TW201832364A - 半導體裝置 - Google Patents
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Abstract
提供一種高性能的半導體裝置。提供一種半導體裝置，包括：電晶體；電晶體上的絕緣膜；電極；以及絕緣膜上的金屬氧化物，其中電晶體包括：第一閘極電極；第一閘極電極上的第一閘極絕緣膜；第一閘極絕緣膜上的氧化物；與氧化物電連接的源極電極及汲極電極；氧化物上的第二閘極絕緣膜；第二閘極絕緣膜上的第二閘極電極，電極具有與絕緣膜接觸的區域，第一閘極絕緣膜與絕緣膜接觸，第二閘極電極上的絕緣膜的厚度、源極電極上的絕緣膜的厚度以及汲極電極上的絕緣膜的厚度都大致相等，並且絕緣膜包含過量氧。
Description
本發明的一個實施方式係關於一種半導體裝置及半導體裝置的驅動方法。此外，本發明的一個實施方式係關於一種電子裝置。
注意，在本說明書等中，半導體裝置是指能夠藉由利用半導體特性而工作的所有裝置。顯示裝置(液晶顯示裝置、發光顯示裝置等)、投影裝置、照明設備、電光裝置、蓄電裝置、記憶體裝置、半導體電路、攝像裝置及電子裝置等有時包括半導體裝置。
注意，本發明的一個實施方式不侷限於上述技術領域。本說明書等所公開的發明的一個實施方式係關於一種物體、方法或製造方法。另外，本發明的一個實施方式係關於一種製程(process)、機器(machine)、產品(manufacture)或者組合物(composition of matter)。
使用半導體薄膜構成電晶體的技術受到注目。該電晶體被廣泛地應用於積體電路(IC)、影像顯示裝置(簡單地記載為顯示裝置)等的電子裝置。作為可以應用於電晶體的半導體薄膜，矽類半導體材料被廣泛地周知。作為其他材料，氧化物半導體受到關注。
例如，公開了作為氧化物半導體使用以氧化鋅或In-Ga-Zn類氧化物為活性層的電晶體來製造顯示裝置的技術(參照專利文獻1及專利文獻2)。
近年來，公開了使用包含氧化物半導體的電晶體來製造記憶體裝置的積體電路的技術(參照專利文獻3)。此外，除了記憶體裝置之外，運算裝置等也使用包含氧化物半導體的電晶體製造。
[專利文獻1]日本專利申請公開第2007-123861號公報
[專利文獻2]日本專利申請公開第2007-96055號公報
[專利文獻3]日本專利申請公開第2011-119674號公報
本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種具有良好的電特性的半導體裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種能夠實現微型化或高積體化的半導體裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種生產率高的半導體裝置。
本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種能夠長期間保持資料的半導體裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種資料寫入速度快的半導體裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種設計彈性高的半導體裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種能夠抑制功耗的半導體裝置。另外，本發明的一個實施方式的目的之一是提供一種新穎的半導體裝置。
注意，這些目的的記載不妨礙其他目的的存在。注意，本發明的一個實施方式並不需要實現所有上述目的。上述目的以外的目的可以顯而易見地從說明書、圖式、申請專利範圍等的描述中看出，並且可以從該描述中抽取上述目的以外的目的。
有時半導體裝置包括在相同基板上高密度地配置有多個元件的電路，隔著覆蓋該元件的絕緣膜在該電路的上方還配置有元件的疊層。該元件包括電晶體、電容器、二極體及電阻元件等。例如，有時在矽基板上配置有將該矽基板的一部分為通道形成區域的電晶體，隔著該電晶體上的絕緣膜，在其上方配置有將氧化物為通道形成區域的電晶體，並且在該電晶體的上方隔著絕緣膜配置有佈線層及電容器等。這樣，藉由隔著絕緣膜配置多個元件的疊層，在半導體裝置中可以以每基板面積的密度高的方式配置這些元件。
為了上述多個元件起作用，要配置使上下元件之間彼此電連接的電極。該電極的個數根據半導體裝置所包括的元件的密度，諸如根據所配置的電晶體的個數變化。
將氧化物為通道形成區域的電晶體根據通道形成區域附近的絕緣體與電極的接觸面積以及該電晶體的密度，有時影響到電特性的偏置。上述所配置的電晶體的密度(電晶體密度)是指：在每單位面積中所包括的電晶體的個數。例如，電晶體密度可以定義為每個1μm2中所包括的電晶體的個數，並且可以表示為個/μm2或個．μm-2。
根據本發明的一個實施方式，藉由調節電極與通道形成區域附近的絕緣體的接觸面積以及電晶體密度，可以實現電晶體特性的偏差小的半導體裝置。
本發明的一個實施方式是一種半導體裝置，包括：電晶體；電晶體上的絕緣膜；電極；以及絕緣膜上的金屬氧化物，其中，電晶體包括：第一閘極電極；第一閘極電極上的第一閘極絕緣膜；第一閘極絕緣膜上的氧化物；與氧化物電連接的源極電極及汲極電極；氧化物上的第二閘極絕緣膜；第二閘極絕緣膜上的第二閘極電極，電極具有與絕緣膜接觸的區域，第一閘極絕緣膜與絕緣膜接觸，第二閘極電極上的絕緣膜的厚度、源極電極上的絕緣膜的厚度以及汲極電極上的絕緣膜的厚度都大致相等，並且絕緣膜包含過量氧。
另外，在上述半導體裝置中，金屬氧化物具有抑制氧透過的功能。
另外，在上述半導體裝置中，金屬氧化物包含鋁及氧。
另外，在上述半導體裝置中，氧化物包含In、元素M(M是Al、Ga、Y或Sn)以及Zn。
本發明的一個實施方式是一種半導體裝置，包括電路，其中該電路包括多個電晶體及多個電極，並且電晶體的密度是1個/μm2以上且2500個/μm2以下。
另外，在上述半導體裝置的電路中，每個電極的與絕緣膜的接觸面積較佳為0.035μm2以下。
另外，在上述半導體裝置中，絕緣膜的厚度較佳為40nm以上。
本發明的一個實施方式是一種半導體晶圓，包括：多個上述半導體裝置；以及在切割(dicing)製程中利用的區域。
本發明的一個實施方式是一種半導體裝置的製造方法，包括如下步驟：形成第一絕緣體；在第一絕緣體上形成包括源極電極、汲極電極以及 氧化物中的通道形成區域的電晶體；在電晶體上形成第二絕緣體；藉由在第二絕緣體上形成第三絕緣體，對第二絕緣體中添加氧；藉由熱處理，使氧透過第二絕緣體移動到氧化物中；以及形成穿過第二絕緣體及第三絕緣體到達源極電極的電極。
另外，在上述半導體裝置的製造方法中，第三絕緣體藉由濺射法形成，並且上述第三絕緣體包含鋁及氧。
根據本發明的一個實施方式，可以提供一種具有良好的電特性的半導體裝置。根據本發明的一個實施方式，可以提供一種能夠實現微型化或高積體化的半導體裝置。根據本發明的一個實施方式，可以提供一種生產率高的半導體裝置。
另外，根據本發明的一個實施方式，可以提供一種能夠長期間保持資料的半導體裝置。另外，根據本發明的一個實施方式，可以提供一種資料寫入速度快的半導體裝置。另外，根據本發明的一個實施方式，可以提供一種設計彈性高的半導體裝置。另外，根據本發明的一個實施方式，可以提供一種能夠抑制功耗的半導體裝置。另外，根據本發明的一個實施方式，可以提供一種新穎的半導體裝置。
注意，這些效果的記載不妨礙其他效果的存在。注意，本發明的一個實施方式並不需要實現所有上述效果。上述效果以外的效果可以顯而易見 地從說明書、圖式、申請專利範圍等的描述中看出，並且可以從該描述中抽取上述效果以外的效果。
I1‧‧‧絕緣體
I2‧‧‧絕緣體
S1‧‧‧氧化物
S2‧‧‧氧化物
S3‧‧‧氧化物
100‧‧‧電容器
101‧‧‧電容器
110‧‧‧導電體
112‧‧‧導電體
120‧‧‧導電體
130‧‧‧絕緣體
150‧‧‧絕緣體
156‧‧‧導電體
160‧‧‧絕緣體
166‧‧‧導電體
200‧‧‧電晶體
201‧‧‧電晶體
210‧‧‧絕緣體
212‧‧‧絕緣體
214‧‧‧絕緣體
216‧‧‧絕緣體
218‧‧‧導電體
300‧‧‧電晶體
301‧‧‧絕緣體
302‧‧‧絕緣體
303‧‧‧絕緣體
310‧‧‧導電體
310a‧‧‧導電體
310b‧‧‧導電體
311‧‧‧基板
313‧‧‧半導體區域
314a‧‧‧低電阻區域
314b‧‧‧低電阻區域
315‧‧‧絕緣體
316‧‧‧導電體
320‧‧‧絕緣體
322‧‧‧絕緣體
324‧‧‧絕緣體
326‧‧‧絕緣體
328‧‧‧導電體
330‧‧‧導電體
340‧‧‧電晶體
345‧‧‧電晶體
350‧‧‧絕緣體
352‧‧‧絕緣體
354‧‧‧絕緣體
356‧‧‧導電體
360‧‧‧絕緣體
362‧‧‧絕緣體
364‧‧‧絕緣體
366‧‧‧導電體
370‧‧‧絕緣體
372‧‧‧絕緣體
374‧‧‧絕緣體
376‧‧‧導電體
380‧‧‧絕緣體
382‧‧‧絕緣體
384‧‧‧絕緣體
386‧‧‧導電體
400‧‧‧基板
401a‧‧‧氧化物
401b‧‧‧氧化物
402‧‧‧絕緣體
404‧‧‧導電體
404a‧‧‧導電體
404b‧‧‧導電體
405‧‧‧導電體
405a‧‧‧導電體
405b‧‧‧導電體
406a‧‧‧氧化物
406a1‧‧‧氧化物
406b‧‧‧氧化物
406b1‧‧‧氧化物
406c‧‧‧氧化物
406c1‧‧‧氧化物
408a‧‧‧氧化物
408b‧‧‧氧化物
410‧‧‧絕緣體
411‧‧‧導電體
411a‧‧‧導電體
411a1‧‧‧導電體
411a2‧‧‧導電體
412‧‧‧絕緣體
412a‧‧‧絕緣體
415‧‧‧絕緣體
416‧‧‧導電體
416a‧‧‧導電體
416a1‧‧‧導電體
416a2‧‧‧導電體
417‧‧‧障壁膜
417a‧‧‧障壁膜
417a1‧‧‧障壁膜
417a2‧‧‧障壁膜
418‧‧‧氧化物
420‧‧‧氧化物
421‧‧‧光阻劑
422‧‧‧氧化物
430c‧‧‧氧化物
431a‧‧‧氧化物
431b‧‧‧氧化物
432a‧‧‧氧化物
432b‧‧‧氧化物
440‧‧‧導電體
440a‧‧‧導電體
440b‧‧‧導電體
445‧‧‧障壁層
445a‧‧‧障壁層
445b‧‧‧障壁層
450‧‧‧電極
451‧‧‧電極
452‧‧‧電極
455‧‧‧絕緣體
460‧‧‧導電體
460a‧‧‧導電體
460b‧‧‧導電體
470‧‧‧障壁層
500‧‧‧結構
711‧‧‧基板
712‧‧‧電路區域
713‧‧‧分離區域
714‧‧‧分離線
715‧‧‧晶片
750‧‧‧電子構件
752‧‧‧印刷電路板
754‧‧‧電路板
755‧‧‧引線
2910‧‧‧資訊終端
2911‧‧‧外殼
2912‧‧‧顯示部
2913‧‧‧照相機
2914‧‧‧揚聲器部
2915‧‧‧操作開關
2916‧‧‧外部連接部
2917‧‧‧麥克風
2920‧‧‧膝上型個人電腦
2921‧‧‧外殼
2922‧‧‧顯示部
2923‧‧‧鍵盤
2924‧‧‧指向裝置
2940‧‧‧攝影機
2941‧‧‧外殼
2942‧‧‧外殼
2943‧‧‧顯示部
2944‧‧‧操作開關
2945‧‧‧鏡頭
2946‧‧‧連接部
2950‧‧‧資訊終端
2951‧‧‧外殼
2952‧‧‧顯示部
2960‧‧‧資訊終端
2961‧‧‧外殼
2962‧‧‧顯示部
2963‧‧‧腕帶
2964‧‧‧錶扣
2965‧‧‧操作開關
2966‧‧‧輸入輸出端子
2967‧‧‧圖示
2980‧‧‧汽車
2981‧‧‧車體
2982‧‧‧車輪
2983‧‧‧儀表板
2984‧‧‧燈
3001‧‧‧佈線
3002‧‧‧佈線
3003‧‧‧佈線
3004‧‧‧佈線
3005‧‧‧佈線
3006‧‧‧佈線
3007‧‧‧佈線
3008‧‧‧佈線
3009‧‧‧佈線
3010‧‧‧佈線
在圖式中：圖1A至圖1C是根據本發明的一個實施方式的電晶體的俯視圖及說明剖面結構的圖；圖2A至圖2C是根據本發明的一個實施方式的電晶體的俯視圖及說明剖面結構的圖；圖3是說明根據本發明的一個實施方式的電極的形狀的透視圖；圖4A是示出Vsh的對於電晶體密度的依賴性的圖表，圖4B是示出Vsh的對於電極與絕緣體的接觸面積的依賴性的圖表，並且圖4C是示出△Vsh的對於電極與絕緣體的接觸面積的依賴性的圖表。
圖5A是說明氧釋放量的對於氧氮化矽的膜厚度的依賴性的圖表，圖5B是△Vsh的對於氧氮化矽的膜厚度的依賴性的圖表；圖6A至圖6C是示出根據本發明的一個實施方式的電晶體的製造方法的圖；圖7A至圖7C是示出根據本發明的一個實施方式的電晶體的製造方法的圖；圖8A至圖8C是示出根據本發明的一個實施方式的電晶體的製造方法的圖； 圖9A至圖9C是示出根據本發明的一個實施方式的電晶體的製造方法的圖；圖10A至圖10C是示出根據本發明的一個實施方式的電晶體的製造方法的圖；圖11A至圖11C是示出根據本發明的一個實施方式的電晶體的製造方法的圖；圖12A至圖12C是示出根據本發明的一個實施方式的電晶體的製造方法的圖；圖13A至圖13C是示出根據本發明的一個實施方式的電晶體的製造方法的圖；圖14A至圖14C是示出根據本發明的一個實施方式的電晶體的製造方法的圖；圖15A至圖15C是示出根據本發明的一個實施方式的電晶體的製造方法的圖；圖16是根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的剖面圖；圖17是根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的剖面圖；圖18是根據本發明的一個實施方式的記憶單元陣列的剖面圖；圖19是根據本發明的一個實施方式的記憶體裝置的剖面圖；圖20A及圖20B是根據本發明的一個實施方式的半導體晶圓的俯視圖；圖21A及圖21B是說明電子構件的製程的例子的流程圖及透視示意圖；圖22A至圖22F是示出根據本發明的一個實施方式的電子裝置的圖；圖23A至圖23C是說明根據本發明的氧化物的原子個數比的範圍的圖； 圖24A至圖24C是氧化物的疊層結構的能帶圖；圖25是示出實施例的電晶體特性的圖表；圖26是示出實施例的電晶體特性的圖表；圖27是示出實施例的電晶體特性的圖表；圖28是示出實施例的電晶體特性的圖表；圖29是示出實施例的△Vsh的Vbg依賴性的圖表；圖30是示出實施例的CAAC-OS的利用XRD的分析結果；圖31A及圖31B示出實施例的電晶體特性的圖表。
下面，參照圖式對實施方式進行說明。但是，所屬技術領域的通常知識者可以很容易地理解一個事實，就是實施方式可以以多個不同形式來實施，其方式和詳細內容可以在不脫離本發明的精神及其範圍的條件下被變換為各種各樣的形式。因此，本發明不應該被解釋為僅限定在下面的實施方式所記載的內容中。
在圖式中，為便於清楚地說明，有時誇大表示大小、層的厚度或區域。因此，本發明並不一定限定於上述尺寸。此外，在圖式中，示意性地示出理想的例子，因此本發明不侷限於圖式所示的形狀或數值等。另外，在圖式中，在不同的圖式之間共同使用相同的元件符號來表示相同的部分或具有相同功能的部分，而省略其重複說明。此外，當表示具有相同功能的部 分時有時使用相同的陰影線，而不特別附加元件符號。
此外，在本說明書等中，為了方便起見，附加了第一、第二等序數詞，而其並不表示製程順序或疊層順序。因此，例如可以將“第一”適當地替換為“第二”或“第三”等來進行說明。此外，本說明書等所記載的序數詞與用於指定本發明的一個實施方式的序數詞有時不一致。
在本說明書等中，為方便起見，使用了“上”、“下”等表示配置的詞句，以參照圖式說明組件的位置關係。另外，組件的位置關係根據描述各組件的方向適當地改變。因此，不侷限於本說明書中所說明的詞句，可以根據情況適當地更換。
此外，在本說明書等中，半導體裝置是指能夠藉由利用半導體特性而工作的所有裝置。除了電晶體等半導體元件之外，半導體電路、運算裝置或記憶體裝置也是半導體裝置的一個實施方式。攝像裝置、顯示裝置、液晶顯示裝置、發光裝置、電光裝置、發電裝置(包括薄膜太陽能電池、有機薄膜太陽能電池等)及電子裝置有時包括半導體裝置。
在本說明書等中，電晶體是指至少包括閘極、汲極以及源極這三個端子的元件。電晶體在汲極(汲極端子、汲極區域或汲極電極)與源極(源極端子、源極區域或源極電極)之間具有通道形成區域，並且電流能夠藉由通道形成區域流過源極和汲極之間。注意，在本說明書等中，通道形成 區域是指電流主要流過的區域。
另外，在使用極性不同的電晶體的情況或電路工作中的電流方向變化的情況等下，源極及汲極的功能有時相互調換。因此，在本說明書等中，源極和汲極可以相互調換。
另外，在本說明書等中，“氧氮化矽膜”是指在其組成中氧含量多於氮含量的膜，較佳為具有如下濃度範圍的膜：氧濃度為55原子%以上且65原子%以下，氮濃度為1原子%以上且20原子%以下，矽濃度為25原子%以上且35原子%以下，並且氫濃度為0.1原子%以上且10原子%以下。另外，“氮氧化矽膜”是指在其組成中氮含量多於氧含量的膜，較佳為具有如下濃度範圍的膜：氮濃度為55原子%以上且65原子%以下，氧濃度為1原子%以上且20原子%以下，矽濃度為25原子%以上且35原子%以下，並且氫濃度為0.1原子%以上且10原子%以下。
另外，在本說明書等中，可以將“膜”和“層”相互調換。例如，有時可以將“導電層”變換為“導電膜”。此外，例如，有時可以將“絕緣膜”變換為“絕緣層”。
另外，除非特別敘述，本說明書等所示的電晶體為場效應電晶體。此外，除非特別敘述，本說明書等所示的電晶體為n通道電晶體。
在本說明書等中，“平行”是指兩條直線形成的角度為-10°以上且10°以下的狀態。因此，也包括該角度為-5°以上且5°以下的狀態。“大致平行”是指兩條直線形成的角度為-30°以上且30°以下的狀態。另外，“垂直”是指兩條直線的角度為80°以上且100°以下的狀態。因此，也包括該角度為85°以上且95°以下的狀態。“大致垂直”是指兩條直線形成的角度為60°以上且120°以下的狀態。
另外，在本說明書等中，六方晶系包括三方晶系和菱方晶系。
例如，在本說明書等中，當明確地記載為“X與Y連接”時，在本說明書等中公開了如下情況：X與Y電連接的情況；X與Y在功能上連接的情況；以及X與Y直接連接的情況。因此，不侷限於圖式或文中所示的連接關係等規定的連接關係，圖式或文中所示的連接關係以外的連接關係也包括在圖式或文中的記載範圍中。
在此，X和Y為物件(例如，裝置、元件、電路、佈線、電極、端子、導電膜、層等)。
作為X與Y直接連接的情況的一個例子，可以舉出在X與Y之間沒有連接能夠電連接X與Y的元件(例如開關、電晶體、電容器、電感器、電阻元件、二極體、顯示元件、發光元件和負載等)，並且X與Y沒有藉由能夠電連接X與Y的元件(例如開關、電晶體、電容器、電感器、電阻元件、二極 體、顯示元件、發光元件和負載等)連接的情況。
