WO2019130161A1 - 半導体装置、および半導体装置の作製方法 - Google Patents

半導体装置、および半導体装置の作製方法 Download PDF

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insulator
film
transistor
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飯田裕太
方堂涼太
菅谷健太郎
小松立
遠藤俊弥
山崎舜平
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株式会社半導体エネルギー研究所
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    • H01L29/78648—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film with multiple gate arranged on opposing sides of the channel
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    • H10B41/00—Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates
    • H10B41/70—Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates the floating gate being an electrode shared by two or more components

Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
  • one embodiment of the present invention relates to a semiconductor wafer, a module, and an electronic device.
  • a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics.
  • a semiconductor circuit such as a transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic device, and a memory device are one embodiment of a semiconductor device.
  • Display devices liquid crystal display devices, light emitting display devices, etc.
  • projection devices lighting devices
  • electro-optical devices power storage devices
  • storage devices semiconductor circuits
  • imaging devices electronic devices, and the like may have semiconductor devices in some cases. .
  • one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field.
  • One aspect of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method.
  • one aspect of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter).
  • Oxide semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, but oxide semiconductors are attracting attention as other materials.
  • oxide semiconductor for example, not only single-component metal oxides such as indium oxide and zinc oxide but also multi-component metal oxides are known.
  • oxides of multi-element metals in particular, research on In-Ga-Zn oxide (hereinafter also referred to as IGZO) has been actively conducted.
  • Non-Patent Documents 1 to 3 a c-axis aligned crystalline (CAAC) structure and an nc (nanocrystalline) structure which are neither single crystal nor amorphous are found in an oxide semiconductor (see Non-Patent Documents 1 to 3) ).
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 also disclose a technique for manufacturing a transistor using an oxide semiconductor having a CAAC structure.
  • non-patent documents 4 and 5 show that even oxide semiconductors that are less crystalline than the CAAC structure and the nc structure have minute crystals.
  • Non-Patent Document 6 a transistor using IGZO as an active layer has an extremely low off current (see Non-Patent Document 6), and LSIs and displays utilizing the characteristics have been reported (see Non-Patent Document 7 and Non-Patent Document 8) ).
  • An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high reliability. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with a large on-state current. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having high frequency characteristics. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device which can be miniaturized or highly integrated. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having favorable electrical characteristics. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high productivity.
  • An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of holding data for a long time.
  • An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high data writing speed.
  • An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high design freedom.
  • An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing power consumption.
  • An object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device.
  • One aspect of the present invention relates to a first oxide, a first conductor and a second conductor disposed apart from each other on the first oxide, and a first conductor.
  • a first oxide In contact with the third conductor, the upper surface and the side surface of the second conductor, and the upper surface of the first oxide, which are disposed in contact with the upper surface and the side surface, and the upper surface of the first oxide
  • a fourth conductor and a third conductor and a fourth conductor, and an overlapping opening is formed between the third conductor and the fourth conductor.
  • the third conductor and the fourth conductor are each a semiconductor device having a region overlapping with the fifth conductor.
  • the fourth insulator is disposed, and the fourth insulator has lower oxygen permeability than the first insulator.
  • the fifth conductor is disposed to face the side surface of the first oxide, and the second oxide is formed between the fifth conductor and the side surface of the first oxide.
  • an object and a second insulator are arranged.
  • the third conductor is thinner than the first conductor, and the fourth conductor is thinner than the second conductor.
  • the film thickness of the region not overlapping with the third conductor or the fourth conductor is larger than the film thickness of the region overlapping with the third conductor or the fourth conductor It may be thin.
  • the first oxide preferably contains In, an element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn.
  • the second oxide preferably includes an element M (M is Al, Ga, Y, or Sn) and Zn.
  • the second oxide contains In, the element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn, and the atom of In with respect to the element M in the second oxide
  • the number ratio may be smaller than the atomic ratio of In to the element M in the first oxide.
  • the second oxide has a first layer and a second layer on the first layer, and the first layer has substantially the same composition as the second oxide, The second layer may have a region with a lower In concentration than the second oxide.
  • a first insulating film, a second insulating film, a first oxide film, a second oxide film, and a first conductive film are sequentially formed on a substrate, A part of the first conductive film is removed to form a first conductor, and a second conductive film is formed on the second oxide film and the first conductor, Processing the oxide film, the second oxide film, the first conductor, and the second conductive film into an island shape, thereby forming a first oxide and a second oxide on the first oxide; Form a second conductor on the second oxide, and a third conductor, and a second conductor on the second oxide, the second conductor, and the third conductor Forming a dummy gate layer on the fourth conductor, located between the second conductor and the third conductor, the first oxide, the second oxide, the second conductor , The third conductor, the fourth conductor, and the dummy gate layer Then, the third insulating film is formed, the fourth insulating film is formed on the third insulating film.
  • the fifth insulating film is formed on the third insulating film, the fourth insulating film, and the fourth conductor.
  • a dummy film is formed on the fifth insulating film, and part of the fifth insulating film and the dummy film are removed by anisotropic etching using an etching gas containing fluorine and carbon.
  • a third oxide film, a sixth insulating film, and a third conductive film are sequentially formed so as to form a current collector, remove the dummy layer and by-products by wet etching, and embed in the opening. And a part of the third oxide film, the sixth insulating film, and the third conductive film is removed until the upper part of the third insulating film is exposed.
  • the fifth insulating film may be an oxide containing hafnium which is formed using an ALD method.
  • the dummy film may be formed using an ALD method, and may be an oxide containing aluminum.
  • the by-products may include aluminum, fluorine and carbon.
  • the upper part of the region of the second oxide, which is sandwiched between the fifth conductor and the sixth conductor may be removed by wet etching.
  • the first insulating film, the second insulating film, the first oxide film, the second oxide film, and the first conductive film are formed using a multi-chamber system film formation apparatus. Alternatively, film formation may be performed without exposure to the air.
  • a semiconductor device with high reliability can be provided.
  • a semiconductor device with large on-state current can be provided.
  • a semiconductor device having high frequency characteristics can be provided.
  • a semiconductor device which can be miniaturized or highly integrated can be provided.
  • a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be provided.
  • a semiconductor device with high productivity can be provided.
  • a semiconductor device capable of holding data for a long time can be provided.
  • a semiconductor device with high data writing speed can be provided.
  • a semiconductor device with a high degree of freedom in design can be provided.
  • a semiconductor device capable of suppressing power consumption can be provided.
  • a novel semiconductor device can be provided.
  • 7A and 7B are a top view and a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A and 7B are a top view and a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a top view illustrating an apparatus for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory device of one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a block diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic view of a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates an electronic device according to one embodiment of the present invention. The figure explaining the Example of this invention. The figure explaining the Example of this invention.
  • the size, layer thicknesses, or areas may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.
  • the drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings.
  • a layer, a resist mask, and the like may be unintentionally reduced by a process such as etching, but may not be reflected in the drawings for ease of understanding.
  • the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and repeated description may be omitted.
  • the hatch pattern may be the same and no reference numeral may be given.
  • the description of some of the components may be omitted particularly in a top view (also referred to as a "plan view") or a perspective view.
  • the description of some hidden lines may be omitted.
  • the ordinal numbers given as the first, second and the like are used for convenience and do not indicate the order of steps or the order of layers. Therefore, for example, “first” can be appropriately replaced with “second” or “third” and the like.
  • the ordinal numbers described in this specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one embodiment of the present invention.
  • the present invention is not limited to a predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or the sentence, and anything other than the connection relationship shown in the figure or the sentence is also disclosed in the figure or the sentence.
  • X and Y each denote an object (eg, a device, an element, a circuit, a wiring, an electrode, a terminal, a conductive film, a layer, or the like).
  • the vicinity of the atomic ratio may be included unless otherwise noted.
  • the vicinity of the atomic ratio includes the value of 50% or more and 150% or less of the value indicating the number of each atom.
  • the neighborhood of the ratio of [A] includes 1 or more and 3 or less, and the neighborhood of the ratio of [B] is 0.5 or more and 1 .5 or less shall be included.
  • the vicinity of the atomic ratio includes the value of 80% to 120% of the value indicating the number of each atom.
  • the neighborhood of the ratio of [A] includes 1.6 or more and 2.4 or less, and 0 as the neighborhood of the ratio of [B] .8 or more and 1.2 or less shall be included.
  • the vicinity of the atomic ratio includes the value of 90% or more and 110% or less of the value indicating the number of each atom.
  • the vicinity of the ratio of [A] includes 1.8 or more and 2.2 or less, and 0 as the vicinity of the ratio of [B] .9 or more and 1.1 or less.
  • the functions of the source and the drain may be switched when adopting transistors of different polarities or when the direction of current changes in circuit operation. Therefore, in the present specification and the like, the terms “source” and “drain” may be used interchangeably.
  • the channel width in the region where the channel is actually formed (hereinafter also referred to as “effective channel width”) and the channel width shown in the top view of the transistor (Hereafter, it may also be called “apparent channel width.”) May be different.
  • the effective channel width may be larger than the apparent channel width, and the effect may not be negligible.
  • the ratio of the channel formation region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width is larger than the apparent channel width.
  • channel width may refer to an apparent channel width.
  • channel width may refer to an effective channel width. Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width and the like can be determined by analyzing a cross-sectional TEM image or the like.
  • the impurity of a semiconductor means, for example, elements other than the main components of the semiconductor.
  • an element having a concentration of less than 0.1 atomic% can be said to be an impurity.
  • the inclusion of impurities may cause, for example, an increase in the DOS (Density of States) of the semiconductor, or a decrease in crystallinity.
  • the semiconductor is an oxide semiconductor
  • examples of the impurity that changes 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 an oxide semiconductor.
  • transition metals other than the main components thereof such as hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, nitrogen and the like.
  • water may also function as an impurity.
  • oxygen vacancies may be formed, for example, by the addition of impurities.
  • the impurity that changes the characteristics of the semiconductor include oxygen, a group 1 element excluding hydrogen, a group 2 element, a group 13 element, and a group 15 element.
  • silicon oxynitride has a higher content of oxygen than nitrogen as its composition.
  • silicon nitride oxide has a nitrogen content higher than that of oxygen as its composition.
  • the term “insulator” can be reworded as an insulating film or an insulating layer. Further, the term “conductor” can be rephrased as a conductive film or a conductive layer. Further, the term “semiconductor” can be reworded as a semiconductor film or a semiconductor layer.
  • parallel means the state in which two straight lines are arrange
  • generally parallel means the state by which two straight lines are arrange
  • vertical means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 degrees or more and 100 degrees or less. Therefore, the case of 85 degrees or more and 95 degrees or less is also included.
  • generally perpendicular means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 degrees or more and 120 degrees or less.
  • a barrier film is a film having a function of suppressing permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen, and in the case where the barrier film has conductivity, a conductive barrier film and I sometimes call.
  • the metal oxide is a metal oxide in a broad sense.
  • Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as oxide semiconductor or simply OS), and the like.
  • oxide semiconductors also referred to as oxide semiconductor or simply OS
  • the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, in the case of describing an OS FET or an OS transistor, it can be said to be a transistor having an oxide or an oxide semiconductor.
  • normally-off means that the current per 1 ⁇ m of the channel width flowing in the transistor is 1 ⁇ 10 ⁇ 20 at room temperature when no potential is applied to the gate or the ground potential is applied to the gate. A or less, 1 ⁇ 10 ⁇ 18 A or less at 85 ° C., or 1 ⁇ 10 ⁇ 16 A or less at 125 ° C.
  • Embodiment 1 Hereinafter, an example of a specific structure of the semiconductor device described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.
  • 1A, 1B, and 1C are a top view and a cross-sectional view of a transistor 200 and a periphery of the transistor 200 according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the transistor 200.
  • FIG. 1A is a top view of a semiconductor device including the transistor 200.
  • FIG. 1B and 1C are cross-sectional views of the semiconductor device.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A1-A2 in FIG. 1A, and is also a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 200.
