WO2017134495A1 - 金属酸化物膜、半導体装置、及び半導体装置の作製方法 - Google Patents

金属酸化物膜、半導体装置、及び半導体装置の作製方法 Download PDF

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    • H10P14/6921—Inorganic materials composed of oxides, glassy oxides or oxide-based glasses containing silicon
    • H10P14/69215—Inorganic materials composed of oxides, glassy oxides or oxide-based glasses containing silicon the material being a silicon oxide, e.g. SiO2

Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to a metal oxide film and a manufacturing method thereof. Further, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device including the metal oxide film and a manufacturing method thereof.
  • the present invention relates to, for example, an oxide, a transistor, a semiconductor device, and a manufacturing method thereof.
  • the present invention relates to an oxide, a display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a memory device, an imaging device, a processor, and an electronic device, for example.
  • the present invention relates to a method for manufacturing an oxide, a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, a memory device, and an electronic device.
  • the present invention relates to a driving method of a semiconductor device, a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, a memory device, or an electronic device.
  • one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field.
  • the technical field of one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method.
  • one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter).
  • a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics.
  • a display device, a light-emitting device, a lighting device, an imaging device, an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device may include a semiconductor device.
  • an oxide semiconductor As a semiconductor material applicable to a transistor, an oxide semiconductor has attracted attention.
  • a plurality of oxide semiconductor layers are stacked, and among the plurality of oxide semiconductor layers, the oxide semiconductor layer serving as a channel contains indium and gallium, and the proportion of indium is the proportion of gallium.
  • a semiconductor device is disclosed with enhanced field-effect mobility (simply referred to as mobility, or mu FE).
  • Non-Patent Document 1 an oxide semiconductor including indium, gallium, and zinc is In 1-x Ga 1 + x O 3 (ZnO) m (x is a number satisfying ⁇ 1 ⁇ x ⁇ 1, m is It is disclosed to have a homologous phase represented by a natural number).
  • An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device including a metal oxide film including a crystal part. Another object is to provide a semiconductor device including a metal oxide film and having high field-effect mobility. Another object is to provide a highly reliable semiconductor device including a metal oxide film.
  • Another object is to provide a semiconductor device using an oxide as a semiconductor. Another object is to provide a module including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor. Another object is to provide an electronic device including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor or a module including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor.
  • M is 1.5 or more and 2.5 or less
  • Zn is 2 or more and 4 or less
  • the oxide includes a first crystal part and a second crystal part.
  • the first crystal part has c-axis orientation.
  • the second crystal part does not have c-axis orientation
  • the second insulator, the third insulator, and the fourth insulator contain oxygen and silicon
  • the first insulator and the second insulator 5 is a semiconductor device characterized by containing oxygen and aluminum.
  • the electron beam diffraction pattern is a first region having a diffraction spot due to the first crystal part.
  • a second region having a diffraction spot due to the second crystal part, and the integrated intensity of luminance in the first region is preferably larger than the integrated intensity of luminance in the second region .
  • the integrated luminance intensity in the first region is more than 1 time and not more than 3 times the integrated intensity of luminance in the second region.
  • the oxide preferably has a region where the peak value of the shallow defect level density is less than 2.5 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 .
  • the second oxide is provided between the oxide and the third insulator, and the second oxide includes In, M (M is Al, Ga, Y, or Sn), Zn And the oxide has a first crystal part and a second crystal part, the first crystal part has c-axis orientation, and the second crystal part has a c-axis orientation.
  • the electron beam diffraction pattern is a first region having a diffraction spot due to the first crystal part.
  • a second region having a diffraction spot due to the second crystal part and the integrated intensity of luminance in the first region is 1 times the integrated intensity of luminance in the second region It is preferable that it is 10 times or less exceeding.
  • a first conductor containing oxygen and aluminum is formed over a first insulator, and a second insulation containing oxygen and silicon is formed over the first conductor.
  • a second insulation containing oxygen and silicon is formed over the first conductor.
  • forming an oxide on the second insulator by using a sputtering method with an oxygen flow ratio of 20% or less and a substrate temperature of room temperature to 150 ° C., and a temperature of 450 ° C. or less.
  • the third insulator containing oxygen and silicon is formed over the oxide, the second conductor is formed over the third insulator, and the third insulator and the second insulator are formed.
  • a fourth insulator containing oxygen and silicon is formed on the second conductor, and oxygen and aluminum are formed on the fourth insulator by sputtering while heating the substrate at a temperature of 450 ° C. or lower. And forming a fifth insulator containing the semiconductor device.
  • a semiconductor device including a metal oxide film including a crystal part can be provided.
  • a semiconductor device including a metal oxide film and having high field effect mobility can be provided.
  • a highly reliable semiconductor device including a metal oxide film can be provided.
  • a semiconductor device using an oxide as a semiconductor can be provided.
  • a module including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor can be provided.
  • an electronic device including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor or a module including a semiconductor device using an oxide as a semiconductor can be provided.
  • FIGS. 1A to 1C are diagrams illustrating a cross-sectional TEM image and a cross-sectional HR-TEM image of a metal oxide film.
  • FIGS. 2A to 2C are diagrams illustrating a cross-sectional TEM image and a cross-sectional HR-TEM image of a metal oxide film.
  • 3A to 3C are diagrams illustrating a cross-sectional TEM image and a cross-sectional HR-TEM image of a metal oxide film.
  • FIGS. 4A to 4C are diagrams illustrating an XRD measurement result and an electron beam diffraction pattern of a metal oxide film.
  • FIGS. 5A to 5C FIGS.
  • FIGS. 5A to 5C are diagrams illustrating an XRD measurement result and an electron diffraction pattern of a metal oxide film.
  • FIGS. 7A and 7B are diagrams for explaining electron diffraction patterns.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a line profile of an electron beam diffraction pattern.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating a line profile of an electron beam diffraction pattern, a relative luminance R of the line profile, and a half width of a spectrum.
  • FIGS. 10A1, 10A2, 10B1, and 10B2 A diagram illustrating an electron beam diffraction pattern and a luminance profile.
  • FIG. 11A1 and 11A2 A diagram illustrating an electron diffraction pattern and a luminance profile.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining relative luminance estimated from an electron beam diffraction pattern of a metal oxide film.
  • FIGS. 13A and 13B are diagrams illustrating a cross-sectional TEM image of a metal oxide film and a cross-sectional TEM image after image analysis.
  • 14A and 14B are diagrams illustrating a cross-sectional TEM image of a metal oxide film and a cross-sectional TEM image after image analysis.
  • FIGS. 15A and 15B are diagrams illustrating a cross-sectional TEM image of a metal oxide film and a cross-sectional TEM image after image analysis.
  • FIGS. 16A to 16C are diagrams illustrating SIMS measurement results of a metal oxide film.
  • FIGS. [FIG. 17] A diagram illustrating Id-Vg characteristics.
  • FIG. 18 A diagram illustrating Id-Vg characteristics.
  • FIG. 19 is a diagram for explaining the calculation result of the interface state density.
  • FIGGS. 20A and 20B A diagram illustrating Id-Vg characteristics.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining a calculation result of defect level density.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining CPM measurement results.
  • FIG. 23 is a diagram for explaining the CPM measurement results.
  • FIGS. 25A to 25D illustrate a mechanism for forming an oxide semiconductor film.
  • FIGS. 26A to 26C each illustrate a range of the atomic ratio of an oxide semiconductor film.
  • FIG. 27 illustrates a crystal of InMZnO 4 .
  • FIG 28 illustrates an energy band in a transistor in which an oxide semiconductor film is used for a channel region.
  • FIGS. 29A and 29B A diagram illustrating the structure of a nanocluster.
  • FIGS. 30A to 30C are diagrams illustrating a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment. [FIG. 31A thru
  • FIGS. 32A to 32C are diagrams illustrating a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment.
  • FIGS. 33A to 33C Top views and cross-sectional views of a transistor according to an embodiment.
  • FIGS. 34A to 34C A diagram illustrating a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment.
  • FIGS. 35A to 35C A diagram illustrating a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment.
  • FIGS. 36A to 36C are diagrams illustrating a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment.
  • FIGS. 36A to 36C are diagrams illustrating a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment.
  • FIGS. 37A to 37C are diagrams illustrating a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment.
  • FIGS. 38A to 38C are diagrams illustrating a top view and a cross-sectional structure of a transistor according to an embodiment.
  • FIGS. 39A to 39E illustrate an example of a method for manufacturing a transistor according to Embodiment.
  • FIGS. 40A to 40D illustrate a method for manufacturing a transistor according to Embodiment.
  • FIGS. FIGS. 41A to 41D illustrate a method for manufacturing a transistor according to Embodiment.
  • FIGS. 42A and 42B are diagrams illustrating an example of a method for manufacturing a transistor according to Embodiment. [FIGS.
  • FIG. 43A and 43B A circuit diagram of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 44 illustrates a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 45 illustrates a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 46 illustrates a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 47 illustrates a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • 48A and 48B are diagrams illustrating a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIGS. 49A and 49B are views illustrating a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIGS. 49A and 49B are views illustrating a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIGS. 50A and 50B are diagrams illustrating a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 51 illustrates a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIGS. 52A and 52B are diagrams illustrating a circuit diagram and a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 53 illustrates a cross-sectional structure of a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 54 is a circuit diagram illustrating a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 55 is a circuit diagram illustrating a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIGGS. 56A to 56C A circuit diagram and a timing chart illustrating one embodiment of the present invention. [FIGS.
  • FIGS. 62A and 62B are circuit diagrams illustrating one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 62A and 62B are circuit diagrams illustrating one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 64A and 64B are circuit diagrams for illustrating one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 65A to 65C are circuit diagrams illustrating one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 66A and 66B are circuit diagrams illustrating one embodiment of the present invention.
  • FIG. 67 is a block diagram illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 68 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 69A and 69B are top views illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 70A and 70B are block diagrams illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 70A and 70B are block diagrams illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 71A and 71B are cross-sectional views illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 72 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 73A and 73B are top views illustrating a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 74A and 74B are a flow chart for explaining one embodiment of the present invention and a perspective view showing a semiconductor device.
  • FIGS. 75A to 75F are perspective views illustrating electronic devices according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 76 is a diagram for explaining the measurement results of the XRD spectrum of a sample. [FIG. 77A thru
  • a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source.
  • a channel region is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode), and a current flows through the drain, channel region, and source. It is something that can be done.
  • a channel region refers to a region through which a current mainly flows.
  • the functions of the source and drain may be switched when transistors with different polarities are used or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification and the like, the terms source and drain can be used interchangeably.
  • “electrically connected” includes a case of being connected via “something having an electric action”.
  • the “thing having some electric action” is not particularly limited as long as it can exchange electric signals between connection targets.
  • “thing having some electric action” includes electrodes, wiring, switching elements such as transistors, resistance elements, inductors, capacitors, and other elements having various functions.
  • parallel means a state in which two straight lines are arranged at an angle of ⁇ 10 ° to 10 °. Therefore, the case of ⁇ 5 ° to 5 ° is also included.
  • Very refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included.
  • film and “layer” can be interchanged.
  • conductive layer may be changed to the term “conductive film”.
  • insulating film may be changed to the term “insulating layer” in some cases.
  • off-state current refers to drain current when a transistor is off (also referred to as a non-conduction state or a cutoff state).
  • the off state is a state where the voltage Vgs between the gate and the source is lower than the threshold voltage Vth in the n-channel transistor, and the voltage Vgs between the gate and the source in the p-channel transistor unless otherwise specified. Is higher than the threshold voltage Vth.
  • the off-state current of an n-channel transistor sometimes refers to a drain current when the voltage Vgs between the gate and the source is lower than the threshold voltage Vth.
  • the transistor off current may depend on Vgs. Therefore, the off-state current of the transistor being I or less sometimes means that there exists a value of Vgs at which the off-state current of the transistor is I or less.
  • the off-state current of a transistor may refer to an off-state current in an off state at a predetermined Vgs, an off state in a Vgs within a predetermined range, or an off state in Vgs at which a sufficiently reduced off current is obtained.
  • the drain current when Vgs is 0.5 V is 1 ⁇ 10 ⁇ 9 A
  • the drain current when Vgs is 0.1 V is 1 ⁇ 10 ⁇ 13 A.
  • the n-channel transistor has a drain current of 1 ⁇ 10 ⁇ 19 A when Vgs is ⁇ 0.5 V and a drain current of 1 ⁇ 10 ⁇ 22 A when Vgs is ⁇ 0.8 V. Since the drain current of the transistor is 1 ⁇ 10 ⁇ 19 A or less when Vgs is ⁇ 0.5 V or Vgs is in the range of ⁇ 0.5 V to ⁇ 0.8 V, the off-state current of the transistor is 1 It may be said that it is below x10 ⁇ -19> A. Since there is Vgs at which the drain current of the transistor is 1 ⁇ 10 ⁇ 22 A or less, the off-state current of the transistor may be 1 ⁇ 10 ⁇ 22 A or less.
  • the off-state current of a transistor having a channel width W may be represented by a current value flowing around the channel width W.
  • the current value flows around a predetermined channel width (for example, 1 ⁇ m).
  • the unit of off-current may be represented by a unit having a dimension of current / length (for example, A / ⁇ m).
  • Transistor off-state current may depend on temperature.
  • off-state current may represent off-state current at room temperature, 60 ° C., 85 ° C., 95 ° C., or 125 ° C. unless otherwise specified.
  • off-state current at a temperature at which reliability of the semiconductor device including the transistor is guaranteed, or temperature at which the semiconductor device including the transistor is used for example, a temperature in the range of 5 ° C. to 35 ° C.).
  • the off-state current of a transistor is I or less means that room temperature, 60 ° C., 85 ° C., 95 ° C., 125 ° C., a temperature at which the reliability of the semiconductor device including the transistor is guaranteed, or the transistor is included. There may be a case where there is a value of Vgs at which the off-state current of the transistor is equal to or lower than I at a temperature at which a semiconductor device or the like is used (for example, a temperature in a range of 5 ° C. to 35 ° C.).
  • the off-state current of the transistor may depend on the voltage Vds between the drain and the source.
  • the off-state current is Vds of 0.1V, 0.8V, 1V, 1.2V, 1.8V, 2.5V, 3V, 3.3V, 10V, 12V, 16V unless otherwise specified. Or an off-current at 20V.
  • Vds in which reliability of a semiconductor device or the like including the transistor is guaranteed, or an off-current in Vds used in the semiconductor device or the like including the transistor may be represented.
  • the off-state current of the transistor is equal to or less than I.
  • Vds is 0.1V, 0.8V, 1V, 1.2V, 1.8V, 2.5V, 3.3V, 3.3V, 3.3V, 10V, 12V, 16V, 20V.
  • Vgs at which the off-state current of the transistor is less than or equal to Vds at which Vds guarantees the reliability of the semiconductor device including the transistor or Vds used in the semiconductor device or the like including the transistor. May be pointed to.
  • the drain may be read as the source. That is, the off-state current sometimes refers to a current that flows through the source when the transistor is off.
  • off-state current may refer to current that flows between a source and a drain when a transistor is off, for example.
  • the threshold voltage of a transistor refers to a gate voltage (Vg) when a channel is formed in the transistor.
  • the threshold voltage of a transistor is a maximum slope in a curve (Vg- ⁇ Id characteristic) in which the gate voltage (Vg) is plotted on the horizontal axis and the square root of the drain current (Id) is plotted on the vertical axis.
  • Vg- ⁇ Id characteristic a curve in which the gate voltage (Vg) is plotted on the horizontal axis and the square root of the drain current (Id) is plotted on the vertical axis.
  • a gate voltage (Vg) at the intersection of a straight line obtained by extrapolating a certain tangent and the square root of the drain current (Id) is 0 (Id is 0 A) may be indicated.
  • the threshold voltage of the transistor is a gate in which the channel length is L, the channel width is W, and the value of Id [A] ⁇ L [ ⁇ m] / W [ ⁇ m] is 1 ⁇ 10 ⁇ 9 [A]. It may refer to voltage (Vg).
  • the voltage often indicates a potential difference between a certain potential and a reference potential (for example, a ground potential (GND) or a source potential).
  • a voltage can be rephrased as a potential.
  • the potential (voltage) is relative and is determined by a relative magnitude from a reference potential. Therefore, even when “ground potential” is described, the potential is not always 0V.
  • the lowest potential in the circuit may be the “ground potential”.
  • an intermediate potential in the circuit may be a “ground potential”. In that case, a positive potential and a negative potential are defined based on the potential.
  • the channel length refers to, for example, a region where a semiconductor (or a portion where current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other in a top view of the transistor, or a region where a channel is formed
  • the channel length is not necessarily the same in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel length is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.
  • the channel width is, for example, a region in which a semiconductor (or a portion in which a current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap each other, or a source and a drain in a region where a channel is formed. This is the length of the part. Note that in one transistor, the channel width is not necessarily the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in this specification, the channel width is any one of values, the maximum value, the minimum value, or the average value in a region where a channel is formed.
  • the channel width in a region where a channel is actually formed (hereinafter referred to as an effective channel width) and the channel width shown in a top view of the transistor (hereinafter, apparent channel width). May be different).
  • the effective channel width is larger than the apparent channel width shown in the top view of the transistor, and the influence may not be negligible.
  • the ratio of the channel region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width in which the channel is actually formed is larger than the apparent channel width shown in the top view.
  • an apparent channel width which is a length of a portion where a source and a drain face each other in a region where a semiconductor and a gate electrode overlap with each other is expressed as “enclosed channel width ( SCW: Surrounded Channel Width).
  • SCW Surrounded Channel Width
  • channel width in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an enclosed channel width or an apparent channel width.
  • channel width in the case where the term “channel width” is simply used, it may denote an effective channel width. Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosed channel width, and the like can be determined by obtaining a cross-sectional TEM image and analyzing the image. it can.
  • the calculation may be performed using the enclosed channel width. In that case, the value may be different from that calculated using the effective channel width.
  • the “semiconductor” in this specification and the like can be called an “insulator” in some cases.
  • an “insulator” in this specification and the like can be called a “semiconductor” in some cases.
  • the “insulator” in this specification and the like can be referred to as a “semi-insulator” in some cases.
  • the semiconductor device may have characteristics as a “conductor”. Further, the boundary between the “semiconductor” and the “conductor” is ambiguous, and there are cases where it cannot be strictly distinguished. Therefore, a “semiconductor” in this specification and the like can be called a “conductor” in some cases. Similarly, a “conductor” in this specification and the like can be called a “semiconductor” in some cases.
  • a semiconductor impurity refers to an element other than a main component constituting a semiconductor film.
  • an element having a concentration of less than 0.1 atomic% is an impurity.
  • DOS Density of State
  • examples of impurities that change the characteristics of the semiconductor include a Group 1 element, a Group 2 element, a Group 13 element, a Group 14 element, a Group 15 element, and components other than the main component.
  • Transition metals and the like in particular, hydrogen (also included in water), lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, nitrogen, and the like.
  • oxygen vacancies may be formed by mixing impurities such as hydrogen, for example.
  • impurities that change the characteristics of the semiconductor include Group 1 elements, Group 2 elements, Group 13 elements, and Group 15 elements other than oxygen and hydrogen.
  • oxide when it is simply described as an oxide, it can be read as a metal oxide, an oxide semiconductor, an oxide insulator, or an oxide conductor.
  • One embodiment of the present invention is a metal oxide film including two kinds of crystal parts.
  • One of the crystal parts also referred to as the first crystal part
  • has orientation in the thickness direction of the film also referred to as a film surface direction, a film formation surface, or a direction perpendicular to the film surface
  • c It is a crystal part having axial orientation.
  • Another of the crystal parts (also referred to as a second crystal part) is a crystal part that does not have c-axis orientation and is oriented in various directions.
  • the metal oxide film of one embodiment of the present invention includes such two kinds of crystal parts.
  • the crystal part having c-axis orientation is described separately from the first crystal part, and the crystal part not having c-axis orientation is described separately from the second crystal part.
  • these may not be distinguished because there is no difference in crystallinity and crystal size. That is, the metal oxide film of one embodiment of the present invention can be expressed without distinction.
  • the metal oxide film of one embodiment of the present invention includes a plurality of crystal parts, and at least one of the crystal parts in the film may have c-axis orientation. Further, among the crystal parts present in the film, the ratio of the crystal parts not having c-axis orientation may be larger than the ratio of the crystal parts having c-axis orientation.
  • a plurality of crystal parts are observed in an observation image with a transmission electron microscope in a cross-section in the film thickness direction, and the c-axis orientation among the plurality of crystal parts.
  • the second crystal part having no property is observed more than the first crystal part having the c-axis orientation.
  • the metal oxide film of one embodiment of the present invention has a large proportion of the second crystal part which does not have c-axis orientation.
  • the following excellent effects can be obtained by increasing the ratio of the second crystal part having no c-axis orientation in the metal oxide film.
  • the second crystal part having no c-axis orientation can be an oxygen diffusion path. Therefore, when there is a sufficient oxygen supply source in the vicinity of the metal oxide film, oxygen is supplied to the first crystal part having c-axis orientation through the second crystal part having no c-axis orientation. Can be supplied. Therefore, the amount of oxygen vacancies in the metal oxide film can be reduced.
  • the second crystal part having no c-axis orientation serves as an oxygen diffusion path, and oxygen can be supplied to the first crystal part having the c-axis orientation.
  • a metal oxide film including a first crystal part having a second crystal part and a second crystal part having no c-axis orientation is referred to as an oxygen-deficient metal oxide film or an oxygen-deficient oxide semiconductor film. There is a case.
  • the specific crystal plane has orientation with respect to the thickness direction of the film. Therefore, when X-ray diffraction (XRD) measurement is performed on the metal oxide film including the first crystal part in a direction substantially perpendicular to the upper surface of the film, the first diffraction crystal is obtained at a predetermined diffraction angle (2 ⁇ ). A diffraction peak derived from the crystal part 1 is confirmed. On the other hand, even if the metal oxide film has the first crystal part, a diffraction peak may not be sufficiently confirmed due to scattering of X-rays by the support substrate or an increase in background. Note that the height (intensity) of the diffraction peak increases in accordance with the presence ratio of the first crystal portion included in the metal oxide film, and can be an index for estimating the crystallinity of the metal oxide film.
  • XRD X-ray diffraction
  • electron diffraction is one method for evaluating the crystallinity of a metal oxide film. For example, when an electron beam diffraction measurement is performed on a cross section and an electron beam diffraction pattern of the metal oxide film of one embodiment of the present invention is observed, the first region having a diffraction spot due to the first crystal portion, And a second region having a diffraction spot due to the two crystal parts.
  • the first region having a diffraction spot due to the first crystal part is derived from the crystal part having c-axis orientation.
  • the second region having a diffraction spot due to the second crystal part is derived from a crystal part having no orientation or a crystal part that is disorderly oriented in any direction. Therefore, different patterns may be observed depending on the beam diameter of the electron beam used for electron beam diffraction, that is, the area of the region to be observed.
  • electron beam diffraction in which the beam diameter of an electron beam is measured from 1 nm ⁇ to 100 nm ⁇ is referred to as nano beam electron diffraction (NBED: Nano Beam Electron Diffraction).
  • the crystallinity of the metal oxide film of one embodiment of the present invention may be evaluated by a method different from that of NBED.
  • the method for evaluating the crystallinity of the metal oxide film include electron diffraction, X-ray diffraction, and neutron diffraction.
  • electron diffractions in addition to the NBED shown above, transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscopy), scanning electron microscope (SEM: Scanning Electron Microscopy), convergent electron diffraction (CBED: Convergent Electron Limit) Field electron diffraction (SAED: Selected Area Electron Diffraction) or the like can be suitably used.
  • a ring-shaped pattern is observed in the nanobeam electron diffraction pattern under the condition that the beam diameter of the electron beam is increased (for example, 25 nm ⁇ to 100 nm ⁇ or 50 nm ⁇ to 100 nm ⁇ ).
  • the ring-shaped pattern may have a luminance distribution in the radial direction.
  • in NBED in an electron beam diffraction pattern under a condition that the beam diameter of the electron beam is sufficiently small (for example, 1 nm ⁇ to 10 nm ⁇ ), distribution is performed in the circumferential direction (also referred to as ⁇ direction) at the position of the ring-shaped pattern. Multiple spots may be observed. That is, a ring-shaped pattern that can be seen under the condition that the beam diameter of the electron beam is increased is formed by an aggregate of the plurality of spots.
  • Sample A1 is a sample in which a metal oxide film having a thickness of about 100 nm is formed on a glass substrate.
  • the metal oxide film includes indium, gallium, and zinc.
  • the ratio of the oxygen flow rate to the total gas flow rate described above may be referred to as an oxygen flow rate ratio. Note that the oxygen flow rate ratio in the production conditions of the sample A1 is 30%.
  • Sample A2 is a sample in which a metal oxide film having a thickness of about 100 nm is formed on a glass substrate.
  • the substrate was heated to 130 ° C., and argon gas having a flow rate of 180 sccm and oxygen gas having a flow rate of 20 sccm were introduced into the chamber of the sputtering apparatus.
  • the oxygen flow rate ratio under the production conditions of sample A2 is 10%.
  • the conditions other than the substrate temperature and the oxygen flow rate ratio were the same as those of the sample A1 described above.
  • Sample A3 is a sample in which a metal oxide film having a thickness of about 100 nm is formed on a glass substrate.
  • the substrate was set to room temperature (for example, 20 ° C. to 30 ° C., and the room temperature is described as RT in Table 1), argon gas with a flow rate of 180 sccm, 20 sccm of oxygen gas was introduced into the chamber of the sputtering apparatus.
  • the oxygen flow rate ratio under the production conditions of sample A3 is 10%.
  • the conditions other than the substrate temperature and the oxygen flow rate ratio were the same as those of the sample A1 described above.
  • Table 1 shows the manufacturing conditions of Samples A1 to A3.
  • FIGS. 1A to 3C show the results of cross-sectional TEM observation of samples A1 to A3.
  • 1A and 1B are cross-sectional TEM images of the sample A1
  • FIGS. 2A and 2B are cross-sectional TEM images of the sample A2
  • FIGS. 3A and 3B are cross-sectional TEM images of the sample A3.
  • FIG. 1C is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image of the cross section of the sample A1
  • FIG. 2C is a cross-sectional HR-TEM image of the sample A2
  • FIG. 3C is the sample A3. It is a cross-sectional HR-TEM image.
  • a spherical aberration correction function may be used for observation of the cross-sectional HR-TEM image.
  • a high-resolution TEM image using the spherical aberration correction function is particularly referred to as a Cs-corrected high-resolution TEM image.
  • the Cs-corrected high resolution TEM image can be observed, for example, with an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.
  • FIG. 4A shows the XRD measurement result of sample A1
  • FIG. 5A shows the XRD measurement result of sample A2
  • FIG. 6A shows the XRD measurement result of sample A3.
  • a powder method (also referred to as a ⁇ -2 ⁇ method), which is a kind of out-of-plane method, was used.
  • the ⁇ -2 ⁇ method is a method of measuring the X-ray diffraction intensity by changing the incident angle of the X-ray and setting the angle of the detector provided facing the X-ray source to be the same as the incident angle.
  • GIXRD Gram-Incidence XRD
  • GIXRD is a kind of out-of-plane method in which X-rays are incident from the film surface at an angle of about 0.40 ° and the X-ray diffraction intensity is measured by changing the angle of the detector.
  • Method also referred to as a thin film method or a Seemann-Bohlin method
  • 4A, 5A, and 6A the vertical axis indicates the diffraction intensity in arbitrary units
  • the horizontal axis indicates the angle 2 ⁇ .
  • the thickness of the sample in the depth direction is, for example, 10 nm to 100 nm, typically 10 nm to 50 nm.
  • FIGS. 4B and 4C show the electron diffraction pattern of sample A1
  • FIGS. 5B and 5C show the electron diffraction pattern of sample A2
  • FIGS. 6B and 6C show the electron diffraction pattern of sample A3, respectively.
  • the electron beam diffraction patterns shown in FIGS. 4B and 4C, FIGS. 5B and 5C, and FIGS. 6B and 6C are image data in which the contrast is adjusted so that the electron beam diffraction patterns are clear. 4B and 4C, FIGS. 5B and 5C, and FIGS. 6B and 6C, the brightest bright spot at the center is due to the incident electron beam, and the center of the electron diffraction pattern (both direct spot or transmitted wave). Say).
  • FIG. 4B when the beam diameter of the incident electron beam is 1 nm ⁇ , a plurality of spots distributed in a circumferential shape are seen, so that the metal oxide film is extremely minute and has a plane orientation. It can be seen that a plurality of crystal parts oriented in all directions are mixed.
  • FIG. 4C when the beam diameter of the incident electron beam is 100 nm ⁇ , the diffraction spots from the plurality of crystal parts are connected, and the luminance is averaged to form a ring-shaped diffraction pattern. I can confirm. In FIG. 4C, two ring-shaped diffraction patterns having different radii can be observed.
  • the first ring and the second ring are referred to from the diffraction pattern having a small diameter. It can be confirmed that the brightness of the first ring is higher than that of the second ring. In addition, two spots (first areas) with high luminance are confirmed at positions overlapping the first ring.
  • the radial distance from the center of the first ring substantially coincides with the radial distance from the center of the diffraction spot on the (009) plane in the structural model of single crystal InGaZnO 4 . Further, the first region is a diffraction spot due to the c-axis orientation.
  • the crystal part (hereinafter referred to as “c-axis orientation” which is oriented in any direction is included in the metal oxide film. It can also be said that there is a crystal part or a second crystal part).
  • the two first regions are arranged symmetrically with respect to the center point of the electron beam diffraction pattern and have the same luminance, it is presumed that the two first regions have a two-fold symmetry.
  • the direction of the straight line connecting the two first regions and the center is the direction of the c-axis of the crystal part. Match.
  • the vertical direction is the film thickness direction, it can be seen that there is a crystal part in which the c-axis is oriented in the film thickness direction in the metal oxide film.
  • the metal oxide film of the sample A1 is a film in which a crystal part having c-axis orientation and a crystal part not having c-axis orientation are mixed.
  • the electron diffraction patterns shown in FIGS. 5B and 5C and FIGS. 6B and 6C are almost the same as the electron diffraction patterns shown in FIGS. 4B and 4C.
  • the brightness of the two spots (first region) due to the c-axis orientation is the brightest in the sample A1, darker in the order of the sample A2 and the sample A3, and the proportion of crystal parts having c-axis orientation.
  • sample A1 is the highest, and decreases in the order of sample A2 and sample A3.
  • FIG. 7A is an electron beam diffraction pattern measured at a beam diameter of 100 nm with respect to a metal oxide film having a thickness of 100 nm
  • FIG. 7B is a graph obtained by adjusting the contrast of the electron beam diffraction pattern shown in FIG. 7A. It is the obtained electron beam diffraction pattern.
  • first regions two clear spots (first regions) are observed above and below the direct spot. These two spots (first regions) are caused by diffraction spots corresponding to the (001) plane in the structural model of InGaZnO 4 , that is, crystal parts having c-axis orientation.
  • a ring-like pattern (second region) with low luminance appears to overlap with the first region approximately concentrically. This is because the spot due to the structure of the crystal part (second crystal part) having no c-axis orientation is averaged and formed into a ring shape by setting the electron beam diameter to 100 nm.
  • the crystallinity of the metal oxide film can be quantified by acquiring and comparing the line profile including the first region and the line profile including the second region.
  • FIG. 8 shows a region AA ′, a region BB ′, and a region CC ′ in a simulation pattern of electron beam diffraction obtained when the (100) plane of the structural model of InGaZnO 4 is irradiated with an electron beam. It is the figure which attached the auxiliary line of.
  • the region A-A ′ shown in FIG. 8 includes a straight line passing through two diffraction spots caused by the first crystal part having c-axis orientation and a direct spot. Further, the region BB ′ and the region CC ′ shown in FIG. 8 each include a straight line passing through a region where a diffraction spot due to the first crystal part having c-axis orientation is not observed and a direct spot. .
  • the angle at which the region AA ′ and the region BB ′ or the region CC ′ intersect is around 34 °, specifically, 30 ° to 38 °, preferably 32 ° to 36 °, More preferably, the angle may be not less than 33 ° and not more than 35 °.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an image of a line profile for each structure, a relative luminance R, and a half width of a spectrum (FWHM: Full Width at Half Maximum) resulting from the c-axis orientation obtained from the electron diffraction pattern. .
  • the relative luminance R shown in FIG. 9 is a value obtained by dividing the integrated luminance intensity in the region AA ′ by the integrated luminance intensity in the region BB ′ or the integrated luminance intensity in the region CC ′. is there.
  • the integrated intensity of luminance in the areas AA ′, BB ′, and CC ′ is obtained by removing the direct spot appearing at the center position and the background caused by the direct spot. It is.
  • the strength of the c-axis orientation can be defined quantitatively.
  • the peak intensity of the diffraction spot due to the first crystal part having the c-axis orientation in the region AA ′ is high, and the region BB Since the diffraction spot due to the first crystal part having the c-axis orientation is not seen in 'and the region CC', the relative luminance R exceeds 1 and becomes extremely large.
  • the relative luminance R is highest in the single crystal metal oxide film, and decreases in the order of CAAC + nanocrystal, nanocrystal, and amorphous metal oxide film only in CAAC (details of CAAC will be described later).
  • the relative luminance R is 1 in a nanocrystal and amorphous metal oxide film having no specific orientation.
  • the full width at half maximum of the single crystal metal oxide film is the smallest, the full width at half maximum increases in the order of CAAC only, CAAC + nanocrystal, and nanocrystal metal oxide film.
  • the full width at half maximum is extremely large. It becomes a profile called halo.
  • the intensity ratio of the integrated intensity of luminance in the first region to the integrated intensity of luminance in the second region is important information in terms of estimating the existence ratio of crystal parts having orientation.
  • FIGS. 10A1 and 10A2 The analysis results using the line profile of sample A1 are shown in FIGS. 10A1 and 10A2, the analysis results using the line profile of sample A2 are shown in FIGS. 10B1 and 10B2, and the analysis results using the line profile of sample A3 are shown in FIGS. 11A1 and 11A2. , Respectively.
  • FIG. 10A1 is an electron beam diffraction pattern in which the region AA ′, the region BB ′, and the region CC ′ are described in the electron beam diffraction pattern illustrated in FIG. 4C.
  • FIG. 10B1 is illustrated in FIG. 11A1 is an electron beam diffraction pattern in which a region AA ′, a region BB ′, and a region CC ′ are described in the electron beam diffraction pattern shown.
  • FIG. 11A1 shows a region A ⁇ in the electron beam diffraction pattern shown in FIG. It is the electron beam diffraction pattern which described A ', area
  • the area A-A ′, the area B-B ′, and the area C-C ′ can be obtained by normalizing with the brightness of the direct spot appearing at the center position of the electron diffraction pattern. This also allows a relative comparison between the samples.
  • the background luminance may be calculated by linear approximation. For example, a region located on the lower luminance side than a straight line drawn along the skirts on both sides of the target peak can be subtracted as the background.
  • the integrated intensity of luminance in the region A-A ′, the region B-B ′, and the region C-C ′ was calculated from the data obtained by subtracting the background by the above-described method.
  • a value obtained by dividing the integrated luminance intensity in the region A-A ′ by the integrated luminance intensity in the region B-B ′ or the integrated luminance intensity in the region C-C ′ was obtained as the relative luminance R.
  • FIG. 12 shows the relative luminance R of the samples A1 to A3.
  • the integrated intensity of the luminance in the region AA ′ is the luminance in the region BB ′ at the peaks located on the left and right of the direct spot in the luminance profiles shown in FIGS. 10A2, 10B2, and 11A2.
  • the relative luminance R of the samples A1 to A3 is as shown below.
  • -Relative luminance R of sample A1 25.00
  • -Relative luminance R of the sample A2 3.04
  • -Relative luminance R of sample A3 1.05
  • the above-mentioned relative luminance R is an average value at four positions.
  • the relative luminance R is highest in the sample A1, and decreases in the order of the sample A2 and the sample A3.
  • the relative luminance R is more than 1 and 40 or less, preferably more than 1 and 10 or less, more preferably 1 It is preferable to use a metal oxide film that exceeds 3 and is 3 or less.
  • Presence ratio of crystal part The existence ratio of the crystal part in the metal oxide film can be estimated by analyzing the cross-sectional TEM image.
  • a two-dimensional fast Fourier transform (FFT: Fast Fourier Transform) process is performed on a TEM image captured at a high resolution to obtain an FFT image.
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the obtained FFT image is subjected to a mask process that leaves a range having periodicity and removes the rest.
  • the masked FFT image is then subjected to a two-dimensional inverse Fourier transform (IFFT: Inverse Fast Fourier Transform) to obtain an FFT filtered image.
  • IFFT Inverse Fast Fourier Transform
  • the existence ratio of the crystal part can be estimated from the ratio of the area of the remaining image. Further, by subtracting the area of the remaining image from the area of the region used for the calculation (also referred to as the area of the original image), it is possible to estimate the existence ratio of the portion other than the crystal part.
  • FIG. 13A shows a cross-sectional TEM image of sample A1
  • FIG. 13B shows an image obtained after image analysis of the cross-sectional TEM image of sample A1.
  • 14A shows a cross-sectional TEM image of sample A2
  • FIG. 14B shows an image obtained after image analysis of the cross-sectional TEM image of sample A2.
  • FIG. 15A shows a cross-sectional TEM image of sample A3, and FIG. 15B shows an image obtained after image analysis of the cross-sectional TEM image of sample A3.
  • the white area in the metal oxide film corresponds to the area including the crystal part having orientation, and the black area does not have orientation. This corresponds to a crystal part or a region including a crystal part oriented in various directions.
  • the ratio of the area excluding the region including the crystal part having orientation in the sample A1 was about 43.1%.
  • the ratio of the portion excluding the region including the crystal portion having orientation in the sample A2 was about 61.7%.
  • the ratio of the portion excluding the region including the crystal part having orientation in the sample A3 is about 89.5%.
  • the metal oxide film is a film having extremely high crystallinity. It is preferable because oxygen vacancies are difficult to make and electrical characteristics are very stable.
  • the ratio of the portion excluding the crystal part having orientation in the metal oxide film is 40% or more and less than 100%, preferably 60% or more and 90% or less, the metal oxide film has orientation.
  • the crystal part which has and the crystal part which does not have orientation coexist in a moderate ratio, and it can make electrical characteristics stable and high mobility compatible.
  • LGBR Lateral Growth Buffer Region
  • samples B1 to B3 were produced.
  • a metal oxide film having a thickness of about 50 nm was formed on a glass substrate by a method similar to that of the sample A1 described above. Subsequently, a silicon oxynitride film having a thickness of about 30 nm, a silicon oxynitride film having a thickness of about 100 nm, and a silicon oxynitride film having a thickness of about 20 nm are stacked over the metal oxide film by a plasma CVD method.
  • a metal oxide film may be described as OS and a silicon oxynitride film may be described as GI.
  • an In—Sn—Si oxide film having a thickness of 5 nm was formed by a sputtering method.
  • oxygen addition treatment was performed on the silicon oxynitride film.
  • oxygen addition conditions using an ashing apparatus, a substrate temperature of 40 ° C., and an oxygen gas (16 O) of the flow rate 150 sccm, and a flow rate 100sccm oxygen gas (18 O) is introduced into the chamber, 15 Pa pressure Then, RF power of 4500 W was supplied for 600 seconds between parallel plate electrodes installed in the ashing device so that a bias was applied to the substrate side. Note that oxygen gas ( 16 O) was contained in the silicon oxynitride film at a main component level, and thus oxygen gas ( 18 O) was used to accurately measure the oxygen added by the oxygen addition treatment. .
  • a silicon nitride film having a thickness of about 100 nm was formed by a plasma CVD method.
  • Sample B2 is a sample manufactured by changing the film formation conditions of the metal oxide film from Sample B1.
  • a metal oxide film having a thickness of about 50 nm was formed by a method similar to that for Sample A2 described above.
  • Sample B3 is a sample manufactured by making the film formation conditions of the metal oxide film different from those of Sample B1.
  • a metal oxide film with a thickness of about 50 nm was formed by a method similar to that for Sample A3 described above.
  • Samples B1 to B3 were prepared by the above process.
  • SIMS analysis For samples B1 to B3, the concentration of 18 O was measured by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) analysis. Note that in SIMS analysis, the above-prepared samples B1 to B3 were not subjected to heat treatment, the samples B1 to B3 were subjected to heat treatment at 350 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and the samples B1 to B3 were subjected to nitrogen treatment. Three conditions were set: a condition of performing heat treatment at 450 ° C. for one hour in an atmosphere.
  • FIGS. 16A to 16C show the SIMS measurement results.
  • 16A to 16C show the analysis results of the region including GI and OS.
  • 16A to 16C show the results of analysis from the substrate side (also referred to as SSDP (Substrate Side Depth Profile) -SIMS).
  • substrate side also referred to as SSDP (Substrate Side Depth Profile) -SIMS.
  • the gray broken line is a profile under conditions where heat treatment is not performed
  • the black broken line is a profile under conditions where heat treatment is performed at 350 ° C.
  • the black solid line is subjected to heat treatment at 450 ° C. It is a profile of the condition.
  • a metal oxide film in which a crystal part having orientation and a crystal part not having orientation are mixed and the ratio of the crystal part having orientation is low is a film that easily transmits oxygen, in other words, It can be confirmed that the film easily diffuses oxygen. Further, it can be confirmed that oxygen in the GI film diffuses into the OS by performing heat treatment at 350 ° C. or 450 ° C.
  • LGBR regions other than crystal parts
  • LGBR cross-sectional observation image
  • oxygen released from the oxide film diffuses in the thickness direction of the metal oxide film by LGBR. Then, oxygen can be supplied from the lateral direction to the crystal part having orientation through the LGBR. Thereby, oxygen is sufficiently distributed to the crystal part having the orientation of the metal oxide film and other regions, and oxygen vacancies in the film can be effectively reduced.
  • the side surface of the crystal part having orientation Active oxygen (atomic oxygen) is bound to.
  • a metal such as In, M, or Zn is bonded to the bonded active oxygen.
  • the active oxygen and a metal such as In, M, or Zn are repeatedly bonded to each other so that solid phase growth occurs laterally from the side surface of the crystal part having orientation. Lateral growth of crystal parts having such orientation can also be called self-organization.
  • a hydrogen atom that is not bonded to a metal atom is present in the metal oxide film, this may be bonded to an oxygen atom to form OH and be fixed. Therefore, the oxygen deficiency of the metal oxide film by depositing a low temperature fixed amount state where hydrogen atoms are trapped (referred to as V O H) to (V O) (for example, about 1 ⁇ 10 17 cm -3) By forming, OH is suppressed from being formed.
  • V O H generates carriers, a certain amount of carriers are present in the metal oxide film. Thereby, a metal oxide film with an increased carrier density can be formed.
  • oxygen vacancies are simultaneously formed during film formation, but the oxygen vacancies can be reduced by introducing oxygen through LGBR as described above. By such a method, a metal oxide film having a relatively high carrier density and sufficiently reduced oxygen vacancies can be formed.
  • the region other than the crystal part having the orientation constitutes a very fine crystal part having no orientation at the time of film formation, no clear crystal grain boundary is observed in the metal oxide film.
  • the extremely fine crystal part is located between a plurality of crystal parts having orientation.
  • the fine crystal part grows in the lateral direction by heat at the time of film formation, and is bonded to an adjacent crystal part having orientation.
  • the fine crystal part also functions as a region for generating carriers. Accordingly, it is considered that the field-effect mobility of the metal oxide film having such a structure can be remarkably improved by being applied to a transistor.
  • oxygen permeability is improved by using a metal oxide film formed under conditions of low temperature and low oxygen flow rate. For this reason, for example, an increase in the amount of oxygen diffused during the manufacturing process of the transistor may reduce defects such as oxygen vacancies in the metal oxide film and at the interface between the metal oxide film and the insulating film. Guessed. It is suggested that the on-state current of the transistor is remarkably increased as a result of reducing the defect level density by such an effect.
  • a transistor with improved on-state current can be suitably used for a switch capable of charging and discharging a capacitor at high speed.
  • it can be suitably used for a demultiplexer circuit or the like.
  • etching treatment in an oxygen atmosphere after forming a metal oxide film and forming an oxide insulating film such as a silicon oxide film thereon.
  • Such treatment can reduce the hydrogen concentration in addition to supplying oxygen into the film.
  • fluorine remaining in the chamber may be doped into the metal oxide film at the same time. Fluorine exists as a negatively charged fluorine atom, and is combined with a positively charged hydrogen atom by Coulomb force to generate HF. HF is released out of the metal oxide film during the plasma treatment, and as a result, the hydrogen concentration in the metal oxide film can be reduced.
  • oxygen atoms and hydrogen may be combined and released as H 2 O out of the film.
  • a configuration in which a silicon oxide film (or silicon oxynitride film) is stacked on a metal oxide film is considered. Since fluorine in the silicon oxide film is bonded to hydrogen in the film and can exist as electrically neutral HF, it does not affect the electrical characteristics of the metal oxide film. In addition, although Si-F bond may arise, this also becomes electrically neutral. Further, it is considered that HF in the silicon oxide film does not affect oxygen diffusion.
  • oxygen vacancies in the metal oxide film are reduced, and hydrogen that is not bonded to metal atoms in the film is reduced, so that reliability can be improved. Further, it is considered that the electrical characteristics are improved when the carrier concentration of the metal oxide film is a certain level or more.
  • Samples C1 to C3 are transistors having a channel length L of 6 ⁇ m and a channel width W of 50 ⁇ m.
  • a titanium film with a thickness of 10 nm and a copper film with a thickness of 100 nm were formed on a glass substrate using a sputtering apparatus. Subsequently, the conductive film was processed by a photolithography method.
  • insulating films were formed on the substrate and the conductive film.
  • the insulating film was continuously formed in a vacuum using a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) apparatus.
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • a silicon nitride film with a thickness of 50 nm, a silicon nitride film with a thickness of 300 nm, a silicon nitride film with a thickness of 50 nm, and a silicon oxynitride film with a thickness of 50 nm were used from the bottom.
  • an oxide semiconductor film was formed over the insulating film, and the semiconductor layer was formed by processing the oxide semiconductor film into an island shape.
  • the oxide semiconductor film an oxide semiconductor film with a thickness of 40 nm was formed.
  • an insulating film was formed on the insulating film and the semiconductor layer.
  • a 150 nm thick silicon oxynitride film was formed using a PECVD apparatus.
  • heat treatment was performed.
  • heat treatment was performed at 350 ° C. for one hour in a mixed gas atmosphere of nitrogen and oxygen.
  • an opening was formed in a desired region of the insulating film.
  • a dry etching method was used as a method for forming the opening.
  • a conductive film was formed over the insulating film so as to cover the opening, and the conductive film was processed to form an island-shaped conductive film. Further, after the island-shaped conductive film was formed, the island-shaped insulating film was formed by processing the insulating film in contact with the lower side of the conductive film.
  • an oxide semiconductor film having a thickness of 10 nm, a titanium nitride film having a thickness of 50 nm, and a copper film having a thickness of 100 nm were sequentially formed.
  • the titanium nitride film and the copper film were formed using a sputtering apparatus.
  • plasma treatment was performed on the oxide semiconductor film, the insulating film, and the conductive film.
  • the plasma treatment was performed using a PECVD apparatus at a substrate temperature of 220 ° C. in a mixed gas atmosphere of argon gas and nitrogen gas.
  • an insulating film was formed over the oxide semiconductor film, the insulating film, and the conductive film.
  • a silicon nitride film with a thickness of 100 nm and a silicon oxynitride film with a thickness of 300 nm were stacked using a PECVD apparatus.
  • a mask was formed on the formed insulating film, and an opening was formed in the insulating film using the mask.
  • a conductive film was formed so as to fill the opening, and the conductive film was processed into an island shape, thereby forming a conductive film to be a source electrode and a drain electrode.
  • a titanium film with a thickness of 10 nm and a copper film with a thickness of 100 nm were formed using a sputtering apparatus, respectively.
  • an insulating film was formed over the insulating film and the conductive film.
  • an acrylic photosensitive resin film having a thickness of 1.5 ⁇ m was used as the insulating film.
  • the shallow defect level of metal oxide (hereinafter also referred to as sDOS) can be estimated from the electrical characteristics of a transistor using the metal oxide film as a semiconductor film.
  • the following evaluates the density of interface state of the transistor, in addition to the density of the interface states, when considering the number of electrons N trap trapped in interface states, a method for predicting the subthreshold leakage current .
  • the number of electrons trapped in the interface state N trap is, for example, a comparison between the measured value of the drain current-gate voltage (Id-Vg) characteristic of the transistor and the calculated value of the drain current-gate voltage (Id-Vg) characteristic. By doing so, it can be evaluated.
  • the source voltage Vs 0 V
  • the change of the drain current Id with respect to the gate voltage Vg becomes gentle. This is presumably because electrons were trapped in a shallow interface state located near the energy (denoted Ec) at the bottom of the conduction band.
  • the density N it of the interface state is estimated more strictly by considering the number of traps N trap (per unit area and unit energy) trapped in the shallow interface state. Can do.
  • FIG. A broken line shows an ideal Id-Vg characteristic without a trap level obtained by calculation.
  • the change in the gate voltage Vg at which the drain current changes in Id2 from Id1 and [Delta] V id indicates the actually measured Id-Vg characteristic.
  • the change in the gate voltage Vg when the drain current changes from Id1 to Id2 is represented by ⁇ V ex . Drain current Id1, the potentials at the target to the interface when the Id2 phi it1, and phi it2, to the change amount of [Delta] [phi it.
  • C tg is the combined capacitance of the insulator and semiconductor per area.
  • ⁇ Q trap can also be expressed by Equation (2) using the trapped number of electrons N trap (per unit area, unit energy). Note that q is an elementary electric quantity.
  • Formula (3) can be obtained by combining Formula (1) and Formula (2).
  • formula (4) can be obtained by taking the limit ⁇ it ⁇ 0 of formula (3).
  • the number of trapped electrons N trap at the interface can be estimated using the ideal Id-Vg characteristic, the actually measured Id-Vg characteristic, and Equation (4). Note that the relationship between the drain current and the potential at the interface can be obtained by the above-described calculation.
  • Equation (5) the unit area, the density N it the number of electrons N trap and interface state per unit energy are related as Equation (5).
  • f (E) is a Fermi distribution function.
  • N is a Fermi distribution function.
  • the N trap obtained from equation (4) By fitting the formula (5), N it is determined.
  • the calculation using a device simulator set the N it, it is possible to obtain a transfer characteristic containing an Id ⁇ 0.1 pA.
  • Equation (4) the result of extracting N trap by applying Equation (4) to the actually measured Id-Vg characteristic shown in FIG. 17 is indicated by white circles in FIG.
  • the vertical axis in FIG. 19 represents the Fermi energy Ef from the conduction band lower end Ec of the semiconductor. Looking at the broken line, the maximum value is found at a position just below Ec.
  • FIG. 20A and 20B show the results of back-calculating the Id-Vg characteristics by feeding back the obtained interface state fitting curve to the calculation using the device simulator.
  • FIG. 20A shows an Id-Vg characteristic obtained by calculation when the drain voltage Vd is 0.1 V and 1.8 V, and an actually measured Id-Vg in the transistor when the drain voltage Vd is 0.1 V and 1.8 V. Characteristics.
  • FIG. 20B is a graph in which the drain current Id of FIG. 20A is logarithmic.
  • FIG. 21 shows the result of calculating the average value of the shallow defect level densities of the two sets of samples C1 to C3.
  • the peak value of the shallow defect level density is less than 2.5 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 , indicating that the sample has a very low shallow defect level density.
  • the peak value of the shallow defect level density in the metal oxide film is less than 2.5 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 , preferably less than 1.75 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 eV ⁇ 1 , and more.
  • it is less than 1.5 * 10 ⁇ 12 > cm ⁇ -2 > eV ⁇ -1 >, More preferably, it is less than 7.5 * 10 ⁇ 11 > cm ⁇ -2 > eV- 1 .
  • Samples C1 to C3 are transistors in which a metal oxide film having a low density of defect states is formed. This is because a metal oxide film formed under the conditions of a low temperature and a low oxygen flow rate improves oxygen permeability and increases the amount of oxygen diffused during the manufacturing process of the transistor, thereby increasing the amount of oxygen in the metal oxide film. This suggests that defects such as oxygen vacancies at the interface between the metal oxide film and the insulating film are reduced.
  • CPM measurement the amount of light applied to the sample surface between the terminals is adjusted so that the photocurrent value is constant while a voltage is applied between the two electrodes provided on the sample, and the absorption coefficient is derived from the amount of light applied. This is done at each wavelength.
  • CPM measurement when a sample has a defect, an absorption coefficient at an energy (converted from a wavelength) corresponding to the level where the defect exists is increased. By multiplying the increase in the absorption coefficient by a constant, the dDOS of the sample can be derived.
  • the absorption coefficient due to the defect level can be calculated from the following equation.
  • ⁇ (E) represents an absorption coefficient at each energy
  • ⁇ u represents an absorption coefficient due to the back-tail.
  • sample for CPM evaluation three samples (samples D1 to D3) were prepared and CPM evaluation was performed.
  • a metal oxide film was formed on a glass substrate.
  • a metal oxide film having a thickness of about 100 nm was formed by the same method as in sample A1.
  • a metal oxide film having a thickness of about 100 nm was formed by the same method as in sample A2.
  • a metal oxide film having a thickness of about 100 nm was formed by the same method as in sample A3.
  • a silicon oxynitride film having a thickness of about 30 nm, a silicon oxynitride film having a thickness of about 100 nm, and a silicon oxynitride film having a thickness of about 20 nm are stacked over the metal oxide film by a plasma CVD method. .
  • the oxide semiconductor film has a two-layer structure.
  • the first oxide semiconductor film has a substrate temperature of 170 ° C., an oxygen gas with a flow rate of 200 sccm is introduced into the chamber of the sputtering apparatus, a pressure of 0.6 Pa, and a metal containing indium, gallium, and zinc.
  • the oxide semiconductor film was removed by wet etching.
  • the silicon oxynitride film was formed by a plasma CVD method using a mixed gas of SiH 4 having a flow rate of 160 sccm and N 2 O having a flow rate of 4000 sccm as a deposition gas under the conditions of a pressure of 200 Pa, a power of 1500 W, and a substrate temperature of 220 ° C. .
  • the thickness of the silicon oxynitride film is about 400 nm.
  • a laminated film of a Ti film having a thickness of about 50 nm, an Al film having a thickness of about 400 nm, and a Ti film having a thickness of about 100 nm was formed by a sputtering method. Thereafter, the laminated film was processed by a photolithography method to form an electrode.
  • FIG. 22 shows the CPM measurement result of the sample D1
  • FIG. 23 shows the CPM measurement result of the sample D2
  • FIG. 24 shows the CPM measurement result of the sample D3.
  • the vertical axis represents an absorption coefficient
  • the horizontal axis represents light energy.
  • the black solid line indicates the curve of the absorption coefficient of each sample
  • the dotted line indicates the tangent
  • the gray solid line indicates the optically measured absorption coefficient.
  • the value of the back tail of the sample D1 estimated from FIG. 22 is 68.70 meV, and the absorption coefficient obtained by removing the absorption coefficient due to the back tail from the absorption coefficient curve, that is, the absorption coefficient due to the deep defect level.
  • the value was 1.21 ⁇ 10 ⁇ 3 cm ⁇ 1 .
  • the value of the back tail of the sample D2 estimated from FIG. 23 was 64.46 meV, and the value of the absorption coefficient due to the deep defect level was 1.36 ⁇ 10 ⁇ 3 cm ⁇ 1 .
  • the back-tail value of sample D3 estimated from FIG. 24 was 65.83 meV, and the value of the absorption coefficient attributable to the deep defect level was 1.04 ⁇ 10 ⁇ 3 cm ⁇ 1 .
  • the metal oxide film of one embodiment of the present invention can be formed by a sputtering method in an atmosphere containing oxygen.
  • the substrate temperature during film formation is preferably room temperature or higher and 150 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, more preferably 100 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, typically 130 ° C.
  • room temperature or higher and 150 ° C. or lower preferably 50 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, more preferably 100 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, typically 130 ° C.
  • the flow rate ratio of oxygen during film formation is 0% to less than 50%, preferably 0% to 30%, more preferably 0% to 20%, and even more preferably 0% to 15%. % Or less, typically 10%.
  • oxygen partial pressure is 0% to less than 50%, preferably 0% to 30%, more preferably 0% to 20%, and even more preferably 0% to 15%. % Or less, typically 10%.
  • a metal oxide film in which a crystal part having orientation and a crystal part having no orientation are mixed can be obtained. Obtainable.
  • the substrate temperature and the oxygen flow rate within the above ranges, it is possible to control the existence ratio of the crystal part having orientation and the crystal part having no orientation.