在X和Y電連接的情況下，可以在X和Y之間連接一個以上的能夠電連接X和Y的元件(例如開關、電晶體、電容器、電感器、電阻元件、二極體、顯示元件、發光元件、負載等)。此外，開關具有控制導通或關閉的功能。換言之，開關具有其成為導通狀態(開啟狀態)或非導通狀態(關閉狀態)而控制是否使電流流過的功能。或者，開關具有選擇並切換電流路徑的功能。另外，X和Y電連接的情況包括X與Y直接連接的情況。
在X和Y在功能上連接的情況下，可以在X和Y之間連接一個以上的能夠在功能上連接X和Y的電路(例如，邏輯電路(反相器、NAND電路、NOR電路等)、信號轉換電路(DA轉換電路、AD轉換電路、γ(伽瑪)校正電路等)、電位位準轉換電路(電源電路(升壓電路、降壓電路等)、改變信號的電位位準的位準轉換器電路等)、電壓源、電流源、切換電路、放大電路(能夠增大信號振幅或電流量等的電路、運算放大器、差動放大電路、源極隨耦電路、緩衝器電路等)、信號產生電路、記憶體電路、控制電路等)。注意，例如，即使在X與Y之間夾有其他電路，當從X輸出的信號傳送到Y時，就可以說X與Y在功能上是連接著的。另外，X與Y在功能上連接的情況包括X與Y直接連接的情況及X與Y電連接的情況。
此外，當明確地記載為“X與Y電連接”時，在本說明書等中公開了如下情況：X與Y電連接的情況(換言之，以中間夾有其他元件或其他電路的 方式連接X與Y的情況)；X與Y在功能上連接的情況(換言之，以中間夾有其他電路的方式在功能上連接X與Y的情況)；以及X與Y直接連接的情況(換言之，以中間不夾有其他元件或其他電路的方式連接X與Y的情況)。換言之，當明確記載為“電連接”時，在本說明書等中公開了與只明確記載為“連接”的情況相同的內容。
注意，例如，在電晶體的源極(或第一端子等)透過Z1(或沒有藉由Z1)與X電連接，電晶體的汲極(或第二端子等)藉由Z2(或沒有藉由Z2)與Y電連接的情況下以及在電晶體的源極(或第一端子等)與Z1的一部分直接連接，Z1的另一部分與X直接連接，電晶體的汲極(或第二端子等)與Z2的一部分直接連接，Z2的另一部分與Y直接連接的情況下，可以表示為如下。
例如，可以表示為“X、Y、電晶體的源極(或第一端子等)及電晶體的汲極(或第二端子等)互相電連接，並按X、電晶體的源極(或第一端子等)、電晶體的汲極(或第二端子等)及Y的順序電連接”。或者，可以表示為“電晶體的源極(或第一端子等)與X電連接，電晶體的汲極(或第二端子等)與Y電連接，X、電晶體的源極(或第一端子等)、電晶體的汲極(或第二端子等)與Y依次電連接”。或者，可以表示為“X藉由電晶體的源極(或第一端子等)及汲極(或第二端子等)與Y電連接，X、電晶體的源極(或第一端子等)、電晶體的汲極(或第二端子等)、Y依次設置為相互連接”。藉由使用與這種例子相同的表達方法規定電路結構中的連接順 序，可以區別電晶體的源極(或第一端子等)與汲極(或第二端子等)而決定技術範圍。
另外，作為其他表達方法，例如可以表示為“電晶體的源極(或第一端子等)至少藉由第一連接路徑與X電連接，上述第一連接路徑不具有第二連接路徑，上述第二連接路徑是藉由電晶體的電晶體的源極(或第一端子等)與電晶體的汲極(或第二端子等)之間的路徑，上述第一連接路徑是藉由Z1的路徑，電晶體的汲極(或第二端子等)至少藉由第三連接路徑與Y電連接，上述第三連接路徑不具有上述第二連接路徑，上述第三連接路徑是藉由Z2的路徑”。或者，也可以表示為“電晶體的源極(或第一端子等)至少在第一連接路徑上藉由Z1與X電連接，上述第一連接路徑不具有第二連接路徑，上述第二連接路徑具有藉由電晶體的連接路徑，電晶體的汲極(或第二端子等)至少在第三連接路徑上藉由Z2與Y電連接，上述第三連接路徑不具有上述第二連接路徑”。或者，也可以表示為“電晶體的源極(或第一端子等)至少經過第一電路徑，藉由Z1與X電連接，上述第一電路徑不具有第二電路徑，上述第二電路徑是從電晶體的源極(或第一端子等)到電晶體的汲極(或第二端子等)的電路徑，電晶體的汲極(或第二端子等)至少經過第三電路徑，藉由Z2與Y電連接，上述第三電路徑不具有第四電路徑，上述第四電路徑是從電晶體的汲極(或第二端子等)到電晶體的源極(或第一端子等)的電路徑”。藉由使用與這些例子同樣的表達方法規定電路結構中的連接路徑，可以區別電晶體的源極(或第一端子等)和汲極(或第二端子等)來確定技術範圍。
注意，這種表達方法是一個例子，不侷限於上述表達方法。在此，X、Y、Z1及Z2為物件(例如，裝置、元件、電路、佈線、電極、端子、導電膜及層等)。
另外，即使在電路圖上獨立的組件彼此電連接，也有時一個組件兼有多個組件的功能。例如，在佈線的一部分用作電極時，一個導電膜兼有佈線和電極的兩個組件的功能。因此，本說明書中的“電連接”的範疇內還包括這種一個導電膜兼有多個組件的功能的情況。
注意，在本說明書中，障壁膜是指具有抑制氫等雜質及氧的透過的功能的膜，在該障壁膜具有導電性的情況下，有時被稱為導電障壁膜。
在本說明書等中，金屬氧化物(metal oxide)是指廣義上的金屬的氧化物。金屬氧化物被分類為氧化物絕緣體、氧化物導電體(包括透明氧化物導電體)和氧化物半導體(Oxide Semiconductor，也可以簡稱為OS)等。例如，在將金屬氧化物用於電晶體的活性層的情況下，有時將該金屬氧化物稱為氧化物半導體。換言之，可以將OS FET(Field Effect Transistor)稱為包含氧化物或氧化物半導體的電晶體。
實施方式1
以下說明根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的結構。
〈半導體裝置的結構實例1〉
圖1A是半導體裝置的俯視圖。另外，圖1B是沿圖1A中的點劃線A1-A2所示的部分的剖面圖。此外，圖1C是沿著圖1A中的點劃線A3-A4所示的部分的剖面圖。
在圖1B中，沿著A1-A2的剖面圖是半導體裝置所包括的電晶體的通道長度方向上的剖面圖，在圖1C中，沿著A3-A4的剖面圖是半導體裝置所包括的電晶體的通道寬度方向上的剖面圖。在圖1A的俯視圖中，為了明確起見，省略一部分的組件。
在圖1B及圖1C中，半導體裝置所包括的電晶體設置在基板400上的氧化物401a及氧化物401a上的氧化物401b上。此外，電晶體包括：氧化物401b上的導電體310a、導電體310b及絕緣體301；導電體310a、導電體310b及絕緣體301上的絕緣體302；絕緣體302上的絕緣體303；絕緣體303上的絕緣體402；絕緣體402上的氧化物406a；氧化物406a上的氧化物406b；具有與氧化物406b的頂面接觸的區域的導電體416a1及導電體416a2；導電體416a1上的障壁膜417a1；導電體416a2上的障壁膜417a2；具有與導電體416a1的側面、導電體416a2的側面、障壁膜417a1的頂面、障壁膜417a2的頂面及氧化物406b的頂面接觸的區域的氧化物406c；氧化物406c上的絕緣體412；以及具有與氧化物406b的頂面隔著氧化物406c及絕緣體412彼此重疊的區域的導電體 404。此外，絕緣體301包括開口，在開口中配置有導電體310a及導電體310b。
在電晶體上配置有：氧化物418；氧化物418上的絕緣體415；絕緣體415上的氧化物420；氧化物420上的氧化物422；以及氧化物422上的絕緣體410。
再者，配置有：透過障壁膜417a1、絕緣體415、氧化物420、氧化物422以及絕緣體410到達導電體416a1的電極450；以及藉由障壁膜417a2、絕緣體415、氧化物420、氧化物422以及絕緣體410到達導電體416a2的電極451。
在圖1B所示的通道長度方向的剖面圖中，氧化物418的端部、絕緣體412的端部及氧化物406c的端部對齊，上述端部位於障壁膜417a1及障壁膜417a2上。與導電體404重疊的氧化物418上的絕緣體415的厚度、障壁膜417a1上的絕緣體415的厚度以及障壁膜417a2上的絕緣體415的厚度都大致相等。另外，絕緣體415具有與絕緣體402的頂面接觸的區域。
在電晶體中，導電體404具有第一閘極電極的功能。導電體404可以具有導電體404a及導電體404b的疊層結構。例如，藉由將具有抑制氧透過的功能的導電體404a形成在導電體404b之下，可以防止導電體404b的氧化所導致的電阻值的增加。
另外，以覆蓋導電體404a及導電體404b的方式配置有氧化物418。藉由作為氧化物418使用氧化鋁等的具有抑制氧透過的功能的金屬氧化物，可以 抑制氧從外方擴散到導電體404b，並且可以抑制導電體404b的氧化所導致的電阻值的增加。
作為氧化物418較佳為使用利用原子層沉積(ALD：Atomic Layer Deposition)法形成的金屬氧化物，例如較佳為使用氧化鋁。另外，絕緣體412具有第一閘極絕緣體的功能。
導電體416a1及導電體416a2具有源極電極或汲極電極的功能。可以將導電體416a1及導電體416a2成為包括具有抑制氧透過的功能的導電體的疊層結構。例如，藉由作為上層形成具有抑制氧透過的功能的導電體，可以抑制導電體416a1及導電體416a2的氧化所導致的電阻值的增加。另外，可以藉由二端子法等測量導電體的電阻值。
另外，障壁膜417a1及障壁膜417a2具有抑制氫或水等雜質以及氧透過的功能。導電體416a1上的障壁膜417a1防止氧擴散到導電體416a1中。導電體416a2上的障壁膜417a2防止氧擴散到導電體416a2中。
在電晶體中，氧化物406b被用作通道形成區域。換言之，電晶體可以由施加到導電體404的電位控制氧化物406b的電阻。也就是說，可以使用施加到導電體404的電位控制導電體416a1和導電體416a2之間的導通．非導通。
如圖1C所示，在通道寬度方向上氧化物406c以覆蓋氧化物406b整體的 方式配置。再者，具有第一閘極電極的功能的導電體404以隔著具有第一閘極絕緣體的功能的絕緣體412覆蓋氧化物406b整體的方式配置。因此，可以由具有第一閘極電極的功能的導電體404的電場電圍繞氧化物406b整體。將由第一閘極電極的電場電圍繞通道形成區域的電晶體結構稱為“surrounded channel(s-channel)結構”。因為可以在氧化物406b整體中形成通道，所以可以使大電流流過源極和汲極之間，由此可以增大導通時的電流(通態電流)。此外，由於氧化物406b被導電體404的電場圍繞，所以能夠減少非導通時的電流(關態電流)(off-state current)。
另外，當電晶體包括具有第一閘極電極的功能的導電體404重疊於具有源極電極或汲極電極的功能的導電體416a1及導電體416a2的區域時，電晶體具有由導電體404和導電體416a1形成的寄生電容及由導電體404和導電體416a2形成的寄生電容。
藉由使電晶體具有在導電體404與導電體416a1之間除了絕緣體412、氧化物406c之外還包括障壁膜417a1的結構，可以減小上述寄生電容。與此同樣，藉由使電晶體具有在導電體404與導電體416a2之間除了絕緣體412、氧化物406c之外還包括障壁膜417a2的結構，可以減小上述寄生電容。因此，電晶體成為頻率特性良好的電晶體。
另外，藉由使電晶體具有上述結構，當電晶體工作時，例如當在導電體404與導電體416a1或導電體416a2之間產生電位差時，可以減少或防止導 電體404與導電體416a1或導電體416a2之間的洩漏電流。
導電體310設置在形成於絕緣體301的開口中。另外，作為導電體310可以採用導電體310a和導電體310b的疊層結構。以接觸於絕緣體301的開口的內壁的方式形成有導電體310a，其內側形成有導電體310b。在此，導電體310a及導電體310b的頂面的高度可以與絕緣體301的頂面的高度大致相同。導電體310具有第二閘極電極的功能。導電體310也可以為包括具有抑制氧透過的功能的導電體的多層膜。例如，藉由作為導電體310a使用具有抑制氧透過的功能的導電體，可以防止導電體310b的氧化所導致的導電率的降低。
絕緣體302、絕緣體303及絕緣體402具有第二閘極絕緣膜的功能。可以使用施加到導電體310的電位控制電晶體的臨界電壓。
作為氧化物420較佳為使用藉由濺射法形成的金屬氧化物，例如較佳為使用氧化鋁。藉由使用這種氧化物420，可以透過氧化物420與絕緣體415彼此接觸的面對絕緣體415添加氧，使絕緣體415成為氧過剩的狀態。也就是說，絕緣體415可以包含其含量超過化學計量組成的氧。這種氧可以被稱為過量氧。可以將該過量氧藉由熱處理等穿過絕緣體415及與絕緣體415接觸的絕緣體402有效地供應到氧化物406b中的形成通道的區域(被稱為通道形成區域)及氧化物406a。由此，能夠減少氧化物406a及氧化物406b中的氧缺陷。作為絕緣體415及絕緣體402使用比氧化物420或氧化物422更容易地使氧透過的絕緣性材料。例如，可以使用氧化矽或氧氮化矽。
絕緣體415具有與電極450及電極451接觸的區域。有時絕緣體415中的過量氧穿過該區域擴散到電極450及電極451中而使電極450及電極451氧化，過量氧被消耗而減少。因此，要考慮絕緣體415與電極450及電極451接觸的區域的表面積。
另外，電極450及電極451也可以為包括具有抑制氧透過的功能的導電體的多層膜。藉由將電極450及電極451為包括具有抑制氧透過的功能的導電體，有時可以防止電極450及電極451的氧化，因此可以降低過量氧的消耗。
圖3示出取出電極450或電極451中的與絕緣體415接觸的部分的透視圖。電極450為大致長方體，電極450的底面及頂面為其一邊的長度為W的正方形。在絕緣體415的厚度為T時，電極450與絕緣體415的接觸面積為W×T×4。另外，電極451也與上述同樣。
另外，根據電晶體的密度，絕緣體415中的過量氧的消耗量不一樣。就是說，電晶體的密度越增加，對各電晶體所包含的氧化物406b的氧的供應量以及對各電晶體所包含的導電體416a1的側面及導電體416a2的側面與絕緣體415接觸的區域的氧的擴散量越增大。
在本實施方式中，評價電晶體的密度和電晶體的Vsh的關係及電極450 或電極451與絕緣體415的接觸面積和電晶體的Vsh的關係。在以橫軸為閘極電壓Vg[V]且縱軸為汲極電流的平方根Id1/2[A]進行標繪的Id-Vg曲線中，汲極電流的上升的閘極電極被稱為Vsh。本說明書中的Vsh定義為：在以橫軸為閘極電壓Vg[V]且縱軸為汲極電流Id[A]的對數進行標繪的Id-Vg曲線中，曲線上的傾斜度最大的點處的切線與Id=1.0×10-12[A]的直線的交點的閘極電壓。注意，在此，算出汲極電壓Vd=3.3V時的Vsh。
Vsh取決於通道形成區域中的氧缺陷的密度。就是說，通道形成區域中的氧缺陷的密度越高Vsh越小。換言之，Vsh向負方向漂移，成為常開啟特性的電晶體。因此，藉由對包括通道形成區域的氧化物406b中供應氧而減少通道形成區域中的氧缺陷的密度，可以防止Vsh向負方向的漂移，而可以得到具有常關閉特性的電晶體。
在評價中，關於絕緣體415的厚度為10nm、32nm、62nm、100nm的四個樣本，測量各樣本的電晶體密度是1個/μm2、2個/μm2、2.9個/μm2時的電晶體的Vsh。在各樣本及各電晶體密度的測量中，電極450或電極451的底面或頂面的一邊的長度為100nm。
圖4A所示的圖表以縱軸為Vsh且橫軸為電晶體密度示出Vsh的對於電晶體密度的依賴性。如上所述，電極450或電極451與絕緣體415的接觸面積為S=W×T×4進行計算。在絕緣體415的厚度T=10nm的情況下，S=0.004μm2，在T=32nm的情況下，S=0.013μm2，在T=62nm的情況下，S=0.025μm2，在 T=100nm的情況下，S=0.04μm2。
從圖4A可知：各表面積中都觀察到對於電晶體密度的依賴性，電晶體密度越大Vsh越小，亦即有向負方向漂移的傾向。但是，根據接觸面積的尺寸，對於電晶體密度的依賴性的大小變化。亦即，接觸面積是0.004μm2時的對於電晶體密度的依賴性大，接觸面積是0.025μm2時的對於電晶體密度的依賴性則小。
圖4B是使用與上述相同的資料示出Vsh的對於表面積的依賴性的圖表，其中縱軸表示Vsh且橫軸表示接觸面積示出Vsh的對於表面積的依賴性的圖表。從圖4B可知：在接觸面積是0.025μm2附近時，各電晶體的密度之間的Vsh的差異最小。
圖4C是以縱軸為△Vsh且以橫軸為接觸面積示出△Vsh的對於接觸面積的依賴性的圖表，△Vsh是在各接觸面積中電晶體密度是1個/μm2時的Vsh和電晶體密度是2.9個/μm2時的Vsh的差異。
從圖4C可知：在表面積是0.025μm2附近時，△Vsh最小。亦即，在表面積是0.025μm2附近時，對於電晶體密度的依賴性最小。
電極450或電極451與絕緣體415的接觸面積越小越一定會抑制絕緣體415所包含的過量氧的消耗量，圖4B所示的圖表一定會示出向右下斜的傾 向。但是，如上所述，在電晶體密度是1個/μm2以外的樣本中，其表面積是0.025μm2附近時Vsh為最大值。
圖5B是圖4B中的橫軸替換為絕緣體415的厚度，亦即氧氮化矽的厚度的圖表。圖5B是示出與圖4B相同的傾向的圖表，這是因為在所有樣本中電極的底面或頂面的一邊的長度都固定為100nm。
藉由上述結果，Vsh分別取決於電晶體密度、電極450或電極451與絕緣體415的接觸面積以及絕緣體415的厚度。另外，在接觸面積是0.025μm2附近或絕緣體415的厚度是60nm附近時，Vsh的對於電晶體密度的依賴性變小。
在此，為了估算對絕緣體415中添加的過量氧量，製造樣本。在樣本中，在基板上配置絕緣體且在該絕緣體上配置氧化物。作為絕緣體使用氧氮化矽，作為氧化物使用氧化鋁。圖5A是：測量將絕緣體的厚度為0nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm及100nm時的從各膜釋放的氧分子量的結果。該氧釋放量可以估算為對絕緣體添加的過量氧量。作為測量方法利用熱脫附譜分析法(TDS)，測量絕緣體的膜的表面溫度為50℃至500℃的範圍內的換算為氧分子的氧的釋放量。
如圖5A所示，有如下傾向：在膜的厚度為0nm以上且40nm附近以下的區域中，隨著膜的厚度的增加急劇增加過量氧量；在膜的厚度厚於40nm附近的區域中，過量氧量的增加飽和。因為具有上述傾向，在膜的厚度為0nm 以上且40nm附近以下的區域中，絕緣體415的厚度的對於Vsh的依賴性大於電極450或電極451與絕緣體415的接觸面積的對於Vsh的依賴性。換言之，觀察有膜的厚度越厚Vsh越大的傾向。另一方面，在膜的厚度厚於40nm附近的區域中，因為過量氧量飽和，且起因於膜的厚度的變化變小，所以Vsh取決於電極450或電極451與絕緣體415的接觸面積。換言之，有電極450或電極451與絕緣體415的接觸面積越大Vsh越小(向負方向漂移)的傾向。
