評価した。具体的には、金属酸化膜上に窒化タンタル膜を成膜したサンプル（サンプル１Ａ乃至サンプル５Ａ）、および、金属酸化膜上に窒化タンタル膜を成膜し、熱処理を行ったサンプル（サンプル１Ｂ乃至サンプル５Ｂ）に対して、各種分析を行い、窒化タンタル膜表面に形成された酸化膜の膜厚、金属酸化膜と窒化タンタル膜との界面に形成された層の膜厚、および窒化タンタル膜の抵抗率を算出した。
以下に、サンプル１Ａ乃至サンプル５Ａの作製方法について説明する。
シリコンを含む基板の表面を、塩化水素（ＨＣｌ）雰囲気で熱処理し、当該基板上に１００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。次に、当該酸化シリコン膜上に、スパッタリング法により、金属酸化膜を１５ｎｍの膜厚で成膜した。当該金属酸化膜の成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の酸化物ターゲットを用い、成膜ガスとして酸素ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａとし、成膜電力を０．５ｋＷとし、基板温度を２００℃とし、酸化物ターゲットと基板との間隔を６０ｍｍとした。
次に、上記金属酸化膜上に、スパッタリング法により、窒化タンタル膜を１００ｎｍの膜厚で成膜した。当該窒化タンタル膜の成膜には、金属タンタルターゲットを用い、成膜圧力を０．６Ｐａとし、成膜電力を１ｋＷとし、基板温度を室温（Ｒ．Ｔ．）とし、ターゲットと基板との間隔を６０ｍｍとした。
なお、サンプル１Ａ乃至サンプル５Ａは、上記窒化タンタル膜の成膜に用いる成膜ガスの流量が異なる。具体的には、サンプル１Ａでは、アルゴンガス５５ｓｃｃｍ、窒素ガス５ｓｃｃｍを用いた。また、サンプル２Ａでは、アルゴンガス５０ｓｃｃｍ、窒素ガス１０ｓｃｃｍを用いた。また、サンプル３Ａでは、アルゴンガス４０ｓｃｃｍ、窒素ガス２０ｓｃｃｍを用いた。また、サンプル４Ａでは、アルゴンガス３０ｓｃｃｍ、窒素ガス３０ｓｃｃｍを用いた。また、サンプル５Ａでは、アルゴンガス１０ｓｃｃｍ、窒素ガス５０ｓｃｃｍを用いた。
以上より、サンプル１Ａ乃至サンプル５Ａを作製した。
なお、上記成膜ガスの流量に対する窒素ガスの流量の割合が高いほど、窒化タンタル膜における、タンタルに対する窒素の原子数比は高くなる。よって、窒化タンタル膜における、タンタルに対する窒素の原子数比は、サンプル５Ａ、サンプル４Ａ、サンプル３Ａ、サンプル２Ａ、サンプル１Ａの順に高い。
以下に、サンプル１Ｂ乃至サンプル５Ｂの作製方法について説明する。なお、サンプル１Ｂ乃至サンプル５Ｂの作製方法は、窒化タンタル膜を成膜する工程までは、サンプル１Ａ乃至サンプル５Ａと同じである。
次に、加熱処理を行った。当該加熱処理として、酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った。なお、サンプル１Ｂは、サンプル１Ａと同じ構成のサンプルに対して当該加熱処理を行ったサンプルである。また、サンプル２Ｂは、サンプル２Ａと同じ構成のサンプルに対して当該加熱処理を行ったサンプルである。また、サンプル３Ｂは、サンプル３Ａと同じ構成のサンプルに対して当該加熱処理を行ったサンプルである。また、サンプル４Ｂは、サンプル４Ａと同じ構成のサンプルに対して当該加熱処理を行ったサンプルである。また、サンプル５Ｂは、サンプル５Ａと同じ構成のサンプルに対して当該加熱処理を行ったサンプルである。
以上より、サンプル１Ｂ乃至サンプル５Ｂを作製した。
なお、サンプル１Ａ乃至サンプル５Ａと同様に、窒化タンタル膜における、タンタルに対する窒素の原子数比は、サンプル５Ｂ、サンプル４Ｂ、サンプル３Ｂ、サンプル２Ｂ、サンプル１Ｂの順に高い。
＜Ｘ線回折による解析＞
サンプル１Ａ乃至サンプル５Ａに対して、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定を行った結果について説明する。
本実施例では、ＸＲＤ装置として、Ｂｒｕｋｅｒ社製Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲを用いた。また、条件は、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法によるθ／２θスキャンにて、走査範囲を１５ｄｅｇ．乃至８０ｄｅｇ．、ステップ幅を０．０２ｄｅｇ．、１点あたりの積算時間を０．１秒とした。