  • 1C is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A3-A4 in FIG. 1A, and is also a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200. Note that in the top view of FIG. 1A, some elements are omitted for clarity of the drawing.
  • 2A is an enlarged view of the oxide 230c in FIG. 1B and the vicinity thereof
  • FIG. 2B shows the oxide 230 and the conductor 260 in FIG. 1C, and It is an enlarged view of the vicinity.
  • Transistor 200 As shown in FIG. 1, the transistor 200 is separated from each other on an oxide 230a disposed on a substrate (not shown), an oxide 230b disposed on the oxide 230a, and an oxide 230b.
  • Conductor 242a and conductor 243b disposed in contact with the arranged conductors 243a and 243b, the top and side surfaces of the conductor 243a, and the top surface of the oxide 230b.
  • an upper surface of the oxide 230b, the conductor 242b, the conductor 242a, and the conductor 242b, and an opening is formed so as to overlap between the conductor 242a and the conductor 242b.
  • an insulator 266 disposed between.
  • the insulator 266 does not overlap with the oxide 230 b in a region between the conductor 242 a and the conductor 242 b.
  • the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c may be collectively referred to as the oxide 230.
  • the conductor 242a and the conductor 242b may be collectively referred to as a conductor 242.
  • the conductor 243a and the conductor 243b may be collectively referred to as a conductor 243.
  • the conductor 260 may have a laminated structure of a conductor 260a provided inside the insulator 250 and a conductor 260b provided so as to be embedded inside the conductor 260a. Good.
  • the transistor 200 a structure in which three layers of an oxide 230a, an oxide 230b, and an oxide 230c are stacked in a region where a channel is formed (hereinafter, also referred to as a channel formation region) and in the vicinity thereof is shown.
  • the present invention is not limited to this.
  • a two-layer structure of the oxide 230 b and the oxide 230 c or a stacked structure of four or more layers may be provided.
  • each of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c may have a stacked-layer structure of two or more layers.
  • FIG. 2 an example in which the oxide 230c has a stacked-layer structure including an oxide 230c1 and an oxide 230c2 over the oxide 230c1 is described.
  • the insulator 280 is isolated between the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 242a, the conductor 242b, the conductor 243a, the conductor 243b, the insulator 266, and the insulator 280.
  • body 244 and insulator 254 are disposed.
  • the insulator 254 is a side surface of the insulator 266, an upper surface and a side surface of the conductor 242, a side surface of the conductor 243, and a side surface of the oxide 230a and the oxide 230b, as shown in FIG. And preferably in contact with the top surface of the insulator 224.
  • the insulator 244 is preferably disposed in contact with the top surface of the insulator 254.
  • the insulator 254 and the insulator 244 each have a region located between the conductor 242 a and the conductor 243 a and the insulator 280, and a region located between the conductor 242 b and the conductor 243 b and the insulator 280.
  • only one of the insulator 244 and the insulator 254 may be disposed.
  • An insulator 274 is in contact with the upper surface of the conductor 260, the upper surface of the insulator 250, the upper surface of the oxide 230c, the upper surface of the insulator 266, the upper surface of the insulator 254, the upper surface of the insulator 244, and the upper surface of the insulator 280. It is preferred to be arranged. Note that an insulator 281 which functions as an interlayer film is preferably provided over the insulator 274.
  • the insulator 222, the insulator 254, the insulator 244, and the insulator 274 preferably have a function of suppressing diffusion of hydrogen (eg, at least one of hydrogen atom, hydrogen molecule, and the like).
  • the insulator 222, the insulator 254, the insulator 244, and the insulator 274 preferably have lower hydrogen permeability than the insulator 224, the insulator 250, and the insulator 280.
  • the insulator 222, the insulator 254, and the insulator 244 preferably have a function of suppressing diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atom, oxygen molecule, and the like).
  • the insulator 222, the insulator 254, and the insulator 244 preferably have lower oxygen permeability than the insulator 224, the insulator 250, and the insulator 280.
  • the transistor 200 includes an insulator 214 disposed on a substrate (not shown), a conductor 205 disposed on the insulator 214, and a side surface of the conductor 205 on the insulator 214. It is preferable to include an insulator 216 disposed to be in contact with the insulator 216, an insulator 222 disposed on the insulator 216 and the conductor 205, and an insulator 224 disposed on the insulator 222. At this time, the insulator 222 is preferably provided in contact with the top surface of the conductor 205 and the top surface of the insulator 216. An oxide 230 a is preferably disposed on the insulator 224.
  • a conductor 240 (a conductor 240 a and a conductor 240 b) which is electrically connected to the transistor 200 and functions as a plug is preferably provided.
  • an insulator 241 (insulator 241 a and insulator 241 b) is provided in contact with the side surface of the conductor 240 functioning as a plug. That is, the insulator 241 is provided in contact with the inner wall of the opening of the insulator 254, the insulator 244, the insulator 280, the insulator 274, and the insulator 281.
  • the first conductor of the conductor 240 may be provided in contact with the side surface of the insulator 241, and the second conductor of the conductor 240 may be provided further inside.
  • the height of the top surface of the conductor 240 and the height of the top surface of the insulator 281 can be approximately the same.
  • the transistor 200 illustrates a structure in which the first conductor of the conductor 240 and the second conductor of the conductor 240 are stacked, the present invention is not limited to this.
  • the conductor 240 may be provided as a single layer or a stacked structure of three or more layers. In the case where the structure has a stacked structure, ordinal numbers may be assigned in order of formation to be distinguished.
  • a metal oxide which functions as an oxide semiconductor is used for the oxide 230 (the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c) including a channel formation region.
  • a metal oxide to be a channel formation region of the oxide 230 one having a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more is preferably used.
  • a metal oxide with a large band gap leakage current (off current) in the nonconductive state of the transistor can be extremely reduced.
  • a semiconductor device with low power consumption can be provided.
  • In-M-Zn oxide as the oxide 230 (element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium It is preferable to use a metal oxide such as one or more selected from neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium.
  • a metal oxide such as one or more selected from neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium.
  • aluminum, gallium, yttrium or tin may be used as the element M.
  • indium oxide, zinc oxide, In—Ga oxide, In—Zn oxide, Ga—Zn oxide, or gallium oxide may be used as the oxide 230.
  • the presence of an impurity such as hydrogen might increase carrier density and reduce resistance.
  • hydrogen which enters oxygen vacancies in the oxide semiconductor may function as a donor and the transistor may be normally on.
  • stress such as voltage or high temperature, hydrogen is moved in the oxide semiconductor, which might cause variation in electrical characteristics of the transistor.
  • the structure of the excess oxygen in the oxide 230 may change due to stress such as voltage or high temperature.
  • the electrical characteristics of the transistor including the oxide 230 may be unstable or the reliability may be reduced.
  • the insulator 222, the insulator 254, the insulator 244, and the insulator 274 which have a barrier property against impurities such as hydrogen and oxygen have insulator properties.
  • An insulator 250 and an oxide 230 are covered.
  • the insulator 224, the oxide 230, and the insulator 250 are separated from the insulator 280 and the insulator 281 by the insulator 222, the insulator 254, the insulator 244, and the insulator 274. There is. Accordingly, entry of impurities such as hydrogen and excess oxygen from the outside of the transistor 200 can be suppressed, so that the transistor 200 can have favorable electrical characteristics and reliability.
  • the conductor 260 functions as a gate electrode of the transistor, and the conductor 242a and the conductor 243a, and the conductor 242b and the conductor 243b function as a source electrode or a drain electrode, respectively.
  • the oxide 230 has a channel formation region in a region between the conductor 242a and the conductor 242b, and the source region and the drain region sandwiching the channel formation region in the vicinity of the region overlapping with the conductor 242a (conductor 242b) Have.
  • the source region and / or the drain region may have a shape which protrudes inward from the conductor 242a (conductor 242b).
  • the channel formation region of the transistor 200 may be formed in the vicinity of the interface between the oxide 230 b and the oxide 230 c and / or the oxide 230 c as well as the oxide 230 b.
  • the conductor 260 is formed to be embedded in the opening of the insulator 280.
  • the arrangement of the conductor 260, the conductor 242a, and the conductor 242b is selected in a self-aligned manner with respect to the opening of the insulator 280. That is, in the transistor 200, the gate electrode can be arranged between the source electrode and the drain electrode in a self-aligned manner.
  • the conductor 260 can be formed without providing a positioning margin, so that the area occupied by the transistor 200 can be reduced.
  • the semiconductor device can be miniaturized and highly integrated.
  • the conductor 242a and the conductor 242b each have a region overlapping with the conductor 260 with the insulator 266, the oxide 230c, and the insulator 250 interposed therebetween.
  • the region of the oxide 230 which overlaps with the region functions as a so-called overlap region (also referred to as a Lov region).
  • the length of the Lov region in the channel length direction is T1.
  • T1 is 5 nm or more and 60 nm or less, preferably 10 nm or more and 40 nm or less, more preferably 10 nm or more and 20 nm or less.
  • the conductor 242 a and the conductor 242 b overlap with the conductor 260, respectively, so that the distance between the conductor 242 a and the conductor 242 b is equal to that of the insulator 280, the insulator 244, and the insulator 254. It becomes shorter than the length of the opening formed in the channel length direction. Accordingly, the channel length of the transistor 200 can be further shortened.
  • the film thickness of the conductor 242 is preferably thinner than at least the conductor 243. As described above, by reducing the film thickness of the conductor 242, the distance between the oxide 230b and the conductor 260 in the Lov region and its vicinity can be reduced.
  • the transistor 200 can increase the contribution of the gate electric field applied by the conductor 260 also to the region in the vicinity of the conductor 242 a and the conductor 242 b of the oxide 230. Thereby, the on current, the S value, and the frequency characteristics can be improved.
  • the conductor 243a (conductor 243b) is preferably provided so as to overlap with the conductor 240a (conductor 240b). Furthermore, the film thickness of the conductor 243 is at least thicker than that of the conductor 242. With such a structure, the conductor 243a (conductor 243b) is provided at the bottom of the opening in the etching for forming the opening in which the conductor 240a (conductor 240b) is embedded, so the oxide 230b is over-etched. Can be prevented.
  • an insulator 266 is provided in contact with the top surface of the conductor 242.
  • the insulator 266 has a region located between the conductor 242 a and the conductor 260 and a region located between the conductor 242 b and the conductor 260.
  • the insulator 266 functions as part of a mask in separating the conductor 242a and the conductor 242b. Therefore, the end of the lower surface of the insulator 266 on the side of the conductor 260 may substantially coincide with the end of the upper surface of the conductor 242a (the conductor 242b) on the side of the conductor 260.
  • a semiconductor device having a transistor with a large on current can be provided.
  • a semiconductor device having a transistor with high frequency characteristics can be provided.
  • a semiconductor device can be provided which has stable electrical characteristics and suppressed reliability while suppressing fluctuations in the electrical characteristics.
  • a semiconductor device having a transistor with low off current can be provided.
  • the conductor 205 is disposed so as to overlap with the oxide 230 and the conductor 260.
  • the conductor 205 is preferably provided so as to be embedded in the insulator 216.
  • the average surface roughness (Ra) of the top surface of the conductor 205 may be 1 nm or less, preferably 0.5 nm or less, more preferably 0.3 nm or less. Accordingly, the planarity of the insulator 224 formed over the conductor 205 can be improved and crystallinity of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c can be improved.
  • the conductor 260 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode.
  • the conductor 205 may function as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode.
  • the Vth of the transistor 200 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 205 independently of the potential applied to the conductor 260 without interlocking.
  • Vth of the transistor 200 can be larger than 0 V and off current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 205, the drain current when the potential applied to the conductor 260 is 0 V can be smaller than when no potential is applied.
  • the conductor 205 may be larger than the channel formation region in the oxide 230.
  • the conductor 205 preferably extends also in a region outside the end portion of the oxide 230 which intersects the channel width direction. That is, it is preferable that the conductor 205 and the conductor 260 overlap with each other through an insulator outside the side surface of the oxide 230 in the channel width direction.