藉由上述結果，可以得到Vsh的對於電晶體密度的依賴性變小的絕緣體415與電極450或電極451的接觸面積的最適合的範圍。就是說，絕緣體415的厚度較佳為40nm以上。另外，與絕緣體415接觸的電極450或電極451的面積較佳為0.035μm2以下。電晶體的密度為0.01個/μm2以上且2500個/μm2以下，較佳為0.1個/μm2以上且2500個/μm2以下，更佳為1個/μm2以上且2500個/μm2以下，進一步較佳為10個/μm2以上且2500個/μm2以下，更進一步較佳為100個/μm2以上且2500個/μm2以下。
〈半導體裝置的結構實例2〉
參照圖2A至圖2C說明與圖1A至圖1C不同結構的半導體裝置的一個例子。
圖2A是半導體裝置的俯視圖。另外，圖2B是沿圖2A中的點劃線A1-A2所示的部分的剖面圖。此外，圖2C是沿著圖2A中的點劃線A3-A4所示的部分的剖面圖。在圖2B中，沿著A1-A2的剖面圖是半導體裝置所包括的電晶 體的通道長度方向上的剖面圖，在圖2C中，沿著A3-A4的剖面圖是半導體裝置所包括的電晶體的通道寬度方向上的剖面圖。在圖2A的俯視圖中，為了明確起見，省略一部分的組件。
圖2B及圖2C所示的半導體裝置的與圖1B及圖1C所示的半導體裝置不同之處是：在半導體裝置所包括的電晶體上的氧化物418上依次配置有氧化物408a及氧化物408b；並且在氧化物408b上配置有絕緣體415。
作為氧化物408a較佳為使用藉由ALD法形成的金屬氧化物，例如較佳為使用氧化鋁。藉由利用ALD法，可以形成針孔少，並且即使是具有步階的區域也可以形成覆蓋性好的膜。另外，作為氧化物408b較佳為使用藉由濺射法形成的金屬氧化物，例如較佳為使用氧化鋁。藉由使用這種氧化物408b，可以從氧化物408b透過氧化物408a及氧化物408a與絕緣體412的接觸面對絕緣體412供應氧，使絕緣體412成為氧過剩的狀態。可以將該過量氧藉由熱處理等穿過與絕緣體412接觸的氧化物406c有效地供應到氧化物406b中的形成通道的區域(被稱為通道形成區域)及氧化物406a(路徑1)。另外，可以從氧化物408b透過氧化物408a及氧化物408a與絕緣體402的接觸面對絕緣體402供應氧，使絕緣體402成為氧過剩的狀態。可以將該過量氧藉由熱處理等從絕緣體402有效地供應到氧化物406b中的形成通道的區域(被稱為通道形成區域)及氧化物406a(路徑2)。藉由這兩個路徑，能夠減少氧化物406a及氧化物406b中的氧缺陷。作為絕緣體412及絕緣體402使用比氧化物420或氧化物422更容易地使氧透過的絕緣性材料。例如，可以 使用氧化矽或氧氮化矽。
氧化物408a及氧化物408b較佳為具有抑制氧透過的功能。藉由具有上述功能，可以防止對氧化物406a及氧化物406b供應的氧擴散到外方。
另外，氧化物408a及氧化物408b較佳為具有抑制以氫及水為代表的雜質透過的功能。藉由具有上述功能，可以防止以氫及水為代表的雜質從外方侵入到氧化物406a及氧化物406b。
氧化物408a的厚度為3nm以下，較佳為0.5nm以上且1.5nm以下。氧化物408b的厚度較佳為氧化物408a的厚度以上。
關於其他結構及效果，可以參照圖1A至圖1C的半導體裝置的記載。
〈基板〉
作為基板400例如可以使用絕緣體基板、半導體基板或導電體基板。作為絕緣體基板，例如有玻璃基板、石英基板、藍寶石基板、穩定氧化鋯基板(釔安定氧化鋯基板等)、樹脂基板等。作為半導體基板，例如有由矽或鍺等構成的半導體基板、或者由碳化矽、矽鍺、砷化鎵、磷化銦、氧化鋅或氧化鎵構成的化合物半導體基板等。此外，可以舉出在上述半導體基板內部具有絕緣體區域的半導體基板，例如SOI(Silicon on Insulator：絕緣層上覆矽)基板等。作為導電體基板，有石墨基板、金屬基板、合金基板、 導電樹脂基板等。或者，有包含金屬氮化物的基板、包含金屬氧化物的基板等。再者，還可以舉出設置有導電體或半導體的絕緣體基板、設置有導電體或絕緣體的半導體基板、設置有半導體或絕緣體的導電體基板等。或者，也可以使用在上述基板上設置有元件的基板。作為設置在基板上的元件，有電容器、電阻元件、切換元件、發光元件、記憶元件等。
基板400也可以為撓性基板。作為在撓性基板上設置電晶體的方法，可以舉出如下方法：在非撓性基板上形成電晶體之後，剝離電晶體而將該電晶體轉置到具有撓性的基板400上。在此情況下，較佳為在非撓性基板與電晶體之間設置剝離層。作為基板400，也可以使用包含纖維的薄片、薄膜或箔等。基板400也可以具有伸縮性。基板400可以具有在停止彎曲或拉伸時恢復為原來的形狀的性質。或者，也可以具有不恢復為原來的形狀的性質。基板400具有厚度例如為5μm以上且700μm以下，較佳為10μm以上且500μm以下，更佳為15μm以上且300μm以下的區域。藉由將基板400形成得薄，可以實現包括電晶體的半導體裝置的輕量化。另外，藉由將基板400形成得薄，即便在使用玻璃等的情況下也有時會具有伸縮性或在停止彎曲或拉伸時恢復為原來的形狀的性質。因此，可以緩解因掉落等而對基板400上的半導體裝置產生的衝擊等。亦即，能夠提供一種耐久性高的半導體裝置。
作為具有撓性的基板400，例如可以使用金屬、合金、樹脂、玻璃或其纖維等。具有撓性的基板400的線性膨脹係數越低，因環境而發生的變形越得到抑制，所以是較佳的。作為具有撓性的基板400，例如使用線性膨脹係 數為1×10-3/K以下、5×10-5/K以下或1×10-5/K以下的材料即可。作為樹脂，例如有聚酯、聚烯烴、聚醯胺(尼龍、芳族聚醯胺等)、聚醯亞胺、聚碳酸酯、丙烯酸樹脂等。尤其是芳族聚醯胺的線性膨脹係數較低，因此適用於具有撓性的基板400。
〈絕緣體〉
作為絕緣體，有具有絕緣性的氧化物、氮化物、氧氮化物、氮氧化物、金屬氧化物、金屬氧氮化物、金屬氮氧化物等。
藉由使用具有抑制氫等雜質及氧透過的功能的絕緣體圍繞電晶體，能夠使電晶體特性穩定。例如，作為絕緣體303、氧化物401a、氧化物401b、氧化物408a、氧化物408b、氧化物418、氧化物420及氧化物422，可以使用具有抑制氫等雜質及氧透過的功能的絕緣體。
作為具有抑制氫等雜質及氧透過的功能的絕緣體，例如可以使用包含硼、碳、氮、氧、氟、鎂、鋁、矽、磷、氯、氬、鎵、鍺、釔、鋯、鑭、釹、鉿或鉭的絕緣體的單層或疊層。
此外，例如，作為絕緣體303、氧化物401a、氧化物401b、氧化物408a、氧化物408b、氧化物418、氧化物420及氧化物422可以使用氧化鋁、氧化鎂、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿或氧化鉭等金屬氧化物或者氮氧化矽或氮化矽等。注意，絕緣體303、氧化物401a、氧 化物401b、氧化物418、氧化物420及氧化物422較佳為包含氧化鋁。
此外，例如，當藉由濺射法使用含氧的電漿形成氧化物422時，可以對將成為該氧化物的基底層的絕緣體添加氧。
作為絕緣體301、絕緣體302、絕緣體402、絕緣體412、絕緣體410及絕緣體415，例如可以使用包含硼、碳、氮、氧、氟、鎂、鋁、矽、磷、氯、氬、鎵、鍺、釔、鋯、鑭、釹、鉿或鉭的絕緣體的單層或疊層。例如，絕緣體301、絕緣體302、絕緣體402、絕緣體412、絕緣體410及絕緣體415較佳為包含氧化矽、氧氮化矽或氮化矽。
尤其是，絕緣體402及絕緣體412較佳為包括相對介電常數高的絕緣體。例如，絕緣體402及絕緣體412較佳為包含氧化鎵、氧化鉿、氧化鋯、含有鋁及鉿的氧化物、含有鋁及鉿的氧氮化物、含有矽及鉿的氧化物、含有矽及鉿的氧氮化物或者含有矽及鉿的氮化物等。或者，絕緣體402及絕緣體412較佳為具有氧化矽或氧氮化矽與相對介電常數高的絕緣體的疊層結構。因為氧化矽及氧氮化矽對熱穩定，所以藉由與相對介電常數高的絕緣體組合，可以實現熱穩定且相對介電常數高的疊層結構。例如，在絕緣體402及絕緣體412中，當在氧化物406c一側有氧化鋁、氧化鎵或氧化鉿時，能夠抑制氧化矽或氧氮化矽所含有的矽混入氧化物406b。此外，例如，在絕緣體402及絕緣體412中，當在氧化物406c一側有氧化矽或氧氮化矽時，有時在氧化鋁、氧化鎵或氧化鉿與氧化矽或氧氮化矽的介面處形成陷阱中 心。該陷阱中心有時可以藉由俘獲電子而使電晶體的臨界電壓向正方向漂移。
絕緣體410及絕緣體415較佳為包括相對介電常數低的絕緣體。例如，絕緣體410較佳為包含氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、添加有氟的氧化矽、添加有碳的氧化矽、添加有碳及氮的氧化矽、具有空孔的氧化矽、樹脂等。或者，絕緣體410較佳為具有氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、添加有氟的氧化矽、添加有碳的氧化矽、添加有碳及氮的氧化矽或具有空孔的氧化矽與樹脂的疊層結構。因為氧化矽及氧氮化矽對熱穩定，所以藉由與樹脂組合，可以實現熱穩定且相對介電常數低的疊層結構。作為樹脂，例如可以舉出聚酯、聚烯烴、聚醯胺(尼龍、芳族聚醯胺等)、聚醯亞胺、聚碳酸酯或丙烯酸樹脂等。
作為障壁膜417a1及障壁膜417a2，可以使用具有抑制氫等雜質及氧的透過的功能的絕緣體。障壁膜417a1及障壁膜417a2能夠防止絕緣體415中的過量氧擴散到導電體416a1及導電體416a2中。
例如，作為障壁膜417a1及障壁膜417a2可以使用氧化鋁、氧化鎂、氧化鎵、氧化鍺、氧化釔、氧化鋯、氧化鑭、氧化釹、氧化鉿或氧化鉭等金屬氧化物或者氮氧化矽或氮化矽等。
〈導電體〉
作為導電體404a、導電體404b、導電體310a、導電體310b、導電體416a1及導電體416a2、電極450及電極451，可以使用如下材料，該材料包含選自鋁、鉻、銅、銀、金、鉑、鉭、鎳、鈦、鉬、鎢、鉿、釩、鈮、錳、鎂、鋯、鈹、銦等金屬元素中的一種以上。另外，也可以使用以包含磷等雜質元素的多晶矽為代表的導電率高的半導體以及鎳矽化物等矽化物。
此外，也可以使用包含後面說明的能夠用於氧化物406a、氧化物406b及氧化物406c的金屬氧化物所包含的金屬元素及氧的導電材料。此外，也可以使用包含上述金屬元素及氮的導電材料。例如，也可以使用氮化鈦、氮化鉭等包含氮的導電材料。另外，也可以使用銦錫氧化物(ITO：Indium Tin Oxide)、包含氧化鎢的銦氧化物、包含氧化鎢的銦鋅氧化物、包含氧化鈦的銦氧化物、包含氧化鈦的銦錫氧化物、銦鋅氧化物、添加有矽的銦錫氧化物。另外，也可以使用包含氮的銦鎵鋅氧化物。藉由採用這種材料，有時可以俘獲包含在氧化物406a、氧化物406b及氧化物406c中的氫。或者，有時可以俘獲從外方的絕緣體等侵入的氫。
另外，也可以層疊多個由上述材料形成的導電層。例如，也可以採用組合包含上述金屬元素的材料和包含氧的導電材料的疊層結構。另外，也可以採用組合包含上述金屬元素的材料和包含氮的導電材料的疊層結構。另外，也可以採用組合包含上述金屬元素的材料、包含氧的導電材料和包含氮的導電材料的疊層結構。
此外，在將氧化物用於電晶體的通道形成區域的情況下，作為閘極電極較佳為採用組合包含上述金屬元素的材料和包含氧的導電材料的疊層結構。在此情況下，較佳為將包含氧的導電材料設置在通道形成區域一側。藉由將包含氧的導電材料設置在通道形成區域一側，從該導電材料脫離的氧容易被供應到通道形成區域。
〈能夠用於氧化物406a、氧化物406b及氧化物406c的金屬氧化物〉
作為氧化物406a、氧化物406b及氧化物406c，較佳為使用金屬氧化物。但是，有時可以使用矽(包含應變矽)、鍺、矽鍺、碳化矽、砷化鎵、砷化鋁鎵、磷化銦、氮化鎵或有機半導體等代替氧化物406a、氧化物406b及氧化物406c。
接著，對能夠用於氧化物406a、氧化物406b及氧化物406c的金屬氧化物進行說明。
金屬氧化物較佳為至少包含銦或鋅。特別較佳為包含銦及鋅。另外，較佳的是，除此之外，還包含鋁、鎵、釔或錫等。另外，也可以包含選自硼、矽、鈦、鐵、鎳、鍺、鋯、鉬、鑭、鈰、釹、鉿、鉭、鎢或鎂等中的一種或多種。
在此考慮金屬氧化物為包含銦、元素M及鋅的InMZnO的情況。注意，元素M為鋁、鎵、釔或錫等。作為其他的能夠用於元素M的元素，除了上述 元素以外，還有硼、矽、鈦、鐵、鎳、鍺、鋯、鉬、鑭、鈰、釹、鉿、鉭、鎢、鎂等。注意，作為元素M有時可以組合多個上述元素。
〈結構〉
氧化物被分為單晶氧化物和非單晶氧化物。作為非單晶氧化物，例如有CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多晶氧化物、nc-OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、a-like OS(amorphous-like oxide semiconductor)及非晶氧化物等。
CAAC-OS具有c軸配向性，其多個奈米晶在a-b面方向上連結而結晶結構具有畸變。注意，畸變是指在多個奈米晶連結的區域中晶格排列一致的區域與其他晶格排列一致的區域之間的晶格排列的方向變化的部分。
雖然奈米晶基本上是六角形，但是並不侷限於正六角形，有不是正六角形的情況。此外，在畸變中有時具有五角形及七角形等晶格排列。另外，在CAAC-OS的畸變附近觀察不到明確的晶界(grain boundary)。亦即，可知藉由使晶格排列畸變，可抑制晶界的形成。這可能是由於CAAC-OS可容許因如下原因而發生的畸變：在a-b面方向上的氧原子的排列的低密度或因金屬元素被取代而使原子間的鍵合距離產生變化等。
CAAC-OS有具有層狀結晶結構(也稱為層狀結構)的傾向，在該層狀結晶結構中層疊有包含銦及氧的層(下面稱為In層)和包含元素M、鋅及氧 的層(下面稱為(M，Zn)層)。另外，銦和元素M彼此可以取代，在用銦取代(M，Zn)層中的元素M的情況下，也可以將該層表示為(In，M，Zn)層。另外，在用元素M取代In層中的銦的情況下，也可以將該層表示為(In，M)層。
在nc-OS中，微小的區域(例如1nm以上且10nm以下的區域，特別是1nm以上且3nm以下的區域)中的原子排列具有週期性。另外，nc-OS在不同的奈米晶之間觀察不到結晶定向的規律性。因此，在膜整體中觀察不到配向性。所以，有時nc-OS在某些分析方法中與a-like OS或非晶氧化物沒有差別。
a-like OS是具有介於nc-OS與非晶氧化物之間的結構的氧化物。a-like OS包含空洞或低密度區域。也就是說，a-like OS的結晶性比nc-OS及CAAC-OS的結晶性低。
氧化物具有各種結構及各種特性。本發明的一個實施方式的氧化物也可以包括非晶氧化物、多晶氧化物、a-like OS、nc-OS、CAAC-OS中的兩種以上。
〈原子個數比〉
下面，參照圖23A、圖23B及圖23C對根據本發明的氧化物所包含的銦、元素M及鋅的原子個數比的較佳的範圍進行說明。注意，在圖23A、圖23B及圖23C中，不示出氧的原子個數比。另外，將氧化物所包含的銦、元素M 及鋅的原子個數比的各項分別稱為[In]、[M]、[Zn]。
在圖23A、圖23B及圖23C中，虛線表示[In]：[M]：[Zn]=(1+α)：(1-α)：1的原子個數比(-1α1)的線、[In]：[M]：[Zn]=(1+α)：(1-α)：2的原子個數比的線、[In]：[M]：[Zn]=(1+α)：(1-α)：3的原子個數比的線、[In]：[M]：[Zn]=(1+α)：(1-α)：4的原子個數比的線及[In]：[M]：[Zn]=(1+α)：(1-α)：5的原子個數比的線。
點劃線表示[In]：[M]：[Zn]=5：1：β的原子個數比的(β0)的線、[In]：[M]：[Zn]=2：1：β的原子個數比的線、[In]：[M]：[Zn]=1：1：β的原子個數比的線、[In]：[M]：[Zn]=1：2：β的原子個數比的線、[In]：[M]：[Zn]=1：3：β的原子個數比的線及[In]：[M]：[Zn]=1：4：β的原子個數比的線。
此外，圖23A、圖23B及圖23C所示的[In]：[M]：[Zn]=0：2：1的原子個數比及接近[In]：[M]：[Zn]=0：2：1的氧化物容易具有尖晶石型結晶結構。
有時在氧化物中，多個相共存(例如，二相共存、三相共存等)。例如，當原子個數比接近[In]：[M]：[Zn]=0：2：1時，尖晶石型結晶結構和層狀結晶結構的二相容易共存。當原子個數比接近[In]：[M]：[Zn]=1：0：0時，方鐵錳礦型結晶結構和層狀結晶結構的二相容易共存。當在氧化物中多個相共存時，可能在不同的結晶結構之間形成晶界。
圖23A所示的區域A示出氧化物所包含的銦、元素M及鋅的原子個數比的較佳的範圍的一個例子。
在氧化物中，藉由提高銦的含量，可以提高氧化物的載子移動率(電子移動率)。因此，銦含量高的氧化物的載子移動率比銦含量低的氧化物高。
另一方面，氧化物的銦含量及鋅含量變低時，載子移動率變低。因此，當原子個數比為[In]：[M]：[Zn]=0：1：0或接近[In]：[M]：[Zn]=0：1：0時(例如，圖23C中的區域C)，絕緣性變高。
因此，本發明的一個實施方式的氧化物較佳為具有圖23A的以區域A表示的原子個數比，此時該氧化物容易具有載子移動率高且晶界少的層狀結構。
具有區域A的原子個數比的氧化物，尤其是具有圖23B所示的區域B的原子個數比的氧化物更容易成為CAAC-OS且具有較高的載子移動率。
CAAC-OS是結晶性高的氧化物。另一方面，在CAAC-OS中無法確認到明確的晶界，所以可以說不容易發生起因於晶界的電子移動率的降低。此外，氧化物的結晶性有時因雜質的混入或缺陷的生成等而降低，因此可以說CAAC-OS是雜質或缺陷(氧缺陷等)少的氧化物。因此，具有CAAC-OS的氧化物的物理性質穩定。因此，具有CAAC-OS的氧化物具有耐熱性及高 可靠性。
區域B包括[In]：[M]：[Zn]=4：2：3至4：2：4.1的原子個數比及其附近值。附近值例如包括[In]：[M]：[Zn]=5：3：4的原子個數比。另外，區域B包括[In]：[M]：[Zn]=5：1：6的原子個數比及接近[In]：[M]：[Zn]=5：1：6以及[In]：[M]：[Zn]=5：1：7的原子個數比及接近[In]：[M]：[Zn]=5：1：7。
注意，氧化物所具有的性質不是僅由原子個數比決定的。即使在原子個數比相同的情況下，根據形成條件，氧化物的性質有時不同。例如，當使用濺射裝置形成氧化物膜時，形成其原子個數比與靶材的原子個數比不同的膜。此外，根據成膜時的基板溫度，有時膜的[Zn]小於靶材的[Zn]。因此，圖示的區域是表示氧化物傾向於具有特定特性的原子個數比的區域，區域A至區域C的邊界不清楚。
[具有氧化物的電晶體]
在此，對將上述氧化物用於電晶體的情況進行說明。
藉由將上述氧化物用於電晶體，可以減少晶界中的載子散射等，因此可以實現場效移動率高的電晶體。另外，可以實現可靠性高的電晶體。