図２０Ａ乃至図２０Ｅに、Ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法を用いてＸＲＤスペクトルを測定した結果を示す。図２０Ａは、サンプル１ＡのＸＲＤスペクトルであり、図２０Ｂは、サンプル２ＡのＸＲＤスペクトルであり、図２０Ｃは、サンプル３ＡのＸＲＤスペクトルであり、図２０Ｄは、サンプル４ＡのＸＲＤスペクトルであり、図２０Ｅは、サンプル５ＡのＸＲＤスペクトルである。横軸は、２θ［ｄｅｇ．］とし、縦軸は、強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）［ａ．ｕ．］とした。また、２θ＝３５ｄｅｇ．付近、および２θ＝４０ｄｅｇ．付近に示す破線は、窒化タンタルの結晶性を示すピーク位置を示す。
図２０Ａ乃至図２０Ｅより、サンプル１Ａ乃至サンプル５Ａの窒化タンタル膜は、いずれも結晶性を有することが分かる。
＜断面ＳＴＥＭ像およびＥＤＸ分析＞
次に、サンプル１Ｂ乃至サンプル５Ｂに対して、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて観察を行った結果、およびエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による分析結果について説明する。
本実施例では、日立ハイテクノロジーズ製「ＨＤ−２７００」を用いて、加速電圧を２００ｋＶとして、断面ＳＴＥＭ像の撮影と、ＥＤＸによる組成のライン分析を行った。
なお、ＥＤＸによる組成のライン分析は、金属酸化膜と窒化タンタル膜との界面に形成される層の膜厚を算出するために行った。ここで、当該層の膜厚を、当該層と金属酸化膜との界面の位置と、窒化タンタル膜の下面と当該層との界面の位置との差とする。具体的には、基板面に対して垂直な方向を深さ方向として、当該層およびその周辺に対してＥＤＸのライン分析を行う。次に、当該分析で得られる、深さ方向に対する各元素の定量値のプロファイルにおいて、当該層と金属酸化膜との界面の深さ（位置）を、金属酸化膜の主成分であり、かつ、窒化タンタル膜の主成分ではない金属（本実施例では、ガリウムとした。）の定量値が半値になる深さとみなす。また、窒化タンタル膜の下面と当該層との界面の深さ（位置）を、金属酸化膜の酸素の定量値が半値になる深さとみなす。以上により、当該層の膜厚を算出することができる。
図２１Ａ乃至図２１Ｅに、撮影した断面ＳＴＥＭ像を示す。図２１Ａは、サンプル１Ｂの断面ＳＴＥＭ像であり、図２１Ｂは、サンプル２Ｂの断面ＳＴＥＭ像であり、図２１Ｃは、サンプル３Ｂの断面ＳＴＥＭ像であり、図２１Ｄは、サンプル４Ｂの断面ＳＴＥＭ像であり、図２１Ｅは、サンプル５Ｂの断面ＳＴＥＭ像である。なお、図２１Ａ乃至図２１Ｅに示す断面ＳＴＥＭ像は、位相コントラスト像（ＴＥ像）である。なお、図２１Ａ乃至図２１Ｅに示す断面ＳＴＥＭ像を用いて、窒化タンタル膜表面に形成された酸化膜の膜厚を測長した。
図２２に、窒化タンタル膜表面に形成された酸化膜の膜厚を算出した結果を示す。図２２において、各サンプルの左側に示す棒グラフは、当該酸化膜の膜厚［ｎｍ］である。サンプル１Ｂにおける当該酸化膜の膜厚は１１．９ｎｍであり、サンプル２Ｂにおける当該酸化膜の膜厚は４．６ｎｍであり、サンプル３Ｂにおける当該酸化膜の膜厚は４．０ｎｍであり、サンプル４Ｂにおける当該酸化膜の膜厚は３．６ｎｍであり、サンプル５Ｂにおける当該酸化膜の膜厚は５．３ｎｍであった。
以上より、窒化タンタル膜において、タンタルに対する窒素の原子数比が大きいほど、上記膜厚は小さくなる傾向が確認された。よって、窒化タンタル膜において、タンタルに対する窒素の原子数比が大きいほど、当該窒化タンタル膜表面に酸化膜が形成されにくく、当該窒化タンタル膜は酸化されにくいことが示唆された。
また、図２２に、算出した金属酸化膜と窒化タンタル膜との界面に形成される層の膜厚を算出した結果を示す。図２２において、各サンプルの右側に示す棒グラフは、当該層の膜厚［ｎｍ］である。サンプル１Ｂにおける当該層の膜厚は７．４ｎｍであり、サンプル２Ｂにおける当該層の膜厚は３．４ｎｍであり、サンプル３Ｂにおける当該層の膜厚は２．０ｎｍであり、サンプル４Ｂにおける当該層の膜厚は１．４ｎｍであり、サンプル５Ｂにおける当該層の膜厚は０．８ｎｍであった。
以上より、窒化タンタル膜において、タンタルに対する窒素の原子数比が大きいほど、上記膜厚は小さくなる傾向が確認された。よって、窒化タンタル膜において、タンタルに対する窒素の原子数比が大きいほど、当該窒化タンタル膜と金属酸化物との間に層が形成されにくいことが示唆された。
＜抵抗率＞