  • the channel formation region of the oxide 230 is electrically generated by the electric field of the conductor 260 having a function as a first gate electrode and the electric field of the conductor 205 having a function as a second gate electrode. Can be surrounded.
  • the conductor 205 is stretched to function as a wiring.
  • a conductor which functions as a wiring may be provided below the conductor 205.
  • a conductive material mainly containing tungsten, copper, or aluminum is preferably used. Note that although the conductor 205 is illustrated as a single layer, it may have a stacked structure, for example, a stack of titanium and titanium nitride and the above conductive material.
  • the function to suppress the diffusion of impurities such as hydrogen atom, hydrogen molecule, water molecule, nitrogen atom, nitrogen molecule, nitrogen oxide molecule (N 2 O, NO, NO 2 etc.), copper atom etc. It is also possible to use a conductive material (which is hard to transmit the above-mentioned impurities).
  • a conductor having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one of oxygen atom, oxygen molecule, and the like) (the above oxygen is difficult to permeate).
  • the function of suppressing the diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing the diffusion of any one or all of the above-described impurities or oxygen.
  • the conductor 205 By using a conductor having a function of suppressing the diffusion of oxygen under the conductor 205, the conductor 205 can be prevented from being oxidized and the conductivity being lowered.
  • a conductor having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide or the like is preferably used. Therefore, as the first conductor of the conductor 205, the above conductive material may be formed as a single layer or a stack.
  • the insulator 214 preferably functions as a barrier insulating film which suppresses impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 200 from the substrate side. Therefore, the insulator 214 has a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, nitrogen oxide molecules (N 2 O, NO, NO 2 and the like), and copper atoms. (It is difficult for the above impurities to permeate). It is preferable to use an insulating material. Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atoms, oxygen molecules, and the like) (the above oxygen is difficult to permeate).
  • oxygen eg, at least one of oxygen atoms, oxygen molecules, and the like
  • the insulator 214 aluminum oxide or silicon nitride is preferably used. Accordingly, diffusion of an impurity such as water or hydrogen from the substrate side to the transistor 200 side with respect to the insulator 214 can be suppressed. Alternatively, oxygen contained in the insulator 224 or the like can be suppressed from being diffused to the substrate side more than the insulator 214.
  • the insulator 214 may have a stacked structure.
  • a stacked structure of an aluminum oxide film and a silicon nitride film is preferably used for the insulator 214.
  • the aluminum oxide film can supply oxygen below the insulator 214. Further, diffusion of impurities such as hydrogen and water which are diffused from the substrate side to the transistor 200 side can be suppressed by the silicon nitride film.
  • the order of stacking the aluminum oxide film and the silicon nitride film is not particularly limited. For example, any one of a stacked structure in which an aluminum oxide film is provided over an aluminum nitride film and a stacked structure in which an aluminum nitride film is provided over an aluminum oxide film can be used.
  • the insulator 216, the insulator 280, and the insulator 281 each functioning as an interlayer film preferably have a lower dielectric constant than the insulator 214.
  • a material having a low dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.
  • silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, carbon oxide, and nitrogen are added.
  • a silicon oxide, a silicon oxide having a void, or the like may be used as appropriate.
  • the insulator 222 and the insulator 224 have a function as a gate insulator.
  • the insulator 224 in contact with the oxide 230 preferably releases oxygen by heating.
  • oxygen released by heating may be referred to as excess oxygen.
  • the insulator 224 silicon oxide, silicon oxynitride, or the like may be used as appropriate.
  • the insulator 224 is preferably an insulator with a reduced In concentration.
  • In When In is contained in the oxide 230 a in contact with the insulator 224, the In may be diffused into the insulator 224.
  • the metal In in the insulator 224 captures negative charge and may affect transistor characteristics and variations thereof, such as a positive shift of the threshold voltage of the transistor and an increase in the S value. For example, in the case where the threshold voltage of the transistor is positively shifted and the normally-off characteristic is obtained, the transistor needs a higher driving voltage and low voltage driving becomes difficult. In this case, power consumption of the transistor and an electronic device including the transistor increase.
  • the In concentration in the insulator 224 is 1.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or less, preferably 1.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1.0 ⁇ 10 10 It is preferable that it is 17 atoms / cm 3 or less.
  • the oxide 230 a in contact with the insulator 224 is preferably an oxide which does not contain In.
  • an oxide of an element M (the element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium And one or more selected from hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium), M-Zn oxide, or M-Zn oxide, and In-M-Zn oxide on M-Zn oxide It is preferable to use the laminated body which contains. Specifically, it is preferable to use a stacked body including gallium oxide, Ga—Zn oxide, or Ga—Zn oxide, and In—Ga—Zn oxide over Ga—Zn oxide as the oxide 230 a. .
  • an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used as the insulator 224.
  • the oxide from which oxygen is released by heating is a desorption amount of oxygen of at least 1.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 , preferably 1 in terms of oxygen atom in TDS (thermal desorption spectroscopy) analysis. It is an oxide film having a concentration of not less than 0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , more preferably not less than 2.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , or not less than 3.0 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 .
  • the surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 400 ° C.
  • the thickness of a region where the insulator 224 does not overlap with the insulator 254 and does not overlap with the oxide 230b may be thinner than the thickness of the other regions. is there.
  • the thickness of a region which does not overlap with the insulator 254 and does not overlap with the oxide 230b is preferably a thickness which can sufficiently diffuse the oxygen.
  • the insulator 222 preferably functions as a barrier insulating film which suppresses entry of an impurity such as water or hydrogen into the transistor 200 from the substrate side, similarly to the insulator 214 or the like.
  • the insulator 222 preferably has lower hydrogen permeability than the insulator 224.
  • the insulator 222 preferably has a function of suppressing the diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atoms, oxygen molecules, and the like) (the above-described oxygen is difficult to transmit).
  • the insulator 222 preferably has lower oxygen permeability than the insulator 224. It is preferable that the insulator 222 has a function of suppressing the diffusion of oxygen and impurities, because the diffusion of oxygen in the oxide 230 can be reduced to the substrate side.
  • the conductor 205 can be inhibited from reacting with the insulator 224 and oxygen in the oxide 230.
  • the insulator 222 may be an insulator including an oxide of one or both of aluminum and hafnium which are insulating materials.
  • an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like.
  • the insulator 222 suppresses the release of oxygen from the oxide 230 and the entry of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 200 to the oxide 230. Act as a 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 222 is made of, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) TiO 3 (BST).
  • An insulator containing a so-called high-k material may be used in a single layer or a stack. As the miniaturization and higher integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to thinning of the gate insulator. By using a high-k material for the insulator functioning as a gate insulator, it is possible to reduce the gate potential at the time of transistor operation while maintaining the physical thickness.
  • the insulator 222 and the insulator 224 may have a stacked structure of two or more layers.
  • the invention is not limited to the laminated structure made of the same material, but may be a laminated structure made of different materials.
  • an insulator similar to the insulator 224 may be provided below the insulator 222.
  • the oxide 230 includes an oxide 230a, an oxide 230b over the oxide 230a, and an oxide 230c over the oxide 230b.
  • the oxide 230 a and the oxide 230 b are formed in an island shape and disposed over the insulator 224.
  • the oxide 230c is provided along the bottom and the side of the insulator 250 in the opening provided in the insulator 280, as shown in FIGS. 1B and 1C. It is provided in contact with the side surface and the top surface of the insulator 266, the side surface of the conductor 242a, and the side surface of the conductor 242b.
  • the oxide 230c is provided in the opening so as to be in contact with the top surface and the side surface of the oxide 230b and the side surface of the oxide 230a.
  • the oxide 230a By including the oxide 230a under the oxide 230b, diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 230a to the oxide 230b can be suppressed. In addition, by including the oxide 230c over the oxide 230b, diffusion of impurities from the structure formed above the oxide 230c to the oxide 230b can be suppressed.
  • the oxide 230 preferably has a stacked-layer structure of oxides having different atomic ratios of metal atoms.
  • the atomic ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic ratio of the element M in the constituent elements of the metal oxide used for the oxide 230b.
  • the atomic ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230b.
  • the atomic ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230a.
  • the oxide 230c may be a metal oxide which can be used for the oxide 230a or the oxide 230b.
  • the oxide 230 c preferably includes a region which does not contain In or has a low concentration of In.
  • an M-Zn oxide (element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, It is preferable to use a metal oxide such as one or more selected from cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium.
  • the atomic ratio of In to the element M is preferably smaller than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230b.
  • a metal oxide having a composition substantially equivalent to that of the oxide 230b is used for the oxide 230c1.
  • a metal oxide having a region with a lower In concentration than the oxide 230 b may be used as the oxide 230 c 2.
  • the oxide 230 (the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c) preferably has crystallinity, and in particular, CAAC-OS is preferably used.
  • An oxide having crystallinity such as CAAC-OS has a dense structure with high crystallinity, with few impurities and defects (such as oxygen deficiency). Accordingly, extraction of oxygen from the oxide 230 b by the source electrode or the drain electrode can be suppressed. Thus, even when heat treatment is performed, extraction of oxygen from the oxide 230 b can be reduced, so that the transistor 200 is stable against a high temperature (so-called thermal budget) in the manufacturing process.
  • the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 230a and the oxide 230c be higher than the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 230b.
  • the electron affinity of the oxide 230a and the oxide 230c is preferably smaller than the electron affinity of the oxide 230b.
  • the energy level at the lower end of the conduction band changes gently.
  • the energy level at the bottom of the conduction band at the junction of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c can be said to be continuously changed or connected continuously.
  • the density of defect states in the mixed layer formed at the interface between the oxide 230 a and the oxide 230 b and at the interface between the oxide 230 b and the oxide 230 c may be lowered.
  • the oxide 230 a and the oxide 230 b, and the oxide 230 b and the oxide 230 c contain at least one element in common with oxygen, a mixed layer with low density of defect states can be formed.
  • the structures and materials of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c will be described below. Note that the atomic ratio of the metal elements contained in the following oxides indicates the atomic ratio in the sputtering target or the atomic ratio in the metal oxide formed on the substrate.
  • oxide 230a an In-Ga-Zn oxide, a Ga-Zn oxide, or gallium oxide can be used.
  • the oxide 230 a may have a stacked-layer structure of a first layer (referred to as the oxide 230 a 1) and a second layer (oxide 230 a 2) over the oxide 230 a 1.
  • the laminated structure is not limited to this, and may have two or more layers.
  • the band gap of the first layer is preferably larger than that of the second layer.
  • the oxide 230a1 an oxide which does not contain In is preferably used.
  • oxide 230b an In—Ga—Zn oxide can be used.
  • oxide 230c an In-Ga-Zn oxide, a Ga-Zn oxide, or gallium oxide can be used.
  • the oxide 230c may have a stacked-layer structure of a first layer (referred to as oxide 230c1) and a second layer (referred to as oxide 230c2) over the oxide 230c1.
  • the laminated structure is not limited to this, and may have two or more layers.
  • the band gap of the second layer is preferably larger than that of the first layer.
  • a metal oxide of a number ratio], or 3: 1: 2 [atomic number ratio] can be used.
  • the oxide 230a and the oxide 230c preferably have the above-described stacked structure, and in other words, the oxide in contact with the insulator (the insulator 224 or the insulator 250) is In. It can be said that the oxide is not contained.
  • the insulator 224 and the insulator 250 function as gate insulators; thus, when In is diffused, the transistor might have poor characteristics. Therefore, by using an oxide which does not contain In as an oxide in contact with the insulator (the insulator 224 or the insulator 250), a highly reliable semiconductor device can be provided.
  • a main route of carriers is the oxide 230 b.
  • the oxide 230 a and the oxide 230 c into the above-described stacked structure, the density of defect states in the interface between the oxide 230 a and the oxide 230 b and the interface between the oxide 230 b and the oxide 230 c can be reduced. The excellent effect of being able to Therefore, the influence of interface scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 200 can obtain high on current and high frequency characteristics.