  • An oxide target that can be used for forming a metal oxide film is not limited to an In—Ga—Zn-based oxide, and includes, for example, an In—M—Zn-based oxide (M is Al, Ga, Y). Or Sn) can be applied.
  • a metal oxide film including a crystal part is formed using a sputtering target including a polycrystalline oxide having a plurality of crystal grains, compared to a case where a sputtering target not including a polycrystalline oxide is used, A metal oxide film having crystallinity is easily obtained.
  • the sputtering target has a plurality of crystal grains and the crystal grains have a layered structure, and there is an interface that is easily cleaved, the ions are allowed to collide with the sputtering target.
  • the crystal grains are cleaved.
  • the sputtering target is, for example, a layered layer oriented in the c-axis direction, including In, M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn as shown in FIG. 27 described later. It shall have a structure.
  • the crystal grains are tabular or pellet-like clusters, and can also be referred to as nanoclusters or pellets.
  • the nanocluster 20 cleaved from the target is flat, it is easy to deposit with the plane side facing the surface of the substrate 32.
  • M is Al, Ga, Y, or Sn
  • Zn is oriented in the c-axis direction
  • the particles 23 ejected from the target reach the surface of the substrate 32.
  • the particle 23 has an aggregate of one atom or several atoms. Therefore, the particles 23 can also be referred to as atomic particles.
  • the nanocluster has a layered structure oriented in the c-axis direction, including In, M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn as shown in FIG. 27 described later.
  • M is Al, Ga, Y, or Sn
  • Zn as shown in FIG. 27 described later.
  • the particles 23 are more easily bonded to the side surfaces than the upper surface of the nanocluster 20. Accordingly, the particles 23 preferentially adhere to the side surfaces of the nanoclusters 20 so as to fill the regions where the nanoclusters 20 are not formed.
  • the particle 23 is chemically connected to the nanocluster 20 to form a laterally grown portion 22 when the bond is activated (see FIG. 25A). It can also be said that the particles 23 enter the region between the nanoclusters 20.
  • the lateral growth part 22 grows in the lateral direction so as to fill the region 26 between the nanoclusters 20 (the region 26 can also be referred to as Lateral Growth Buffer Region (LGBR)) (also referred to as lateral growth).
  • LGBR Lateral Growth Buffer Region
  • the lateral direction refers to a direction perpendicular to the c-axis in the nanocluster 20, for example.
  • the particles 23 adhere to the laterally grown portions 22 of the nanoclusters 20, oxygen diffused via LGBR adheres to the particles 23, and the particles 23 again.
  • the reaction of adhering in the same manner is likely to occur. It is presumed that the solid-phase growth in the horizontal direction is caused by this repetition.
  • Such lateral growth of nanoclusters can also be called self-organization.
  • the lateral growth portions 22 collide with each other by lateral growth of the lateral growth portions 22.
  • Adjacent nanoclusters 20 are connected with a portion where the laterally growing portion 22 collides as a connecting portion 27 (see FIG. 25B). That is, the connecting portion 27 is formed in the region 26.
  • the particles 23 form the lateral growth portions 22 on the side surfaces of the nanoclusters 20 and the lateral growth portions 22 grow in the lateral direction, thereby filling the regions 26 between the nanoclusters 20. . In this manner, the lateral growth portion 22 is formed until the region where the nanocluster 20 is not formed is filled.
  • the gap between the nanoclusters 20 and the nanoclusters 20 is filled while the particles 23 are laterally grown, so that a clear crystal grain boundary is not formed.
  • the particles 23 are smoothly connected (anchored) between the nanoclusters 20, different crystal structures are formed in the connecting portion 27 from both single crystals and polycrystals.
  • a crystal structure having a strain is formed at the connecting portion 27 between the nanoclusters 20.
  • the crystal structure whose upper surface has a hexagonal shape may be deformed into a pentagon or heptagon.
  • a new nanocluster 20 is formed with the plane side facing the surface of the substrate 32.
  • the particles 23 are deposited so as to fill the region where the nanoclusters 20 are not formed, thereby forming the lateral growth portion 22 (see FIG. 25C).
  • the particles 23 adhere to the side surfaces of the nanoclusters 20 and the laterally grown portions 22 grow laterally, thereby connecting the nanoclusters 20 in the second layer (see FIG. 25D).
  • Film formation continues until the m-th layer (m is an integer of 2 or more) is formed, and a metal oxide film having a stacked body is formed.
  • the method for forming the metal oxide film of one embodiment of the present invention is not limited thereto, and for example, a pulse laser deposition (PLD) method, a plasma chemical vapor deposition (PECVD) method, a thermal CVD (Chemical Vapor Deposition).
  • PLD pulse laser deposition
  • PECVD plasma chemical vapor deposition
  • thermal CVD Thermal Vapor Deposition
  • an ALD (Atomic Layer Deposition) method or a vacuum deposition method may be used.
  • An example of the thermal CVD method is a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method.
  • the metal oxide film of one embodiment of the present invention can be applied to a semiconductor device such as a transistor.
  • a metal oxide film having semiconductor characteristics hereinafter referred to as an oxide semiconductor film
  • the oxide semiconductor film includes indium (In), M (M represents Al, Ga, Y, or Sn), and Zn (zinc).
  • the element M is aluminum, gallium, yttrium, or tin, but as elements applicable to the element M, in addition to the above, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, Cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, or the like may be used. Further, as the element M, a plurality of the aforementioned elements may be combined.
  • a preferable range of the atomic ratio of indium, element M, and zinc included in the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention is described with reference to FIGS. 26A to 26C do not describe the atomic ratio of oxygen.
  • the terms of the atomic ratio of indium, element M, and zinc included in the oxide semiconductor film are [In], [M], and [Zn].
  • FIGS. 26A and 26B illustrate an example of a preferable range of the atomic ratio of indium, element M, and zinc included in the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 shows a crystal structure of InMZnO 4 when observed from a direction parallel to the b-axis.
  • a metal element in a layer containing M, Zn, and oxygen hereinafter referred to as an (M, Zn) layer
  • the element M or zinc represents the element M or zinc.
  • the ratio of the element M and zinc shall be equal.
  • the element M and zinc can be substituted and the arrangement is irregular.
  • indium and element M can be substituted for each other. Therefore, the element M in the (M, Zn) layer can be replaced with indium and expressed as an (In, M, Zn) layer. In that case, a layered structure in which the In layer is 1 and the (In, M, Zn) layer is 2 is employed.
  • the element M in the MZnO 2 layer can be substituted with indium, and can be expressed as an In ⁇ M 1- ⁇ ZnO 2 layer (0 ⁇ ⁇ 1). In that case, a layered structure in which the InO 2 layer is 1 and the In ⁇ M 1- ⁇ ZnO 2 layer is 2 is adopted. Further, indium in the InO 2 layer can be replaced with the element M, and can be expressed as an In 1- ⁇ M ⁇ O 2 layer (0 ⁇ ⁇ 1). In that case, the In 1- ⁇ M ⁇ O 2 layer is 1 and the MZnO 2 layer is 2.
  • the In layer when the In layer is 1 and the (M, Zn) layer is non-integer, the In layer has 1 and the (M, Zn) layer has an integer of multiple layers.
  • the In layer has 1 and the (M, Zn) layer has an integer of multiple layers.
  • a film having an atomic ratio that deviates from the atomic ratio of the target is formed.
  • [Zn] of the film may be smaller than [Zn] of the target.
  • a plurality of phases may coexist in the oxide semiconductor film (two-phase coexistence, three-phase coexistence, etc.).
  • a plurality of phases may coexist in the oxide semiconductor film (two-phase coexistence, three-phase coexistence, etc.).
  • a grain boundary also referred to as a grain boundary
  • the carrier mobility (electron mobility) of the oxide semiconductor film can be increased. This is because, in an oxide semiconductor film containing indium, element M, and zinc, the s orbital of heavy metal mainly contributes to carrier conduction, and by increasing the indium content, the region where the s orbital overlaps becomes larger. Therefore, an oxide semiconductor film with a high indium content has higher carrier mobility than an oxide semiconductor film with a low indium content.
  • the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention have an atomic ratio shown in a region A in FIG. 26A which has a high carrier mobility and easily has a layered structure with few grain boundaries.
  • An oxide semiconductor film having an atomic ratio represented by the region B is an excellent oxide semiconductor film that has particularly high crystallinity and high carrier mobility.
  • the conditions under which the oxide semiconductor film forms a layered structure are not uniquely determined by the atomic ratio. Depending on the atomic ratio, there is a difference in difficulty for forming a layered structure. On the other hand, even if the atomic ratio is the same, there may be a layered structure or a layered structure depending on the formation conditions. Therefore, the region illustrated in the drawing is a region exhibiting an atomic ratio in which the oxide semiconductor film has a layered structure, and the boundaries between the regions A to C are not strict.
  • Metal oxide film structure Next, the structure of the metal oxide film (hereinafter referred to as an oxide semiconductor) is described.
  • An oxide semiconductor is classified into a single crystal oxide semiconductor and a non-single crystal oxide semiconductor.
  • a CAAC-OS c-axis-aligned crystal oxide semiconductor
  • a polycrystalline oxide semiconductor a polycrystalline oxide semiconductor
  • an nc-OS nanocrystalline oxide semiconductor
  • a pseudo-amorphous oxide semiconductor a-like oxide OS
  • amorphous oxide semiconductor amorphous-like oxide semiconductor
  • oxide semiconductors are classified into amorphous oxide semiconductors and other crystalline oxide semiconductors.
  • a crystalline oxide semiconductor include a single crystal oxide semiconductor, a CAAC-OS, a polycrystalline oxide semiconductor, and an nc-OS.
  • Amorphous structures are generally isotropic, have no heterogeneous structure, are metastable, have no fixed atomic arrangement, have a flexible bond angle, have short-range order, but long-range order It is said that it does not have.
  • a stable oxide semiconductor cannot be called a complete amorphous semiconductor.
  • an oxide semiconductor that is not isotropic (for example, has a periodic structure in a minute region) cannot be called a complete amorphous oxide semiconductor.
  • an a-like OS is not isotropic but has an unstable structure having a void (also referred to as a void). In terms of being unstable, a-like OS is physically similar to an amorphous oxide semiconductor.
  • CAAC-OS First, the CAAC-OS will be described.
  • CAAC-OS is a kind of oxide semiconductor having a plurality of c-axis aligned crystal parts (also referred to as pellets).
  • CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. Since the crystallinity of an oxide semiconductor may be deteriorated by entry of impurities, generation of defects, or the like, the CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor with few impurities and defects (such as oxygen vacancies).
  • the impurity means an element other than the main components of the oxide semiconductor, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element.
  • an element such as silicon which has a stronger bonding force with oxygen than a metal element included in an oxide semiconductor, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor by depriving the oxide semiconductor of oxygen, thereby reducing crystallinity. It becomes a factor.
  • heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii), which disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor and decreases crystallinity.
  • nc-OS is analyzed by XRD.
  • XRD X-ray diffraction
  • Nc-OS is an oxide semiconductor having higher regularity than an amorphous oxide semiconductor. Therefore, the nc-OS has a lower density of defect states than an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor. Note that the nc-OS does not have regularity in crystal orientation between different pellets. Therefore, the nc-OS may have a higher density of defect states than the CAAC-OS.
  • the a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.
  • A-like OS has a void or low density region. Since the a-like OS has a void, it has an unstable structure.
  • the a-like OS since the a-like OS has a void, it has a structure with a lower density than the nc-OS and the CAAC-OS. Specifically, the density of the a-like OS is 78.6% or more and less than 92.3% of the density of the single crystal having the same composition. Further, the density of the nc-OS and the density of the CAAC-OS are 92.3% or more and less than 100% of the density of the single crystal having the same composition. An oxide semiconductor having a density of less than 78% of the single crystal is difficult to form.
  • the density of single crystal InGaZnO 4 having a rhombohedral structure is 6.357 g / cm 3 .
  • the density of a-like OS is 5.0 g / cm 3 or more and less than 5.9 g / cm 3.
  • the density of the nc-OS and the density of the CAAC-OS are 5.9 g / cm 3 or more and 6.3 g / cm. less than cm 3 .
  • the density corresponding to the single crystal having a desired composition can be estimated by combining single crystals having different compositions at an arbitrary ratio. What is necessary is just to estimate the density corresponding to the single crystal of a desired composition using a weighted average with respect to the ratio which combines the single crystal from which a composition differs. However, the density is preferably estimated by combining as few kinds of single crystals as possible.
  • oxide semiconductors have various structures and various properties.
  • the oxide semiconductor may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS, for example.
  • an oxide semiconductor film for a transistor for example, carrier scattering at a crystal grain boundary can be reduced as compared with a transistor using polycrystalline silicon for a channel region.
  • a transistor can be realized.
  • a highly reliable transistor can be realized.
  • the oxide semiconductor film of one embodiment of the present invention is a film in which a crystal part having orientation and a crystal part not having orientation are mixed. By using such an oxide semiconductor film having crystallinity, a transistor having both high field-effect mobility and high reliability can be realized.
  • Carrier density of metal oxide film The carrier density of the metal oxide film (hereinafter referred to as an oxide semiconductor film) will be described below.
  • oxygen vacancies (Vo) in the oxide semiconductor film As a factor that affects the carrier density of the oxide semiconductor film, oxygen vacancies (Vo) in the oxide semiconductor film, impurities in the oxide semiconductor film, and the like can be given.
  • the density of defect states increases when hydrogen is bonded to the oxygen vacancies (this state is also referred to as VoH).
  • the carrier density of the oxide semiconductor film can be controlled by controlling the density of defect states in the oxide semiconductor film.
  • the object is to suppress a negative shift in the threshold voltage of the transistor or to reduce the off-state current of the transistor, it is preferable to reduce the carrier density of the oxide semiconductor film.
  • the impurity concentration in the oxide semiconductor film may be decreased and the defect level density may be decreased.
  • a low impurity concentration and a low density of defect states are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic.
  • the carrier density of the high-purity intrinsic oxide semiconductor film is less than 8 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 , preferably less than 1 ⁇ 10 11 cm ⁇ 3 , more preferably less than 1 ⁇ 10 10 cm ⁇ 3 , and 1 ⁇ What is necessary is just to set it as 10 ⁇ -9 > cm ⁇ -3 > or more.
  • the carrier density of an oxide semiconductor film it is preferable to increase the carrier density of an oxide semiconductor film.
  • the impurity concentration of the oxide semiconductor film may be slightly increased or the defect state density of the oxide semiconductor film may be slightly increased.
  • the band gap of the oxide semiconductor film is preferably made smaller.
  • an oxide semiconductor film with a slightly high impurity concentration or a slightly high defect state density within a range where the on / off ratio of the Id-Vg characteristics of the transistor can be obtained can be regarded as substantially intrinsic.
  • the oxide semiconductor film with the increased carrier density is slightly n-type. Therefore, an oxide semiconductor film with an increased carrier density may be referred to as “Slightly-n”.
  • the carrier density of the substantially intrinsic oxide semiconductor film is preferably 1 ⁇ 10 5 cm ⁇ 3 or more and less than 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , preferably 1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less. More preferably, it is 1 ⁇ 10 9 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less, more preferably 1 ⁇ 10 10 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less, and further preferably 1 ⁇ 10 11 cm ⁇ 3. More preferably, it is 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or less.
  • FIG. 28 illustrates energy bands in a transistor in which an oxide semiconductor film is used for a channel region.
  • FIG. 28 illustrates an example of the energy band of the gate electrode, the gate insulating film, the oxide semiconductor film, and the source or drain electrode in contact with the oxide semiconductor film.
  • a silicon oxide film is used as the gate insulating film and an In—Ga—Zn oxide is used as the oxide semiconductor film.
  • the transition level ( ⁇ f) of defects that can be formed in the silicon oxide film is formed at a position away from the conduction band of the gate insulating film by 3.1 eV, and the oxide when the gate voltage (Vg) is 30V.
  • the Fermi level (Ef) of the silicon oxide film at the interface between the semiconductor film and the silicon oxide film is set to 3.6 eV from the conduction band of the gate insulating film. Note that the Fermi level of the silicon oxide film varies depending on the gate voltage.
  • the Fermi level (Ef) of the silicon oxide film at the interface between the oxide semiconductor film and the silicon oxide film is lowered.
  • a white circle in FIG. 28 represents an electron (carrier), and X in FIG. 28 represents a defect level in the silicon oxide film.
  • the depth at which the Fermi level at the interface between the gate insulating film and the oxide semiconductor film is formed may be different.
  • the conduction band of the gate insulating film moves upward at and near the interface between the gate insulating film and the oxide semiconductor film.
  • the energy difference between the Fermi level at the interface between the gate insulating film and the oxide semiconductor film increases.
  • the charge trapped in the gate insulating film is reduced.
  • the change in the charge state of the defect level that can be formed in the above-described silicon oxide film is reduced, and the gate bias heat ( The variation of the threshold voltage of the transistor under stress can be reduced under stress (Gate Bias Temperature: GBT).
  • the charge trapped in the defect level of the oxide semiconductor film takes a long time to disappear and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel region is formed in an oxide semiconductor film with a high defect level density may have unstable electrical characteristics.
  • Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, iron, nickel, silicon, and the like.
  • the concentrations of silicon and carbon in the oxide semiconductor film, and the concentrations of silicon and carbon in and near the interface of the oxide semiconductor film Is 2 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor film obtained by SIMS is set to 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or lower, preferably 2 ⁇ 10 16 atoms / cm 3 or lower.
  • the nitrogen in the oxide semiconductor film is preferably reduced as much as possible.
  • the nitrogen concentration in the oxide semiconductor film obtained by SIMS is less than 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, and even more preferably 5 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • hydrogen contained in the oxide semiconductor film reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, so that an oxygen vacancy may be formed in some cases.
  • oxygen vacancy may be formed in some cases.
  • electrons serving as carriers may be generated.
  • a part of hydrogen may be combined with oxygen bonded to a metal atom to generate electrons as carriers. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor film containing hydrogen is likely to be normally on. For this reason, it is preferable that hydrogen in the oxide semiconductor film be reduced as much as possible.
  • the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3. Less than cm 3 , more preferably less than 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
  • the oxide semiconductor film preferably has an energy gap of 2 eV or more, or 2.5 eV or more.
  • the thickness of the oxide semiconductor film is 3 nm to 200 nm, preferably 3 nm to 100 nm, more preferably 3 nm to 60 nm.
  • the oxide semiconductor film is an In-M-Zn oxide
  • Oxygen diffusion in metal oxide film The oxygen diffusion into the metal oxide film (hereinafter referred to as an oxide semiconductor film) will be described below.
  • a nanocluster (also referred to as a pellet) illustrated in FIG. 29A includes two (In, M, Zn) layers (In, M (M is Al, Ga, Y, or Sn), Zn, and a layer having oxygen). ) Is formed between In layers (layers containing In and oxygen).
  • an (M, Zn) layer (a layer containing M, Zn, and oxygen) may be formed instead of the (In, M, Zn) layer.
  • a crystal part in which a plurality of nanoclusters are arranged so as to have orientation in the thickness direction of the film is the above-described crystal part having c-axis orientation.
  • a plurality of nanoclusters have no orientation in the thickness direction of the film, and a crystal part that is oriented in various directions is a crystal part that does not have the above-described c-axis orientation.
  • oxygen vacancies are easily formed in the nanocluster during the film formation.
  • the oxide semiconductor film is formed under conditions in which the ratio of crystal parts having no c-axis alignment is large (for example, the film formation temperature is set to room temperature and the oxygen flow rate ratio is set to 10% or less).
  • oxygen vacancies are easily formed in the nanoclusters during film formation.
  • Oxygen vacancies are formed in the (In, M, Zn) layer and the In layer.
  • oxygen vacancies are easily formed in the vicinity of In.
  • the formation of oxygen vacancies means that oxygen existing between In, M, or Zn disappears. Therefore, when oxygen vacancies are formed, distortion occurs in the crystal structure of the (In, M, Zn) layer and In layer forming the nanocluster.
  • an oxide film functioning as a sufficient oxygen supply source in contact with the oxide semiconductor film in which oxygen vacancies are formed, oxygen can be supplied from the oxide film.
  • an oxide semiconductor film or an oxide insulating film containing excess oxygen may be used.
  • the oxide semiconductor film for example, the above metal oxide film can be used.
  • the oxide insulating film for example, silicon oxide or silicon oxynitride can be used. Note that the oxide film functioning as an oxygen supply source is not necessarily formed in contact with the oxide semiconductor film. For example, a film having oxygen permeability may be formed between an oxide film functioning as an oxygen supply source and an oxide semiconductor film.
  • the atmosphere at the time of film formation may be an oxygen-excess atmosphere (for example, the film formation gas is set to 100% oxygen).
  • oxygen may be added to the oxide semiconductor film or the oxide insulating film by an ion implantation method, an ion doping method, or plasma treatment.
  • oxygen may be added by forming a film over the oxide semiconductor film or the oxide insulating film by a sputtering method in an atmosphere containing oxygen.
  • the oxide semiconductor film functioning as an oxygen supply source when oxygen is supplied from the oxide film functioning as an oxygen supply source to the oxide semiconductor film, if the oxide semiconductor film contains excessive impurities such as water or hydrogen, the oxide semiconductor film The diffusion of oxygen inside may be hindered. Therefore, before the oxide film functioning as an oxygen supply source is formed, it is preferable to perform dehydration and dehydrogenation by performing heat treatment on the oxide semiconductor film.
  • excess oxygen By forming an oxide semiconductor film in contact with the oxide film functioning as an oxygen supply source and performing heat treatment, excess oxygen (active oxygen) can be supplied from the oxide film to the oxide semiconductor film.
  • active oxygen since distortion occurs in the nanocluster due to oxygen deficiency, active oxygen diffuses into the oxide semiconductor film through distortion due to oxygen deficiency.
  • the diffused active oxygen compensates for oxygen vacancies formed in the surface or side surface of the nanocluster, for example, the (In, M, Zn) layer.
  • oxygen deficiency can be reduced on the surface or side surface of the nanocluster, and sDOS caused by oxygen deficiency formed in the (In, M, Zn) layer can be reduced.
  • the oxygen deficiency on the surface or side surface of the nanocluster is compensated, so that active oxygen is less likely to enter the nanocluster.
  • hydrogen in the oxide semiconductor film is also diffused by the heat treatment. For this reason, hydrogen is trapped in oxygen vacancies formed in the nanocluster, for example, in the In layer, and VoH is easily formed inside the nanocluster. Since VoH generates carriers, the carrier density inside the nanocluster increases.
  • the on-state current of the transistor can be significantly increased by increasing the carrier density inside the nanocluster. Furthermore, by reducing the sDOS on the nanocluster surface and side surfaces, the subthreshold swing value of the transistor can be reduced.
  • carriers generated mainly in an In layer mainly flow at the lower end of a conduction band formed in an (In, M, Zn) layer or (M, Zn) layer. Conceivable. At this time, it is estimated that the lower end of the conduction band is mainly formed by InO x (x> 0) and ZnO x (x> 0).
  • the CAC is one structure of a material in which an element included in an oxide semiconductor is unevenly distributed with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or the vicinity thereof. Note that in the following, in an oxide semiconductor, one or more metal elements are unevenly distributed, and a region including the metal element has a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or the vicinity thereof.
  • the state mixed with is also referred to as a mosaic or patch.
  • CAC-IGZO in an In—Ga—Zn oxide is indium oxide (hereinafter referred to as InO X1 (X1 is a real number greater than 0)) or indium zinc oxide.
  • InO X1 X1 is a real number greater than 0
  • objects hereinafter, in X2 Zn Y2 O Z2 ( X2, Y2, and Z2 is larger real) than 0.
  • gallium oxide hereeinafter, GaO X3 (X3 is a large real number) than 0.
  • Or gallium zinc oxide hereinafter referred to as Ga X4 Zn Y4 O Z4 (X4, Y4, and Z4 are real numbers greater than 0)
  • InO X1 or In X2 Zn Y2 O Z2 is uniformly distributed in the film (hereinafter also referred to as cloud shape).
  • CAC-IGZO has a region GaO X3 is the main component, and In X2 Zn Y2 O Z2, or InO X1 is the main component region is a composite oxide semiconductor having a structure that is mixed.
  • the first region indicates that the atomic ratio of In to the element M in the first region is larger than the atomic ratio of In to the element M in the second region. It is assumed that the concentration of In is higher than that in the second region.
  • IGZO is a common name and may refer to one compound of In, Ga, Zn, and O.
  • ZnO ZnO
  • the crystalline compound has a single crystal structure, a polycrystalline structure, or a CAAC structure.
  • the CAAC structure is a crystal structure in which a plurality of IGZO nanocrystals have c-axis orientation and are connected without being oriented in the ab plane.
  • CAC relates to a material structure.
  • CAC is a material structure containing In, Ga, Zn, and O, and is a region that is observed in a part of nanoparticles mainly composed of Ga, and a part of nanoparticles composed mainly of In.
  • the observed region is a configuration in which the regions are randomly dispersed in a mosaic pattern. Therefore, in CAC, the crystal structure is a secondary element.
  • CAC does not include a stacked structure of two or more kinds of films having different compositions.
  • a structure composed of two layers of a film mainly containing In and a film mainly containing Ga is not included.
  • a region GaO X3 is the main component, and In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component region, in some cases clear boundary can not be observed.
  • Sample structure and production method >> In the following, nine samples according to one embodiment of the present invention are described. Each sample is manufactured under different conditions for the substrate temperature and the oxygen gas flow rate ratio when the oxide semiconductor film is formed. Note that the sample has a structure including a substrate and an oxide semiconductor film over the substrate.
  • a glass substrate is used as the substrate.
  • an In—Ga—Zn oxide with a thickness of 100 nm is formed as an oxide semiconductor film over the glass substrate with a sputtering apparatus.
  • 2500 W AC power is supplied to the oxide target installed in the sputtering apparatus.
  • the substrate temperature was set to a temperature at which heating was not performed intentionally (hereinafter also referred to as RT), 130 ° C., or 170 ° C.
  • RT temperature at which heating was not performed intentionally
  • oxygen gas flow rate ratio nine samples are manufactured by setting the flow rate ratio of oxygen gas to the mixed gas of Ar and oxygen (hereinafter also referred to as oxygen gas flow rate ratio) to 10%, 30%, or 100%.
  • FIG. 76 shows the results of measuring the XRD spectrum using the out-of-plane method.
  • the upper part shows the measurement results for the sample whose substrate temperature condition during film formation is 170 ° C.
  • the middle part shows the measurement results for the sample whose substrate temperature condition during film formation is 130 ° C.
  • the lower part shows the measurement result during film formation.
  • the measurement result in the sample is shown.
  • the left column shows the measurement results for the sample with an oxygen gas flow ratio of 10%
  • the center column shows the measurement results for a sample with an oxygen gas flow ratio of 30%
  • the right column shows the oxygen gas flow rate.
  • the measurement result in the sample whose ratio condition is 100% is shown.
  • planar TEM image a planar image acquired by HAADF-STEM
  • sectional image a sectional image
  • the TEM image was observed using a spherical aberration correction function.
  • the HAADF-STEM image was taken by irradiating an electron beam with an acceleration voltage of 200 kV and a beam diameter of about 0.1 nm ⁇ using an atomic resolution analytical electron microscope JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd.
  • FIG. 77A shows the substrate temperature R.D. T.A. , And a plane TEM image of a sample fabricated at an oxygen gas flow rate ratio of 10%.
  • FIG. 77B shows the substrate temperature R.D. T.A. And a cross-sectional TEM image of a sample manufactured at an oxygen gas flow rate ratio of 10%.
  • FIG. 77A the substrate temperature R.D. T.A. , And an electron beam diffraction pattern indicated by black spots a1, black spots a2, black spots a3, black spots a4, and black spots a5 in a planar TEM image of a sample prepared at an oxygen gas flow rate ratio of 10%.
  • the observation of the electron beam diffraction pattern is performed while moving at a constant speed from the 0 second position to the 35 second position while irradiating the electron beam.
  • FIG. 77C shows the result of black point a1
  • FIG. 77D shows the result of black point a2
  • FIG. 77E shows the result of black point a3
  • FIG. 77F shows the result of black point a4, and
  • FIG. 77G shows the result of black point a5.
  • FIG. 77C From FIG. 77C, FIG. 77D, FIG. 77E, FIG. 77F, and FIG. 77G, it is possible to observe a high luminance region in a circle (in a ring shape). A plurality of spots can be observed in the ring-shaped region.
  • FIG. T.A In the cross-sectional TEM image of the sample manufactured at an oxygen gas flow rate ratio of 10%, the electron beam diffraction pattern indicated by black spot b1, black spot b2, black spot b3, black spot b4, and black spot b5 is observed.
  • FIG. 77H shows the result of black point b1
  • FIG. 77I shows the result of black point b2
  • FIG. 77J shows the result of black point b3
  • FIG. 77K shows the result of black point b4
  • FIG. 77L shows the result of black point b5.
  • FIG. 77H, FIG. 77I, FIG. 77J, FIG. 77K, and FIG. A plurality of spots can be observed in the ring-shaped region.
  • nc-OS oxide semiconductor having microcrystals
  • a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. Is done.
  • nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS using an electron beam with a small probe diameter (for example, less than 50 nm)
  • bright spots are observed.
  • nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS, a region with high luminance may be observed so as to draw a circle (in a ring shape). In addition, a plurality of bright spots may be observed in the ring-shaped region.
  • Substrate temperature R.D. T.A The electron beam diffraction pattern of a sample manufactured at an oxygen gas flow rate ratio of 10% has a ring-like high luminance region and a plurality of bright spots in the ring region. Therefore, the substrate temperature R.D. T.A. And the sample manufactured at an oxygen gas flow rate ratio of 10% has an electron beam diffraction pattern of nc-OS and has no orientation in the plane direction and the cross-sectional direction.
  • an oxide semiconductor film with a low substrate temperature or a low oxygen gas flow ratio during deposition has properties that are clearly different from those of an amorphous oxide semiconductor film and a single crystal oxide semiconductor film. Then it can be estimated.
  • each point in the analysis target region of the sample is irradiated with an electron beam, and the characteristic X-ray energy and the number of occurrences of the sample generated thereby are measured to obtain an EDX spectrum corresponding to each point.
  • the peak of the EDX spectrum at each point is represented by the electron transition from the In atom to the L shell, the electron transition from the Ga atom to the K shell, the electron transition from the Zn atom to the K shell, and the K shell from the O atom.
  • the ratio of each atom at each point is calculated.
  • FIG. 78A, 78B, and 78C show the substrate temperature R.D. T.A. And EDX mapping in a cross section of a sample fabricated at an oxygen gas flow rate ratio of 10%.
  • FIG. 78A is an EDX mapping of Ga atoms (the ratio of Ga atoms to all atoms is in the range of 1.18 to 18.64 [atomic%]).
  • FIG. 78B is EDX mapping of In atoms (the ratio of In atoms to all atoms is in the range of 9.28 to 33.74 [atomic%]).
  • FIG. 78C is EDX mapping of Zn atoms (the ratio of Zn atoms to all atoms is in the range of 6.69 to 24.99 [atomic%]).
  • 78A, 78B, and 78C show the substrate temperature R.D. during film formation.
  • T.A In a cross section of a sample manufactured at an oxygen gas flow rate ratio of 10%, a region in the same range is shown. Note that the EDX mapping shows the ratio of elements in light and dark so that the more measurement elements in the range, the brighter the brightness, and the darker the measurement elements, the darker.
  • the magnification of EDX mapping shown in FIGS. 78A, 78B, and 78C is 7.2 million times.
  • a range surrounded by a solid line includes many relatively dark areas, and a range surrounded by a broken line includes many relatively bright areas.
  • the range surrounded by the solid line includes many relatively bright areas, and the range surrounded by the broken line includes many relatively dark areas.
  • the range surrounded by the solid line is a region having a relatively large number of In atoms
  • the range surrounded by a broken line is a region having a relatively small number of In atoms.
  • the right side is a relatively bright region and the left side is a relatively dark region. Therefore, the range surrounded by the solid line is a region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 .
  • a range surrounded by a solid line is a region with relatively few Ga atoms
  • a range surrounded by a broken line is a region with relatively many Ga atoms.
  • the upper left region is a relatively bright region
  • the lower right region is a dark region. Therefore, the range surrounded by the broken line is a region whose main component is GaO X3 , Ga X4 Zn Y4 O Z4 , or the like.
  • the distribution of In atoms is relatively more uniform than that of Ga atoms, and the region where InO X1 is the main component is In X2 Zn Y2 O Z2. Seems to be connected to each other through a region that is a main component. As described above, the region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is formed so as to spread in a cloud shape.
  • CAC-IGZO an In—Ga—Zn oxide having a structure in which a region containing GaO X3 as a main component and a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component are unevenly distributed.
  • the crystal structure in CAC has an nc structure.
  • the nc structure possessed by CAC has several bright spots (spots) in addition to bright spots (spots) caused by IGZO including single crystal, polycrystal, or CAAC structure in an electron diffraction image.
  • a crystal structure is defined as a region having a high brightness in a ring shape.
  • region GaO X3 is the main component
  • In X2 Zn Y2 O Z2 or the size of the area InO X1 is the main component, is, 0.5 nm or more 10nm or less, Or it is observed at 1 nm or more and 3 nm or less.
  • the diameter of a region in which each metal element is a main component is 1 nm or more and 2 nm or less.
  • CAC-IGZO has a structure different from that of an IGZO compound in which metal elements are uniformly distributed, and has a property different from that of an IGZO compound. That, CAC-IGZO is a region such as GaO X3 is a region which is a main component, In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is phase-separated from each other region and, in the main component, is mainly composed of the elements Has a mosaic structure.
  • CAC-IGZO when CAC-IGZO is used for a semiconductor element, a high on-current can be obtained because the properties caused by GaO X3 and the like and the properties caused by In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 act complementarily. (Ion) and high field effect mobility ( ⁇ ) can be realized.
  • CAC-IGZO is most suitable for various semiconductor devices including a display.
  • This embodiment can be implemented in combination with any of the other embodiments described in this specification or any of the other embodiments as appropriate at least part of this embodiment.
  • FIGS. 30A to 30C are a top view and cross-sectional views of a transistor according to one embodiment of the present invention.
  • 30A is a top view
  • FIG. 30B is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line X1-X2 shown in FIG. 30A
  • FIG. 30C is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line Y1-Y2. Note that in the top view of FIG. 30A, some elements are omitted for clarity of illustration.
  • the transistor 200 includes a conductor 205 (a conductor 205a and a conductor 205b) that functions as a gate electrode, and a conductor 260 (a conductor 260a and a conductor 260b), an insulator 220 that functions as a gate insulating layer, and an insulator.
  • an insulator 280 having excess oxygen and an insulator 282 having a barrier property.
  • the oxide 230 includes an oxide 230a, an oxide 230b on the oxide 230a, and an oxide 230c on the oxide 230b. Note that when the transistor 200 is turned on, a current flows mainly in the oxide 230b (a channel is formed). On the other hand, although the oxide 230a and the oxide 230c may flow near the interface with the oxide 230b (may be a mixed region), other regions may function as an insulator. .
  • the oxide 230c is preferably provided so as to cover the side surfaces of the oxide 230a and the oxide 230b.
  • impurities such as hydrogen, water, and halogen are transferred from the insulator 280 to the oxide 230b. Diffusion can be suppressed.
  • the conductor 205 includes a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride film containing any of the above-described elements (a tantalum nitride film, A titanium nitride film, a molybdenum nitride film, a tungsten nitride film) or the like.
  • a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and is difficult to oxidize (high oxidation resistance).
  • indium tin oxide indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, silicon oxide added It is also possible to apply a conductive material such as indium tin oxide.
  • FIGS. 30A to 30C illustrate a two-layer structure of the conductor 205a and the conductor 205b; however, the structure is not limited thereto, and may be a single layer or a stacked structure including three or more layers.
  • a conductor having a high barrier property and a conductor having a high barrier property may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.
  • the insulator 220 and the insulator 224 are preferably insulators containing oxygen, such as a silicon oxide film and a silicon oxynitride film.
  • an insulator containing excess oxygen (containing oxygen in excess of the stoichiometric composition) is preferably used. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide included in the transistor 200, oxygen vacancies in the oxide can be compensated.
  • the insulator 222 and the insulator 224 are not necessarily made of the same material.
  • the insulator 222 is formed of, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba,
  • An insulator containing a so-called high-k material such as Sr) TiO 3 (BST) is preferably used in a single layer or a stacked layer.
  • an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen, such as aluminum oxide and hafnium oxide is preferably used. When formed using such a material, the insulator 222 functions as a layer which prevents release of oxygen from the oxide 230 and entry of impurities such as hydrogen from the outside.
  • aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators.
  • these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.
  • the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 may have a stacked structure of two or more layers. In that case, it is not limited to the laminated structure which consists of the same material, The laminated structure which consists of a different material may be sufficient.
  • the insulator 222 By including the insulator 222 including a high-k material between the insulator 220 and the insulator 224, the insulator 222 can capture electrons under a specific condition and increase the threshold voltage. That is, the insulator 222 may be negatively charged.
  • the operating temperature of the semiconductor device Or under a temperature higher than the storage temperature (eg, 125 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, typically 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower), the potential of the conductor 205 is higher than the potential of the source electrode or the drain electrode.
  • the potential of the conductor 205 is higher than the potential of the source electrode or the drain electrode.
  • the threshold voltage of the transistor that captures an amount of electrons necessary for the electron trap level of the insulator 222 is shifted to the positive side. Note that the amount of electrons captured can be controlled by controlling the voltage of the conductor 205, and the threshold voltage can be controlled accordingly.
  • the transistor 200 is a normally-off transistor that is non-conductive (also referred to as an off state) even when the gate voltage is 0 V.
  • the process for capturing electrons may be performed in the process of manufacturing the transistor. For example, after formation of a conductor connected to the source or drain of a transistor, after completion of a previous process (wafer processing), after a wafer dicing process, after packaging, etc. Good.
  • the threshold voltage can be controlled by appropriately adjusting the film thicknesses of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224.
  • the total thickness of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 220 is 65 nm or less, preferably 20 nm or less.
  • a transistor having stable electrical characteristics can be provided.
  • a transistor with high on-state current can be provided.
  • a transistor with a small subthreshold swing value can be provided.
  • a highly reliable transistor can be provided.
  • a transistor with low leakage current when not conducting can be provided.
  • the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c are formed using a metal oxide such as In-M-Zn oxide (M is Al, Ga, Y, or Sn).
  • M is Al, Ga, Y, or Sn.
  • the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c the metal oxide film described in the above embodiment can be used.
  • the oxide 230 an In—Ga oxide, an In—Zn oxide, or the like may be used.
  • the insulator I1, the oxide S1, the oxide S2, the oxide S3, and the insulator I2 illustrated in FIGS. 31A to 31C are the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide 230c, and the insulator I2 of the transistor 200, respectively. Corresponds to the body 250.
  • FIG. 31A is an example of a band diagram in a film thickness direction of a stacked structure including the insulator I1, the oxide S1, the oxide S2, the oxide S3, and the insulator I2.
  • FIG. 31B is an example of a band diagram in the film thickness direction of the stacked structure including the insulator I1, the oxide S2, the oxide S3, and the insulator I2.
  • FIG. 31C is an example of a band diagram in the film thickness direction of the stacked structure including the insulator I1, the oxide S1, the oxide S2, and the insulator I2. Note that the band diagram shows the energy level (Ec) at the lower end of the conduction band of the insulator I1, the oxide S1, the oxide S2, the oxide S3, and the insulator I2 for easy understanding.
  • Ec energy level
  • the oxide S1 and the oxide S3 have an energy level at the lower end of the conduction band closer to the vacuum level than the oxide S2.
  • the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide S2, and the oxide S1 The difference from the energy level at the lower end of the conduction band of the oxide S3 is preferably 0.15 eV or more, or 0.5 eV or more, and 2 eV or less, or 1 eV or less. That is, the difference between the electron affinity of the oxides S1 and S3 and the electron affinity of the oxide S2 is preferably 0.15 eV or more, or 0.5 eV or more, and 2 eV or less, or 1 eV or less.
  • the energy level at the bottom of the conduction band changes gently. In other words, it can be said that it is continuously changed or continuously joined.
  • the density of defect states in the mixed layer formed at the interface between the oxide S1 and the oxide S2 or the interface between the oxide S2 and the oxide S3 is preferably low.
  • the oxide S1 and the oxide S2, and the oxide S2 and the oxide S3 have a common element other than oxygen (main component), thereby forming a mixed layer with a low density of defect states.
  • the oxide S2 is an In—Ga—Zn oxide
  • an In—Ga—Zn oxide, a Ga—Zn oxide, a gallium oxide, or the like may be used as the oxide S1 and the oxide S3.
  • the main path of the carrier is the oxide S2. Since the defect level density at the interface between the oxide S1 and the oxide S2 and the interface between the oxide S2 and the oxide S3 can be reduced, the influence on the carrier conduction due to interface scattering is small, and a high on-current is obtained. can get.
  • the oxide S2 has a configuration in which the proportion of the second crystal part having no c-axis orientation is larger than that of the first crystal part having the c-axis orientation. Thus, a higher on-current can be obtained.
  • the trapped electrons behave like fixed charges, so that the threshold voltage of the transistor shifts in the positive direction.
  • the trap level can be kept away from the oxide S2. With this structure, the threshold voltage of the transistor can be prevented from shifting in the positive direction.
  • the defect level may be farther from the vacuum level than the energy level (Ec) at the lower end of the conduction band of the oxide S2 functioning as the channel region, and electrons are likely to accumulate in the defect level. Accumulation of electrons at the defect level results in a negative fixed charge, and the threshold voltage of the transistor shifts in the positive direction. Therefore, it is preferable that the defect level be closer to the vacuum level than the energy level (Ec) at the lower end of the conduction band of the oxide S2. Thus, electrons are less likely to accumulate at the defect level, the on-state current of the transistor can be increased, and field effect mobility can be increased.
  • the oxide S1 and the oxide S3 a material having a sufficiently low conductivity as compared with the oxide S2 is used.
  • the oxide S2, the interface between the oxide S2 and the oxide S1, and the interface between the oxide S2 and the oxide S3 mainly function as a channel region.
  • the oxide S1 and the oxide S3 have an oxide [M] / [In] of 1 or more, preferably 2 or more. Is preferably used.
  • the oxide S3 it is preferable to use an oxide having [M] / ([Zn] + [In]) of 1 or more that can obtain sufficiently high insulation.
  • the present invention is not limited to this.
  • the energy level at the bottom of the conduction band of the oxide S2 and the bottom of the conduction bands of the oxides S1 and S3 This is preferable because the difference from the energy level can be 0.6 eV or more.
  • the oxide S3 preferably has high oxygen permeability.
  • the oxide S3 is preferably a metal oxide film such as the sample A1 or the sample A2 described in the above embodiment.
  • the oxide S3 may be formed in an oxygen-excess atmosphere (for example, the film forming gas is set to 100% oxygen), and oxygen may be supplied from the oxide S3 to the oxide S2.
  • the film forming gas is set to 100% oxygen
  • the insulator 250 is formed of, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba,
  • An insulator containing a so-called high-k material such as Sr) TiO 3 (BST) can be used as a single layer or a stacked layer.
  • aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators.
  • these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.
  • the insulator 250 it is preferable to use an oxide insulator containing oxygen in excess of the stoichiometric composition, like the insulator 224. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced.
  • the insulator 250 has a barrier property against oxygen and hydrogen such as aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, and silicon nitride.
  • An insulating film can be used.
  • the insulator 250 is formed using such a material, it functions as a layer which prevents release of oxygen from the oxide 230 and entry of impurities such as hydrogen from the outside.
  • the insulator 250 may have a stacked structure similar to that of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224.
  • the transistor 200 can shift the threshold voltage to the plus side.
  • the transistor 200 is a normally-off transistor that is non-conductive (also referred to as an off state) even when the gate voltage is 0 V.
  • a barrier film may be provided between the oxide 230 and the conductor 260 in addition to the insulator 250.
  • the oxide 230c having a barrier property may be used.
  • oxygen may be in a state in which the oxide substantially matches the stoichiometric composition or in a stoichiometric composition. Many supersaturated states can be obtained. In addition, entry of impurities such as hydrogen into the oxide 230 can be prevented.
  • One of the conductor 240a and the conductor 240b functions as a source electrode, and the other functions as a drain electrode.
  • the conductor 240a and the conductor 240b can be formed using a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing the same as a main component.
  • a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and has high oxidation resistance.
  • a laminated structure of two or more layers may be used.
  • a tantalum nitride film and a tungsten film are preferably stacked.
  • a titanium film and an aluminum film are preferably stacked.
  • a two-layer structure in which an aluminum film is stacked on a tungsten film a two-layer structure in which a copper film is stacked on a copper-magnesium-aluminum alloy film, a two-layer structure in which a copper film is stacked on a titanium film, and a tungsten film A two-layer structure in which copper films are stacked may be used.
  • a three-layer structure in which an aluminum film or a copper film is stacked on a titanium film or a titanium nitride film, and a titanium film or a titanium nitride film is stacked thereon, and an aluminum film or a copper film is further formed on a molybdenum film or a molybdenum nitride film, and further thereon
  • a molybdenum film or a molybdenum nitride film is stacked.
  • a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used.
  • the conductor 260 having a function as a gate electrode is, for example, a metal selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, tungsten, an alloy containing the above-described metal as a component, or a combination of the above-described metals. It can be formed by using an alloy or the like.
  • a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and has high oxidation resistance.
  • a metal selected from one or more of manganese and zirconium may be used.
  • a semiconductor typified by polycrystalline silicon doped with an impurity element such as phosphorus, or silicide such as nickel silicide may be used.
  • an impurity element such as phosphorus
  • silicide such as nickel silicide
  • the two-layer structure may be provided by laminating the same material.
  • the conductor 260a is formed using a thermal CVD method, an MOCVD method, or an ALD method.
  • ALD atomic layer deposition
  • the conductor 260b is formed using a sputtering method.
  • the conductor 260 a by including the conductor 260 a over the insulator 250, it is possible to suppress the damage during the deposition of the conductor 260 a from affecting the insulator 250. Further, since the sputtering method has a higher film formation rate than the ALD method, the yield is high and the productivity can be improved.
  • a two-layer structure in which a titanium film is stacked on an aluminum film may be used.
  • a two-layer structure in which a titanium film is stacked on a titanium nitride film, a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a titanium nitride film, and a two-layer structure in which a tungsten film is stacked on a tantalum nitride film or a tungsten nitride film are used. Also good.
  • a three-layer structure in which an aluminum film is laminated on a titanium film and a titanium film is further laminated thereon may be used.
  • an alloy film or a nitride film in which one or more metals selected from aluminum, titanium, tantalum, tungsten, molybdenum, chromium, neodymium, and scandium are combined may be used.
  • a conductive material containing an element selected from indium, tin, zinc, gallium, silicon, or the like can be used.
  • a light-transmitting conductive material such as a tin oxide or an In—Ga—Zn oxide can also be used.
  • a stacked structure of the above light-transmitting conductive material and the above metal can be used.
  • an insulator 280 and an insulator 282 are provided above the transistor 200.
  • an oxide containing oxygen in excess of the stoichiometric composition is preferably used. That is, the insulator 280 is preferably formed with a region where oxygen is present in excess of the stoichiometric composition (hereinafter also referred to as an excess oxygen region).
  • an insulator having an excess oxygen region is provided as an interlayer film or the like in the vicinity of the transistor 200 so that oxygen vacancies in the transistor 200 are reduced, so that reliability can be improved. .
  • an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used as the insulator having an excess oxygen region.
  • the oxide that desorbs oxygen by heating is defined as a desorption amount of oxygen of 1.0 ⁇ 10 18 atoms / in terms of oxygen atoms by thermal desorption gas analysis (TDS).
  • TDS thermal desorption gas analysis
  • the oxide film has a thickness of cm 3 or more, preferably 3.0 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or more.
  • the surface temperature of the film at the time of the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C.
  • a material containing silicon oxide or silicon oxynitride is preferably used.
  • a metal oxide can be used. Note that in this specification, silicon oxynitride refers to a material with a higher oxygen content than nitrogen, and silicon nitride oxide refers to a material with a higher nitrogen content than oxygen.
  • the insulator 280 that covers the transistor 200 may function as a planarization film that covers the uneven shape below the transistor 280.
  • an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen such as aluminum oxide and hafnium oxide, is preferably used.
  • the insulator 282 may be an insulator that can be used for the insulator 222. When the insulator 282 is formed using such a material, the insulator 282 functions as a layer which prevents release of oxygen from the oxide 230 and entry of impurities such as hydrogen from the outside.
  • a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided.
  • a transistor including an oxide semiconductor with low off-state current can be provided.
  • variation in electrical characteristics of the semiconductor device can be suppressed and reliability can be improved.
  • a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.
  • FIGS. 32A to 32C illustrate examples of structures applicable to the transistor 200.
  • FIGS. FIG. 32A shows the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 32A for clarity.
  • 32B is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line X1-X2 shown in FIG. 32A
  • FIG. 32C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.
  • an insulator 270 is provided so as to cover the conductor 260.
  • the insulator 270 is formed using a substance having a barrier property against oxygen in order to prevent the conductor 260 from being oxidized by the released oxygen.
  • An insulator that can be used for the insulator 282 may be used for the insulator 270.
  • a metal oxide such as aluminum oxide can be used for the insulator 270.
  • the insulator 270 only needs to be provided with a thickness that prevents the conductor 260 from being oxidized.
  • the thickness of the insulator 270 is 1 nm to 10 nm, preferably 3 nm to 7 nm.
  • the range of material selection for the conductor 260 can be expanded.
  • a material having low conductivity while having low oxidation resistance such as aluminum can be used.
  • a conductor that can be easily formed or processed can be used.
  • the transistor 200 with low power consumption can be provided.
  • FIG. 33A to 33C illustrate an example of a structure that can be applied to the transistor 200.
  • FIG. 33A shows the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 33A for clarity.
  • 33B is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line X1-X2 shown in FIG. 33A
  • FIG. 33C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.
  • transistor 200 illustrated in FIGS. 33A to 33C structures having the same functions as those included in the transistor 200 illustrated in FIGS. 32A to 32C are denoted by the same reference numerals.
  • the insulator 243a is provided by being stacked over the conductor 240a
  • the insulator 243b is provided by being stacked over the conductor 240b.
  • the insulator 243a and the insulator 243b are formed with respect to oxygen in order to prevent the conductor 240a and the conductor 240b from being oxidized by the released oxygen. Therefore, a substance having a barrier property is used.
  • a metal oxide such as aluminum oxide or gallium oxide can be used for the insulator 243a and the insulator 243b.
  • silicon nitride or the like may be used for the insulator 243a and the insulator 243b.
  • the range of material selection for the conductor 240a and the conductor 240b can be expanded.
  • a material having low conductivity while having low oxidation resistance such as aluminum can be used.
  • a conductor that can be easily formed or processed can be used.
  • the transistor 200 with low power consumption can be provided.
  • the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 are stacked to function as a gate insulating film; however, the transistor described in this embodiment is not limited to this. It is not a thing.
  • the transistor described in this embodiment is not limited to this. It is not a thing.
  • only the insulator 224 may be provided.
  • the conductor 205c is preferably provided so as to cover the upper surfaces of the conductor 205a and the conductor 205b.
  • the conductors 205a to 205c may be referred to as the conductor 205 in some cases.
  • the conductor 205c is formed using the same conductor as the conductor 205a in order to prevent the conductor 205b from being oxidized by the released oxygen. Can do.
  • the above light-transmitting conductive material may be used.
  • the range of material selection for the conductor 205b can be expanded.
  • a conductor that can be easily formed or processed can be used.
  • the transistor 200 with low power consumption can be provided.
  • FIG. 34A shows the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 34A for clarity.
  • 34B is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line X1-X2 shown in FIG. 34A
  • FIG. 34C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.
  • the conductor 260 functioning as a gate electrode includes a conductor 260a, a conductor 260b, and a conductor 260c.
  • the oxide 230c only needs to cover the side surface of the oxide 230b, and may be cut on the insulator 224.
  • the conductor 260a is formed using a thermal CVD method, an MOCVD method, or an ALD method. In particular, it is preferable to form using the ALD method. By forming by the ALD method or the like, damage to the insulator 250 due to plasma can be reduced. Further, it is preferable because the coverage of the conductor 260a can be improved. Therefore, the transistor 200 with high reliability can be provided.
  • the conductor 260b is formed using a highly conductive material such as tantalum, tungsten, copper, or aluminum. Further, the conductor 260c formed over the conductor 260b is preferably formed using a conductor having high oxidation resistance such as tungsten nitride.
  • a conductor having high oxidation resistance is used for the conductor 260c having a large area in contact with the insulator 280 having an excess oxygen region, thereby preventing excess oxygen from It is possible to suppress the desorbed oxygen from being absorbed by the conductor 260. Further, oxidation of the conductor 260 can be suppressed, and oxygen released from the insulator 280 can be efficiently supplied to the oxide 230. In addition, by using a highly conductive conductor for the conductor 260b, the transistor 200 with low power consumption can be provided.
  • the oxide 230b is covered with the conductor 205 and the conductor 260 in the channel width direction.
  • the insulator 224 has a protrusion
  • the side surface of the oxide 230 b can be covered with the conductor 260.
  • the shape of the protrusion of the insulator 224 be adjusted so that the bottom surface of the conductor 260 is closer to the substrate side than the bottom surface of the oxide 230b on the side surface of the oxide 230b.
  • the transistor 200 has a structure in which the oxide 230 b can be electrically surrounded by the electric fields of the conductor 205 and the conductor 260.
  • the structure of the transistor that electrically surrounds the oxide 230b by the electric field of the conductor is referred to as a surrounded channel (s-channel) structure.
  • a channel can be formed in the entire oxide 230b (bulk).
  • the drain current of the transistor can be increased, and a larger on-current (current flowing between the source and the drain when the transistor is on) can be obtained.
  • the entire region of the channel formation region formed in the oxide 230b can be depleted by the electric fields of the conductor 205 and the conductor 260. Therefore, in the s-channel structure, the off-state current of the transistor can be further reduced. Note that by reducing the channel width, the effect of increasing the on-current, the effect of reducing the off-current, and the like due to the s-channel structure can be enhanced.
  • the conductor 240a and the conductor 240b are preferably formed using a conductor that has high adhesion to the oxide 230b, and the conductor 241a and the conductor 241b are preferably formed using a material having high conductivity.
  • the conductor 240a and the conductor 240b are preferably formed by using an atomic layer deposition (ALD) method. By forming by ALD method or the like, the coverage can be improved.
  • ALD atomic layer deposition
  • titanium nitride or the like may be used for the conductor 240a and the conductor 240b.
  • a highly conductive material such as tantalum, tungsten, copper, or aluminum
  • the transistor 200 with high reliability and low power consumption can be provided.
  • a conductor that can be used for the conductor 260 may be used as the conductor 241a and the conductor 241b.
  • a light-transmitting conductor material may be used.
  • FIGS. 35A to 35C illustrate examples of structures applicable to the transistor 200.
  • FIGS. FIG. 35A shows the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 35A for clarity.
  • 35B is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line X1-X2 shown in FIG. 35A
  • FIG. 35C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.
  • transistor 200 illustrated in FIGS. 35A to 35C structures having the same functions as those included in the transistor 200 illustrated in FIGS. 30A to 30C are denoted by the same reference numerals.
  • the oxide 230b is surrounded by the conductor 205 and the conductor 260 in the channel width direction.
  • the insulator 222 has a convex portion, the side surface of the oxide 230 b can be covered with the conductor 260.
  • the dielectric constant of the insulator 222 is large, so that the equivalent SiO 2 film thickness (EOT: Equivalent Oxide Thickness) can be reduced. . Therefore, the distance between the conductor 205 and the oxide 230 can be increased by the physical thickness of the insulator 222 without weakening the influence of the electric field from the conductor 205 on the oxide 230. Therefore, the distance between the conductor 205 and the oxide 230 can be adjusted by the thickness of the insulator 222.
  • EOT Equivalent Oxide Thickness
  • the shape of the protrusion of the insulator 224 be adjusted so that the bottom surface of the conductor 260 is closer to the substrate side than the bottom surface of the oxide 230b on the side surface of the oxide 230b.
  • the transistor 200 has a structure in which the oxide 230 b can be electrically surrounded by the electric fields of the conductor 205 and the conductor 260.
  • the structure of the transistor that electrically surrounds the oxide 230b by the electric field of the conductor is referred to as an s-channel structure.
  • a channel can be formed in the entire oxide 230b (bulk).
  • the drain current of the transistor can be increased, and a larger on-current (current flowing between the source and the drain when the transistor is on) can be obtained. Further, the entire region of the channel formation region formed in the oxide 230b can be depleted by the electric fields of the conductor 205 and the conductor 260. Therefore, in the s-channel structure, the off-state current of the transistor can be further reduced. Note that by reducing the channel width, the effect of increasing the on-current, the effect of reducing the off-current, and the like due to the s-channel structure can be enhanced.