次に、サンプル１Ｂ乃至サンプル５Ｂに対して、窒化タンタル膜の抵抗率を算出した。具体的には、サンプル１Ｂ乃至サンプル５Ｂのそれぞれに対して、一サンプルあたり面内５箇所のシート抵抗を測定し、５箇所で得られたシート抵抗値の平均値を算出し、算出した平均値を狙い膜厚である１００ｎｍで換算することで、窒化タンタル膜の抵抗率を算出した。なお、測定には、エヌピイエス株式会社製の抵抗率測定器（商品名：Σ−１０）を用いた。
図２２に、窒化タンタル膜の抵抗率を算出した結果を示す。図２２において、各サンプルで示す丸印は、窒化タンタル膜の抵抗率［Ω・ｃｍ］である。窒化タンタル膜の抵抗率は、サンプル１Ｂでは２．９×１０−４Ω・ｃｍであり、サンプル２Ｂでは４．６×１０−４Ω・ｃｍであり、サンプル３Ｂでは１．５×１０−３Ω・ｃｍであり、サンプル４Ｂでは６．５×１０−３Ω・ｃｍであり、サンプル５Ｂでは１．１×１０−２Ω・ｃｍであった。
以上より、窒化タンタル膜において、タンタルに対する窒素の原子数比が小さいほど、当該窒化タンタル膜の抵抗率は小さくなる傾向が確認された。よって、窒化タンタル膜において、タンタルに対する窒素の原子数比が小さいほど、窒化タンタル膜の導電性は高くなることが示唆された。
本実施例に示す構成、方法などは、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および実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
本実施例では、絶縁膜による水素の透過性を評価した。具体的には、重水素を含む絶縁膜と、定量層となる絶縁膜との間に、水素の透過性を評価する絶縁膜を設けたサンプル（サンプル２Ｃ乃至サンプル５Ｃ）、および当該絶縁膜を設けないサンプル（サンプル１Ｃ）を作製し、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて、定量層となる絶縁膜中の重水素の濃度を測定した。
はじめに、サンプル１Ｃ乃至サンプル５Ｃの作製方法について説明する。
サンプル１Ｃの作製方法について説明する。シリコンを含む基板の表面を、塩化水素（ＨＣｌ）雰囲気で熱処理し、当該基板上に１００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。次に、当該酸化シリコン膜上に、ＣＶＤ法により、第１の酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍの膜厚で形成した。なお、第１の酸化窒化シリコン膜は、シラン（ＳｉＨ４）ガス、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガス、および重水素（Ｄ２）を５％含むアルゴンガスを用いて成膜することで、第１の酸化窒化シリコン膜中に、天然存在比以上の割合で重水素を含有させることができる。
次に、第１の酸化窒化シリコン膜上に、ＣＶＤ法により、第２の酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍの膜厚で形成した。なお、第２の酸化窒化シリコン膜は、シラン（ＳｉＨ４）ガス、および一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガスを用いて成膜することで、重水素は、第２の酸化窒化シリコン膜中に、おおよそ天然存在比で混入している。以上の工程により、サンプル１Ｃを作製した。
次に、サンプル２Ｃの作製方法について説明する。サンプル１Ｃと同様に、シリコンを含む基板上に、酸化シリコン膜、第１の酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、第１の酸化窒化シリコン膜上に、スパッタリング法により、窒化シリコン膜を１０ｎｍの膜厚で形成した。次に、当該窒化シリコン膜上に、サンプル１Ｃと同様の方法で、第２の酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍの膜厚で形成した。以上の工程により、サンプル２Ｃを作製した。
次に、サンプル３Ｃの作製方法について説明する。サンプル２Ｃと同様に、シリコンを含む基板上に、酸化シリコン膜、第１の酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、および第２の酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、窒素雰囲気にて４００℃の温度で４時間の加熱処理を行った。以上の工程により、サンプル３Ｃを作製した。