另外，較佳為將載子密度低的氧化物膜用於電晶體。在以降低氧化物膜的載子密度為目的的情況下，可以降低氧化物膜中的雜質濃度以降低缺 陷態密度。在本說明書等中，將雜質濃度低且缺陷態密度低的狀態稱為“高純度本質”或“實質上高純度本質”。例如，氧化物膜的載子密度可以低於8×1011/cm3，較佳為低於1×1011/cm3，更佳為低於1×1010/cm3且為1×10-9/cm3以上。
另外，因為高純度本質或實質上高純度本質的氧化物膜具有較低的缺陷態密度，所以有可能具有較低的陷阱態密度。
此外，被氧化物的陷阱能階俘獲的電荷到消失需要較長的時間，有時像固定電荷那樣動作。因此，有時在陷阱態密度高的氧化物中形成有通道形成區域的電晶體的電特性不穩定。
因此，為了使電晶體特性穩定，降低氧化物中的雜質濃度是有效的。為了降低氧化物中的雜質濃度，較佳為還降低附近膜中的雜質濃度。作為雜質有氫、氮、鹼金屬、鹼土金屬、鐵、鎳、矽等。
〈雜質〉
在此，說明氧化物中的各雜質的影響。
在氧化物包含第14族元素之一的矽或碳時，氧化物中形成缺陷能階。因此，將氧化物中或氧化物的介面附近的矽或碳的濃度(藉由二次離子質譜分析法(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)測得的濃度)設定為 2×1018atoms/cm3以下，較佳為2×1017atoms/cm3以下。
另外，當氧化物包含鹼金屬或鹼土金屬時，有時形成缺陷能階而形成載子。因此，使用包含鹼金屬或鹼土金屬的氧化物的電晶體容易具有常開啟特性。由此，較佳為降低氧化物中的鹼金屬或鹼土金屬的濃度。明確而言，將利用SIMS測得的鹼金屬或鹼土金屬的濃度設定為1×1018atoms/cm3以下，較佳為2×1016atoms/cm3以下。
當氧化物包含氮時，產生作為載子的電子，並載子密度增加，而氧化物容易被n型化。其結果，將含有氮的氧化物用於半導體的電晶體容易具有常開啟特性。因此，較佳為儘可能地減少氧化物中的氮，例如，利用SIMS測得的氧化物中的氮濃度為小於5×1019atoms/cm3，較佳為5×1018atoms/cm3以下，更佳為1×1018atoms/cm3以下，進一步較佳為5×1017atoms/cm3以下。
包含在氧化物中的氫與鍵合於金屬原子的氧起反應生成水，因此有時形成氧缺陷。當氫進入該氧缺陷時，有時產生作為載子的電子。另外，有時由於氫的一部分與鍵合於金屬原子的氧鍵合，產生作為載子的電子。因此，使用包含氫的氧化物的電晶體容易具有常開啟特性。由此，較佳為儘可能地減少氧化物中的氫。明確而言，在氧化物中，利用SIMS測得的氫濃度低於1×1020atoms/cm3，較佳為低於1×1019atoms/cm3，更佳為低於5×1018atoms/cm3，進一步較佳為低於1×1018atoms/cm3。
藉由將雜質被充分降低的氧化物用於電晶體的通道形成區域，可以使電晶體具有穩定的電特性。
〈能帶圖〉
接著，對該氧化物採用雙層結構或三層結構的情況進行說明。參照圖24A至圖24C對如下能帶圖進行說明：氧化物S1、氧化物S2和氧化物S3的疊層結構及與該疊層結構接觸的絕緣體的能帶圖；氧化物S2和氧化物S3的疊層結構及與該疊層結構接觸的絕緣體的能帶圖；以及氧化物S1和氧化物S2的疊層結構及與該疊層結構接觸的絕緣體的能帶圖。
圖24A是包括絕緣體I1、氧化物S1、氧化物S2、氧化物S3及絕緣體I2的疊層結構的厚度方向上的能帶圖的一個例子。另外，圖24B是包括絕緣體I1、氧化物S2、氧化物S3及絕緣體I2的疊層結構的厚度方向上的能帶圖的一個例子。圖24C是包括絕緣體I1、氧化物S1、氧化物S2及絕緣體I2的疊層結構的厚度方向上的能帶圖的一個例子。注意，為便於理解，能帶圖示出絕緣體I1、氧化物S1、氧化物S2、氧化物S3及絕緣體I2的導帶底的能階(Ec)。
較佳的是，氧化物S1、氧化物S3的導帶底的能階比氧化物S2更靠近真空能階，典型的是，氧化物S2的導帶底的能階與氧化物S1、氧化物S3的導帶底的能階的差為0.15eV以上或者0.5eV以上且2eV以下或者1eV以下。就是說，氧化物S1、氧化物S3的電子親和力與氧化物S2的電子親和力的差為0.15eV以上或者0.5eV以上且2eV以下或者1eV以下。
如圖24A、圖24B及圖24C所示，在氧化物S1、氧化物S2、氧化物S3中，導帶底的能階平緩地變化。換言之，也可以將上述情況表達為導帶底的能階連續地變化或者連續地接合。為了實現這種能帶圖，較佳為降低形成在氧化物S1與氧化物S2的介面或者氧化物S2與氧化物S3的介面的混合層的缺陷態密度。
明確而言，藉由使氧化物S1和氧化物S2、氧化物S2和氧化物S3包含氧之外的共同元素(為主要成分)，可以形成缺陷態密度低的混合層。例如，在氧化物S2為In-Ga-Zn氧化物的情況下，作為氧化物S1、氧化物S3較佳為使用In-Ga-Zn氧化物、Ga-Zn氧化物、氧化鎵等。
此時，氧化物S2成為載子的主要路徑。因為可以降低氧化物S1與氧化物S2的介面以及氧化物S2與氧化物S3的介面的缺陷態密度，所以介面散射對載子傳導的影響小，從而可以得到大通態電流。
在電子被陷阱能階俘獲時，被俘獲的電子像固定電荷那樣動作，導致電晶體的臨界電壓向正方向漂移。藉由設置氧化物S1、氧化物S3，可以使陷阱能階遠離氧化物S2。藉由採用該結構，可以防止電晶體的臨界電壓向正方向漂移。
作為氧化物S1、氧化物S3，使用其導電率比氧化物S2充分低的材料。 此時，氧化物S2、氧化物S2與氧化物S1的介面以及氧化物S2與氧化物S3的介面主要被用作通道形成區域。例如，氧化物S1、氧化物S3可以使用具有在圖23C中以絕緣性高的區域C表示的原子個數比的氧化物。注意，圖23C所示的區域C表示[In]：[M]：[Zn]=0：1：0及接近[In]：[M]：[Zn]=0：1：0、[In]：[M]：[Zn]=1：3：2及接近[In]：[M]：[Zn]=1：3：2以及[In]：[M]：[Zn]=1：3：4及接近[In]：[M]：[Zn]=1：3：4的原子個數比。
尤其是，當作為氧化物S2使用具有以區域A表示的原子個數比的氧化物時，作為氧化物S1及氧化物S3較佳為使用[M]/[In]為1以上，較佳為2以上的氧化物。另外，作為氧化物S3，較佳為使用能夠得到充分高的絕緣性的[M]/([Zn]+[In])為1以上的氧化物。
本實施方式可以與其他實施方式或實施例等所記載的結構適當地組合而實施。
實施方式2
以下，參照圖6A至圖15C對圖1A至圖1C所示的半導體裝置的製造方法進行說明。
〈半導體裝置的製造方法〉
在圖6A至圖15C中，圖6A、圖7A、圖8A、圖9A、圖10A、圖11A、圖 12A、圖13A、圖14A和圖15A是俯視圖。圖6B、圖7B、圖8B、圖9B、圖10B、圖11B、圖12B、圖13B、圖14B和圖15B是沿著圖6A、圖7A、圖8A、圖9A、圖10A、圖11A、圖12A、圖13A、圖14A和圖15A中的點劃線A1-A2所示的部分的剖面圖。圖6C、圖7C、圖8C、圖9C、圖10C、圖11C、圖12C、圖13C、圖14C和圖15C是沿著圖6A、圖7A、圖8A、圖9A、圖10A、圖11A、圖12A、圖13A、圖14A和圖15A中的點劃線A3-A4所示的部分的剖面圖。在圖6B、圖7B、圖8B、圖9B、圖10B、圖11B、圖12B、圖13B、圖14B和圖15B中，沿著A1-A2的剖面圖是電晶體的通道長度方向上的剖面圖，在圖6C、圖7C、圖8C、圖9C、圖10C、圖11C、圖12C、圖13C、圖14C和圖15C中，沿著A3-A4的剖面圖是電晶體的通道寬度方向上的剖面圖。
首先，準備基板400。
接著，形成氧化物401a。作為氧化物401a的形成方法，可以利用濺射法、化學氣相沉積(CVD：Chemical Vapor Deposition)法、分子束磊晶(MBE：Molecular Beam Epitaxy)法、脈衝雷射沉積(PLD：Pulsed Laser Deposition)法、原子層沉積(ALD：Atomic Layer Deposition)法等。
注意，CVD法可以分為利用電漿的電漿增強CVD(PECVD：Plasma Enhanced CVD)法、利用熱量的熱CVD(TCVD：Thermal CVD)法及利用光的光CVD(Photo CVD)法等。再者，CVD法可以根據使用的源氣體被分為金屬CVD(MCVD：Metal CVD)法及有機金屬CVD(MOCVD：Metal Organic CVD)法。
藉由利用電漿CVD法，可以以較低的溫度得到高品質的膜。另外，因為在熱CVD法中不使用電漿，所以能夠減少對被處理物造成的電漿損傷。例如，包括在半導體裝置中的佈線、電極、元件(電晶體、電容器等)等有時因從電漿接收電荷而會產生電荷積聚(charge up)。此時，有時由於所累積的電荷而使包括在半導體裝置中的佈線、電極、元件等受損傷。另一方面，因為在不使用電漿的熱CVD法的情況下不產生這種電漿損傷，所以能夠提高半導體裝置的良率。另外，在熱CVD法中，不產生成膜時的電漿損傷，因此能夠得到缺陷較少的膜。
另外，ALD法也是能夠減少對被處理物造成的電漿損傷的形成方法。此外，在利用ALD法的成膜時不產生電漿損傷，所以能夠得到缺陷較少的膜。
不同於從靶材等中被釋放的粒子沉積的形成方法，CVD法及ALD法是因被處理物表面的反應而形成膜的形成方法。因此，藉由CVD法及ALD法形成的膜不易受被處理物的形狀的影響而具有良好的步階覆蓋性。尤其是，藉由ALD法形成的膜具有良好的步階覆蓋性和厚度均勻性，所以ALD法適合用於形成覆蓋縱橫比高的開口的表面的膜。但是，ALD法的沉積速度比較慢，所以有時較佳為與沉積速度快的CVD法等其他形成方法組合而使用。
CVD法或ALD法可以藉由調整源氣體的流量比控制所得到的膜的組成。例如，當使用CVD法或ALD法時，可以藉由調整源氣體的流量比形成任意組成的膜。此外，例如，當使用CVD法或ALD法時，可以藉由一邊形成膜一邊改變源氣體的流量比來形成其組成連續變化的膜。在一邊改變源氣體的流量比一邊形成膜時，因為可以省略傳送及調整壓力所需的時間，所以與使用多個成膜室進行成膜的情況相比可以使其成膜時所需的時間縮短。因此，有時可以提高半導體裝置的生產率。
接著，在氧化物401a上形成氧化物401b。作為氧化物401b的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。接著，在氧化物401b上形成絕緣體301。作為絕緣體301的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。
接著，在絕緣體301中形成到達氧化物401b的槽。槽例如在其範疇內包括凹部、孔或開口等。在形成槽時，可以使用濕蝕刻，但是對微型加工來說乾蝕刻是較佳的。作為氧化物401b，較佳為選擇在對絕緣體301進行蝕刻形成槽時被用作蝕刻障壁膜的絕緣體。例如，當作為被形成槽的絕緣體301使用氧化矽膜時，作為氧化物401b較佳為使用氮化矽膜、氧化鋁膜、氧化鉿膜。
在本實施方式中，作為氧化物401a，利用濺射法形成氧化鋁，作為氧 化物401b，利用ALD法形成氧化鋁。此外，作為絕緣體301，利用CVD法形成氧化矽。
在形成槽之後，形成將成為導電體310a的導電體。將成為導電體310a的導電體較佳為包含具有抑制氧透過的功能的導電體。例如，可以使用氮化鉭、氮化鎢、氮化鈦等。或者，可以使用該導電體與鉭、鎢、鈦、鉬、鋁、銅或鉬鎢合金的疊層膜。作為將成為導電體310a的導電體的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。
在本實施方式中，作為將成為導電體310a的導電體，利用濺射法形成氮化鉭。
接著，在將成為導電體310a的導電體上形成將成為導電體310b的導電體。可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等形成將成為導電體310b的導電體。
在本實施方式中，作為將成為導電體310b的導電體，利用CVD法形成氮化鈦，且在該氮化鈦上利用CVD法形成鎢。
接著，藉由進行化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing：CMP)去除絕緣體301上的將成為導電體310a的導電體以及將成為導電體310b的導電體。其結果是，只在槽中殘留將成為導電體310a的導電體以及將成為 導電體310b的導電體，所以可以形成包括導電體310a及導電體310b的導電體310。
接著，在絕緣體301及導電體310上形成絕緣體302。作為絕緣體302的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。
接著，在絕緣體302上形成絕緣體303。作為絕緣體303的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。
接著，在絕緣體303上形成絕緣體402。作為絕緣體402的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。
在本實施方式中，作為絕緣體302利用CVD法形成氧氮化矽，作為絕緣體303利用ALD法形成氧化鉿，作為絕緣體402利用CVD法形成氧氮化矽。
接著，也可以藉由CMP處理對絕緣體402的頂面進行平坦化。有時，因為導電體310的頂面的高度和絕緣體301的頂面的高度不同，導電體310的頂面與絕緣體301的頂面的邊界附近產生步階。藉由利用CMP法縮小該步階，有時可以防止在後面形成的膜的覆蓋率降低，並且也可以防止半導體裝置的良率降低。進行CMP處理之後的步階較佳為設定為3nm以下，更佳為設定為1nm以下。
接著，較佳為進行第一熱處理。第一熱處理以250℃以上且650℃以下的溫度，較佳為以450℃以上且600℃以下的溫度，更佳為以520℃以上且570℃以下的溫度進行即可。第一熱處理在氮或惰性氣體氛圍或者包含10ppm以上、1%以上或10%以上的氧化性氣體的氛圍下進行。第一熱處理也可以在減壓狀態下進行。或者，也可以以如下方法進行第一熱處理：在氮或惰性氣體氛圍下進行熱處理之後，為了填補脫離了的氧而在包含10ppm以上、1%以上或10%以上的氧化性氣體的氛圍下進行另一個熱處理。藉由進行第一熱處理，可以去除絕緣體402所包含的氫或水等雜質。或者，在第一熱處理中，也可以在減壓狀態下進行包含氧的電漿處理。包含氧的電漿處理例如較佳為採用包括使用微波的用來產生高密度電漿的電源的裝置。或者，也可以包括對基板一側施加RF(Radio Frequency：射頻)的電源。藉由使用高密度電漿可以生成高密度氧自由基，且藉由對基板一側施加RF可以將由高密度電漿而生成的氧自由基高效地導入絕緣體402中。或者，也可以在使用這種裝置進行包含惰性氣體的電漿處理之後，為了填補脫離了的氧而進行包含氧的電漿處理。注意，有時也可以不進行第一熱處理。
此外，也可以分別在形成絕緣體302之後、在形成絕緣體303之後以及在形成絕緣體402之後進行該熱處理。作為該熱處理，可以採用第一熱處理條件，但是較佳為在包含氮的氛圍下進行形成絕緣體302之後的熱處理。
在本實施方式中，形成絕緣體402之後，在氮氛圍下且400℃的溫度下進行1小時的熱處理之後，連續地在氧氛圍下且400℃的溫度下進行1小時的 處理。
接著，在絕緣體402上形成氧化物406a1。作為氧化物406a1的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。
接著，也可以進行對氧化物406a1添加氧的處理。作為添加氧的處理，例如有離子植入法、電漿處理法等。另外，添加到氧化物406a1的氧成為過量氧。接著，在氧化物406a1上形成氧化物406b1。作為氧化物406b1的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。
接著，也可以進行第二熱處理。作為第二熱處理，可以利用第一熱處理條件。藉由進行第二熱處理，可以去除氧化物406b1中的氫或水等雜質。在本實施方式中，在氮氛圍下且400℃的溫度下進行1小時的處理之後，連續地在氧氛圍下且400℃的溫度下進行1小時的處理。
接著，在氧化物406b1上形成導電體416。作為導電體416的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。作為導電體416，也可以形成具有導電性的氧化物諸如銦錫氧化物(ITO：Indium Tin Oxide)、包含氧化鎢的銦氧化物、包含氧化鎢的銦鋅氧化物、包含氧化鈦的銦氧化物、包含氧化鈦的銦錫氧化物、銦鋅氧化物、添加有矽的銦錫氧化物或者包含氮的銦鎵鋅氧化物，並且在該氧化物上形成包含選自鋁、鉻、銅、銀、金、鉑、鉭、鎳、鈦、鉬、鎢、鉿、釩、鈮、錳、鎂、鋯、鈹、銦等金屬 元素中的一種以上的材料或者以包含磷等雜質元素的多晶矽為代表的導電率高的半導體、鎳矽化物等矽化物。
該氧化物有時具有吸收氧化物406a1及氧化物406b1中的氫的功能以及俘獲從外方擴散的氫的功能，因此電晶體特性及可靠性得到提高。此外，有時在使用鈦代替該氧化物時也可以具有同樣的功能。在本實施方式中，作為導電體416，形成氮化鉭。
接著，在導電體416上形成障壁膜417。作為障壁膜417的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。在本實施方式中，作為障壁膜417形成氧化鋁。
接著，在障壁膜417上形成導電體411。作為導電體411的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等形成導電體411。在本實施方式中，作為導電體411，形成氮化鉭(參照圖6A、圖6B及圖6C)。
接著，利用光微影法對導電體411進行加工，來形成導電體411a。在該加工中，導電體411a的剖面形狀較佳為錐形形狀。該錐形角度對於與基板底面平行的面為30度以上且小於75度，較佳為30度以上且小於70度。藉由具有這種錐形角度，後面的成膜製程中的膜的覆蓋性得到提高。此外，作為該加工較佳為利用乾蝕刻法。利用乾蝕刻法的加工適合於微細加工及上述錐形形狀的加工(參照圖7A、圖7B及圖7C)。
注意，在光微影法中，首先藉由遮罩對光阻劑進行曝光。接著，使用顯影液去除或留下所曝光的區域而形成光阻遮罩。接著，藉由該光阻遮罩進行蝕刻處理來將導電體、半導體或絕緣體等加工為所希望的形狀。例如，使用KrF準分子雷射、ArF準分子雷射、EUV(Extreme Ultraviolet：極紫外)光等對光阻劑進行曝光來形成光阻遮罩，即可。此外，也可以利用在基板和投影透鏡之間填滿液體(例如，水)的狀態下進行曝光的液浸技術。另外，也可以使用電子束或離子束代替上述光。注意，當使用電子束或離子束時，不需要遮罩。另外，可以進行灰化處理等乾蝕刻處理或濕蝕刻處理，可以在進行乾蝕刻處理之後進行濕蝕刻處理，或者可以在進行濕蝕刻處理之後進行乾蝕刻處理，來去除光阻遮罩。