  • the present invention is not limited to this. Only one of the oxide 230a and the oxide 230c may have a stacked structure.
  • the thickness of a region which does not overlap with the conductor 242 may be smaller than the thickness of a region which overlaps with the conductor 242. This is formed by removing part of the top surface of the oxide 230b when forming the conductor 242a and the conductor 242b.
  • a region with low resistance may be formed in the vicinity of the interface with the conductive film.
  • the region can be prevented from becoming a part of the channel.
  • the film thickness of a region which does not overlap with the conductor 243 may be thinner than the film thickness of a region which overlaps with the conductor 243. This is formed by removing part of the top surface of the oxide 230 b when forming the conductor 243 a and the conductor 243 b. That is, the oxide 230b may include regions having different first thicknesses, regions having a second thickness, and regions having a third thickness.
  • a conductor 243 (a conductor 243a and a conductor 243b) functioning as a source electrode and a drain electrode, and a conductor 242 (a conductor 242a and a conductor 242b) are provided over the oxide 230b.
  • the conductor 243 and the conductor 242 aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium It is preferable to use a metal element selected from iridium, strontium, or lanthanum, or an alloy containing the above-described metal element as a component, or an alloy in which the above-described metal element is combined.
  • tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, oxide containing lanthanum and nickel, etc. are used. Is preferred.
  • tantalum nitride, titanium nitride, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, oxide containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize. It is preferable because it is a conductive material or a material which maintains conductivity even by absorbing oxygen.
  • the conductor 243 and the conductor 242 may use the same material or different materials.
  • the area of the conductor 242 is larger than the area of the conductor 243, and the conductor 242 is in contact with the top surface of the conductor 243 and part of the side surfaces and on the top surface of the oxide 230 b. I touch a part.
  • the thickness of the conductor 242 is preferably smaller than that of the conductor 243.
  • the oxygen concentration may be reduced in the vicinity of the conductor 243 of the oxide 230 and the conductor 242. Further, in the vicinity of the conductor 243 of the oxide 230 and the conductor 242, a metal compound layer including a metal contained in the conductor 243 and the conductor 242 and a component of the oxide 230 may be formed. In such a case, the carrier density is increased in the conductor 243 of the oxide 230 and the region in the vicinity of the conductor 242, and the region becomes a low resistance region.
  • the region between the conductor 242 a and the conductor 242 b is formed to overlap with the opening of the insulator 280.
  • the conductor 260 can be disposed between the conductor 242a and the conductor 242b in a self-aligned manner.
  • an angle formed by the side surface and the bottom surface of the conductor 242a and the conductor 242b on the conductor 260 side may be 10 ° to 80 °, preferably 30 ° to 60 °.
  • the transistor 200 illustrated in FIG. 1 is not limited to this, and the side surfaces of the conductor 242a and the conductor 242b on the conductor 260 side may have a substantially vertical shape. Further, the opposite side surfaces of the conductor 242a and the conductor 242b may have a plurality of surfaces with different angles formed by the side surface and the bottom surface.
  • the insulator 266 functions as a hard mask for forming the conductor 242a and the conductor 242b. In addition, the insulator 266 functions as an etching stopper when removing the hard mask formed on the insulator 266.
  • the insulator 266 is preferably in contact with the top surfaces of the conductors 242 a and 242 b and in contact with the side surface of the insulator 254.
  • an insulator that can be used as the insulator 222 may be used. By using an insulator having a function of suppressing diffusion of oxygen as the insulator 266, reaction of the conductor 242 with oxygen in the oxide 230c can be reduced.
  • the insulator 250 functions as a gate insulator.
  • the insulator 250 is preferably provided along the bottom and side surfaces of the conductor 260 and in contact with the top surface of the oxide 230c.
  • silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, silicon oxide having holes are used. be able to. In particular, silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable to heat.
  • the insulator 250 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 250 in the same manner as the insulator 224. Further, the concentration of impurities such as In in the insulator 250 is preferably reduced.
  • the thickness of the insulator 250 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.
  • the insulator 250 preferably has a reduced In concentration as much as possible.
  • the In When In is contained in the oxide 230 c in contact with the insulator 250, the In may be diffused into the insulator 250.
  • the metal In in the insulator 250 captures negative charge and may affect transistor characteristics and variations thereof, such as a positive shift of the threshold voltage of the transistor and an increase in S value. For example, in the case where the threshold voltage of the transistor is positively shifted and the normally-off characteristic is obtained, the transistor needs a higher driving voltage and low voltage driving becomes difficult. In this case, power consumption of the transistor and an electronic device including the transistor increase.
  • the In concentration in the insulator 250 is 1.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or less, preferably 1.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, and more preferably 1.0 ⁇ 10 17 atoms. It is preferable that it is / cm ⁇ 3 > or less.
  • the oxide 230 c (230 c 2) in contact with the insulator 250 is preferably an oxide not containing In.
  • In-M-Zn oxide as the oxide 230c1 (element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium It is preferable to use an oxide of an element M, an M-Zn oxide, or the like as the oxide 230 c 2 using one or more selected from neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium. Specifically, it is preferable to use In-Ga-Zn oxide as the oxide 230c1 and gallium oxide or Ga-Zn oxide as the oxide 230c2.
  • a metal oxide may be provided between the insulator 250 and the conductor 260.
  • the metal oxide preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 250 to the conductor 260. Thus, oxidation of the conductor 260 by oxygen in the insulator 250 can be suppressed.
  • the metal oxide may have a function as part of a gate insulator. Therefore, in the case of using silicon oxide, silicon oxynitride, or the like for the insulator 250, it is preferable to use a metal oxide which is a high-k material having a high relative dielectric constant.
  • a metal oxide which is a high-k material having a high relative dielectric constant By forming the gate insulator to have a stacked structure of the insulator 250 and the metal oxide, a stacked structure that is stable to heat and has a high relative dielectric constant can be obtained. Therefore, while maintaining the physical thickness of the gate insulator, it is possible to reduce the gate potential applied at the time of transistor operation. In addition, it is possible to reduce the equivalent oxide thickness (EOT) of the insulator that functions as a gate insulator.
  • EOT equivalent oxide thickness
  • a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, or magnesium it can.
  • aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like, which is an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium is preferably used.
  • the conductor 260 is illustrated as a two-layer structure in FIG. 1, but may be a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers.
  • the top surface of the conductor 260 is preferably substantially aligned with the top surfaces of the insulator 250, the insulator 254, the insulator 244, the oxide 230 c, and the insulator 280.
  • the conductor 260a has a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, nitrogen oxide molecules (N 2 O, NO, NO 2 etc.) and copper atoms described above. It is preferable to use the conductor which it has. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atom, oxygen molecule, and the like).
  • the conductor 260a has a function of suppressing the diffusion of oxygen
  • the oxygen contained in the insulator 250 can suppress the oxidation of the conductor 260b and the decrease in conductivity.
  • a conductive material having a function of suppressing oxygen diffusion for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide, or the like is preferably used.
  • the conductor 260 b is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • a conductor with high conductivity is preferably used.
  • a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used.
  • the conductor 260b may have a stacked structure, for example, a stacked structure of titanium and titanium nitride and the above conductive material.
  • the side surface of the oxide 230 is covered with the conductor 260 in a region which does not overlap with the conductor 242 of the oxide 230b, in other words, in a channel formation region of the oxide 230b.
  • the conductor 260 is preferably disposed to face the side surface of the oxide 230 b, and the oxide 230 c and the insulator 250 are preferably disposed between the conductor 260 and the side surface of the oxide 230 b.
  • the electric field of the conductor 260 functioning as the first gate electrode can be easily applied to the side surface of the oxide 230.
  • the on-state current of the transistor 200 can be increased and the frequency characteristics can be improved.
  • the lower end portion of the conductor 260 is preferably provided closer to the insulator 224 than the lower end portion of the oxide 230b.
  • the difference between the lower end portion of the conductor 260 and the lower end portion of the oxide 230b is T2.
  • T2 is 0 nm or more and 100 nm or less, preferably 3 nm or more and 50 nm or less, more preferably 5 nm or more and 20 nm or less.
  • the insulator 254 preferably functions as a barrier insulating film which suppresses entry of an impurity such as water or hydrogen into the transistor 200 from the insulator 280 side like the insulator 214 or the like.
  • the insulator 254 preferably has lower hydrogen permeability than the insulator 224.
  • the insulator 254 has a side surface of the oxide 230c, an upper surface and a side surface of the conductor 242, a side surface of the conductor 243, a side surface of the oxide 230a and the oxide 230b, And preferably in contact with the top surface of the insulator 224.
  • hydrogen contained in the insulator 280 can penetrate into the oxide 230 from the top surface or the side surface of the conductor 242, the conductor 243, the oxide 230a, the oxide 230b, and the insulator 224. It can be suppressed.
  • the insulator 254 preferably has a function of suppressing the diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atom, oxygen molecule, and the like) (the above-described oxygen is less likely to be transmitted).
  • the insulator 254 preferably has lower oxygen permeability than the insulator 280 or the insulator 224.
  • the insulator 254 is preferably deposited using an ALD method, which is excellent in coverage.
  • the insulator 254 is preferably formed using a sputtering method.
  • oxygen can be added in the vicinity of the region of the insulator 224 in contact with the insulator 254.
  • oxygen can be supplied from the region to the oxide 230 through the insulator 224.
  • the insulator 254 has a function of suppressing the diffusion of oxygen upward, whereby oxygen can be prevented from diffusing from the oxide 230 to the insulator 280.
  • the insulator 222 has a function of suppressing diffusion of oxygen downward, whereby oxygen can be prevented from diffusing from the oxide 230 to the substrate side.
  • oxygen is supplied to the channel formation region of the oxide 230.
  • oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced and normally on conversion of the transistor can be suppressed.
  • an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be deposited.
  • aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used as the insulator containing one or both of the oxides of aluminum and hafnium.
  • the insulator 254 may contain fluorine. Fluorine contained in the insulator 254 captures hydrogen existing in the oxide 230 and its vicinity, gettering of hydrogen from the oxide 230, impurities such as hydrogen from the outside of the insulator 254 to the oxide 230, and the like Contamination can be suppressed and it is preferable.
  • the fluorine-containing insulator 254 may be formed by adding fluorine after the insulator 254 is formed. Alternatively, the film formation of the insulator 254 may be performed in an atmosphere containing fluorine.
  • the insulator 244 preferably functions as a barrier insulating film which suppresses entry of an impurity such as water or hydrogen into the transistor 200 from the insulator 280 side like the insulator 214 or the like.
  • the insulator 244 preferably has lower hydrogen permeability than the insulator 224.
  • the insulator 244 is preferably placed in contact with the insulator 254. With such a structure, hydrogen contained in the insulator 280 can be prevented from entering the oxide 230 from the side surfaces of the conductor 260, the oxide 230c, and the insulator 250.
  • the insulator 244 is preferably deposited using a sputtering method.
  • oxygen can be added to the insulator 224 through the insulator 254.
  • oxygen can be supplied from the insulator 224 into the oxide 230.
  • the insulator 244 has a function of suppressing the diffusion of oxygen upward, the diffusion of oxygen from the oxide 230 to the insulator 280 can be prevented.
  • the insulator 222 has a function of suppressing diffusion of oxygen downward, whereby oxygen can be prevented from diffusing from the oxide 230 to the substrate side.
  • oxygen is supplied to the channel formation region of the oxide 230.
  • oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced and normally on conversion of the transistor can be suppressed.
  • an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be deposited.
  • aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used as the insulator containing one or both of the oxides of aluminum and hafnium.
  • the insulator 244 may contain fluorine. Since the insulator 244 contains fluorine, the insulator 244 also captures hydrogen existing in and around the oxide 230, getters hydrogen from the oxide 230, and from the outside of the insulator 244 to the oxide 230. It is possible to suppress the mixing of impurities such as hydrogen, which is preferable.