  • the oxide 230c may be formed so that the side surfaces of the oxide 230c substantially coincide with the side surfaces of the insulator 250 and the conductor 260. Accordingly, pattern formation of the oxide 230c, the insulator 250, and the conductor 260 can be performed at a time, so that the process can be simplified.
  • a metal nitride such as tantalum nitride which has a barrier property against hydrogen or oxygen and is difficult to be oxidized (high oxidation resistance) can be used. 240b can be prevented from being oxidized. In addition, excess oxygen can be easily supplied from the insulator 280 to the oxide 230b.
  • FIG. 36A to 36C illustrate examples of structures applicable to the transistor 200.
  • FIG. FIG. 36A shows the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 36A for clarity.
  • 36B is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line X1-X2 shown in FIG. 36A
  • FIG. 36C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.
  • an oxide 230c, an insulator 250, and a conductor 260 are formed in an opening formed in the insulator 280.
  • one end portion of the conductor 240a and the conductor 240b and the end portion of the opening formed in the insulator 280 coincide with each other.
  • the three ends of the conductors 240 a and 240 b coincide with part of the ends of the oxide 230. Therefore, the conductor 240a and the conductor 240b can be formed at the same time as the opening of the oxide 230 or the insulator 280. Therefore, masks and processes can be reduced. In addition, yield and productivity can be improved.
  • the conductor 240a, the conductor 240b, and the oxide 230b are in contact with the insulator 280 having an excess oxygen region through the oxide 230d. Therefore, the oxide 230d is interposed between the insulator 280 and the oxide 230b having a region where a channel is formed, so that impurities such as hydrogen, water, and halogen can be extracted from the insulator 280. It is possible to suppress diffusion to 230b.
  • the transistor 200 illustrated in FIGS. 36A to 36C has a structure in which the conductors 240a and 240b and the conductor 260 do not overlap with each other, so that the parasitic capacitance applied to the conductor 260 can be reduced. That is, the transistor 200 having a high operating frequency can be provided.
  • FIGS. 37A to 37C illustrate examples of structures applicable to the transistor 200.
  • FIGS. FIG. 37A shows the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 37A for clarity.
  • 37B is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line X1-X2 shown in FIG. 37A
  • FIG. 37C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.
  • the transistor 200 illustrated in FIGS. 37A to 37C has a structure that does not include the oxide 230d.
  • the oxide 230d is not necessarily provided. Therefore, masks and processes can be reduced. In addition, yield and productivity can be improved.
  • the insulator 224 may be provided only in a region overlapping with the oxide 230a and the oxide 230b.
  • the oxide 230a, the oxide 230b, and the insulator 224 can be processed using the insulator 222 as an etching stopper. Therefore, yield and productivity can be increased.
  • the transistor 200 illustrated in FIGS. 37A to 37C has a structure in which the conductor 240a, the conductor 240b, and the conductor 260 do not overlap with each other, the parasitic capacitance applied to the conductor 260 can be reduced. That is, the transistor 200 having a high operating frequency can be provided.
  • FIG. 38A to 38C illustrate examples of structures applicable to the transistor 200.
  • FIG. FIG. 38A shows the top surface of the transistor 200. Note that some films are omitted in FIG. 38A for clarity.
  • 38B is a cross-sectional view corresponding to the alternate long and short dash line X1-X2 shown in FIG. 38A
  • FIG. 38C is a cross-sectional view corresponding to Y1-Y2.
  • An insulator 285 and an insulator 286 are formed over the insulator 282.
  • An oxide 230c, an insulator 250, and a conductor 260 are formed in openings formed in the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 285.
  • one end portion of the conductor 240a and the conductor 240b and the end portion of the opening formed in the insulator 280 coincide with each other.
  • the three ends of the conductor 240a and the conductor 240b coincide with part of the ends of the oxide 230a and the oxide 230b. Therefore, the conductor 240a and the conductor 240b can be formed at the same time as the oxide 230a and the oxide 230b or the opening of the insulator 280. Therefore, masks and processes can be reduced. In addition, yield and productivity can be improved.
  • the conductor 240a, the conductor 240b, and the oxide 230b are in contact with the insulator 280 having an excess oxygen region through the oxide 230d. Therefore, the oxide 230d is interposed between the insulator 280 and the oxide 230b having a region where a channel is formed, so that impurities such as hydrogen, water, and halogen can be extracted from the insulator 280. It is possible to suppress diffusion to 230b.
  • the on-state current of the transistor 200 can be increased.
  • FIGS. 30A to 30C An example of a method for manufacturing the semiconductor device illustrated in FIGS. 30A to 30C is described below with reference to FIGS. 39A to 42B.
  • a substrate is prepared (not shown).
  • a substrate that can be used as the substrate, but it is preferable that the substrate have heat resistance enough to withstand at least heat treatment performed later.
  • a glass substrate such as barium borosilicate glass or alumino borosilicate glass, a ceramic substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, or the like can be used.
  • SOI Silicon On Insulator
  • GOI Germanium On Insulator
  • a semiconductor device may be manufactured using a flexible substrate as the substrate.
  • a transistor may be directly manufactured over a flexible substrate, or a transistor is manufactured over another manufacturing substrate, and then peeled off and transferred to the flexible substrate. Also good. Note that in order to separate the transistor from the manufacturing substrate and transfer it to the flexible substrate, a separation layer may be provided between the manufacturing substrate and the transistor including an oxide semiconductor.
  • a resist mask 290 is formed over the insulator 216 using a lithography method or the like, and the insulator 214 and unnecessary portions of the insulator 216 are removed (FIG. 39A). After that, by removing the resist mask 290, an opening can be formed.
  • a method of performing a slimming process on a resist mask formed by a lithography method or the like may be used.
  • a dummy pattern may be formed by lithography or the like, a sidewall may be formed on the dummy pattern, the dummy pattern may be removed, and the processed film may be etched using the remaining sidewall as a resist mask.
  • anisotropic dry etching as etching of the film to be processed.
  • a hard mask made of an inorganic film or a metal film may be used.
  • i-line wavelength 365 nm
  • g-line wavelength 436 nm
  • h-line wavelength 405 nm
  • light used for forming the resist mask for example, i-line (wavelength 365 nm), g-line (wavelength 436 nm), h-line (wavelength 405 nm), or light obtained by mixing these can be used.
  • ultraviolet light, KrF laser light, ArF laser light, or the like can be used.
  • exposure may be performed by an immersion exposure technique.
  • extreme ultraviolet light (EUV: Extreme-violet) or X-rays may be used as light used for exposure.
  • an electron beam can be used instead of the light used for exposure. It is preferable to use extreme ultraviolet light, X-rays, or an electron beam because extremely fine processing is possible.
  • a photomask is not necessary when exposure is performed by scanning a beam such as an electron beam.
  • an organic resin film having a function of improving the adhesion between the film to be processed and the resist film may be formed before forming the resist film to be a resist mask.
  • the organic resin film can be formed, for example, by a spin coating method so as to cover the level difference below and flatten the surface, and variations in the thickness of the resist mask provided above the organic resin film Can be reduced.
  • a material that functions as an antireflection film for light used for exposure as the organic resin film.
  • an organic resin film having such a function for example, there is a BARC (Bottom Anti-Reflection Coating) film.
  • the organic resin film may be removed at the same time as the resist mask is removed or after the resist mask is removed.
  • a conductor 205A and a conductor 205B are formed over the insulator 214 and the insulator 216.
  • the conductors 205A and 205B can be formed by a sputtering method, an evaporation method, a CVD method (including a thermal CVD method, an MOCVD method, a PECVD method, or the like). In order to reduce damage caused by plasma, thermal CVD, MOCVD, or ALD is preferable (FIG. 39B).
  • unnecessary portions of the conductor 205A and the conductor 205B are removed. For example, by removing a part of the conductor 205A and the conductor 205B until the insulator 216 is exposed by an etch-back process or a mechanical chemical polishing (CMP) process or the like, A conductor 205 is formed (FIG. 39C). At this time, the insulator 216 can also be used as a stopper layer, and the insulator 216 may be thin.
  • CMP mechanical chemical polishing
  • the CMP process is a technique for flattening the surface of a workpiece by a combined chemical and mechanical action. More specifically, a polishing cloth is attached on the polishing stage, and the polishing stage and the workpiece are rotated or swung while supplying slurry (abrasive) between the workpiece and the polishing cloth. In this method, the surface of the workpiece is polished by a chemical reaction between the slurry and the surface of the workpiece and by mechanical polishing between the polishing cloth and the workpiece.
  • the CMP process may be performed only once or a plurality of times.
  • the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 are formed (FIG. 39D).
  • the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 can be manufactured using the above-described materials or materials that can be used for the insulator 320 described later.
  • the insulator 222 is preferably formed using a high-k material such as hafnium oxide.
  • the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 are formed by, for example, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method (thermal CVD method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a chemical organic vapor deposition (MOCVD) method, Plasma excitation CVD (including PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) method, molecular epitaxy (MBE) method, atomic layer deposition (ALD: Atomic Layer Deposition Laser deposition) ) Method etc. Kill.
  • CVD chemical vapor deposition
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MOCVD chemical organic vapor deposition
  • Plasma excitation CVD including PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • MBE molecular epitaxy
  • ALD Atomic Layer Deposition Laser deposition
  • a silicon oxide film with good step coverage formed by reacting TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) or silane with oxygen, nitrous oxide, or the like can be used.
  • the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 are preferably formed successively. By forming a film continuously, an insulator with high reliability can be formed without an impurity adhering to the interface between the insulator 220 and the insulator 222 and the interface between the insulator 222 and the insulator 224. it can.
  • an oxide 230A to be the oxide 230a and an oxide 230B to be the oxide 230b are sequentially formed.
  • the description of the metal oxide in the above embodiment can be referred to.
  • the oxide is preferably formed continuously without being exposed to the air.
  • the oxide 230A and the oxide 230B are preferable because the film density can be increased by a sputtering method.
  • a rare gas typically argon
  • oxygen or a mixed gas of a rare gas and oxygen is used as the sputtering gas as appropriate.
  • the sputtering gas is preferably highly purified. For example, by using oxygen gas or argon gas highly purified to a dew point of ⁇ 60 ° C. or lower, preferably ⁇ 100 ° C. or lower as a sputtering gas, moisture or the like can be taken into the oxide semiconductor film 108 as much as possible. Can be prevented.
  • an adsorption method such as a cryopump is used to remove as much water as possible from the oxide 230A and the oxide 230B in the chamber in the sputtering apparatus. It is preferable to evacuate to a high vacuum (from about 5 ⁇ 10 ⁇ 7 Pa to about 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa) using a vacuum exhaust pump.
  • a conductive film 240A to be the conductor 240a and the conductor 240b is formed over the oxide 230A.
  • the conductive film 240A is preferably formed using a material that has a barrier property against hydrogen or oxygen and also has high oxidation resistance.
  • a resist mask 292 is formed by the same method as described above (FIG. 39E).
  • unnecessary portions of the conductive film 240A are removed by etching to form an island-shaped conductive layer 240B (FIG. 40A). After that, unnecessary portions of the oxide 230a and the oxide 230b are removed by etching using the conductive layer 240B as a mask.
  • the insulator 224 may be processed into an island shape at the same time.
  • the insulator 222 having a barrier property as an etching stopper film even in a structure in which the total thickness of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 is thin, over-etching is performed up to the wiring layer below. Can be prevented. Further, by reducing the total film thickness of the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224, a voltage from the conductor 205 is efficiently applied, so that a transistor with low power consumption can be provided.
  • the heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 400 ° C., preferably 320 ° C. to 380 ° C., in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, or in a reduced pressure state.
  • the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere.
  • hydrogen or water which is an impurity of the oxide 230a and the oxide 230b can be removed.
  • oxygen is supplied to the oxide 230a and the oxide 230b from the insulator formed below the oxide 230a, so that oxygen vacancies in the oxide can be reduced.
  • a resist mask 294 is formed on the island-like conductive layer 240B by the same method as described above (FIG. 40D). Subsequently, after unnecessary portions of the conductive film are removed by etching, the resist mask 294 is removed, whereby the conductors 240a and 240b are formed (FIG. 41A). At this time, the insulator 224 or the insulator 222 may be over-etched to have an s-channel structure.
  • the heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 400 ° C., preferably 320 ° C. to 380 ° C., in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, or in a reduced pressure state.
  • the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an inert gas atmosphere.
  • hydrogen or water which is an impurity of the oxide 230a and the oxide 230b can be removed.
  • oxygen is supplied to the oxide 230a and the oxide 230b from the insulator formed below the oxide 230a, so that oxygen vacancies in the oxide can be reduced. Further, in the case where heat treatment is performed with an oxidizing gas, oxygen vacancies in the region where the channel is formed can be efficiently reduced by contacting the oxidizing gas directly with the region where the channel is formed.
  • an oxide 230c, an insulator 250, and a conductive film 260A to be the conductor 260 are sequentially formed.
  • the description of the metal oxide in the above embodiment can be referred to.
  • the conductive film 260A is preferably formed using a material having a barrier property against hydrogen or oxygen and high oxidation resistance.
  • a single layer is shown in the figure, a stacked structure of two or more layers may be used.
  • a two-layer structure may be provided by laminating the same material.
  • the first conductive film is formed using a thermal CVD method, an MOCVD method, or an ALD method.
  • ALD method it is preferable to form using the ALD method.
  • the second conductive film is formed using a sputtering method.
  • the first conductive film over the insulator 250, it is possible to suppress the damage during the deposition of the second conductive film from affecting the insulator 250.
  • the sputtering method has a higher film formation rate than the ALD method, the yield is high and the productivity can be improved.
  • the conductive film 260A be formed using a deposition gas that does not contain chlorine.
  • a resist mask 296 is formed on the conductive film 260A by the same method as described above (FIG. 41C). Subsequently, unnecessary portions of the conductive film 260A are removed by etching to form the conductor 260, and then the resist mask 296 is removed (FIG. 41D).
  • the insulator 280 is an insulator containing oxygen, such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film.
  • oxygen such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film.
  • a silicon oxide film or a silicon oxynitride film in which a large amount of oxygen is contained in the film can be formed by appropriately setting deposition conditions in a CVD method or a sputtering method.
  • oxygen may be added by an ion implantation method, an ion doping method, or plasma treatment after the silicon oxide film or the silicon oxynitride film is formed.
  • a typical oxygen plasma treatment is to treat the surface of an oxide semiconductor with radicals generated by glow discharge plasma of oxygen gas.
  • oxygen gas As a gas for generating plasma, not only oxygen but also oxygen gas and rare gas are used.
  • the mixed gas may be used.
  • the temperature may be 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, in an atmosphere containing an oxidizing gas or in a reduced pressure state.
  • the insulator 280 and the oxide 230 are dehydrated or dehydrogenated, and an excess oxygen region can be formed by introducing excess oxygen into the insulator 280.
  • oxygen vacancies are generated in the dehydrated or dehydrogenated oxide 230, and the resistance is reduced.
  • oxygen deficiency in the oxide 230 is filled with excess oxygen in the insulator 280. Therefore, by the oxygen plasma treatment, the insulator 280 and the oxide 230 can remove hydrogen or water as impurities while filling oxygen vacancies. Accordingly, improvement in electrical characteristics of the transistor 200 and variation in electrical characteristics can be reduced.
  • an insulator 282 is formed on the insulator 280.
  • the insulator 282 is preferably formed with a sputtering apparatus. By using the sputtering method, an excess oxygen region can be easily formed in the insulator 280 which is the lower layer of the insulator 282.
  • ions and sputtered particles exist between the target and the substrate.
  • the target is connected to a power source and is supplied with the potential E0.
  • the substrate is given a potential E1 such as a ground potential.
  • the substrate may be electrically floating.
  • the ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E0 and collide with the target, so that the sputtered particles are ejected from the target.
  • the sputtered particles adhere to and deposit on the film formation surface to form a film.
  • some ions recoil by the target and may be taken into the insulator 280 below the formed film through the film formed as recoil ions.
  • ions in the plasma are accelerated by the potential difference E2-E1, and impact the film formation surface. At this time, some ions reach the inside of the insulator 280.
  • a region into which the ions are taken is formed in the insulator 280. That is, when the ions are oxygen-containing ions, an excess oxygen region is formed in the insulator 280.
  • An excess oxygen region can be formed by introducing excess oxygen into the insulator 280.
  • Excess oxygen in the insulator 280 is supplied to the oxide 230 by heat treatment at a temperature of, for example, 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, preferably 320 ° C. or higher and 380 ° C. or lower. Can be compensated.
  • the substrate is heated at the above temperature, so that oxygen is supplied to the oxide 230 without additional heating after the film formation. can do.
  • the oxide 230c is an oxide having high oxygen permeability, oxygen can be easily diffused from the insulator 280 to the oxide 230b.
  • excess oxygen is bonded to the side surface of the crystal part having orientation.
  • a metal such as In, M, or Zn is bonded to the bonded active oxygen.
  • the active oxygen and a metal such as In, M, or Zn are repeatedly bonded to each other so that solid phase growth occurs laterally from the side surface of the crystal part having orientation.
  • heat treatment is performed on the oxide 230a and the oxide 230b in advance, and dehydration and dehydrogenation are performed, whereby impurities such as water or hydrogen contained in the oxide 230 are removed. It can be reduced. Accordingly, the diffusion of oxygen due to impurities such as water or hydrogen contained in the oxide 230 is reduced, so that oxygen can be supplied to the oxide 230 more efficiently.
  • the transistor 200 of one embodiment of the present invention can be manufactured.
  • FIGS. 43A to 49B One example of a semiconductor device (memory device) using a capacitor which is one embodiment of the present invention is illustrated in FIGS. 43A to 49B.
  • FIG. 43A is a circuit diagram of FIGS. 44 to 47 and FIGS. 49A to 51.
  • 48A and 48B and FIGS. 49A and 49B show end portions of regions where the semiconductor devices shown in FIGS. 44 to 47 and FIGS. 49A to 51 are formed.
  • the semiconductor device illustrated in FIGS. 43A and 44 to 47 includes the transistor 300, the transistor 200, and the capacitor 100.
  • the transistor 200 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer including an oxide semiconductor. Since the transistor 200 has a small off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 200 for a semiconductor device (memory device). In other words, the semiconductor device (memory device) which does not require a refresh operation or has a very low frequency of the refresh operation can be used, so that power consumption can be sufficiently reduced.
  • the wiring 3001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 3002 is electrically connected to the drain of the transistor 300.
  • the wiring 3003 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 200, and the wiring 3004 is electrically connected to the gate of the transistor 200.
  • the gate of the transistor 300 and the other of the source and the drain of the transistor 200 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 100, and the wiring 3005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 100. .
  • the semiconductor device illustrated in FIG. 43A has a characteristic that the potential of the gate of the transistor 300 can be held, so that information can be written, held, and read as described below.
  • the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned on, so that the transistor 200 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is supplied to the node FG that is electrically connected to one of the gate of the transistor 300 and the electrode of the capacitor 100. That is, predetermined charge is given to the gate of the transistor 300 (writing).
  • predetermined charge is given to the gate of the transistor 300 (writing).
  • the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned off and the transistor 200 is turned off, so that charge is held at the node FG (holding).
  • the second wiring 3002 has a charge held in the node FG. Take a potential according to the amount. This is because, when the transistor 300 is an n-channel type, the apparent threshold voltage V th_H when the gate of the transistor 300 is supplied with a high level charge is the low level charge applied to the gate of the transistor 300. This is because it becomes lower than the apparent threshold voltage V th_L in the case of being present.
  • the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring 3005 necessary for bringing the transistor 300 into a “conductive state”.
  • the potential of the fifth wiring 3005 when the potential of the fifth wiring 3005 is set to a potential V 0 between V th_H V th_L , the charge given to the node FG can be determined. For example, in writing, when a high-level charge is applied to the node FG, the transistor 300 is turned “on” when the potential of the fifth wiring 3005 is V 0 (> V th_H ). On the other hand, when a low-level charge is supplied to the node FG, the transistor 300 remains in a “non-conduction state” even when the potential of the fifth wiring 3005 becomes V 0 ( ⁇ V th_L ). Therefore, by determining the potential of the second wiring 3002, information held in the node FG can be read.
  • a memory device (memory cell array) can be configured by arranging the semiconductor devices illustrated in FIG. 43A in a matrix.
  • a potential that causes the transistor 300 to be “non-conductive” regardless of the charge applied to the node FG, that is, a potential lower than V th_H is supplied to the fifth wiring 3005.
  • the fifth wiring 3005 is supplied with a potential at which the transistor 300 becomes “conductive” regardless of the charge applied to the node FG, that is, a potential higher than V th_L.
  • the semiconductor device illustrated in FIG. 43B is different from the semiconductor device illustrated in FIG. 43A in that the transistor 300 is not included. In this case as well, information can be written and held by the same operation as that of the semiconductor device shown in FIG. 43A.
  • Reading of information in the semiconductor device illustrated in FIG. 43B is described.
  • the transistor 200 When the transistor 200 is turned on, the third wiring 3003 in a floating state and the capacitor 100 are brought into conduction, and charge is redistributed between the third wiring 3003 and the capacitor 100.
  • the potential of the third wiring 3003 changes.
  • the amount of change in potential of the third wiring 3003 varies depending on one potential of the electrode of the capacitor 100 (or charge accumulated in the capacitor 100).
  • the potential of one electrode of the capacitor 100 is V
  • the capacitance of the capacitor 100 is C
  • the capacitance component of the third wiring 3003 is CB
  • the potential of the third wiring 3003 before charge is redistributed is (CB ⁇ VB0 + C ⁇ V) / (CB + C). Therefore, when the potential of one of the electrodes of the capacitor 100 assumes two states of V1 and V0 (V1> V0) as the state of the memory cell, the third wiring 3003 in the case where the potential V1 is held.
  • information can be read by comparing the potential of the third wiring 3003 with a predetermined potential.
  • a transistor to which the first semiconductor is applied is used as a driver circuit for driving a memory cell, and a transistor to which the second semiconductor is applied is stacked on the driver circuit as the transistor 200. do it.
  • memory contents can be held for a long time by using a transistor with an off-state current that is formed using an oxide semiconductor. That is, a refresh operation is unnecessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that a semiconductor device with low power consumption can be realized.
  • stored data can be held for a long time even when power is not supplied (note that a potential is preferably fixed).
  • the semiconductor device does not require a high voltage for writing information, the element is hardly deteriorated.
  • the semiconductor device since electrons are not injected into the floating gate and electrons are not extracted from the floating gate, there is no problem of deterioration of the insulator.
  • the semiconductor device according to one embodiment of the present invention has no limitation on the number of rewritable times, and is a semiconductor device in which reliability is dramatically improved. Further, since data is written depending on the conductive state and non-conductive state of the transistor, high-speed operation is possible.
  • a semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a transistor 300, a transistor 200, and a capacitor 100 as illustrated in FIG.
  • the transistor 200 is provided above the transistor 300
  • the capacitor 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.
  • the transistor 300 includes a conductor 316, an insulator 314, a semiconductor region 312 formed of part of the substrate 311, a low resistance region 318a functioning as a source region or a drain region, and a low resistance region 318b. Have.
  • the transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.
  • the region in which the channel of the semiconductor region 312 is formed, the region in the vicinity thereof, the low resistance region 318a serving as the source region or the drain region, the low resistance region 318b, and the like preferably include a semiconductor such as a silicon-based semiconductor. It preferably contains crystalline silicon. Alternatively, a material containing Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like may be used. A structure using silicon in which effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be employed. Alternatively, the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs, GaAlAs, or the like.
  • HEMT High Electron Mobility Transistor
  • the low-resistance region 318 a and the low-resistance region 318 b provide an n-type conductivity element such as arsenic or phosphorus, or a p-type conductivity property such as boron, in addition to the semiconductor material applied to the semiconductor region 312. Containing elements.
  • the conductor 316 functioning as a gate electrode includes a semiconductor material such as silicon, a metal material, an alloy containing an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element imparting p-type conductivity such as boron.
  • a conductive material such as a material or a metal oxide material can be used.
  • the threshold voltage can be adjusted by determining the work function depending on the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, in order to achieve both conductivity and embeddability, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and tungsten is particularly preferable from the viewpoint of heat resistance.
  • the semiconductor region 312 (a part of the substrate 311) where a channel is formed has a convex shape.
  • the conductor 316 is provided so as to cover a side surface and an upper surface of the semiconductor region 312 with an insulator 314 interposed therebetween.
  • the conductor 316 may be formed using a material that adjusts a work function.
  • Such a transistor 300 is also called a FIN-type transistor because it uses a convex portion of a semiconductor substrate.
  • an insulator functioning as a mask for forming the convex portion may be provided in contact with the upper portion of the convex portion.
  • the transistor 300 illustrated in FIGS. 44A and 44B is an example and is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration or a driving method.
  • the structure of the transistor 300 may be provided as a planar type. In the circuit configuration illustrated in FIG. 43B, the transistor 300 is not necessarily provided.
  • the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are stacked in this order so as to cover the transistor 300.
  • the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like is used. That's fine.
  • the insulator 322 functions as a flattening film for flattening a step generated by the transistor 300 or the like provided thereunder.
  • the top surface of the insulator 322 may be planarized by a planarization process using a CMP process or the like in order to improve planarity.
  • a film having a barrier property such that hydrogen or impurities are not diffused from the substrate 311 or the transistor 300 to a region where the transistor 200 is provided is preferably used.
  • silicon nitride formed by a CVD method can be used as an example of a film having a barrier property against hydrogen.
  • silicon nitride formed by a CVD method when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the transistor 200 and the transistor 300.
  • the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.
  • the amount of hydrogen desorption can be analyzed using, for example, TDS analysis.
  • the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is 10 ⁇ 10 5 in terms of the amount of desorbed hydrogen atoms converted to hydrogen atoms per area of the insulator 324 in the range of 50 ° C. to 500 ° C. in TDS analysis. It may be 15 atoms / cm 2 or less, preferably 5 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 or less.
  • the insulator 326 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 324.
  • the dielectric constant of the insulator 326 is preferably less than 4, and more preferably less than 3.
  • the relative dielectric constant of the insulator 324 is preferably equal to or less than 0.7 times that of the insulator 326, and more preferably equal to or less than 0.6 times.
  • the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are embedded with a conductor 328, a conductor 330, and the like that are electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 200.
  • the conductor 328 and the conductor 330 function as plugs or wirings.
  • a conductor having a function as a plug or a wiring may be given the same reference numeral by collecting a plurality of structures.
  • the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.
  • a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is used as a single layer or a stacked layer.
  • a high melting point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten.
  • a low-resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered by using a low-resistance conductive material.
  • a wiring layer may be provided over the insulator 326 and the conductor 330.
  • an insulator 350, an insulator 352, and an insulator 354 are sequentially stacked.
  • a conductor 356 is formed in the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354.
  • the conductor 356 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 356 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.
  • the insulator 350 is preferably an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324.
  • the conductor 356 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen.
  • a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in an opening portion of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.
  • tantalum nitride may be used as the conductor having a barrier property against hydrogen. Further, by stacking tantalum nitride and tungsten having high conductivity, diffusion of hydrogen from the transistor 300 can be suppressed while maintaining conductivity as a wiring. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having a barrier property against hydrogen be in contact with the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.
  • the insulator 358, the insulator 210, the insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, and the insulator 216 are sequentially stacked over the insulator 354.
  • a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen is preferably used for any or all of the insulator 358, the insulator 210, the insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, and the insulator 216.
  • a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse from a region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided to a region where the transistor 200 is provided for example.
  • a material similar to that of the insulator 324 can be used.
  • silicon nitride formed by a CVD method can be used as an example of a film having a barrier property against hydrogen.
  • silicon nitride formed by a CVD method when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the transistor 200 and the transistor 300.
  • the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.
  • a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide.
  • aluminum oxide has a high blocking effect that prevents the film from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, release of oxygen from the oxide included in the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 200.
  • the insulator 210 and the insulator 216 can be formed using the same material as the insulator 320.
  • the insulator 216 a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used.
  • the insulator 358, the insulator 210, the insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, and the insulator 216 are embedded with a conductor 218, a conductor (the conductor 205) included in the transistor 200, and the like. ing.
  • the conductor 218 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 300.
  • the conductor 218 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.
  • the insulator 358, the insulator 212, the insulator 213, and the conductor 218 in a region in contact with the insulator 214 are preferably conductors having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water.
  • the transistor 300 and the transistor 200 are layers having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water and can be completely separated, so that diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed. .
  • a transistor 200 is provided above the insulator 216. Note that the transistor described above may be used as the structure of the transistor 200.
  • a transistor 200 illustrated in FIGS. 44A and 44B is an example and is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit configuration or a driving method.
  • An insulator 280 is provided over the transistor 200.
  • an insulator containing oxygen in excess of the stoichiometric composition is preferably used. That is, the insulator 280 is preferably formed with a region where oxygen is present in excess of the stoichiometric composition (hereinafter also referred to as an excess oxygen region).
  • an excess oxygen region is provided as an interlayer film or the like in the vicinity of the transistor 200, so that oxygen vacancies in the transistor 200 are reduced and reliability is improved. Can do.
  • an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used as the insulator having an excess oxygen region.
  • the oxide oxygen is released by heating, by TDS, the amount of released oxygen converted into oxygen atoms 1.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 3.0 ⁇ 10 20
  • the surface temperature of the film at the time of the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 500 ° C.
  • a material containing silicon oxide or silicon oxynitride is preferably used.
  • a metal oxide can be used. Note that in this specification, silicon oxynitride refers to a material with a higher oxygen content than nitrogen, and silicon nitride oxide refers to a material with a higher nitrogen content than oxygen.
  • the insulator 280 that covers the transistor 200 may function as a planarization film that covers the uneven shape below the transistor 280. Further, a conductor 244 and the like are embedded in the insulator 280.
  • the conductor 244 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300.
  • the conductor 244 can be provided using a material similar to that of the conductor 328 and the conductor 330.
  • the conductor 244 when the conductor 244 is provided in a stacked structure, it is preferable to include a conductor having high oxidation resistance.
  • a conductor having high oxidation resistance is preferably provided in a region in contact with the insulator 280 having an excess oxygen region.
  • the conductor 244 can suppress excessive oxygen from the insulator 280.
  • the conductor 244 preferably includes a conductor having a barrier property against hydrogen.
  • impurities such as hydrogen in a region in contact with the insulator 280 having an excess oxygen region
  • a barrier layer 245 may be provided over the conductor 244. By including the barrier layer 245, diffusion of impurities contained in the conductor 244 and part of the elements of the conductor 244 can be suppressed.
  • a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide, or a metal nitride such as tantalum nitride is preferably used.
  • aluminum oxide has a high blocking effect that prevents the film from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture, which cause variation in electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor.
  • an insulator 282, an insulator 283, an insulator 284, and an insulator 110 are sequentially stacked.
  • a conductor 124 and the like are embedded in the insulator 282, the insulator 283, the insulator 284, and the insulator 110.
  • the conductor 124 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300.
  • the conductor 124 can be provided using a material similar to that of the conductor 356.
  • the insulator 282 can be formed using a material similar to that of the insulator 214.
  • the insulator 283 can be formed using a material similar to that of the insulator 213.
  • an insulator similar to the insulator 212 can be used.
  • the insulator 110 can be formed using a material similar to that of the insulator 216.
  • a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used.
  • aluminum oxide has a high blocking effect that prevents the film from permeating both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from entering the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, release of oxygen from the oxide included in the transistor 200 can be suppressed. Therefore, aluminum oxide is suitable for use as a protective film for the transistor 200.
  • a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse from the region where the capacitor 100 is provided to the region where the transistor 200 is provided as the insulator 284. Therefore, a material similar to that of the insulator 324 can be used.
  • silicon nitride formed by a CVD method can be used as an example of a film having a barrier property against hydrogen.
  • silicon nitride formed by a CVD method when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, a film for suppressing hydrogen diffusion is preferably used between the transistor 200 and the transistor 300.
  • the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of hydrogen desorption.
  • the transistor 200 and the insulator 280 including an excess oxygen region are sandwiched between the stacked structure of the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214 and the stacked structure of the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 284. It can be configured.
  • the insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 284 have barrier properties that suppress diffusion of impurities such as oxygen, hydrogen, and water.
  • an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.
  • FIGS. 48A and 48B show sectional views in the vicinity of the scribe line.
  • an insulator 212, an insulator 213, an insulator 214, and an insulator are provided in the vicinity of a region overlapping with a scribe line (indicated by a one-dot chain line in the drawing) provided on the outer edge of the memory cell including the transistor 200.
  • a scribe line indicated by a one-dot chain line in the drawing
  • the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280 are provided with openings.
  • the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214 and the insulator 282 are in contact with each other in the opening. Further, the insulator 283 and the insulator 284 are stacked over the insulator 282. At this time, adhesion can be improved by forming at least one of the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214 and the insulator 282 using the same material and the same method.
  • the insulator 280 and the transistor 200 can be wrapped with the insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 284.
  • the insulator 212, the insulator 213, the insulator 214, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 284 have a function of suppressing diffusion of oxygen, hydrogen, and water; Even when the semiconductor device shown is scribed, hydrogen or water can be prevented from entering from the side surfaces of the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280 and diffusing into the transistor 200.
  • excess oxygen in the insulator 280 can be prevented from diffusing outside the insulator 282 and the insulator 214. Accordingly, excess oxygen in the insulator 280 is supplied to the oxide in which the channel in the transistor 200 is efficiently formed. With the oxygen, oxygen vacancies in the oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be reduced. Accordingly, an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.
  • an insulator 212, an insulator 213, an insulator 214, an insulator 216, an insulator 220, an insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280 may be provided with openings.
  • the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214 and the insulator 282 are in contact with each other in at least two places, so that a structure with higher adhesion is obtained.
  • the adhesiveness can be improved by forming the insulator 282 using the same material and the same method as at least one of the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214.
  • the insulator 282, the insulator 212, the insulator 213, and the insulator 214 can be in contact with each other in a plurality of regions. Further, in the case where impurities entering from the scribe line diffuse to the region closest to the transistor 200 in the region where the insulator 214 and the insulator 282 are in contact, the impurity diffusion distance can be increased.
  • an oxide in which a channel is formed in the transistor 200 can be an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.
  • the insulator 110, the capacitor element 100, and the conductor 124 are provided above the insulator 284.
  • the capacitor 100 is provided over the insulator 110 and includes the conductor 112 (the conductor 112a and the conductor 112b), the insulator 130, the insulator 132, the insulator 134, and the conductor 116.
  • the conductor 124 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300.
  • the conductor 124 can be provided using a material similar to that of the conductor 356.
  • the conductor 112 can be made of a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material. It is preferable to use a high-melting-point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. In the case where the conductor 112 is formed at the same time as another structure such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which is a low-resistance metal material, may be used.
  • the insulator 130, the insulator 132, and the insulator 134 are provided over the conductor 112.
  • Examples of the insulator 130, the insulator 132, and the insulator 134 include silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, hafnium oxide, and oxynitride Hafnium, nitrided hafnium oxide, hafnium nitride, or the like may be used. In the figure, a three-layer structure is shown, but a single layer, two layers, or a stacked structure of four or more layers may be used.
  • the insulator 130 and the insulator 134 are preferably formed using a material having high dielectric strength such as silicon oxynitride, and the insulator 132 is preferably formed using a high dielectric constant (high-k) material such as aluminum oxide.
  • the capacitor 100 has an insulator with a high dielectric constant (high-k), so that a sufficient capacitance can be secured, and the insulator having a high dielectric strength can improve the dielectric strength, The electrostatic breakdown of the element 100 can be suppressed.
  • a conductor 116 is provided on the conductor 112 with an insulator 134 interposed therebetween.
  • the conductor 116 can be formed using a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material. It is preferable to use a high-melting-point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. Further, when the conductor 116 is formed at the same time as another structure such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which is a low resistance metal material, may be used.
  • a structure having a convex shape like the conductor 112b can increase the capacitance per projected area of the capacitor. it can. Therefore, the semiconductor device can be reduced in area, highly integrated, and miniaturized.
  • An insulator 150 is provided on the conductor 116 and the insulator 134.
  • the insulator 110 and the insulator 150 can be provided using a material similar to that of the insulator 320. Further, the insulator 110 serving as the lower portion of the capacitor element 100 and the insulator 150 covering the capacitor element 100 may function as a planarization film that covers the concave and convex shapes below the insulator 110.
  • a conductor 244 may be formed as shown in FIG. That is, a plug may be embedded in the insulator 282, and a conductor serving as a wiring and the barrier layer 245 may be provided over the plug in a stacked structure.
  • a conductor having high oxidation resistance as the conductor functioning as a wiring.
  • the capacitor 100 does not necessarily have the conductor 122.
  • the conductor 244 is formed. Therefore, the conductor 124 and the conductor 112 serving as one electrode of the capacitor 100 can be formed at the same time. Therefore, since it can produce with few processes, production cost can be reduced and productivity can be improved.
  • the conductor 116 is provided over the conductor 112 through the insulator 130, the insulator 132, and the insulator 134.
  • the conductor 116 can be formed using a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material. It is preferable to use a high-melting-point material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. In the case of forming simultaneously with other structures such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which is a low resistance metal material, may be used.
  • the conductor 116 is provided so as to cover the upper surface and the side surface of the conductor 112 with the insulator 130, the insulator 132, and the insulator 134 interposed therebetween. That is, the side surface of the conductor 112 also functions as a capacitor, so that the capacitance per projected area of the capacitor can be increased. Therefore, the semiconductor device can be reduced in area, highly integrated, and miniaturized.
  • the conductor 112 when the conductor 112 is formed, it is preferable to remove the upper surface of the insulator 110 to be larger than the total film thickness of the insulator 130, the insulator 132, and the insulator 134.
  • part of the insulator 110 can be removed at the same time by performing the over-etching process.
  • etching can be performed without leaving an etching residue.
  • part of the insulator 110 can be efficiently removed by switching the type of etching gas during the etching process.
  • a part of the insulator 110 may be removed using the conductor 112 as a hard mask.
  • the surface of the conductor 112 may be cleaned. Etching residues and the like can be removed by performing the cleaning process.
  • the insulator 213 and the insulator 283 are not necessarily provided. Also in this structure, the transistor 200 and the insulator 280 including the excess oxygen region are sandwiched between the stacked structure of the insulator 212 and the insulator 214 and the stacked structure of the insulator 282 and the insulator 284. it can.
  • the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 have barrier properties that suppress diffusion of impurities such as oxygen, hydrogen, and water.
  • an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.
  • FIGS. 49A and 49B show cross-sectional views in the vicinity of the scribe line in this modification.
  • the insulator 214 and the insulator 282 are in contact with each other in the vicinity of a region overlapping with a scribe line (indicated by a one-dot chain line in the drawing), and the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator A stacked structure of the bodies 284 is obtained.
  • the insulator 214 and the insulator 282 are formed using the same material and the same method, whereby a stacked structure with high adhesion is obtained.
  • the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 can enclose the insulator 216, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280.
  • the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 have a function of suppressing diffusion of oxygen, hydrogen, and water; therefore, even if the semiconductor device described in this embodiment is scribed, In addition, hydrogen or water can be prevented from entering from the side surfaces of the insulator 216, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280 and diffusing into the transistor 200.
  • excess oxygen in the insulator 280 can be prevented from diffusing outside the insulator 282 and the insulator 214. Accordingly, excess oxygen in the insulator 280 is supplied to the oxide in which the channel in the transistor 200 is efficiently formed. With the oxygen, oxygen vacancies in the oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be reduced. Accordingly, an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.
  • the insulator 214, the insulator 216, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator An opening is provided at 280.
  • the insulator 282 is provided so as to cover side surfaces of the insulator 214, the insulator 216, the insulator 220, the insulator 222, the insulator 224, and the insulator 280.
  • openings are provided in the insulator 212 and the insulator 282, and the insulator 284 is provided so as to cover the side surfaces of the insulator 212 and the insulator 282 and the exposed upper surface of the insulator 210.
  • the insulator 214 and the insulator 282 are in contact with each other in the opening. Furthermore, the insulator 212 and the insulator 282 are in contact with each other outside. At this time, the insulator 214 and the insulator 282 are formed using the same material and the same method, whereby a stacked structure with high adhesion is obtained. Further, when the insulator 212 and the insulator 284 are formed using the same material and the same method, a stacked structure with high adhesion can be obtained.
  • an oxide in which a channel is formed in the transistor 200 can be an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.
  • FIG. 47 An example of a modification of the present embodiment is shown in FIG. 47 differs from FIG. 46 in the configuration of the transistor 300 and the transistor 200.
  • the semiconductor region 312 (a part of the substrate 311) where a channel is formed has a convex shape.
  • the conductor 316 is provided so as to cover a side surface and an upper surface of the semiconductor region 312 with an insulator 314 interposed therebetween.
  • the conductor 316 may be formed using a material that adjusts a work function.
  • Such a transistor 300 is also called a FIN-type transistor because it uses a convex portion of a semiconductor substrate.
  • an insulator functioning as a mask for forming the convex portion may be provided in contact with the upper portion of the convex portion.
  • FIGS. 36A to 36C and FIGS. 37A to 37C are the structure described in FIGS. 36A to 36C and FIGS. 37A to 37C.
  • the oxide 230c, the insulator 250, and the conductor 260 are formed in the opening formed in the insulator 280.
  • one end of each of the conductors 240a and 240b and the end of the opening formed in the insulator 280 coincide with each other.
  • the three ends of the conductor 240 a and the conductor 240 b coincide with part of the end of the oxide 230. Therefore, the conductor 240a and the conductor 240b can be formed at the same time as the opening of the oxide 230 or the insulator 280. Therefore, masks and processes can be reduced. In addition, yield and productivity can be improved.
  • the transistor 200 illustrated in FIGS. 41A to 41D has a structure in which the conductor 240a, the conductor 240b, and the conductor 260 do not overlap with each other, parasitic capacitance applied to the conductor 260 can be reduced. That is, the transistor 200 having a high operating frequency can be provided.
  • FIGS. 50A and 50B An example of a modification of the present embodiment is shown in FIGS. 50A and 50B.
  • 50A and 50B each show a cross section of the transistor 200 in the channel length and channel width directions with the dashed-dotted line A1-A2 as an axis.
  • an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.
  • FIG. 51 An example of a modification of the present embodiment is shown in FIG. 51 is different from FIG. 47 in the configuration of the capacitor.
  • a capacitor 105 may be formed.
  • part of the wiring to the transistor 300 also functions as a capacitor. Accordingly, the capacitance per projected area of the capacitive element can be increased. Therefore, the semiconductor device can be reduced in area, highly integrated, and miniaturized.
  • the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 preferably have a stacked structure between the capacitor 105 and the transistor 200.
  • an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.
  • FIGS. 52A and 52B An example of a modification of the present embodiment is shown in FIGS. 52A and 52B.
  • FIG. 52A is a circuit diagram in which part of a row is extracted in the case where the semiconductor device illustrated in FIG. 43A is arranged in a matrix.
  • FIG. 52B is a cross-sectional view of the semiconductor device corresponding to the circuit diagram of FIG. 52A.
  • 52A and 52B illustrate a semiconductor device including a transistor 300, a transistor 200, and a capacitor 100, a semiconductor device including a transistor 301, a transistor 201, and a capacitor 101, a transistor 302, a transistor 202, and a capacitor 102.
  • the semiconductor devices having the same are arranged in the same row.
  • a plurality of transistors (the transistor 200 and the transistor 201 in the figure), and an insulator 280 including an excess oxygen region, a stacked structure of an insulator 212 and an insulator 214, an insulator 282,
  • the insulating layer 284 may be wrapped in a stacked structure. At that time, insulation is performed between the through electrode that connects the transistor 300, the transistor 301, or the transistor 302 and the capacitor 100, the capacitor 101, or the capacitor 102 and the transistor 200, the transistor 201, or the transistor 202 It is preferable that the body 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 have a stacked structure.
  • an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.
  • FIG. 53 is a cross-sectional view of the semiconductor device in which the transistor 201 and the transistor 202 are integrated in the semiconductor device illustrated in FIGS. 52A and 52B.
  • the function of the conductor 112 serving as one of the electrodes of the capacitor 101 may also serve as the conductor 240a serving as the source electrode or the drain electrode of the transistor 201.
  • a region extending over the oxide 230c of the transistor 201 and the conductor 240a of the insulator 250 functioning as a gate insulator of the transistor 201 functions as an insulator of the capacitor 101. Therefore, the conductor 116 serving as the other electrode of the capacitor 101 may be stacked over the conductor 240a with the insulator 250 and the oxide 230c interposed therebetween. With this configuration, the semiconductor device can be reduced in area, highly integrated, and miniaturized.
  • the transistor 201 and the transistor 202 may be provided to overlap each other. With this configuration, the semiconductor device can be reduced in area, highly integrated, and miniaturized.
  • a plurality of transistors (the transistor 201 and the transistor 202 in the drawing), and an insulator 280 including an excess oxygen region, a stacked structure of the insulator 212 and the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 It is good also as a structure wrapped up with a laminated structure. At that time, insulation is performed between the through electrode that connects the transistor 300, the transistor 301, or the transistor 302 and the capacitor 100, the capacitor 101, or the capacitor 102 and the transistor 200, the transistor 201, or the transistor 202. It is preferable that the body 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 284 have a stacked structure.
  • an oxide in which a channel in the transistor 200 is formed can be an oxide semiconductor with low defect state density and stable characteristics. That is, variation in electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed and reliability can be improved.
  • ⁇ Circuit> An example of a circuit of a semiconductor device using a transistor or the like according to one embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
  • the semiconductor device illustrated in FIG. 54 is different from the semiconductor device described in the above embodiment in that the transistor 3500 and the sixth wiring 3006 are provided. Also in this case, information writing and holding operations can be performed by the same operation as the semiconductor device described in the above embodiment.
  • the transistor 3500 may be a transistor similar to the transistor 3200 described above.
  • the sixth wiring 3006 is electrically connected to the gate of the transistor 3500, one of the source and the drain of the transistor 3500 is electrically connected to the drain of the transistor 3200, and the other of the source and the drain of the transistor 3500 is the third It is electrically connected to the wiring 3003.
  • the semiconductor device illustrated in FIG. 55 includes the transistors 4100 to 4400, the capacitor 4500, and the capacitor 4600.
  • the transistor 4100 can be a transistor similar to the transistor 300 described above
  • the transistors 4200 to 4400 can be transistors similar to the transistor 200 described above.
  • the capacitor 4500 and the capacitor 4600 the same transistor as the capacitor 100 described above can be used.
  • the semiconductor device illustrated in FIG. 55 is not illustrated in FIG. 55, but a plurality of semiconductor devices are provided in a matrix.
  • the semiconductor device illustrated in FIG. 55 can control writing and reading of a data voltage in accordance with a signal or a potential supplied to the wiring 4001, the wiring 4003, and the wirings 4005 to 4009.
  • One of the source and the drain of the transistor 4100 is connected to the wiring 4003.
  • the other of the source and the drain of the transistor 4100 is connected to the wiring 4001. Note that although the conductivity type of the transistor 4100 is shown as a p-channel type in FIG. 55, it may be an n-channel type.
  • the semiconductor device shown in FIG. 55 has two data holding units.
  • the first data holding portion holds electric charge between one of a source and a drain of the transistor 4400 connected to the node FG1, one electrode of the capacitor 4600, and one of the source and the drain of the transistor 4200.
  • the second data holding portion is between the gate of the transistor 4100 connected to the node FG2, the other of the source and the drain of the transistor 4200, one of the source and the drain of the transistor 4300, and one electrode of the capacitor 4500. Holds charge.
  • the other of the source and the drain of the transistor 4300 is connected to the wiring 4003.
  • the other of the source and the drain of the transistor 4400 is connected to the wiring 4001.
  • a gate of the transistor 4400 is connected to the wiring 4005.
  • a gate of the transistor 4200 is connected to the wiring 4006.
  • a gate of the transistor 4300 is connected to the wiring 4007.
  • the other electrode of the capacitor 4600 is connected to the wiring 4008.
  • the other electrode of the capacitor 4500 is connected to the wiring 4009.
  • the transistors 4200 to 4400 have a function as a switch for controlling data voltage writing and charge holding.
  • transistors with low current (off-state current) flowing between the source and the drain in a non-conduction state are preferably used as the transistors 4200 to 4400.
  • the transistor with low off-state current is preferably a transistor having an oxide semiconductor in a channel formation region (OS transistor).
  • An OS transistor has advantages such as low off-state current and that it can be formed over a transistor including silicon.
  • the conductivity types of the transistors 4200 to 4400 are shown as n-channel types in FIG. 55, they may be p-channel types.
  • the transistor 4200, the transistor 4300, and the transistor 4400 are preferably provided in different layers even when a transistor using an oxide semiconductor is used. That is, the semiconductor device illustrated in FIG. 55 is preferably provided by stacking the transistor 4100, the transistor 4200, the transistor 4300, and the transistor 4400. A layer including a transistor may be provided by stacking. That is, by integrating transistors, the circuit area can be reduced and the semiconductor device can be downsized.
  • a data voltage write operation (hereinafter referred to as a write operation 1) to the data holding portion connected to the node FG1 will be described. Note that in the following description, the data voltage written to the data holding portion connected to the node FG1 is V D1, and the threshold voltage of the transistor 4100 is Vth.
  • the wiring 4001 is electrically floated.
  • the wirings 4005 and 4006 are set to a high level.
  • the wirings 4007 to 4009 are set to a low level. Then, the potential of the node FG2 which is in an electrically floating state is increased, and a current flows through the transistor 4100. When the current flows, the potential of the wiring 4001 increases. In addition, the transistors 4400 and 4200 are turned on. Therefore, the potentials of the nodes FG1 and FG2 increase as the potential of the wiring 4001 increases.
  • V D1 applied to the wiring 4003 is supplied to the wiring 4001 when current flows through the transistor 4100, so that the potentials of the nodes FG1 and FG2 are increased.
  • Vgs of the transistor 4100 becomes Vth, so that the current stops.
  • writing operation 2 a data voltage writing operation (hereinafter referred to as writing operation 2) to the data holding portion connected to the node FG2 will be described.
  • writing operation 2 illustrating a data voltage to be written to the data holding unit connected to the node FG2 as V D2.
  • the wiring 4001 is electrically floated. Further, the wiring 4007 is set to a high level. In addition, the wirings 4005, 4006, 4008, and 4009 are set to a low level.
  • the transistor 4300 is turned on and the wiring 4003 is set to a low level. Therefore, the potential of the node FG2 also decreases to a low level, and a current flows through the transistor 4100. When the current flows, the potential of the wiring 4003 increases. In addition, the transistor 4300 is turned on. Therefore, the potential of the node FG2 increases as the potential of the wiring 4003 increases.
  • V D2 applied to the wiring 4001 is supplied to the wiring 4003 when a current flows through the transistor 4100, so that the potential of the node FG2 increases.
  • Vgs of the transistor 4100 becomes Vth, so that the current stops.
  • the potential of the node FG1 is non-conductive in the transistors 4200 and 4400, and “V D1 ⁇ Vth” written in the writing operation 1 is held.
  • the wiring 4009 is set to a high level and the potentials of the nodes FG1 and FG2 are increased. Then, each transistor is brought into a non-conducting state to eliminate the movement of electric charges and to hold the written data voltage.
  • V D1 ⁇ Vth and “V D2 ⁇ Vth” have been described as examples of potentials to be written, these are data voltages corresponding to multi-value data. Therefore, when 4-bit data is held in each data holding unit, 16 values of “V D1 ⁇ Vth” and “V D2 ⁇ Vth” can be taken.
  • read operation 1 a data voltage read operation (hereinafter referred to as read operation 1) to the data holding unit connected to the node FG2 will be described.
  • the wiring 4003 that has been electrically floated after precharging is discharged.
  • the wirings 4005 to 4008 are set to a low level.
  • the wiring 4009 is set to a low level, and the potential of the node FG2 in an electrically floating state is set to “V D2 ⁇ Vth”.
  • a current flows through the transistor 4100 when the potential of the node FG2 is decreased.
  • the potential of the electrically floating wiring 4003 is decreased.
  • Vgs of the transistor 4100 decreases.
  • Vgs of the transistor 4100 becomes Vth of the transistor 4100, a current flowing through the transistor 4100 is reduced.
  • the potential of the wiring 4003 becomes “V D2 ” that is a value larger by Vth than the potential “V D2 ⁇ Vth” of the node FG2.
  • the potential of the wiring 4003 corresponds to the data voltage of the data holding portion connected to the node FG2.
  • the read data voltage of the analog value is subjected to A / D conversion, and data of a data holding unit connected to the node FG2 is acquired.
  • a current flows through the transistor 4100 when the wiring 4003 after precharging is in a floating state and the potential of the wiring 4009 is switched from a high level to a low level.
  • the potential of the wiring 4003 in the floating state is decreased to “V D2 ”.
  • Vgs between “V D2 ⁇ Vth” of the node FG2 becomes Vth, so that the current stops.
  • V D2 ” written in the writing operation 2 is read out to the wiring 4003.
  • the transistor 4300 When data in the data holding portion connected to the node FG2 is acquired, the transistor 4300 is turned on to discharge “V D2 ⁇ Vth” of the node FG2.
  • the charge held in the node FG1 is distributed to the node FG2, and the data voltage of the data holding unit connected to the node FG1 is transferred to the data holding unit connected to the node FG2.
  • the wirings 4001 and 4003 are set to a low level.
  • the wiring 4006 is set to a high level.
  • the wiring 4005 and the wirings 4007 to 4009 are set to a low level.
  • the capacitance value of the capacitor 4600 is preferably larger than the capacitance value of the capacitor 4500.
  • the potential “V D1 ⁇ Vth” written to the node FG1 is preferably higher than the potential “V D2 ⁇ Vth” representing the same data. In this way, by changing the ratio of the capacitance values and increasing the potential to be written in advance, it is possible to suppress a decrease in potential after the charge is distributed. The fluctuation of the potential due to the charge distribution will be described later.
  • a data voltage read operation to the data holding unit connected to the node FG1 (hereinafter referred to as a read operation 2) will be described.
  • the wiring 4003 that has been electrically floated after precharging is discharged.
  • the wirings 4005 to 4008 are set to a low level.
  • the wiring 4009 is set to a high level at the time of precharging and then set to a low level.
  • the node FG2 in an electrically floating state is set to a potential “V D1 ⁇ Vth”.
  • the potential of the electrically floating wiring 4003 is decreased.
  • Vgs of the transistor 4100 decreases.
  • Vgs of the transistor 4100 becomes Vth of the transistor 4100
  • a current flowing through the transistor 4100 is reduced. That is, the potential of the wiring 4003 becomes “V D1 ” that is a value larger by Vth than the potential “V D1 ⁇ Vth” of the node FG2.
  • the potential of the wiring 4003 corresponds to the data voltage of the data holding portion connected to the node FG1.
  • the read data voltage of the analog value performs A / D conversion, and acquires data of the data holding unit connected to the node FG1. The above is the data voltage reading operation to the data holding portion connected to the node FG1.
  • a current flows through the transistor 4100 when the wiring 4003 after precharging is in a floating state and the potential of the wiring 4009 is switched from a high level to a low level.
  • the potential of the wiring 4003 in the floating state is decreased to “V D1 ”.
  • the current stops because Vgs between the node FG2 and “V D1 ⁇ Vth” becomes Vth. Then, “V D1 ” written in the writing operation 1 is read out to the wiring 4003.
  • the data voltage can be read from the plurality of data holding units by the data voltage reading operation from the nodes FG1 and FG2 described above. For example, a total of 8 bits (256 values) of data can be held by holding 4 bits (16 values) of data in the nodes FG1 and FG2, respectively.
  • the first layer 4021 to the third layer 4023 are used. However, by forming further layers, the storage capacity can be increased without increasing the area of the semiconductor device. .
  • the read potential can be read as a voltage higher than the written data voltage by Vth. Therefore, it is possible to adopt a configuration in which Vth of “V D1 ⁇ Vth” or “V D2 ⁇ Vth” written by the write operation is canceled and read. As a result, the storage capacity per memory cell can be improved and the read data can be brought close to the correct data, so that the data reliability can be improved.
  • FIG. 56A shows a circuit diagram of the inverter.
  • the inverter 800 outputs a signal obtained by inverting the logic of the input terminal IN from the output terminal OUT.
  • the inverter 800 includes a plurality of OS transistors.
  • the signal SBG is a signal that can switch the electrical characteristics of the OS transistor.
  • FIG. 56B shows an example of the inverter 800.
  • the inverter 800 includes an OS transistor 810 and an OS transistor 820. Since the inverter 800 can be manufactured using an n-channel transistor, the inverter 800 can be manufactured at a lower cost than a case where an inverter (CMOS inverter) is manufactured using a complementary metal oxide semiconductor (CMOS).
  • CMOS inverter complementary metal oxide semiconductor
  • the inverter 800 having an OS transistor can be arranged on a CMOS formed of Si transistors. Since the inverter 800 can be arranged so as to overlap with a CMOS circuit, an increase in circuit area corresponding to the addition of the inverter 800 can be suppressed.