次に、サンプル４Ｃの作製方法について説明する。サンプル１Ｃと同様に、シリコンを含む基板上に、酸化シリコン膜、第１の酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、第１の酸化窒化シリコン膜上に、ＣＶＤ法により、窒化シリコン膜を１０ｎｍの膜厚で形成した。次に、当該窒化シリコン膜上に、サンプル１Ｃと同様の方法で、第２の酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍの膜厚で形成した。以上の工程により、サンプル４Ｃを作製した。
次に、サンプル５Ｃの作製方法について説明する。サンプル４Ｃと同様に、シリコンを含む基板上に、酸化シリコン膜、第１の酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、および第２の酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、窒素雰囲気にて４００℃の温度で４時間の加熱処理を行った。以上の工程により、サンプル５Ｃを作製した。
以上により、サンプル１Ｃ乃至サンプル５Ｃを作製した。各サンプルの処理条件についてまとめたものを表１に示す。
Figure 2020074999
作製したサンプル１Ｃ乃至サンプル５Ｃに対して、ＳＩＭＳ分析装置を用いて、第２の酸化窒化シリコン膜中の重水素濃度の評価を行った。なお、分析はサンプルの表面側より行っている。ＳＩＭＳ分析の結果を図２３Ａ、および図２３Ｂに示す。図２３Ａ、および図２３Ｂでは、横軸は、サンプルの膜面に対して垂直な方向の深さ［ｎｍ］であり、縦軸は、膜中の重水素濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］である。なお、図２３Ａ、および図２３Ｂでは、第２の酸化窒化シリコン（図２３Ａ、および図２３Ｂに示すＳｉＯＮ（定量層））中の重水素濃度を定量している。
図２３Ａは、サンプル１Ｃ、サンプル２Ｃ、およびサンプル３ＣのＳＩＭＳ分析の結果であり、第２の酸化窒化シリコン膜の、深さ方向の重水素濃度プロファイルである。図２３Ａにおいて、点線はサンプル１Ｃの重水素濃度プロファイルを表し、実線はサンプル２Ｃの重水素濃度プロファイルを表し、破線はサンプル３Ｃの重水素濃度プロファイルを表している。
図２３Ａから、サンプル１Ｃの、第２の酸化窒化シリコン膜中の重水素濃度は、第２の酸化窒化シリコン膜と１の酸化窒化シリコン膜との界面に近いほど、高くなっていた。よって、第２の酸化窒化シリコン膜の形成中に基板にかかる温度によって、第１の酸化窒化シリコン膜中に含まれる重水素が、第２の酸化窒化シリコン膜中へ拡散することが分かった。
また、図２３Ａから、サンプル３Ｃの、第２の酸化窒化シリコン膜中の重水素濃度は、サンプル２Ｃの、第２の酸化窒化シリコン膜中の重水素濃度と、同程度であった。よって、第１の酸化窒化シリコン膜と第２の酸化窒化シリコン膜との間に、スパッタリング法により成膜した窒化シリコン膜を設けることで、加熱処理を行っても、第１の酸化窒化シリコン膜中に含まれる重水素が、第２の酸化窒化シリコン膜中へ拡散しにくいことが分かった。つまり、スパッタリング法により成膜した窒化シリコン膜は、水素透過性が低いことが分かる。
図２３Ｂは、サンプル４Ｃおよびサンプル５ＣのＳＩＭＳ分析の結果であり、ＣＶＤ法により成膜した窒化シリコン膜上の第２の酸化窒化シリコン膜の、深さ方向の重水素濃度プロファイルである。図２３Ａにおいて、実線はサンプル４Ｃの重水素濃度プロファイルを表し、破線はサンプル５Ｃの重水素濃度プロファイルを表している。
図２３Ｂから、サンプル５Ｃの、第２の酸化窒化シリコン膜中の重水素濃度は、サンプル４Ｃの、第２の酸化窒化シリコン膜中の重水素濃度と、同程度であった。よって、第１の酸化窒化シリコン膜と第２の酸化窒化シリコン膜との間に、ＣＶＤ法により成膜した窒化シリコン膜を設けることで、加熱処理を行っても、第１の酸化窒化シリコン膜中に含まれる重水素が、第２の酸化窒化シリコン膜中へ拡散しにくいことが分かった。つまり、ＣＶＤ法により成膜した窒化シリコン膜は、水素透過性が低いことが分かる。
本実施例に示す構成、方法などは、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および実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
本実施例では、金属酸化物と窒化タンタルとの積層構造における、金属酸化物から窒化タンタルへの水素および酸素の拡散しやすさを評価した。具体的には、金属酸化膜上に窒化タンタル膜を成膜し、熱処理を行ったサンプル（サンプル１Ｄ乃至サンプル４Ｄ、サンプル１Ｅ乃至サンプル４Ｅ）に対して、ＳＩＭＳ分析を行った。