作為乾蝕刻裝置，可以使用包括平行平板型電極的電容耦合型電漿(CCP：Capacitively Coupled Plasma)蝕刻裝置。包括平行平板型電極的電容耦合型電漿蝕刻裝置也可以對平行平板型電極中的一個施加高頻電源；也可以對平行平板型電極中的一個施加不同的多個高頻電源；也可以對平行平板型電極的各個施加相同的高頻電源；或者對各個平行平板型電極施加頻率不同的高頻電源。此外，也可以使用包括高密度電漿源的乾蝕刻裝置。作為包括高密度電漿源的乾蝕刻裝置，例如可以使用感應耦合型電漿(ICP：Inductively Coupled Plasma)蝕刻裝置等。
接著，藉由光微影法，形成光阻劑421。
接著，以光阻劑421為蝕刻遮罩對導電體411a、障壁膜417及導電體416進行蝕刻，來形成導電體411a1、導電體411a2、障壁膜417a及導電體416a(參照圖8A、圖8B及圖8C)。
接著，在去除光阻劑421之後，導電體411a1及導電體411a2為蝕刻遮罩對障壁膜417a進行蝕刻，來形成障壁膜417a1及障壁膜417a2。
接著，以導電體411a1、導電體411a2及導電體416a的表面露出的部分為蝕刻遮罩，對氧化物406a1及氧化物406b1進行蝕刻，來形成氧化物406a及氧化物406b。在本實施方式中，作為導電體411a1、導電體411a2及導電體416a使用氮化鉭。因此，較佳為利用與氮化鉭的蝕刻速度相比氧化物406a1及氧化物406b1的蝕刻速度更快的蝕刻條件進行加工。在氮化鉭的蝕刻速度為1的情況下，氧化物406a1及氧化物406b1的蝕刻速度為3以上且50以下，較佳為5以上且30以下(參照圖9A、圖9B及圖9C)。
接著，對導電體411a1、導電體411a2及導電體416a的表面露出的部分進行蝕刻，來形成導電體416a1、導電體416a2(參照圖10A、圖10B及圖10C)。在此，如圖10C所示，氧化物406b有時在其側面和頂面之間具有彎曲面。氧化物406b中的彎曲面的曲率半徑設定為3nm以上且10nm以下。
接著，也可以使用用碳酸水或純水稀釋氫氟酸的水溶液(稀氟化氫液) 進行洗滌處理。在本實施方式中，使用碳酸水和氫氟酸的混合溶液進行洗滌處理。氫氟酸的濃度大約為70ppm。
接著，也可以進行第三熱處理。作為第三熱處理的條件，可以利用上述第一熱處理的條件。在本實施方式中，不進行第三熱處理。
由於上述製程中進行的乾蝕刻而有時起因於蝕刻氣體的雜質附著於或擴散於氧化物406a及氧化物406b等的表面或內部。作為雜質，例如有氟或氯等。
藉由進行上述處理，可以降低雜質濃度。再者，可以降低氧化物406a膜中及氧化物406b膜中的水分濃度及氫濃度。
接著，形成氧化物406c1。作為氧化物406c1的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。尤其較佳為利用濺射法進行成膜。此外，作為濺射條件，較佳為在氧分壓高的條件下，更佳為在只使用氧的條件下，使用氧和氬的混合氣體在室溫或100℃以上且200℃以下的溫度下進行成膜。
藉由利用上述條件形成氧化物406c1，能夠向氧化物406a、氧化物406b及絕緣體402添加過量氧，所以是較佳的。
接著，在氧化物406c1上形成絕緣體412a。可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等形成絕緣體412a(參照圖11A、圖11B及圖11C)。
在此，也可以進行第四熱處理。作為第四熱處理，可以利用第一熱處理條件。藉由該熱處理，能夠降低絕緣體412a中的水分濃度及氫濃度。在本實施方式中，不進行第四熱處理。
接著，形成將成為導電體404的導電體。作為將成為導電體404的導電體的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。
導電體404例如可以為包括導電體404a及導電體404b的多層膜。例如，藉由作為將成為導電體404a的導電體利用與上述氧化物406c1同樣的條件形成氧化物，可以對絕緣體412a添加氧。添加到絕緣體412a的氧成為過量氧。
接著，在該氧化物上，藉由濺射法形成導電體，降低該氧化物的電阻值，由此該氧化物可以為將成為導電體404a的導電體。再者，也可以在將成為導電體404a的導電體上藉由濺射法等形成將成為導電體404b的導電體。在本實施方式中，作為將成為導電體404a的導電體藉由濺射法形成氮化鈦，作為將成為導電體404b的導電體藉由濺射法形成鎢。
在此，也可以進行第五熱處理。作為第五熱處理，可以採用第一熱處理條件。在本實施方式中，不進行第五熱處理。
藉由光微影法對將成為導電體404a的導電體及將成為導電體404b的導電體進行加工，來形成導電體404a及導電體404b(參照圖12A、圖12B及圖12C)。
接著，也可以形成將成為氧化物418的氧化物。在形成將成為氧化物418的氧化物時，較佳為使用金屬氧化物，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。例如，藉由利用ALD法形成氧化鋁，可以在導電體404的頂面及側面形成針孔少且厚度均勻的膜，所以可以防止導電體404的氧化。在本實施方式中，藉由ALD法形成氧化鋁。
接著，藉由光微影法對將成為氧化物418的氧化物、絕緣體412a及氧化物406c1進行加工，來形成氧化物418、絕緣體412及氧化物406c。在此，在通道長度方向上的剖面圖中，氧化物418的端部、絕緣體412的端部及氧化物406c的端部對齊，上述端部位於障壁膜417a1及障壁膜417a2上(參照圖13A、圖13B及圖13C)。
接著，形成絕緣體415。作為絕緣體415的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。絕緣體415較佳為具有比氧化物418更容易地使氧透過的功能。在本實施方式中，作為絕緣體415，藉由CVD法形成氧化矽。
接著，形成氧化物420及氧化物422。在形成氧化物420及氧化物422時，較佳為使用金屬氧化物，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。
作為氧化物420，藉由利用使用氧電漿的濺射法形成氧化鋁，可以將氧添加到絕緣體415。被添加的氧在絕緣體415中成為過量氧，藉由在形成氧化物420之後進行熱處理，該過量氧從絕緣體415藉由絕緣體402有效地添加到具有通道形成區域的氧化物406b，由此可以修復通道形成區域的缺陷。
作為氧化物422，藉由形成利用ALD法的氧化鋁膜，可以形成針孔少且厚度均勻的膜，所以可以防止氫等雜質從外方侵入。此外，也可以防止添加到氧化物422的氧擴散到外方。在本實施方式中，作為氧化物420藉由濺射法形成氧化鋁，作為氧化物422藉由ALD法形成氧化鋁。
接著，形成絕緣體410。作為絕緣體410的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。在本實施方式中，作為絕緣體410形成氧化矽。接著，也可以藉由CMP法對絕緣體410的頂面進行平坦化(參照圖14A、圖14B及圖14C)。
接著，藉由光微影法形成穿過絕緣體410、氧化物422、氧化物420、絕緣體415及障壁膜417a1到達導電體416a1的開口。將導電體填埋於該開口中來形成電極450。同時，形成穿過絕緣體410、氧化物422、氧化物420、絕 緣體415及障壁膜417a2到達導電體416a2的開口。將導電體填埋於該開口中來形成電極451(參照圖15A至圖15C)。
在形成開口時，也可以藉由如下步驟形成開口：在絕緣體410上形成導電體；還在該導電體上形成絕緣體；在該絕緣體上形成光阻遮罩；以該光阻遮罩為蝕刻遮罩進行導電體及絕緣體的加工；以導電體及絕緣體為蝕刻遮罩形成開口。
另外，作為將成為電極450及電極451的導電體的形成方法，可以利用濺射法、CVD法、MBE法、PLD法或ALD法等。另外，將成為電極450及電極451的導電體可以為多層結構。例如可以為具有抑制氧透過的功能的導電體和與該導電體不同的導電體的疊層結構。在本實施方式中藉由CVD法依次形成氮化鈦及鎢。藉由上述步驟，可以製造圖1A至圖1C所示的半導體裝置。
本實施方式可以與其他實施方式或實施例等所記載的結構適當地組合而實施。
實施方式3
本實施方式中，參照圖16至圖19說明半導體裝置的一個實施方式。圖16及圖17所示的半導體裝置包括電晶體300、電晶體200及電容器100。
電晶體200是在包括氧化物半導體的半導體層中形成通道的電晶體。電晶體200的關態電流小，所以藉由將其用於記憶體裝置，可以長期間保持儲存內容。換言之，因為不要更新工作，或者更新動作極少，所以可以充分降低記憶體裝置的功耗。
在圖16及圖17中，佈線3001與電晶體300的源極電連接，佈線3002與電晶體300的汲極電連接。另外，佈線3003與電晶體200的源極和汲極中的一個電連接，佈線3004與電晶體200的第一閘極電連接，佈線3006與電晶體200的第二閘極電連接。再者，電晶體300的閘極及電晶體200的源極和汲極中的另一個與電容器100的一個電極電連接，佈線3005與電容器100的另一個電極電連接。
圖16A至圖16C及圖17所示的半導體裝置藉由具有能夠保持電晶體300的閘極的電位的特徵，可以如下所示進行資料的寫入、保持以及讀出。
對資料的寫入及保持進行說明。首先，將佈線3004的電位設定為使電晶體200處於導通狀態的電位，而使電晶體200處於導通狀態。由此，佈線3003的電位施加到與電晶體300的閘極及電容器100的一個電極電連接的節點FG。換言之，對電晶體300的閘極施加規定的電荷(寫入)。這裡，施加賦予兩種不同電位位準的電荷(以下，稱為低位準電荷、高位準電荷)中的任一個。然後，藉由將佈線3004的電位設定為使電晶體200成為非導通狀態的電 位而使電晶體200處於非導通狀態，使電荷保持在節點FG(保持)。
在電晶體200的關態電流較小時，節點FG的電荷被長時間保持。
接著，對資料的讀出進行說明。當在對佈線3001供應規定的電位(恆電位)的狀態下對佈線3005供應適當的電位(讀出電位)時，佈線3002具有對應於保持在節點FG中的電荷量的電位。這是因為：在電晶體300為n通道電晶體的情況下，對電晶體300的閘極施加高位準電荷時的外觀上的臨界電壓Vth_H低於對電晶體300的閘極施加低位準電荷時的外觀上的臨界電壓Vth_L。在此，外觀上的臨界電壓是指為了使電晶體300成為“導通狀態”而需要的佈線3005的電位。由此，藉由將佈線3005的電位設定為Vth_H與Vth_L之間的電位V0，可以辨別施加到節點FG的電荷。例如，在寫入時節點FG被供應高位準電荷的情況下，若佈線3005的電位為V0(>Vth_H)，電晶體300則成為“導通狀態”。另一方面，當節點FG被供應低位準電荷時，即便佈線3005的電位為V0(<Vth_L)，電晶體300也保持“非導通狀態”。因此，藉由辨別佈線3002的電位，可以讀出節點FG所保持的資料。
〈半導體裝置的結構實例3〉
如圖16所示，本發明的一個實施方式的半導體裝置包括電晶體300、電晶體200、電容器100。電晶體200設置在電晶體300的上方，電容器100設置在電晶體300及電晶體200的上方。
電晶體300設置在基板311上，並包括：導電體316、絕緣體315、由基板311的一部分構成的半導體區域313；以及被用作源極區域或汲極區域的低電阻區域314a及低電阻區域314b。
在本實施方式中，將電晶體300作為n通道型電晶體進行說明，但是電晶體300可以為p通道型電晶體或n通道型電晶體。
半導體區域313的形成通道的區域或其附近的區域、被用作源極區域或汲極區域的低電阻區域314a及低電阻區域314b等較佳為包含矽類半導體等半導體，更佳為包含單晶矽。另外，也可以使用包含Ge(鍺)、SiGe(矽鍺)、GaAs(砷化鎵)、GaAlAs(鎵鋁砷)等的材料形成。可以使用對晶格施加應力，改變晶面間距而控制有效質量的矽。此外，電晶體300也可以是使用GaAs和GaAlAs等的HEMT(High Electron Mobility Transistor：高電子移動率電晶體)。
在低電阻區域314a及低電阻區域314b中，除了應用於半導體區域313的半導體材料之外，還包含砷、磷等賦予n型導電性的元素或硼等賦予p型導電性的元素。
作為被用作閘極電極的導電體316，可以使用包含砷、磷等賦予n型導電性的元素或硼等賦予p型導電性的元素的矽等半導體材料、金屬材料、合金材料或金屬氧化物材料等導電材料。
另外，藉由根據導電體的材料設定功函數，可以調整臨界電壓。明確而言，作為導電體較佳為使用氮化鈦或氮化鉭等材料。為了兼具導電性和埋入性，作為導電體較佳為使用鎢或鋁等金屬材料的疊層，尤其在耐熱性方面上較佳為使用鎢。
注意，圖16所示的電晶體300的結構只是一個例子，不侷限於上述結構，根據電路結構或驅動方法使用適當的電晶體即可。
以覆蓋電晶體300的方式依次層疊有絕緣體320、絕緣體322、絕緣體324及絕緣體326。
作為絕緣體320、絕緣體322、絕緣體324及絕緣體326，例如可以使用氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氧氮化鋁、氮氧化鋁及氮化鋁等。
絕緣體322也可以被用作使因設置在其下方的電晶體300等而產生的步階平坦化的平坦化膜。例如，為了提高絕緣體322的頂面的平坦性，其頂面也可以藉由利用化學機械拋光(CMP)法等的平坦化處理被平坦化。
作為絕緣體324，較佳為使用能夠防止氫或雜質從基板311或電晶體300等擴散到設置有電晶體200的區域中的具有阻擋性的膜。
作為對氫具有阻擋性的膜的一個例子，例如可以使用藉由CVD法形成的氮化矽。在此，有時氫擴散到電晶體200等具有氧化物半導體的半導體元件中導致該半導體元件的特性下降。因此，較佳為在電晶體200與電晶體300之間設置抑制氫的擴散的膜。明確而言，抑制氫的擴散的膜是指氫的脫離量少的膜。
氫的脫離量例如可以利用熱脫附譜分析法等測量。例如，在TDS分析中的50℃至500℃的範圍內，當將換算為氫原子的脫離量換算為絕緣體324的每個面積的量時，絕緣體324中的氫的脫離量為10×1015atoms/cm2以下，較佳為5×1015atoms/cm2以下，即可。
注意，絕緣體326的相對介電常數較佳為比絕緣體324低。例如，絕緣體326的相對介電常數較佳為低於4，更佳為低於3。例如，絕緣體326的相對介電常數較佳為絕緣體324的相對介電常數的0.7倍以下，更佳為0.6倍以下。藉由將相對介電常數低的材料用於層間膜，可以減小產生在佈線之間的寄生電容。
另外，在絕緣體320、絕緣體322、絕緣體324及絕緣體326中埋入與電容器100或電晶體200電連接的導電體328、導電體330等。另外，導電體328及導電體330被用作電極或佈線。注意，有時使用同一元件符號表示被用作電極或佈線的多個導電體。此外，在本說明書等中，佈線、與佈線電連接 的電極也可以是一個組件。就是說，導電體的一部分有時被用作佈線，並且導電體的一部分有時被用作電極。
作為各電極及佈線(導電體328及導電體330等)的材料，可以使用金屬材料、合金材料、金屬氮化物材料或金屬氧化物材料等導電材料的單層或疊層。明確而言，較佳為使用兼具耐熱性和導電性的鎢或鉬等高熔點材料，尤其較佳為使用鎢。或者，較佳為使用鋁或銅等低電阻導電材料。藉由使用低電阻導電材料可以降低佈線電阻。
此外，也可以在絕緣體326及導電體330上形成佈線層。例如，在圖16中，依次層疊有絕緣體350、絕緣體352及絕緣體354。另外，在絕緣體350、絕緣體352及絕緣體354中形成有導電體356。導電體356被用作電極或佈線。此外，導電體356可以使用與導電體328及導電體330同樣的材料形成。
另外，與絕緣體324同樣，絕緣體350例如較佳為使用對氫具有阻擋性的絕緣體。此外，導電體356較佳為包含對氫具有阻擋性的導電體。尤其是，在對氫具有阻擋性的絕緣體350所具有的開口部中形成對氫具有阻擋性的導電體。藉由採用該結構，可以使障壁層將電晶體300與電晶體200分離，從而可以抑制氫從電晶體300擴散到電晶體200中。
注意，作為對氫具有阻擋性的導電體，例如較佳為使用氮化鉭等。另外，藉由層疊氮化鉭和導電性高的鎢，可以在保持作為佈線的導電性的狀 態下抑制氫從電晶體300擴散。此時，對氫具有阻擋性的氮化鉭層較佳為與對氫具有阻擋性的絕緣體350接觸。
此外，也可以在絕緣體350及導電體356上形成佈線層。例如，在圖16中，依次層疊有絕緣體360、絕緣體362及絕緣體364。另外，在絕緣體360、絕緣體362及絕緣體364中形成有導電體366。導電體366被用作電極或佈線。此外，導電體366可以使用與導電體328及導電體330同樣的材料形成。
另外，與絕緣體324同樣，絕緣體360例如較佳為使用對氫具有阻擋性的絕緣體。此外，導電體366較佳為包含對氫具有阻擋性的導電體。尤其是，在對氫具有阻擋性的絕緣體360所具有的開口部中形成對氫具有阻擋性的導電體。藉由採用該結構，可以使障壁層將電晶體300與電晶體200分離，從而可以抑制氫從電晶體300擴散到電晶體200中。
此外，也可以在絕緣體364及導電體366上形成佈線層。例如，在圖16中，依次層疊有絕緣體370、絕緣體372及絕緣體374。另外，在絕緣體370、絕緣體372及絕緣體374中形成有導電體376。導電體376被用作電極或佈線。此外，導電體376可以使用與導電體328及導電體330同樣的材料形成。
另外，與絕緣體324同樣，絕緣體370例如較佳為使用對氫具有阻擋性的絕緣體。此外，導電體376較佳為包含對氫具有阻擋性的導電體。尤其是，在對氫具有阻擋性的絕緣體370所具有的開口部中形成對氫具有阻擋性的 導電體。藉由採用該結構，可以使障壁層將電晶體300與電晶體200分離，從而可以抑制氫從電晶體300擴散到電晶體200中。
此外，也可以在絕緣體374及導電體376上形成佈線層。例如，在圖16中，依次層疊有絕緣體380、絕緣體382及絕緣體384。另外，在絕緣體380、絕緣體382及絕緣體384中形成有導電體386。導電體386被用作電極或佈線。此外，導電體386可以使用與導電體328及導電體330同樣的材料形成。
另外，與絕緣體324同樣，絕緣體380例如較佳為使用對氫具有阻擋性的絕緣體。此外，導電體386較佳為包含對氫具有阻擋性的導電體。尤其是，在對氫具有阻擋性的絕緣體380所具有的開口部中形成對氫具有阻擋性的導電體。藉由採用該結構，可以使障壁層將電晶體300與電晶體200分離，從而可以抑制氫從電晶體300擴散到電晶體200中。