  • the OS transistors 810 and 820 include a first gate that functions as a front gate, a second gate that functions as a back gate, a first terminal that functions as one of a source and a drain, and a second gate that functions as the other of a source and a drain. It has a terminal.
  • the first gate of the OS transistor 810 is connected to the second terminal.
  • a second gate of the OS transistor 810 is connected to a wiring for supplying the signal SBG .
  • a first terminal of the OS transistor 810 is connected to a wiring that supplies the voltage VDD.
  • the second terminal of the OS transistor 810 is connected to the output terminal OUT.
  • the first gate of the OS transistor 820 is connected to the input terminal IN.
  • a second gate of the OS transistor 820 is connected to the input terminal IN.
  • the first terminal of the OS transistor 820 is connected to the output terminal OUT.
  • a second terminal of the OS transistor 820 is connected to a wiring that supplies the voltage VSS.
  • FIG. 56C is a timing chart for explaining the operation of inverter 800.
  • it shows the signal waveform of the input terminal IN, the signal waveform of the output terminal OUT, and the change in the threshold voltage of the signal waveform of the signal S BG and OS transistor 810, (FET810).
  • the threshold voltage of the OS transistor 810 can be controlled.
  • Signal S BG has a voltage V BG_B for voltage V BG_A for causing negative shift of the threshold voltage, the threshold voltage is positive shift.
  • the threshold voltage of the OS transistor 810 can be negatively shifted to the threshold voltage V TH_A .
  • the threshold voltage of the OS transistor 810 can be positively shifted to the threshold voltage V TH_B .
  • FIG. 57A shows a Vg-Id curve, which is one of the electrical characteristics of the transistor.
  • the electrical characteristics of the OS transistor 810 described above can be shifted to a curve represented by a broken line 840 in FIG. 57A by increasing the voltage of the second gate as the voltage V BG_A .
  • the above-described electrical characteristics of the OS transistor 810 can be shifted to a curve represented by a solid line 841 in FIG. 57A by reducing the voltage of the second gate as the voltage V BG_B .
  • OS transistor 810 by switching the signal S BG voltage V BG_A or voltage V BG_B, it can be shifted in the positive or negative shift of the threshold voltage.
  • the OS transistor 810 By positively shifting the threshold voltage to the threshold voltage VTH_B , the OS transistor 810 can be in a state in which current does not easily flow.
  • FIG. 57B shows this state visualized. As shown in FIG. 57B, it is possible to extremely reduce the current I B that flows through the OS transistor 810. Therefore, when the signal applied to the input terminal IN is at a high level and the OS transistor 820 is in an on state (ON), the voltage at the output terminal OUT can be sharply decreased.
  • the OS transistor 810 can be in a state in which current does not easily flow, and thus, the signal waveform 831 of the output terminal in the timing chart illustrated in FIG. 56C can be abruptly changed. Since the through current flowing between the wiring for applying the voltage VDD and the wiring for supplying the voltage VSS can be reduced, an operation with low power consumption can be performed.
  • the OS transistor 810 can be in a state in which a current easily flows by shifting the threshold voltage to the threshold voltage V TH_A minus.
  • FIG. 57C shows this state visualized. As shown in FIG. 57C, it can be at least greater than the current I B of the current I A flowing at this time. Therefore, when the signal supplied to the input terminal IN is at a low level and the OS transistor 820 is in an off state (OFF), the voltage of the output terminal OUT can be rapidly increased.
  • the signal waveform 832 of the output terminal in the timing chart shown in FIG. 56C can be abruptly changed.
  • the control of the threshold voltage of the OS transistor 810 by the signal S BG previously the state of the OS transistor 820 is switched, i.e. it is preferably performed before time T1 and T2.
  • the configuration in which the signal SBG is switched in accordance with the signal applied to the input terminal IN is shown, but another configuration may be used.
  • the voltage for controlling the threshold voltage may be held in the second gate of the OS transistor 810 in a floating state.
  • An example of a circuit configuration capable of realizing the configuration is illustrated in FIG. 58A.
  • the 58A includes an OS transistor 850 in addition to the circuit configuration illustrated in FIG. 56B.
  • the first terminal of the OS transistor 850 is connected to the second gate of the OS transistor 810.
  • the second terminal of the OS transistor 850 is connected to a wiring for applying the voltage V BG_B (or voltage V BG_A ).
  • the first gate of the OS transistor 850 is connected to a wiring for providing signal S F.
  • a second gate of the OS transistor 850 is connected to a wiring that supplies the voltage V BG_B (or the voltage V BG_A ).
  • a voltage for controlling the threshold voltage of the OS transistor 810 is applied to the second gate of the OS transistor 810 before time T3 when the signal applied to the input 95 force terminal IN switches to the high level.
  • the OS transistor 850 is turned on the signal S F to the high level, providing a voltage V BG_B for controlling a threshold voltage in the node N BG.
  • FIGS. 56B and 58A a configuration in which a voltage is applied from the outside to the second gate of the OS transistor 810 is shown, but another configuration may be used.
  • a voltage for controlling the threshold voltage may be generated based on a signal supplied to the input terminal IN and supplied to the second gate of the OS transistor 810.
  • FIG. 59A illustrates an example of a circuit configuration that can realize this configuration.
  • CMOS inverter 860 is provided between the input terminal IN and the second gate of the OS transistor 810 in the circuit configuration shown in FIG. 56B.
  • the input terminal of the CMOS inverter 860 is connected to the input terminal IN.
  • the output terminal of the CMOS inverter 860 is connected to the second gate of the OS transistor 810.
  • the operation of the circuit shown in FIG. 59A will be described with reference to the timing chart of FIG. 59B.
  • the timing chart in FIG. 59B shows changes in the signal waveform of the input terminal IN, the signal waveform of the output terminal OUT, the output waveform IN_B of the CMOS inverter 860, and the threshold voltage of the OS transistor 810 (FET 810).
  • the output waveform IN_B which is a signal obtained by inverting the logic of the signal applied to the input terminal IN, can be a signal for controlling the threshold voltage of the OS transistor 810. Therefore, as described in FIGS. 56A to 56C, the threshold voltage of the OS transistor 810 can be controlled. For example, at time T4 in FIG. 59B, the signal applied to the input terminal IN is at a high level and the OS transistor 820 is turned on. At this time, the output waveform IN_B is at a low level. Therefore, the OS transistor 810 can be in a state in which current does not easily flow, and the voltage of the output terminal OUT can be sharply decreased.
  • the signal applied to the input terminal IN is at a low level, and the OS transistor 820 is turned off.
  • the output waveform IN_B is at a high level. Therefore, the OS transistor 810 can be in a state in which current easily flows, and the voltage of the output terminal OUT can be rapidly increased.
  • the voltage of the back gate in the inverter having the OS transistor is switched in accordance with the signal logic of the input terminal IN.
  • the threshold voltage of the OS transistor can be controlled.
  • the voltage of the output terminal OUT can be changed abruptly.
  • the through current between the wirings supplying the power supply voltage can be reduced. Therefore, low power consumption can be achieved.
  • FIG. 60A is a block diagram of the semiconductor device 900.
  • the semiconductor device 900 includes a power supply circuit 901, a circuit 902, a voltage generation circuit 903, a circuit 904, a voltage generation circuit 905, and a circuit 906.
  • the power supply circuit 901 is a circuit that generates a reference voltage V ORG .
  • the voltage V ORG may be a plurality of voltages instead of a single voltage.
  • the voltage V ORG can be generated based on the voltage V 0 given from the outside of the semiconductor device 900.
  • the semiconductor device 900 can generate the voltage V ORG based on a single power supply voltage given from the outside. Therefore, the semiconductor device 900 can operate without applying a plurality of power supply voltages from the outside.
  • the circuits 902, 904, and 906 are circuits that operate with different power supply voltages.
  • the power supply voltage of the circuit 902 is applied based on the voltage V ORG and the voltage V SS (V ORG > V SS ).
  • the power supply voltage of the circuit 904 is applied based on the voltage V POG and the voltage V SS (V POG > V ORG ).
  • the power supply voltage of the circuit 906 is applied based on the voltage V ORG and the voltage V NEG (V ORG > V SS > V NEG ). Note that if the voltage VSS is equal to the ground potential (GND), the types of voltages generated by the power supply circuit 901 can be reduced.
  • VGND ground potential
  • the voltage generation circuit 903 is a circuit that generates the voltage V POG .
  • the voltage generation circuit 903 can generate the voltage V POG based on the voltage V ORG supplied from the power supply circuit 901. Therefore, the semiconductor device 900 including the circuit 904 can operate based on a single power supply voltage supplied from the outside.
  • the voltage generation circuit 905 is a circuit that generates a voltage V NEG .
  • the voltage generation circuit 905 can generate the voltage V NEG based on the voltage V ORG supplied from the power supply circuit 901. Therefore, the semiconductor device 900 including the circuit 906 can operate based on a single power supply voltage given from the outside.
  • FIG. 60B shows an example of a circuit 904 that operates at the voltage V POG
  • FIG. 60C shows an example of a waveform of a signal for operating the circuit 904.
  • the transistor 911 is illustrated.
  • Signal applied to the gate of the transistor 911 is generated, for example, based on the voltage V POG and voltage V SS.
  • the signal voltage V POG during operation of the conductive state of transistor 911 is generated based on the voltage V SS during operation of a non-conductive state.
  • the voltage V POG is greater than the voltage V ORG as illustrated in FIG. 60C. Therefore, the transistor 911 can more reliably perform an operation of bringing the source (S) and the drain (D) into conduction. As a result, the circuit 904 can be a circuit in which malfunctions are reduced.
  • FIG. 60D is an example of a circuit 906 that operates with the voltage V ORG and the voltage V NEG
  • FIG. 60E is an example of a waveform of a signal for operating the circuit 906.
  • FIG. 60D illustrates a transistor 912 having a back gate.
  • Signal applied to the gate of the transistor 912 for example, generated based on the voltage V ORG and the voltage V SS.
  • the signal voltage V ORG during operation of the conductive state of transistor 912 is generated based on the voltage V SS during operation of a non-conductive state.
  • the voltage applied to the back gate of the transistor 912 is generated based on the voltage V NEG .
  • the voltage V NEG is less than the voltage V SS (GND) as illustrated in FIG. 60E. Therefore, the threshold voltage of the transistor 912 can be controlled to shift positively. Therefore, the transistor 912 can be more reliably turned off, and the current flowing between the source (S) and the drain (D) can be reduced.
  • the circuit 906 can be a circuit in which malfunctions are reduced and power consumption is reduced.
  • the voltage V NEG may be directly applied to the back gate of the transistor 912.
  • a signal to be supplied to the gate of the transistor 912 may be generated based on the voltage V ORG and the voltage V NEG and the signal may be supplied to the back gate of the transistor 912.
  • 61A and 61B show modified examples of FIGS. 60D and 60E.
  • a transistor 922 whose conduction state can be controlled by the control circuit 921 is illustrated between the voltage generation circuit 905 and the circuit 906.
  • the transistor 922 is an n-channel OS transistor.
  • Control signal S BG control circuit 921 is output a signal for controlling the conduction state of the transistor 922.
  • transistors 912A and 912B included in the circuit 906 are OS transistors which are the same as the transistor 922.
  • control signal S BG is transistor 922 in a conducting state at the high level, the node N BG becomes voltage V NEG. Thereafter, when the control signal SBG is at a low level, the node NBG becomes electrically floating. Since the transistor 922 is an OS transistor, the off-state current is small. Therefore, even if the node NBG is electrically floating, the voltage V NEG once applied can be held.
  • FIG. 62A shows an example of a circuit configuration applicable to the voltage generation circuit 903 described above.
  • a voltage generation circuit 903 illustrated in FIG. 62A is a five-stage charge pump including diodes D1 to D5, capacitors C1 to C5, and an inverter INV.
  • the clock signal CLK is supplied to the capacitors C1 to C5 directly or via the inverter INV.
  • a voltage V POG boosted to a positive voltage five times the voltage V ORG can be obtained by the clock signal CLK.
  • the forward voltage of the diodes D1 to D5 is 0V.
  • a desired voltage V POG can be obtained by changing the number of stages of the charge pump.
  • FIG. 62B shows an example of a circuit configuration applicable to the voltage generation circuit 905 described above.
  • a voltage generation circuit 905 illustrated in FIG. 62B is a four-stage charge pump including diodes D1 to D5, capacitors C1 to C5, and an inverter INV.
  • the clock signal CLK is supplied to the capacitors C1 to C5 directly or via the inverter INV.
  • the power supply voltage of the inverter INV is applied based on the voltage V ORG and the voltage V SS
  • V NEG can be obtained.
  • the forward voltage of the diodes D1 to D5 is 0V.
  • the desired voltage V NEG can be obtained by changing the number of stages of the charge pump.
  • circuit configuration of the voltage generation circuit 903 described above is not limited to the configuration of the circuit diagram illustrated in FIG. 62A. Modified examples of the voltage generation circuit 903 are shown in FIGS. 63A to 63C and FIGS. 64A and 64B.
  • a voltage generation circuit 903A illustrated in FIG. 63A includes transistors M1 to M10, capacitors C11 to C14, and an inverter INV1.
  • the clock signal CLK is supplied directly to the gates of the transistors M1 to M10 or via the inverter INV1.
  • a voltage V POG that is boosted to a positive voltage four times the voltage V ORG can be obtained by the clock signal CLK. Note that a desired voltage V POG can be obtained by changing the number of stages.
  • the voltage generation circuit 903A illustrated in FIG. 63A can reduce off-state current by using the transistors M1 to M10 as OS transistors, and can suppress leakage of charges held in the capacitors C11 to C14. Therefore, the voltage V ORG can be efficiently boosted from the voltage V POG . Further, since the OS transistor has a large on-current and a small subthreshold swing value, the operation speed can be improved.
  • a voltage generation circuit 903B illustrated in FIG. 63B includes transistors M11 to M14, capacitors C15 and C16, and an inverter INV2.
  • the clock signal CLK is supplied directly to the gates of the transistors M11 to M14 or via the inverter INV2. With the clock signal CLK, it is possible to obtain a voltage V POG that is boosted to a positive voltage that is twice the voltage V ORG .
  • the voltage generation circuit 903B illustrated in FIG. 63B can reduce off-state current by using the transistors M11 to M14 as OS transistors, and can suppress leakage of charges held in the capacitors C15 and C16. Therefore, the voltage V ORG can be efficiently boosted from the voltage V POG . Further, since the OS transistor has a large on-current and a small subthreshold swing value, the operation speed can be improved.
  • a voltage generation circuit 903C illustrated in FIG. 63C includes an inductor I11, a transistor M15, a diode D6, and a capacitor C17.
  • the conduction state of the transistor M15 is controlled by the control signal EN.
  • a voltage V POG obtained by boosting the voltage V ORG can be obtained by the control signal EN. Since the voltage generation circuit 903C illustrated in FIG. 63C boosts the voltage using the inductor I11, the voltage generation circuit 903C can boost the voltage with high conversion efficiency.
  • a voltage generation circuit 903D illustrated in FIG. 64A corresponds to a configuration in which the diodes D1 to D5 of the voltage generation circuit 903 illustrated in FIG. 62A are replaced with diode-connected transistors M16 to M20.
  • the voltage generation circuit 903D illustrated in FIG. 64A can reduce off-state current by using the transistors M16 to M20 as OS transistors, and can suppress leakage of charges held in the capacitors C1 to C5. Therefore, the voltage V ORG can be efficiently boosted from the voltage V POG . Further, since the OS transistor has a large on-current and a small subthreshold swing value, the operation speed can be improved.
  • a voltage generation circuit 903E illustrated in FIG. 64B corresponds to a configuration in which the transistors M16 to M20 of the voltage generation circuit 903D illustrated in FIG. 64A are replaced with transistors M21 to M25 having back gates. Since the voltage generation circuit 903E illustrated in FIG. 64B can supply the same voltage as the gate to the back gate, the amount of current flowing through the transistor can be increased. Therefore, the voltage V ORG can be efficiently boosted from the voltage V POG .
  • FIG. 65A The circuit diagram configuration in this case is shown in FIGS. 65A to 65C and FIGS. 66A and 66B.
  • Voltage generating circuit 905A shown in FIG. 65A is the clock signal CLK, and it is possible to obtain a voltage V NEG stepped down from the voltage V SS to 3 times the negative voltage of the voltage V ORG.
  • the voltage generating circuit 905B shown in FIG. 65B is the clock signal CLK, and it is possible to obtain a voltage V NEG stepped down from the voltage V SS to twice the negative voltage of the voltage V ORG.
  • the voltage generation circuit 903A to 903E shown in FIGS. 63A to 63C and FIGS. This corresponds to a configuration in which the arrangement is changed. Similar to the voltage generation circuits 903A to 903E, the voltage generation circuits 905A to 905E shown in FIGS. 65A to 65C and FIGS. 66A and 66B can efficiently reduce the voltage from the voltage V ORG to the voltage V NEG .
  • a voltage necessary for a circuit included in the semiconductor device can be generated internally. Therefore, the semiconductor device can reduce the type of power supply voltage applied from the outside.
  • a semiconductor device 400 illustrated in FIG. 67 includes a CPU core 401, a power management unit 421, and a peripheral circuit 422.
  • the power management unit 421 includes a power controller 402 and a power switch 403.
  • the peripheral circuit 422 includes a cache 404 having a cache memory, a bus interface (BUS I / F) 405, and a debug interface (Debug I / F) 406.
  • the CPU core 401 includes a data bus 423, a control device 407, a PC (program counter) 408, a pipeline register 409, a pipeline register 410, an ALU (Arithmic logic unit) 411, and a register file 412. Data exchange between the CPU core 401 and the peripheral circuit 422 such as the cache 404 is performed via the data bus 423.
  • the semiconductor device can be applied to many logic circuits including the power controller 402 and the control device 407.
  • the present invention can be applied to all logic circuits that can be configured using standard cells.
  • a small semiconductor device 400 can be provided.
  • the semiconductor device 400 capable of reducing power consumption can be provided.
  • the semiconductor device 400 capable of improving the operation speed can be provided.
  • a p-channel Si transistor and a transistor including the oxide semiconductor described in the above embodiment preferably an oxide containing In, Ga, and Zn
  • the semiconductor device 400 capable of reducing power consumption can be provided.
  • the semiconductor device 400 capable of improving the operation speed can be provided. In particular, manufacturing costs can be kept low by using only p-channel Si transistors.
  • the control device 407 controls the operations of the PC 408, the pipeline register 409, the pipeline register 410, the ALU 411, the register file 412, the cache 404, the bus interface 405, the debug interface 406, and the power controller 402, thereby providing an input.
  • a function of decoding and executing an instruction included in a program such as an executed application.
  • the ALU 411 has a function of performing various arithmetic processes such as four arithmetic operations and logical operations.
  • the cache 404 has a function of temporarily storing frequently used data.
  • the PC 408 is a register having a function of storing an address of an instruction to be executed next.
  • the cache 404 is provided with a cache controller that controls the operation of the cache memory.
  • Pipeline register 409 is a register having a function of temporarily storing instruction data.
  • the register file 412 has a plurality of registers including general-purpose registers, and can store data read from the main memory, data obtained as a result of arithmetic processing of the ALU 411, and the like.
  • the pipeline register 410 is a register having a function of temporarily storing data used for the arithmetic processing of the ALU 411 or data obtained as a result of the arithmetic processing of the ALU 411.
  • the bus interface 405 has a function as a data path between the semiconductor device 400 and various devices outside the semiconductor device 400.
  • the debug interface 406 has a function as a signal path for inputting an instruction for controlling debugging to the semiconductor device 400.
  • the power switch 403 has a function of controlling supply of power supply voltage to various circuits of the semiconductor device 400 other than the power controller 402.
  • the various circuits belong to several power domains, and the power switches 403 control whether the various circuits belonging to the same power domain are supplied with a power supply voltage.
  • the power controller 402 has a function of controlling the operation of the power switch 403.
  • the semiconductor device 400 having the above configuration can perform power gating.
  • the flow of power gating operation will be described with an example.
  • the CPU core 401 sets the timing at which the supply of the power supply voltage is stopped in the register of the power controller 402.
  • a command to start power gating is sent from the CPU core 401 to the power controller 402.
  • the various registers and the cache 404 included in the semiconductor device 400 start saving data.
  • supply of power supply voltage to various circuits other than the power controller 402 included in the semiconductor device 400 is stopped by the power switch 403.
  • a counter may be provided in the power controller 402 and the timing at which the supply of the power supply voltage is started may be determined using the counter without depending on the input of the interrupt signal.
  • the various registers and the cache 404 start data restoration.
  • the execution of the instruction in the control device 407 is resumed.
  • Such power gating can be performed in the entire processor or in one or a plurality of logic circuits constituting the processor. Further, power supply can be stopped even in a short time. For this reason, power gating can be performed with a fine granularity spatially or temporally.
  • the flip-flop circuit can save data in the circuit (referred to as a flip-flop circuit that can be backed up).
  • the SRAM cell can save data in the cell (referred to as a backupable SRAM cell).
  • a flip-flop circuit or SRAM cell that can be backed up preferably includes a transistor including an oxide semiconductor (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in a channel formation region. As a result, when the transistor has a low off-state current, the flip-flop circuit and the SRAM cell that can be backed up can hold information without supplying power for a long time. In addition, when a transistor has a high switching speed, a backupable flip-flop circuit or an SRAM cell may be able to save and restore data in a short time.
  • a semiconductor device 500 illustrated in FIG. 68 is an example of a flip-flop circuit that can be backed up.
  • the semiconductor device 500 includes a first memory circuit 501, a second memory circuit 502, a third memory circuit 503, and a reading circuit 504.
  • a potential difference between the potential V1 and the potential V2 is supplied to the semiconductor device 500 as a power supply voltage.
  • One of the potential V1 and the potential V2 is at a high level, and the other is at a low level.
  • a configuration example of the semiconductor device 500 will be described using a case where the potential V1 is at a low level and the potential V2 is at a high level as an example.
  • the first memory circuit 501 has a function of holding data when a signal D including data is input during a period in which the power supply voltage is supplied to the semiconductor device 500. Then, in a period in which the power supply voltage is supplied to the semiconductor device 500, the first memory circuit 501 outputs a signal Q including retained data. On the other hand, the first memory circuit 501 cannot hold data during a period in which the power supply voltage is not supplied to the semiconductor device 500. That is, the first memory circuit 501 can be called a volatile memory circuit.
  • the second memory circuit 502 has a function of reading and storing (or saving) data held in the first memory circuit 501.
  • the third memory circuit 503 has a function of reading and storing (or saving) data held in the second memory circuit 502.
  • the reading circuit 504 has a function of reading data stored in the second memory circuit 502 or the third memory circuit 503 and storing (or returning) the data in the first memory circuit 501.
  • the third memory circuit 503 has a function of reading and storing (or saving) data held in the second memory circuit 502 even during a period in which the power supply voltage is not supplied to the semiconductor device 500. .
  • the second memory circuit 502 includes a transistor 512 and a capacitor 519.
  • the third memory circuit 503 includes a transistor 513, a transistor 515, and a capacitor 520.
  • the reading circuit 504 includes a transistor 510, a transistor 518, a transistor 509, and a transistor 517.
  • the transistor 512 has a function of charging and discharging the capacitor 519 with charges corresponding to data held in the first memory circuit 501.
  • the transistor 512 is preferably capable of charging / discharging the capacitor 519 at high speed according to data stored in the first memory circuit 501.
  • the transistor 512 desirably includes crystalline silicon (preferably polycrystalline silicon, more preferably single crystal silicon) in a channel formation region.
  • the transistor 513 is selected to be in a conductive state or a non-conductive state in accordance with the charge held in the capacitor 519.
  • the transistor 515 has a function of charging and discharging the capacitor 520 with a charge corresponding to the potential of the wiring 544 when the transistor 513 is in a conductive state.
  • the transistor 515 preferably has extremely low off-state current.
  • the transistor 515 desirably includes an oxide semiconductor (preferably an oxide containing In, Ga, and Zn) in a channel formation region.
  • One of the source and the drain of the transistor 512 is connected to the first memory circuit 501.
  • the other of the source and the drain of the transistor 512 is connected to one electrode of the capacitor 519, the gate of the transistor 513, and the gate of the transistor 518.
  • the other electrode of the capacitor 519 is connected to the wiring 542.
  • One of a source and a drain of the transistor 513 is connected to the wiring 544.
  • the other of the source and the drain of the transistor 513 is connected to one of the source and the drain of the transistor 515.
  • the other of the source and the drain of the transistor 515 is connected to one electrode of the capacitor 520 and the gate of the transistor 510.
  • the other electrode of the capacitor 520 is connected to the wiring 543.
  • One of a source and a drain of the transistor 510 is connected to the wiring 541.
  • the other of the source and the drain of the transistor 510 is connected to one of the source and the drain of the transistor 518.
  • the other of the source and the drain of the transistor 518 is connected to one of the source and the drain of the transistor 509.
  • the other of the source and the drain of the transistor 509 is connected to one of the source and the drain of the transistor 517 and the first memory circuit 501.
  • the other of the source and the drain of the transistor 517 is connected to the wiring 540.
  • the gate of the transistor 509 is connected to the gate of the transistor 517; however, the gate of the transistor 509 is not necessarily connected to the gate of the transistor 517.
  • the transistor illustrated in the above embodiment can be used as the transistor 515. Since the off-state current of the transistor 515 is small, the semiconductor device 500 can hold information without supplying power for a long time. Since the switching characteristics of the transistor 515 are favorable, the semiconductor device 500 can perform high-speed backup and recovery.
  • Imaging device The imaging device according to one embodiment of the present invention is described below.
  • FIG. 69A is a plan view illustrating an example of an imaging device 2200 according to one embodiment of the present invention.
  • the imaging device 2200 includes a pixel portion 2210, a peripheral circuit 2260 for driving the pixel portion 2210, a peripheral circuit 2270, a peripheral circuit 2280, and a peripheral circuit 2290.
  • the pixel portion 2210 includes a plurality of pixels 2211 arranged in a matrix of p rows and q columns (p and q are integers of 2 or more).
  • the peripheral circuit 2260, the peripheral circuit 2270, the peripheral circuit 2280, and the peripheral circuit 2290 are each connected to the plurality of pixels 2211 and have a function of supplying a signal for driving the plurality of pixels 2211.
  • peripheral circuit 2260 the peripheral circuit 2270, the peripheral circuit 2280, the peripheral circuit 2290, and the like are all referred to as “peripheral circuits” or “drive circuits” in some cases.
  • peripheral circuit 2260 can be said to be part of the peripheral circuit.
  • the imaging device 2200 preferably includes a light source 2291.
  • the light source 2291 can emit the detection light P1.
  • the peripheral circuit includes at least one of a logic circuit, a switch, a buffer, an amplifier circuit, and a conversion circuit.
  • the peripheral circuit may be formed over a substrate over which the pixel portion 2210 is formed. Further, a semiconductor device such as an IC chip may be used for part or all of the peripheral circuit. Note that one or more of the peripheral circuit 2260, the peripheral circuit 2270, the peripheral circuit 2280, and the peripheral circuit 2290 may be omitted from the peripheral circuit.
  • the pixel 2211 may be disposed to be inclined.
  • the pixel interval (pitch) in the row direction and the column direction can be shortened. Thereby, the imaging quality in the imaging device 2200 can be further improved.
  • One pixel 2211 included in the imaging device 2200 is configured by a plurality of sub-pixels 2212, and a color image display is realized by combining each sub-pixel 2212 with a filter (color filter) that transmits light in a specific wavelength range. Information can be acquired.
  • FIG. 70A is a plan view showing an example of a pixel 2211 for acquiring a color image.
  • a pixel 2211 illustrated in FIG. 70A includes a sub-pixel 2212 (hereinafter also referred to as “sub-pixel 2212R”) provided with a color filter that transmits light in the red (R) wavelength region, and light in the green (G) wavelength region.
  • a sub-pixel 2212 (hereinafter also referred to as “sub-pixel 2212G”) provided with a color filter that transmits light and a sub-pixel 2212 (hereinafter referred to as “sub-pixel” provided with a color filter that transmits light in the blue (B) wavelength region.
  • Pixel 2212B The sub-pixel 2212 can function as a photosensor.
  • the sub-pixel 2212 (sub-pixel 2212R, sub-pixel 2212G, and sub-pixel 2212B) is electrically connected to the wiring 2231, the wiring 2247, the wiring 2248, the wiring 2249, and the wiring 2250. Further, the sub-pixel 2212R, the sub-pixel 2212G, and the sub-pixel 2212B are each connected to an independent wiring 2253. Further, in this specification and the like, for example, the wiring 2248 and the wiring 2249 connected to the pixel 2211 in the n-th row are referred to as a wiring 2248 [n] and a wiring 2249 [n], respectively. For example, the wiring 2253 connected to the pixel 2211 in the m-th column is referred to as a wiring 2253 [m].
  • the wiring 2253 connected to the subpixel 2212R included in the pixel 2211 in the m-th column is the wiring 2253 [m] R
  • the wiring 2253 connected to the subpixel 2212G is the wiring 2253 [m] G
  • the subpixel 2212B is described as a wiring 2253 [m] B.
  • the sub-pixel 2212 is electrically connected to the peripheral circuit through the wiring.
  • the imaging device 2200 has a configuration in which subpixels 2212 provided with color filters that transmit light in the same wavelength region of adjacent pixels 2211 are electrically connected via a switch.
  • FIG. 70B illustrates a subpixel 2212 included in a pixel 2211 arranged in n rows (n is an integer of 1 to p) and m columns (m is an integer of 1 to q), and n + 1 rows m adjacent to the pixel 2211.
  • a connection example of the sub-pixel 2212 included in the pixel 2211 arranged in the column is shown.
  • a subpixel 2212R arranged in n rows and m columns and a subpixel 2212R arranged in n + 1 rows and m columns are connected via a switch 2201.
  • a subpixel 2212G arranged in n rows and m columns and a subpixel 2212G arranged in n + 1 rows and m columns are connected via a switch 2202.
  • a subpixel 2212B arranged in n rows and m columns and a subpixel 2212B arranged in n + 1 rows and m columns are connected via a switch 2203.
  • the color filter used for the sub-pixel 2212 is not limited to red (R), green (G), and blue (B), and transmits cyan (C), yellow (Y), and magenta (M) light, respectively.
  • a color filter may be used.
  • a full-color image can be acquired by providing the sub-pixel 2212 that detects light of three different wavelength ranges in one pixel 2211.
  • a color filter that transmits yellow (Y) light is provided in addition to the sub-pixel 2212 provided with a color filter that transmits red (R), green (G), and blue (B) light.
  • a pixel 2211 including a sub-pixel 2212 may be used in addition to the sub-pixel 2212 provided with a color filter that transmits cyan (C), yellow (Y), and magenta (M) light.
  • a color filter that transmits blue (B) light is provided.
  • a pixel 2211 including a sub-pixel 2212 may be used.
  • the ratio may not be 1: 1: 1.
  • the number of subpixels 2212 provided in the pixel 2211 may be one, but two or more are preferable. For example, by providing two or more subpixels 2212 that detect light in the same wavelength region, redundancy can be increased and the reliability of the imaging device 2200 can be increased.
  • an imaging device 2200 that detects infrared light can be realized.
  • IR Infrared
  • ND Neutral Density filter
  • a lens may be provided in the pixel 2211.
  • the photoelectric conversion element can efficiently receive incident light.
  • FIG. 71A a structure in which light 2256 is incident on the photoelectric conversion element 2220 through a lens 2255, a filter 2254 (filter 2254R, filter 2254G, and filter 2254B) formed in the pixel 2211, a pixel circuit 2230, and the like. It can be.
  • part of the light 2256 indicated by the arrow may be shielded by part of the wiring 2257. Therefore, a structure in which a lens 2255 and a filter 2254 are arranged on the photoelectric conversion element 2220 side so that the photoelectric conversion element 2220 efficiently receives light 2256 as illustrated in FIG. 71B is preferable.
  • the imaging device 2200 with high detection sensitivity can be provided.
  • a photoelectric conversion element in which a pn-type junction or a pin-type junction is formed may be used.
  • the photoelectric conversion element 2220 may be formed using a substance having a function of generating charges by absorbing radiation.
  • the substance having a function of absorbing radiation and generating a charge include selenium, lead iodide, mercury iodide, gallium arsenide, cadmium telluride, and cadmium zinc alloy.
  • a photoelectric conversion element 2220 having a light absorption coefficient over a wide wavelength range such as X-rays and gamma rays in addition to visible light, ultraviolet light, and infrared light can be realized.
  • one pixel 2211 included in the imaging device 2200 may include a sub-pixel 2212 including a first filter in addition to the sub-pixel 2212 illustrated in FIGS. 70A and 70B.
  • FIG. 72 is a cross-sectional view of elements constituting the imaging apparatus.
  • 72 includes a transistor 2351 using silicon provided over a silicon substrate 2300, a transistor 2352 and a transistor 2353 using oxide semiconductors stacked over the transistor 2351, and a silicon substrate 2300.
  • Photo diode 2360 Each transistor and photodiode 2360 is electrically connected to various plugs 2370 and wirings 2371.
  • the anode 2361 of the photodiode 2360 is electrically connected to the plug 2370 through the low resistance region 2363.
  • the imaging device is provided in contact with the layer 2310 including the transistor 2351 and the photodiode 2360 provided over the silicon substrate 2300, the layer 2320 including the wiring 2371, the layer 2320 including the wiring 2371, and the transistor 2352.
  • the silicon substrate 2300 has a light receiving surface of the photodiode 2360 on the surface opposite to the surface on which the transistor 2351 is formed.
  • a light receiving surface of the photodiode 2360 can be the same as the surface over which the transistor 2351 is formed.
  • the layer 2310 may be a layer including a transistor including an oxide semiconductor.
  • the layer 2310 may be omitted, and the pixel may be formed using only a transistor including an oxide semiconductor.
  • the silicon substrate 2300 may be an SOI substrate.
  • germanium, silicon germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, or an organic semiconductor substrate can be used.
  • an insulator 2380 is provided between the layer 2310 including the transistor 2351 and the photodiode 2360 and the layer 2330 including the transistor 2352 and the transistor 2353.
  • the position of the insulator 2380 is not limited.
  • An insulator 2379 is provided below the insulator 2380, and an insulator 2381 is provided on the insulator 2380.
  • Conductors 2390a to 2390e are provided in openings provided in the insulators 2379 to 2380.
  • the conductor 2390a, the conductor 2390b, and the conductor 2390e function as a plug and a wiring.
  • the conductor 2390c functions as a back gate of the transistor 2353.
  • the conductor 2390d functions as a back gate of the transistor 2352.
  • Hydrogen in the insulator provided in the vicinity of the channel formation region of the transistor 2351 has an effect of terminating the dangling bond of silicon and improving the reliability of the transistor 2351.
  • hydrogen in the insulator provided in the vicinity of the transistor 2352, the transistor 2353, and the like is one of the factors that generate carriers in the oxide semiconductor. Therefore, the reliability of the transistor 2352, the transistor 2353, and the like may be reduced. Therefore, in the case where a transistor including an oxide semiconductor is stacked over a transistor including a silicon-based semiconductor, an insulator 2380 having a function of blocking hydrogen is preferably provided therebetween. By confining hydrogen below the insulator 2380, the reliability of the transistor 2351 can be improved.
  • hydrogen can be prevented from diffusing from the lower layer than the insulator 2380 to the upper layer from the insulator 2380, reliability of the transistor 2352, the transistor 2353, and the like can be improved. Further, since the conductor 2390a, the conductor 2390b, and the conductor 2390e are formed, hydrogen can be prevented from diffusing into an upper layer through the via hole formed in the insulator 2380, so that the reliability of the transistor 2352, the transistor 2353, and the like can be reduced. Can be improved.
  • the photodiode 2360 provided in the layer 2310 and the transistor provided in the layer 2330 can be formed so as to overlap with each other. Then, the integration degree of pixels can be increased. That is, the resolution of the imaging device can be increased.
  • a part or all of the imaging device may be curved.
  • curving the imaging device field curvature and astigmatism can be reduced. Therefore, optical design of a lens or the like used in combination with the imaging device can be facilitated. For example, since the number of lenses for aberration correction can be reduced, it is possible to reduce the size and weight of an electronic device using an imaging device. In addition, the quality of the captured image can be improved.
  • FIG. 73A shows a top view of the substrate 711 before the dicing process is performed.
  • a semiconductor substrate also referred to as a “semiconductor wafer”
  • a plurality of circuit regions 712 are provided on the substrate 711.
  • a semiconductor device a CPU, an RF tag, an image sensor, or the like can be provided.
  • the plurality of circuit regions 712 are each surrounded by a separation region 713.
  • a separation line (also referred to as “dicing line”) 714 is set at a position overlapping with the separation region 713. By cutting the substrate 711 along the separation line 714, the chip 715 including the circuit region 712 can be cut out from the substrate 711.
  • FIG. 73B shows an enlarged view of the chip 715.
  • a conductive layer or a semiconductor layer may be provided in the separation region 713.
  • ESD that may occur in the dicing process can be reduced, and a yield reduction in the dicing process can be prevented.
  • the dicing process is performed while flowing pure water having a reduced specific resistance by dissolving carbon dioxide gas or the like for the purpose of cooling the substrate, removing shavings, preventing charging, and the like.
  • the amount of pure water used can be reduced.
  • the productivity of the semiconductor device can be increased.
  • a material having a band gap of 2.5 eV to 4.2 eV, preferably 2.7 eV to 3.5 eV is preferably used.
  • accumulated charges can be discharged slowly, so that rapid movement of charges due to ESD can be suppressed, and electrostatic breakdown can be hardly caused.
  • FIGS. 74A and 74B An example in which the chip 715 is applied to an electronic component will be described with reference to FIGS. 74A and 74B.
  • the electronic component is also referred to as a semiconductor package or an IC package.
  • the electronic component is completed by combining the semiconductor device described in the above embodiment and a component other than the semiconductor device in an assembly process (post-process).
  • a “back surface grinding process” is performed in which the back surface of the element substrate (the surface on which the semiconductor device or the like is not formed) is ground (step S721). ).
  • a “dicing process” for separating the element substrate into a plurality of chips (chips 715) is performed (step S722).
  • a “die bonding step” is performed in which the separated chips are individually picked up and bonded onto the lead frame (step S723).
  • a suitable method is appropriately selected according to the product, such as bonding with a resin or bonding with a tape.
  • a chip may be bonded on the interposer substrate instead of the lead frame.
  • a “wire bonding process” is performed in which the lead of the lead frame and the electrode on the chip are electrically connected by a thin metal wire (step S724).
  • a silver wire or a gold wire can be used as the metal thin wire.
  • ball bonding or wedge bonding can be used.
  • the chip subjected to wire bonding is subjected to a “sealing process (molding process)” that is sealed with an epoxy resin or the like (step S725).
  • a sealing process molding process
  • the inside of the electronic component is filled with resin, and the circuit part built in the chip and the wire connecting the chip and the lead can be protected from mechanical external force, and characteristics due to moisture and dust Degradation (decrease in reliability) can be reduced.
  • a “lead plating process” for plating the leads of the lead frame is performed (step S726).
  • the plating process prevents rusting of the lead, and soldering when mounted on a printed circuit board later can be performed more reliably.
  • a “molding process” for cutting and molding the lead is performed (step S727).
  • a “marking process” is performed in which a printing process (marking) is performed on the surface of the package (step S728).
  • An electronic component is completed through an “inspection process” (step S729) for checking the appearance shape and the presence or absence of malfunction.
  • FIG. 74B shows a schematic perspective view of the completed electronic component.
  • 74B shows a schematic perspective view of a QFP (Quad Flat Package) as an example of an electronic component.
  • 74B shows a lead 755 and a semiconductor device 753.
  • the semiconductor device 753 the semiconductor device described in any of the above embodiments can be used.
  • 74B is mounted on a printed circuit board 752, for example.
  • a plurality of such electronic components 750 are combined and each is electrically connected on the printed circuit board 752 to complete a substrate (mounting substrate 754) on which the electronic components are mounted.
  • the completed mounting board 754 is used for an electronic device or the like.
  • a semiconductor device includes a display device, a personal computer, and an image reproducing device including a recording medium (typically a display that can reproduce a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc and display the image) Device).
  • a recording medium typically a display that can reproduce a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc and display the image
  • a mobile phone in which the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable data terminal, an electronic book terminal, a video camera, a camera such as a digital still camera, and goggles Type displays (head-mounted displays), navigation systems, sound playback devices (car audio, digital audio players, etc.), copiers, facsimiles, printers, multifunction printers, automated teller machines (ATMs), vending machines, etc. It is done. Specific examples of these electronic devices are illustrated in FIGS. 75A to 75F.
  • FIG. 75A shows a portable game machine, which includes a housing 1901, a housing 1902, a display portion 1903, a display portion 1904, a microphone 1905, a speaker 1906, operation keys 1907, a stylus 1908, and the like. Note that the portable game machine illustrated in FIG. 75A includes two display portions 1903 and 1904, but the number of display portions included in the portable game device is not limited thereto.
  • FIG. 75B shows a portable data terminal, which includes a first housing 1911, a second housing 1912, a first display portion 1913, a second display portion 1914, a connection portion 1915, operation keys 1916, and the like.
  • the first display portion 1913 is provided in the first housing 1911
  • the second display portion 1914 is provided in the second housing 1912.
  • the first casing 1911 and the second casing 1912 are connected by a connection portion 1915, and the angle between the first casing 1911 and the second casing 1912 can be changed by the connecting portion 1915. is there. It is good also as a structure which switches the image
  • a display device in which a function as a position input device is added to at least one of the first display portion 1913 and the second display portion 1914 may be used.
  • the function as a position input device can be added by providing a touch panel on the display device.
  • the function as a position input device can be added by providing a photoelectric conversion element called a photosensor in a pixel portion of a display device.
  • FIG. 75C shows a notebook personal computer, which includes a housing 1921, a display portion 1922, a keyboard 1923, a pointing device 1924, and the like.
  • FIG. 75D shows an electric refrigerator-freezer, which includes a housing 1931, a refrigerator door 1932, a freezer door 1933, and the like.
  • FIG. 75E shows a video camera, which includes a first housing 1941, a second housing 1942, a display portion 1943, operation keys 1944, a lens 1945, a connection portion 1946, and the like.
  • the operation key 1944 and the lens 1945 are provided in the first housing 1941
  • the display portion 1943 is provided in the second housing 1942.
  • the first housing 1941 and the second housing 1942 are connected to each other by a connection portion 1946.
  • the angle between the first housing 1941 and the second housing 1942 can be changed by the connection portion 1946. is there.
  • the video on the display portion 1943 may be switched according to the angle between the first housing 1941 and the second housing 1942 in the connection portion 1946.
  • FIG. 75F shows an automobile, which has a vehicle body 1951, wheels 1952, a dashboard 1953, lights 1954, and the like.
  • a channel formation region, a source / drain region, and the like of a transistor include an oxide semiconductor
  • a channel formation region of the transistor, a source / drain region of the transistor, or the like may include various semiconductors.
  • a channel formation region of the transistor, a source / drain region of the transistor, and the like can be formed using, for example, silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, or gallium. At least one of arsenic, aluminum gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, or an organic semiconductor may be included. Alternatively, for example, depending on circumstances or circumstances, a variety of transistors, channel formation regions of the transistors, source and drain regions of the transistors, and the like of the transistor may not include an oxide semiconductor. Good.