以下に、サンプル１Ｄ乃至サンプル４Ｄの作製方法について説明する。
シリコンを含む基板の表面を、塩化水素（ＨＣｌ）雰囲気で熱処理し、当該基板上に１００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。次に、当該酸化シリコン膜上に、スパッタリング法により、金属酸化膜を５０ｎｍの膜厚で成膜した。当該金属酸化膜の成膜には、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、成膜ガスとして重水素（Ｄ２）を５％含有するアルゴンガス３０ｓｃｃｍ、酸素ガス１５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．４Ｐａとし、成膜電力を２００Ｗとし、基板温度を室温（Ｒ．Ｔ．）とした。これにより、重水素（Ｄ）を含む金属酸化膜を成膜することができる。
次に、上記金属酸化膜上に、スパッタリング法により、窒化タンタル膜を１００ｎｍの膜厚で成膜した。当該窒化タンタル膜の成膜には、金属タンタルターゲットを用い、成膜ガスとしてアルゴンガスを５０ｓｃｃｍ、窒素ガス１０ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．６Ｐａとし、成膜電力を１ｋＷとし、基板温度を室温（Ｒ．Ｔ．）とし、ターゲットと基板との間隔を６０ｍｍとした。
次に、熱処理を行った。なお、サンプル１Ｄ乃至サンプル４Ｄは、当該熱処理の温度が異なる。具体的には、サンプル１Ｄでは、熱処理を行わなかった。また、サンプル２Ｄでは、窒素雰囲気にて３００℃の温度で１時間の熱処理を行った。また、サンプル３Ｄでは、窒素雰囲気にて３５０℃の温度で１時間の熱処理を行った。また、サンプル４Ｄでは、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の熱処理を行った。
以上より、サンプル１Ｄ乃至サンプル４Ｄを作製した。
次に、サンプル１Ｅ乃至サンプル４Ｅの作製方法について説明する。
シリコンを含む基板の表面を、塩化水素（ＨＣｌ）雰囲気で熱処理し、当該基板上に１００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。次に、当該酸化シリコン膜上に、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコン膜を３００ｎｍの膜厚で成膜した。当該酸化窒化シリコン膜の成膜には、成膜ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガス２．３ｓｃｃｍ、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガス８００ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を４０Ｐａとし、成膜電力を５０Ｗ（２７．１２ＭＨｚ）とし、基板温度を４００℃とし、電極間距離を１５ｍｍとした。
次に、イオン注入法を用いて、上記酸化窒化シリコン膜に酸素イオン（１６Ｏ＋）を注入した。酸素イオン注入の条件は、加速電圧６０ｋｅＶ、ドーズ量２．０×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２、チルト角０°、ツイスト角０°とした。
次に、上記酸化窒化シリコン膜上に、スパッタリング法により、金属酸化膜を２０ｎｍの膜厚で成膜した。当該金属酸化膜の成膜には、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、成膜ガスとして酸素（１８Ｏ２）ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａとし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を２００℃とし、ターゲットと基板との間隔を６０ｍｍとした。これにより、１８Ｏを含む金属酸化膜を成膜することができる。
次に、第１の熱処理を行った。第１の熱処理は、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時間の処理を行った。
次に、上記金属酸化膜上に、スパッタリング法により、窒化タンタル膜を５０ｎｍの膜厚で成膜した。当該窒化タンタル膜の成膜には、金属タンタルターゲットを用い、成膜ガスとしてアルゴンガスを５０ｓｃｃｍ、窒素ガス１０ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．６Ｐａとし、成膜電力を１ｋＷとし、基板温度を室温（Ｒ．Ｔ．）とし、ターゲットと基板との間隔を６０ｍｍとした。