在絕緣體384上依次層疊有絕緣體210、絕緣體212、絕緣體214及絕緣體301。作為絕緣體210、絕緣體212、絕緣體214和絕緣體301中的任何一個，較佳為使用對氧或氫具有阻擋性的物質。
作為絕緣體210及絕緣體214，例如較佳為使用能夠防止氫或雜質從設置有基板311或電晶體300的區域等擴散到設置有電晶體200的區域中的具有阻擋性的膜。因此，上述膜可以使用與絕緣體324同樣的材料。
作為對氫具有阻擋性的膜的一個例子，可以使用藉由CVD法形成的氮化矽。在此，有時氫擴散到電晶體200等具有氧化物半導體的半導體元件中導致該半導體元件的特性下降。因此，較佳為在電晶體200與電晶體300之間設置抑制氫的擴散的膜。明確而言，抑制氫的擴散的膜是指氫的脫離量少的膜。
例如，作為對氫具有阻擋性的膜，絕緣體210及絕緣體214較佳為使用氧化鋁、氧化鉿、氧化鉭等金屬氧化物。
尤其是，氧化鋁的不使膜透過氧及導致電晶體特性變動的氫、水分等雜質的阻擋效果高。因此，在電晶體的製程中及製程之後，氧化鋁可以防止氫、水分等雜質混入電晶體200中。另外，氧化鋁可以抑制氧從構成電晶體200的氧化物釋放。因此，氧化鋁適合用作電晶體200的保護膜。
例如，作為絕緣體212及絕緣體301，可以使用與絕緣體320同樣的材料。藉由將相對介電常數比較低的材料用於層間膜，可以減小產生在佈線之間的寄生電容。例如，作為絕緣體212及絕緣體301，可以使用氧化矽膜和氧氮化矽膜等。
另外，在絕緣體210、絕緣體212、絕緣體214及絕緣體301中埋入有導電體218、構成電晶體200的導電體(導電體310)等。此外，導電體218具有與電容器100或電晶體300電連接的電極或佈線的功能。此外，導電體218 可以使用與導電體328及導電體330同樣的材料形成。
尤其是，與絕緣體210及絕緣體214接觸的區域的導電體310較佳為對氧、氫及水具有阻擋性的導電體。藉由採用該結構，可以使對氧、氫及水具有阻擋性的層將電晶體300與電晶體200分離，從而可以抑制氫從電晶體300擴散到電晶體200中。
在絕緣體214的上方設置有電晶體200。作為電晶體200，可以採用在上述實施方式中說明的半導體裝置所包括的電晶體的結構。注意，圖16所示的電晶體200的結構只是一個例子，不侷限於上述結構，根據電路結構或驅動方法使用適當的電晶體即可。
在電晶體200的上方設置絕緣體415。在絕緣體415中，較佳為形成過量氧區域。尤其是，在將氧化物半導體用於電晶體200時，作為電晶體200附近的層間膜等形成具有過量氧區域的絕緣體，可以減少電晶體200所包括的氧化物406a、氧化物406b以及氧化物406c中的氧缺陷，而可以提高電晶體200的可靠性。
作為具有過量氧區域的絕緣體，明確而言，較佳為使用由於加熱而一部分的氧脫離的氧化物材料。藉由加熱使氧脫離的氧化物是指在TDS分析中換算為氧分子的氧的脫離量為1.0×1014molecules/cm2以上，較佳為1.0×1015molecules/cm2以上的氧化物膜。注意，上述TDS分析時的膜的表面 溫度較佳為100℃以上且700℃以下或100℃以上且500℃以下。
例如，作為這種材料，較佳為使用包含氧化矽或氧氮化矽的材料。另外，也可以使用金屬氧化物。注意，在本說明書中，“氧氮化矽”是指在其組成中氧含量多於氮含量的材料，而“氮氧化矽”是指在其組成中氮含量多於氧含量的材料。
在絕緣體415上設置有氧化物420。作為氧化物420較佳為使用對氧或氫具有阻擋性的物質。例如，作為氧化物420較佳為使用氧化鋁、氧化鉿、氧化鉭等金屬氧化物。
尤其是，氧化鋁的不使膜透過氧及導致電晶體特性變動的氫、水分等雜質的阻擋效果高。因此，在電晶體的製程中及製程之後，氧化鋁可以防止氫、水分等雜質混入電晶體200中。另外，氧化鋁可以抑制氧從構成電晶體200的氧化物釋放。因此，氧化鋁適合用作電晶體200的保護膜。
另外，作為氧化物420較佳為使用藉由濺射法形成的金屬氧化物，例如較佳為使用氧化鋁。藉由使用這種氧化物420，可以透過氧化物420與絕緣體415的接觸面對絕緣體415供應氧，使絕緣體415成為具有氧過剩的絕緣體。
另外，在氧化物420上設置有氧化物422。作為氧化物422可以使用金屬 氧化物。例如，作為氧化物422，藉由利用ALD法形成氧化鋁，可以形成針孔少且厚度均勻的膜，所以可以防止氫等雜質從外方侵入。
另外，在氧化物422上設置有絕緣體410。藉由將相對介電常數比較低的材料用於層間膜，可以減小產生在佈線之間的寄生電容。例如，作為絕緣體410，可以使用氧化矽膜和氧氮化矽膜等。
另外，絕緣體415、氧化物420、氧化物422及絕緣體410中埋入電極450及電極451。另外，在絕緣體302、絕緣體303、絕緣體402、絕緣體415、氧化物420、氧化物422及絕緣體410中埋入電極452。
電極450、電極451及電極452被用作與電容器100、電晶體200或電晶體300電連接的電極或佈線。電極450、電極451及電極452可以使用與導電體328及導電體330同樣的材料形成。在此，各電極450、電極451及電極452中的分別與絕緣體415接觸的接觸面積大致相同。
接著，在電晶體200的上方設置有電容器100。電容器100包括導電體110、導電體120及絕緣體130。
另外，也可以在電極450上設置有導電體112。此外，導電體112被用作與電晶體200或電晶體300電連接的電極或佈線。導電體110被用作電容器100中的一個電極。此外，可以同時形成導電體112及導電體110。
作為導電體112及導電體110可以使用包含選自鉬、鈦、鉭、鎢、鋁、銅、鉻、釹、鈧中的元素的金屬膜或以上述元素為成分的金屬氮化物膜(氮化鉭膜、氮化鈦膜、氮化鉬膜、氮化鎢膜)等。另外，也可以使用銦錫氧化物、包含氧化鎢的銦氧化物、包含氧化鎢的銦鋅氧化物、包含氧化鈦的銦氧化物、包含氧化鈦的銦錫氧化物、銦鋅氧化物、添加有氧化矽的銦錫氧化物等的導電材料。
在圖16中示出了導電體112及導電體110為單層結構，但是不侷限於此，也可以具有兩層以上的疊層結構。例如，也可以在具有阻擋性的導電體與導電性高的導電體之間形成具有阻擋性的導電體以及與導電性高的導電體之間的密接性高的導電體。
此外，在導電體112及導電體110上作為電容器100的介電質設置絕緣體130。絕緣體130例如可以使用氧化矽、氧氮化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氧氮化鋁、氮氧化鋁、氮化鋁、氧化鉿、氧氮化鉿、氮氧化鉿、氮化鉿等的疊層或單層。
例如，絕緣體130可以使用氧氮化矽等介電強度高的材料。藉由採用該結構，電容器100包括絕緣體130，增大介電強度，可以抑制電容器100的靜電破壞。
在絕緣體130上以與導電體110重疊的方式設置導電體120。導電體120具有電容器100中的一個電極的功能。作為導電體120可以使用金屬材料、合金材料、金屬氧化物材料等導電材料。較佳為使用兼具耐熱性和導電性的鎢或鉬等高熔點材料，尤其較佳為使用鎢。當與導電體等其他組件同時形成導電體120時，使用作為低電阻金屬材料的Cu(銅)或Al(鋁)等即可。
在導電體120及絕緣體130上設置有絕緣體150。作為絕緣體150可以使用與絕緣體320同樣的材料。另外，絕緣體150可以被用作覆蓋其下方的凹凸形狀的平坦化膜。
另外，在絕緣體150及絕緣體130中埋入導電體156。導電體156具有透過導電體112與電極450電連接的電極的功能。另外，導電體156也與導電體120電連接。
在導電體156上設置有導電體166。導電體166具有佈線的功能。另外，在導電體166上設置有絕緣體160。作為絕緣體160可以使用與絕緣體320同樣的材料。或者，也可以使用有機樹脂膜。
以上是對半導體裝置的結構的一個例子的說明。藉由採用本結構，在使用具有氧化物半導體的電晶體的半導體裝置中，可以抑制電特性的變動並提高可靠性。另外，可以提供一種通態電流大的包含氧化物半導體的電晶體。另外，可以提供一種關態電流小的包含氧化物半導體的電晶體。另 外，可以提供一種功耗得到降低的半導體裝置。
〈半導體裝置的變形例子〉
另外，圖17示出本實施方式的一個變形例子。圖17與圖16的不同之處是電晶體300的結構。
在圖17所示的電晶體300中，形成通道的半導體區域313(基板311的一部分)具有凸形狀。另外，以隔著絕緣體315覆蓋半導體區域313的側面及頂面的方式設置導電體316。另外，導電體316可以使用調整功函數的材料。因為利用半導體基板的凸部，所以這種電晶體300也被稱為FIN型電晶體。另外，也可以以與凸部的上部接觸的方式具有被用作形成凸部的遮罩的絕緣體。此外，雖然在此示出對半導體基板的一部分進行加工來形成凸部的情況，但是也可以對SOI基板進行加工來形成具有凸部的半導體膜。
以上是對變形例的說明。藉由採用本結構，在使用具有氧化物半導體的電晶體的半導體裝置中，可以抑制電特性的變動並提高可靠性。另外，可以提供一種通態電流大的包含氧化物半導體的電晶體。另外，可以提供一種關態電流小的包含氧化物半導體的電晶體。另外，可以提供一種功耗得到降低的半導體裝置。
〈記憶單元陣列的結構實例〉
圖18示出本實施方式的記憶單元陣列的一個例子。藉由將圖16及圖17 所示的半導體裝置配置為矩陣狀，可以構成記憶單元陣列。圖18是取出將圖17所示的記憶體裝置配置為矩陣狀的情況下的行的一部分的剖面圖。
在圖18中，在同一行中設置包括電晶體300、電晶體200及電容器100的半導體裝置以及包括電晶體340、電晶體201及電容器101的半導體裝置。
如圖18所示，記憶單元陣列包括多個電晶體(在圖式中電晶體200及電晶體201)。
注意，當將記憶單元設置為陣列狀時，在讀出時必須讀出所希望的記憶單元的資料。例如，記憶單元陣列具有NOR型結構的情況下，藉由使不讀出資料的記憶單元的電晶體300成為非導通狀態，能夠僅讀出所希望的記憶單元中的資料。在此情況下，可以對與不讀出資料的記憶單元連接的佈線3005供應不管施加到節點FG的電荷如何都使電晶體300處於“非導通狀態”的電位，亦即低於Vth_H的電位。或者，例如，記憶單元陣列具有NAND型結構的情況下，藉由使不讀出資料的記憶單元的電晶體300成為導通狀態，能夠僅讀出所希望的記憶單元中的資料。在此情況下，可以對與不讀出資料的記憶單元連接的佈線3005供應不管施加到節點FG的電荷如何都使電晶體300處於“導通狀態”的電位，亦即高於Vth_L的電位。
〈記憶體裝置的結構實例〉
圖19示出使用本發明的一個實施方式的半導體裝置的記憶體裝置的一 個例子。
圖19所示的記憶體裝置除了包括圖16所示的電晶體200、電晶體300及電容器100的半導體裝置以外還包括電晶體345。
電晶體345可以控制電晶體200的第二閘極電壓。例如，採用使電晶體345的第一閘極及第二閘極與源極進行二極體連接並使電晶體345的源極與電晶體200的第二閘極連接的結構。當在該結構中保持電晶體200的第二閘極的負電位時，電晶體345的第一閘極與源極間的電壓及第二閘極與源極間的電壓成為0V。在電晶體345中，由於第二閘極電壓及第一閘極電壓為0V時的汲極電流非常小，所以即使不向電晶體200及電晶體345供應電源，也可以長時間保持電晶體200的第二閘極的負電位。由此，包括電晶體200及電晶體345的記憶體裝置可以長期間保持存儲內容。
因此，在圖19中，佈線3001與電晶體300的源極電連接，佈線3002與電晶體300的汲極電連接。另外，佈線3003與電晶體200的源極和汲極中的一個電連接，佈線3004與電晶體200的閘極電連接，佈線3006與電晶體200的第二閘極電連接。再者，電晶體300的閘極及電晶體200的源極和汲極中的另一個與電容器100的一個電極電連接，佈線3005與電容器100的另一個電極電連接。佈線3007與電晶體345的源極電連接，佈線3008與電晶體345的第二閘極電連接，佈線3009與電晶體345的背閘極電連接，佈線3010與電晶體345的汲極電連接。在此，佈線3006、佈線3007、佈線3008及佈線3009電 連接。
圖19所示的記憶體裝置藉由具有能夠保持電晶體300的閘極的電位的特徵，可以如下所示那樣進行資料的寫入、保持以及讀出。
另外，藉由圖19所示的記憶體裝置與圖16所示的記憶體裝置同樣地配置為矩陣狀，可以構成記憶單元陣列。一個電晶體345可以控制多個電晶體200中的第二閘極電壓。因此，電晶體345的個數可以少於電晶體200的個數。
電晶體345形成在與電晶體200相同的層中，由此可以同時進行製造。電晶體345包括：被用作第一閘極電極的導電體460(導電體460a及導電體460b)；被用作第二閘極電極的導電體405(導電體405a及導電體405b)；與導電體460接觸的障壁層470；被用作閘極絕緣層的絕緣體302、絕緣體303、絕緣體402及絕緣體455；包括形成通道的區域的氧化物430c；被用作源極和汲極中的一個的導電體440b、氧化物431a及氧化物431b；被用作源極和汲極中的另一個的導電體440a、氧化物432a及氧化物432b；以及障壁層445(障壁層445a、及障壁層445b)。
在電晶體345中，導電體405是與導電體310相同的層。氧化物431a及氧化物432a是與氧化物406a相同的層，氧化物431b及氧化物432b是與氧化物406b相同的層。導電體440a及導電體440b與導電體416a1及導電體416a2相同的層。氧化物430c是與氧化物406c相同的層。絕緣體455是與絕緣體412相同 的層。導電體460是與導電體404相同的層。障壁層470是與氧化物418相同的層。
與氧化物406a、氧化物406b及氧化物406c同樣，在被用作電晶體345的活性層的氧化物430c中，減少了氧缺陷和氫或水等雜質。因此，可以使電晶體345的臨界電壓大於0V，減少關態電流，使第二閘極電壓及第一閘極電壓為0V時的汲極電流非常小。
對當將大面積基板按每個半導體元件分割而得到晶片形狀的多個半導體裝置時設置的切割線(也稱為分割線、分離線或截斷線)進行說明。作為分割方法，例如，有時，首先在基板中形成用來分離半導體元件的槽(切割線)之後，在切割線處截斷，得到被分離(被分割)的多個半導體裝置。例如，圖19所示的結構500示出切割線附近的剖面圖。
例如，如結構500所示，在與設置在包括電晶體200或電晶體345的記憶單元的邊緣的切割線重疊的區域附近，在絕緣體415、絕緣體402、絕緣體303、絕緣體302以及絕緣體216中設置開口。另外，以覆蓋絕緣體415、絕緣體402、絕緣體303、絕緣體302以及絕緣體216的各側面的方式設置氧化物420。
也就是說，在該開口中，絕緣體210與氧化物420接觸。此時，藉由作為絕緣體210和氧化物420使用相同材料及相同方法形成，可以提高密接 性。例如，可以使用氧化鋁。
藉由採用該結構，可以使絕緣體210及氧化物420包圍絕緣體415、電晶體200及電晶體345。絕緣體210及氧化物420由於具有抑制氧、氫及水的擴散的功能，所以即使如本實施方式所示那樣按形成有多個半導體元件的電路區域將基板分來加工為多個晶片，也可以防止從截斷的基板的側面方向混入氫或水等雜質且該雜質擴散到電晶體200或電晶體345。
另外，藉由採用該結構，可以防止絕緣體415所包含的過量氧向氧化物420的外側擴散。因此，絕緣體415中的過量氧高效地被供應到電晶體200或電晶體345中形成通道的氧化物中。該氧可以減少在電晶體200或電晶體345中形成通道的氧化物的氧缺陷。由此，可以使在電晶體200或電晶體345中形成通道的氧化物成為缺陷態密度低且具有穩定的特性的氧化物半導體。也就是說，可以在抑制電晶體200或電晶體345的電特性變動的同時提高可靠性。另外，可以提供一種通態電流大的包含氧化物半導體的電晶體。另外，可以提供一種關態電流小的包含氧化物半導體的電晶體。另外，可以提供一種功耗得到降低的半導體裝置。
本實施方式可以與其他實施方式或實施例等所記載的結構適當地組合而實施。
實施方式4
在本實施方式中，參照圖20A、圖20B以及圖21A、圖21B說明半導體裝置的一個實施方式。
〈半導體晶圓、晶片〉
圖20A示出進行切割處理之前的基板711的俯視圖。作為基板711，例如可以使用半導體基板(也稱為“半導體晶圓”)。在基板711上設置有多個電路區域712。在電路區域712中，可以設置根據本發明的一個實施方式的半導體裝置等。
多個電路區域712的每一個都被分離區域713圍繞。分離線(也稱為“切割線”)714位於與分離區域713重疊的位置上。藉由沿著分離線714切割基板711，可以從基板711切割出包括電路區域712的晶片715。圖20B示出晶片715的放大圖。
另外，也可以在分離區域713上設置導電層或半導體層等。藉由在分離區域713上設置導電層或半導體層等，可以緩和可能在切割製程中產生的ESD，而防止起因於切割製程的良率下降。另外，一般來說，為了冷卻基板、去除刨花、防止帶電等，一邊將溶解有碳酸氣體等以降低了其電阻率的純水供應到切削部一邊進行切割製程。藉由在分離區域713上設置導電層或半導體層等，可以減少該純水的使用量。因此，可以降低半導體裝置的生產成本。另外，可以提高半導體裝置的生產率。
〈電子構件〉
參照圖21A及圖21B對使用晶片715的電子構件的一個例子進行說明。注意，電子構件也被稱為半導體封裝或IC用封裝。電子構件根據端子取出方向和端子的形狀等存在多個規格和名稱等。
在組裝製程(後製程)中組合上述實施方式所示的半導體裝置與該半導體裝置之外的構件，來完成電子構件。
參照圖21A所示的流程圖對後製程進行說明。在前製程中，將根據本發明的一個實施方式的半導體裝置等形成在基板711上之後，進行研磨基板711的背面(沒有形成半導體裝置等的面)的“背面研磨製程”(步驟S721)。藉由進行研磨來使基板711變薄，可以實現電子構件的小型化。
接著，進行將基板711分成多個晶片715的“切割(dicing)製程”(步驟S722)。並且，進行將被分離的晶片715接合於各引線框架上的晶片接合(die bonding)製程(步驟S723)。晶片接合製程中的晶片715與引線框架的接合可以適當地根據產品選擇合適的方法，如利用樹脂的接合或利用膠帶的接合等。另外，也可以在插入物(interposer)基板上安裝晶片715代替引線框架。
接著，進行將引線框架的引線與晶片715上的電極藉由金屬細線(wire) 電連接的“打線接合(wire bonding)製程”(步驟S724)。作為金屬細線可以使用銀線或金線等。此外，打線接合例如可以使用球焊(ball bonding)或楔焊(wedge bonding)。
進行由環氧樹脂等密封被打線接合的晶片715的“密封製程(模塑(molding)製程)”(步驟S725)。藉由進行密封製程，使電子構件的內部被樹脂填充，可以保護將晶片715與引線連接的金屬細線免受機械外力的影響，還可以降低因水分或灰塵等而導致的特性劣化(可靠性的降低)。