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Abstract

結晶部を含む金属酸化物膜を有する半導体装置を提供する。 または、 金属酸化物膜を含む、 電界効果 移動度の高い半導体装置を提供する。 または、 金属酸化物膜を含む、 信頼性の高い半導体装置を提供 する。 第１の絶縁体と、 第１の絶縁体の上に形成された第１の導電体と、 第１の導電体の上に形成された第 ２の絶縁体と、第２の絶縁体の上に形成された酸化物と、酸化物の上に形成された第３の絶縁体と、 第３の絶縁体の上に形成された第２の導電体と、第３の絶縁体および第２の導電体の上に形成された 第４の絶縁体と、 第４の絶縁体の上に形成された第５の絶縁体と、 を有し、 酸化物は、 Ｉｎと、 Ｍ （Ｍ はＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎとを含み、酸化物は、第１の結晶部と、第２の結晶部と、 を有し、第１の結晶部は、ｃ軸配向性を有し、第２の結晶部は、ｃ軸配向性を有さない半導体装置。

Description

金属酸化物膜、半導体装置、及び半導体装置の作製方法
　本発明の一態様は、金属酸化物膜及びその作製方法に関する。また、本発明の一態様は、当該金属酸化物膜を有する半導体装置及びその作製方法に関する。
　または、本発明は、例えば、酸化物、トランジスタおよび半導体装置、ならびにそれらの作製方法に関する。または、本発明は、例えば、酸化物、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、プロセッサ、電子機器に関する。または、酸化物、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の作製方法に関する。または、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。
　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の技術分野は、物、方法、または、作製方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
　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うる装置全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、撮像装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
　トランジスタに適用可能な半導体材料として、酸化物半導体が注目されている。例えば、特許文献１では、複数の酸化物半導体層を積層し、当該複数の酸化物半導体層の中で、チャネルとなる酸化物半導体層がインジウム及びガリウムを含み、且つインジウムの割合をガリウムの割合よりも大きくすることで、電界効果移動度（単に移動度、またはμＦＥという場合がある）を高めた半導体装置が開示されている。
　また、非特許文献１では、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する酸化物半導体は、Ｉｎ１−ｘＧａ１＋ｘＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｘは−１≦ｘ≦１を満たす数、ｍは自然数）で表されるホモロガス相を有することについて開示されている。また、非特許文献１では、ホモロガス相の固溶域（ｓｏｌｉｄｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｒａｎｇｅ）について開示されている。例えば、ｍ＝１の場合のホモロガス相の固溶域は、ｘが−０．３３から０．０８の範囲であり、ｍ＝２の場合のホモロガス相の固溶域は、ｘが−０．６８から０．３２の範囲である。
特開２０１４−７３９９号公報
Ｍ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｎ．Ｋｉｍｉｚｕｋａ，ａｎｄ　Ｔ．Ｍｏｈｒｉ、「Ｔｈｅ　Ｐｈａｓｅ　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｉｎ▲２▼Ｏ▲３▼−Ｇａ▲２▼ＺｎＯ▲４▼−ＺｎＯ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｔ　１３５０℃」、Ｊ．Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｃｈｅｍ．、１９９１、Ｖｏｌ．９３，ｐｐ．２９８−３１５
　本発明の一態様は、結晶部を含む金属酸化物膜を有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、金属酸化物膜を含む、電界効果移動度の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、金属酸化物膜を含む、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。
　または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を提供することを課題の一とする。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置、または酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。
　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。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。これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から抽出することが可能である。
　本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体の上に形成された第１の導電体と、第１の導電体の上に形成された第２の絶縁体と、第２の絶縁体の上に形成された酸化物と、酸化物の上に形成された第３の絶縁体と、第３の絶縁体の上に形成された第２の導電体と、第３の絶縁体および第２の導電体の上に形成された第４の絶縁体と、第４の絶縁体の上に形成された第５の絶縁体と、を有し、酸化物は、Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎとを含み、Ｉｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数比は、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３及びその近傍であり、Ｉｎが４の場合、Ｍが１．５以上２．５以下であり、且つＺｎが２以上４以下であり、酸化物は、第１の結晶部と、第２の結晶部と、を有し、第１の結晶部は、ｃ軸配向性を有し、第２の結晶部は、ｃ軸配向性を有さない、第２の絶縁体、第３の絶縁体及び第４の絶縁体は、酸素と、シリコンを含み、第１の絶縁体及び第５の絶縁体は、酸素と、アルミニウムを含むことを特徴とする半導体装置である。
　上記において、酸化物は、断面に対する電子線回折測定を行い、酸化物の電子線回折パターンを観測した場合、電子線回折パターンは、第１の結晶部に起因する回折スポットを有する第１の領域と、第２の結晶部に起因する回折スポットを有する第２の領域と、を有し、第１の領域における輝度の積分強度は、第２の領域における輝度の積分強度よりも大きいことが好ましい。
　上記において、第１の領域における輝度の積分強度は、第２の領域における輝度の積分強度に対して、１倍を超えて３倍以下であることが好ましい。
　上記において、酸化物は、浅い欠陥準位密度のピーク値が、２．５×１０１２ｃｍ−２ｅＶ−１未満である領域を有することが好ましい。
　上記において、酸化物と第３の絶縁体の間に、第２の酸化物を有し、第２の酸化物は、Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎとを含み、酸化物は、第１の結晶部と、第２の結晶部と、を有し、第１の結晶部は、ｃ軸配向性を有し、第２の結晶部は、ｃ軸配向性を有さない、断面に対する電子線回折測定を行い、酸化物の電子線回折パターンを観測した場合、電子線回折パターンは、第１の結晶部に起因する回折スポットを有する第１の領域と、第２の結晶部に起因する回折スポットを有する第２の領域と、を有し、第１の領域における輝度の積分強度は、第２の領域における輝度の積分強度に対して、１倍を超えて１０倍以下であることが好ましい。
　本発明の他の一態様は、第１の絶縁体の上に、酸素とアルミニウムを含む第１の導電体を形成し、第１の導電体の上に、酸素とシリコンを含む第２の絶縁体を形成し、第２の絶縁体の上に、酸素の流量比を２０％以下とし、基板温度を室温以上１５０℃以下として、スパッタリング法を用いて酸化物を形成し、４５０℃以下の温度で熱処理を行い、酸化物の上に、酸素とシリコンを含む第３の絶縁体を形成し、第３の絶縁体の上に、第２の導電体を形成し、第３の絶縁体および第２の導電体の上に、酸素とシリコンを含む第４の絶縁体を形成し、第４の絶縁体の上に、４５０℃以下の温度で基板加熱を行いながらスパッタリング法を用いて酸素とアルミニウムを含む第５の絶縁体を形成する、ことを特徴とする半導体装置の作製方法である。
　本発明の一態様によれば、結晶部を含む金属酸化物膜を有する半導体装置を提供することができる。または、金属酸化物膜を含む、電界効果移動度の高い半導体装置を提供することができる。または、金属酸化物膜を含む、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
　または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を提供することができる。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、酸化物を半導体に用いた半導体装置、または酸化物を半導体に用いた半導体装置を有するモジュールを有する電子機器を提供することができる。
［図１Ａ乃至１Ｃ］金属酸化物膜の断面ＴＥＭ像、及び断面ＨＲ−ＴＥＭ像を説明する図。
［図２Ａ乃至２Ｃ］金属酸化物膜の断面ＴＥＭ像、及び断面ＨＲ−ＴＥＭ像を説明する図。
［図３Ａ乃至３Ｃ］金属酸化物膜の断面ＴＥＭ像、及び断面ＨＲ−ＴＥＭ像を説明する図。
［図４Ａ乃至４Ｃ］金属酸化物膜のＸＲＤ測定結果、及び電子線回折パターンを説明する図。
［図５Ａ乃至５Ｃ］金属酸化物膜のＸＲＤ測定結果、及び電子線回折パターンを説明する図。
［図６Ａ乃至６Ｃ］金属酸化物膜のＸＲＤ測定結果、及び電子線回折パターンを説明する図。
［図７Ａ及び７Ｂ］電子線回折パターンを説明する図。
［図８］電子線回折パターンのラインプロファイルを説明する図。
［図９］電子線回折パターンのラインプロファイル、ラインプロファイルの相対輝度Ｒ、及びスペクトルの半値幅を説明する概念図。
［図１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ｂ１、及び１０Ｂ２］電子線回折パターン、及び輝度プロファイルを説明する図。
［図１１Ａ１及び１１Ａ２］電子線回折パターン、及び輝度プロファイルを説明する図。
［図１２］金属酸化物膜の電子線回折パターンから見積もった相対輝度を説明する図。
［図１３Ａ及び１３Ｂ］金属酸化物膜の断面ＴＥＭ像及び画像解析後の断面ＴＥＭ像を説明する図。
［図１４Ａ及び１４Ｂ］金属酸化物膜の断面ＴＥＭ像及び画像解析後の断面ＴＥＭ像を説明する図。
［図１５Ａ及び１５Ｂ］金属酸化物膜の断面ＴＥＭ像及び画像解析後の断面ＴＥＭ像を説明する図。
［図１６Ａ乃至１６Ｃ］金属酸化物膜のＳＩＭＳ測定結果を説明する図。
［図１７］Ｉｄ−Ｖｇ特性を説明する図。
［図１８］Ｉｄ−Ｖｇ特性を説明する図。
［図１９］界面準位密度の計算結果を説明する図。
［図２０Ａ及び２０Ｂ］Ｉｄ−Ｖｇ特性を説明する図。
［図２１］欠陥準位密度の計算結果を説明する図。
［図２２］ＣＰＭの測定結果を説明する図。
［図２３］ＣＰＭの測定結果を説明する図。
［図２４］ＣＰＭの測定結果を説明する図。
［図２５Ａ乃至２５Ｄ］酸化物半導体膜の成膜メカニズムを説明する図。
［図２６Ａ乃至２６Ｃ］酸化物半導体膜の原子数比の範囲を説明する図。
［図２７］ＩｎＭＺｎＯ４の結晶を説明する図。
［図２８］酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図。
［図２９Ａ及び２９Ｂ］ナノクラスターの構造を説明する図。
［図３０Ａ乃至３０Ｃ］実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。
［図３１Ａ乃至３１Ｃ］バンド構造を説明する図。
［図３２Ａ乃至３２Ｃ］実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。
［図３３Ａ乃至３３Ｃ］実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。
［図３４Ａ乃至３４Ｃ］実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。
［図３５Ａ乃至３５Ｃ］実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。
［図３６Ａ乃至３６Ｃ］実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。
［図３７Ａ乃至３７Ｃ］実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。
［図３８Ａ乃至３８Ｃ］実施の形態に係る、トランジスタの上面図および断面構造を説明する図。
［図３９Ａ乃至３９Ｅ］実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。
［図４０Ａ乃至４０Ｄ］実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。
［図４１Ａ乃至４１Ｄ］実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。
［図４２Ａ及び４２Ｂ］実施の形態に係る、トランジスタの作製方法例を説明する図。
［図４３Ａ及び４３Ｂ］実施の形態に係る、半導体装置の回路図。
［図４４］実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。
［図４５］実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。
［図４６］実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。
［図４７］実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。
［図４８Ａ及び４８Ｂ］実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。
［図４９Ａ及び４９Ｂ］実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。
［図５０Ａ及び５０Ｂ］実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。
［図５１］実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。
［図５２Ａ及び５２Ｂ］実施の形態に係る、半導体装置の回路図及び断面構造を説明する図。
［図５３］実施の形態に係る、半導体装置の断面構造を説明する図。
［図５４］本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。
［図５５］本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。
［図５６Ａ乃至５６Ｃ］本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。
［図５７Ａ乃至５７Ｃ］本発明の一態様を説明するためのグラフおよび回路図。
［図５８Ａ及び５８Ｂ］本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。
［図５９Ａ及び５９Ｂ］本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。
［図６０Ａ乃至６０Ｅ］本発明の一態様を説明するためのブロック図、回路図および波形図。
［図６１Ａ及び６１Ｂ］本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。
［図６２Ａ及び６２Ｂ］本発明の一態様を説明するための回路図。
［図６３Ａ乃至６３Ｃ］本発明の一態様を説明するための回路図。
［図６４Ａ及び６４Ｂ］本発明の一態様を説明するための回路図。
［図６５Ａ乃至６５Ｃ］本発明の一態様を説明するための回路図。
［図６６Ａ及び６６Ｂ］本発明の一態様を説明するための回路図。
［図６７］本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。
［図６８］本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。
［図６９Ａ及び６９Ｂ］本発明の一態様に係る半導体装置を示す上面図。
［図７０Ａ及び７０Ｂ］本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。
［図７１Ａ及び７１Ｂ］本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
［図７２］本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
［図７３Ａ及び７３Ｂ］本発明の一態様に係る半導体装置を示す上面図。
［図７４Ａ及び７４Ｂ］本発明の一態様を説明するためのフローチャート、および半導体装置を示す斜視図。
［図７５Ａ乃至７５Ｆ］本発明の一態様に係る電子機器を示す斜視図。
［図７６］試料のＸＲＤスペクトルの測定結果を説明する図。
［図７７Ａ乃至７７Ｌ］試料のＴＥＭ像、および電子線回折パターンを説明する図。
［図７８Ａ乃至７８Ｃ］試料のＥＤＸマッピングを説明する図。
　以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及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。従って、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、又は領域は、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、図面に示す形状又は値などに限定されない。
　また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
　また、本明細書において、「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。従って、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。
　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）の間にチャネル領域を有しており、ドレインとチャネル領域とソースとを介して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ものとする。
　また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
　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、「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、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
　また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態（非導通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、ｎチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高い状態をいう。例えば、ｎチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低いときのドレイン電流を言う場合がある。
　トランジスタのオフ電流は、Ｖｇｓに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、トランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のＶｇｓにおけるオフ状態、所定の範囲内のＶｇｓにおけるオフ状態、または、十分に低減されたオフ電流が得られるＶｇｓにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。
　一例として、しきい値電圧Ｖｔｈが０．５Ｖであり、Ｖｇｓが０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−９Ａであり、Ｖｇｓが０．１Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−１３Ａであり、Ｖｇｓが−０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−１９Ａであり、Ｖｇｓが−０．８Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−２２Ａであるようなｎチャネル型トランジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Ｖｇｓが−０．５Ｖにおいて、または、Ｖｇｓが−０．５Ｖ乃至−０．８Ｖの範囲において、１×１０−１９Ａ以下であるから、当該トランジスタのオフ電流は１×１０−１９Ａ以下である、と言う場合がある。当該トランジスタのドレイン電流が１×１０−２２Ａ以下となるＶｇｓが存在するため、当該トランジスタのオフ電流は１×１０−２２Ａ以下である、と言う場合がある。
　また、本明細書等では、チャネル幅Ｗを有するトランジスタのオフ電流を、チャネル幅Ｗあたりを流れる電流値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅（例えば１μｍ）あたりを流れる電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流／長さの次元を持つ単位（例えば、Ａ／μｍ）で表される場合がある。
　トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、室温、６０℃、８５℃、９５℃、または１２５℃におけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃の範囲の温度）におけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、室温、６０℃、８５℃、９５℃、１２５℃、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃の範囲の温度）、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを指す場合がある。
　トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Ｖｄｓに依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ、２．５Ｖ，３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、または２０Ｖにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄｓにおけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ，２．５Ｖ、３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、２０Ｖ、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄｓ、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを指す場合がある。
　上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流を言う場合もある。
　また、本明細書等では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。
　また、本明細書等において、トランジスタのしきい値電圧とは、トランジスタにチャネルが形成されたときのゲート電圧（Ｖｇ）を指す。具体的には、トランジスタのしきい値電圧とは、ゲート電圧（Ｖｇ）を横軸に、ドレイン電流（Ｉｄ）の平方根を縦軸にプロットした曲線（Ｖｇ−√Ｉｄ特性）において、最大傾きである接線を外挿したときの直線と、ドレイン電流（Ｉｄ）の平方根が０（Ｉｄが０Ａ）との交点におけるゲート電圧（Ｖｇ）を指す場合がある。あるいは、トランジスタのしきい値電圧とは、チャネル長をＬ、チャネル幅をＷとし、Ｉｄ［Ａ］×Ｌ［μｍ］／Ｗ［μｍ］の値が１×１０−９［Ａ］となるゲート電圧（Ｖｇ）を指す場合がある。
　また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。一般的に、電位（電圧）は、相対的なものであり、基準の電位からの相対的な大きさによって決定される。したがって、「接地電位」などと記載されている場合であっても、電位が０Ｖであるとは限らない。例えば、回路で最も低い電位が、「接地電位」となる場合もある。または、回路で中間くらいの電位が、「接地電位」となる場合もある。その場合には、その電位を基準として、正の電位と負の電位が規定される。
　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、またはチャネルが形成される領域における、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。即ち、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、チャネルの形成される領域における、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、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、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。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。即ち、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、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
　なお、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呼ぶ。）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呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される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、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
　ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、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。
　そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが互いに重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅また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、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像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、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
　また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に低い場合は、「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」とは境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書等に記載の「半導体」は、「絶縁体」に言い換えることが可能な場合がある。同様に、本明細書等に記載の「絶縁体」は、「半導体」に言い換えることが可能な場合がある。または、本明細書等に記載の「絶縁体」を「半絶縁体」に言い換えることが可能な場合がある。
　また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に高い場合は、「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」とは境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書等に記載の「半導体」は、「導電体」に言い換えることが可能な場合がある。同様に、本明細書等に記載の「導電体」は、「半導体」に言い換えることが可能な場合がある。
　また、本明細書等において、半導体の不純物とは、半導体膜を構成する主成分以外の元素をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、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を有する場合、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、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンを有する場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
　なお、本明細書等において、単に酸化物と記載する場合、金属酸化物、酸化物半導体、酸化物絶縁体または酸化物導電体と読み替えることができる。
（実施の形態１）
＜１−１．金属酸化物膜の構成＞
　本発明の一態様は、２種類の結晶部を含む金属酸化物膜である。結晶部の一（第１の結晶部ともいう）は、膜の厚さ方向（膜面方向、膜の被形成面、または膜の表面に垂直な方向ともいう）に配向性を有する、すなわちｃ軸配向性を有する結晶部である。結晶部の他の一（第２の結晶部ともいう）は、ｃ軸配向性を有さずに様々な向きに配向する結晶部である。本発明の一態様の金属酸化物膜は、このような２種類の結晶部が混在している。
　なお、以下では説明を容易にするために、ｃ軸配向性を有する結晶部を第１の結晶部、ｃ軸配向性を有さない結晶部を第２の結晶部と分けて説明しているが、これらは結晶性や結晶の大きさなどに違いがなく区別できない場合がある。すなわち、本発明の一態様の金属酸化物膜はこれらを区別せずに表現することもできる。
　例えば、本発明の一態様の金属酸化物膜は、複数の結晶部を有し、膜中に存在する結晶部のうち、少なくとも一の結晶部がｃ軸配向性を有していればよい。また、膜中に存在する結晶部のうち、ｃ軸配向性を有さない結晶部の存在割合が、ｃ軸配向性を有する結晶部の存在割合よりも多くてもよい。一例としては、本発明の一態様の金属酸化物膜は、その膜厚方向の断面における透過型電子顕微鏡による観察像において、複数の結晶部が観察され、当該複数の結晶部のうちｃ軸配向性を有さない第２の結晶部が、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部よりも多く観察される場合がある。別言すると、本発明の一態様の金属酸化物膜は、ｃ軸配向性を有さない第２の結晶部の存在割合が多い。
　金属酸化物膜中にｃ軸配向性を有さない第２の結晶部の存在割合を多くすることで、以下の優れた効果を奏する。
　金属酸化物膜の近傍に十分な酸素供給源がある場合において、ｃ軸配向性を有さない第２の結晶部は、酸素の拡散経路になりうる。よって、金属酸化物膜の近傍に十分な酸素供給源がある場合に、ｃ軸配向性を有さない第２の結晶部を介して、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部に酸素を供給することができる。よって、金属酸化物膜中の酸素欠損量を低減することができる。このような金属酸化物膜をトランジスタの半導体膜に適用することで、高い信頼性及び高い電界効果移動度を得ることが可能となる。このように、ｃ軸配向性を有さない第２の結晶部は、酸素の拡散経路となり、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部に酸素を供給することができるので、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部と、ｃ軸配向性を有さない第２の結晶部を含む金属酸化物膜を、酸素欠乏型の金属酸化物膜、または酸素欠乏型の酸化物半導体膜と呼ぶ場合がある。
　また、第１の結晶部は、特定の結晶面が膜の厚さ方向に対して配向性を有する。そのため、第１の結晶部を含む金属酸化物膜について、膜の上面に概略垂直な方向に対するＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定を行うと、所定の回折角（２θ）に当該第１の結晶部に由来する回折ピークが確認される。一方で金属酸化物膜が第１の結晶部を有していても、支持基板によるＸ線の散乱、またはバックグラウンドの上昇により、回折ピークが十分に確認されないこともある。なお、回折ピークの高さ（強度）は、金属酸化物膜中に含まれる第１の結晶部の存在割合に応じて大きくなり、金属酸化物膜の結晶性を推し量る指標にもなりえる。
　また、金属酸化物膜の結晶性の評価方法の一つとして、電子線回折が挙げられる。例えば、断面に対する電子線回折測定を行い、本発明の一態様の金属酸化物膜の電子線回折パターンを観測した場合、第１の結晶部に起因する回折スポットを有する第１の領域と、第２の結晶部に起因する回折スポットを有する第２の領域とが観測される。
　第１の結晶部に起因する回折スポットを有する第１の領域は、ｃ軸配向性を有する結晶部に由来する。一方で第２の結晶部に起因する回折スポットを有する第２の領域は、配向性を有さない結晶部、または、あらゆる向きに無秩序に配向する結晶部に由来する。そのため電子線回折に用いる電子線のビーム径、すなわち観察する領域の面積によって、異なるパターンが観察される場合がある。なお、本明細書等において、電子線のビーム径を１ｎｍΦ以上１００ｎｍΦ以下で測定する電子線回折を、ナノビーム電子線回折（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ　Ｂｅａｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）と呼ぶ。
　ただし、本発明の一態様の金属酸化物膜の結晶性を、ＮＢＥＤと異なる方法で評価してもよい。金属酸化物膜の結晶性の評価方法の例としては、電子回折、Ｘ線回折、中性子回折などが挙げられる。電子回折の中でも、先に示すＮＢＥＤの他に、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、収束電子回折（ＣＢＥＤ：Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ　Ｂｅａｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）、制限視野電子回折（ＳＡＥＤ：Ｓｅｌｅｃｔｅｄ　Ａｒｅａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）などを好適に用いることができる。
　また、ＮＢＥＤにおいて、電子線のビーム径を大きくした条件（例えば、２５ｎｍΦ以上１００ｎｍΦ以下、または５０ｎｍΦ以上１００ｎｍΦ以下）のナノビーム電子線回折パターンでは、リング状のパターンが観察される。また当該リング状のパターンは、動径方向に輝度の分布を有する場合がある。一方、ＮＢＥＤにおいて、電子線のビーム径を十分に小さくした条件（例えば１ｎｍΦ以上１０ｎｍΦ以下）の電子線回折パターンでは、上記リング状のパターンの位置に、円周方向（θ方向ともいう）に分布した複数のスポットが観察される場合がある。すなわち、電子線のビーム径を大きくした条件でみられるリング状のパターンは、上記の複数のスポットの集合体により形成される。
＜１−２．金属酸化物膜の結晶性の評価＞
　以下では、条件の異なる３つの金属酸化物膜が形成された試料（試料Ａ１乃至Ａ３）を作製し結晶性の評価を行った。まず、試料Ａ１乃至Ａ３の作製方法について、説明する。
［試料Ａ１］
　試料Ａ１は、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍの金属酸化物膜が形成された試料である。当該金属酸化物膜は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する。試料Ａ１の金属酸化物膜の形成条件としては、基板を１７０℃に加熱し、流量１４０ｓｃｃｍのアルゴンガスと流量６０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋＷの交流電力を印加した。上述の全体のガス流量に対する酸素流量の割合を、酸素流量比と記載する場合がある。なお、試料Ａ１の作製条件における酸素流量比は３０％である。
［試料Ａ２］
　試料Ａ２は、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍの金属酸化物膜が成膜された試料である。試料Ａ２の金属酸化物膜の形成条件としては、基板を１３０℃に加熱し、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入した。試料Ａ２の作製条件における酸素流量比は１０％である。なお、基板温度、及び酸素流量比以外の条件としては、先に示す試料Ａ１と同様の条件とした。
［試料Ａ３］
　試料Ａ３は、ガラス基板上に厚さ約１００ｎｍの金属酸化物膜が成膜された試料である。試料Ａ３の金属酸化物膜の形成条件としては、基板を室温（例えば２０℃以上３０℃以下、なお表１中において室温をＲ．Ｔ．と記載する）とし、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入した。試料Ａ３の作製条件における酸素流量比は１０％である。なお、基板温度、及び酸素流量比以外の条件としては、先に示す試料Ａ１と同様の条件とした。
　試料Ａ１乃至Ａ３の作製条件を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　次に、上記作製した試料Ａ１乃至Ａ３の結晶性の評価を行った。本実施の形態においては、結晶性の評価として、断面ＴＥＭ観察、ＸＲＤ測定、及び電子線回折を行った。
［断面ＴＥＭ観察］
　図１Ａ乃至図３Ｃに、試料Ａ１乃至Ａ３の断面ＴＥＭ観察結果を示す。なお、図１Ａ及び１Ｂは試料Ａ１の断面ＴＥＭ像であり、図２Ａ及び２Ｂは試料Ａ２の断面ＴＥＭ像であり、図３Ａ及び３Ｂは試料Ａ３の断面ＴＥＭ像である。
　また、図１Ｃは試料Ａ１の断面の高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲ−ＴＥＭ：Ｈｉｇｈ　Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ−ＴＥＭ）像であり、図２Ｃは試料Ａ２の断面ＨＲ−ＴＥＭ像であり、図３Ｃは試料Ａ３の断面ＨＲ−ＴＥＭ像である。なお、断面ＨＲ−ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ　Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いてもよい。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって観察することができる。
　図１Ａ乃至図２Ｃに示すように、試料Ａ１及びＡ２では、原子が膜厚方向に層状に配列している結晶部が観察される。特に、ＨＲ−ＴＥＭ像において、原子が層状に配列している結晶部が観察されやすい。また、図３Ａ乃至３Ｃに示すように、試料Ａ３では原子が膜厚方向に層状に配列している様子が確認され難い。なお、試料Ａ１の方が試料Ａ２より原子が膜厚方向に層状に配向している領域の割合が多いように見える。
［ＸＲＤ測定］
　次に、各試料のＸＲＤ測定結果について説明する。
　図４Ａに試料Ａ１のＸＲＤ測定結果を、図５Ａに試料Ａ２のＸＲＤ測定結果を、図６Ａに試料Ａ３のＸＲＤ測定結果を、それぞれ示す。
　ＸＲＤ測定では、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法の一種である粉末法（θ−２θ法ともいう。）を用いた。θ−２θ法は、Ｘ線の入射角を変化させるとともに、Ｘ線源に対向して設けられる検出器の角度を入射角と同じにしてＸ線回折強度を測定する方法である。なお、Ｘ線を膜表面から約０．４０°の角度から入射し、検出器の角度を変化させてＸ線回折強度を測定するｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法の一種であるＧＩＸＲＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ−Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　ＸＲＤ）法（薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ−Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。）を用いてもよい。図４Ａ、図５Ａ、及び図６Ａにおいて、縦軸は回折強度を任意単位で示し、横軸は角度２θを示している。
　図４Ａ及び図５Ａに示すように、試料Ａ１及びＡ２においては、２θ＝３１°付近に回折強度のピークが観察される。一方で、図６Ａに示すように、試料Ａ３においては、２θ＝３１°付近の回折強度のピークが観察され難い、または２θ＝３１°付近の回折強度のピークが極めて小さい、あるいは２θ＝３１°付近の回折強度のピークが無い。
　なお、回折強度のピークがみられた回折角（２θ＝３１°付近）は、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルにおける（００９）面の回折角と一致する。したがって、試料Ａ１及びＡ２において、上記ピークが観測されることから、ｃ軸が膜厚方向に配向する結晶部（以下、ｃ軸配向性を有する結晶部、または第１の結晶部ともいう）が含まれていることが確認できる。また強度の比較から、ｃ軸配向性を有する結晶部の存在割合が、試料Ａ１の方が試料Ａ２より高いことがわかる。なお、試料Ａ３については、ＸＲＤ測定からでは、ｃ軸配向性を有する結晶部が含まれているかを判断するのが困難である。
　この結果から、成膜時の基板温度が高いほど、また成膜時の酸素流量比が大きいほど、ｃ軸配向性を有する結晶部の存在割合が高くなる傾向が示唆される。
［電子線回折］
　次に、試料Ａ１乃至Ａ３について、電子線回折測定を行った結果について説明する。電子線回折測定では、各試料の断面に対して電子線を垂直に入射したときの電子線回折パターンを取得する。また電子線のビーム径は、１ｎｍΦ及び１００ｎｍΦの２つとした。
　なお、電子線回折において、入射する電子線のビーム径の大きさだけでなく、試料の厚さが厚いほど、電子線回折パターンには、その奥行き方向の情報が現れることとなる。そのため、電子線のビーム径を小さくするだけでなく、試料の奥行き方向の厚さを薄くすることで、より局所的な領域の情報を得ることができる。一方で、試料の奥行き方向の厚さが薄すぎる場合（例えば試料の奥行き方向の厚さが５ｎｍ以下の場合）、極微細な領域の情報しか得られない。そのため、極微細な領域に結晶が存在していた場合には、得られる電子線回折パターンは、単結晶のものと同様のパターンとなる場合がある。極微細な領域を解析する目的でない場合には、試料の奥行き方向の厚さを、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、代表的には１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。
　図４Ｂ及び４Ｃに試料Ａ１の電子線回折パターンを、図５Ｂ及び５Ｃに試料Ａ２の電子線回折パターンを、図６Ｂ及び６Ｃに試料Ａ３の電子線回折パターンを、それぞれ示す。
　なお、図４Ｂ及び４Ｃ、図５Ｂ及び５Ｃ、及び図６Ｂ及び６Ｃに示す電子線回折パターンは、電子線回折パターンが明瞭になるようにコントラストが調整された画像データである。また、図４Ｂ及び４Ｃ、図５Ｂ及び５Ｃ、及び図６Ｂ及び６Ｃにおいて、中央の最も明るい輝点は入射される電子線ビームによるものであり、電子線回折パターンの中心（ダイレクトスポットまたは透過波ともいう）である。
　また、図４Ｂに示すように、入射する電子線のビーム径を１ｎｍΦとした場合に、円周状に分布した複数のスポットがみられることから、金属酸化物膜は、極めて微小で且つ面方位があらゆる向きに配向した複数の結晶部が混在していることが分かる。また、図４Ｃに示すように、入射する電子線のビーム径を１００ｎｍΦとした場合に、この複数の結晶部からの回折スポットが連なり、輝度が平均化されてリング状の回折パターンとなることが確認できる。また、図４Ｃでは、半径の異なる２つのリング状の回折パターンが観察できる。ここで、径の小さい回折パターンから第１のリング、第２のリングと呼ぶこととする。第２のリングに比べて、第１のリングの方が輝度が高いことが確認できる。また、第１のリングと重なる位置に、輝度の高い２つのスポット（第１の領域）が確認される。
　第１のリングの中心からの動径方向の距離は、単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルにおける（００９）面の回折スポットの中心からの動径方向の距離とほぼ一致する。また、第１の領域は、ｃ軸配向性に起因する回折スポットである。
　また、図４Ｃに示すように、リング状の回折パターンが見られていることから、金属酸化物膜中には、あらゆる向きに配向している結晶部（以下、ｃ軸配向性を有さない結晶部、または第２の結晶部ともいう）が存在するとも言い換えることもできる。
　また、２つの第１の領域は、電子線回折パターンの中心点に対して対称に配置され、輝度が同程度であることから、２回対称性を有することが推察される。また上述のように、２つの第１の領域はｃ軸配向性に起因する回折スポットであることから、２つの第１の領域と中心を結ぶ直線の方向が、結晶部のｃ軸の向きと一致する。図４Ｃにおいて上下方向が膜厚方向であることから、金属酸化物膜中には、ｃ軸が膜厚方向に配向する結晶部が存在していることが分かる。
　このように、試料Ａ１の金属酸化物膜は、ｃ軸配向性を有する結晶部と、ｃ軸配向性を有さない結晶部とが混在している膜であることが確認できる。
　図５Ｂ及び５Ｃ及び図６Ｂ及び６Ｃに示す電子線回折パターンにおいても、図４Ｂ及び４Ｃに示す電子線回折パターンと概ね同じ結果である。ただし、ｃ軸配向性に起因する２つのスポット（第１の領域）の輝度は、試料Ａ１が最も明るく、試料Ａ２、試料Ａ３の順で暗くなり、ｃ軸配向性を有する結晶部の存在割合が、試料Ａ１が最も高く、試料Ａ２、試料Ａ３の順で低くなることが示唆される。
［金属酸化物膜の結晶性の定量化方法］
　次に、図７Ａ乃至図９を用いて、金属酸化物膜の結晶性の定量化方法の一例について説明する。
　まず、電子線回折パターンを用意する（図７Ａ参照）。
　なお、図７Ａは、膜厚１００ｎｍの金属酸化物膜に対して、ビーム径１００ｎｍで測定した電子線回折パターンであり、図７Ｂは、図７Ａに示す電子線回折パターンのコントラストを調整することで得られた電子線回折パターンである。
　図７Ｂにおいて、ダイレクトスポットの上下に２つの明瞭なスポット（第１の領域）が観察されている。この２つのスポット（第１の領域）はＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルにおける（００１）面に対応する回折スポット、すなわちｃ軸配向性を有する結晶部に起因する。一方で、上記第１の領域とは別に、第１の領域とおおよそ同心円上に輝度の低いリング状のパターン（第２の領域）が重なって見える。これは電子ビーム径を１００ｎｍとしたことによって、ｃ軸配向性を有さない結晶部（第２の結晶部）の構造に起因したスポットが平均化され、リング状になったものである。
　ここで、電子線回折パターンは、ｃ軸配向性を有する結晶部に起因する回折スポットを有する第１の領域と、第２の結晶部に起因する回折スポットを有する第２の領域とが、重なって観察される。よって、第１の領域を含むラインプロファイルと、第２の領域を含むラインプロファイルとを取得し比較することで、金属酸化物膜の結晶性の定量化が可能となる。
　まず、第１の領域を含むラインプロファイル及び第２の領域を含むラインプロファイルについて、図８を用いて説明する。
　図８は、ＩｎＧａＺｎＯ４の構造モデルの（１００）面に電子ビームを照射した際に得られる電子線回折のシミュレーションパターンに、領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’の補助線を付した図である。
　図８に示す領域Ａ−Ａ’は、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部に起因する２つの回折スポットと、ダイレクトスポットとを通る直線を含む。また、図８に示す領域Ｂ−Ｂ’及び領域Ｃ−Ｃ’は、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部に起因する回折スポットが観察されない領域と、ダイレクトスポットとを通る直線をそれぞれ含む。なお、領域Ａ−Ａ’と領域Ｂ−Ｂ’または領域Ｃ−Ｃ’とが交わる角度は、３４°近傍、具体的には、３０°以上３８°以下、好ましくは３２°以上３６°以下、さらに好ましくは３３°以上３５°以下とすればよい。
　なお、ラインプロファイルは、金属酸化物膜の構造に応じて、図９に示すような傾向を有する。図９は、各構造に対するラインプロファイルのイメージ図、相対輝度Ｒ、及び電子線回折パターンから得られるｃ軸配向性に起因するスペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ　Ｗｉｄｔｈ　ａｔ　Ｈａｌｆ　Ｍａｘｉｍｕｍ）を説明する図を示す。
　なお、図９に示す相対輝度Ｒとは、領域Ａ−Ａ’における輝度の積分強度を、領域Ｂ−Ｂ’における輝度の積分強度または領域Ｃ−Ｃ’における輝度の積分強度で割った値である。なお、領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’における輝度の積分強度としては、中央の位置に現れるダイレクトスポットと、当該ダイレクトスポットに起因するバックグラウンドとを除去したものである。
　相対輝度Ｒを計算することによって、ｃ軸配向性の強さを定量的に規定することができる。例えば、図９に示すように、単結晶の金属酸化物膜では、領域Ａ−Ａ’のｃ軸配向性を有する第１の結晶部に起因する回折スポットのピーク強度が高く、領域Ｂ−Ｂ’及び領域Ｃ−Ｃ’にはｃ軸配向性を有する第１の結晶部に起因する回折スポットが見られないため、相対輝度Ｒは、１を超えて極めて大きくなる。また、相対輝度Ｒは、単結晶の金属酸化物膜が最も高く、ＣＡＡＣ（ＣＡＡＣの詳細については後述する）のみ、ＣＡＡＣ＋ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ、ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ、ａｍｏｒｐｈｏｕｓの金属酸化物膜の順で低くなる。特に、特定の配向性を有さないｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ、及びａｍｏｒｐｈｏｕｓの金属酸化物膜では、相対輝度Ｒは１となる。
　また、結晶の周期性の高い構造ほど、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部に起因するスペクトルの強度は高くなり、当該スペクトルの半値幅も小さくなる。そのため、単結晶の金属酸化物膜の半値幅が最も小さく、ＣＡＡＣのみ、ＣＡＡＣ＋ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ、ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌの金属酸化物膜の順に半値幅が大きくなり、ａｍｏｒｐｈｏｕｓの金属酸化物膜では、半値幅が非常に大きく、ハローと呼ばれるプロファイルになる。
［ラインプロファイルを用いた解析］
　上述のように、第１の領域における輝度の積分強度の、第２の領域における輝度の積分強度に対するの強度比は、配向性を有する結晶部の存在割合を推し量る点で重要な情報である。
　そこで、先に示す試料Ａ１乃至Ａ３の電子線回折パターンを、ラインプロファイルを用いて解析を行った。
　試料Ａ１のラインプロファイルを用いた解析結果を図１０Ａ１及び１０Ａ２に、試料Ａ２のラインプロファイルを用いた解析結果を図１０Ｂ１及び１０Ｂ２に、試料Ａ３のラインプロファイルを用いた解析結果を図１１Ａ１及び１１Ａ２に、それぞれ示す。
　なお、図１０Ａ１は、図４Ｃに示す電子線回折パターンに領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’を記載した電子線回折パターンであり、図１０Ｂ１は、図５Ｃに示す電子線回折パターンに領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’を記載した電子線回折パターンであり、図１１Ａ１は、図６Ｃに示す電子線回折パターンに領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’を記載した電子線回折パターンである。
　また、領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’としては、電子線回折パターンの中心位置に現れるダイレクトスポットの輝度で規格化することにより求めることができる。またこれにより、各試料間での相対的な比較を行うことができる。
　また、輝度のプロファイルを算出する際に、試料からの非弾性散乱等に起因する輝度の成分を、バックグラウンドとして差し引くと、より精度の高い比較を行うことができる。ここで非弾性散乱に起因する輝度の成分は、動径方向において極めてブロードなプロファイルを取るため、バックグラウンドの輝度を直線近似で算出してもよい。例えば、対象となるピークの両側の裾に沿って引いた直線よりも低輝度側に位置する領域をバックグラウンドとして差し引くことができる。
　ここでは、上述の方法によりバックグラウンドを差し引いたデータから、領域Ａ−Ａ’、領域Ｂ−Ｂ’、及び領域Ｃ−Ｃ’における輝度の積分強度を算出した。そして、領域Ａ−Ａ’における輝度の積分強度を、領域Ｂ−Ｂ’における輝度の積分強度、または領域Ｃ−Ｃ’における輝度の積分強度で割った値を、相対輝度Ｒとして求めた。
　図１２に試料Ａ１乃至Ａ３の相対輝度Ｒを示す。なお、図１２においては、図１０Ａ２及び１０Ｂ２、及び図１１Ａ２に示す輝度のプロファイル中のダイレクトスポットの左右に位置するピークにおいて、領域Ａ−Ａ’における輝度の積分強度を領域Ｂ−Ｂ’における輝度の積分強度で割った値、及び領域Ａ−Ａ’における輝度の積分強度を領域Ｃ−Ｃ’における輝度の積分強度で割った値をそれぞれ求めた。
　図１２に示すように、試料Ａ１乃至Ａ３の相対輝度Ｒは以下に示す通りである。
・試料Ａ１の相対輝度Ｒ＝２５．００
・試料Ａ２の相対輝度Ｒ＝３．０４
・試料Ａ３の相対輝度Ｒ＝１．０５
なお、上述の相対輝度Ｒはそれぞれ、４つの位置での平均値とした。このように、相対輝度Ｒは、試料Ａ１が最も高く、試料Ａ２、試料Ａ３の順で低くなる。
　本発明の一態様の金属酸化物膜をトランジスタのチャネルが形成される半導体膜に用いる場合には、相対輝度Ｒが１を超えて４０以下、好ましくは１を超えて１０以下、さらに好ましくは１を超えて３以下となる金属酸化物膜を用いると好適である。このような金属酸化物膜を半導体膜に用いることで、電気特性の高い安定性と、ゲート電圧が低い領域での高い電界効果移動度を両立することができる。
＜１−３．結晶部の存在割合＞
　金属酸化物膜中の結晶部の存在割合は、断面ＴＥＭ像を解析することで見積もることができる。
　まず、画像解析の方法について説明する。画像解析の方法としては、高分解能で撮像されたＴＥＭ像に対して２次元高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理し、ＦＦＴ像を取得する。得られたＦＦＴ像に対し、周期性を有する範囲を残し、それ以外を除去するマスク処理を施す。そしてマスク処理したＦＦＴ像を、２次元逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ　Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理し、ＦＦＴフィルタリング像を取得する。
　これにより、結晶部のみを抽出した実空間像を得ることができる。ここで、残存した像の面積の割合から、結晶部の存在割合を見積もることができる。また、計算に用いた領域の面積（元の像の面積ともいう）から、残存した像の面積を差し引くことにより、結晶部以外の部分の存在割合を見積もることができる。
　図１３Ａに試料Ａ１の断面ＴＥＭ像を、図１３Ｂに試料Ａ１の断面ＴＥＭ像を画像解析した後に得られた像を、それぞれ示す。また、図１４Ａに試料Ａ２の断面ＴＥＭ像を、図１４Ｂに試料Ａ２の断面ＴＥＭ像を画像解析した後に得られた像を、それぞれ示す。また、図１５Ａに試料Ａ３の断面ＴＥＭ像を、図１５Ｂに試料Ａ３の断面ＴＥＭ像を画像解析した後に得られた像を、それぞれ示す。
　画像解析後に得られた像において、金属酸化物膜中の白く表示されている領域が、配向性を有する結晶部を含む領域に対応し、黒く表示されている領域が、配向性を有さない結晶部、または様々な向きに配向する結晶部を含む領域に対応する。
　図１３Ｂに示す結果より、試料Ａ１における配向性を有する結晶部を含む領域を除く面積の割合は約４３．１％であった。また、図１４Ｂに示す結果より、試料Ａ２における配向性を有する結晶部を含む領域を除く部分の割合は約６１．７％であった。また、図１５Ｂに示す結果より、試料Ａ３における配向性を有する結晶部を含む領域を除く部分の割合は約８９．５％であった。
　このように見積もられた、金属酸化物膜中の配向性を有する結晶部を除く部分の割合が、５％以上４０％未満である場合、その金属酸化物膜は極めて結晶性の高い膜であり、酸素欠損を作り難く、電気特性が非常に安定であるため好ましい。一方で、金属酸化物膜中の配向性を有する結晶部を除く部分の割合が、４０％以上１００％未満、好ましくは６０％以上９０％以下である場合、その金属酸化物膜は配向性を有する結晶部と配向性を有さない結晶部が適度な割合で混在し、電気特性の安定化と高移動度化を両立させることができる。
　ここで、断面ＴＥＭ像において、または断面ＴＥＭ像の画像解析等により明瞭に確認できる結晶部を除く領域のことを、Ｌａｔｅｒａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　Ｂｕｆｆｅｒ　Ｒｅｇｉｏｎ（ＬＧＢＲ）と呼称することもできる。
＜１−４．金属酸化物膜への酸素拡散について＞
　以下では、金属酸化物膜への酸素の拡散のしやすさを評価した結果について説明する。
　ここでは、以下に示す３つの試料（試料Ｂ１乃至Ｂ３）を作製した。
［試料Ｂ１］
　まず、ガラス基板上に、先に示す試料Ａ１と同様の方法により、厚さ約５０ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。続いて、金属酸化物膜上に、厚さ約３０ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、プラズマＣＶＤ法により積層して形成した。なお、以下の説明において、金属酸化物膜をＯＳと、酸化窒化シリコン膜をＧＩとしてそれぞれ記載する場合がある。
　次に、窒素雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理を行った。
　続いて、厚さ５ｎｍのＩｎ−Ｓｎ−Ｓｉ酸化物膜をスパッタリング法により成膜した。
　続いて、酸化窒化シリコン膜に酸素添加処理を行った。当該酸素添加条件としては、アッシング装置を用い、基板温度を４０℃とし、流量１５０ｓｃｃｍの酸素ガス（１６Ｏ）と、流量１００ｓｃｃｍの酸素ガス（１８Ｏ）とをチャンバー内に導入し、圧力を１５Ｐａとし、基板側にバイアスが印加されるように、アッシング装置内に設置された平行平板の電極間に４５００ＷのＲＦ電力を６００ｓｅｃ供給した。なお、酸化窒化シリコン膜中に酸素ガス（１６Ｏ）が主成分レベルで含有されているため、酸素添加処理によって、添加される酸素を正確に測定するために酸素ガス（１８Ｏ）を用いた。
　続いて、厚さ約１００ｎｍの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により成膜した。
［試料Ｂ２］
　試料Ｂ２は、試料Ｂ１とは金属酸化物膜の成膜条件を異ならせて作製した試料である。試料Ｂ２は、先に示す試料Ａ２と同様の方法により、厚さ約５０ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。
［試料Ｂ３］
　試料Ｂ３は、試料Ｂ１とは金属酸化物膜の成膜条件を異ならせて作製した試料である。試料Ｂ３は、先に示す試料Ａ３と同様の方法により、厚さ約５０ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。
　以上の工程により試料Ｂ１乃至Ｂ３を作製した。
［ＳＩＭＳ分析］
　試料Ｂ１乃至Ｂ３について、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析により、１８Ｏの濃度を測定した。なお、ＳＩＭＳ分析においては、上記作製した試料Ｂ１乃至Ｂ３を熱処理を行わない条件と、試料Ｂ１乃至Ｂ３を窒素雰囲気下にて３５０℃、１時間の熱処理を行う条件と、試料Ｂ１乃至Ｂ３を窒素雰囲気下にて４５０℃、１時間の熱処理を行う条件と、の３つの条件とした。
　図１６Ａ乃至１６Ｃに、ＳＩＭＳ測定結果を示す。図１６Ａ乃至１６Ｃにおいては、ＧＩ及びＯＳを含む領域の分析結果を示している。なお、図１６Ａ乃至１６Ｃは、基板側から（ＳＳＤＰ（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　Ｓｉｄｅ　Ｄｅｐｔｈ　Ｐｒｏｆｉｌｅ）−ＳＩＭＳともいう）分析した結果を示す。
　また、図１６Ａ乃至１６Ｃにおいて、灰色の破線が熱処理を行っていない条件のプロファイルであり、黒色の破線が３５０℃の熱処理を行った条件のプロファイルであり、黒色の実線が４５０℃の熱処理を行った条件のプロファイルである。
　試料Ｂ１乃至Ｂ３のそれぞれにおいて、ＧＩ中に１８Ｏが拡散していること、及びＯＳ中に１８Ｏが拡散していることが確認できる。また、試料Ｂ３が最も深い位置まで１８Ｏが拡散しており、試料Ｂ２、試料Ｂ１の順に、１８Ｏの拡散が浅い位置になっていることが確認できる。また、３５０℃及び４５０℃の熱処理を行うことで、さらに深い位置まで１８Ｏが拡散していることが確認できる。
　以上の結果から、配向性を有する結晶部と配向性を有さない結晶部が混在し、且つ配向性を有する結晶部の存在割合が低い金属酸化物膜は、酸素が透過しやすい膜、言い換えると酸素が拡散しやすい膜であることが確認できる。また、３５０℃または４５０℃の熱処理を行うことで、ＧＩ膜中の酸素がＯＳ中に拡散することが確認できる。
　以上の結果は、配向性を有する結晶部の存在割合（密度）が高いほど、厚さ方向へ酸素が拡散しにくく、当該密度が低いほど厚さ方向へ酸素が拡散しやすいことを示している。金属酸化物膜における酸素の拡散のしやすさについて、以下のように考察することができる。
　配向性を有する結晶部と、配向性を有さない極微細な結晶部が混在している金属酸化物膜において、断面観察像で明瞭に観察できる結晶部以外の領域（ＬＧＢＲ）は、酸素が拡散しやすい領域、すなわち酸素の拡散経路になりうる。したがって、金属酸化物膜の近傍に十分な酸素供給源がある場合において、ＬＧＢＲを介して配向性を有する結晶部にも、酸素が供給されやすくなるため、膜中の酸素欠損量を低減することができると考えられる。
　例えば、金属酸化物膜に接して酸素を放出しやすい酸化膜を設け、加熱処理を施すことにより、当該酸化膜から放出される酸素は、ＬＧＢＲにより金属酸化物膜の膜厚方向に拡散する。そして、ＬＧＢＲを経由して、配向性を有する結晶部に横方向から酸素が供給されうる。これにより、金属酸化物膜の配向性を有する結晶部、及びこれ以外の領域に、十分に酸素が行き渡り、膜中の酸素欠損を効果的に低減することができる。
　また、例えば、金属酸化物膜として、Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む酸化物膜を用いている場合、配向性を有する結晶部の側面に活性酸素（原子状酸素）が結合する。さらに結合した活性酸素にＩｎ、ＭまたはＺｎなどの金属が結合する。このように、活性酸素と、Ｉｎ、ＭまたはＺｎなどの金属と、が繰り返し結合することにより、配向性を有する結晶部の側面から横方向に、固相成長していると考えることができる。このような配向性を有する結晶部の横成長を自己組織化と呼ぶこともできる。
　また例えば、金属酸化物膜中に、金属原子と結合していない水素原子が存在すると、これと酸素原子が結合し、ＯＨが形成され、固定化してしまう場合がある。そこで、低温で成膜することで金属酸化物膜中の酸素欠損（ＶＯ）に水素原子がトラップされた状態（ＶＯＨと呼ぶ）を一定量（例えば１×１０１７ｃｍ−３程度）形成することで、ＯＨが形成されることを抑制する。またＶＯＨは、キャリアを生成するため、金属酸化物膜中にキャリアが一定量存在する状態となる。これにより、キャリア密度が高められた金属酸化物膜を形成できる。また成膜時には、酸素欠損も同時に形成されるが、当該酸素欠損は、上述のようにＬＧＢＲを介して酸素を導入することにより低減することができる。このような方法により、キャリア密度が比較的高く、且つ酸素欠損が十分に低減された金属酸化物膜を形成することができる。
　また、配向性を有する結晶部以外の領域は、成膜時に配向性を有さない極めて微細な結晶部を構成するため、金属酸化物膜には明瞭な結晶粒界は観察されない。また当該極めて微細な結晶部は、配向性を有する複数の結晶部の間に位置する。当該微細な結晶部は、成膜時の熱により横方向に成長することで、隣接する配向性を有する結晶部と結合する。また当該微細な結晶部はキャリアを発生する領域としても機能する。これにより、このような構成を有する金属酸化物膜は、トランジスタに適用することでその電界効果移動度を著しく向上させることができると考えられる。
　また、低温かつ低酸素流量の条件で成膜した金属酸化物膜とすることで酸素透過性が向上することが分かる。このため、例えば、トランジスタの作製工程中において、拡散する酸素量が増大することにより、金属酸化物膜中、及び金属酸化物膜と絶縁膜との界面の酸素欠損等の欠陥が低減することが推測される。そしてこのような効果により欠陥準位密度が低減された結果、トランジスタのオン電流が著しく上昇すると示唆される。
　このように、オン電流が向上したトランジスタは、高速で容量を充放電することのできるスイッチに好適に用いることができる。代表的には、デマルチプレクサ回路などに好適に用いることができる。
　また金属酸化物膜を形成し、その上に酸化シリコン膜などの酸化物絶縁膜を成膜した後に、酸素雰囲気でのプラズマ処理を行うことが好ましい。このような処理により、膜中に酸素を供給すること以外に、水素濃度を低減することができる。例えば、プラズマ処理中に、同時にチャンバー内に残存するフッ素も金属酸化物膜中にドープされる場合がある。フッ素はマイナスの電荷を帯びたフッ素原子として存在し、プラスの電荷を帯びた水素原子とクーロン力により結合し、ＨＦが生成される。ＨＦは当該プラズマ処理中に金属酸化物膜外へ放出され、その結果として、金属酸化物膜中の水素濃度を低減することができる。また、プラズマ処理において、酸素原子と水素とが結合してＨ２Ｏとして膜外へ放出される場合もある。
　また、金属酸化物膜に酸化シリコン膜（または酸化窒化シリコン膜）が積層された構成を考える。酸化シリコン膜中のフッ素は、膜中の水素と結合し、電気的に中性であるＨＦとして存在しうるため、金属酸化物膜の電気特性に影響を与えない。なお、Ｓｉ−Ｆ結合が生じる場合もあるがこれも電気的に中性となる。また酸化シリコン膜中のＨＦは、酸素の拡散に対して影響しないと考えられる。
　以上のようなメカニズムにより、金属酸化物膜中の酸素欠損が低減され、且つ膜中の金属原子と結合していない水素が低減されることにより、信頼性を高めることができると考えられる。また金属酸化物膜のキャリア濃度が一定以上であることで、電気特性が向上すると考えられる。
＜１−５．トランジスタ特性を用いた浅い欠陥準位の評価＞
　以下では、先に説明した試料Ａ１乃至Ａ３の金属酸化物膜を有するトランジスタを作製し、その欠陥準位密度を測定した結果について説明する。
　ここではそれぞれ、半導体膜の形成条件の異なる試料Ｃ１乃至Ｃ３を二組作製した。なお、試料Ｃ１乃至Ｃ３は、チャネル長Ｌが６μｍ、チャネル幅Ｗが５０μｍのトランジスタである。
［トランジスタの作製］
　まず、ガラス基板上に厚さ１０ｎｍのチタン膜と、厚さ１００ｎｍの銅膜とを、スパッタリング装置を用いて形成した。続いて当該導電膜をフォトリソグラフィ法により加工した。
　次に、基板及び導電膜上に絶縁膜を４層積層して形成した。絶縁膜は、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）装置を用いて、真空中で連続して形成した。絶縁膜は、下から厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜、厚さ３００ｎｍの窒化シリコン膜、厚さ５０ｎｍの窒化シリコン膜、厚さ５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜をそれぞれ用いた。
　次に、絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、当該酸化物半導体膜を島状に加工することで、半導体層を形成した。酸化物半導体膜としては、厚さ４０ｎｍの酸化物半導体膜を形成した。
　試料Ｃ１において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜の形成条件は、試料Ａ１と同様である。すなわち、基板温度を１７０℃として、流量１４０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量６０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋＷの交流電力を印加した。なお、酸素流量比は３０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
　試料Ｃ２において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜の形成条件は、試料Ａ２と同様である。すなわち、基板温度を１３０℃として、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋＷの交流電力を印加した。なお、酸素流量比は１０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
　試料Ｃ３において、酸化物半導体膜に用いた金属酸化物膜の形成条件は、試料Ａ３と同様である。すなわち、基板温度を室温（Ｒ．Ｔ．）として、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋＷの交流電力を印加した。なお、酸素流量比は１０％である。厚さは約４０ｎｍとした。
　次に、絶縁膜及び半導体層上に、絶縁膜を形成した。絶縁膜としては、厚さ１５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、ＰＥＣＶＤ装置を用いて形成した。
　次に、熱処理を行った。当該熱処理としては、窒素と酸素との混合ガス雰囲気下で、３５０℃、１時間の熱処理とした。
　次に、絶縁膜の所望の領域に開口部を形成した。開口部の形成方法としては、ドライエッチング法を用いた。
　次に、開口部を覆うように絶縁膜上に導電膜を成膜し、当該導電膜を加工して島状の導電膜を形成した。また、島状の導電膜を形成後、続けて、導電膜の下側に接する絶縁膜を加工することで、島状の絶縁膜を形成した。
　導電膜としては、厚さ１０ｎｍの酸化物半導体膜と、厚さ５０ｎｍの窒化チタン膜と、厚さ１００ｎｍの銅膜とを順に形成した。なお、酸化物半導体膜の成膜条件としては、基板温度を１７０℃として、流量２００ｓｃｃｍの酸素ガスをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋＷの交流電力を印加した。また、窒化チタン膜及び銅膜は、スパッタリング装置を用いて形成した。
　次に、酸化物半導体膜、絶縁膜、及び導電膜上からプラズマ処理を行った。当該プラズマ処理としては、ＰＥＣＶＤ装置を用い、基板温度を２２０℃とし、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガス雰囲気下で行った。
　次に、酸化物半導体膜、絶縁膜、及び導電膜上に絶縁膜を形成した。絶縁膜としては、厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜及び厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン膜をＰＥＣＶＤ装置を用いて積層して形成した。
　次に、形成した絶縁膜上にマスクを形成し、当該マスクを用いて絶縁膜に開口部を形成した。
　次に、開口部を充填するように、導電膜を形成し、当該導電膜を島状に加工することで、ソース電極及びドレイン電極となる導電膜を形成した。当該導電膜としては、厚さ１０ｎｍのチタン膜と、厚さ１００ｎｍの銅膜とを、スパッタリング装置を用いて、それぞれ形成した。
　次に、絶縁膜、及び導電膜上に絶縁膜を形成した。絶縁膜としては、厚さ１．５μｍのアクリル系の感光性樹脂膜を用いた。
　以上のようにして、試料Ｃ１乃至Ｃ３を作製した。
［浅い欠陥準位密度の評価方法］
　金属酸化物の浅い欠陥準位（以下、ｓＤＯＳとも記す）は、金属酸化物膜を半導体膜として用いたトランジスタの電気特性からも見積もることができる。以下ではトランジスタの界面準位の密度を評価し、その界面準位の密度に加え、界面準位にトラップされる電子数Ｎｔｒａｐを考慮した場合において、サブスレッショルドリーク電流を予測する方法について説明する。
　界面準位にトラップされる電子数Ｎｔｒａｐは、例えば、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧（Ｉｄ−Ｖｇ）特性の実測値と、ドレイン電流−ゲート電圧（Ｉｄ−Ｖｇ）特性の計算値とを比較することによって、評価することができる。
　図１７に、ソース電圧Ｖｓ＝０Ｖ、ドレイン電圧Ｖｄ＝０．１Ｖにおける、計算によって得られた理想的なＩｄ−Ｖｇ特性と、トランジスタにおける実測のＩｄ−Ｖｇ特性と、を示す。なお、トランジスタの測定結果のうち、ドレイン電流Ｉｄの測定が容易な１×１０−１３Ａ以上の値のみプロットした。
　計算で求めた理想的なＩｄ−Ｖｇ特性と比べて、実測のＩｄ−Ｖｇ特性はゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄの変化が緩やかとなる。これは、伝導帯下端のエネルギー（Ｅｃと表記する。）の近くに位置する浅い界面準位に電子がトラップされたためと考えられる。ここでは、フェルミ分布関数を用いて、浅い界面準位へトラップされる（単位面積、単位エネルギーあたりの）電子数Ｎｔｒａｐを考慮することで、より厳密に界面準位の密度Ｎｉｔを見積もることができる。
　まず、図１８に示す模式的なＩｄ−Ｖｇ特性を用いて界面トラップ準位にトラップされる電子数Ｎｔｒａｐの評価方法について説明する。破線は計算によって得られるトラップ準位のない理想的なＩｄ−Ｖｇ特性を示す。また、破線において、ドレイン電流がＩｄ１からＩｄ２に変化するときのゲート電圧Ｖｇの変化をΔＶｉｄとする。また、実線は、実測のＩｄ−Ｖｇ特性を示す。実線において、ドレイン電流がＩｄ１からＩｄ２に変化するときのゲート電圧Ｖｇの変化をΔＶｅｘとする。ドレイン電流がＩｄ１、Ｉｄ２のときの着目する界面における電位はそれぞれφｉｔ１、φｉｔ２とし、その変化量をΔφｉｔとする。
　図１８において、実測値は計算値よりも傾きが小さいため、ΔＶｅｘは常にΔＶｉｄよりも大きいことがわかる。このとき、ΔＶｅｘとΔＶｉｄの差が、浅い界面準位に電子をトラップすることに要した電位差を表す。したがって、トラップされた電子による電荷の変化量ΔＱｔｒａｐは以下の式（１）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　Ｃｔｇは面積当たりの絶縁体と半導体の合成容量となる。また、ΔＱｔｒａｐは、トラップされた（単位面積、単位エネルギーあたりの）電子数Ｎｔｒａｐを用いて、式（２）で表すこともできる。なお、ｑは電気素量である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（１）と式（２）とを連立させることで式（３）を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　次に、式（３）の極限Δφｉｔ→０を取ることで、式（４）を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　即ち、理想的なＩｄ−Ｖｇ特性、実測のＩｄ−Ｖｇ特性および式（４）を用いて、界面においてトラップされた電子数Ｎｔｒａｐを見積もることができる。なお、ドレイン電流と界面における電位との関係については、上述の計算によって求めることができる。
　また、単位面積、単位エネルギーあたりの電子数Ｎｔｒａｐと界面準位の密度Ｎｉｔは式（５）のような関係にある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、ｆ（Ｅ）はフェルミ分布関数である。式（４）から得られたＮｔｒａｐを式（５）でフィッティングすることで、Ｎｉｔは決定される。このＮｉｔを設定したデバイスシミュレータを用いた計算により、Ｉｄ＜０．１ｐＡを含む伝達特性を得ることができる。
　次に、図１７に示す実測のＩｄ−Ｖｇ特性に式（４）を適用し、Ｎｔｒａｐを抽出した結果を図１９に白丸印で示す。ここで、図１９の縦軸は半導体の伝導帯下端ＥｃからのフェルミエネルギーＥｆである。破線を見るとＥｃのすぐ下の位置に極大値となっている。式（５）のＮｉｔとして、式（６）のテール分布を仮定すると図１９の破線のように非常に良くＮｔｒａｐをフィッティングでき、フィッティングパラメータとして、伝導帯端のトラップ密度Ｎｔａ＝１．６７×１０１３ｃｍ−２／ｅＶ、特性減衰エネルギーＷｔａ＝０．１０５ｅＶが得られた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　次に、得られた界面準位のフィッティング曲線をデバイスシミュレータを用いた計算にフィードバックすることにより、Ｉｄ−Ｖｇ特性を逆算した結果を図２０Ａ及び２０Ｂに示す。図２０Ａに、ドレイン電圧Ｖｄが０．１Ｖおよび１．８Ｖの場合の計算によって得られたＩｄ−Ｖｇ特性と、ドレイン電圧Ｖｄが０．１Ｖ及び１．８Ｖの場合のトランジスタにおける実測のＩｄ−Ｖｇ特性とを示す。また、図２０Ｂは、図２０Ａのドレイン電流Ｉｄを対数としたグラフである。
　計算により得られた曲線と、実測値のプロットはほぼ一致しており、計算値と実測値とで高い再現性を有することが分かる。したがって、浅い欠陥準位密度を算出する方法として、上記の方法が十分に妥当であることが分かる。
［浅い欠陥準位密度の評価結果］
　次に、上述の方法に基づいて、測定した電気特性と理想的な計算値とを比較することによって、二組の試料Ｃ１乃至Ｃ３の浅い欠陥準位密度を測定した。
　図２１に二組の試料Ｃ１乃至Ｃ３の浅い欠陥準位密度の平均値を算出した結果を示す。試料Ｃ１乃至Ｃ３のいずれの試料においても、浅い欠陥準位密度のピーク値が、２．５×１０１２ｃｍ−２ｅＶ−１未満となり、浅い欠陥準位密度が極めて低い試料であることがわかる。なお、金属酸化物膜中の浅い欠陥準位密度のピーク値としては、２．５×１０１２ｃｍ−２ｅＶ−１未満、好ましくは１．７５×１０１２ｃｍ−２ｅＶ−１未満、より好ましくは１．５×１０１２ｃｍ−２ｅＶ−１未満、さらに好ましくは７．５×１０１１ｃｍ−２ｅＶ−１未満である。
　このように、試料Ｃ１乃至Ｃ３において、欠陥準位密度が低い金属酸化物膜が形成されたトランジスタであることが分かる。これは、低温かつ低酸素流量の条件で成膜した金属酸化物膜とすることで酸素透過性が向上し、トランジスタの作製工程中に拡散する酸素量が増大することにより、金属酸化物膜中、及び金属酸化物膜と絶縁膜との界面の酸素欠損等の欠陥が低減しているためだと示唆される。
＜１−６．ＣＰＭによる金属酸化物膜中の深い欠陥準位の評価＞
　以下では、一定電流測定法（ＣＰＭ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ）により、金属酸化物膜中の深い欠陥準位（以下、ｄＤＯＳとも記す）について評価を行った。
　ＣＰＭ測定は、試料に設けられた２電極間に電圧を印加した状態で光電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射する光量から吸収係数を導出することを各波長にて行うものである。ＣＰＭ測定において、試料に欠陥があるとき、欠陥の存在する準位に応じたエネルギー（波長より換算）における吸収係数が増加する。この吸収係数の増加分に定数を掛けることにより、試料のｄＤＯＳを導出することができる。
　ＣＰＭ測定によって得られた吸収係数のカーブからバンドの裾に起因するアーバックテールと呼ばれる吸収係数分を取り除くことにより、欠陥準位による吸収係数を以下の式から算出することができる。なお、α（Ｅ）は、各エネルギーにおける吸収係数を表し、αｕは、アーバックテールによる吸収係数を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
［ＣＰＭ評価用の試料の作製］
　以下では、３つの試料（試料Ｄ１乃至Ｄ３）を作製してＣＰＭ評価を行った。
　まず、ガラス基板上に金属酸化物膜を成膜した。試料Ｄ１では、上記試料Ａ１と同様の方法により厚さ約１００ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。試料Ｄ２では、上記試料Ａ２と同様の方法により、厚さ約１００ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。試料Ｄ３では、上記試料Ａ３と同様の方法により、厚さ約１００ｎｍの金属酸化物膜を成膜した。
　続いて、金属酸化物膜上に、厚さ約３０ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜、厚さ約２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、プラズマＣＶＤ法により積層して形成した。
　その後、窒素雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理を行った。
　続いて、厚さ１００ｎｍの酸化物半導体膜を形成した。なお、当該酸化物半導体膜としては、２層の積層構造とした。１層目の酸化物半導体膜は、基板温度を１７０℃として、流量２００ｓｃｃｍの酸素ガスをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋＷの交流電力を印加する条件下で、膜厚が１０ｎｍになるように形成した。２層目の酸化物半導体膜は、基板温度を１７０℃として、流量１８０ｓｃｃｍのアルゴンガスと、流量２０ｓｃｃｍの酸素ガスとをスパッタリング装置のチャンバー内に導入し、圧力を０．６Ｐａとし、インジウムと、ガリウムと、亜鉛とを有する金属酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）に、２．５ｋＷの交流電力を印加する条件下で、膜厚が９０ｎｍになるように形成した。
　その後、窒素と酸素との混合ガス雰囲気下で、３５０℃、１時間の熱処理を行った。
　その後、酸化物半導体膜をウエットエッチング法によりエッチングして除去した。
　続いて、酸化窒化シリコン膜を成膜した。酸化窒化シリコン膜は、成膜ガスとして流量１６０ｓｃｃｍのＳｉＨ４と、流量４０００ｓｃｃｍのＮ２Ｏの混合ガスを用い、圧力２００Ｐａ、電力１５００Ｗ、基板温度２２０℃の条件で、プラズマＣＶＤ法により成膜した。酸化窒化シリコン膜の厚さは約４００ｎｍである。
　続いて、酸化窒化シリコン膜にフォトリソグラフィ法により開口部を形成した。
　続いて、スパッタリング法により厚さ約５０ｎｍのＴｉ膜、厚さ約４００ｎｍのＡｌ膜、及び厚さ約１００ｎｍのＴｉ膜の積層膜を成膜した。その後、積層膜をフォトリソグラフィ法により加工し、電極を形成した。
　その後、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行った。
　以上の工程により試料Ｄ１乃至Ｄ３を作製した。
［ＣＰＭ評価結果］
　図２２に試料Ｄ１のＣＰＭ測定結果を、図２３に試料Ｄ２のＣＰＭ測定結果を、図２４に試料Ｄ３のＣＰＭ測定結果を、それぞれ示す。図２２、図２３、及び図２４において、縦軸は吸収係数を表し、横軸は光エネルギーを表す。また図２２、図２３、及び図２４において、黒い実線は、各試料の吸収係数のカーブを示し、点線は接線を示し、灰色の実線は光学的に測定した吸収係数を示す。
　図２２から見積もった試料Ｄ１のアーバックテールの値は、６８．７０ｍｅＶであり、吸収係数のカーブからアーバックテール起因の吸収係数を除いた吸収係数、すなわち深い欠陥準位に起因する吸収係数の値は、１．２１×１０−３ｃｍ−１であった。また、図２３から見積もった試料Ｄ２のアーバックテールの値は、６４．４６ｍｅＶであり、深い欠陥準位に起因する吸収係数の値は、１．３６×１０−３ｃｍ−１であった。また、図２４から見積もった試料Ｄ３のアーバックテールの値は、６５．８３ｍｅＶであり、深い欠陥準位に起因する吸収係数の値は、１．０４×１０−３ｃｍ−１であった。
　以上の結果から、試料Ｄ１乃至Ｄ３に用いた金属酸化物膜は、深い欠陥準位に明確な差が見られていないことが分かる。試料Ｄ１乃至Ｄ３の深い欠陥準位に差が見られていない要因としては、金属酸化物膜に接して酸化物絶縁膜を形成し、当該酸化物絶縁膜から金属酸化物膜に十分な酸素供給が行われたことで、金属酸化物膜中の酸素欠損が補填されたためだと示唆される。
＜１−７．金属酸化物膜の成膜方法＞
　以下では、本発明の一態様の金属酸化物膜の成膜方法について説明する。
　本発明の一態様の金属酸化物膜は、酸素を含む雰囲気下にてスパッタリング法によって成膜することができる。
　成膜時の基板温度は、室温以上１５０℃以下、好ましくは５０℃以上１５０℃以下、より好ましくは１００℃以上１５０℃以下、代表的には１３０℃の温度とすることが好ましい。基板温度を上述の範囲とすることで、配向性を有する結晶部と、配向性を有さない結晶部との存在割合を制御することができる。
　また、成膜時の酸素の流量比（酸素分圧）を、０％以上５０％未満、好ましくは０％以上３０％以下、より好ましくは０％以上２０％以下、さらに好ましくは０％以上１５％以下、代表的には１０％とすることが好ましい。酸素流量を低減することにより、配向性を有さない結晶部をより多く膜中に含ませることができる。