次に、第２の熱処理を行った。なお、サンプル１Ｅ乃至サンプル４Ｅは、第２の熱処理の温度が異なる。具体的には、サンプル１Ｅでは、第２の熱処理を行わなかった。また、サンプル２Ｅでは、窒素雰囲気にて３００℃の温度で１時間の熱処理を行った。また、サンプル３Ｅでは、窒素雰囲気にて３５０℃の温度で１時間の熱処理を行った。また、サンプル４Ｅでは、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の熱処理を行った。
以上より、サンプル１Ｅ乃至サンプル４Ｅを作製した。
サンプル１Ｄ乃至サンプル４Ｄに対して、ＳＩＭＳ分析装置を用いて、窒化タンタル中の水素（Ｈ）濃度および重水素（Ｄ）濃度を評価した。なお、ＳＩＭＳ分析はサンプルの表面側より行っている。また、サンプル１Ｅ乃至サンプル４Ｅに対して、ＳＩＭＳ分析装置を用いて、窒化タンタル中の酸素（１８Ｏ）濃度を評価した。なお、ＳＩＭＳ分析はサンプルの表面側より行っている。
ＳＩＭＳ分析により得られた、各サンプルの窒化タンタル中の、重水素（Ｄ）濃度および水素（Ｈ）濃度と重水素（Ｄ）濃度とを足し合わせた濃度を、それぞれ図２４Ａ、および図２４Ｂに示す。
図２４Ａは、サンプル１Ｄ乃至サンプル４Ｄの窒化タンタル膜中の重水素（Ｄ）濃度である。図２４Ａでは、横軸は、サンプルの膜面に対して垂直な方向の深さ［ｎｍ］であり、縦軸は、窒化タンタル中の重水素（Ｄ）濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］である。また、図２４Ａに示す長破線は、サンプル１Ｄの窒化タンタル膜中の重水素（Ｄ）濃度のプロファイルであり、図２４Ａに示す点線は、サンプル２Ｄの窒化タンタル膜中の重水素（Ｄ）濃度のプロファイルであり、図２４Ａに示す破線は、サンプル３Ｄの窒化タンタル膜中の重水素（Ｄ）濃度のプロファイルであり、図２４Ａに示す実線は、サンプル４Ｄの窒化タンタル膜中の重水素（Ｄ）濃度のプロファイルである。
図２４Ａより、金属酸化膜から窒化タンタル膜への重水素（Ｄ）の拡散（長）は、サンプル４Ｄで最も大きく、次にサンプル３Ｄが大きく、次にサンプル２Ｄが大きかった。特に、サンプル４Ｄでは、金属酸化膜中の重水素（Ｄ）が、窒化タンタル膜中に数十ｎｍ程度拡散していた。よって、熱処理の温度を高くするに従って、重水素（Ｄ）が窒化タンタル膜中へより拡散する様子が確認できた。つまり、金属酸化物中の水素は窒化タンタル中へ拡散しやすいといえる。
図２４Ｂは、サンプル１Ｄ乃至サンプル４Ｄの窒化タンタル膜中の水素（Ｈ）濃度と重水素（Ｄ）濃度とを足し合わせた濃度である。図２４Ｂでは、横軸は、サンプルの膜面に対して垂直な方向の深さ［ｎｍ］であり、縦軸は、窒化タンタル中の水素（Ｈ）濃度と重水素（Ｄ）濃度とを足し合わせた濃度（Ｈ＋Ｄ濃度）［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］である。また、図２４Ｂに示す長破線は、サンプル１Ｄの窒化タンタル膜中の水素（Ｈ）濃度と重水素（Ｄ）濃度とを足し合わせた濃度のプロファイルであり、図２４Ｂに示す点線は、サンプル２Ｄの窒化タンタル膜中の水素（Ｈ）濃度と重水素（Ｄ）濃度とを足し合わせた濃度のプロファイルであり、図２４Ｂに示す破線は、サンプル３Ｄの窒化タンタル膜中の水素（Ｈ）濃度と重水素（Ｄ）濃度とを足し合わせた濃度のプロファイルであり、図２４Ｂに示す実線は、サンプル４Ｄの窒化タンタル膜中の水素（Ｈ）濃度と重水素（Ｄ）濃度とを足し合わせた濃度のプロファイルである。
図２４Ｂより、熱処理を行うことで、窒化タンタル膜は、水素濃度が２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の領域を有することが分かる。
次に、ＳＩＭＳ分析により得られた、各サンプルの窒化タンタル中の酸素（１８Ｏ）濃度を図２５に示す。
図２５は、サンプル１Ｅ乃至サンプル４Ｅの窒化タンタル膜中の酸素（１８Ｏ）濃度である。図２５では、横軸は、サンプルの膜面に対して垂直な方向の深さ［ｎｍ］であり、縦軸は、窒化タンタル中の酸素（１８Ｏ）濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］である。また、図２５に示す長破線は、サンプル１Ｅの窒化タンタル膜中の酸素（１８Ｏ）濃度のプロファイルであり、図２５に示す点線は、サンプル２Ｅの窒化タンタル膜中の酸素（１８Ｏ）濃度のプロファイルであり、図２５に示す破線は、サンプル３Ｅの窒化タンタル膜中の酸素（１８Ｏ）濃度のプロファイルであり、図２５に示す実線は、サンプル４Ｅの窒化タンタル膜中の酸素（１８Ｏ）濃度のプロファイルである。図２５に一点破線で囲む領域（深さ）では、１８Ｏの検出量が飽和している。