  • fluorine may be added after the insulator 244 is formed. Alternatively, the film formation of the insulator 244 may be performed in an atmosphere containing fluorine.
  • the insulator 224, the insulator 250, and the oxide 230 cover with the insulator 254 and the insulator 230 which have a barrier property to hydrogen or capture impurities such as hydrogen; Are separated from the insulator 224, the oxide 230, and the insulator 250 by the insulator 254 or the insulator 244. Accordingly, entry of an impurity such as hydrogen from the outside of the transistor 200 can be suppressed, so that the transistor 200 can have favorable electrical characteristics and reliability.
  • the insulator 244 preferably has a function of suppressing the diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atom, oxygen molecule, and the like) (the above-described oxygen is difficult to transmit).
  • the insulator 244 preferably has lower oxygen permeability than the insulator 224. With the insulator 244 having a function of suppressing the diffusion of oxygen, the conductor 260 can be inhibited from reacting with oxygen included in the insulator 280.
  • an insulator containing aluminum nitride may be used as the insulator 244.
  • the insulator 244 it is preferable to use a nitride insulator having a composition formula of AlNx (x is a real number greater than 0 and 2 or less, preferably a real number x greater than 0.5 and 1.5 or less).
  • x is a real number greater than 0 and 2 or less, preferably a real number x greater than 0.5 and 1.5 or less.
  • the film can be excellent in insulating properties and thermal conductivity; therefore, the heat dissipation property of heat generated when the transistor 200 is driven can be improved.
  • aluminum titanium nitride, titanium nitride, or the like can be used as the insulator 244.
  • a film by using a sputtering method because a film can be formed without using a gas having a strong oxidizing property such as oxygen or ozone as a film formation gas.
  • silicon nitride or silicon nitride oxide can be used.
  • an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be deposited.
  • aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used as the insulator containing one or both of the oxides of aluminum and hafnium.
  • the insulator 244 is preferably deposited using an ALD method. Since the ALD method is a film forming method with a good covering property, unevenness or the like in the insulator 244 can prevent a disconnection or the like.
  • the insulator 280 is provided over the insulator 224, the oxide 230, and the conductor 242 through the insulator 244 and the insulator 254.
  • the insulator 280 silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, or silicon oxide having a vacancy It is preferable to have.
  • silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable.
  • a material such as silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon oxide having holes is preferable because a region containing oxygen which is released by heating can be easily formed.
  • the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 280 be reduced.
  • the top surface of the insulator 280 may be planarized.
  • the insulator 274 preferably functions as a barrier insulating film which suppresses entry of an impurity such as water or hydrogen into the insulator 280 from the top, similarly to the insulator 214 and the like.
  • an insulator that can be used for the insulator 214, the insulator 254, the insulator 244, and the like may be used.
  • an insulator 281 which functions as an interlayer film is preferably provided over the insulator 274.
  • the insulator 281 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film, similarly to the insulator 224 and the like.
  • the conductor 240 a and the conductor 240 b are provided in the openings formed in the insulator 281, the insulator 274, the insulator 280, the insulator 244, and the insulator 254.
  • the conductor 240 a and the conductor 240 b are provided opposite to each other with the conductor 260 interposed therebetween. Note that the top surfaces of the conductor 240 a and the conductor 240 b may be on the same plane as the top surface of the insulator 281.
  • An insulator 241a is provided in contact with the insulator 281, the insulator 274, the insulator 280, the insulator 244, and the inner wall of the opening of the insulator 254, and the first conductivity of the conductor 240a is in contact with the side surface.
  • the body is formed.
  • the conductor 242a is positioned at least at a part of the bottom of the opening, and the conductor 240a is in contact with the conductor 242a.
  • an insulator 241b is provided in contact with the insulator 281, the insulator 274, the insulator 280, the insulator 244, and the inner wall of the opening of the insulator 254, and the side surface is in contact with the first conductor A conductor is formed.
  • the conductor 242 b is positioned at least at a part of the bottom of the opening, and the conductor 240 b is in contact with the conductor 242 b.
  • the conductor 240 a and the conductor 240 b may have a stacked structure.
  • the above-described water can be used for the conductor in contact with the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 242, the insulator 244, the insulator 280, the insulator 274, and the insulator 281.
  • a conductor having a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen.
  • tantalum, tantalum nitride, titanium, titanium nitride, ruthenium, ruthenium oxide or the like is preferably used.
  • a conductive material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen may be used in a single layer or a stack.
  • oxygen added to the insulator 280 can be prevented from being absorbed by the conductor 240 a and the conductor 240 b. Further, impurities such as water or hydrogen can be suppressed from being mixed into the oxide 230 through the conductor 240 a and the conductor 240 b from the upper layer of the insulator 281.
  • an insulator that can be used for the insulator 244 or the like may be used as the insulator 241a and the insulator 241b. Since the insulator 241a and the insulator 241b are provided in contact with the insulator 254 and the insulator 244, an impurity such as water or hydrogen from the insulator 280 or the like is mixed in the oxide 230 through the conductor 240a and the conductor 240b. Can be suppressed. Further, oxygen contained in the insulator 280 can be prevented from being absorbed by the conductor 240 a and the conductor 240 b.
  • a conductor that functions as a wiring may be disposed in contact with the top surface of the conductor 240a and the top surface of the conductor 240b. It is preferable to use a conductive material whose main component is tungsten, copper, or aluminum as the conductor functioning as the wiring.
  • the conductor may have a stacked structure, for example, a stack of titanium and titanium nitride and the above conductive material.
  • the conductor may be formed to be embedded in an opening provided in the insulator.
  • the resistivity is 1.0 ⁇ 10 13 ⁇ ⁇ cm or more and 1.0 ⁇ 10 15 ⁇ ⁇ cm or less, preferably 5.0 ⁇ 10 13 ⁇ ⁇ cm or more so as to cover the conductor. It is preferable to provide an insulator of 5.0 ⁇ 10 14 ⁇ ⁇ cm or less. By providing the insulator having a resistivity as described above over the conductor, the insulator disperses the charge accumulated between wirings of the transistor 200, the conductor, and the like while maintaining the insulating property. Characteristic defects and electrostatic breakdown of a transistor due to the charge and an electronic device including the transistor can be suppressed, which is preferable.
  • a substrate for forming the transistor 200 for example, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used.
  • the insulator substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as a yttria stabilized zirconia substrate), and a resin substrate.
  • the semiconductor substrate may be, for example, a semiconductor substrate of silicon, germanium or the like, or a compound semiconductor substrate of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide or gallium oxide.
  • the conductive substrate there is a semiconductor substrate having an insulator region inside the aforementioned semiconductor substrate, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • the conductive substrate there are a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, a conductive resin substrate and the like.
  • a substrate provided with a conductor or a semiconductor on an insulator substrate a substrate provided with a conductor or an insulator on a semiconductor substrate, a substrate provided with a semiconductor or an insulator on the conductor substrate, and the like.
  • those provided with elements on these substrates may be used.
  • the elements provided on the substrate include a capacitor, a resistor, a switch, a light-emitting element, a memory element, and the like.
  • the insulator includes, for example, an insulating oxide, a nitride, an oxynitride, a nitride oxide, a metal oxide, a metal oxynitride, a metal nitride oxide, and the like.
  • the thinning of the gate insulator may cause problems such as leakage current.
  • a high-k material for the insulator that functions as a gate insulator voltage reduction during transistor operation can be achieved while maintaining the physical thickness.
  • a material having a low relative dielectric constant for an insulator functioning as an interlayer film parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. Therefore, depending on the function of the insulator, the material may be selected.
  • oxides of gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, aluminum and hafnium, oxynitrides of aluminum and hafnium, oxides of silicon and hafnium, silicon and hafnium can be used. And the like, or nitrides having silicon and hafnium.
  • a transistor including an oxide semiconductor has a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen and the like (such as the insulator 214, the insulator 222, the insulator 254, the insulator 244, and the insulator 274).
  • the electrical characteristics of the transistor can be stabilized by enclosing the As an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, for example, boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium
  • An insulator containing lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used in a single layer or a stack.
  • metal oxides such as tantalum oxide, metal nitrides such as aluminum nitride, aluminum titanium nitride, titanium nitride, silicon nitride oxide, or silicon nitride can be used.
  • the insulator functioning as a gate insulator is preferably an insulator having a region containing oxygen which is desorbed by heating.
  • the structure in which silicon oxide or silicon oxynitride having a region containing oxygen released by heating is in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be compensated.
  • Conductor aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, lanthanum It is preferable to use a metal element selected from the like, or an alloy containing the above-described metal element as a component, or an alloy in which the above-described metal element is combined.
  • tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, oxide containing lanthanum and nickel, etc. are used. Is preferred.
  • tantalum nitride, titanium nitride, nitride containing titanium and aluminum, nitride containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxide containing strontium and ruthenium, oxide containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize.
  • a semiconductor with high electrical conductivity typically a polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide may be used.
  • a plurality of conductive layers formed of the above materials may be stacked.
  • a stacked structure in which a material containing a metal element described above and a conductive material containing oxygen are combined may be used.
  • a stacked structure in which the material containing the metal element described above and the conductive material containing nitrogen are combined may be used.
  • a stacked structure in which the above-described material containing a metal element, the conductive material containing oxygen, and the conductive material containing nitrogen are combined may be used.
  • a stacked structure in which a material containing the above-described metal element and a conductive material containing oxygen are combined is used for a conductor functioning as a gate electrode.
  • a conductive material containing oxygen may be provided on the channel formation region side.
  • a conductor functioning as a gate electrode a conductive material containing oxygen and a metal element contained in a metal oxide in which a channel is formed is preferably used.
  • a conductive material containing the above-described metal element and nitrogen may be used.
  • a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride or tantalum nitride may be used.
  • 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 were added.
  • Indium tin oxide may be used.
  • indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used.
  • metal oxides As the oxide 230, a metal oxide which functions as an oxide semiconductor (hereinafter, also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used. Hereinafter, metal oxides applicable to the oxide 230 according to the present invention will be described.
  • the oxide semiconductor preferably contains at least indium or zinc. In particular, it is preferable to contain indium and zinc. In addition to them, aluminum, gallium, yttrium or tin is preferably contained. In addition, one or more selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium may be included.
  • an oxide semiconductor is an In-M-Zn oxide containing indium, an element M, and zinc
  • the element M is aluminum, gallium, yttrium, tin or the like.
  • Other elements applicable to the element M include boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like.
  • the element M a plurality of the aforementioned elements may be combined in some cases.
  • metal oxides having nitrogen may also be collectively referred to as metal oxides.
  • a metal oxide having nitrogen may be referred to as metal oxynitride.
  • An oxide semiconductor can be divided into a single crystal oxide semiconductor and a non-single crystal oxide semiconductor.
  • non-single crystal oxide semiconductors for example, polycrystalline oxide semiconductors and amorphous oxide semiconductors are known.
  • a thin film with high crystallinity is preferably used as the oxide semiconductor used for the semiconductor of the transistor.
  • the stability or the reliability of the transistor can be improved.
  • the thin film include a thin film of a single crystal oxide semiconductor or a thin film of a polycrystalline oxide semiconductor.
  • a high temperature or laser heating step is required in order to form a thin film of a single crystal oxide semiconductor or a thin film of a polycrystalline oxide semiconductor on a substrate. Therefore, the cost of the manufacturing process increases, and the throughput also decreases.
  • CAAC-IGZO In-Ga-Zn oxide
  • nc-IGZO In-Ga-Zn oxide having an nc structure was discovered (see Non-Patent Document 3).
  • nc-IGZO has periodicity in atomic arrangement in a minute area (for example, an area of 1 nm or more and 3 nm or less) and regularity in crystal orientation is not observed between different areas. There is.
  • Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5 show the transition of the average crystal size by the irradiation of an electron beam to the thin films of the above-described CAAC-IGZO, nc-IGZO, and IGZO with low crystallinity.