　したがって、成膜時の基板温度と、成膜時の酸素流量を上述の範囲とすることで、配向性を有する結晶部と、配向性を有さない結晶部とが混在した金属酸化物膜を得ることができる。また、基板温度と酸素流量を上述の範囲内とすることにより、配向性を有する結晶部と配向性を有さない結晶部の存在割合を制御することが可能となる。
　金属酸化物膜の成膜に用いることの可能な酸化物ターゲットとしては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物に限られず、例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）を適用することができる。
　また、複数の結晶粒を有する多結晶酸化物を含むスパッタリングターゲットを用いて、結晶部を含む金属酸化物膜を成膜すると、多結晶酸化物を含まないスパッタリングターゲットを用いた場合に比べて、結晶性を有する金属酸化物膜が得られやすい。
　以下に、金属酸化物膜の成膜メカニズムにおける一考察について、図２５Ａ乃至２５Ｄを用いて説明する。スパッタリング用ターゲットが複数の結晶粒を有し、且つ、その結晶粒が層状構造を有しており、当該結晶粒に劈開しやすい界面が存在する場合、当該スパッタリング用ターゲットにイオンを衝突させることで、結晶粒が劈開する。ここで、スパッタリング用ターゲットは、例えば、後述する図２７のように、Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む、ｃ軸方向に配向した層状の構造を有するものとする。なお、当該結晶粒は、平板状又はペレット状のクラスターであり、ナノクラスターまたはペレットと呼ぶこともできる。
　ここで、図２５Ａに示すように、ターゲットから劈開したナノクラスター２０は、平板状であるため、平面側を基板３２の表面に向けて堆積しやすい。なお、後述する図２７のように、Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む、ｃ軸方向に配向した層状の構造を有する場合、図２７に示す（Ｍ，Ｚｎ）層と（Ｍ，Ｚｎ）層の界面で劈開しやすい。
　次に、ターゲットからはじき出された粒子２３が基板３２の表面に達する。粒子２３は、原子１個または原子数個の集合体を有する。そのため、粒子２３を原子状粒子（ａｔｏｍｉｃ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）と呼ぶこともできる。ここで、ナノクラスターが後述する図２７のような、Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む、ｃ軸方向に配向した層状の構造を有する場合、粒子２３は、ナノクラスター２０の上面より側面に結合しやすい。よって、粒子２３は、ナノクラスター２０の形成されていない領域を埋めるように、ナノクラスター２０の側面に優先的に付着する。粒子２３は、結合手が活性状態となることで、ナノクラスター２０と化学的に連結して横成長部２２を形成する（図２５Ａ参照。）。粒子２３は、ナノクラスター２０とナノクラスター２０の間の領域に入り込むということもできる。
　横成長部２２は、ナノクラスター２０とナノクラスター２０の間の領域２６（領域２６は、Ｌａｔｅｒａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　Ｂｕｆｆｅｒ　Ｒｅｇｉｏｎ（ＬＧＢＲ）と呼称することもできる。）を埋めるように横方向に成長（ラテラル成長ともいう。）する。ここで、横方向とは、例えばナノクラスター２０中のｃ軸に垂直な方向を指す。
　ここで、４５０℃以下、好ましくは４００℃以下程度の基板加熱により、ナノクラスター２０の横成長部２２に粒子２３が付着し、粒子２３にＬＧＢＲを介して拡散した酸素が付着し、再び粒子２３が同様に付着する、という反応が起きやすくなる。この繰り返しにより横方向の固相成長が起きていると推定される。このようなナノクラスターの横方向の成長を自己組織化と呼ぶこともできる。
　さらに横成長部２２がラテラル成長することで、横成長部２２が互いに衝突する。横成長部２２が衝突した部分を連結部２７として隣接するナノクラスター２０が連結される（図２５Ｂ参照。）。つまり、領域２６中に連結部２７が形成される。これは、粒子２３が、ナノクラスター２０の側面に横成長部２２を形成し、横成長部２２が横方向に成長することで、ナノクラスター２０間の領域２６を充填しているということもできる。このように、ナノクラスター２０の形成されていない領域を埋めるまで横成長部２２が形成される。
　したがって、ナノクラスター２０がそれぞれ異なる方向を向けて形成される場合でも、ナノクラスター２０とナノクラスター２０の隙間を粒子２３がラテラル成長しながら埋めるため、明確な結晶粒界が形成されることがない。
　ここで、ナノクラスター２０間を、粒子２３が滑らかに連結（アンカリング）するため、連結部２７において単結晶とも多結晶とも異なる結晶構造が形成される。言い換えると、ナノクラスター２０の間の連結部２７に歪みを有する結晶構造が形成される。これにより、例えば、連結部２７において、上面の形状が六角形だった結晶構造が変形し、五角形または七角形になる場合もある。
　次に、新たなナノクラスター２０が、平面側を基板３２の表面に向けて形成される。そして、粒子２３が、ナノクラスター２０の形成されていない領域を埋めるように堆積することで横成長部２２を形成する（図２５Ｃ参照。）。こうして、粒子２３がナノクラスター２０の側面に付着し、横成長部２２がラテラル成長することで、二層目のナノクラスター２０間を連結させる（図２５Ｄ参照。）。ｍ層目（ｍは二以上の整数。）が形成されるまで成膜は続き、積層体を有する金属酸化物膜が形成される。
　また、基板３２を加熱することにより、基板表面においてナノクラスター２０同士の結合、または再配列が進むことにより、配向性を有する結晶部を含む金属酸化物膜が形成されやすくなると考えられる。
　なお、本実施の形態で説明したように、スパッタリング法を用いて、金属酸化物膜を形成すると、結晶性の制御が容易であるため好ましい。ただし、本発明の一態様の金属酸化物膜の形成方法としては、これに限定されず、例えばパルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法などを用いてもよい。熱ＣＶＤ法の例としては、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が挙げられる。
＜１−８．金属酸化物膜の組成及び構造について＞
　本発明の一態様の金属酸化物膜をトランジスタなどの半導体装置に適用することができる。以下では、特に半導体特性を有する金属酸化物膜（以下では酸化物半導体膜と呼ぶ）について説明する。
　まず、酸化物半導体膜の組成について説明する。
　酸化物半導体膜は、先の記載のように、インジウム（Ｉｎ）と、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎを表す。）と、Ｚｎ（亜鉛）と、を有する。
　なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズとするが、元素Ｍに適用可能な元素としては、上記以外にも、ホウ素、シリコン、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、マグネシウムなどを用いてもよい。また、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。
　次に、本発明の一態様に係る酸化物半導体膜が有するインジウム、元素Ｍ及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲について、図２６Ａ乃至２６Ｃを用いて説明する。なお、図２６Ａ乃至２６Ｃには、酸素の原子数比については記載しない。また、酸化物半導体膜が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、及び［Ｚｎ］とする。
　図２６Ａ乃至２６Ｃにおいて、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。
　また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比（β≧０）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、及び［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比となるラインを表す。
　また、図２６Ａ乃至２６Ｃに示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比またはその近傍値の酸化物半導体膜は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。
　図２６Ａ及び２６Ｂでは、本発明の一態様の酸化物半導体膜が有する、インジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
　一例として、図２７に、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１である、ＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造を示す。また、図２７は、ｂ軸に平行な方向から観察した場合のＩｎＭＺｎＯ４の結晶構造である。なお、図２７に示すＭ、Ｚｎ、酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）における金属元素は、元素Ｍまたは亜鉛を表している。この場合、元素Ｍと亜鉛の割合が等しいものとする。元素Ｍと亜鉛とは、置換が可能であり、配列は不規則である。
　また、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能である。そのため、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換し、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。その場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層が２である層状構造をとる。
　また、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能である。そのため、ＭＺｎＯ２層の元素Ｍがインジウムと置換し、ＩｎαＭ１−αＺｎＯ２層（０＜α≦１）と表すこともできる。その場合、ＩｎＯ２層が１に対し、ＩｎαＭ１−αＺｎＯ２層が２である層状構造をとる。また、ＩｎＯ２層のインジウムが元素Ｍと置換し、Ｉｎ１−αＭαＯ２層（０＜α≦１）と表すこともできる。その場合、Ｉｎ１−αＭαＯ２層が１に対し、ＭＺｎＯ２層が２である層状構造をとる。
［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：２となる原子数比の酸化物は、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が３である層状構造をとる。つまり、［Ｉｎ］および［Ｍ］に対し［Ｚｎ］が大きくなると、酸化物が結晶化した場合、Ｉｎ層に対する（Ｍ，Ｚｎ）層の割合が増加する。
　ただし、酸化物中において、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が非整数である場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が整数である層状構造を複数種有する場合がある。例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．５である場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が２である層状構造と、（Ｍ，Ｚｎ）層が３である層状構造とが混在する層状構造となる場合がある。
　例えば、酸化物半導体膜をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。
　また、酸化物半導体膜中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比、及びその近傍値である原子数比では、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０を示す原子数比、及びその近傍値である原子数比では、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。酸化物半導体膜中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、粒界（グレインバウンダリーともいう）が形成される場合がある。
　また、インジウムの含有率を高くすることで、酸化物半導体膜のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。これは、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する酸化物半導体膜では、主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を高くすることにより、ｓ軌道が重なる領域がより大きくなるため、インジウムの含有率が高い酸化物半導体膜はインジウムの含有率が低い酸化物半導体膜と比較してキャリア移動度が高くなるためである。
　一方、酸化物半導体膜中のインジウム及び亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０を示す原子数比、及びその近傍値である原子数比（例えば図２６Ｃに示す領域Ｃ）では、絶縁性が高くなる。
　従って、本発明の一態様の酸化物半導体膜は、キャリア移動度が高く、かつ、粒界が少ない層状構造となりやすい、図２６Ａの領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。
　また、図２６Ｂに示す領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、及びその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。領域Ｂで示される原子数比を有する酸化物半導体膜は、特に、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物半導体膜である。
　なお、酸化物半導体膜が、層状構造を形成する条件は、原子数比によって一義的に定まらない。原子数比により、層状構造を形成するための難易の差はある。一方、同じ原子数比であっても、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。従って、図示する領域は、酸化物半導体膜が層状構造を有する原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至Ｃの境界は厳密ではない。
＜１−９．金属酸化物膜の構造＞
　次に、金属酸化物膜（以下では酸化物半導体と呼ぶ）の構造について説明する。
　酸化物半導体は、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、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）及び非晶質酸化物半導体などがある。
　また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物半導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体及びｎｃ−ＯＳなどがある。
　非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さない、などといわれている。
　すなわち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、等方的でないが、鬆（ボイドともいう。）を有する不安定な構造である。不安定であるという点では、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い。
［ＣＡＡＣ−ＯＳ］
　まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
　ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一種である。
　ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体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）の少ない酸化物半導体ともいえる。
　なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
［ｎｃ−ＯＳ］
　次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
　ｎｃ−ＯＳをＸＲＤによって解析した場合について説明する。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない。即ち、ｎｃ−ＯＳの結晶は配向性を有さない。
　ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる場合がある。
［ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ］
　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酸化物半導体である。
　ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、鬆を有するため、不安定な構造である。
　また、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、鬆を有するため、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満である。また、ｎｃ−ＯＳの密度及びＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満である。単結晶の密度の７８％未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
　例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３である。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満である。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度及びＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満である。
　なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
　以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
＜１−１０．金属酸化物膜をトランジスタに用いる構成＞
　続いて、金属酸化物膜（以下では酸化物半導体膜と呼ぶ）をトランジスタに用いる構成について説明する。
　なお、酸化物半導体膜をトランジスタに用いることで、例えば、多結晶シリコンをチャネル領域に用いたトランジスタと比較し、結晶粒界におけるキャリア散乱等を減少させることができるため、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。
　本発明の一態様の酸化物半導体膜は、配向性を有する結晶部と、配向性を有さない結晶部とが混在している膜である。このような結晶性を有する酸化物半導体膜を用いることで、高い電界効果移動度と、高い信頼性を両立したトランジスタを実現することができる。
＜１−１１．金属酸化物膜のキャリア密度＞
　金属酸化物膜（以下では酸化物半導体膜）のキャリア密度について、以下に説明を行う。
　酸化物半導体膜のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体膜中の酸素欠損（Ｖｏ）、または酸化物半導体膜中の不純物などが挙げられる。
　酸化物半導体膜中の酸素欠損が多くなると、該酸素欠損に水素が結合（この状態をＶｏＨともいう）した際に、欠陥準位密度が高くなる。または、酸化物半導体膜中の不純物が多くなると、該不純物に起因し欠陥準位密度が高くなる。したがって、酸化物半導体膜中の欠陥準位密度を制御することで、酸化物半導体膜のキャリア密度を制御することができる。
　ここで、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタを考える。
　トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、またはトランジスタのオフ電流の低減を目的とする場合においては、酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする方が好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。高純度真性の酸化物半導体膜のキャリア密度としては、８×１０１５ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１１ｃｍ−３未満、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ−３未満であり、１×１０−９ｃｍ−３以上とすればよい。
　一方で、トランジスタのオン電流の向上、またはトランジスタの電界効果移動度の向上を目的とする場合においては、酸化物半導体膜のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体膜の不純物濃度をわずかに高める、または酸化物半導体膜の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化物半導体膜のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性のオン／オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、または欠陥準位密度がわずかに高い酸化物半導体膜は、実質的に真性とみなせる。また、電子親和力が大きく、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起された電子（キャリア）の密度が増加した酸化物半導体膜は、実質的に真性とみなせる。なお、より電子親和力が大きな酸化物半導体膜を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる。
　上述のキャリア密度が高められた酸化物半導体膜は、わずかにｎ型化している。したがって、キャリア密度が高められた酸化物半導体膜を、「Ｓｌｉｇｈｔｌｙ−ｎ」と呼称してもよい。
　実質的に真性の酸化物半導体膜のキャリア密度は、１×１０５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３未満が好ましく、１×１０７ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下がより好ましく、１×１０９ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１０ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下がさらに好ましく、１×１０１１ｃｍ−３以上１×１０１５ｃｍ−３以下がさらに好ましい。
　また、上述の実質的に真性の酸化物半導体膜を用いることで、トランジスタの信頼性が向上する場合がある。ここで、図２８を用いて、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタの信頼性が向上する理由について説明する。図２８は、酸化物半導体膜をチャネル領域に用いるトランジスタにおけるエネルギーバンドを説明する図である。
　図２８において、ＧＥはゲート電極を、ＧＩはゲート絶縁膜を、ＯＳは酸化物半導体膜を、ＳＤはソース電極またはドレイン電極を、それぞれ表す。すなわち、図２８は、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜に接するソース電極またはドレイン電極のエネルギーバンドの一例である。
　また、図２８において、ゲート絶縁膜としては、酸化シリコン膜を用い、酸化物半導体膜にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる構成である。また、酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥の遷移レベル（εｆ）はゲート絶縁膜の伝導帯から３．１ｅＶ離れた位置に形成されるものとし、ゲート電圧（Ｖｇ）が３０Ｖの場合の酸化物半導体膜と酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）をゲート絶縁膜の伝導帯から３．６ｅＶとする。なお、酸化シリコン膜のフェルミ準位は、ゲート電圧に依存し変動する。例えば、ゲート電圧を大きくすることで、酸化物半導体膜と、酸化シリコン膜との界面における酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）は低くなる。また、図２８中の白丸は電子（キャリア）を表し、図２８中のＸは酸化シリコン膜中の欠陥準位を表す。
　図２８に示すように、ゲート電圧が印加された状態で、例えばキャリアが熱励起されると、欠陥準位（図中Ｘ）にキャリアがトラップされ、プラス（“＋”）からニュートラル（“０”）に欠陥準位の荷電状態が変化する。すなわち、酸化シリコン膜のフェルミ準位（Ｅｆ）に上述の熱励起のエネルギーを足した値が欠陥の遷移レベル（εｆ）よりも高くなる場合、酸化シリコン膜中の欠陥準位の荷電状態は正の状態から中性となり、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向に変動することになる。
　また、電子親和力が異なる酸化物半導体膜を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面のフェルミ準位が形成される深さが異なることがある。電子親和力の大きな酸化物半導体膜を用いると、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面及びその近傍において、ゲート絶縁膜の伝導帯が上方に移動する。この場合、ゲート絶縁膜中に形成されうる欠陥準位（図２８中Ｘ）も上方に移動するため、ゲート絶縁膜と酸化物半導体膜との界面のフェルミ準位とのエネルギー差が大きくなる。該エネルギー差が大きくなることにより、ゲート絶縁膜中にトラップされる電荷が少なくなる、例えば、上述の酸化シリコン膜中に形成されうる欠陥準位の荷電状態の変化が少なくなり、ゲートバイアス熱（Ｇａｔｅ　Ｂｉａｓ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ＧＢＴともいう）ストレスにおける、トランジスタのしきい値電圧の変動を小さくできる。
　また、酸化物半導体膜の欠陥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、欠陥準位密度の高い酸化物半導体膜にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
　従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
　ここで、酸化物半導体膜中における各不純物の影響について説明する。
　酸化物半導体膜において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体膜において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体膜におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体膜の界面及びその近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
　また、酸化物半導体膜にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオンとなりやすい。このため、酸化物半導体膜中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体膜中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
　また、酸化物半導体膜において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型になりやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体膜を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオンとなりやすい。従って、該酸化物半導体膜において、窒素はできる限り低減されていることが好ましく、例えば、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体膜中の窒素濃度は、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
　また、酸化物半導体膜に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオンとなりやすい。このため、酸化物半導体膜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、酸化物半導体膜において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
　不純物が十分に低減された酸化物半導体膜をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。
　また、酸化物半導体膜は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、または２．５ｅＶ以上であると好ましい。
　また、酸化物半導体膜の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。
　また、酸化物半導体膜がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：０．５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：１．５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：２．３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：７等が好ましい。
　＜１−１２．金属酸化物膜の酸素拡散＞
　金属酸化物膜（以下では酸化物半導体膜）への酸素拡散について、以下に説明を行う。
　上述の酸化物半導体膜に含まれるナノクラスターの構造を図２９Ａ及び２９Ｂに示す。図２９Ａに示すナノクラスター（ペレットと呼ぶこともできる。）は、２つの（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層（Ｉｎ，Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）、Ｚｎ、酸素を有する層）の間にＩｎ層（Ｉｎ，酸素を有する層）が形成されている。また、図２９Ｂに示すように、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層の代わりに（Ｍ，Ｚｎ）層（Ｍ、Ｚｎ、酸素を有する層）が形成される場合もある。
　例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１である場合、図２７に示す結晶構造のように、２つの（Ｍ，Ｚｎ）層の間にＩｎ層が形成される場合が多い。また、例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、及びその近傍値をとる場合のように、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１よりもＩｎ量が多い場合、図２７に示す結晶構造の（Ｍ，Ｚｎ）層の元素ＭまたはＺｎの一部がＩｎに置換されて、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層が形成される場合が多い。
　また、複数のナノクラスターが膜の厚さ方向に配向性を有するように配列した結晶部が、上述のｃ軸配向性を有する結晶部である。また、複数のナノクラスターが膜の厚さ方向に配向性を有さず、様々な向きに配向する結晶部が、上述のｃ軸配向性を有さない結晶部である。
　また、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、及びその近傍値をとる場合、比較的酸化亜鉛の含有量が多いので、酸化物半導体膜にｃ軸配向性を有する結晶部の存在割合が大きくなる。
　上述の成膜方法を用いて酸化物半導体膜を成膜することにより、成膜時にナノクラスターに酸素欠損が形成されやすくなる。また、酸化物半導体膜中の、ｃ軸配向性を有さない結晶部の存在割合が大きくなる条件（例えば、成膜温度を室温とし、酸素流量比を１０％以下とする。）で成膜することにより、さらに成膜時にナノクラスターに酸素欠損が形成されやすくなる。酸素欠損は（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層及びＩｎ層に形成される。特に、（Ｍ，Ｚｎ）層のＭまたはＺｎがＩｎに置換された（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層ではＩｎの近傍に酸素欠損が形成されやすい。ここで、酸素欠損が形成されるということは、Ｉｎ，ＭまたはＺｎの間に存在していた酸素がなくなることである。よって、酸素欠損が形成されることにより、ナノクラスターを形成する（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層及びＩｎ層の結晶構造に歪みが生じる。
　ここで、酸素欠損が形成された酸化物半導体膜に接して、十分な酸素供給源として機能する酸化物膜を形成することにより、当該酸化物膜から酸素を供給することができる。このような酸化物膜としては、過剰酸素を有する酸化物半導体膜または酸化物絶縁膜を用いればよい。酸化物半導体膜としては、例えば上記の金属酸化物膜を用いることができる。また、酸化物絶縁膜としては、例えば酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを用いることができる。なお、酸素供給源として機能する酸化物膜は、必ずしも酸化物半導体膜に接して形成する必要はない。例えば、酸素供給源として機能する酸化物膜と酸化物半導体膜の間に酸素透過性を有する膜を形成してもよい。
　過剰酸素を有する酸化物半導体膜または酸化物絶縁膜を形成するには、例えば、成膜時の雰囲気を酸素過剰雰囲気（例えば、成膜ガスを酸素１００％にする。）として成膜すればよい。また、例えば、酸化物半導体膜または酸化物絶縁膜に、イオン注入法、イオンドーピング法またはプラズマ処理によって酸素を添加すればよい。また、例えば、酸化物半導体膜または酸化物絶縁膜の上に、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によって、酸素を添加すればよい。
　なお、酸素供給源として機能する酸化物膜から酸化物半導体膜に酸素を供給する際に、当該酸化物半導体膜に、過剰な水または水素などの不純物が含まれていると、酸化物半導体膜中の酸素の拡散が妨げられる場合がある。このため、酸素供給源として機能する酸化物膜を形成する前に、酸化物半導体膜に加熱処理を行って、脱水化、脱水素化を行うことが好ましい。
　酸素供給源として機能する酸化物膜に接して酸化物半導体膜を形成し、加熱処理を行うことにより、当該酸化物膜から酸化物半導体膜に過剰酸素（活性酸素）を供給することができる。ここで、ナノクラスターには酸素欠損によって歪みが生じているため、活性酸素は酸素欠損による歪みを介して酸化物半導体膜の内部まで拡散する。
　拡散した活性酸素は、ナノクラスターの表面または側面、例えば、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層に形成された酸素欠損を補填する。これにより、ナノクラスターの表面または側面において酸素欠損を低減し、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層に形成された酸素欠損に起因するｓＤＯＳを小さくすることができる。
　ここで、ナノクラスターの表面または側面の酸素欠損が補填されることにより、活性酸素はナノクラスターの内部に侵入しにくくなる。さらに加熱処理によって酸化物半導体膜中の水素も拡散する。このため、水素がナノクラスター内部、例えばＩｎ層に形成された酸素欠損にトラップされ、ナノクラスターの内部ではＶｏＨが形成されやすくなる。ＶｏＨはキャリアを生成するため、ナノクラスター内部のキャリア密度が大きくなる。
　このような酸化物半導体膜を用いてトランジスタを形成することによる、ナノクラスター内部のキャリア密度の増大により、当該トランジスタのオン電流を著しく上昇させることができる。さらに、ナノクラスター表面及び側面のｓＤＯＳを低減させることにより、当該トランジスタのサブスレッショルドスイング値を小さくすることができる。
　また、酸化物半導体膜を用いたトランジスタでは、主にＩｎ層で生成されたキャリアが（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層または（Ｍ，Ｚｎ）層に形成される伝導帯の下端を主に流れると考えられる。このとき、伝導帯の下端は主にＩｎＯｘ（ｘ＞０）、ＺｎＯｘ（ｘ＞０）によって形成されると推測される。
　本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態２）
＜ＣＡＣの構成＞
以下では、本発明の一態様に用いることができる金属酸化物膜（以下では酸化物半導体膜とも呼ぶ）としてＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ　Ａｌｉｇｎｅｄ　Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）−ＯＳの構成について説明する。
ＣＡＣとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。
例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯともいう。）におけるＣＡＣ−ＩＧＺＯとは、インジウム酸化物（以下、ＩｎＯＸ１（Ｘ１は０よりも大きい実数）とする。）、またはインジウム亜鉛酸化物（以下、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２（Ｘ２、Ｙ２、およびＺ２は０よりも大きい実数）とする。）と、ガリウム酸化物（以下、ＧａＯＸ３（Ｘ３は０よりも大きい実数）とする。）、またはガリウム亜鉛酸化物（以下、ＧａＸ４ＺｎＹ４ＯＺ４（Ｘ４、Ｙ４、およびＺ４は０よりも大きい実数）とする。）などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のＩｎＯＸ１、またはＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２が、膜中に均一に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。
つまり、ＣＡＣ−ＩＧＺＯは、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半導体である。なお、本明細書において、例えば、第１の領域の元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、第２の領域の元素Ｍに対するＩｎの原子数比よりも大きいことを、第１の領域は、第２の領域と比較して、Ｉｎの濃度が高いとする。
なお、ＩＧＺＯは通称であり、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＯによる１つの化合物をいう場合がある。代表例として、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ１（ｍ１は自然数）、またはＩｎ（１＋ｘ０）Ｇａ（１−ｘ０）Ｏ３（ＺｎＯ）ｍ０（−１≦ｘ０≦１、ｍ０は任意数）で表される結晶性の化合物が挙げられる。
上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはＣＡＡＣ構造を有する。なお、ＣＡＡＣ構造とは、複数のＩＧＺＯナノ結晶がｃ軸配向を有し、かつａ−ｂ面においては配向せずに連結した結晶構造である。
一方、ＣＡＣは、材料構成に関する。ＣＡＣとは、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＯを含む材料構成において、一部にＧａを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にＩｎを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。従って、ＣＡＣにおいて、結晶構造は副次的な要素である。
なお、ＣＡＣは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Ｉｎを主成分とする膜と、Ｇａを主成分とする膜との２層からなる構造は、含まない。
なお、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
＜ＣＡＣ−ＩＧＺＯの解析＞
続いて、各種測定方法を用い、基板上に成膜した酸化物半導体膜について測定を行った結果について説明する。
≪試料の構成と作製方法≫
以下では、本発明の一態様に係る９個の試料について説明する。各試料は、それぞれ、酸化物半導体膜を成膜する際の基板温度、および酸素ガス流量比を異なる条件で作製する。なお、試料は、基板と、基板上の酸化物半導体膜と、を有する構造である。
各試料の作製方法について、説明する。
まず、基板として、ガラス基板を用いる。続いて、スパッタリング装置を用いて、ガラス基板上に酸化物半導体膜として、厚さ１００ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。成膜条件は、チャンバー内の圧力を０．６Ｐａとし、ターゲットには、酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）を用いる。また、スパッタリング装置内に設置された酸化物ターゲットに２５００ＷのＡＣ電力を供給する。
なお、酸化物を成膜する際の条件として、基板温度を、意図的に加熱しない温度（以下、Ｒ．Ｔ．ともいう。）、１３０℃、または１７０℃とした。また、Ａｒと酸素の混合ガスに対する酸素ガスの流量比（以下、酸素ガス流量比ともいう。）を、１０％、３０％、または１００％とすることで、９個の試料を作製する。
≪Ｘ線回折による解析≫
本項目では、９個の試料に対し、Ｘ線回折測定を行った結果について説明する。なお、ＸＲＤ装置として、Ｂｒｕｋｅｒ社製Ｄ８　ＡＤＶＡＮＣＥ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５０ｄｅｇ．、ステップ幅０．０２ｄｅｇ．、走査速度を３．０ｄｅｇ．／分とした。
図７６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。なお、図７６において、上段には成膜時の基板温度条件が１７０℃の試料における測定結果、中段には成膜時の基板温度条件が１３０℃の試料における測定結果、下段には成膜時の基板温度条件がＲ．Ｔ．の試料における測定結果を示す。また、左側の列には酸素ガス流量比の条件が１０％の試料における測定結果、中央の列には酸素ガス流量比の条件が３０％の試料における測定結果、右側の列には酸素ガス流量比の条件が１００％の試料における測定結果、を示す。
図７６に示すＸＲＤスペクトルは、成膜時の基板温度を高くする、または、成膜時の酸素ガス流量比の割合を大きくすることで、２θ＝３１°付近のピーク強度が高くなる。なお、２θ＝３１°付近のピークは、被形成面または上面に略垂直方向に対してｃ軸に配向した結晶性ＩＧＺＯ化合物（ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯともいう。）であることに由来することが分かっている。
また、図７６に示すＸＲＤスペクトルは、成膜時の基板温度が低い、または、酸素ガス流量比が小さいほど、明確なピークが現れなかった。従って、成膜時の基板温度が低い、または、酸素ガス流量比が小さい試料は、測定領域のａ−ｂ面方向、およびｃ軸方向の配向は見られないことが分かる。
≪電子顕微鏡による解析≫
本項目では、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料を、ＨＡＡＤＦ（Ｈｉｇｈ−Ａｎｇｌｅ　Ａｎｎｕｌａｒ　Ｄａｒｋ　Ｆｉｅｌｄ）−ＳＴＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察、および解析した結果について説明する（以下、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭによって取得した像は、ＴＥＭ像ともいう。）。
ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭによって取得した平面像（以下、平面ＴＥＭ像ともいう。）、および断面像（以下、断面ＴＥＭ像ともいう。）の画像解析を行った結果について説明する。なお、ＴＥＭ像は、球面収差補正機能を用いて観察した。なお、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像の撮影には、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆを用いて、加速電圧２００ｋＶ、ビーム径約０．１ｎｍφの電子線を照射して行った。
図７７Ａは、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料の平面ＴＥＭ像である。図７７Ｂは、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料の断面ＴＥＭ像である。
≪電子線回折パターンの解析≫
本項目では、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料に、プローブ径が１ｎｍの電子線（ナノビーム電子線ともいう。）を照射することで、電子線回折パターンを取得した結果について説明する。
図７７Ａに示す、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料の平面ＴＥＭ像において、黒点ａ１、黒点ａ２、黒点ａ３、黒点ａ４、および黒点ａ５で示す電子線回折パターンを観察する。なお、電子線回折パターンの観察は、電子線を照射しながら０秒の位置から３５秒の位置まで一定の速度で移動させながら行う。黒点ａ１の結果を図７７Ｃ、黒点ａ２の結果を図７７Ｄ、黒点ａ３の結果を図７７Ｅ、黒点ａ４の結果を図７７Ｆ、および黒点ａ５の結果を図７７Ｇに示す。
図７７Ｃ、図７７Ｄ、図７７Ｅ、図７７Ｆ、および図７７Ｇより、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測できる。また、リング状の領域に複数のスポットが観測できる。
また、図７７Ｂに示す、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料の断面ＴＥＭ像において、黒点ｂ１、黒点ｂ２、黒点ｂ３、黒点ｂ４、および黒点ｂ５で示す電子線回折パターンを観察する。黒点ｂ１の結果を図７７Ｈ、黒点ｂ２の結果を図７７Ｉ、黒点ｂ３の結果を図７７Ｊ、黒点ｂ４の結果を図７７Ｋ、および黒点ｂ５の結果を図７７Ｌに示す。
図７７Ｈ、図７７Ｉ、図７７Ｊ、図７７Ｋ、および図７７Ｌより、リング状に輝度の高い領域が観測できる。また、リング状の領域に複数のスポットが観測できる。
ここで、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる回折パターンが見られる。つまり、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、リング状の回折パターンが確認される。つまり、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。
また、微結晶を有する酸化物半導体（以下、ｎｃ−ＯＳという。）に対し、大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対し、小さいプローブ径の電子線（例えば５０ｎｍ未満）を用いるナノビーム電子線回折を行うと、輝点（スポット）が観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。さらに、リング状の領域に複数の輝点が観測される場合がある。
成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料の電子線回折パターンは、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点を有する。従って、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料は、電子線回折パターンが、ｎｃ−ＯＳになり、平面方向、および断面方向において、配向性は有さない。
以上より、成膜時の基板温度が低い、または、酸素ガス流量比が小さい酸化物半導体膜は、アモルファス構造の酸化物半導体膜とも、単結晶構造の酸化物半導体膜とも明確に異なる性質を有すると推定できる。
≪元素分析≫
本項目では、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ−ｒａｙ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用い、ＥＤＸマッピングを取得し、評価することによって、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料の元素分析を行った結果について説明する。なお、ＥＤＸ測定には、元素分析装置として日本電子株式会社製エネルギー分散型Ｘ線分析装置ＪＥＤ−２３００Ｔを用いる。なお、試料から放出されたＸ線の検出にはＳｉドリフト検出器を用いる。
ＥＤＸ測定では、試料の分析対象領域の各点に電子線照射を行い、これにより発生する試料の特性Ｘ線のエネルギーと発生回数を測定し、各点に対応するＥＤＸスペクトルを得る。本実施の形態では、各点のＥＤＸスペクトルのピークを、Ｉｎ原子のＬ殻への電子遷移、Ｇａ原子のＫ殻への電子遷移、Ｚｎ原子のＫ殻への電子遷移及びＯ原子のＫ殻への電子遷移に帰属させ、各点におけるそれぞれの原子の比率を算出する。これを試料の分析対象領域について行うことにより、各原子の比率の分布が示されたＥＤＸマッピングを得ることができる。
図７８Ａ、図７８Ｂ、および図７８Ｃには、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料の断面におけるＥＤＸマッピングを示す。図７８Ａは、Ｇａ原子のＥＤＸマッピング（全原子に対するＧａ原子の比率は１．１８乃至１８．６４［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲とする。）である。図７８Ｂは、Ｉｎ原子のＥＤＸマッピング（全原子に対するＩｎ原子の比率は９．２８乃至３３．７４［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲とする。）である。図７８Ｃは、Ｚｎ原子のＥＤＸマッピング（全原子に対するＺｎ原子の比率は６．６９乃至２４．９９［ａｔｏｍｉｃ％］の範囲とする。）である。また、図７８Ａ、図７８Ｂ、および図７８Ｃは、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料の断面において、同範囲の領域を示している。なお、ＥＤＸマッピングは、範囲における、測定元素が多いほど明るくなり、測定元素が少ないほど暗くになるように、明暗で元素の割合を示している。また、図７８Ａ、図７８Ｂ、および図７８Ｃに示すＥＤＸマッピングの倍率は７２０万倍である。
図７８Ａ、図７８Ｂ、および図７８Ｃに示すＥＤＸマッピングでは、画像に相対的な明暗の分布が見られ、成膜時の基板温度Ｒ．Ｔ．、および酸素ガス流量比１０％で作製した試料において、各原子が分布を持って存在している様子が確認できる。ここで、図７８Ａ、図７８Ｂ、および図７８Ｃに示す実線で囲む範囲と破線で囲む範囲に注目する。
図７８Ａでは、実線で囲む範囲は、相対的に暗い領域を多く含み、破線で囲む範囲は、相対的に明るい領域を多く含む。また、図７８Ｂでは実線で囲む範囲は、相対的に明るい領域を多く含み、破線で囲む範囲は、相対的に暗い領域を多く含む。
つまり、実線で囲む範囲はＩｎ原子が相対的に多い領域であり、破線で囲む範囲はＩｎ原子が相対的に少ない領域である。ここで、図７８Ｃでは、実線で囲む範囲において、右側は相対的に明るい領域であり、左側は相対的に暗い領域である。従って、実線で囲む範囲は、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１などが主成分である領域である。
また、実線で囲む範囲はＧａ原子が相対的に少ない領域であり、破線で囲む範囲はＧａ原子が相対的に多い領域である。図７８Ｃでは、破線で囲む範囲において、左上の領域は、相対的に明るい領域であり、右下側の領域は、暗い領域である。従って、破線で囲む範囲は、ＧａＯＸ３、またはＧａＸ４ＺｎＹ４ＯＺ４などが主成分である領域である。
また、図７８Ａ、図７８Ｂ、および図７８Ｃより、Ｉｎ原子の分布は、Ｇａ原子よりも、比較的、均一に分布しており、ＩｎＯＸ１が主成分である領域は、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２が主成分となる領域を介して、互いに繋がって形成されているように見える。このように、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域は、クラウド状に広がって形成されている。
このように、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を、ＣＡＣ−ＩＧＺＯと呼称することができる。
また、ＣＡＣにおける結晶構造は、ｎｃ構造を有する。ＣＡＣが有するｎｃ構造は、電子線回折像において、単結晶、多結晶、またはＣＡＡＣ構造を含むＩＧＺＯに起因する輝点（スポット）以外にも、数か所以上の輝点（スポット）を有する。または、数か所以上の輝点（スポット）に加え、リング状に輝度の高い領域が現れるとして結晶構造が定義される。
また、図７８Ａ、図７８Ｂ、および図７８Ｃより、ＧａＯＸ３が主成分である領域、及びＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域のサイズは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下で観察される。なお、好ましくは、ＥＤＸマッピングにおいて、各金属元素が主成分である領域の径は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下とする。
以上より、ＣＡＣ−ＩＧＺＯは、金属元素が均一に分布したＩＧＺＯ化合物とは異なる構造であり、ＩＧＺＯ化合物と異なる性質を有する。つまり、ＣＡＣ−ＩＧＺＯは、ＧａＯＸ３などが主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。従って、ＣＡＣ−ＩＧＺＯを半導体素子に用いた場合、ＧａＯＸ３などに起因する性質と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１に起因する性質とが、相補的に作用することにより、高いオン電流（Ｉｏｎ）、および高い電界効果移動度（μ）を実現することができる。
また、ＣＡＣ−ＩＧＺＯを用いた半導体素子は、信頼性が高い。従って、ＣＡＣ−ＩＧＺＯは、ディスプレイをはじめとするさまざまな半導体装置に最適である。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態、または他の実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態３）
　本実施の形態では、先の実施の形態に示す金属酸化物膜を半導体層として用いた半導体装置の一形態について図３０Ａ乃至図５３を用いて説明する。
＜トランジスタ構造１＞
　以下では、本発明の一態様に係るトランジスタの一例について説明する。図３０Ａ乃至３０Ｃは、本発明の一態様に係るトランジスタの上面図および断面図である。図３０Ａは上面図であり、図３０Ｂは、図３０Ａに示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２、図３０Ｃは、一点鎖線Ｙ１−Ｙ２に対応する断面図である。なお、図３０Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
　トランジスタ２００は、ゲート電極として機能する導電体２０５（導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂ）、および導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体２５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物２３０と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体２４０ａと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体２４０ｂと、過剰酸素を有する絶縁体２８０と、バリア性を有する絶縁体２８２と、を有する。
　また、酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。なお、トランジスタ２００をオンさせると、主として酸化物２３０ｂに電流が流れる（チャネルが形成される）。一方、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂとの界面近傍（混合領域となっている場合もある）に電流が流れる場合があるものの、そのほかの領域は絶縁体として機能する場合がある。
　また、図３０Ａ乃至３０Ｃに示すように、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面を覆うように設けることが好ましい。絶縁体２８０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物２３０ｂとの間に、酸化物２３０ｃが介在することにより、絶縁体２８０から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物２３０ｂへ拡散することを抑制することができる。
　導電体２０５には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等である。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、酸化しにくい（耐酸化性が高い）ため、好ましい。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
　例えば、導電体２０５ａとして、水素に対するバリア性を有する導電体である、窒化タンタル等を用い、導電体２０５ｂとして、導電性が高いタングステンを積層するとよい。当該組み合わせを用いることで、配線としての導電性を保持したまま、酸化物２３０への水素の拡散を抑制することができる。なお、図３０Ａ乃至３０Ｃでは、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂの２層構造を示したが、当該構成に限定されず、単層でも３層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
　絶縁体２２０、および絶縁体２２４は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体であることが好ましい。特に、絶縁体２２４として過剰酸素を含む（化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む）絶縁体を用いることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を、トランジスタ２００を構成する酸化物に接して設けることにより、酸化物中の酸素欠損を補償することができる。なお、絶縁体２２２と絶縁体２２４とは、必ずしも同じ材料を用いなくともよい。
　絶縁体２２２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、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
　または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層してもよい。
　なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
　絶縁体２２０及び絶縁体２２４の間に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体２２２を有することで、特定の条件で絶縁体２２２が電子を捕獲し、しきい値電圧を増大させることができる。つまり、絶縁体２２２が負に帯電する場合がある。
　例えば、絶縁体２２０、および絶縁体２２４に、酸化シリコンを用い、絶縁体２２２に、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用いた場合、半導体装置の使用温度、あるいは保管温度よりも高い温度（例えば、１２５℃以上４５０℃以下、代表的には１５０℃以上３００℃以下）の下で、導電体２０５の電位がソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、１０ミリ秒以上、代表的には１分以上維持することで、トランジスタ２００を構成する酸化物から導電体２０５に向かって、電子が移動する。この時、移動する電子の一部が、絶縁体２２２の電子捕獲準位に捕獲される。
　絶縁体２２２の電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。なお、導電体２０５の電圧の制御によって電子の捕獲する量を制御することができ、それに伴ってしきい値電圧を制御することができる。当該構成を有することで、トランジスタ２００は、ゲート電圧が０Ｖであっても非導通状態（オフ状態ともいう）であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
　また、電子を捕獲する処理は、トランジスタの作製過程におこなえばよい。例えば、トランジスタのソースあるいはドレインに接続する導電体の形成後、あるいは、前工程（ウェハー処理）の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ後等、工場出荷前のいずれかの段階で行うとよい。
　また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４の膜厚を適宜調整することで、しきい値電圧を制御することができる。例えば、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２０の合計膜厚を薄くすることで導電体２０５からの電圧が効率的にかかる為、消費電力が低いトランジスタを提供することができる。絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４の合計膜厚は、６５ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下であることが好ましい。
　従って、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の高いトランジスタを提供することができる。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。
　酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃは、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）等の金属酸化物で形成される。ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃは、上記実施の形態に記載の金属酸化物膜を用いることができる。また、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物などを用いてもよい。
　続いて、酸化物を３層構造、または２層構造とした場合のバンド構造について図３１Ａ乃至３１Ｃを用いて説明する。なお、図３１Ａ乃至３１Ｃに示す、絶縁体Ｉ１、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３及び絶縁体Ｉ２は、トランジスタ２００の絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０に対応する。
　図３１Ａは、絶縁体Ｉ１、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図３１Ｂは、絶縁体Ｉ１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図３１Ｃは、絶縁体Ｉ１、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、及び絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。なお、バンド図は、理解を容易にするため絶縁体Ｉ１、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３、及び絶縁体Ｉ２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。
　また、図３１Ａは、絶縁体Ｉ１、絶縁体Ｉ２として酸化シリコン膜を用い、酸化物Ｓ１として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物Ｓ２として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物Ｓ３として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。
　また、図３１Ｂは、絶縁体Ｉ１、絶縁体Ｉ２として酸化シリコン膜を用い、酸化物Ｓ２として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物Ｓ３として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。
　また、図３１Ｃは、絶縁体Ｉ１、絶縁体Ｉ２として酸化シリコン膜を用い、酸化物Ｓ１として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用い、酸化物Ｓ２として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を用いる構成のバンド図である。
　酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３は、酸化物Ｓ２よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に近く、代表的には、酸化物Ｓ２の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下であることが好ましい。すなわち、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３の電子親和力と、酸化物Ｓ２の電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下であることが好ましい。
　図３１Ａ乃至３１Ｃに示すように、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、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。このようなバンド図を有するためには、酸化物Ｓ１と酸化物Ｓ２との界面、または酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ３との界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
　具体的には、酸化物Ｓ１と酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ３が、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物Ｓ２がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
　このとき、キャリアの主たる経路は酸化物Ｓ２となる。酸化物Ｓ１と酸化物Ｓ２との界面、および酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ３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ため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。特に、上記実施の形態に示すように、酸化物Ｓ２が、ｃ軸配向性を有する第１の結晶部よりｃ軸配向性を有さない第２の結晶部の存在割合が多くなる構成とすることにより、より高いオン電流を得ることができる。
　トラップ準位に電子が捕獲されることで、捕獲された電子は固定電荷のように振る舞うため、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３を設けることにより、トラップ準位を酸化物Ｓ２より遠ざけることができる。当該構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向にシフトすることを防止することができる。
　また、欠陥準位がチャネル領域として機能する酸化物Ｓ２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位から遠くなることがあり、欠陥準位に電子が蓄積しやすくなってしまう。欠陥準位に電子が蓄積されることで、マイナスの固定電荷となり、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。したがって、欠陥準位が酸化物Ｓ２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）より真空準位に近くなるような構成にすると好ましい。このようにすることで、欠陥準位に電子が蓄積しにくくなり、トランジスタのオン電流を増大させることが可能であると共に、電界効果移動度を高めることができる。
　酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３は、酸化物Ｓ２と比較して、導電率が十分に低い材料を用いる。このとき、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ１との界面、および酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ３との界面が、主にチャネル領域として機能する。例えば、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３には、図２６Ｃにおいて、絶縁性が高くなる領域Ｃで示す原子数比の酸化物を用いればよい。なお、図２６Ｃに示す領域Ｃは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、またはその近傍値である原子数比を示している。
　特に、酸化物Ｓ２に領域Ａで示される原子数比の酸化物を用いる場合、酸化物Ｓ１および酸化物Ｓ３には、［Ｍ］／［Ｉｎ］が１以上、好ましくは２以上である酸化物を用いることが好ましい。また、酸化物Ｓ３として、十分に高い絶縁性を得ることができる［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｉｎ］）が１以上である酸化物を用いることが好適である。
　また、本実施の形態においては、酸化物Ｓ１、Ｓ３として、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物を用いる構成について例示したが、これに限定されない。例えば、酸化物Ｓ１、Ｓ３として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：５［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：６［原子数比］、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１０：１［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物を用いてもよい。あるいは、酸化物Ｓ１、Ｓ３として、金属元素の原子数比をＧａ：Ｚｎ＝１０：１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物を用いてもよい。この場合、酸化物Ｓ２として金属元素の原子数比をＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物を用い、酸化物Ｓ１、Ｓ３として金属元素の原子数比をＧａ：Ｚｎ＝１０：１の金属酸化物ターゲットを用いて形成される酸化物を用いると、酸化物Ｓ２の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物Ｓ１、Ｓ３の伝導帯下端のエネルギー準位との差を０．６ｅＶ以上とすることができるため好適である。
　なお、酸化物Ｓ１、Ｓ３として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物Ｓ１、Ｓ３は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：β１（０＜β１≦２）：β２（０＜β２≦２）となる場合がある。また、酸化物Ｓ１、Ｓ３として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物Ｓ１、Ｓ３は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：β３（１≦β３≦５）：β４（２≦β４≦６）となる場合がある。また、酸化物Ｓ１、Ｓ３として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６［原子数比］の金属酸化物ターゲットを用いる場合、酸化物Ｓ１、Ｓ３は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：β５（１≦β５≦５）：β６（４≦β６≦８）となる場合がある。
　また、酸素の拡散が主に絶縁体２８０から行われるので、酸化物Ｓ３は酸素透過性が高いことが好ましい。例えば、酸化物Ｓ３は上記実施の形態に示す試料Ａ１または試料Ａ２のような金属酸化物膜を用いることが好ましい。
　また、酸化物Ｓ３を酸素過剰な雰囲気（例えば、成膜ガスを酸素１００％にする。）で成膜して、酸化物Ｓ３から酸化物Ｓ２に酸素を供給してもよい。
　絶縁体２５０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、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層してもよい。
　また、絶縁体２５０として、絶縁体２２４と同様に、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む酸化物絶縁体を用いることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減することができる。
　また、絶縁体２５０は、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化シリコンなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることができる。絶縁体２５０は、このような材料を用いて形成した場合、酸化物２３０からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
　なお、絶縁体２５０は、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４と同様の積層構造を有していてもよい。絶縁体２５０として、電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させた絶縁体を有することで、トランジスタ２００は、しきい値電圧をプラス側にシフトすることができる。当該構成を有することで、トランジスタ２００は、ゲート電圧が０Ｖであっても非導通状態（オフ状態ともいう）であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
　また、図３０Ａ乃至３０Ｃに示す半導体装置において、酸化物２３０と導電体２６０の間に、絶縁体２５０の他にバリア膜を設けてもよい。もしくは、酸化物２３０ｃにバリア性があるものを用いてもよい。
　例えば、過剰酸素を含む絶縁膜を酸化物２３０に接して設け、さらにバリア膜で包み込むことで、酸化物を化学量論比組成とほぼ一致するような状態、または化学量論的組成より酸素が多い過飽和の状態とすることができる。また、酸化物２３０への水素等の不純物の侵入を防ぐことができる。
　導電体２４０ａと、および導電体２４０ｂは、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。
　導電体２４０ａと、導電体２４０ｂは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。
　また、図では単層構造を示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層するとよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造を用いてもよい。
　また、チタン膜または窒化チタン膜上にアルミニウム膜または銅膜、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を積層する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜上にアルミニウム膜または銅膜、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を積層する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
　また、ゲート電極としての機能を有する導電体２６０は、例えばアルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。また、図では２層構造を示したが、単層、または３層以上の積層構造としてもよい。
　なお、２層構造は、同じ材料を積層して設けてもよい。例えば、導電体２６０ａは、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法を用いて形成する。特に、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成することが好ましい。ＡＬＤ法等により形成することで、絶縁体２５０に対する成膜時のダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ２００を提供することができる。
　続いて、導電体２６０ｂはスパッタリング法を用いて形成する。この時、絶縁体２５０上に、導電体２６０ａを有することで、導電体２６０ａの成膜時のダメージが、絶縁体２５０に影響することを抑制することができる。また、ＡＬＤ法と比較して、スパッタリング法は成膜速度が速いため、歩留まりが高く、生産性を向上させることができる。
　また、例えば、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造を用いるとよい。また、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造を用いてもよい。
　また、チタン膜上にアルミニウム膜、さらにその上にチタン膜を積層する三層構造等を用いてもよい。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
　また、導電体２６０は、インジウム、錫、亜鉛、ガリウム、またはシリコンなどから選ばれた元素を含む導電性材料を用いることができる。インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属の積層構造を用いることもできる。
　続いて、トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０、および絶縁体２８２を設ける。
　絶縁体２８０には、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２８０には、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）が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ２００に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ２００近傍の層間膜などとして、過剰酸素領域を有する絶縁体を設け、トランジスタ２００の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。
　過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
　例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
　また、トランジスタ２００を覆う絶縁体２８０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。
　絶縁体２８２は、例えば、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、絶縁体２８２は絶縁体２２２に用いることができる絶縁体を用いてもよい。絶縁体２８２は、このような材料を用いて形成した場合、酸化物２３０からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
　上記構成を有することで、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、上記構成を有するトランジスタを半導体装置に用いることで、半導体装置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。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
＜トランジスタ構造２＞
　図３２Ａ乃至３２Ｃには、トランジスタ２００に適用できる構造の一例を示す。図３２Ａはトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図３２Ａにおいて一部の膜は省略されている。また、図３２Ｂは、図３２Ａに示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図３２ＣはＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
　なお、図３２Ａ乃至３２Ｃに示すトランジスタ２００において、図３０Ａ乃至３０Ｃに示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
　図３２Ａ乃至３２Ｃに示す構造は、導電体２６０を覆うように、絶縁体２７０を設ける。絶縁体２８０に酸素が脱離する酸化物材料を用いる場合、導電体２６０が、脱離した酸素により酸化することを防止するため、絶縁体２７０は、酸素に対してバリア性を有する物質を用いる。絶縁体２７０には、絶縁体２８２に用いることができる絶縁体を用いてもよい。
　例えば、絶縁体２７０には、酸化アルミニウムなどの金属酸化物を用いることができる。また絶縁体２７０は、導電体２６０の酸化を防止する程度の厚さに設けられていればよい。例えば、絶縁体２７０の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上７ｎｍ以下として設ける。
　当該構成とすることで、導電体２６０の材料選択の幅を広げることができる。例えば、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
　従って、導電体２６０の酸化を抑制し、絶縁体２８０から、脱離した酸素を効率的に酸化物２３０へと供給することができる。また、導電体２６０に導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ２００を提供することができる。
＜トランジスタ構造３＞
　図３３Ａ乃至３３Ｃには、トランジスタ２００に適用できる構造の一例を示す。図３３Ａはトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図３３Ａにおいて一部の膜は省略されている。また、図３３Ｂは、図３３Ａに示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図３３ＣはＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
　なお、図３３Ａ乃至３３Ｃに示すトランジスタ２００において、図３２Ａ乃至３２Ｃに示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
　図３３Ａ乃至３３Ｃに示す構造は、導電体２４０ａに積層して絶縁体２４３ａを設け、導電体２４０ｂに積層して絶縁体２４３ｂを設ける。絶縁体２８０に酸素が脱離する酸化物材料を用いる場合、導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂが、脱離した酸素により酸化することを防止するため、絶縁体２４３ａ及び絶縁体２４３ｂは、酸素に対してバリア性を有する物質を用いる。
　例えば、絶縁体２４３ａ及び絶縁体２４３ｂには、酸化アルミニウム、酸化ガリウムなどの金属酸化物を用いることができる。また、絶縁体２４３ａ及び絶縁体２４３ｂとして、窒化シリコンなどを用いてもよい。
　当該構成とすることで、導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂの材料選択の幅を広げることができる。例えば、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
　従って、導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂの酸化を抑制し、絶縁体２８０から、脱離した酸素を効率的に酸化物２３０へと供給することができる。また、導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂに導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ２００を提供することができる。