図２５より、サンプル１Ｅと比較して、サンプル４Ｅでは、第２の熱処理によって金属酸化膜中の酸素（１８Ｏ）が、窒化タンタル膜中に数ｎｍ程度拡散していた。また、サンプル１Ｅと比較して、サンプル２Ｅおよびサンプル３Ｅでは、第２の熱処理を行っても金属酸化膜中の酸素（１８Ｏ）は、窒化タンタル膜中にあまり拡散しておらず、サンプル１Ｅ乃至サンプル３Ｅの窒化タンタル膜中の酸素（１８Ｏ）濃度のプロファイルは略一致していた。
以上より、金属酸化物と窒化タンタルとの積層構造に対して熱処理が行われる場合、低い温度（例えば、３５０℃以下）では、金属酸化物中の水素は窒化タンタル中へ拡散していき、金属酸化物中の酸素は窒化タンタルへ拡散しにくく、窒化タンタルの酸化、または金属酸化物と窒化タンタルとの間の層の形成は進行しにくいといえる。また、高い温度（例えば、４００℃以上）では、金属酸化物中の水素が先に窒化タンタル中へ拡散していき、遅れて、金属酸化物中の酸素が窒化タンタルへ拡散していき、窒化タンタルの酸化、または金属酸化物と窒化タンタルとの間の層の形成が進行していくと推定される。
本実施例に示す構成、方法などは、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および実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
：２０：絶縁体、２０ａ：絶縁体、２０ｂ：絶縁体、３０：酸化物、４０：導電体、４０ａ：導電体、４０ｂ：導電体、４２：導電体、４２ａ：導電体、４２ｂ：導電体、６０：導電体、１００：容量素子、１０１：領域、１０２：領域、１１０：導電体、１１２：導電体、１１４：絶縁体、１２０：導電体、１３０：絶縁体、１４０：絶縁体、１５０：絶縁体、１５２：導電体、１５３：導電体、１５４：絶縁体、１５６：絶縁体、１６０：絶縁体、２００：トランジスタ、２０５：導電体、２０８：絶縁体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１８：導電体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０Ａ：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｃ：酸化物、２３０Ｃ：酸化膜、２３１：領域、２３１ａ：領域、２３１ｂ：領域、２３４：領域、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、２４２ａ１：導電体、２４２ａ２：導電体、２４２Ａ：導電膜、２４２ｂ：導電体、２４２ｂ１：導電体、２４２ｂ２：導電体、２４２Ｂ：導電層、２５０：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２５４：絶縁体、２５４Ａ：絶縁膜、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０Ａ：導電膜、２６０ｂ：導電体、２６０Ｂ：導電膜、２７４：絶縁体、２７５：絶縁体、２８０：絶縁体、２８２：絶縁体、２８３：絶縁体、２８４：絶縁体、３００：トランジスタ、３１１：基板、３１２：絶縁体、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、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

Claims (12)

  1. トランジスタと、前記トランジスタを取り囲むように配置された絶縁体と、を有し、
    前記絶縁体は、水素に対してバリア性を有し、
    前記トランジスタは、酸化物と、導電体と、を有し、
    前記導電体は、窒素と、金属と、を有し、
    前記導電体は、水素を抜き取る、物性を有し、
    前記導電体は、水素濃度が２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域を有し、
    前記領域に含まれる水素原子の少なくとも一部は、窒素原子と結合している、
    半導体装置。
  2. トランジスタと、前記トランジスタを取り囲むように配置された絶縁体と、を有し、
    前記絶縁体は、水素に対してバリア性を有し、
    前記トランジスタは、酸化物と、導電体と、を有し、
    前記酸化物は、チャネル形成領域を有し、