  • a low crystalline IGZO thin film crystalline IGZO of about 1 nm has been observed even before electron beam irradiation. Therefore, it is reported here that in IGZO, the presence of a completely amorphous structure could not be confirmed.
  • the thin film of CAAC-IGZO and the thin film of nc-IGZO have high stability to electron beam irradiation as compared with the thin film of IGZO having low crystallinity. Therefore, it is preferable to use a thin film of CAAC-IGZO or a thin film of nc-IGZO as a semiconductor of the transistor.
  • a transistor using an oxide semiconductor has extremely low leak current in a non-conductive state, specifically, an off-state current per ⁇ m channel width of the transistor is on the order of yA / ⁇ m (10 -24 A / ⁇ m).
  • Non-Patent Document 6 For example, a low power consumption CPU or the like to which a characteristic that a leak current of a transistor including an oxide semiconductor is low is applied is disclosed (see Non-Patent Document 7).
  • Non-Patent Document 8 application of a transistor including an oxide semiconductor to a display device utilizing a characteristic that leakage current of the transistor is low has been reported (see Non-Patent Document 8).
  • the displayed image is switched several tens of times per second.
  • the number of times of switching images per second is called a refresh rate.
  • the refresh rate may be referred to as a drive frequency.
  • Such fast screen switching which is difficult for human eyes to perceive, is considered as the cause of eye fatigue. Therefore, it has been proposed to reduce the number of image rewrites by reducing the refresh rate of the display device.
  • power consumption of the display device can be reduced by driving with a lower refresh rate.
  • Such a driving method is called idling stop (IDS) driving.
  • IDS idling stop
  • CAAC structure and an nc structure contributes to the improvement of the electrical characteristics and reliability of a transistor using an oxide semiconductor having a CAAC structure or an nc structure, as well as cost reduction and throughput improvement of a manufacturing process.
  • researches on application of the transistor to a display device and an LSI using the characteristic that the leakage current of the transistor is low have been advanced.
  • CAC Cloud-Aligned Composite
  • CAAC c-axis aligned crystal
  • CAC Cloud-Aligned Composite
  • the CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive function in part of the material and an insulating function in part of the material, and functions as a semiconductor throughout the material.
  • the conductive function is a function of flowing electrons (or holes) serving as carriers
  • the insulating function is electrons serving as carriers. Is a function that does not A function of switching (function of turning on / off) can be imparted to the CAC-OS or the CAC-metal oxide by causing the conductive function and the insulating function to be complementary to each other.
  • CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region.
  • the conductive region has the above-mentioned conductive function
  • the insulating region has the above-mentioned insulating function.
  • the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level.
  • the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material.
  • the conductive region may be observed as connected in a cloud shape with a blurred periphery.
  • the conductive region and the insulating region are each dispersed in the material with a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less There is.
  • CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps.
  • CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of a component having a wide gap resulting from the insulating region and a component having a narrow gap resulting from the conductive region.
  • the carrier when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap.
  • the component having the narrow gap acts complementarily to the component having the wide gap, and the carrier also flows to the component having the wide gap in conjunction with the component having the narrow gap. Therefore, when the above-described CAC-OS or CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, high current driving force, that is, high on current, and high field effect mobility can be obtained in the on state of the transistor.
  • CAC-OS or CAC-metal oxide can also be called a matrix composite (matrix composite) or a metal matrix composite (metal matrix composite).
  • Oxide semiconductors can be divided into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors.
  • non-single crystal oxide semiconductor for example, c-axis aligned crystalline oxide semiconductor (CAAC-OS), polycrystalline oxide semiconductor, nanocrystalline oxide semiconductor (nc-OS), pseudo amorphous oxide semiconductor (a-like) OS: amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductor.
  • the CAAC-OS has c-axis orientation, and a plurality of nanocrystals are connected in the a-b plane direction to form a strained crystal structure.
  • distortion refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between the region in which the lattice arrangement is aligned and the region in which another lattice arrangement is aligned in the region where the plurality of nanocrystals are connected.
  • the nanocrystals are based on hexagons, but may not be regular hexagons and may be non-hexagonal. Moreover, distortion may have a lattice arrangement such as pentagon and heptagon.
  • a clear crystal grain boundary also referred to as a grain boundary
  • the formation of crystal grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the a-b plane direction, or that the bonding distance between atoms is changed due to metal element substitution. It is thought that it is.
  • a CAAC-OS is a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as In layer) and a layer containing element M, zinc and oxygen (hereinafter referred to as (M, Zn) layer) are stacked. It tends to have a structure (also referred to as a layered structure).
  • In layer a layer containing indium and oxygen
  • M, Zn zinc and oxygen
  • indium and the element M can be substituted with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can also be expressed as a (In, M, Zn) layer.
  • indium in the In layer is substituted with the element M, it can also be represented as an (In, M) layer.
  • the CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity.
  • CAAC-OS can not confirm clear crystal grain boundaries, so that it can be said that the decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries does not easily occur.
  • the crystallinity of the oxide semiconductor may be lowered due to the mixing of impurities, generation of defects, or the like, so that the CAAC-OS can also be said to be an oxide semiconductor with few impurities or defects (such as oxygen vacancies). Therefore, the oxide semiconductor having a CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, an oxide semiconductor having a CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.
  • the nc-OS has periodicity in atomic arrangement in a minute region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm).
  • nc-OS has no regularity in crystal orientation among different nanocrystals. Therefore, no orientation can be seen in the entire film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from the a-like OS or the amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.
  • the a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.
  • the a-like OS has a wrinkle or low density region. That is, a-like OS has lower crystallinity than nc-OS and CAAC-OS.
  • Oxide semiconductors have various structures, and each has different characteristics.
  • the oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may have two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS.
  • an oxide semiconductor with low carrier density is preferably used for the transistor.
  • the impurity concentration in the oxide semiconductor film may be reduced to reduce the density of defect states.
  • the low impurity concentration and the low density of defect level states are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic.
  • the oxide semiconductor has a carrier density of less than 8 ⁇ 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 ⁇ 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 ⁇ 10 10 / cm 3 , and 1 ⁇ 10 ⁇ 9 / cm 3. It should be cm 3 or more.
  • the density of trap states may also be low.
  • the charge trapped in the trap level of the oxide semiconductor takes a long time to disappear, and may behave like fixed charge. Therefore, the transistor in which the channel formation region is formed in the oxide semiconductor with a high trap state density may have unstable electrical characteristics.
  • the impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.
  • the concentration of silicon or carbon in the oxide semiconductor and the concentration of silicon or carbon in the vicinity of the interface with the oxide semiconductor are 2 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • the oxide semiconductor contains an alkali metal or an alkaline earth metal
  • a defect state may be formed and a carrier may be generated. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor which contains an alkali metal or an alkaline earth metal is likely to be normally on. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor.
  • the concentration of an alkali metal or an alkaline earth metal in an oxide semiconductor obtained by SIMS is 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 16 atoms / cm 3 or less.
  • the nitrogen concentration in the oxide semiconductor is less than 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 ⁇ 10 18 in SIMS. atoms / cm 3 or less, more preferably 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, still more preferably 5 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • hydrogen contained in the oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to be water, which may form an oxygen vacancy.
  • oxygen vacancies When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons which are carriers may be generated.
  • a part of hydrogen may be bonded to oxygen which is bonded to a metal atom to generate an electron which is a carrier.
  • a transistor including an oxide semiconductor which contains hydrogen is likely to be normally on.
  • hydrogen in the oxide semiconductor is preferably 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. It is less than 3 and more preferably less than 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
  • oxygen vacancies are an example of defects leading to defects in the electrical characteristics of the transistor.
  • the threshold voltage is likely to be negatively shifted and to be likely to be normally on. This is because a donor is generated due to oxygen deficiency contained in the metal oxide, and the carrier concentration is increased.
  • various problems occur such as an operation failure is likely to occur during operation, or power consumption during non-operation is increased.
  • deterioration of electrical characteristics of the transistor such as fluctuation of threshold voltage, increase of parasitic resistance, and the like, and the electrical property accompanying deterioration of the electrical characteristics.
  • problems such as an increase in the variation of the characteristics. Since these problems are directly linked to the decrease in manufacturing yield, it is important to consider measures.
  • deterioration in electrical characteristics occurs even in a stress test that can evaluate in a short time the characteristic change (aging change) of a transistor that occurs due to long-term use.
  • the deterioration of the electrical properties is presumed to be due to the loss of oxygen in the metal oxide due to the high temperature treatment carried out in the process of manufacture or the electrical stress given at the time of a stress test.
  • a weak Zn-O bond is a bond between a zinc atom and an oxygen atom bonded with such a strength that it is broken by high temperature treatment performed in the process of production or electrical stress given in a stress test. It is the resulting bond.
  • heat or current stress breaks the bond and forms an oxygen vacancy. The formation of oxygen vacancies reduces the stability of the transistor, such as resistance to heat and stress.
  • the bond generated between the zinc atom and the oxygen atom which is bonded to a large number of zinc atoms may be a weak Zn-O bond.
  • Zinc atoms have a weaker bond to oxygen atoms than gallium atoms. Therefore, oxygen atoms, which are bound to a large number of zinc atoms, are easily lost. That is, the bond generated between the zinc atom and the oxygen atom is presumed to be weaker than the bonds with other metals.
  • impurities in the metal oxide when impurities are present in the metal oxide, it is presumed that a weak Zn-O bond is likely to be formed.
  • impurities in the metal oxide include water molecules and hydrogen. The presence of water molecules or hydrogen in the metal oxide may cause a hydrogen atom to be bonded to an oxygen atom constituting the metal oxide (also referred to as an OH bond).
  • an oxygen atom bonded to a hydrogen atom When the In—Ga—Zn oxide is a single crystal, oxygen atoms constituting the metal oxide are bonded to four metal atoms constituting the metal oxide.
  • an oxygen atom bonded to a hydrogen atom may be bonded to two or three metal atoms. The reduction in the number of metal atoms bonded to the oxygen atom makes the oxygen atom more likely to be deficient.
  • a zinc atom is bonded to an oxygen atom forming an OH bond, the bond between the oxygen atom and the zinc atom is presumed to be weak.
  • weak Zn-O bonds may be formed in a strain existing in a region where a plurality of nanocrystals are connected.
  • the nanocrystals are based on hexagons, but at the strain they have lattice arrangements such as pentagons and heptagones. In this strain, it is presumed that weak Zn—O bonds are formed because the bonding distance between atoms is not uniform.
  • the oxygen atom and the zinc atom that constitute the weak Zn—O bond By reducing the oxygen atom and the zinc atom that constitute the weak Zn—O bond, formation of oxygen vacancies due to thermal history or current stress can be suppressed, and the stability of the transistor can be improved.
  • the oxygen atom that constitutes the weak Zn-O bond is reduced and the zinc atom that constitutes the weak Zn-O bond does not decrease, when the oxygen atom is supplied near the zinc atom, the weak Zn-O bond re-grows May be formed. Therefore, it is preferable to reduce zinc atoms and oxygen atoms that constitute weak Zn-O bonds.
  • Vacuum baking is heat treatment performed in a vacuum atmosphere.
  • the vacuum atmosphere is maintained by exhausting with a turbo molecular pump or the like.
  • the pressure in the treatment chamber may be 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less, preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa or less.
  • the temperature of the substrate at the time of heat treatment may be 300 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher.
  • oxygen atoms and zinc atoms that constitute weak Zn—O bonds can be reduced.
  • heat is applied to the metal oxide by vacuum baking, the number of oxygen atoms and zinc atoms constituting the weak Zn-O bond is reduced, and then the atoms constituting the metal oxide are rearranged to obtain four metals. More oxygen atoms are attached to atoms. Therefore, while reducing the oxygen atom and zinc atom which comprise a weak Zn-O bond, it can suppress that a weak Zn-O bond is reformed.
  • the stability of the transistor can be improved by the process.
  • the degree of freedom in selection of materials and formation methods is increased.