　また、図３０Ａ乃至３０Ｃなどに示すトランジスタ２００では、絶縁体２２０、絶縁体２２２及び絶縁体２２４を積層してゲート絶縁膜として機能させていたが、本実施の形態に示すトランジスタはこれに限られるものではない。例えば、図３３Ａ乃至３３Ｃに示すように、絶縁体２２４だけを設ける構造としてもよい。
　図３３Ａ乃至３３Ｃに示す構造では、導電体２０５ａ及び導電体２０５ｂの上面を覆うように導電体２０５ｃを設けることが好ましい。ここで、導電体２０５ａ乃至導電体２０５ｃを指して導電体２０５と呼ぶ場合がある。絶縁体２２４に酸素が脱離する酸化物材料を用いる場合、導電体２０５ｂが、脱離した酸素により酸化することを防止するため、導電体２０５ｃは、導電体２０５ａと同様の導電体を用いることができる。また、例えば、上記の透光性を有する導電材料を用いてもよい。
　当該構成とすることで、導電体２０５ｂの材料選択の幅を広げることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
　従って、導電体２０５ｂの酸化を抑制し、絶縁体２２４から、脱離した酸素を効率的に酸化物２３０へと供給することができる。また、導電体２０５ｂに導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ２００を提供することができる。
＜トランジスタ構造４＞
　図３４Ａ乃至３４Ｃには、トランジスタ２００に適用できる構造の一例を示す。図３４Ａはトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図３４Ａにおいて一部の膜は省略されている。また、図３４Ｂは、図３４Ａに示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図３４ＣはＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
　なお、図３４Ａ乃至３４Ｃに示すトランジスタ２００において、図３０Ａ乃至３０Ｃに示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
　図３４Ａ乃至３４Ｃに示す構造は、ゲート電極として機能する導電体２６０が、導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、導電体２６０ｃを有する。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂの側面を覆っていればよく、絶縁体２２４上で切断されていてもよい。
　導電体２６０ａは、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法を用いて形成する。特に、ＡＬＤ法を用いて形成することが好ましい。ＡＬＤ法等により形成することで、絶縁体２５０に対するプラズマによるダメージを減らすことができる。また、導電体２６０ａの被覆性を向上させることができるため好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ２００を提供することができる。
　また、導電体２６０ｂは、タンタル、タングステン、銅、アルミニウムなどの導電性が高い材料を用いて形成する。さらに、導電体２６０ｂ上に形成する導電体２６０ｃは、窒化タングステンなどの耐酸化性が高い導電体を用いて形成することが好ましい。
　例えば、絶縁体２８０に酸素が脱離する酸化物材料を用いる場合、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０と接する面積が大きい導電体２６０ｃに耐酸化性が高い導電体を用いることで、過剰酸素から脱離される酸素が導電体２６０に吸収されることを抑制することができる。また、導電体２６０の酸化を抑制し、絶縁体２８０から、脱離した酸素を効率的に酸化物２３０へと供給することができる。また、導電体２６０ｂに導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ２００を提供することができる。
　また、図３４Ｃに示すように、トランジスタ２００は、チャネル幅方向において、酸化物２３０ｂが導電体２０５、および導電体２６０に覆われている。また、絶縁体２２４が凸部を有することによって、酸化物２３０ｂの側面も導電体２６０で覆うことができる。例えば、絶縁体２２４の凸部の形状を調整することで、酸化物２３０ｂの側面において、導電体２６０の底面が、酸化物２３０ｂの底面よりも、基板側となる構造となることが好ましい。つまり、トランジスタ２００は、導電体２０５および導電体２６０の電界によって、酸化物２３０ｂを電気的に取り囲むことができる構造を有する。このように、導電体の電界によって、酸化物２３０ｂを電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタ２００は、酸化物２３０ｂ全体（バルク）にチャネルを形成することもできる。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きいオン電流（トランジスタがオン状態のときにソースとドレインの間に流れる電流）を得ることができる。また、導電体２０５および導電体２６０の電界によって、酸化物２３０ｂに形成されるチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。なお、チャネル幅を小さくすることで、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などを高めることができる。
　図３４Ａ乃至３４Ｃに示す構造は、ソースまたはドレインとして機能する導電体が積層構造を有する。導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂは、酸化物２３０ｂと密着性が高い導電体を用い、導電体２４１ａ、導電体２４１ｂは、導電性が高い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、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成することが好ましい。ＡＬＤ法等により形成することで、被覆性を向上させることができる。
　例えば、酸化物２３０ｂに、インジウムを有する金属酸化物を用いる場合、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂには、窒化チタンなどを用いればよい。また、導電体２４１ａ、および導電体２４１ｂに、タンタル、タングステン、銅、アルミニウムなどの導電性が高い材料を用いることで、信頼性が高く、消費電力が小さいトランジスタ２００を提供することができる。また、導電体２４１ａ及び導電体２４１ｂとして導電体２６０に用いることができる導電体を用いてもよく、例えば、透光性を有する導電体材料を用いてもよい。
＜トランジスタ構造５＞
　図３５Ａ乃至３５Ｃには、トランジスタ２００に適用できる構造の一例を示す。図３５Ａはトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図３５Ａにおいて一部の膜は省略されている。また、図３５Ｂは、図３５Ａに示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図３５ＣはＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
　なお、図３５Ａ乃至３５Ｃに示すトランジスタ２００において、図３０Ａ乃至３０Ｃに示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
　図３５Ｃに示すように、トランジスタ２００は、チャネル幅方向において、酸化物２３０ｂが導電体２０５、および導電体２６０に囲まれている。また、絶縁体２２２が凸部を有することによって、酸化物２３０ｂの側面も導電体２６０で覆うことができる。
　ここで、絶縁体２２２に、酸化ハフニウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いる場合、絶縁体２２２の比誘電率が大きいため、ＳｉＯ２膜換算膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　Ｏｘｉｄｅ　Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を小さくすることができる。従って、酸化物２３０にかかる導電体２０５からの電界の影響を弱めることなく、絶縁体２２２の物理的な厚みにより、導電体２０５と、酸化物２３０との間の距離を広げることができる。従って、絶縁体２２２の膜厚により、導電体２０５と、酸化物２３０との間の距離を調整することができる。
　例えば、絶縁体２２４の凸部の形状を調整することで、酸化物２３０ｂの側面において、導電体２６０の底面が、酸化物２３０ｂの底面よりも、基板側となる構造となることが好ましい。つまり、トランジスタ２００は、導電体２０５および導電体２６０の電界によって、酸化物２３０ｂを電気的に取り囲むことができる構造を有する。このように、導電体の電界によって、酸化物２３０ｂを電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造とよぶ。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタ２００は、酸化物２３０ｂ全体（バルク）にチャネルを形成することもできる。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きいオン電流（トランジスタがオン状態のときにソースとドレインの間に流れる電流）を得ることができる。また、導電体２０５および導電体２６０の電界によって、酸化物２３０ｂに形成されるチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。なお、チャネル幅を小さくすることで、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などを高めることができる。
　また、図３５Ｂ及び３５Ｃに示すように、酸化物２３０ｃの側面が絶縁体２５０及び導電体２６０の側面と略一致するように酸化物２３０ｃを形成してもよい。これにより、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０及び導電体２６０のパターン形成を一括で行うことができるので、工程の簡略化を図ることができる。ここで、導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂとして、水素または酸素に対するバリア性があり、酸化しにくい（耐酸化性が高い）、窒化タンタルなどの金属窒化物を用いることにより、導電体２４０ａ及び導電体２４０ｂが酸化されることを防ぐことができる。また、絶縁体２８０から酸化物２３０ｂに過剰酸素を容易に供給することができる。
＜トランジスタ構造６＞
　図３６Ａ乃至３６Ｃには、トランジスタ２００に適用できる構造の一例を示す。図３６Ａはトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図３６Ａにおいて一部の膜は省略されている。また、図３６Ｂは、図３６Ａに示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図３６ＣはＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
　なお、図３６Ａ乃至３６Ｃに示すトランジスタ２００において、図３０Ａ乃至３０Ｃに示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
　図３６Ａ乃至３６Ｃに示すトランジスタ２００は、絶縁体２８０に形成された開口部に、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０が形成されている。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの一方の端部と、絶縁体２８０に形成された開口部の端部が一致している。さらに、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの三方の端部が、酸化物２３０の端部の一部と一致している。従って、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、酸化物２３０または絶縁体２８０の開口部と、同時に形成することができる。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。
　また、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、および酸化物２３０ｂは、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０と、酸化物２３０ｄを介して接する。そのため、絶縁体２８０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物２３０ｂとの間に、酸化物２３０ｄが介在することにより、絶縁体２８０から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物２３０ｂへ拡散することを抑制することができる。
　さらに、図３６Ａ乃至３６Ｃに示すトランジスタ２００は、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、導電体２６０と、がほとんど重ならない構造を有するため、導電体２６０にかかる寄生容量を小さくすることができる。即ち、動作周波数が高いトランジスタ２００を提供することができる。
＜トランジスタ構造７＞
　図３７Ａ乃至３７Ｃには、トランジスタ２００に適用できる構造の一例を示す。図３７Ａはトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図３７Ａにおいて一部の膜は省略されている。また、図３７Ｂは、図３７Ａに示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図３７ＣはＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
　なお、図３７Ａ乃至３７Ｃに示すトランジスタ２００において、図３０Ａ乃至３０Ｃに示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
　図３７Ａ乃至３７Ｃに示すトランジスタ２００は、酸化物２３０ｄを有さない構造である。例えば、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂに耐酸化性が高い導電体を用いる場合、酸化物２３０ｄは、必ずしも設けなくてもよい。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。
　また、絶縁体２２４は、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂと重畳する領域にのみ設けてもよい。この場合、絶縁体２２２をエッチングストッパーとして、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および絶縁体２２４を加工することができる。従って、歩留まりや生産性を高めることができる。
　さらに、図３７Ａ乃至３７Ｃに示すトランジスタ２００は、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂと、導電体２６０と、がほとんど重ならない構造を有するため、導電体２６０にかかる寄生容量を小さくすることができる。即ち、動作周波数が高いトランジスタ２００を提供することができる。
＜トランジスタ構造８＞
　図３８Ａ乃至３８Ｃには、トランジスタ２００に適用できる構造の一例を示す。図３８Ａはトランジスタ２００の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図３８Ａにおいて一部の膜は省略されている。また、図３８Ｂは、図３８Ａに示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２に対応する断面図であり、図３８ＣはＹ１−Ｙ２に対応する断面図である。
　なお、図３８Ａ乃至３８Ｃに示すトランジスタ２００において、図３６Ａ乃至３６Ｃに示したトランジスタ２００を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
　絶縁体２８２上に、絶縁体２８５、および絶縁体２８６が形成される。
　絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８５に形成された開口部に、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０が形成されている。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの一方の端部と、絶縁体２８０に形成された開口部の端部が一致している。さらに、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの三方の端部が、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの端部の一部と一致している。従って、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ、または絶縁体２８０の開口部と、同時に形成することができる。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。
　また、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、および酸化物２３０ｂは、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０と、酸化物２３０ｄを介して接する。そのため、絶縁体２８０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物２３０ｂとの間に、酸化物２３０ｄが介在することにより、絶縁体２８０から、水素、水、およびハロゲン等の不純物が、酸化物２３０ｂへ拡散することを抑制することができる。
　また、図３８Ａ乃至３８Ｃに示すトランジスタ２００は、高抵抗のオフセット領域が形成されないため、トランジスタ２００のオン電流を増大させることができる。
＜半導体装置の作製方法＞
　以下に、図３０Ａ乃至３０Ｃに示した半導体装置の作製方法の一例を図３９Ａ乃至図４２Ｂを参照して説明する。
　はじめに、基板を準備する（図示しない）。基板として使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが好ましい。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、インジウムガリウムヒ素からなる化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＧＯＩ（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板として用いてもよい。
　また、基板として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上にトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
　次に、絶縁体２１４、絶縁体２１６を形成する。続いて、絶縁体２１６上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスク２９０を形成し、絶縁体２１４、および絶縁体２１６の不要な部分を除去する（図３９Ａ）。その後、レジストマスク２９０を除去することにより、開口部を形成することができる。
　ここで、被加工膜の加工方法について説明する。被加工膜を微細に加工する場合には、様々な微細加工技術を用いることができる。例えば、リソグラフィ法等で形成したレジストマスクに対してスリミング処理を施す方法を用いてもよい。また、リソグラフィ法等でダミーパターンを形成し、当該ダミーパターンにサイドウォールを形成した後にダミーパターンを除去し、残存したサイドウォールをレジストマスクとして用いて、被加工膜をエッチングしてもよい。また、被加工膜のエッチングとして、高いアスペクト比を実現するために、異方性のドライエッチングを用いることが好ましい。また、無機膜または金属膜からなるハードマスクを用いてもよい。
　レジストマスクの形成に用いる光は、例えばｉ線（波長３６５ｎｍ）、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｈ線（波長４０５ｎｍ）、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やＫｒＦレーザ光、またはＡｒＦレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ　Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ）やＸ線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、Ｘ線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。
　また、レジストマスクとなるレジスト膜を形成する前に、被加工膜とレジスト膜との密着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。当該有機樹脂膜は、例えばスピンコート法などにより、その下方の段差を被覆して表面を平坦化するように形成することができ、当該有機樹脂膜の上方に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減できる。また、特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有機樹脂膜としては、例えばＢＡＲＣ（Ｂｏｔｔｏｍ　Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　Ｃｏａｔｉｎｇ）膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。
　続いて、絶縁体２１４、および絶縁体２１６上に、導電体２０５Ａ、および導電体２０５Ｂを成膜する。導電体２０５Ａ、および導電体２０５Ｂは、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）などにより成膜することができる。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法が好ましい（図３９Ｂ）。
　続いて、導電体２０５Ａ、および導電体２０５Ｂの不要な部分を除去する。例えば、エッチバック処理、または、機械的化学的研磨法（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理などにより、絶縁体２１６が露出するまで、導電体２０５Ａ、および導電体２０５Ｂの一部を除去することで、導電体２０５を形成する（図３９Ｃ）。この際、絶縁体２１６をストッパ層として使用することもでき、絶縁体２１６が薄くなる場合がある。
　ここで、ＣＭＰ処理とは、被加工物の表面を化学的・機械的な複合作用により平坦化する手法である。より具体的には、研磨ステージの上に研磨布を貼り付け、被加工物と研磨布との間にスラリー（研磨剤）を供給しながら研磨ステージと被加工物とを各々回転または揺動させて、スラリーと被加工物表面との間での化学反応と、研磨布と被加工物との機械的研磨の作用により、被加工物の表面を研磨する方法である。
　なお、ＣＭＰ処理は、１回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてＣＭＰ処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うのが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせてもよい。
　次に、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４を形成する（図３９Ｄ）。
　絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、上述の材料、または後述する絶縁体３２０に用いることができる材料を用いて作製することができる。特に、絶縁体２２２には、酸化ハフニウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることが好ましい。
　絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、例えば、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（熱ＣＶＤ法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を含む）、分子エピキタシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはパルスレーザー堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁体をＣＶＤ法、好ましくはＡＬＤ法等によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法が好ましい。また、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性のよい酸化シリコン膜を用いることもできる。
　なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、連続成膜することが好ましい。連続的に成膜することで、絶縁体２２０と絶縁体２２２との界面、および絶縁体２２２と絶縁体２２４との界面に不純物が付着することなく、信頼性が高い絶縁体を形成することができる。
　続いて、酸化物２３０ａとなる酸化物２３０Ａと、酸化物２３０ｂとなる酸化物２３０Ｂを順に成膜する。酸化物２３０Ａ及び酸化物２３０Ｂの成膜方法については、先の実施の形態の金属酸化物に係る記載を参酌することができる。また、当該酸化物は、大気に触れさせることなく連続して成膜することが好ましい。
　また、酸化物２３０Ａ及び酸化物２３０Ｂは、スパッタリング法で形成すると膜密度を高められるため、好適である。スパッタリング法で酸化物２３０Ａ及び酸化物２３０Ｂを形成する場合、スパッタリングガスには、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または希ガス及び酸素の混合ガスが適宜用いられる。また、スパッタリングガスは高純度化されていることが好ましい。例えば、スパッタリングガスとして、露点が−６０℃以下、好ましくは−１００℃以下にまで高純度化した酸素ガスやアルゴンガスを用いることで酸化物半導体膜１０８に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
　また、スパッタリング法で酸化物２３０Ａ及び酸化物２３０Ｂを形成する場合、スパッタリング装置におけるチャンバーを、酸化物２３０Ａ及び酸化物２３０Ｂにとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて、高真空（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）に排気することが好ましい。特に、スパッタリング装置の待機時における、チャンバー内のＨ２Ｏに相当するガス分子（ｍ／ｚ＝１８に相当するガス分子）の分圧を１×１０−４Ｐａ以下、好ましく５×１０−５Ｐａ以下とすることが好ましい。
　その後、酸化物２３０Ａ上に、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂとなる導電膜２４０Ａを形成する。導電膜２４０Ａには、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高い材質を用いることが好ましい。また、図では単層で表しているが、２層以上の積層構造としてもよい。続いて、上記と同様の方法によりレジストマスク２９２を形成する（図３９Ｅ）。
　レジストマスク２９２を用いて、導電膜２４０Ａの不要な部分をエッチングにより除去し、島状の導電層２４０Ｂを形成する（図４０Ａ）。その後、導電層２４０Ｂをマスクとして酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの不要な部分をエッチングにより除去する。
　このとき、同時に絶縁体２２４も、島状に加工してもよい。例えば、バリア性を有する絶縁体２２２をエッチングストッパー膜として用いることで、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４の合計膜厚が薄い構造においても、下方にある配線層まで、オーバーエッチングされることを防止することができる。また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４の合計膜厚を薄くすることで導電体２０５からの電圧が効率的にかかる為、消費電力が低いトランジスタを提供することができる。
　その後レジストマスクを除去することにより、島状の酸化物２３０ａ、島状の酸化物２３０ｂ、および島状の導電層２４０Ｂの積層構造を形成することができる（図４０Ｂ）。
　続いて、加熱処理を行うことが好ましい（図４０Ｃ、図中矢印は加熱処理を表す。）。加熱処理は、２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３８０℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理により、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの不純物である水素または水を除去することができる。また、酸化物２３０ａの下方に形成された絶縁体から、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに酸素が供給され、酸化物中の酸素欠損を低減することができる。
　次に、島状の導電層２４０Ｂ上に上記と同様の方法によりレジストマスク２９４を形成する（図４０Ｄ）。続いて、導電膜の不要な部分をエッチングにより除去した後、レジストマスク２９４を除去することにより、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂを形成する（図４１Ａ）。この際、絶縁体２２４、または絶縁体２２２に対して、オーバーエッチングを行うことで、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造としてもよい。
　続いて、加熱処理を行うことが好ましい（図４１Ｂ、図中矢印は加熱処理を表す。）。加熱処理は、２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３２０℃以上３８０℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理により、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの不純物である水素または水を除去することができる。また、酸化物２３０ａの下方に形成された絶縁体から、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに酸素が供給され、酸化物中の酸素欠損を低減することができる。さらに、酸化性ガスで加熱処理を行う場合、チャネルが形成される領域に、直接酸化性ガスが接することで、効率的に、チャネルが形成される領域の酸素欠損を低減することができる。
　続いて、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０となる導電膜２６０Ａを順に成膜する。また、酸化物２３０ｃの成膜方法については、先の実施の形態の金属酸化物に係る記載を参酌することができる。また、導電膜２６０Ａには、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高い材質を用いることが好ましい。また、図では単層で表しているが、２層以上の積層構造としてもよい。
　例えば、２層構造は、同じ材料を積層して設けてもよい。第１の導電膜は、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法を用いて形成する。特に、ＡＬＤ法を用いて形成することが好ましい。ＡＬＤ法等により形成することで、絶縁体２５０に対する成膜時のダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ２００を提供することができる。
　続いて、第２の導電膜は、スパッタリング法を用いて形成する。この時、絶縁体２５０上に、第１の導電膜を有することで、第２の導電膜の成膜時のダメージが、絶縁体２５０に影響することを抑制することができる。また、ＡＬＤ法と比較して、スパッタリング法は成膜速度が速いため、歩留まりが高く、生産性を向上させることができる。なお、導電膜２６０Ａを成膜する際に、塩素を含まない成膜ガスを用いて、形成することが好ましい。
　次に、導電膜２６０Ａ上に、上記と同様の方法によりレジストマスク２９６を形成する（図４１Ｃ）。続いて、導電膜２６０Ａの不要な部分をエッチングにより除去することで、導電体２６０を形成した後、レジストマスク２９６を除去する（図４１Ｄ）。
　続いて、導電体２６０上に、絶縁体２８０を形成する。絶縁体２８０は、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体である。過剰酸素を含む絶縁体としては、ＣＶＤ法やスパッタリング法における成膜条件を適宜設定して膜中に酸素を多く含ませた酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成することができる。また、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成した後、イオン注入法やイオンドーピング法やプラズマ処理によって酸素を添加してもよい。
　特に、酸素プラズマ処理を行うことが好ましい（図４２Ａ、図中矢印はプラズマ処理を表す。）。代表的な酸素プラズマ処理は、酸素ガスのグロー放電プラズマで生成されたラジカルで酸化物半導体の表面を処理することであるが、プラズマを生成するガスとしては酸素のみでなく、酸素ガスと希ガスの混合ガスであってもよい。例えば、２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以上４００℃以下の温度で、酸化性ガスを含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。
　酸素プラズマ処理により、絶縁体２８０、および酸化物２３０が、脱水化、または脱水素化されるとともに、絶縁体２８０に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。また、脱水化、または脱水素化された酸化物２３０には、酸素欠損が生じ、低抵抗化する。一方で、絶縁体２８０の過剰な酸素により、酸化物２３０の酸素欠損が補填される。従って、酸素プラズマ処理により、絶縁体２８０、および酸化物２３０は、酸素欠損を補填しながら、不純物である水素、または水を除去することができる。したがって、トランジスタ２００の電気特性の向上および、電気特性のばらつきを軽減することができる。
　続いて、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成する。絶縁体２８２は、スパッタリング装置により成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることで、容易に絶縁体２８２の下層である絶縁体２８０に過剰酸素領域を形成することができる。
　スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位Ｅ０が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位Ｅ１が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位Ｅ２となる領域が存在する。各電位の大小関係は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ０である。
　プラズマ内のイオンが、電位差Ｅ２−Ｅ０によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を介して、形成された膜の下部にある絶縁体２８０に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差Ｅ２−Ｅ１によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体２８０の内部まで到達する。イオンが絶縁体２８０に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体２８０に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体２８０に過剰酸素領域が形成される。
　絶縁体２８０に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体２８０の過剰な酸素は、例えば、２００℃以上４５０℃以下、好ましくは３２０℃以上３８０℃以下程度の温度で加熱処理を行うことで、酸化物２３０に供給され、酸化物２３０の酸素欠損を補填することができる。また例えば、スパッタリング法を用いて絶縁体２８２を成膜する際に、上記の温度で基板を加熱しながら成膜することで、成膜後に別途過熱をせずとも、酸化物２３０に酸素を供給することができる。
　ここで、上述のように、酸化物２３０ｃを酸素透過性の高い酸化物とすることにより、絶縁体２８０から酸化物２３０ｂまで容易に酸素を拡散させることができる。
　このとき、酸化物２３０において、配向性を有する結晶部の側面に過剰な酸素（活性酸素）が結合する。さらに結合した活性酸素にＩｎ、ＭまたはＺｎなどの金属が結合する。このように、活性酸素と、Ｉｎ、ＭまたはＺｎなどの金属と、が繰り返し結合することにより、配向性を有する結晶部の側面から横方向に、固相成長していると考えることができる。また、図４０Ｃ、図４１Ｂに示すように、予め酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂに加熱処理を行い、脱水化、脱水素化を図ることにより、酸化物２３０に含まれる水または水素などの不純物を低減しておくことができる。これにより、酸化物２３０に含まれる水または水素などの不純物によって、酸素の拡散が妨げられることが低減されるので、より効率的に酸素を酸化物２３０に供給することができる。
　ここで、絶縁体２８０と接する導電体２６０、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂに、耐酸化性が高い導電体を用いる場合、絶縁体２８０の過剰な酸素は、導電体２６０、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂに、吸収されることなく、効率的に酸化物２３０へ供給することができる。したがって、トランジスタ２００の電気特性の向上、オン電流の向上、サブスレッショルドスイング値の低下、信頼性の向上および、電気特性のばらつきを軽減することができる。
　以上の工程により、本発明の一態様のトランジスタ２００を作製することができる。
＜半導体装置の構成例＞
　本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置（記憶装置）の一例を図４３Ａ乃至図４９Ｂに示す。なお、図４３Ａは、図４４乃至図４７、および図４９Ａ乃至図５１を回路図で表したものである。図４８Ａ及び４８Ｂ、および図４９Ａ及び４９Ｂは、図４４乃至図４７、および図４９Ａ乃至図５１に示す半導体装置が形成される領域の端部を示す。
＜半導体装置の回路構成＞
　図４３Ａ、および図４４乃至図４７に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。
　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、これを半導体装置（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半導体装置（記憶装置）とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
　図４３Ａにおいて、配線３００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線３００２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３００３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３００４はトランジスタ２００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３００５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４３Ａに示す半導体装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
　情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＦＧに電荷が保持される（保持）。
　トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＦＧの電荷は長期間にわたって保持される。
　次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。
　また、図４３Ａに示す半導体装置をマトリクス状に配置することで、記憶装置（メモリセルアレイ）を構成することができる。
　なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を第５の配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を第５の配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。
＜半導体装置の回路構成２＞
　図４３Ｂに示す半導体装置は、トランジスタ３００を有さない点で図４３Ａに示した半導体装置と異なる。この場合も図４３Ａに示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
　図４３Ｂに示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ２００が導通状態になると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子１００とが導通し、第３の配線３００３と容量素子１００の間で電荷が再分配される。その結果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量素子１００の電極の一方の電位（または容量素子１００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。
　例えば、容量素子１００の電極の一方の電位をＶ、容量素子１００の容量をＣ、第３の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子１００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２つの状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
　そして、第３の配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。
　この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ２００として第２の半導体が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
　以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが好ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
　また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こりにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といった問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリとは異なり書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作が可能となる。
＜半導体装置の構造１＞
　本発明の一態様の半導体装置は、図４４に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
　トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１４、基板３１１の一部からなる半導体領域３１２、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１８ａ、および低抵抗領域３１８ｂを有する。
　トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
　半導体領域３１２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３１８ａ、および低抵抗領域３１８ｂ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３１８ａ、および低抵抗領域３１８ｂは、半導体領域３１２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、仕事関数を定めることで、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。
　また、図４４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３１２（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１２の側面および上面を、絶縁体３１４を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
　なお、図４４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。例えば、図３４Ａ乃至３４Ｃに示すようにトランジスタ３００の構成を、プレーナ型として設けてもよい。また、図４３Ｂに示す回路構成とする場合、トランジスタ３００を設けなくともよい。
　トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。
　絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
　絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜として機能する。絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるためにＣＭＰ処理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３２４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
　例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
　水素の脱離量は、例えば、ＴＤＳ分析などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
　なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２４の比誘電率は、絶縁体３２６の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
　また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線としての機能を有する。なお、後述するが、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
　各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
　絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図４４において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
　なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
　なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。
　絶縁体３５４上には、絶縁体３５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、および絶縁体２１６が、順に積層して設けられている。絶縁体３５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、および絶縁体２１６のいずれかまたは全部を、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
　例えば、絶縁体３５８、および絶縁体２１２には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
　水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
　また、例えば、絶縁体２１３、および絶縁体２１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
　特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
　また、例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
　また、絶縁体３５８、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
　特に、絶縁体３５８、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、完全に分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
　絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。なお、トランジスタ２００の構造は、上述のトランジスタを用いればよい。また、図４４に示すトランジスタ２００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
　トランジスタ２００上には、絶縁体２８０を設ける。絶縁体２８０には、化学量論的組成よりも過剰に酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２８０には、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）が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ２００に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ２００近傍の層間膜などとして、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ２００の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。
　過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素が脱離する酸化物とは、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
　例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
　また、トランジスタ２００を覆う絶縁体２８０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。また、絶縁体２８０には、導電体２４４等が埋め込まれている。
　導電体２４４は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２４４は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
　例えば、導電体２４４を積層構造として設ける場合、耐酸化性が高い導電体を含むことが好ましい。特に、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０と接する領域に、耐酸化性が高い導電体を設けることが好ましい。当該構成により、絶縁体２８０から過剰な酸素を、導電体２４４が吸収することを抑制することができる。また、導電体２４４は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、過剰酸素領域を有する絶縁体２８０と接する領域に、水素などの不純物に対するバリア性を有する導電体を設けることで、導電体２４４中の不純物、および導電体２４４の一部の拡散や、外部からの不純物の拡散経路となることを抑制することができる。
　また、導電体２４４上に、バリア層２４５を設けてもよい。バリア層２４５を有することで、導電体２４４に含まれる不純物や、導電体２４４の元素の一部の拡散を抑制することができる。
　バリア層２４５には、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物、または窒化タンタルなどの金属窒化物などを用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中、および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。
　バリア層２４５、および絶縁体２８０上には、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２８４、および絶縁体１１０が順に積層して設けられている。また、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２８４、および絶縁体１１０には、導電体１２４等が埋め込まれている。なお、導電体１２４は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体１２４は、導電体３５６と同様の材料を用いて設けることができる。
　絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２８４、および絶縁体１１０のいずれか、または全部に、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。従って、絶縁体２８２には、絶縁体２１４と同様の材料を用いることができる。また、絶縁体２８３には、絶縁体２１３と同様の材料を用いることができる。また、絶縁体２８４には、絶縁体２１２と同様の絶縁体を用いることができる。また、絶縁体１１０には、絶縁体２１６と同様の材料を用いることができる。
　例えば、絶縁体２８２、および絶縁体２８３には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
　特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、酸化アルミニウムはトランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
　絶縁体２８４には、容量素子１００を設ける領域から、トランジスタ２００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
　例えば、水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
　従って、トランジスタ２００、および過剰酸素領域を含む絶縁体２８０を、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４の積層構造と、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８４の積層構造により挟む構成とすることができる。また、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８４は、酸素、または、水素、および水などの不純物の拡散を抑制するバリア性を有する。
　このような構成とすることにより、絶縁体２８０、およびトランジスタ２００から放出された酸素が、容量素子１００、またはトランジスタ３００が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体２８２よりも上方の層、および絶縁体２１４よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、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。
　つまり、絶縁体２８０の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物中に、不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ２００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。
　ここで、図４８Ａ及び４８Ｂにスクライブライン近傍の断面図を示す。
　例えば、図４８Ａに示すように、トランジスタ２００を有するメモリセルの外縁に設けられるスクライブライン（図中一点鎖線で示す）と重なる領域近傍において、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０に開口を設ける。また、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０の側面を覆うように、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８４を設ける。
　従って、該開口において、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４と絶縁体２８２とが接する。また、絶縁体２８２上に、絶縁体２８３、および絶縁体２８４を積層する。このとき、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４の少なくとも一と、絶縁体２８２とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性を高めることができる。
　当該構造により、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８４で、絶縁体２８０、及びトランジスタ２００を包み込むことができる。絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８４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装置をスクライブしても、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０の側面から、水素又は水が浸入して、トランジスタ２００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２８０の過剰酸素が絶縁体２８２、および絶縁体２１４の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２８０の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００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。
　また、例えば、図４８Ｂに示すように、スクライブライン（図中一点鎖線で示す）の両側となる領域において、絶縁体２１２、絶縁体２１３、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０に開口を設けてもよい。なお、図では開口は２か所としたが、必要に応じて、複数の開口を設けてもよい。
　従って、スクライブラインの両側に設けられた開口において、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４と絶縁体２８２とが、少なくとも２か所で接するため、より密着性が高い構造となる。なお、この場合においても、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４の少なくとも一と、絶縁体２８２とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性を高めることができる。
　また、開口を複数設けることで、絶縁体２８２と、絶縁体２１２、絶縁体２１３、および絶縁体２１４とが、複数の領域で接する構造とすることができる。また、スクライブラインから侵入する不純物が、絶縁体２１４と絶縁体２８２が接する領域のうち、最もトランジスタ２００と近い領域まで拡散する場合において、不純物の拡散距離を長くすることができる。
　当該構造により、トランジスタ２００と絶縁体２８０とを、厳重に密封することができる。従って、トランジスタ２００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。
　続いて、絶縁体２８４の上方には、絶縁体１１０、容量素子１００、および導電体１２４が設けられている。容量素子１００は、絶縁体１１０上に設けられ、導電体１１２（導電体１１２ａ、および導電体１１２ｂ）と、絶縁体１３０、絶縁体１３２、および絶縁体１３４と、導電体１１６とを有する。なお、導電体１２４は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。
　なお、導電体１２４は、導電体３５６と同様の材料を用いて設けることができる。
　また、導電体１１２は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体１１２は、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
　導電体１１２上に、絶縁体１３０、絶縁体１３２、および絶縁体１３４を設ける。絶縁体１３０、絶縁体１３２、および絶縁体１３４には、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよい。図では、３層構造で示したが、単層、２層、または４層以上の積層構造としてもよい。
　例えば、絶縁体１３０、および絶縁体１３４には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用い、絶縁体１３２には、酸化アルミニウムなどの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子１００は、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
　導電体１１２上に、絶縁体１３４を介して、導電体１１６を設ける。なお、導電体１１６は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体１１６は、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
　例えば、図４４に示すように、電極の一方として機能する導電体１１２において、導電体１１２ｂのような凸状を有する構造体とすることで、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
　導電体１１６、および絶縁体１３４上には、絶縁体１５０が設けられている。絶縁体１１０、および絶縁体１５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、容量素子１００の下部となる絶縁体１１０、および容量素子１００を覆う絶縁体１５０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
　以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
＜変形例１＞
　また、本実施の形態の変形例として、図４５に示すように、導電体２４４を形成してもよい。つまり、絶縁体２８２にプラグを埋め込み、プラグ上に、配線となる導電体、およびバリア層２４５を積層構造で設けてもよい。この場合、導電体２４４を構成する導電体において、配線として機能する導電体は、耐酸化性が高い導電体を用いることが好ましい。
＜変形例２＞
　また、本実施の形態の変形例として、容量素子１００において、必ずしも導電体１２２を有する必要はない。
　例えば、図４６に示す構造は、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８４、および絶縁体１１０を形成した後、導電体２４４を形成している。そのため、導電体１２４と、容量素子１００の一方の電極となる導電体１１２を同時に形成することができる。従って、少ない工程で生産することができるため、生産コストを削減し、生産性を高めることができる。
　また、導電体１１２上に、絶縁体１３０、絶縁体１３２、および絶縁体１３４を介して、導電体１１６を設ける。なお、導電体１１６は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
　なお、図４６に示すように、導電体１１６を、絶縁体１３０、絶縁体１３２、および絶縁体１３４を介して、導電体１１２の上面および側面を覆うように設ける。つまり、導電体１１２の側面においても、容量として機能するため、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
　なお、当該構成は、導電体１１２を形成するときに、絶縁体１１０の上面を、絶縁体１３０、絶縁体１３２、および絶縁体１３４の合計の膜厚よりも大きく除去することが好ましい。例えば、オーバーエッチング処理とすることで、絶縁体１１０の一部も同時に除去することができる。また、オーバーエッチング処理により、導電体１１２等を形成することで、エッチング残渣を残すことなくエッチングすることができる。
　また、当該エッチング処理の途中で、エッチングガスの種類を切り替えることにより、効率よく絶縁体１１０の一部を除去することができる。
　また、例えば、導電体１１２、および導電体１２４を形成した後、導電体１１２をハードマスクとして、絶縁体１１０の一部を除去してもよい。
　また、導電体１１２を形成した後、導電体１１２の表面を、クリーニング処理してもよい。クリーニング処理をすることで、エッチング残渣等を除去することができる。
　また、図４６に示すように、絶縁体２１３、および絶縁体２８３を設けなくともよい。本構成においても、トランジスタ２００、および過剰酸素領域を含む絶縁体２８０を、絶縁体２１２、および絶縁体２１４の積層構造と、絶縁体２８２、および絶縁体２８４の積層構造により挟む構成とすることができる。また、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８４は、酸素、または、水素、および水などの不純物の拡散を抑制するバリア性を有する。
　従って、絶縁体２８０、およびトランジスタ２００から放出された酸素が、容量素子１００、またはトランジスタ３００が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体２８２よりも上方の層、および絶縁体２１４よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、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。
　つまり、絶縁体２８０の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物中に、不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ２００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。
　また、本変形例における、スクライブライン近傍の断面図を図４９Ａおよび図４９Ｂに示す。
　例えば、図４９Ａに示すように、スクライブライン（図中一点鎖線で示す）と重なる領域近傍において、絶縁体２１４と絶縁体２８２とが接し、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８４の積層構造となる。このとき、絶縁体２１４と絶縁体２８２とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性が高い積層構造となる。
　当該構造により、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８４で、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０を包み込むことができる。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８４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装置をスクライブしても、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０の側面から、水素又は水が浸入して、トランジスタ２００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２８０の過剰酸素が絶縁体２８２、および絶縁体２１４の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２８０の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００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。
　また、例えば、図４９Ｂに示すように、スクライブライン（図中一点鎖線で示す）と重なる領域近傍において、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０に開口を設ける。また、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、及び絶縁体２８０の側面を覆うように、絶縁体２８２を設ける。さらに、絶縁体２１２、および絶縁体２８２に開口を設け、絶縁体２１２、および絶縁体２８２の側面と、絶縁体２１０の露出した上面と、を覆うように、絶縁体２８４を設ける。
　つまり、開口において、絶縁体２１４と絶縁体２８２が接する。さらに、その外側では、絶縁体２１２と絶縁体２８２とが接する。このとき、絶縁体２１４と絶縁体２８２とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性が高い積層構造となる。また、絶縁体２１２と絶縁体２８４とを同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性が高い積層構造となる。
　当該構造により、トランジスタ２００と絶縁体２８０とを、厳重に密封することができる。従って、トランジスタ２００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。
＜変形例３＞
　また、本実施の形態の変形例の一例を、図４７に示す。図４７は、図４６と、トランジスタ３００、およびトランジスタ２００の構成が異なる。
　図４７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３１２（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１２の側面および上面を、絶縁体３１４を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
　図４７に示すトランジスタ２００構造は、図３６Ａ乃至３６Ｃ、および図３７Ａ乃至３７Ｃで説明した構造である。絶縁体２８０に形成された開口部に、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０が形成されている。また、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂの一方の端部と、絶縁体２８０に形成された開口部の端部が一致している。さらに、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂの三方の端部が、酸化物２３０の端部の一部と一致している。従って、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂは、酸化物２３０または絶縁体２８０の開口部と、同時に形成することができる。そのため、マスクおよび工程を削減することができる。また、歩留まりや生産性を向上させることができる。
　さらに、図４１Ａ乃至４１Ｄに示すトランジスタ２００は、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、および導電体２６０と、がほとんど重ならない構造を有するため、導電体２６０にかかる寄生容量を小さくすることができる。即ち、動作周波数が高いトランジスタ２００を提供することができる。
＜変形例４＞
　また、本実施の形態の変形例の一例を、図５０Ａ及び５０Ｂに示す。図５０Ａおよび図５０Ｂはそれぞれ、一点鎖線Ａ１−Ａ２を軸とした、トランジスタ２００のチャネル長、およびチャネル幅方向の断面を示す。
　図５０Ａ及び５０Ｂに示すように、トランジスタ２００、および過剰酸素領域を含む絶縁体２８０を、絶縁体２１２、および絶縁体２１４の積層構造と、絶縁体２８２、および絶縁体２８４の積層構造により包み込む構成としてもよい。その際、トランジスタ３００と容量素子１００とを接続する貫通電極と、トランジスタ２００との間で、絶縁体２１２、および絶縁体２１４と、絶縁体２８２、および絶縁体２８４とが積層構造となることが好ましい。
　従って、絶縁体２８０、およびトランジスタ２００から放出された酸素が、容量素子１００、またはトランジスタ３００が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体２８２よりも上方の層、および絶縁体２１４よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、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。
　つまり、絶縁体２８０の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物中に、不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ２００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。
＜変形例５＞
　また、本実施の形態の変形例の一例を、図５１に示す。図５１は、図４７と、容量素子の構成が異なる。
　図５１に示すように、容量素子１０５を形成してもよい。容量素子１０５は、トランジスタ３００との配線の一部も、容量素子として機能する。従って、容量素子の投影面積当たりの容量を増加させることができる。従って、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。また、容量素子１０５と、トランジスタ２００との間で、絶縁体２１２、および絶縁体２１４と、絶縁体２８２、および絶縁体２８４とが積層構造となることが好ましい。
　従って、絶縁体２８０の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物中に、不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ２００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。
＜変形例６＞
　また、本実施の形態の変形例の一例を、図５２Ａ及び５２Ｂに示す。図５２Ａは、図４３Ａに示す半導体装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した回路図である。また、図５２Ｂは、図５２Ａの回路図と対応した半導体装置の断面図である。
　図５２Ａ及び５２Ｂには、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する半導体装置と、トランジスタ３０１、トランジスタ２０１、および容量素子１０１を有する半導体装置と、トランジスタ３０２、トランジスタ２０２、および容量素子１０２を有する半導体装置とが、同じ行に配置されている。
　図５２Ｂに示すように、複数個のトランジスタ（図ではトランジスタ２００、およびトランジスタ２０１）、および過剰酸素領域を含む絶縁体２８０を、絶縁体２１２、および絶縁体２１４の積層構造と、絶縁体２８２、および絶縁体２８４の積層構造により包み込む構成としてもよい。その際、トランジスタ３００、トランジスタ３０１、またはトランジスタ３０２と、容量素子１００、容量素子１０１、または容量素子１０２と、を接続する貫通電極と、トランジスタ２００、トランジスタ２０１、またはトランジスタ２０２との間で、絶縁体２１２、および絶縁体２１４と、絶縁体２８２、および絶縁体２８４とが積層構造となることが好ましい。
　従って、絶縁体２８０、およびトランジスタ２００から放出された酸素が、容量素子１００、またはトランジスタ３００が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体２８２よりも上方の層、および絶縁体２１４よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、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。
　つまり、絶縁体２８０の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物中に、不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ２００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。
＜変形例７＞
　また、本実施の形態の変形例の一例を、図５３に示す。図５３は、図５２Ａ及び５２Ｂに示す半導体装置において、トランジスタ２０１、およびトランジスタ２０２を集積した場合の半導体装置の断面図である。
　図５３に示すように、容量素子１０１の電極の一方となる導電体１１２の機能を、トランジスタ２０１のソース電極またはドレイン電極となる導電体２４０ａと兼ねてもよい。その場合、トランジスタ２０１の酸化物２３０ｃ、およびトランジスタ２０１のゲート絶縁体として機能する絶縁体２５０の導電体２４０ａ上に延在した領域が、容量素子１０１の絶縁体として機能する。従って、容量素子１０１の電極の他方となる導電体１１６を、導電体２４０ａ上に、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃを介して積層すればよい。当該構成により、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
　また、トランジスタ２０１と、トランジスタ２０２を重畳して設けてもよい。当該構成により、半導体装置の小面積化、高集積化、微細化が可能となる。
　また、複数個のトランジスタ（図ではトランジスタ２０１、およびトランジスタ２０２）、および過剰酸素領域を含む絶縁体２８０を、絶縁体２１２、および絶縁体２１４の積層構造と、絶縁体２８２、および絶縁体２８４の積層構造により包み込む構成としてもよい。その際、トランジスタ３００、トランジスタ３０１、またはトランジスタ３０２と、容量素子１００、容量素子１０１、または容量素子１０２と、を接続する貫通電極と、トランジスタ２００、トランジスタ２０１、またはトランジスタ２０２との間で、絶縁体２１２、および絶縁体２１４と、絶縁体２８２、および絶縁体２８４とが積層構造となることが好ましい。
　従って、絶縁体２８０、およびトランジスタ２００から放出された酸素が、容量素子１００、またはトランジスタ３００が形成されている層へ拡散することを抑制することができる。または、絶縁体２８２よりも上方の層、および絶縁体２１４よりも下方の層から、水素、および水等の不純物が、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。
　つまり、絶縁体２８０の過剰酸素領域から酸素を、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給でき、酸素欠損を低減することができる。また、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物中に、不純物により、酸素欠損が形成されることを防止することができる。よって、トランジスタ２００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、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態４）
　本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について説明する。
＜回路＞
　以下では、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例について、図５４、および図５５を用いて説明する。
＜記憶装置１＞
　図５４に示す半導体装置は、トランジスタ３５００、第６の配線３００６を有する点で先の実施の形態で説明した半導体装置と異なる。この場合も先の実施の形態に示した半導体装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。また、トランジスタ３５００としては上記のトランジスタ３２００と同様のトランジスタを用いればよい。
　第６の配線３００６は、トランジスタ３５００のゲートと電気的に接続され、トランジスタ３５００のソース、ドレインの一方はトランジスタ３２００のドレインと電気的に接続され、トランジスタ３５００のソース、ドレインの他方は第３の配線３００３と電気的に接続される。
＜記憶装置２＞
　半導体装置（記憶装置）の変形例について、図５５に示す回路図を用いて説明する。
　図５５に示す半導体装置は、トランジスタ４１００乃至トランジスタ４４００と、容量素子４５００および容量素子４６００と、を有する。ここでトランジスタ４１００は、上述のトランジスタ３００と同様のトランジスタを用いることができ、トランジスタ４２００乃至４４００は、上述のトランジスタ２００と同様のトランジスタを用いることができる。また、ここで容量素子４５００、および容量素子４６００は、上述の容量素子１００と同様のトランジスタを用いることができる。なお、図５５に示す半導体装置は、図５５では図示を省略したが、マトリクス状に複数設けられる。図５５に示す半導体装置は、配線４００１、配線４００３、配線４００５乃至４００９に与える信号または電位に従って、データ電圧の書き込み、読み出しを制御することができる。
　トランジスタ４１００のソースまたはドレインの一方は、配線４００３に接続される。トランジスタ４１００のソースまたはドレインの他方は、配線４００１に接続される。なお図５５では、トランジスタ４１００の導電型をｐチャネル型として示すが、ｎチャネル型でもよい。
　図５５に示す半導体装置は、２つのデータ保持部を有する。例えば第１のデータ保持部は、ノードＦＧ１に接続されるトランジスタ４４００のソースまたはドレインの一方、容量素子４６００の一方の電極、およびトランジスタ４２００のソースまたはドレインの一方の間で電荷を保持する。また、第２のデータ保持部は、ノードＦＧ２に接続されるトランジスタ４１００のゲート、トランジスタ４２００のソースまたはドレインの他方、トランジスタ４３００のソースまたはドレインの一方、および容量素子４５００の一方の電極の間で電荷を保持する。
　トランジスタ４３００のソースまたはドレインの他方は、配線４００３に接続される。トランジスタ４４００のソースまたはドレインの他方は、配線４００１に接続される。トランジスタ４４００のゲートは、配線４００５に接続される。トランジスタ４２００のゲートは、配線４００６に接続される。トランジスタ４３００のゲートは、配線４００７に接続される。容量素子４６００の他方の電極は、配線４００８に接続される。容量素子４５００の他方の電極は、配線４００９に接続される。
　トランジスタ４２００乃至４４００は、データ電圧の書き込みと電荷の保持を制御するスイッチとしての機能を有する。なおトランジスタ４２００乃至４４００は、非導通状態においてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ電流）が低いトランジスタが用いられることが好適である。オフ電流が少ないトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）であることが好ましい。ＯＳトランジスタは、オフ電流が低い、シリコンを有するトランジスタと重ねて作製できる等の利点がある。なお図５５では、トランジスタ４２００乃至４４００の導電型をｎチャネル型として示すが、ｐチャネル型でもよい。
　トランジスタ４２００およびトランジスタ４３００と、トランジスタ４４００とは、酸化物半導体を用いたトランジスタであっても別層に設けることが好ましい。すなわち、図５５に示す半導体装置は、トランジスタ４１００と、トランジスタ４２００およびトランジスタ４３００と、トランジスタ４４００と、を積層して設けることが好ましい。トランジスタを有する層を積層して設けるとよい。つまり、トランジスタを集積化することで、回路面積を縮小することができ、半導体装置の小型化を図ることができる。
　次いで、図５５に示す半導体装置への情報の書き込み動作について説明する。
　最初に、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作（以下、書き込み動作１とよぶ。）について説明する。なお、以下において、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をＶＤ１とし、トランジスタ４１００の閾値電圧をＶｔｈとする。