接著，進行對引線框架的引線進行電鍍處理的“引線電鍍製程”(步驟S726)。藉由該電鍍處理可以防止引線生銹，而在後面將引線安裝於印刷電路板時，可以更加確實地進行銲接。接著，進行引線的切斷及成型加工的“成型製程”(步驟S727)。
接著，進行對封裝表面實施印字處理(marking)的“印字製程”(步驟S728)。並且經過調查外觀形狀的優劣或工作故障的有無等的“檢驗步驟”(步驟S729)完成電子構件。
圖21B示出完成的電子構件的透視示意圖。在圖21B中，作為電子構件的一個例子，示出QFP(Quad Flat Package：四面扁平封裝)的透視示意圖。圖21B所示的電子構件750包括引線755及晶片715。電子構件750也可以包括多個晶片715。
圖21B所示的電子構件750例如安裝於印刷電路板752。藉由組合多個這樣的電子構件750並使其在印刷電路板752上彼此電連接，來完成安裝有電子構件的基板(電路板754)。完成的電路板754用於電子裝置等。
本實施方式可以與其他實施方式或實施例等所記載的結構適當地組合而實施。
實施方式5
根據本發明的一個實施方式的半導體裝置可以用於各種電子裝置。
〈電子裝置〉
圖22A至圖22F示出使用根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的電子裝置的具體例子。
圖22A是示出汽車的一個例子的外觀圖。汽車2980包括車體2981、車輪2982、儀表板2983及燈2984等。另外，汽車2980具有天線、電池等。
圖22B所示的資訊終端2910在外殼2911中包括顯示部2912、麥克風2917、揚聲器部2914、照相機2913、外部連接部2916及操作開關2915等。顯示部2912設置有使用撓性基板的顯示面板及觸控面板。另外，資訊終端 2910在外殼2911的內側具有天線、電池等。資訊終端2910例如可以被用作智慧手機、行動電話、平板資訊終端、平板電腦或電子書閱讀器終端等。
圖22C所示的膝上型個人電腦2920包括外殼2921、顯示部2922、鍵盤2923及指向裝置2924等。另外，膝上型個人電腦2920在外殼2921的內側具有天線、電池等。
圖22D所示的攝影機2940包括外殼2941、外殼2942、顯示部2943、操作開關2944、鏡頭2945及連接部2946等。操作開關2944及鏡頭2945設置在外殼2941中，顯示部2943設置在外殼2942中。另外，攝影機2940在外殼2941的內側具有天線、電池等。並且，外殼2941和外殼2942由連接部2946連接，由連接部2946可以改變外殼2941和外殼2942之間的角度。另外，可以根據外殼2942與外殼2941所形成的角度而改變顯示在顯示部2943中的影像的方向並切換影像的顯示/非顯示。
圖22E示出手鐲型資訊終端的一個例子。資訊終端2950包括外殼2951及顯示部2952等。另外，資訊終端2950在外殼2951的內側具有天線、電池等。顯示部2952由具有曲面的外殼2951支撐。因為顯示部2952具備使用撓性基板的顯示面板，所以可以提供一種具有撓性、輕量且方便性良好的資訊終端2950。
圖22F示出手錶型資訊終端的一個例子。資訊終端2960包括外殼2961、 顯示部2962、腕帶2963、錶扣2964、操作開關2965、輸入輸出端子2966等。另外，資訊終端2960在外殼2961的內側具有天線、電池等。資訊終端2960可以執行行動電話、電子郵件、文章的閱讀及編寫、音樂播放、網路通訊、電腦遊戲等各種應用程式。
顯示部2962的顯示面彎曲，能夠沿著彎曲的顯示面進行顯示。另外，顯示部2962具備觸控感測器，可以用手指或觸控筆等觸摸螢幕來進行操作。例如，藉由觸摸顯示於顯示部2962的圖示2967，可以啟動應用程式。操作開關2965除了時刻設定之外，還可以具有電源開關、無線通訊的開關、靜音模式的設置及取消、省電模式的設置及取消等各種功能。例如，藉由利用組裝在資訊終端2960中的作業系統，也可以設定操作開關2965的功能。
另外，資訊終端2960可以執行依據通訊標準的近距離無線通訊。例如，藉由與可無線通訊的耳麥通訊，可以進行免提通話。另外，資訊終端2960具備輸入輸出端子2966，可以藉由連接器直接與其他資訊終端進行資料的交換。另外，也可以藉由輸入輸出端子2966進行充電。另外，充電動作也可以利用無線供電進行，而不藉由輸入輸出端子2966進行。
例如，使用本發明的一個實施方式的半導體裝置的記憶體裝置可以在長期間保持上述電子裝置的控制資料和控制程式等。藉由使用根據本發明的一個實施方式的半導體裝置，可以實現高可靠性的電子裝置。
本實施方式可以與其他實施方式或實施例等所記載的結構適當地組合而實施。
實施例1
在本實施例中，製造圖1A至圖1C所示的半導體裝置。另外，作為該半導體裝置的樣本，使用四個樣本。測量各樣本的電晶體特性之後，進行追加的熱處理，評價熱處理時間對電晶體特性所造成的影響。
半導體裝置藉由如下步驟製造。在單晶矽晶圓上藉由熱氧化法形成厚度為400nm的氧化矽膜。接著，藉由濺射法形成厚度為40nm的第一氧化鋁膜。
接著，藉由CVD法在第一氧化鋁膜上形成厚度為150nm的第一氧氮化矽膜，藉由濺射法在第一氧氮化矽膜上形成厚度為35nm的第一鎢膜。接著，藉由光微影法對第一鎢膜進行加工，來形成包括第一鎢膜的硬遮罩。
接著，使用上述硬遮罩對第一氧氮化矽膜進行加工，來形成到達第一氧化鋁膜的槽。接著，藉由濺射法在該槽中形成第一氮化鉭膜，藉由ALD法及CVD法在第一氮化鉭膜上形成第一氮化鈦膜以及第二鎢膜。接著，藉由第一CMP處理，直到到達第一氧氮化矽膜的頂面為止對第二鎢膜、第一氮化鈦膜、第一氮化鉭膜及第一鎢膜進行拋光，在槽中埋入第二鎢膜、第 一氮化鈦膜、第一氮化鉭膜，由此形成佈線層及第二閘極電極。
接著，藉由CVD法形成厚度為10nm的第二氧氮化矽膜。藉由ALD法形成厚度為20nm的氧化鉿膜。藉由CVD法形成厚度為30nm的第三氧氮化矽膜。第二氧氮化矽膜、氧化鉿膜及第三氧氮化矽膜具有第二閘極絕緣膜的功能。接著，進行第一熱處理。作為第一熱處理，在包含氮的氛圍下以400℃進行1小時的處理，接下來在包含氧的氛圍下以400℃進行1小時的處理。
接著，作為第一氧化物(S1)藉由濺射法形成厚度為5nm的In-Ga-Zn氧化物。S1的形成條件為如下：使用In：Ga：Zn=1：3：4[原子個數比]的靶材；氧氣體流量為45sccm；壓力為0.7Pa；基板溫度為200℃。
接著，在S1上作為第二氧化物(S2)藉由濺射法形成厚度為15nm的In-Ga-Zn氧化物。S2的形成條件為如下：使用In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子個數比]的靶材；氬氣體流量為40sccm；氧氣體流量為5sccm；壓力為0.7Pa；基板溫度為130℃。
接著，進行第二熱處理。作為第二熱處理，在包含氮的氛圍下以400℃進行1小時的處理，接下來在包含氧的氛圍下以400℃進行1小時的處理。
接著，藉由濺射法在S2上形成厚度為20nm的第二氮化鉭膜。接著，藉由ALD法在第二氮化鉭膜上形成厚度為5nm的第二氧化鋁膜。接著，藉由濺 射法在第二氧化鋁膜上形成厚度為15nm的第三氮化鉭膜。
接著，藉由光微影法對被形成通道的部分的第三氮化鉭膜進行蝕刻。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。接著，用氧電漿去除該光阻遮罩。
接著，藉由光微影法形成光阻遮罩，對第三氮化鉭膜、第二氧化鋁膜以及第二氮化鎢膜進行蝕刻，用氧電漿去除該光阻遮罩，對被形成通道的部分的第二氧化鋁膜進行蝕刻。接著，對S2及S1的不要部分依次進行蝕刻。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。
接著，對被形成通道的部分的第二氮化鉭膜進行蝕刻。在該蝕刻中，第二氧化鋁膜上的第三鉭膜也同時被蝕刻。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。
接著，作為第三氧化物(S3)藉由濺射法形成厚度為5nm的In-Ga-Zn氧化物。S3的形成條件為如下：使用In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子個數比]的靶材；氧氣體流量為45sccm；壓力為0.7Pa；基板溫度為130℃。
接著，藉由CVD法形成厚度為10nm的被具有第一閘極氧化膜的功能的第四氧氮化矽膜。
接著，藉由濺射法形成厚度為10nm的第二氮化鈦膜，藉由濺射法在第二氮化鈦膜上形成厚度為30nm的第三鎢膜。此外，連續形成第二氮化鈦膜 及第三鎢膜。
藉由光微影法依次對第三鎢膜及第二氮化鈦膜進行蝕刻來形成閘極電極。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。
接著，藉由ALD法形成厚度為7nm的第三氧化鋁膜。基板溫度設定為250℃。
接著，藉由光微影法形成光阻遮罩，對第三氧化鋁膜的一部分及第四氧氮化矽膜的一部分進行蝕刻。作為第三氧化鋁膜的蝕刻使用濕蝕刻法，作為第四氧氮化矽膜的蝕刻使用乾蝕刻法。接著，在去除該光阻遮罩之後對S3進行蝕刻。在S3的蝕刻中，使用稀磷酸液。
接著，藉由CVD法形成第五氧氮化矽膜。樣本A的厚度為10nm，樣本B的厚度為30nm，樣本C的厚度為60nm，樣本D的厚度為100nm。第五氧氮化矽膜相當於圖1B中的絕緣體415。
接著，藉由濺射法，形成厚度為35nm的第四氧化鋁膜，該第四氧化鋁膜的形成條件為如下：氬氣體流量為25sccm；氧氣體流量為25sccm；壓力為0.4Pa；基板溫度為250℃。
接著，藉由ALD法在第四氧化鋁膜上形成厚度為5nm的第五氧化鋁膜。 基板溫度設定為250℃。
接著，進行第三熱處理。作為第三熱處理，在包含氧的氛圍下以350℃的溫度進行1小時的處理。
接著，藉由CVD法形成厚度為350nm的第六氧氮化矽膜。接著，進行第二CMP處理對第六氧氮化矽膜進行拋光，來使第六氧氮化矽膜的表面平坦化。
接著，藉由濺射法形成厚度為90nm的第四鎢膜。接著，藉由CVD法形成厚度為130nm的氮化矽膜。
接著，藉由光微影法對氮化矽膜及第四鎢膜進行加工，來形成包括氮化矽膜及第四鎢膜的硬遮罩。接著，以該硬遮罩為蝕刻遮罩形成到達第二鎢膜(第二閘極電極)的接觸孔、到達第三鎢膜(第一閘極電極)的接觸孔以及到達第二氮化鉭膜(源極電極及汲極電極)的接觸孔，藉由ALD法在375℃的基板溫度下形成厚度為20nm的第三氮化鈦膜，藉由CVD法在350℃的基板溫度下形成厚度為150nm的第五鎢膜。
接著，進行第三CMP處理，直到到達第六氧氮化矽膜為止對第五鎢膜、第三氮化鈦膜、氮化矽膜及第四鎢膜進行拋光，來形成在各接觸孔中埋入第五鎢膜及第三氮化鈦膜的電極。
接著，藉由濺射法形成厚度為50nm的第六鎢膜。接著，藉由光微影法對第六鎢膜的一部分進行蝕刻，來形成佈線層。
接著，進行第四熱處理。第四熱處理以250℃的溫度進行1小時。
接著，藉由塗佈法形成厚度為1.0μm的光阻劑膜。接著，藉由光微影法去除成為測量端子(測量焊盤)的部分的光阻劑膜。
藉由上述步驟，製造圖1A至圖1C所示的半導體裝置。
接著，測量各樣本的電晶體特性。測量的電晶體設定為：電晶體的通道長度(L)的設計值=60nm，通道寬度(W)的設計值=60nm；電晶體密度=2.9個/μm2；以及電極的底面或頂面中的一邊的長度=100nm。
此外，在電晶體特性的測量中，測量將源極與汲極間電壓(以下，稱為汲極電壓Vd)設定為0.1V、1.2V並對於每個Vd將源極與閘極間電壓(以下，稱為閘極電壓Vg)從-4.0V改變為+4.0V時的源極與汲極間電流(以下，稱為汲極電流Id)的變化。亦即，測量Id-Vg特性。以後，閘極電壓Vg是指第一閘極電極(頂閘極電極)的電壓。在本測量中，將第二閘極電極(背閘極電極)的電壓設定為0V。
另外，利用漸變通道近似(Gradual channel approximation)的線性區域的公式，從Vd=0.1V時的Id-Vg特性的測量資料算出場效移動率μFE(cm2/Vs)。
圖25及圖26示出樣本A至樣本D的Vd=0.1及1.2V時的Id-Vg特性以及Vd=0.1V時的μFE特性的圖表。圖25示出樣本A至樣本D的初始特性、1小時的追加的熱處理後以及共2小時的追加的熱處理後的特性，圖26示出共3小時的追加的熱處理後的特性以及共4小時的追加的熱處理後的特性。追加的熱處理在氮氣分下以350℃的溫度進行。另外，各圖表中的左側的縱軸表示Id，右側的縱軸表示μFE。橫軸表示Vg。
如圖25及圖26所示，確認到：本發明的一個實施方式的結構即使進行長時間的追加的熱處理，電晶體特性也可以保持良好的導通截止比。明確而言，在相等於圖1B中的絕緣體415的第五氧氮化矽膜的厚度為60nm的樣本C中，對追加的熱處理時間的電晶體特性的向負方向的漂移最小，即使在共4小時的追加的熱處理後也可以保持常關閉特性。但是，可知：第五氧氮化矽膜的厚度是100nm，亦即厚於60nm的樣本D，或者其厚度為30nm，亦即薄於60nm的樣本B以及其厚度為10nm，亦即薄於60nm的樣本A與第五氧氮化矽膜的厚度是60nm的樣本C相比對追加的熱處理的耐性弱。原因之一是：相當於圖1B及圖1C中的氧化物420的第四氧化鋁膜對第五氧氮化矽膜添加的氧量根據第五氧氮化矽膜的厚度變化(參照圖5A)。
藉由上述測量，可認為：在第五氧氮化矽膜的厚度是100nm，亦即厚於60nm的條件下對追加的熱處理的耐性弱；這是因為雖然上述第五氧氮化矽膜所包含的過量氧量是與第五氧氮化矽膜的厚度是60nm時大致相等，但是第五氧氮化矽膜與電極的接觸面積增加，所以電極的氧吸收的影響增加。
另一方面，可認為：第五氧氮化矽膜的厚度薄於60nm時對追加的熱處理的耐性弱；這是因為在第五氧氮化矽膜的厚度薄於60nm的條件下，由於第四氧化鋁膜的形成對第五氧氮化矽膜添加的氧量減少，結果電晶體特性向負方向漂移。
藉由上述測量，確認到：在根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的結構中，藉由縮小包含過量氧的第五氧氮化矽膜與電極的接觸面積，可以抑制熱處理所導致的電晶體的特性的變動。
實施例2
在本實施例中，製造相等於圖1A至圖1C所示的半導體裝置的樣本。作為該樣本，使用樣本E及樣本F。首先，使用樣本E評價電晶體特性的對於電晶體密度的依賴性。將電晶體密度設定為1.0個/μm2、2.0個/μm2及2.9個/μm2並進行評價。另外，使用樣本E及樣本F評價將第二閘極絕緣膜的厚度變化時的Vsh的對於Vbg的依賴性的差異。
首先，說明在本實施例中製造的樣本E及樣本F的製造方法。注意，當沒有特別的說明時，樣本E及樣本F的製造方法是一樣的。首先，在單晶矽晶圓上藉由熱氧化法形成厚度為400nm的氧化矽膜。接著，藉由濺射法形成厚度為40nm的第一氧化鋁膜。
接著，藉由CVD法在第一氧化鋁膜上形成厚度為200nm的第一氧氮化矽膜，藉由濺射法在第一氧氮化矽膜上形成厚度為35nm的第一鎢膜。接著，藉由光微影法對第一鎢膜進行加工，來形成包括第一鎢膜的硬遮罩。
接著，對第一氧氮化矽膜進行加工，來形成到達第一氧化鋁膜的槽。接著，藉由濺射法在該槽中形成第一氮化鉭膜，藉由ALD法及CVD法在第一氮化鉭膜上形成第一氮化鈦膜以及第二鎢膜。接著，藉由第一CMP處理，直到到達第一氧氮化矽膜的頂面為止對第二鎢膜、第一氮化鈦膜、第一氮化鉭膜及第一鎢膜進行拋光，在槽中埋入第二鎢膜、第一氮化鈦膜及第一氧化鉭膜，由此形成佈線層及第二閘極電極。
接著，藉由不同的製造方法形成樣本E及樣本F。作為樣本E的製造方法，藉由CVD法形成厚度為5nm的第二氧氮化矽膜，然後藉由ALD法形成厚度為10nm的氧化鉿膜，並且進行熱處理。該熱處理在包含氮的氛圍下以400℃的溫度進行1小時後，在包含氧的氛圍下以400℃的溫度進行1小時。接著，藉由CVD法形成厚度為15nm的第三氧氮化矽膜。
作為樣本F的製造方法，藉由CVD法形成厚度為5nm的第二氧氮化矽膜，然後藉由ALD法形成厚度為10nm的氧化鉿膜，並且進行熱處理。該熱處理在包含氮的氛圍下以400℃的溫度進行1小時，然後在包含氧的氛圍下以400℃的溫度進行1小時。接著，藉由CVD法形成厚度為5nm的第三氧氮化矽膜。第二氧氮化矽膜、氧化鉿膜及第三氧氮化矽膜具有第二閘極絕緣膜的功能。接著，進行熱處理。該熱處理在包含氮的氛圍下以400℃的溫度進行1小時後，在包含氧的氛圍下以400℃的溫度進行1小時。
上述製程是樣本E和樣本F之間的製造方法的不同之處。後面的樣本E和樣本F的製程相同。接著，作為第一氧化物(S1)藉由濺射法形成厚度為5nm的In-Ga-Zn氧化物。S1的形成條件為如下：使用In：Ga：Zn=1：3：4[原子個數比]的靶材；氧氣體流量為45sccm；壓力為0.7Pa；基板溫度為200℃。
接著，在S1上作為第二氧化物(S2)藉由濺射法形成厚度為15nm的In-Ga-Zn氧化物。S2的形成條件為如下：使用In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子個數比]的靶材；氬氣體流量為40sccm；氧氣體流量為5sccm；壓力為0.7Pa；基板溫度為130℃。
接著，進行熱處理。該熱處理在包含氮的氛圍下以400℃的溫度進行1小時後，在包含氧的氛圍下以400℃的溫度進行1小時。
接著，藉由濺射法在S2上形成厚度為20nm的第二氮化鉭膜。接著，藉 由ALD法在第二氮化鉭膜上形成厚度為5nm的第二氧化鋁膜。接著，藉由濺射法在第二氧化鋁膜上形成厚度為15nm的第三氮化鉭膜。
接著，藉由光微影法形成光阻遮罩，以該光阻遮罩為蝕劑遮罩對被形成通道的部分的第三氮化鉭進行蝕刻。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。接著，用氧電漿去除該光阻遮罩。
接著，藉由光微影法形成光阻遮罩，以該光阻遮罩為蝕刻遮罩對第三氮化鉭膜、第二氧化鋁膜以及第二氮化鉭膜進行蝕刻，然後用氧電漿去除該光阻遮罩，對形成通道的部分的第二氧化鋁膜進行蝕刻。接著，對S2及S1的不要部分依次進行蝕刻。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。
接著，對被形成通道的部分的第二氮化鉭膜進行蝕刻。在該蝕刻中，第二氧化鋁膜上的第三鉭膜也同時被蝕刻。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。
接著，作為第三氧化物(S3)藉由濺射法形成厚度為5nm的In-Ga-Zn氧化物。S3的形成條件為如下：使用In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子個數比]的靶材；氧氣體流量為45sccm；壓力為0.7Pa；基板溫度為130℃。