  • FIGS. 1A to 1C a method for manufacturing a semiconductor device including the transistor 200 according to one embodiment of the present invention illustrated in FIGS. 1A to 1C will be described with reference to FIGS. Moreover, in FIG. 3 thru
  • (C) in each drawing is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by dashed dotted line A3-A4 in (A), and is also a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200.
  • one part element is abbreviate
  • a substrate (not shown) is prepared, and an insulator 214 is formed over the substrate.
  • the film formation of the insulator 214 can be performed by sputtering, chemical vapor deposition (CVD), molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), or ALD. This can be performed using an atomic layer deposition (Atomic Layer Deposition) method or the like.
  • the CVD method can be classified into a plasma enhanced CVD (PECVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD: thermal CVD) method using heat, a photo CVD method using light, etc. . Furthermore, it can be divided into metal CVD (MCVD: Metal CVD) and metal organic CVD (MOCVD: Metal Organic CVD) depending on the source gas used.
  • PECVD plasma enhanced CVD
  • TCVD thermal CVD
  • MCVD Metal CVD
  • MOCVD Metal Organic CVD
  • the plasma CVD method provides high quality films at relatively low temperatures.
  • the thermal CVD method is a film formation method capable of reducing plasma damage to an object to be processed because plasma is not used.
  • a wiring, an electrode, an element (such as a transistor or a capacitor), or the like included in a semiconductor device may be charged up by receiving charge from plasma. At this time, wirings, electrodes, elements, and the like included in the semiconductor device may be broken by the stored charge.
  • a thermal CVD method which does not use plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of the semiconductor device can be increased.
  • the thermal CVD method since plasma damage does not occur during film formation, a film with few defects can be obtained.
  • the ALD method can deposit atoms one by one by utilizing the self-controllability which is the property of atoms, it is possible to form an extremely thin film, to form a film with a high aspect ratio, pin Film formation with few defects such as holes is possible, film formation with excellent coverage is possible, and film formation at low temperature is possible.
  • the ALD method also includes a film formation method PEALD (Plasma Enhanced ALD) method using plasma. The use of plasma may make film formation at a lower temperature possible, which may be preferable.
  • Some precursors used in the ALD method include impurities such as carbon.
  • the film provided by the ALD method may contain a large amount of impurities such as carbon, as compared with a film provided by another film formation method.
  • quantification of impurities can be performed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
  • the CVD method and the ALD method are film forming methods in which a film is formed by a reaction on the surface of an object to be processed unlike a film forming method in which particles released from a target or the like are deposited. Therefore, the film forming method is less susceptible to the shape of the object to be processed, and has good step coverage.
  • the ALD method since the ALD method has excellent step coverage and uniformity of thickness, it is suitable for coating the surface of an opening with a high aspect ratio.
  • the ALD method may be preferably used in combination with another deposition method such as a CVD method having a high deposition rate.
  • the CVD method and the ALD method can control the composition of the obtained film by the flow rate ratio of the source gas.
  • a film having any composition can be formed depending on the flow rate ratio of the source gas.
  • a film whose composition is continuously changed can be formed by changing the flow ratio of the source gas while forming the film.
  • aluminum oxide is deposited as the insulator 214 by a sputtering method.
  • the insulator 214 may have a multilayer structure.
  • an aluminum oxide film may be formed by a sputtering method, and an aluminum oxide film may be formed by an ALD method over the aluminum oxide.
  • an aluminum oxide film may be formed by an ALD method, and an aluminum oxide film may be formed by a sputtering method over the aluminum oxide.
  • a conductive film to be the conductor 205 is formed over the insulator 214.
  • the conductive film to be the conductor 205 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the conductive film to be the conductor 205 can be a multilayer film. In this embodiment mode, tungsten is deposited as a conductive film to be the conductor 205.
  • a conductive film to be the conductor 205 is processed using a lithography method to form the conductor 205.
  • the resist is exposed through a mask.
  • the exposed area is removed or left using a developer to form a resist mask.
  • the conductor, the semiconductor, the insulator, or the like can be processed into a desired shape by etching through the resist mask.
  • the resist mask may be formed by exposing the resist using KrF excimer laser light, ArF excimer laser light, EUV (Extreme Ultraviolet) light, or the like.
  • a liquid immersion technique may be used in which a liquid (for example, water) is filled and exposed between the substrate and the projection lens.
  • an electron beam or an ion beam may be used instead of the light described above.
  • the mask is unnecessary. Note that for the removal of the resist mask, dry etching such as ashing can be performed, wet etching can be performed, wet etching can be performed after the dry etching, or dry etching can be performed after the wet etching.
  • a hard mask made of an insulator or a conductor may be used instead of the resist mask.
  • an insulating film or a conductive film serving as a hard mask material is formed over the conductive film to be the conductor 205, a resist mask is formed over the conductive film, and the hard mask material is etched.
  • a hard mask can be formed. The etching of the conductive film to be the conductor 205 may be performed after the resist mask is removed, or may be performed with the resist mask left. In the latter case, the resist mask may disappear during etching. The hard mask may be removed by etching after the conductive film to be the conductor 205 is etched. On the other hand, when the material of the hard mask does not affect the post-process or can be used in the post-process, it is not necessary to remove the hard mask.
  • a capacitively coupled plasma (CCP) etching apparatus having a parallel plate electrode can be used as a dry etching apparatus.
  • the capacitive coupling type plasma etching apparatus having a parallel plate type electrode may be configured to apply a high frequency power to one of the parallel plate type electrodes.
  • a plurality of different high frequency power supplies may be applied to one of the parallel plate electrodes.
  • a high frequency power supply of the same frequency may be applied to each of the parallel plate electrodes.
  • high-frequency power supplies having different frequencies may be applied to the parallel plate electrodes.
  • a dry etching apparatus having a high density plasma source can be used.
  • an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus can be used as a dry etching apparatus having a high density plasma source.
  • an insulating film to be the insulator 216 is formed over the conductor 214 and the conductor 205.
  • the insulating film is formed to be in contact with the top surface and the side surface of the conductor 205.
  • the insulator to be the insulator 216 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • silicon oxide is deposited by a CVD method as an insulating film to be the insulator 216.
  • the thickness of the insulating film to be the insulator 216 is preferably equal to or larger than the thickness of the conductor 205.
  • the thickness of the conductor 205 is 1, the thickness of the insulating film to be the insulator 216 is 1 or more and 3 or less.
  • the thickness of the conductor 205 is 150 nm, and the thickness of the insulating film to be the insulator 216 is 350 nm.
  • a CMP (chemical mechanical polishing) process is performed on the insulating film to be the insulator 216, so that part of the insulating film to be the insulator 216 is removed and the surface of the conductor 205 is exposed. Accordingly, the conductor 205 having a flat top surface and the insulator 216 in contact with the side surface of the conductor 205 can be formed (see FIG. 3).
  • crystallinity of the CAAC-OS for forming the oxide 230b and the oxide 230c can be improved.
  • the method for manufacturing the insulator 216 and the conductor 205 is not limited to the above.
  • an insulating film to be the insulator 216 may be formed over the insulator 214, an opening may be provided in the insulating film, and the conductor 205 may be formed so as to be embedded in the opening.
  • the insulator 222 is formed over the insulator 216 and the conductor 205.
  • an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be deposited.
  • aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used as the insulator containing one or both of the oxides of aluminum and hafnium.
  • An insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium has barrier properties against oxygen, hydrogen, and water.
  • the insulator 222 has a barrier property to hydrogen and water, diffusion of hydrogen and water contained in a structure provided in the periphery of the transistor 200 to the inside of the transistor 200 through the insulator 222 is suppressed. , And the formation of oxygen vacancies in the oxide 230 can be suppressed.
  • the insulator 222 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an insulating film to be the insulator 224 is formed over the insulator 222.
  • the insulating film to be the insulator 224 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • heat treatment is preferably performed.
  • the heat treatment may be performed at 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., more preferably 320 ° C. to 450 ° C.
  • the heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas. Further, the heat treatment may be performed under reduced pressure.
  • the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas in order to compensate for desorbed oxygen. Good.
  • heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere after film formation of the insulator 224.
  • impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 224 can be removed, and the like.
  • the heat treatment can also be performed at a timing after film formation of the insulator 222 or the like.
  • plasma treatment including oxygen may be performed under reduced pressure.
  • a device having a power supply for generating high density plasma using microwaves is preferably used.
  • the substrate side may have a power supply for applying an RF (Radio Frequency).
  • RF Radio Frequency
  • high density plasma high density oxygen radicals can be generated, and by applying RF to the substrate side, oxygen radicals generated by high density plasma can be efficiently introduced into the insulator 224. it can.
  • plasma treatment including oxygen may be performed to compensate for the released oxygen. Note that impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 224 can be removed by appropriately selecting the conditions of the plasma treatment. In that case, the heat treatment may not be performed.
  • an oxide film 230A and an oxide film 230B are sequentially formed over the insulator 224 (see FIG. 3).
  • the oxide film is preferably formed continuously without being exposed to the air environment. By forming the film without opening to the atmosphere, impurities or moisture from the air environment can be prevented from adhering to the oxide film 230A and the oxide film 230B, and the vicinity of the interface between the oxide film 230A and the oxide film 230B can be It can be kept clean.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B are formed by sputtering
  • oxygen or a mixed gas of oxygen and a rare gas is used as a sputtering gas.
  • excess oxygen in the oxide film to be formed can be increased.
  • the above oxide film is formed by sputtering
  • the above In-M-Zn oxide target can be used.
  • an alternating current (AC) power supply such as a direct current (DC) power supply or a radio frequency (RF) power supply is connected to the target, and necessary power can be applied according to the electrical conductivity of the target.
  • AC alternating current
  • DC direct current
  • RF radio frequency
  • an RF power supply is preferably used.
  • a DC power supply or an RF power supply may be selectively used depending on the electrical conductivity of the target.
  • the proportion of oxygen contained in the sputtering gas of the oxide film 230A may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%.
  • an oxygen-deficient oxide semiconductor can be formed by deposition with the proportion of oxygen contained in the sputtering gas being 1% to 30%, preferably 5% to 20%. It is formed.
  • a transistor in which an oxygen-deficient oxide semiconductor is used for a channel formation region can achieve relatively high field-effect mobility. Further, by performing film formation while heating the substrate, crystallinity of the oxide film can be improved.
  • one embodiment of the present invention is not limited to this.
  • the oxygen-excess oxide semiconductor is formed when the ratio of oxygen contained in the sputtering gas is more than 30% and 100% or less, preferably 70% to 100%. Is formed.
  • a transistor in which an oxygen-excess oxide semiconductor is used for a channel formation region can achieve relatively high reliability.
  • the sputtering gas is preferably highly purified.
  • an oxygen gas or a rare gas which is used as a sputtering gas is a gas which is highly purified to a dew point of ⁇ 60 ° C. or less, preferably ⁇ 100 ° C. or less.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B are formed by sputtering, it is preferable to remove moisture in the film formation chamber of the sputtering apparatus as much as possible.
  • heat treatment may be performed.
  • the above-described heat treatment conditions can be used.
  • impurities such as water and hydrogen in the oxide film 230A and the oxide film 230B can be removed.
  • treatment for 1 hour at a temperature of 400 ° C. in an oxygen atmosphere is continuously performed.
  • the conductor layer 243A has a shape having an opening, but the present embodiment is not limited to this.
  • a portion corresponding to a region between the conductor 243a and the conductor 243b may be removed from the conductive film to be the conductor layer 243A.
  • the conductive film to be the conductive layer 243A may be divided into an island-shaped conductor corresponding to the conductor 243a and an island-shaped conductor corresponding to the conductor 243b.
  • a conductive film to be the insulator 222, the insulator 224, the oxide film 230A, the oxide film 230B, and the conductive layer 243A is preferably formed without being exposed to the air.
  • a multi-chamber system film formation apparatus described later may be used.
  • the conductive film 242A is formed over the oxide film 230B and the conductive layer 243A.