　書き込み動作１では、配線４００３をＶＤ１とし、配線４００１を接地電位とした後に、電気的に浮遊状態とする。また配線４００５、４００６をハイレベルにする。また配線４００７乃至４００９をローレベルにする。すると、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２の電位が上昇し、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、配線４００１の電位が上昇する。またトランジスタ４４００、トランジスタ４２００が導通状態となる。そのため、配線４００１の電位の上昇につれて、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位が上昇する。ノードＦＧ２の電位が上昇し、トランジスタ４１００でゲートとソースとの間の電圧（Ｖｇｓ）がトランジスタ４１００の閾値電圧Ｖｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。そのため、配線４００１、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位の上昇は止まり、ＶＤ１からＶｔｈだけ下がった「ＶＤ１−Ｖｔｈ」で一定となる。
　つまり、配線４００３に与えたＶＤ１は、トランジスタ４１００に電流が流れることで、配線４００１に与えられ、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノードＦＧ２の電位が「ＶＤ１−Ｖｔｈ」となると、トランジスタ４１００のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。
　次に、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作（以下、書き込み動作２とよぶ。）について説明する。なお、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をＶＤ２として説明する。
　書き込み動作２では、配線４００１をＶＤ２とし、配線４００３を接地電位とした後に、電気的に浮遊状態とする。また配線４００７をハイレベルにする。また配線４００５、４００６、４００８、４００９をローレベルにする。トランジスタ４３００を導通状態として配線４００３をローレベルにする。そのため、ノードＦＧ２の電位もローレベルにまで低下し、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、配線４００３の電位が上昇する。またトランジスタ４３００が導通状態となる。そのため、配線４００３の電位の上昇につれて、ノードＦＧ２の電位が上昇する。ノードＦＧ２の電位が上昇し、トランジスタ４１００でＶｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。そのため、配線４００３、ＦＧ２の電位の上昇は止まり、ＶＤ２からＶｔｈだけ下がった「ＶＤ２−Ｖｔｈ」で一定となる。
　つまり、配線４００１に与えたＶＤ２は、トランジスタ４１００に電流が流れることで、配線４００３に与えられ、ノードＦＧ２の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノードＦＧ２の電位が「ＶＤ２−Ｖｔｈ」となると、トランジスタ４１００のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。このとき、ノードＦＧ１の電位は、トランジスタ４２００、４４００共に非導通状態であり、書き込み動作１で書きこんだ「ＶＤ１−Ｖｔｈ」が保持される。
　図５５に示す半導体装置では、複数のデータ保持部にデータ電圧を書きこんだのち、配線４００９をハイレベルにして、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位を上昇させる。そして、各トランジスタを非導通状態として、電荷の移動をなくし、書きこんだデータ電圧を保持する。
　以上説明したノードＦＧ１、ＦＧ２へのデータ電圧の書き込み動作によって、複数のデータ保持部にデータ電圧を保持させることができる。なお書きこまれる電位として、「ＶＤ１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を例として挙げて説明したが、これらは多値のデータに対応するデータ電圧である。そのため、それぞれのデータ保持部で４ビットのデータを保持する場合、１６値の「ＶＤ１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を取り得る。
　次いで、図５５に示す半導体装置からの情報の読み出し動作について説明する。
　最初に、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作（以下、読み出し動作１とよぶ。）について説明する。
　読み出し動作１では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線４００３を放電させる。配線４００５乃至４００８をローレベルにする。また、配線４００９をローレベルとして、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２の電位を「ＶＤ２−Ｖｔｈ」とする。ノードＦＧ２の電位が下がることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、電気的に浮遊状態の配線４００３の電位が低下する。配線４００３の電位の低下につれて、トランジスタ４１００のＶｇｓが小さくなる。トランジスタ４１００のＶｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。すなわち、配線４００３の電位が、ノードＦＧ２の電位「ＶＤ２−Ｖｔｈ」からＶｔｈだけ大きい値である「ＶＤ２」となる。この配線４００３の電位は、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ電圧はＡ／Ｄ変換を行い、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータを取得する。
　つまり、プリチャージ後の配線４００３を浮遊状態とし、配線４００９の電位をハイレベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、浮遊状態にあった配線４００３の電位は低下して「ＶＤ２」となる。トランジスタ４１００では、ノードＦＧ２の「ＶＤ２−Ｖｔｈ」との間のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。そして、配線４００３には、書き込み動作２で書きこんだ「ＶＤ２」が読み出される。
　ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータを取得したら、トランジスタ４３００を導通状態として、ノードＦＧ２の「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を放電させる。
　次に、ノードＦＧ１に保持される電荷をノードＦＧ２に分配し、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部のデータ電圧を、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部に移す。ここで、配線４００１、４００３をローレベルとする。配線４００６をハイレベルにする。また、配線４００５、配線４００７乃至４００９をローレベルにする。トランジスタ４２００が導通状態となることで、ノードＦＧ１の電荷が、ノードＦＧ２との間で分配される。
　ここで、電荷の分配後の電位は、書きこんだ電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」から低下する。そのため、容量素子４６００の容量値は、容量素子４５００の容量値よりも大きくしておくことが好ましい。あるいは、ノードＦＧ１に書きこむ電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」は、同じデータを表す電位「ＶＤ２−Ｖｔｈ」よりも大きくすることが好ましい。このように、容量値の比を変えること、予め書きこむ電位を大きくしておくことで、電荷の分配後の電位の低下を抑制することができる。電荷の分配による電位の変動については、後述する。
　次に、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作（以下、読み出し動作２とよぶ。）について説明する。
　読み出し動作２では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線４００３を放電させる。配線４００５乃至４００８をローレベルにする。また、配線４００９は、プリチャージ時にハイレベルとして、その後ローレベルとする。配線４００９をローレベルとすることで、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２を電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」とする。ノードＦＧ２の電位が下がることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、電気的に浮遊状態の配線４００３の電位が低下する。配線４００３の電位の低下につれて、トランジスタ４１００のＶｇｓが小さくなる。トランジスタ４１００のＶｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小さくなる。すなわち、配線４００３の電位が、ノードＦＧ２の電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」からＶｔｈだけ大きい値である「ＶＤ１」となる。この配線４００３の電位は、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ電圧はＡ／Ｄ変換を行い、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部のデータを取得する。以上が、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作である。
　つまり、プリチャージ後の配線４００３を浮遊状態とし、配線４００９の電位をハイレベルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、浮遊状態にあった配線４００３の電位は低下して「ＶＤ１」となる。トランジスタ４１００では、ノードＦＧ２の「ＶＤ１−Ｖｔｈ」との間のＶｇｓがＶｔｈとなるため、電流が止まる。そして、配線４００３には、書き込み動作１で書きこんだ「ＶＤ１」が読み出される。
　以上説明したノードＦＧ１、ＦＧ２からのデータ電圧の読み出し動作によって、複数のデータ保持部からデータ電圧を読み出すことができる。例えば、ノードＦＧ１およびノードＦＧ２にそれぞれ４ビット（１６値）のデータを保持することで計８ビット（２５６値）のデータを保持することができる。また、図５５においては、第１の層４０２１乃至第３の層４０２３からなる構成としたが、さらに層を形成することによって、半導体装置の面積を増大させず記憶容量の増加を図ることができる。
　なお読み出される電位は、書きこんだデータ電圧よりＶｔｈだけ大きい電圧として読み出すことができる。そのため、書き込み動作で書きこんだ「ＶＤ１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−Ｖｔｈ」のＶｔｈを相殺して読み出す構成とすることができる。その結果、メモリセルあたりの記憶容量を向上させるとともに、読み出されるデータを正しいデータに近づけることができるため、データの信頼性に優れたものとすることができる。
　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、上述の実施の形態で説明したＯＳトランジスタを適用可能な回路構成の例について、図５６Ａ乃至５９Ｂを用いて説明する。
　図５６Ａにインバータの回路図を示す。インバータ８００は、入力端子ＩＮの論理を反転した信号を出力端子ＯＵＴから出力する。インバータ８００は、複数のＯＳトランジスタを有する。信号ＳＢＧは、ＯＳトランジスタの電気特性を切り替えることができる信号である。
　図５６Ｂに、インバータ８００の一例を示す。インバータ８００は、ＯＳトランジスタ８１０、およびＯＳトランジスタ８２０を有する。インバータ８００は、ｎチャネル型トランジスタで作製することができるため、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）でインバータ（ＣＭＯＳインバータ）を作製する場合と比較して、低コストで作製することが可能である。
　なおＯＳトランジスタを有するインバータ８００は、Ｓｉトランジスタで構成されるＣＭＯＳ上に配置することもできる。インバータ８００は、ＣＭＯＳの回路に重ねて配置できるため、インバータ８００を追加する分の回路面積の増加を抑えることができる。
　ＯＳトランジスタ８１０、８２０は、フロントゲートとして機能する第１ゲートと、バックゲートとして機能する第２ゲートと、ソースまたはドレインの一方として機能する第１端子と、ソースまたはドレインの他方として機能する第２端子を有する。
　ＯＳトランジスタ８１０の第１ゲートは、第２端子に接続される。ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートは、信号ＳＢＧを供給する配線に接続される。ＯＳトランジスタ８１０の第１端子は、電圧ＶＤＤを与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８１０の第２端子は、出力端子ＯＵＴに接続される。
　ＯＳトランジスタ８２０の第１ゲートは、入力端子ＩＮに接続される。ＯＳトランジスタ８２０の第２ゲートは、入力端子ＩＮに接続される。ＯＳトランジスタ８２０の第１端子は、出力端子ＯＵＴに接続される。ＯＳトランジスタ８２０の第２端子は、電圧ＶＳＳを与える配線に接続される。
　図５６Ｃは、インバータ８００の動作を説明するためのタイミングチャートである。図５６Ｃのタイミングチャートでは、入力端子ＩＮの信号波形、出力端子ＯＵＴの信号波形、信号ＳＢＧの信号波形、およびＯＳトランジスタ８１０（ＦＥＴ８１０）の閾値電圧の変化について示している。
　信号ＳＢＧはＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与えることで、ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を制御することができる。
　信号ＳＢＧは、閾値電圧をマイナスシフトさせるための電圧ＶＢＧ＿Ａ、閾値電圧をプラスシフトさせるための電圧ＶＢＧ＿Ｂを有する。第２ゲートに電圧ＶＢＧ＿Ａを与えることで、ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を、閾値電圧ＶＴＨ＿Ａにマイナスシフトさせることができる。また、第２ゲートに電圧ＶＢＧ＿Ｂを与えることで、ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を、閾値電圧ＶＴＨ＿Ｂにプラスシフトさせることができる。
　前述の説明を可視化するために、図５７Ａには、トランジスタの電気特性の一つである、Ｖｇ−Ｉｄカーブを示す。
　上述したＯＳトランジスタ８１０の電気特性は、第２ゲートの電圧を電圧ＶＢＧ＿Ａのように大きくすることで、図５７Ａ中の破線８４０で表される曲線にシフトさせることができる。また、上述したＯＳトランジスタ８１０の電気特性は、第２ゲートの電圧を電圧ＶＢＧ＿Ｂのように小さくすることで、図５７Ａ中の実線８４１で表される曲線にシフトさせることができる。図５７Ａに示すように、ＯＳトランジスタ８１０は、信号ＳＢＧを電圧ＶＢＧ＿Ａあるいは電圧ＶＢＧ＿Ｂに切り替えることで、閾値電圧をプラスシフトあるいはマイナスシフトさせることができる。
　閾値電圧を閾値電圧ＶＴＨ＿Ｂにプラスシフトさせることで、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れにくい状態とすることができる。図５７Ｂには、この状態を可視化して示す。図５７Ｂに図示するように、ＯＳトランジスタ８１０に流れる電流ＩＢを極めて小さくすることができる。そのため、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルでＯＳトランジスタ８２０はオン状態（ＯＮ）のとき、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に下降させることができる。
　図５７Ｂに図示したように、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れにくい状態とすることができるため、図５６Ｃに示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形８３１を急峻に変化させることができる。電圧ＶＤＤを与える配線と、電圧ＶＳＳを与える配線との間に流れる貫通電流を少なくすることができるため、低消費電力での動作を行うことができる。
　また、閾値電圧を閾値電圧ＶＴＨ＿Ａにマイナスシフトさせることで、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れやすい状態とすることができる。図５７Ｃには、この状態を可視化して示す。図５７Ｃに図示するように、このとき流れる電流ＩＡを少なくとも電流ＩＢよりも大きくすることができる。そのため、入力端子ＩＮに与える信号がローレベルでＯＳトランジスタ８２０はオフ状態（ＯＦＦ）のとき、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に上昇させることができる。
　図５７Ｃに図示したように、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れやすい状態とすることができるため、図５６Ｃに示すタイミングチャートにおける出力端子の信号波形８３２を急峻に変化させることができる。
　なお、信号ＳＢＧによるＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧の制御は、ＯＳトランジスタ８２０の状態が切り替わる以前、すなわち時刻Ｔ１やＴ２よりも前に行うことが好ましい。例えば、図５６Ｃに図示するように、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルに切り替わる時刻Ｔ１よりも前に、閾値電圧ＶＴＨ＿Ａから閾値電圧ＶＴＨ＿ＢにＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を切り替えることが好ましい。また、図５６Ｃに図示するように、入力端子ＩＮに与える信号がローレベルに切り替わる時刻Ｔ２よりも前に、閾値電圧ＶＴＨ＿Ｂから閾値電圧ＶＴＨ＿ＡにＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を切り替えることが好ましい。
　なお図５６Ｃのタイミングチャートでは、入力端子ＩＮに与える信号に応じて信号ＳＢＧを切り替える構成を示したが、別の構成としてもよい。たとえば閾値電圧を制御するための電圧は、フローティング状態としたＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに保持させる構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図５８Ａに示す。
　図５８Ａでは、図５６Ｂで示した回路構成に加えて、ＯＳトランジスタ８５０を有する。ＯＳトランジスタ８５０の第１端子は、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに接続される。またＯＳトランジスタ８５０の第２端子は、電圧ＶＢＧ＿Ｂ（あるいは電圧ＶＢＧ＿Ａ）を与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８５０の第１ゲートは、信号ＳＦを与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８５０の第２ゲートは、電圧ＶＢＧ＿Ｂ（あるいは電圧ＶＢＧ＿Ａ）を与える配線に接続される。
　図５８Ａに示す回路の動作について、図５８Ｂのタイミングチャートを用いて説明する。
　ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を制御するための電圧は、入９５力端子ＩＮに与える信号がハイレベルに切り替わる時刻Ｔ３よりも前に、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与える構成とする。信号ＳＦをハイレベルとしてＯＳトランジスタ８５０をオン状態とし、ノードＮＢＧに閾値電圧を制御するための電圧ＶＢＧ＿Ｂを与える。
　ノードＮＢＧが電圧ＶＢＧ＿Ｂとなった後は、ＯＳトランジスタ８５０をオフ状態とする。ＯＳトランジスタ８５０は、オフ電流が極めて小さいため、オフ状態にし続けることで、ノードＮＢＧを非常にフローティング状態に近い状態にして、一旦ノードＮＢＧに保持させた電圧ＶＢＧ＿Ｂを保持することができる。そのため、ＯＳトランジスタ８５０の第２ゲートに電圧ＶＢＧ＿Ｂを与える動作の回数が減るため、電圧ＶＢＧ＿Ｂの書き換えに要する分の消費電力を小さくすることができる。
　なお図５６Ｂおよび図５８Ａの回路構成では、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに外部から電圧を与える構成について示したが、別の構成としてもよい。たとえば閾値電圧を制御するための電圧を、入力端子ＩＮに与える信号を基に生成し、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与える構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図５９Ａに示す。
　図５９Ａでは、図５６Ｂで示した回路構成において、入力端子ＩＮとＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートとの間にＣＭＯＳインバータ８６０を有する。ＣＭＯＳインバータ８６０の入力端子は、入力端子ＩＮに接続される。ＣＭＯＳインバータ８６０の出力端子は、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに接続される。
　図５９Ａに示す回路の動作について、図５９Ｂのタイミングチャートを用いて説明する。図５９Ｂのタイミングチャートでは、入力端子ＩＮの信号波形、出力端子ＯＵＴの信号波形、ＣＭＯＳインバータ８６０の出力波形ＩＮ＿Ｂ、およびＯＳトランジスタ８１０（ＦＥＴ８１０）の閾値電圧の変化について示している。
　入力端子ＩＮに与える信号の論理を反転した信号である出力波形ＩＮ＿Ｂは、ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を制御する信号とすることができる。したがって、図５６Ａ乃至５６Ｃで説明したように、ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を制御できる。例えば、図５９Ｂにおける時刻Ｔ４となるとき、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルでＯＳトランジスタ８２０はオン状態となる。このとき、出力波形ＩＮ＿Ｂはローレベルとなる。そのため、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れにくい状態とすることができ、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に下降させることができる。
　また図５９Ｂにおける時刻Ｔ５となるとき、入力端子ＩＮに与える信号がローレベルでＯＳトランジスタ８２０はオフ状態となる。このとき、出力波形ＩＮ＿Ｂはハイレベルとなる。そのため、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れやすい状態とすることができ、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に上昇させることができる。
　以上説明したように本実施の形態の構成では、ＯＳトランジスタを有するインバータにおける、バックゲートの電圧を入力端子ＩＮの信号の論理にしたがって切り替える。当該構成とすることで、ＯＳトランジスタの閾値電圧を制御することができる。入力端子ＩＮに与える信号によってＯＳトランジスタの閾値電圧を制御することで、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に変化させることができる。また、電源電圧を与える配線間の貫通電流を小さくすることができる。そのため、低消費電力化を図ることができる。
　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、上述の実施の形態で説明したＯＳトランジスタを有する複数の回路を有する半導体装置の例について、図６０Ａ乃至６６Ｂを用いて説明する。
　図６０Ａは、半導体装置９００のブロック図である。半導体装置９００は、電源回路９０１、回路９０２、電圧生成回路９０３、回路９０４、電圧生成回路９０５および回路９０６を有する。
　電源回路９０１は、基準となる電圧ＶＯＲＧを生成する回路である。電圧ＶＯＲＧは、単一の電圧ではなく、複数の電圧でもよい。電圧ＶＯＲＧは、半導体装置９００の外部から与えられる電圧Ｖ０を基に生成することができる。半導体装置９００は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に電圧ＶＯＲＧを生成できる。そのため半導体装置９００は、外部から電源電圧を複数与えることなく動作することができる。
　回路９０２、９０４および９０６は、異なる電源電圧で動作する回路である。例えば回路９０２の電源電圧は、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳ（ＶＯＲＧ＞ＶＳＳ）とを基に印加される。また、例えば回路９０４の電源電圧は、電圧ＶＰＯＧと電圧ＶＳＳ（ＶＰＯＧ＞ＶＯＲＧ）とを基に印加される。また、例えば回路９０６の電源電圧は、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＮＥＧ（ＶＯＲＧ＞ＶＳＳ＞ＶＮＥＧ）とを基に印加される。なお電圧ＶＳＳは、グラウンド電位（ＧＮＤ）と等電位とすれば、電源回路９０１で生成する電圧の種類を削減できる。
　電圧生成回路９０３は、電圧ＶＰＯＧを生成する回路である。電圧生成回路９０３は、電源回路９０１から与えられる電圧ＶＯＲＧを基に電圧ＶＰＯＧを生成できる。そのため、回路９０４を有する半導体装置９００は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動作することができる。
　電圧生成回路９０５は、電圧ＶＮＥＧを生成する回路である。電圧生成回路９０５は、電源回路９０１から与えられる電圧ＶＯＲＧを基に電圧ＶＮＥＧを生成できる。そのため、回路９０６を有する半導体装置９００は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動作することができる。
　図６０Ｂは電圧ＶＰＯＧで動作する回路９０４の一例、図６０Ｃは回路９０４を動作させるための信号の波形の一例である。
　図６０Ｂでは、トランジスタ９１１を示している。トランジスタ９１１のゲートに与える信号は、例えば、電圧ＶＰＯＧと電圧ＶＳＳを基に生成される。当該信号は、トランジスタ９１１を導通状態とする動作時に電圧ＶＰＯＧ、非導通状態とする動作時に電圧ＶＳＳを基に生成される。電圧ＶＰＯＧは、図６０Ｃに図示するように、電圧ＶＯＲＧより大きい。そのため、トランジスタ９１１は、ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）との間を導通状態とする動作を、より確実に行うことができる。その結果、回路９０４は、誤動作が低減された回路とすることができる。
　図６０Ｄは電圧ＶＯＲＧ及び電圧ＶＮＥＧで動作する回路９０６の一例、図６０Ｅは回路９０６を動作させるための信号の波形の一例である。
　図６０Ｄでは、バックゲートを有するトランジスタ９１２を示している。トランジスタ９１２のゲートに与える信号は、例えば、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳを基にして生成される。当該信号は、トランジスタ９１２を導通状態とする動作時に電圧ＶＯＲＧ、非導通状態とする動作時に電圧ＶＳＳを基に生成される。また、トランジスタ９１２のバックゲートに与える電圧は、電圧ＶＮＥＧを基に生成される。電圧ＶＮＥＧは、図６０Ｅに図示するように、電圧ＶＳＳ（ＧＮＤ）より小さい。そのため、トランジスタ９１２の閾値電圧は、プラスシフトするように制御することができる。そのため、トランジスタ９１２をより確実に非導通状態とすることができ、ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）との間を流れる電流を小さくできる。その結果、回路９０６は、誤動作が低減され、且つ低消費電力化が図られた回路とすることができる。
　なお電圧ＶＮＥＧは、トランジスタ９１２のバックゲートに直接与える構成としてもよい。あるいは、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＮＥＧを基に、トランジスタ９１２のゲートに与える信号を生成し、当該信号をトランジスタ９１２のバックゲートに与える構成としてもよい。
　また図６１Ａ及び６１Ｂには、図６０Ｄ及び６０Ｅの変形例を示す。
　図６１Ａに示す回路図では、電圧生成回路９０５と、回路９０６と、の間に制御回路９２１によって導通状態が制御できるトランジスタ９２２を示す。トランジスタ９２２は、ｎチャネル型のＯＳトランジスタとする。制御回路９２１が出力する制御信号ＳＢＧは、トランジスタ９２２の導通状態を制御する信号である。また回路９０６が有するトランジスタ９１２Ａ、９１２Ｂは、トランジスタ９２２と同じＯＳトランジスタである。
　図６１Ｂのタイミングチャートには、制御信号ＳＢＧの電位の変化を示し、トランジスタ９１２Ａ、９１２Ｂのバックゲートの電位の状態をノードＮＢＧの電位の変化で示す。制御信号ＳＢＧがハイレベルのときにトランジスタ９２２が導通状態となり、ノードＮＢＧが電圧ＶＮＥＧとなる。その後、制御信号ＳＢＧがローレベルのときにノードＮＢＧが電気的にフローティングとなる。トランジスタ９２２は、ＯＳトランジスタであるため、オフ電流が小さい。そのため、ノードＮＢＧが電気的にフローティングであっても、一旦与えた電圧ＶＮＥＧを保持することができる。
　また図６２Ａには、上述した電圧生成回路９０３に適用可能な回路構成の一例を示す。図６２Ａに示す電圧生成回路９０３は、ダイオードＤ１乃至Ｄ５、キャパシタＣ１乃至Ｃ５、およびインバータＩＮＶを有する５段のチャージポンプである。クロック信号ＣＬＫは、キャパシタＣ１乃至Ｃ５に直接、あるいはインバータＩＮＶを介して与えられる。インバータＩＮＶの電源電圧を、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳとを基に印加されるとすると、クロック信号ＣＬＫによって、電圧ＶＯＲＧの５倍の正電圧に昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。なお、ダイオードＤ１乃至Ｄ５の順方向電圧は０Ｖとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電圧ＶＰＯＧを得ることができる。
　また図６２Ｂには、上述した電圧生成回路９０５に適用可能な回路構成の一例を示す。図６２Ｂに示す電圧生成回路９０５は、ダイオードＤ１乃至Ｄ５、キャパシタＣ１乃至Ｃ５、およびインバータＩＮＶを有する４段のチャージポンプである。クロック信号ＣＬＫは、キャパシタＣ１乃至Ｃ５に直接、あるいはインバータＩＮＶを介して与えられる。インバータＩＮＶの電源電圧を、電圧ＶＯＲＧと電圧ＶＳＳとを基に印加されるとすると、クロック信号ＣＬＫによって、グラウンド、すなわち電圧ＶＳＳから電圧ＶＯＲＧの４倍の負電圧に降圧された電圧ＶＮＥＧを得ることができる。なお、ダイオードＤ１乃至Ｄ５の順方向電圧は０Ｖとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電圧ＶＮＥＧを得ることができる。
　なお上述した電圧生成回路９０３の回路構成は、図６２Ａで示す回路図の構成に限らない。電圧生成回路９０３の変形例を図６３Ａ乃至６３Ｃ及び図６４Ａ及び６４Ｂに示す。
　図６３Ａに示す電圧生成回路９０３Ａは、トランジスタＭ１乃至Ｍ１０、キャパシタＣ１１乃至Ｃ１４、およびインバータＩＮＶ１を有する。クロック信号ＣＬＫは、トランジスタＭ１乃至Ｍ１０のゲートに直接、あるいはインバータＩＮＶ１を介して与えられる。クロック信号ＣＬＫによって、電圧ＶＯＲＧの４倍の正電圧に昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。なお、段数を変更することで、所望の電圧ＶＰＯＧを得ることができる。図６３Ａに示す電圧生成回路９０３Ａは、トランジスタＭ１乃至Ｍ１０をＯＳトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタＣ１１乃至Ｃ１４に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧ＶＯＲＧから電圧ＶＰＯＧへの昇圧を図ることができる。また、上記のＯＳトランジスタはオン電流が大きく、サブスレッショルドスイング値を小さくできるので動作速度の向上を図ることができる。
　また図６３Ｂに示す電圧生成回路９０３Ｂは、トランジスタＭ１１乃至Ｍ１４、キャパシタＣ１５、Ｃ１６、およびインバータＩＮＶ２を有する。クロック信号ＣＬＫは、トランジスタＭ１１乃至Ｍ１４のゲートに直接、あるいはインバータＩＮＶ２を介して与えられる。クロック信号ＣＬＫによって、電圧ＶＯＲＧの２倍の正電圧に昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。図６３Ｂに示す電圧生成回路９０３Ｂは、トランジスタＭ１１乃至Ｍ１４をＯＳトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタＣ１５、Ｃ１６に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧ＶＯＲＧから電圧ＶＰＯＧへの昇圧を図ることができる。また、上記のＯＳトランジスタはオン電流が大きく、サブスレッショルドスイング値を小さくできるので動作速度の向上を図ることができる。
　また図６３Ｃに示す電圧生成回路９０３Ｃは、インダクタＩ１１、トランジスタＭ１５、ダイオードＤ６、およびキャパシタＣ１７を有する。トランジスタＭ１５は、制御信号ＥＮによって、導通状態が制御される。制御信号ＥＮによって、電圧ＶＯＲＧが昇圧された電圧ＶＰＯＧを得ることができる。図６３Ｃに示す電圧生成回路９０３Ｃは、インダクタＩ１１を用いて電圧の昇圧を行うため、変換効率の高い電圧の昇圧を行うことができる。
　また図６４Ａに示す電圧生成回路９０３Ｄは、図６２Ａに示す電圧生成回路９０３のダイオードＤ１乃至Ｄ５をダイオード接続したトランジスタＭ１６乃至Ｍ２０に置き換えた構成に相当する。図６４Ａに示す電圧生成回路９０３Ｄは、トランジスタＭ１６乃至Ｍ２０をＯＳトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタＣ１乃至Ｃ５に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧ＶＯＲＧから電圧ＶＰＯＧへの昇圧を図ることができる。また、上記のＯＳトランジスタはオン電流が大きく、サブスレッショルドスイング値を小さくできるので動作速度の向上を図ることができる。
　また図６４Ｂに示す電圧生成回路９０３Ｅは、図６４Ａに示す電圧生成回路９０３ＤのトランジスタＭ１６乃至Ｍ２０を、バックゲートを有するトランジスタＭ２１乃至Ｍ２５に置き換えた構成に相当する。図６４Ｂに示す電圧生成回路９０３Ｅは、バックゲートにゲートと同じ電圧を与えることができるため、トランジスタを流れる電流量を増やすことができる。そのため、効率的に電圧ＶＯＲＧから電圧ＶＰＯＧへの昇圧を図ることができる。
　なお電圧生成回路９０３の変形例は、図６２Ｂに示した電圧生成回路９０５にも適用可能である。この場合の回路図の構成を図６５Ａ乃至６５Ｃ、図６６Ａ及び６６Ｂに示す。図６５Ａに示す電圧生成回路９０５Ａは、クロック信号ＣＬＫによって、電圧ＶＳＳから電圧ＶＯＲＧの３倍の負電圧に降圧された電圧ＶＮＥＧを得ることができる。また図６５Ｂに示す電圧生成回路９０５Ｂは、クロック信号ＣＬＫによって、電圧ＶＳＳから電圧ＶＯＲＧの２倍の負電圧に降圧された電圧ＶＮＥＧを得ることができる。
　図６５Ａ乃至６５Ｃ、図６６Ａ及び６６Ｂに示す電圧生成回路９０５Ａ乃至９０５Ｅでは、図６３Ａ乃至６３Ｃ、図６４Ａ及び６４Ｂに示す電圧生成回路９０３Ａ乃至９０３Ｅにおいて、各配線に与える電圧を変更すること、あるいは素子の配置を変更した構成に相当する。図６５Ａ乃至６５Ｃ、図６６Ａ及び６６Ｂに示す電圧生成回路９０５Ａ乃至９０５Ｅは、電圧生成回路９０３Ａ乃至９０３Ｅと同様に、効率的に電圧ＶＯＲＧから電圧ＶＮＥＧへの降圧を図ることができる。
　以上説明したように本実施の形態の構成では、半導体装置が有する回路に必要な電圧を内部で生成することができる。そのため半導体装置は、外部から与える電源電圧の種類を削減できる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態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７）
　本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタや上述した記憶装置などの半導体装置を含むＣＰＵの一例について説明する。
＜ＣＰＵの構成＞
　図６７に示す半導体装置４００は、ＣＰＵコア４０１、パワーマネージメントユニット４２１および周辺回路４２２を有する。パワーマネージメントユニット４２１は、パワーコントローラ４０２、およびパワースイッチ４０３を有する。周辺回路４２２は、キャッシュメモリを有するキャッシュ４０４、バスインターフェース（ＢＵＳ　Ｉ／Ｆ）４０５、及びデバッグインターフェース（Ｄｅｂｕｇ　Ｉ／Ｆ）４０６を有する。ＣＰＵコア４０１は、データバス４２３、制御装置４０７、ＰＣ（プログラムカウンタ）４０８、パイプラインレジスタ４０９、パイプラインレジスタ４１０、ＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　ｌｏｇｉｃ　ｕｎｉｔ）４１１、及びレジスタファイル４１２を有する。ＣＰＵコア４０１と、キャッシュ４０４等の周辺回路４２２とのデータのやり取りは、データバス４２３を介して行われる。
　半導体装置（セル）は、パワーコントローラ４０２、制御装置４０７をはじめ、多くの論理回路に適用することができる。特に、スタンダードセルを用いて構成することができる全ての論理回路に適用することができる。その結果、小型の半導体装置４００を提供できる。また、消費電力を低減することが可能な半導体装置４００を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置４００を提供できる。また、電源電圧の変動を低減することが可能な半導体装置４００を提供できる。
　半導体装置（セル）に、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタと、先の実施の形態に記載の酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むトランジスタとを用い、該半導体装置（セル）を半導体装置４００に適用することで、小型の半導体装置４００を提供できる。また、消費電力を低減することが可能な半導体装置４００を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置４００を提供できる。特に、Ｓｉトランジスタはｐチャネル型のみとすることで、製造コストを低く抑えることができる。
　制御装置４０７は、ＰＣ４０８、パイプラインレジスタ４０９、パイプラインレジスタ４１０、ＡＬＵ４１１、レジスタファイル４１２、キャッシュ４０４、バスインターフェース４０５、デバッグインターフェース４０６、及びパワーコントローラ４０２の動作を統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし、実行する機能を有する。
　ＡＬＵ４１１は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。
　キャッシュ４０４は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する。ＰＣ４０８は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。なお、図６７では図示していないが、キャッシュ４０４には、キャッシュメモリの動作を制御するキャッシュコントローラが設けられている。
　パイプラインレジスタ４０９は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
　レジスタファイル４１２は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメモリから読み出されたデータ、またはＡＬＵ４１１の演算処理の結果得られたデータ、などを記憶することができる。
　パイプラインレジスタ４１０は、ＡＬＵ４１１の演算処理に利用するデータ、またはＡＬＵ４１１の演算処理の結果得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
　バスインターフェース４０５は、半導体装置４００と半導体装置４００の外部にある各種装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース４０６は、デバッグの制御を行うための命令を半導体装置４００に入力するための信号の経路としての機能を有する。
　パワースイッチ４０３は、半導体装置４００が有する、パワーコントローラ４０２以外の各種回路への、電源電圧の供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、幾つかのパワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワースイッチ４０３によって電源電圧の供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ４０２はパワースイッチ４０３の動作を制御する機能を有する。
　上記構成を有する半導体装置４００は、パワーゲーティングを行うことが可能である。パワーゲーティングの動作の流れについて、一例を挙げて説明する。
　まず、ＣＰＵコア４０１が、電源電圧の供給を停止するタイミングを、パワーコントローラ４０２のレジスタに設定する。次いで、ＣＰＵコア４０１からパワーコントローラ４０２へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、半導体装置４００内に含まれる各種レジスタとキャッシュ４０４が、データの退避を開始する。次いで、半導体装置４００が有するパワーコントローラ４０２以外の各種回路への電源電圧の供給が、パワースイッチ４０３により停止される。次いで、割込み信号がパワーコントローラ４０２に入力されることで、半導体装置４００が有する各種回路への電源電圧の供給が開始される。なお、パワーコントローラ４０２にカウンタを設けておき、電源電圧の供給が開始されるタイミングを、割込み信号の入力に依らずに、当該カウンタを用いて決めるようにしてもよい。次いで、各種レジスタとキャッシュ４０４が、データの復帰を開始する。次いで、制御装置４０７における命令の実行が再開される。
　このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電源の供給を停止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度でパワーゲーティングを行うことができる。
　パワーゲーティングを行う場合、ＣＰＵコア４０１や周辺回路４２２が保持する情報を短期間に退避できることが好ましい。そうすることで、短期間に電源のオンオフが可能となり、省電力の効果が大きくなる。
　ＣＰＵコア４０１や周辺回路４２２が保持する情報を短期間に退避するためには、フリップフロップ回路がその回路内でデータ退避できることが好ましい（バックアップ可能なフリップフロップ回路と呼ぶ）。また、ＳＲＡＭセルがセル内でデータ退避できることが好ましい（バックアップ可能なＳＲＡＭセルと呼ぶ）。バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは、酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むトランジスタを有することが好ましい。その結果、トランジスタが低いオフ電流を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは長期間電源供給なしに情報を保持することができる。また、トランジスタが高速なスイッチング速度を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは短期間のデータ退避および復帰が可能となる場合がある。
　バックアップ可能なフリップフロップ回路の例について、図６８を用いて説明する。
　図６８に示す半導体装置５００は、バックアップ可能なフリップフロップ回路の一例である。半導体装置５００は、第１の記憶回路５０１と、第２の記憶回路５０２と、第３の記憶回路５０３と、読み出し回路５０４と、を有する。半導体装置５００には、電位Ｖ１と電位Ｖ２の電位差が、電源電圧として供給される。電位Ｖ１と電位Ｖ２は一方がハイレベルであり、他方がローレベルである。以下、電位Ｖ１がローレベル、電位Ｖ２がハイレベルの場合を例に挙げて、半導体装置５００の構成例について説明するものとする。
　第１の記憶回路５０１は、半導体装置５００に電源電圧が供給されている期間において、データを含む信号Ｄが入力されると、当該データを保持する機能を有する。そして、半導体装置５００に電源電圧が供給されている期間において、第１の記憶回路５０１からは、保持されているデータを含む信号Ｑが出力される。一方、第１の記憶回路５０１は、半導体装置５００に電源電圧が供給されていない期間においては、データを保持することができない。すなわち、第１の記憶回路５０１は、揮発性の記憶回路と呼ぶことができる。
　第２の記憶回路５０２は、第１の記憶回路５０１に保持されているデータを読み込んで記憶する（あるいは退避する）機能を有する。第３の記憶回路５０３は、第２の記憶回路５０２に保持されているデータを読み込んで記憶する（あるいは退避する）機能を有する。読み出し回路５０４は、第２の記憶回路５０２または第３の記憶回路５０３に保持されたデータを読み出して第１の記憶回路５０１に記憶する（あるいは復帰する）機能を有する。
　特に、第３の記憶回路５０３は、半導体装置５００に電源電圧が供給されてない期間においても、第２の記憶回路５０２に保持されているデータを読み込記憶する（あるいは退避する）機能を有する。
　図６８に示すように、第２の記憶回路５０２はトランジスタ５１２と容量素子５１９とを有する。第３の記憶回路５０３はトランジスタ５１３と、トランジスタ５１５と、容量素子５２０とを有する。読み出し回路５０４はトランジスタ５１０と、トランジスタ５１８と、トランジスタ５０９と、トランジスタ５１７と、を有する。
　トランジスタ５１２は、第１の記憶回路５０１に保持されているデータに応じた電荷を、容量素子５１９に充放電する機能を有する。トランジスタ５１２は、第１の記憶回路５０１に保持されているデータに応じた電荷を容量素子５１９に対して高速に充放電できることが望ましい。具体的には、トランジスタ５１２が、結晶性を有するシリコン（好ましくは多結晶シリコン、更に好ましくは単結晶シリコン）をチャネル形成領域に含むことが望ましい。
　トランジスタ５１３は、容量素子５１９に保持されている電荷に従って導通状態または非導通状態が選択される。トランジスタ５１５は、トランジスタ５１３が導通状態であるときに、配線５４４の電位に応じた電荷を容量素子５２０に充放電する機能を有する。トランジスタ５１５は、オフ電流が著しく小さいことが望ましい。具体的には、トランジスタ５１５が、酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むことが望ましい。
　各素子の接続関係を具体的に説明すると、トランジスタ５１２のソース及びドレインの一方は、第１の記憶回路５０１に接続されている。トランジスタ５１２のソース及びドレインの他方は、容量素子５１９の一方の電極、トランジスタ５１３のゲート、及びトランジスタ５１８のゲートに接続されている。容量素子５１９の他方の電極は、配線５４２に接続されている。トランジスタ５１３のソース及びドレインの一方は、配線５４４に接続されている。トランジスタ５１３のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５１５のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ５１５のソース及びドレインの他方は、容量素子５２０の一方の電極、及びトランジスタ５１０のゲートに接続されている。容量素子５２０の他方の電極は、配線５４３に接続されている。トランジスタ５１０のソース及びドレインの一方は、配線５４１に接続されている。トランジスタ５１０のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５１８のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ５１８のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５０９のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ５０９のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５１７のソース及びドレインの一方、及び第１の記憶回路５０１に接続されている。トランジスタ５１７のソース及びドレインの他方は、配線５４０に接続されている。また、図６８においては、トランジスタ５０９のゲートは、トランジスタ５１７のゲートと接続されているが、トランジスタ５０９のゲートは、必ずしもトランジスタ５１７のゲートと接続されていなくてもよい。
　トランジスタ５１５に先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ５１５のオフ電流が小さいために、半導体装置５００は、長期間電源供給なしに情報を保持することができる。トランジスタ５１５のスイッチング特性が良好であるために、半導体装置５００は、高速のバックアップとリカバリを行うことができる。
　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８）
　本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した撮像装置の例について説明する。
＜撮像装置＞
　以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
　図６９Ａは、本発明の一態様に係る撮像装置２２００の例を示す平面図である。撮像装置２２００は、画素部２２１０と、画素部２２１０を駆動するための周辺回路２２６０と、周辺回路２２７０、周辺回路２２８０と、周辺回路２２９０と、を有する。画素部２２１０は、ｐ行ｑ列（ｐおよびｑは２以上の整数）のマトリクス状に配置された複数の画素２２１１を有する。周辺回路２２６０、周辺回路２２７０、周辺回路２２８０および周辺回路２２９０は、それぞれ複数の画素２２１１に接続し、複数の画素２２１１を駆動するための信号を供給する機能を有する。なお、本明細書等において、周辺回路２２６０、周辺回路２２７０、周辺回路２２８０および周辺回路２２９０などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある。例えば、周辺回路２２６０は周辺回路の一部といえる。
　また、撮像装置２２００は、光源２２９１を有することが好ましい。光源２２９１は、検出光Ｐ１を放射することができる。
　また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換回路の１つを有する。また、周辺回路は、画素部２２１０を形成する基板上に形成してもよい。また、周辺回路の一部または全部にＩＣチップ等の半導体装置を用いてもよい。なお、周辺回路は、周辺回路２２６０、周辺回路２２７０、周辺回路２２８０および周辺回路２２９０のいずれか一以上を省略してもよい。
　また、図６９Ｂに示すように、撮像装置２２００が有する画素部２２１０において、画素２２１１を傾けて配置してもよい。画素２２１１を傾けて配置することにより、行方向および列方向の画素間隔（ピッチ）を短くすることができる。これにより、撮像装置２２００における撮像の品質をより高めることができる。
＜画素の構成例１＞
　撮像装置２２００が有する１つの画素２２１１を複数の副画素２２１２で構成し、それぞれの副画素２２１２に特定の波長域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を組み合わせることで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
　図７０Ａは、カラー画像を取得するための画素２２１１の一例を示す平面図である。図７０Ａに示す画素２２１１は、赤（Ｒ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２（以下、「副画素２２１２Ｒ」ともいう）、緑（Ｇ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２（以下、「副画素２２１２Ｇ」ともいう）および青（Ｂ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２（以下、「副画素２２１２Ｂ」ともいう）を有する。副画素２２１２は、フォトセンサとして機能させることができる。
　副画素２２１２（副画素２２１２Ｒ、副画素２２１２Ｇ、および副画素２２１２Ｂ）は、配線２２３１、配線２２４７、配線２２４８、配線２２４９、配線２２５０と電気的に接続される。また、副画素２２１２Ｒ、副画素２２１２Ｇ、および副画素２２１２Ｂは、それぞれが独立した配線２２５３に接続している。また、本明細書等において、例えばｎ行目の画素２２１１に接続された配線２２４８および配線２２４９を、それぞれ配線２２４８［ｎ］および配線２２４９［ｎ］と記載する。また、例えばｍ列目の画素２２１１に接続された配線２２５３を、配線２２５３［ｍ］と記載する。なお、図７０Ａにおいて、ｍ列目の画素２２１１が有する副画素２２１２Ｒに接続する配線２２５３を配線２２５３［ｍ］Ｒ、副画素２２１２Ｇに接続する配線２２５３を配線２２５３［ｍ］Ｇ、および副画素２２１２Ｂに接続する配線２２５３を配線２２５３［ｍ］Ｂと記載している。副画素２２１２は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。
　また、撮像装置２２００は、隣接する画素２２１１の、同じ波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する。図７０Ｂに、ｎ行（ｎは１以上ｐ以下の整数）ｍ列（ｍは１以上ｑ以下の整数）に配置された画素２２１１が有する副画素２２１２と、該画素２２１１に隣接するｎ＋１行ｍ列に配置された画素２２１１が有する副画素２２１２の接続例を示す。図７０Ｂにおいて、ｎ行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｒと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｒがスイッチ２２０１を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｇと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｇがスイッチ２２０２を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｂと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２２１２Ｂがスイッチ２２０３を介して接続されている。
　なお、副画素２２１２に用いるカラーフィルタは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に限定されず、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタを用いてもよい。１つの画素２２１１に３種類の異なる波長域の光を検出する副画素２２１２を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。
　または、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２に加えて、黄（Ｙ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２を有する画素２２１１を用いてもよい。または、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２に加えて、青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２２１２を有する画素２２１１を用いてもよい。１つの画素２２１１に４種類の異なる波長域の光を検出する副画素２２１２を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。
　また、例えば、図７０Ａにおいて、赤の波長域の光を検出する副画素２２１２、緑の波長域の光を検出する副画素２２１２、および青の波長域の光を検出する副画素２２１２の画素数比（または受光面積比）は、１：１：１でなくても構わない。例えば、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：２：１とするＢａｙｅｒ配列としてもよい。または、画素数比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：６：１としてもよい。
　なお、画素２２１１に設ける副画素２２１２は１つでもよいが、２つ以上が好ましい。例えば、同じ波長域の光を検出する副画素２２１２を２つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像装置２２００の信頼性を高めることができる。
　また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するＩＲ（ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置２２００を実現することができる。
　また、ＮＤ（ＮＤ：Ｎｅｕｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ（減光フィルタ）を用いることで、光電変換素子（受光素子）に大光量光が入射した時に生じる出力飽和することを防ぐことができる。減光量の異なるＮＤフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装置のダイナミックレンジを大きくすることができる。
　また、前述したフィルタ以外に、画素２２１１にレンズを設けてもよい。ここで、図７１Ａ及び７１Ｂの断面図を用いて、画素２２１１、フィルタ２２５４、レンズ２２５５の配置例を説明する。レンズ２２５５を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体的には、図７１Ａに示すように、画素２２１１に形成したレンズ２２５５、フィルタ２２５４（フィルタ２２５４Ｒ、フィルタ２２５４Ｇおよびフィルタ２２５４Ｂ）、および画素回路２２３０等を通して光２２５６を光電変換素子２２２０に入射させる構造とすることができる。
　ただし、二点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光２２５６の一部が配線２２５７の一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図７１Ｂに示すように光電変換素子２２２０側にレンズ２２５５およびフィルタ２２５４を配置して、光電変換素子２２２０が光２２５６を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子２２２０側から光２２５６を光電変換素子２２２０に入射させることで、検出感度の高い撮像装置２２００を提供することができる。
　図７１Ａ及び７１Ｂに示す光電変換素子２２２０として、ｐｎ型接合またはｐｉｎ型の接合が形成された光電変換素子を用いてもよい。
　また、光電変換素子２２２０を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金等がある。
　例えば、光電変換素子２２２０にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子２２２０を実現できる。
　ここで、撮像装置２２００が有する１つの画素２２１１は、図７０Ａ及び７０Ｂに示す副画素２２１２に加えて、第１のフィルタを有する副画素２２１２を有してもよい。
＜画素の構成例２＞
　以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を用いて画素を構成する一例について説明する。各トランジスタは上記実施の形態に示すものと同様のトランジスタを用いることができる。
　図７２は、撮像装置を構成する素子の断面図である。図７２に示す撮像装置は、シリコン基板２３００に設けられたシリコンを用いたトランジスタ２３５１、トランジスタ２３５１上に積層して配置された酸化物半導体を用いたトランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３、ならびにシリコン基板２３００に設けられたフォトダイオード２３６０を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード２３６０は、種々のプラグ２３７０および配線２３７１と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード２３６０のアノード２３６１は、低抵抗領域２３６３を介してプラグ２３７０と電気的に接続を有する。
　また撮像装置は、シリコン基板２３００に設けられたトランジスタ２３５１およびフォトダイオード２３６０を有する層２３１０と、層２３１０と接して設けられ、配線２３７１を有する層２３２０と、層２３２０と接して設けられ、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３を有する層２３３０と、層２３３０と接して設けられ、配線２３７２および配線２３７３を有する層２３４０を備えている。
　なお図７２の断面図の一例では、シリコン基板２３００において、トランジスタ２３５１が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード２３６０の受光面を有する構成とする。該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保することができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード２３６０の受光面をトランジスタ２３５１が形成された面と同じとすることもできる。
　なお、酸化物半導体を用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層２３１０を、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層とすればよい。または層２３１０を省略し、酸化物半導体を用いたトランジスタのみで画素を構成してもよい。
　なお、シリコン基板２３００は、ＳＯＩ基板であってもよい。また、シリコン基板２３００に替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムまたは有機半導体を有する基板を用いることもできる。
　ここで、トランジスタ２３５１およびフォトダイオード２３６０を有する層２３１０と、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３を有する層２３３０と、の間には絶縁体２３８０が設けられる。ただし、絶縁体２３８０の位置は限定されない。また、絶縁体２３８０の下に絶縁体２３７９が設けられ、絶縁体２３８０の上に絶縁体２３８１が設けられる。
　絶縁体２３７９乃至絶縁体２３８０に設けられた開口に、導電体２３９０ａ乃至導電体２３９０ｅが設けられている。導電体２３９０ａ、導電体２３９０ｂおよび導電体２３９０ｅは、プラグおよび配線として機能する。また、導電体２３９０ｃは、トランジスタ２３５３のバックゲートとして機能する。また、導電体２３９０ｄは、トランジスタ２３５２のバックゲートとして機能する。
　トランジスタ２３５１のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ２３５１の信頼性を向上させる効果がある。一方、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３などの近傍に設けられる絶縁体中の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなる。そのため、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３などの信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジスタを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体２３８０を設けることが好ましい。絶縁体２３８０より下層に水素を閉じ込めることで、トランジスタ２３５１の信頼性を向上させることができる。さらに、絶縁体２３８０より下層から、絶縁体２３８０より上層に水素が拡散することを抑制できるため、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３などの信頼性を向上させることができる。さらに、導電体２３９０ａ、導電体２３９０ｂおよび導電体２３９０ｅが形成されることにより、絶縁体２３８０に形成されているビアホールを通じて上層に水素が拡散することも抑制できるため、トランジスタ２３５２およびトランジスタ２３５３などの信頼性を向上させることができる。
　また、図７２の断面図において、層２３１０に設けるフォトダイオード２３６０と、層２３３０に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
　また、撮像装置の一部または全部を湾曲させてもよい。撮像装置を湾曲させることで、像面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた電子機器などの小型化や軽量化を実現することができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態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９）
　本実施の形態においては、本発明の一態様に係る半導体ウエハ、チップおよび電子部品について説明する。
＜半導体ウエハ、チップ＞
　図７３Ａは、ダイシング処理が行なわれる前の基板７１１の上面図を示している。基板７１１としては、例えば、半導体基板（「半導体ウエハ」ともいう。）を用いることができる。基板７１１上には、複数の回路領域７１２が設けられている。回路領域７１２には、本発明の一態様に係る半導体装置や、ＣＰＵ、ＲＦタグ、またはイメージセンサなどを設けることができる。
　複数の回路領域７１２は、それぞれが分離領域７１３に囲まれている。分離領域７１３と重なる位置に分離線（「ダイシングライン」ともいう。）７１４が設定される。分離線７１４に沿って基板７１１を切断することで、回路領域７１２を含むチップ７１５を基板７１１から切り出すことができる。図７３Ｂにチップ７１５の拡大図を示す。
　また、分離領域７１３に導電層や半導体層を設けてもよい。分離領域７１３に導電層や半導体層を設けることで、ダイシング工程時に生じうるＥＳＤを緩和し、ダイシング工程の歩留まり低下を防ぐことができる。また、一般にダイシング工程は、基板の冷却、削りくずの除去、帯電防止などを目的として、炭酸ガスなどを溶解させて比抵抗を下げた純水を切削部に流しながら行なわれる。分離領域７１３に導電層や半導体層を設けることで、当該純水の使用量を削減することができる。よって、半導体装置の生産コストを低減することができる。また、半導体装置の生産性を高めることができる。
　分離領域７１３に設ける半導体層としては、バンドギャップが２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．７ｅＶ以上３．５ｅＶ以下の材料を用いることが好ましい。このような材料を用いると、蓄積された電荷をゆっくりと放電することができるため、ＥＳＤによる電荷の急激な移動が抑えられ、静電破壊を生じにくくすることができる。
＜電子部品＞
　チップ７１５を電子部品に適用する例について、図７４Ａ及び７４Ｂを用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、またはＩＣ用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。
　電子部品は、組み立て工程（後工程）において、上記実施の形態に示した半導体装置と該半導体装置以外の部品が組み合わされて完成する。
　図７４Ａに示すフローチャートを用いて、後工程について説明する。前工程において上記実施の形態に示した半導体装置を有する素子基板が完成した後、該素子基板の裏面（半導体装置などが形成されていない面）を研削する「裏面研削工程」を行なう（ステップＳ７２１）。研削により素子基板を薄くすることで、素子基板の反りなどを低減し、電子部品の小型化を図ることができる。
　次に、素子基板を複数のチップ（チップ７１５）に分離する「ダイシング工程」を行う（ステップＳ７２２）。そして、分離したチップを個々ピックアップしてリードフレーム上に接合する「ダイボンディング工程」を行う（ステップＳ７２３）。ダイボンディング工程におけるチップとリードフレームとの接合は、樹脂による接合や、テープによる接合など、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、リードフレームに代えてインターポーザ基板上にチップを接合してもよい。
　次いで、リードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続する「ワイヤーボンディング工程」を行う（ステップＳ７２４）。金属の細線には、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディングや、ウェッジボンディングを用いることができる。
　ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂などで封止される「封止工程（モールド工程）」が施される（ステップＳ７２５）。封止工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、チップに内蔵される回路部やチップとリードを接続するワイヤーを機械的な外力から保護することができ、また水分や埃による特性の劣化（信頼性の低下）を低減することができる。
　次いで、リードフレームのリードをめっき処理する「リードめっき工程」を行なう（ステップＳ７２６）。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。次いで、リードを切断および成形加工する「成形工程」を行なう（ステップＳ７２７）。
　次いで、パッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す「マーキング工程」を行なう（ステップＳ７２８）。そして外観形状の良否や動作不良の有無などを調べる「検査工程」（ステップＳ７２９）を経て、電子部品が完成する。
　また、完成した電子部品の斜視模式図を図７４Ｂに示す。図７４Ｂでは、電子部品の一例として、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｐａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示している。図７４Ｂに示す電子部品７５０は、リード７５５および半導体装置７５３を示している。半導体装置７５３としては、上記実施の形態に示した半導体装置などを用いることができる。
　図７４Ｂに示す電子部品７５０は、例えばプリント基板７５２に実装される。このような電子部品７５０が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７５２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７５４）が完成する。完成した実装基板７５４は、電子機器などに用いられる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態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１０）
　本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した電子機器について説明する。
＜電子機器＞
　本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、テジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図７５Ａ乃至７５Ｆに示す。
　図７５Ａは携帯型ゲーム機であり、筐体１９０１、筐体１９０２、表示部１９０３、表示部１９０４、マイクロフォン１９０５、スピーカー１９０６、操作キー１９０７、スタイラス１９０８等を有する。なお、図７５Ａに示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部１９０３と表示部１９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
　図７５Ｂは携帯データ端末であり、第１筐体１９１１、第２筐体１９１２、第１表示部１９１３、第２表示部１９１４、接続部１９１５、操作キー１９１６等を有する。第１表示部１９１３は第１筐体１９１１に設けられており、第２表示部１９１４は第２筐体１９１２に設けられている。そして、第１筐体１９１１と第２筐体１９１２とは、接続部１９１５により接続されており、第１筐体１９１１と第２筐体１９１２の間の角度は、接続部１９１５により変更が可能である。第１表示部１９１３における映像を、接続部１９１５における第１筐体１９１１と第２筐体１９１２との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第１表示部１９１３および第２表示部１９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
　図７５Ｃはノート型パーソナルコンピュータであり、筐体１９２１、表示部１９２２、キーボード１９２３、ポインティングデバイス１９２４等を有する。
　図７５Ｄは電気冷凍冷蔵庫であり、筐体１９３１、冷蔵室用扉１９３２、冷凍室用扉１９３３等を有する。
　図７５Ｅはビデオカメラであり、第１筐体１９４１、第２筐体１９４２、表示部１９４３、操作キー１９４４、レンズ１９４５、接続部１９４６等を有する。操作キー１９４４およびレンズ１９４５は第１筐体１９４１に設けられており、表示部１９４３は第２筐体１９４２に設けられている。そして、第１筐体１９４１と第２筐体１９４２とは、接続部１９４６により接続されており、第１筐体１９４１と第２筐体１９４２の間の角度は、接続部１９４６により変更が可能である。表示部１９４３における映像を、接続部１９４６における第１筐体１９４１と第２筐体１９４２との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
　図７５Ｆは自動車であり、車体１９５１、車輪１９５２、ダッシュボード１９５３、ライト１９５４等を有する。
　なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態などでは、様々な発明の態様が記載されているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様として、トランジスタのチャネル形成領域、ソースドレイン領域などが、酸化物半導体を有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、様々な半導体を有していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例えば、場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、酸化物半導体を有していなくてもよい。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
　２０　　ナノクラスター
２２　　横成長部
２３　　粒子
２６　　領域
２７　　連結部
３２　　基板
１００　　容量素子
１０１　　容量素子
１０２　　容量素子
１０５　　容量素子
１１０　　絶縁体
１１２　　導電体
１１２ａ　　導電体
１１２ｂ　　導電体
１１４　　絶縁体
１１６　　導電体
１２２　　導電体
１２４　　導電体
１３０　　絶縁体
１３２　　絶縁体
１３４　　絶縁体
１５０　　絶縁体
２００　　トランジスタ
２０１　　トランジスタ
２０２　　トランジスタ
２０５　　導電体
２０５ａ　　導電体
２０５Ａ　　導電体
２０５ｂ　　導電体
２０５Ｂ　　導電体
２０５ｃ　　導電体
２１０　　絶縁体
２１２　　絶縁体
２１３　　絶縁体
２１４　　絶縁体
２１６　　絶縁体
２１８　　導電体
２２０　　絶縁体
２２２　　絶縁体
２２４　　絶縁体
２３０　　酸化物
２３０ａ　　酸化物
２３０Ａ　　酸化物
２３０ｂ　　酸化物
２３０Ｂ　　酸化物
２３０ｃ　　酸化物
２３０ｄ　　酸化物
２４０ａ　　導電体
２４０Ａ　　導電膜
２４０ｂ　　導電体
２４０Ｂ　　導電層
２４１ａ　　導電体
２４１ｂ　　導電体
２４３ａ　　絶縁体
２４３ｂ　　絶縁体
２４４　　導電体
２４５　　バリア層
２５０　　絶縁体
２６０　　導電体
２６０ａ　　導電体
２６０Ａ　　導電膜
２６０ｂ　　導電体
２６０ｃ　　導電体
２７０　　絶縁体
２８０　　絶縁体
２８２　　絶縁体
２８３　　絶縁体
２８４　　絶縁体
２８５　　絶縁体
２８６　　絶縁体
２９０　　レジストマスク
２９２　　レジストマスク
２９４　　レジストマスク
２９６　　レジストマスク
３００　　トランジスタ
３０１　　トランジスタ
３０２　　トランジスタ
３１１　　基板
３１２　　半導体領域
３１４　　絶縁体
３１６　　導電体
３１８ａ　　低抵抗領域
３１８ｂ　　低抵抗領域
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
３５８　　絶縁体
４００　　半導体装置
４０１　　ＣＰＵコア
４０２　　パワーコントローラ
４０３　　パワースイッチ
４０４　　キャッシュ
４０５　　バスインターフェース
４０６　　デバッグインターフェース
４０７　　制御装置
４０８　　ＰＣ
４０９　　パイプラインレジスタ
４１０　　パイプラインレジスタ
４１１　　ＡＬＵ
４１２　　レジスタファイル
４２１　　パワーマネージメントユニット
４２２　　周辺回路
４２３　　データバス
５００　　半導体装置
５０１　　記憶回路
５０２　　記憶回路
５０３　　記憶回路
５０４　　回路
５０９　　トランジスタ
５１０　　トランジスタ
５１２　　トランジスタ
５１３　　トランジスタ
５１５　　トランジスタ
５１７　　トランジスタ
５１８　　トランジスタ
５１９　　容量素子
５２０　　容量素子
５４０　　配線
５４１　　配線
５４２　　配線
５４３　　配線
５４４　　配線
７１１　　基板
７１２　　回路領域
７１３　　分離領域
７１４　　分離線
７１５　　チップ
７５０　　電子部品
７５２　　プリント基板
７５３　　半導体装置
７５４　　実装基板
７５５　　リード
８００　　インバータ
８１０　　ＯＳトランジスタ
８２０　　ＯＳトランジスタ
８３１　　信号波形
８３２　　信号波形
８４０　　破線
８４１　　実線
８５０　　ＯＳトランジスタ
８６０　　ＣＭＯＳインバータ
９００　　半導体装置
９０１　　電源回路
９０２　　回路
９０３　　電圧生成回路
９０３Ａ　　電圧生成回路
９０３Ｂ　　電圧生成回路
９０３Ｃ　　電圧生成回路
９０３Ｄ　　電圧生成回路
９０３Ｅ　　電圧生成回路
９０４　　回路
９０５　　電圧生成回路
９０５Ａ　　電圧生成回路
９０５Ｂ　　電圧生成回路
９０５Ｅ　　電圧生成回路
９０６　　回路
９１１　　トランジスタ
９１２　　トランジスタ
９１２Ａ　　トランジスタ
９１２Ｂ　　トランジスタ
９２１　　制御回路
９２２　　トランジスタ
１９０１　　筐体
１９０２　　筐体
１９０３　　表示部
１９０４　　表示部
１９０５　　マイクロフォン
１９０６　　スピーカー
１９０７　　操作キー
１９０８　　スタイラス
１９１１　　筐体
１９１２　　筐体
１９１３　　表示部
１９１４　　表示部
１９１５　　接続部
１９１６　　操作キー
１９２１　　筐体
１９２２　　表示部
１９２３　　キーボード
１９２４　　ポインティングデバイス
１９３１　　筐体
１９３２　　冷蔵室用扉
１９３３　　冷凍室用扉
１９４１　　筐体
１９４２　　筐体
１９４３　　表示部
１９４４　　操作キー
１９４５　　レンズ
１９４６　　接続部
１９５１　　車体
１９５２　　車輪
１９５３　　ダッシュボード
１９５４　　ライト
２２００　　撮像装置
２２０１　　スイッチ
２２０２　　スイッチ
２２０３　　スイッチ
２２１０　　画素部
２２１１　　画素
２２１２　　副画素
２２１２Ｂ　　副画素
２２１２Ｇ　　副画素
２２１２Ｒ　　副画素
２２２０　　光電変換素子
２２３０　　画素回路
２２３１　　配線
２２４７　　配線
２２４８　　配線
２２４９　　配線
２２５０　　配線
２２５３　　配線
２２５４　　フィルタ
２２５４Ｂ　　フィルタ
２２５４Ｇ　　フィルタ
２２５４Ｒ　　フィルタ
２２５５　　レンズ
２２５６　　光
２２５７　　配線
２２６０　　周辺回路
２２７０　　周辺回路
２２８０　　周辺回路
２２９０　　周辺回路
２２９１　　光源
２３００　　シリコン基板
２３１０　　層
２３２０　　層
２３３０　　層
２３４０　　層
２３５１　　トランジスタ
２３５２　　トランジスタ
２３５３　　トランジスタ
２３６０　　フォトダイオード
２３６１　　アノード
２３６３　　低抵抗領域
２３７０　　プラグ
２３７１　　配線
２３７２　　配線
２３７３　　配線
２３７９　　絶縁体
２３８０　　絶縁体
２３８１　　絶縁体
２３９０ａ　　導電体
２３９０ｂ　　導電体
２３９０ｃ　　導電体
２３９０ｄ　　導電体
２３９０ｅ　　導電体
３００１　　配線
３００２　　配線
３００３　　配線
３００４　　配線
３００５　　配線
３００６　　配線
３２００　　トランジスタ
３５００　　トランジスタ
４００１　　配線
４００３　　配線
４００５　　配線
４００６　　配線
４００７　　配線
４００８　　配線
４００９　　配線
４０２１　　層
４０２３　　層
４１００　　トランジスタ
４２００　　トランジスタ
４３００　　トランジスタ
４４００　　トランジスタ
４５００　　容量素子
４６００　　容量素子

Claims (6)

  1. 　第１の絶縁体の上に、酸素とアルミニウムを含む第１の導電体を形成し、
    　前記第１の導電体の上に、酸素とシリコンを含む第２の絶縁体を形成し、
    　前記第２の絶縁体の上に、酸素の流量比を２０％以下とし、基板温度を室温以上１５０℃以下として、スパッタリング法を用いて酸化物を形成し、
    　４５０℃以下の温度で熱処理を行い、
    　前記酸化物の上に、酸素とシリコンを含む第３の絶縁体を形成し、
    　前記第３の絶縁体の上に、第２の導電体を形成し、
    　前記第３の絶縁体および前記第２の導電体の上に、酸素とシリコンを含む第４の絶縁体を形成し、
    　前記第４の絶縁体の上に、４５０℃以下の温度で基板加熱を行いながらスパッタリング法を用いて酸素とアルミニウムを含む第５の絶縁体を形成する、ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  2. 　第１の絶縁体と、
    　前記第１の絶縁体の上に形成された第１の導電体と、
    　前記第１の導電体の上に形成された第２の絶縁体と、
    　前記第２の絶縁体の上に形成された酸化物と、
    　前記酸化物の上に形成された第３の絶縁体と、
    　前記第３の絶縁体の上に形成された第２の導電体と、
    　前記第３の絶縁体および前記第２の導電体の上に形成された第４の絶縁体と、
    　前記第４の絶縁体の上に形成された第５の絶縁体と、を有し、
    　前記酸化物は、
    　Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎとを含み、
    　前記Ｉｎ、前記Ｍ、及び前記Ｚｎの原子数比は、
    　Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３及びその近傍であり、
    　前記Ｉｎ、Ｍ、及びＺｎの原子数の総和に対して、前記Ｉｎの原子数比が４の場合、前記Ｍの原子数比が１．５以上２．５以下であり、且つ前記Ｚｎの原子数比が２以上４以下であり、
    　前記酸化物は、第１の結晶部と、第２の結晶部と、を有し、
    　前記第１の結晶部は、ｃ軸配向性を有し、
    　前記第２の結晶部は、ｃ軸配向性を有さない、
    　前記第２の絶縁体、前記第３の絶縁体及び前記第４の絶縁体は、酸素と、シリコンを含み、
    　前記第１の絶縁体及び前記第５の絶縁体は、酸素と、アルミニウムを含むことを特徴とする半導体装置。
  3. 　請求項２において、
    　前記酸化物は、
    　断面に対する電子線回折測定を行い、前記酸化物の電子線回折パターンを観測した場合、
    　前記電子線回折パターンは、
    　前記第１の結晶部に起因する回折スポットを有する第１の領域と、
    　前記第２の結晶部に起因する回折スポットを有する第２の領域と、を有し、
    　前記第１の領域における輝度の積分強度は、前記第２の領域における輝度の積分強度よりも大きい、ことを特徴とする半導体装置。
  4. 　請求項３において、
    　前記第１の領域における前記輝度の積分強度は、
    　前記第２の領域における前記輝度の積分強度に対して、１倍を超えて３倍以下である、ことを特徴とする半導体装置。
  5. 　請求項２乃至４のいずれか一項において、
    　前記酸化物は、
    　浅い欠陥準位密度のピーク値が、２．５×１０１２ｃｍ−２ｅＶ−１未満である領域を有する、ことを特徴とする半導体装置。
  6. 　請求項２乃至４のいずれか一項において、
    　前記酸化物と前記第３の絶縁体の間に、第２の酸化物を有し、
    　前記第２の酸化物は、
    　Ｉｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎとを含み、
    　前記酸化物は、第１の結晶部と、第２の結晶部と、を有し、
    　前記第１の結晶部は、ｃ軸配向性を有し、
    　前記第２の結晶部は、ｃ軸配向性を有さない、
    　断面に対する電子線回折測定を行い、前記酸化物の電子線回折パターンを観測した場合、
    　前記電子線回折パターンは、
    　前記第１の結晶部に起因する回折スポットを有する第１の領域と、
    　前記第２の結晶部に起因する回折スポットを有する第２の領域と、を有し、
    　前記第１の領域における輝度の積分強度は、
    　前記第２の領域における輝度の積分強度に対して、１倍を超えて１０倍以下である、ことを特徴とする半導体装置。
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