    前記導電体は、窒素と、金属と、を有し、
    前記導電体は、水素を抜き取る、物性を有し、
    前記導電体は、前記チャネル形成領域よりも水素濃度が高い領域を有し、
    前記領域に含まれる水素原子の少なくとも一部は、窒素原子と結合している、
    半導体装置。
  3. トランジスタと、導電体と、前記トランジスタおよび前記導電体を取り囲むように配置された絶縁体と、を有し、
    前記絶縁体は、水素に対してバリア性を有し、
    前記トランジスタは、酸化物を有し、
    前記導電体は、窒素と、金属と、を有し、
    前記導電体は、水素を抜き取る、物性を有し、
    前記導電体は、水素濃度が２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域を有し、
    前記領域に含まれる水素原子の少なくとも一部は、窒素原子と結合している、
    半導体装置。
  4. 複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタを取り囲むように配置された絶縁体と、を有し、
    前記絶縁体は、水素に対してバリア性を有し、
    前記トランジスタは、酸化物と、導電体と、を有し、
    前記導電体は、窒素と、金属と、を有し、
    前記導電体は、水素を抜き取る、物性を有し、
    前記導電体は、水素濃度が２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域を有し、
    前記領域に含まれる水素原子の少なくとも一部は、窒素原子と結合している、
    半導体装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
    前記絶縁体を形成した後に、３５０℃以上７００℃以下にて加熱処理を行い、
    前記酸化物中の水素を前記絶縁体に吸い取らせる、
    半導体装置。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
    前記金属は、タンタルである、
    半導体装置。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
    前記絶縁体は、窒素と、シリコンと、を有する、
    半導体装置。
  8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一において、
    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、または錫）と、亜鉛と、を有する、
    半導体装置。
  9. 第１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、第２の導電体、および第３の導電体と、
    前記第２の酸化物上の、第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体上の、第４の導電体と、
    前記第４の導電体上の、第３の絶縁体と、を有し、
    前記第１の絶縁体および前記第３の絶縁体のそれぞれは、水素に対してバリア性を有し、
    前記第３の絶縁体は、前記第１の絶縁体と接する第１の領域を有し、
    前記第２の導電体および前記第３の導電体のそれぞれは、窒素と、金属と、を有し、
    前記第２の導電体および前記第３の導電体のそれぞれは、水素を抜き取る、物性を有し、
    前記第２の導電体および前記第３の導電体のそれぞれは、水素濃度が２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である第２の領域を有し、
    前記第２の領域に含まれる水素原子の少なくとも一部は、窒素原子と結合している、
    半導体装置。
  10. 請求項９において、
    前記金属は、タンタルである、
    半導体装置。
  11. 請求項９または請求項１０において、
    前記第１の絶縁体および前記第３の絶縁体のそれぞれは、窒素と、シリコンと、を有する、
    半導体装置。
  12. 請求項９乃至請求項１１のいずれか一において、
    前記第１の酸化物は、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、または錫）と、亜鉛と、を有する、
    半導体装置。
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