接著，藉由CVD法形成厚度為10nm的具有第一閘極氧化膜的第四氧氮化矽膜的功能。
接著，藉由濺射法形成厚度為10nm的第二氮化鈦膜，藉由濺射法在第二氮化鈦膜上形成厚度為30nm的第三鎢膜。
藉由光微影法依次對第三鎢膜及第二氮化鈦膜進行蝕刻來形成第一閘極電極。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。
接著，藉由ALD法形成厚度為7nm的第三氧化鋁膜。基板溫度設定為250℃。
接著，藉由光微影法形成光阻遮罩，對第三氧化鋁膜的一部分及第四氧氮化矽膜的一部分進行蝕刻。作為第三氧化鋁膜的蝕刻使用濕蝕刻法，作為第四氧氮化矽膜的蝕刻使用乾蝕刻法。接著，去除該光阻遮罩之後對S3進行蝕刻。作為S3的蝕刻，使用濕蝕刻法。
接著，藉由CVD法形成厚度為60nm的第五氧氮化矽膜。第五氧氮化矽膜相當於圖1B中的絕緣體415。
接著，藉由濺射法，形成厚度為35nm的第四氧化鋁膜，該第四氧化鋁膜的形成條件為如下：氬氣體流量為25sccm；氧氣體流量為25sccm；壓力為0.4Pa；基板溫度為250℃。
接著，藉由ALD法在第四氧化鋁膜上形成厚度為5nm的第五氧化鋁膜。 基板溫度設定為250℃。
接著，進行熱處理。作為該熱處理，在包含氧的氛圍下以350℃的溫度進行1小時的處理。
接著，藉由CVD法形成厚度為350nm的第六氧氮化矽膜。接著，進行第二CMP處理對第六氧氮化矽膜進行拋光，使第六氧氮化矽膜的表面平坦化。
接著，藉由濺射法形成厚度為90nm的第四鎢膜。接著，藉由CVD法形成厚度為130nm的氮化矽膜。
接著，藉由光微影法對氮化矽膜及第四鎢膜進行加工，來形成包括氮化矽膜及第四鎢膜的硬遮罩。接著，以該硬遮罩為蝕刻遮罩形成到達第二鎢膜(第二閘極電極)的接觸孔、到達第三鎢膜(第一閘極電極)的接觸孔以及到達第二氮化鉭膜(源極電極及汲極電極)的接觸孔。
接著，藉由ALD法形成厚度為13nm的第六氧化鋁膜。接著，藉由乾蝕刻法進行各向異性蝕刻，對平坦化了的第六氧氮化矽膜的頂面及接觸孔底部的第六氧化鋁膜進行蝕刻。接觸孔側面的第六氧化鋁膜被殘留。由此，以與接觸孔的側面接觸的方式形成第六氧化鋁膜。
接著，藉由ALD法，以375℃的基板溫度形成厚度為10nm的第三氮化鈦膜，並且藉由CVD法以350℃的基板溫度形成厚度為150nm的第五鎢膜。
接著，進行第三CMP處理，直到到達第六氧氮化矽膜為止對第五鎢膜、第三氮化鈦膜、氮化矽膜及第四鎢膜進行拋光，形成在各接觸孔中埋入第五鎢膜及第三氮化鈦膜的電極。
接著，藉由濺射法形成厚度為50nm的第六鎢膜。接著，藉由光微影法對第六鎢膜的一部分進行蝕刻，來形成佈線層。
接著，進行熱處理。該熱處理以250℃的溫度進行1小時。
接著，藉由塗佈法形成厚度為1.0μm的光阻劑膜。接著，藉由光微影法去除成為測量端子(測量焊盤)的部分的光阻劑膜。
藉由上述步驟，形成相等於圖1A至圖1C所示的半導體裝置的樣本(樣本E及樣本F)。
接著，利用樣本E評價電晶體特性的對於電晶體密度的依賴性。電晶體密度設定為1.0個/μm2、2.0個/μm2以及2.9個/μm2。測量的電晶體的尺寸為：通道長度(L)的設計值=60nm，通道寬度(W)的設計值=60nm。另外，電晶體的測量數量為9個。
作為電晶體特性的測量，藉由將Vd設定為0.1V、1.2V，測量對各Vd將Vg從-4.0V變化到+4.0V時的Id的變化。亦即，測量Id-Vg特性。在本測量中，將第二閘極電極(背閘極電極)的電壓(Vbg)設定為0V。
另外，利用漸變通道近似的線性區域的公式，從Vd=0.1V時的Id-Vg特性的測量資料算出場效移動率μFE(cm2/Vs)。
另外，從Id-Vg特性的測量資料求出Ion。Ion定義為：Vd=1.2V且Vg=3.3V時的Id。再者，求出Vd=1.2V時的Vsh及Vd=1.2V時的S值。S值(Subthreshold swing value)定義為：在次臨界值區域中使Id變化一個數量級而所需要的Vg。
圖27示出各電晶體密度中的電晶體的Vd=0.1V及1.2V時的Id-Vg特性以及Vd=0.1V時的μFE特性的圖表。圖27示出：不管電晶體密度的值如何，Id-Vg特性都大致相同。
圖28示出Ion、μFE、Vsh以及S值的對於電晶體密度的依賴性的圖表。圖28示出：在電晶體密度中，Ion、μFE、Vsh以及S值都大致相同，並且其偏置也相同，不確認到對於電晶體密度的依賴性。從上述結果可知：在根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的結構中，不管電晶體密度電晶體如何，特性都大致相同，偏置也小且穩定。
接著，使用樣本E及樣本F評價將第二閘極絕緣膜的厚度變化時的Vsh的對於Vbg的依賴性的差異。作為樣本E的第二閘極絕緣膜，採用5nm的第二氧氮化矽膜、10nm的氧化鉿膜及15nm的第三氧氮化矽膜的三層結構，並且作為樣本F的第二閘極絕緣膜，採用5nm的第二氧氮化矽膜、10nm的氧化鉿膜及5nm的第三氧氮化矽膜的三層結構。在此，藉由以第二氧氮化矽膜及第三氧氮化矽膜為標準算出樣本E及樣本F的EOT(Equivalent Oxide Thickness，等效氧化物厚度)，樣本E的EOT是22.5nm，樣本F的EOT是12.5nm。在此，氧化鉿膜的相對介電常數設定為第二氧化矽膜及第三氧化矽膜的相對常介電常數的4倍。
在本實施例中，△Vsh表示對第二閘極電極供應的電壓Vbg為0V、-3V、-6V以及-9V時的Vsh的漂移量。圖29是以Vbg=0V時的Vsh為標準標繪出Vbg=-3V、-6V及-9V時的各Vsh的差異的圖表。圖29的兩個直線示出樣本E及樣本F的各△Vsh的值的近似直線。
從圖29可知：樣本E的近似直線的傾斜度大約是-0.21，樣本F的近似直線的傾斜度大約是-0.34。就是說，第二閘極絕緣膜的EOT薄的樣本F與樣本E相比，Vbg的變化所引起的△Vsh更大，並且可以進一步使Vsh變化，其比例為樣本E的1.6倍。從上述結果可知：藉由使第二閘極絕緣膜的厚度變薄，Vbg的對Vsh的控制性提高。
實施例3
在本實施例中，製造相當於圖1A至圖1C所示的半導體裝置。另外，該半導體裝置作為相當於圖1B及圖1C中的氧化物406b的第二氧化物(S2)使用In-Ga-Zn氧化物的CAAC-OS來製造樣本。在測量樣本的電晶體特性之後，進行追加的熱處理，評價熱處理時間對電晶體特性所導致的影響。
半導體裝置藉由如下步驟製造：在矽晶圓上藉由熱氧化法形成厚度為400nm的氧化矽；接著藉由濺射法形成厚度為40nm的第一氧化鋁膜。
接著，藉由CVD法在第一氧化鋁膜上形成厚度為200nm的第一氧氮化矽膜，藉由濺射法在第一氧氮化矽膜上形成厚度為35nm的第一鎢膜。接著，藉由光微影法對第一鎢膜進行加工，來形成包括第一鎢膜的硬遮罩。
接著，對第一氧氮化矽膜進行加工，來形成到達第一氧化鋁膜的槽。接著，藉由濺射法在該槽中形成第一氮化鉭膜，藉由ALD法及CVD法在第一氮化鉭膜上形成第一氮化鈦膜以及第二鎢膜。接著，藉由第一CMP處理，直到到達第一氧氮化矽膜的頂面為止對第二鎢膜、第一氮化鈦膜、第一氮化鉭膜及第一鎢膜進行拋光，在槽中埋入第二鎢膜、第一氮化鈦膜及第一氮化鉭膜，由此形成佈線層及第二閘極電極。
接著，藉由CVD法形成厚度為5nm的第二氧氮化矽膜。接著，藉由ALD法形成10nm的氧化鉿膜。接著，藉由CVD法形成15nm的第三氧氮化矽膜。 第二氧氮化矽膜、氧化鉿膜及第三氧氮化矽膜具有第二閘極絕緣膜的功能。
接著，進行第一熱處理。作為第一熱處理，在包含氮的氛圍下以400℃進行1小時的處理，接下來在包含氧的氛圍下以400℃進行1小時的處理。
接著，作為第一氧化物(S1)藉由濺射法形成厚度為5nm的In-Ga-Zn氧化物。S1的形成條件為如下：使用In：Ga：Zn=1：3：4[原子個數比]的靶材；氧氣體流量為45sccm；壓力為0.7Pa；基板溫度為200℃。
接著，在S1上作為第二氧化物(S2)藉由濺射法形成厚度為15nm的In-Ga-Zn氧化物。S2的形成條件為如下：使用In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子個數比]的靶材；氬氣體流量為30sccm；氧氣體流量為15sccm；壓力為0.7Pa；基板溫度為200℃。
在此，圖30示出藉由X射線繞射(XRD：X-Ray Diffraction)進行分析在與S2相同的條件下形成的In-Ga-Zn氧化物的結果。該In-Ga-Zn氧化物的分析利用out-of-plane法進行。如圖30所示，在該In-Ga-Zn氧化物中，其峰值在繞射角度(2θ)為31°附近時呈現。因為這峰值來源於InGaZnO4的結晶中的(009)面，所以可確認到該In-Ga-Zn氧化物的結晶具有c軸配向性，並且c軸朝向大致垂直於形成該In-Ga-Zn氧化物的面(也稱為被形成面)或頂面的方向。因此，可知：該In-Ga-Zn氧化物及根據本實施例的S2都是CAAC-OS。
接著，進行第二熱處理。作為第二熱處理，在包含氮的氛圍下以400℃進行1小時的處理，接下來在包含氧的氛圍下以400℃進行1小時的處理。
接著，藉由濺射法在S2上形成厚度為25nm的第二氮化鉭膜。
接著，藉由光微影法形成光阻遮罩，將第二氮化鉭膜蝕刻為島狀。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。接著，用氧電漿去除該光阻遮罩。接著，將被加工為島狀的第二氮化鉭膜用於遮罩，依次將S2及S1蝕刻為島狀。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。
接著，在第二氮化鎢膜、S2以及S1上藉由濺射法以及ALD法形成第二氧化鋁膜。作為第二氧化鋁膜，藉由濺射法形成5nm的膜後藉由ALD法形成3nm的膜。
接著，藉由光微影法形成光阻遮罩，對形成通道的部分的第二氧化鋁膜進行蝕刻。該蝕刻利用濕蝕刻法進行。在此，第二氧化鋁膜以覆蓋第二氮化鉭膜、S2及S1的側面且與第三氧氮化矽膜的頂面接觸的方式形成。如此，藉由設置第二氧化鋁膜，可以抑制相當於圖1A至圖1C所示的絕緣體415的第五氧氮化矽膜所包含的氧被源極電極或汲極電極吸收。
接著，以第二氧化鋁膜為遮罩，對形成通道的部分的第二氮化鉭膜進行蝕刻。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。
接著，用氧電漿去除該光阻遮罩。
接著，作為第三氧化物(S3)藉由濺射法形成厚度為5nm的In-Ga-Zn氧化物。S3的形成條件為如下：使用In：Ga：Zn=4：2：4.1[原子個數比]的靶材；氧氣體流量為45sccm；壓力為0.7Pa；基板溫度為130℃。
接著，藉由CVD法形成厚度為8nm的第四氧氮化矽膜。再者，在第四氧氮化矽膜上藉由ALD法形成厚度為3nm的第三氧化鋁膜。第四氧氮化矽膜及第三氧化鋁膜被用作第一閘極絕緣膜。如此，藉由第一閘極絕緣膜包括第三氧化鋁膜，可以抑制第四氧氮化矽膜所包含的氧被閘極電極吸收。
接著，藉由ALD法形成厚度為10nm的第二氮化鈦膜，藉由濺射法在第二氮化鈦膜上形成厚度為30nm的第三鎢膜。此外，連續形成第二氮化鈦膜及第三鎢膜。
接著，藉由光微影法依次對第三鎢膜及第二氮化鈦膜進行蝕刻來形成閘極電極。作為該蝕刻，採用乾蝕刻法。
接著，藉由ALD法形成厚度為7nm的第四氧化鋁膜。基板溫度設定為250℃。
接著，藉由光微影法形成光阻遮罩，對第四氧化鋁膜、第三氧化鋁膜及第四氧氮化矽膜進行蝕刻。作為第四氧化鋁膜及第三氧化鋁膜的蝕刻使用濕蝕刻法，作為第四氧氮化矽膜的蝕刻使用乾蝕刻法。接著，在去除該光阻遮罩之後對S3進行蝕刻。在S3的蝕刻中，使用稀磷酸液。
接著，藉由CVD法形成厚度為60nm的第五氧氮化矽膜。
接著，藉由濺射法，形成厚度為35nm的第五氧化鋁膜，該第五氧化鋁膜的形成條件為如下：氬氣體流量為25sccm；氧氣體流量為25sccm；壓力為0.4Pa；基板溫度為250℃。
接著，藉由ALD法在第五氧化鋁膜上形成厚度為5nm的第六氧化鋁膜。基板溫度設定為250℃。
接著，藉由CVD法形成厚度為350nm的第六氧氮化矽膜。接著，進行第二CMP處理對第六氧氮化矽膜進行拋光，使第六氧氮化矽膜的表面平坦化。
接著，藉由濺射法形成厚度為90nm的第四鎢膜。接著，藉由CVD法形成厚度為130nm的氮化矽膜。
接著，藉由光微影法對氮化矽膜及第四鎢膜進行加工，來形成包括氮 化矽膜及第四鎢膜的硬遮罩。接著，以該硬遮罩為蝕刻遮罩形成到達第二鎢膜(第二閘極電極)的接觸孔、到達第三鎢膜(第一閘極電極)的接觸孔以及到達第二氮化鉭膜(源極電極及汲極電極)的接觸孔。
接著，形成厚度為13nm的第七氧化鋁膜。基板溫度設定為250℃。然後，對第七氧化鋁膜進行各向異性蝕刻，只在上述接觸孔的側面上殘留第七氧化鋁膜。如此，藉由設置第七氧化鋁膜，可以抑制相當於圖1B所示的絕緣體415的第五氧氮化矽膜中所包含的氧被在接觸孔中埋入的電極以及源極電極或汲極電極吸收。
接著，藉由ALD法，以375℃的基板溫度形成厚度為10nm的第三氮化鈦膜，並且藉由CVD法以350℃的基板溫度形成厚度為150nm的第五鎢膜。
接著，進行第三CMP處理，直到到達第六氧氮化矽膜為止對第五鎢膜、第三氮化鈦膜、氮化矽膜及第四鎢膜進行拋光，形成在各接觸孔中埋入第五鎢膜及第三氮化鈦膜的電極。
接著，藉由濺射法形成厚度為50nm的第六鎢膜。接著，藉由光微影法對第六鎢膜的一部分進行蝕刻，來形成佈線層。
接著，進行第三熱處理。第三熱處理以250℃的溫度進行1小時。
接著，藉由塗佈法形成厚度為1.0μm的光阻劑膜。接著，藉由光微影法去除成為測量端子(測量焊盤)的部分的光阻劑膜。
藉由上述步驟，製造圖1A至圖1C所示的半導體裝置。
接著，測量樣本的電晶體特性。測量的電晶體設定為：電晶體的通道長度(L)的設計值=60nm，通道寬度(W)的設計值=60nm；電晶體密度=2.0個/μm2。
作為電晶體的測量，藉由將汲極電壓Vd設定為0.1V、1.2V，測量將閘極電壓Vg從-4.0V變化到+4.0V時的對各Vd的汲極電流Id的變化。亦即，測量Id-Vg特性。在本測量中，將第二閘極電極(背閘極電極)的電壓(Vbg)設定為0V。
另外，利用漸變通道近似的線性區域的公式，從Vd=0.1V時的Id-Vg特性的測量資料算出場效移動率μFE(cm2/Vs)。
圖31A及圖31B示出根據本實施例的樣本的Vd=0.1及1.2V時的Id-Vg特性以及Vd=0.1V時的μFE特性的圖表。圖31A示出樣本的初始特性，圖31B示出共4小時的追加的熱處理後的特性。追加的熱處理在氮氣分下以400℃的溫度進行。另外，各圖表中的左側的縱軸表示Id，右側的縱軸表示μFE。橫軸表示Vg。
如圖31B所示，確認到：根據本發明的一個實施方式的結構即使進行長時間的追加的熱處理，電晶體特性也保持良好的導通截止比。即使追加的加熱時間為4小時，也可以保持常關閉特性。如此，根據本實施例的電晶體對製程中的高溫度(所謂熱積存；thermal budget)也很穩定。
在根據本實施例的樣本中，S2包含CAAC-OS。CAAC-OS具有雜質及缺陷(氧缺陷等)少的結晶性高且緻密的結構。因此，可以抑制由源極電極或汲極電極氧從S2被抽出。由此，因為即使進行熱處理也可以防止氧從S2被抽出，所以包含CAAC-OS的電晶體對熱積存也很穩定。
以上，確認倒：在根據本發明的一個實施方式的半導體裝置的結構中，藉由作為S2使用CAAC-OS，可以抑制熱處理所引起的電晶體特性變動。
Claims (12)
- 一種半導體裝置，包括：電晶體；該電晶體上的絕緣膜；電極；以及該絕緣膜上的金屬氧化物，其中，該電晶體包括：第一閘極電極；該第一閘極電極上的第一閘極絕緣膜；該第一閘極絕緣膜上的氧化物；與該氧化物電連接的源極電極及汲極電極；該氧化物上的第二閘極絕緣膜；以及該第二閘極絕緣膜上的第二閘極電極，該電極透過該金屬氧化物和該絕緣膜到達該源極電極或該汲極電極，該電極具有與該絕緣膜接觸的區域，該第一閘極絕緣膜與該絕緣膜接觸，該絕緣膜包括與該第二閘極電極重疊的第一區域、與該源極電極重疊的第二區域、以及與該汲極電極重疊的第三區域，該絕緣膜的該第一區域的厚度、該第二區域的厚度以及該第三區域的厚度大致相等，並且，該絕緣膜包含過量氧。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置， 其中該金屬氧化物抑制氧透過。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該金屬氧化物包含鋁及氧。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該氧化物包含In、元素M以及Zn，並且M是Al、Ga、Y或Sn。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，還包括：電路，其中該電路包括多個該電晶體及多個該電極，並且在該電路中，該電晶體的密度是1/μm 2以上且2500/μm 2以下。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該電極與該絕緣膜接觸的面積是0.035μm 2以下。
- 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該絕緣膜的厚度是40nm以上。
- 一種半導體晶圓，包括：多個申請專利範圍第1項之半導體裝置；以及切割用區域。
- 一種半導體裝置的製造方法，包括如下步驟：形成第一絕緣體；在該第一絕緣體上形成包括源極電極、汲極電極、閘極電極以及氧化物中的通道形成區域的電晶體；在該電晶體上形成第二絕緣體； 藉由在該第二絕緣體上形成第三絕緣體，對該第二絕緣體添加氧；藉由熱處理，使氧藉由該第二絕緣體移動到該氧化物中；以及形成透過該第二絕緣體及該第三絕緣體到達該源極電極的電極，其中，該第二絕緣體包括與該閘極電極重疊的第一區域、與該源極電極重疊的第二區域、以及與該汲極電極重疊的第三區域，並且，該第二絕緣體的該第一區域的厚度、該第二區域的厚度、以及該第三區域的厚度大致相等。
- 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置的製造方法，其中該第三絕緣體藉由濺射法形成，並且包含鋁及氧。
- 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置的製造方法，其中該電極與該第二絕緣體接觸的面積是0.035μm 2以下。
- 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置的製造方法，其中該氧化物形成在該第一絕緣體上，並且該第二絕緣體與該第一絕緣體接觸。
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