  • the conductive film 242A is formed in contact with the upper surface and the side surface of the conductor layer 243A and in contact with the upper surface of the oxide film 230B which is not covered with the conductor layer 243A (see FIG. 3).
  • the oxide film 230A, the oxide film 230B, the conductor layer 243A, and the conductive film 242A are processed into an island shape, and the oxide 230a, the oxide 230b over the oxide 230a, the conductor 243 over the oxide 230b
  • the conductor 243 a, the conductor 243 b), and the conductor layer 242 B over the oxide 230 b and the conductor 243 are formed. Note that in this process, the thickness of a region which does not overlap with the oxide 230a of the insulator 224 may be thin (see FIG. 4).
  • the oxide 230 a, the oxide 230 b, and the conductor layer 242 B are formed so that at least part thereof overlaps with the conductor 205.
  • the angle between the side surface of the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 243, and the conductor layer 242B and the top surface of the insulator 222 may be low.
  • the angle between the side surface of the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 243, and the conductor layer 242B and the top surface of the insulator 222 is preferably 60 ° or more and less than 70 °.
  • the side surfaces of the oxide 230 a, the oxide 230 b, the conductor 243, and the conductor layer 242 B may be approximately perpendicular to the top surface of the insulator 222.
  • the oxide 230 a, the oxide 230 b, the conductor 243, and the side surface of the conductor layer 242 B are approximately perpendicular to the top surface of the insulator 222. Density can be achieved.
  • a curved surface is preferably provided between the side surface of the conductor 243 and the conductor layer 242B and the top surface of the conductor layer 242B. That is, the end of the side surface and the end of the upper surface are preferably curved (hereinafter, also referred to as a round shape).
  • the curved surface has a radius of curvature of 3 nm to 10 nm, preferably 5 nm to 6 nm, at end portions of the conductor 243 and the conductor layer 242B, for example. By not having a corner at the end, the coverage of the film in the subsequent film formation process is improved.
  • the oxide film 230A, the oxide film 230B, the conductor layer 243A, and the conductive film 242A may be processed by a lithography method.
  • dry etching or wet etching can be used for the processing. Machining by dry etching is suitable for micromachining.
  • an impurity due to an etching gas or the like may be attached or diffused to the surface or the inside of the oxide 230a, the oxide 230b, or the like.
  • the impurities include, for example, fluorine or chlorine.
  • the cleaning method may be wet cleaning using a cleaning solution or the like, plasma treatment using plasma, cleaning by heat treatment, or the like, and the above cleaning may be performed in combination as appropriate.
  • cleaning treatment may be performed using an aqueous solution prepared by diluting oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, or the like with carbonated water or pure water.
  • ultrasonic cleaning may be performed using pure water or carbonated water. In this embodiment, ultrasonic cleaning using pure water or carbonated water is performed.
  • heat treatment may be performed.
  • the heat treatment conditions the above-described heat treatment conditions can be used.
  • a dummy gate film to be the dummy gate layer 262A is formed over the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 243, and the conductor layer 242B.
  • the dummy gate film to be the dummy gate layer 262A is processed and used as a dummy gate.
  • the dummy gate is a temporary gate electrode. That is, by processing the dummy gate film to be the dummy gate layer 262A, a temporary gate electrode is formed, the dummy gate is removed in a later step, and a gate electrode made of a conductive film or the like is formed instead. Therefore, it is preferable that a dummy gate film to be the dummy gate layer 262A be a film which is easily microfabricated and easy to remove.
  • the dummy gate film to be the dummy gate layer 262A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a sputtering method a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an insulator, a semiconductor, or a conductor can be used.
  • polysilicon, silicon such as microcrystalline silicon or amorphous silicon, or a metal film such as aluminum, titanium, or tungsten may be used.
  • a film containing carbon, SOG (Spin On Glass), a resin film, or the like may be formed using a coating method.
  • the surface of the dummy gate film can be made flat by forming the SOG and the resin film by a coating method. As
  • the dummy gate film to be the dummy gate layer 262A can be a multilayer film using different film types.
  • the dummy gate film to be the dummy gate layer 262A can be a conductive film and a two-layer film in which a resin film is formed over the conductive film.
  • the conductive film may function as a stopper film for CMP treatment in a later CMP step.
  • the end point detection of the CMP process may be possible, and the process variation may be reduced.
  • the dummy gate film to be the dummy gate layer 262A is etched by the lithography method to form the dummy gate layer 262A (see FIG. 5).
  • the dummy gate layer 262A is formed so as to at least partially overlap the conductor 205 and the oxide 230.
  • the dummy gate layer 262A may be formed over the conductor layer 242B located between the conductor 243a and the conductor 243b.
  • an insulating film 254A is formed to cover the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 243a, the conductor 243b, the conductor layer 242B, and the dummy gate layer 262A. Subsequently, an insulating film 244A may be formed on the insulating film 254A (see FIG. 5).
  • the insulating film 254A and the insulating film 244A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an insulating film having a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen and oxygen is preferably used.
  • an aluminum oxide film is preferably formed by an ALD method.
  • the insulating film 254A having a uniform thickness even for the step portion generated by the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 243b, the conductor layer 242B, and the dummy gate layer 262A. can be formed.
  • an insulating film having a function of suppressing diffusion of impurities such as hydrogen and oxygen is preferably used.
  • an aluminum oxide film is preferably formed by sputtering.
  • the flow rate of nitrogen gas is 30% to 100%, preferably 40% or more, based on the total flow rate of the deposition gas. It is preferably 100% or less, more preferably 50% or more and 100% or less.
  • the insulating film 244A aluminum oxide may be formed while the substrate is heated at high temperature.
  • the substrate heating temperature at the time of forming the insulating film 244A may be 200 ° C. or higher, preferably 250 ° C. or higher, more preferably 350 ° C. or higher.
  • the dummy gate layer 262A it is possible to prevent the dummy gate layer 262A from being deformed when the insulating film 244A is formed at the above temperature. .
  • addition of fluorine may be performed after formation of one or both of the insulating film 244A and the insulating film 254A.
  • the addition of fluorine to one or both of the insulating film 244A and the insulating film 254A is performed by plasma treatment in an atmosphere containing a fluorine-based gas (eg, CF 4 or the like), or by doping a gas containing fluorine ,It can be carried out.
  • a fluorine-based gas eg, CF 4 or the like
  • the diffusion of excess oxygen contained in the insulator 224 can be prevented, and the entry of impurities such as water and hydrogen from the outside into the insulator 224 can be prevented.
  • the film formation of the insulating film 244A can be omitted.
  • an insulating film to be the insulator 280 is formed over the insulating film 244A.
  • the insulating film to be the insulator 280 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the insulating film to be the insulator 280, the dummy gate layer 262A, the insulating film 254A, and a part of the insulating film 244A are removed until a part of the dummy gate layer 262A is exposed.
  • Insulator 254 and insulator 244 (see FIG. 6).
  • CMP is preferably used to form the insulator 280, the dummy gate 262, the insulator 254, and the insulator 244.
  • the dummy gate layer 262A is, for example, a conductive film and a two-layered film in which a resin film is formed on the conductive film, whereby the conductive film serves as a stopper film for CMP treatment in the CMP step.
  • the conductive film may be able to detect the end point of the CMP process, and the variation in height of the dummy gate 262 may be reduced.
  • the top surfaces of the dummy gate 262 and the top surfaces of the insulator 254, the insulator 244, and the insulator 280 substantially coincide with each other.
  • the dummy gate 262 is removed to form an opening 263 (see FIG. 7).
  • the removal of the dummy gate 262 can be performed using wet etching, dry etching, ashing, or the like. Alternatively, a plurality of the above processes may be combined as appropriate. For example, a wet etching process may be performed after the ashing process. By removing dummy gate 262, a part of the surface of conductor layer 242B is exposed from opening 263.
  • an insulating film 266A is formed over the insulator 280, the insulator 244, the insulator 254, and the conductor layer 242B, and a dummy film 265A is formed thereon (see FIG. 7).
  • the insulating film 266A needs to be formed in contact with the sidewall of the opening 263, ie, the insulator 254, and the distance between the conductor 242a and the conductor 242b, ie, the substantial channel, depends on the thickness of the dummy film 265A. The length is decided. Therefore, it is preferable that the insulating film 266A and the dummy film 265A be formed using an ALD method, which has high coverage and can easily be finely adjusted in film thickness.
  • the thicknesses of the insulating film 266A and the dummy film 265A may be set as appropriate in accordance with the electrical characteristics required of the transistor 200.
  • the thickness of the insulating film 266A may be 0.5 nm or more, preferably 1 nm or more.
  • the thickness of the dummy film 265A may be 5 nm or more and 25 nm or less, preferably 10 nm or more and 20 nm or less.
  • the dummy film 265A is finally removed, it is preferable to use a film that is easy to microprocess and easy to remove.
  • aluminum oxide formed by ALD may be used as the dummy film 265A.
  • the insulating film 266A functions as an etching stopper when removing the dummy film 265A. Therefore, in the etching for removing the dummy film 265A, an insulator having an etching rate lower than that of the dummy film 265A is used.
  • hafnium oxide formed by an ALD method may be used as the insulating film 266A.
  • anisotropic etching is performed on the insulating film 266A and the dummy film 265A to remove a part of the insulating film 266A and the dummy film 265A, and the insulator 266 in contact with the upper surface of the conductor layer 242B and the side surface of the insulator 254.
  • the formation, the formation of the dummy layer 265 on the insulator 266, and the deposition of the by-product 267 on the dummy layer 265 are performed (see FIG. 8). Note that the insulator 266, the dummy layer 265, and the by-product 267 remain only in the vicinity of the sidewall of the opening 263.
  • the insulator 266, the dummy layer 265, and the by-product 267 are not formed in a portion where a channel formation region of the transistor 200 is formed in a later step, and the conductor layer 242B is exposed. Therefore, the cross-sectional shapes of the insulator 266 and the dummy layer 265 are L-shaped as shown in FIGS. 8 (B) and 8 (C).
  • dry etching for anisotropic etching.
  • dry etching for example, C 4 F 6 gas, C 5 F 6 gas, C 4 F 8 gas, CF 4 gas, SF 6 gas, CHF 3 gas, Cl 2 gas, BCl 3 gas or SiCl 4 gas, etc.
  • oxygen gas, helium gas, argon gas, hydrogen gas, or the like can be appropriately added to the above gas.
  • etching gases can be appropriately switched and used in accordance with objects to be etched (the insulating film 266A and the dummy film 265A).
  • a parallel plate type dry etching apparatus having a configuration in which high-frequency power supplies having different frequencies are connected to opposing electrodes can perform anisotropic etching relatively easily. It is preferable to use the dry etching apparatus because it can be performed.
  • the etching step is preferably performed under conditions that facilitate formation of the by-product 267.
  • a gas containing a large amount of carbon is preferably used as at least one of etching gases.
  • the gas containing a large amount of carbon preferably contains carbon and fluorine, and the atomic ratio of carbon is preferably 50% or more of the atomic ratio of fluorine.
  • a C 4 F 6 gas, a C 5 F 6 gas, or a C 4 F 8 gas may be used alone or in combination of two or more gases.
  • oxygen gas, helium gas, argon gas, nitrogen gas, hydrogen gas, or the like can be added as appropriate to the above gas.
  • the gas is decomposed by plasma, and carbon contained in the gas reacts with a component (for example, aluminum etc.) contained in the dummy film 265A, and a carbon compound Is formed. Further, the fluorine contained in the gas and the component (for example, aluminum etc.) contained in the dummy film 265A react to form a fluorine compound. These carbon compounds and fluorine compounds are deposited on the dummy layer 265 remaining in the vicinity of the side surface of the opening 263 to form a by-product 267. Therefore, the by-product 267 is formed to include the dummy layer 265, the insulator 266, the insulator 280, the components included in the etching gas, and the like. Thus, by-products 267 may include aluminum, fluorine, and carbon.
  • part of the conductor layer 242B is removed to form a conductor 242a and a conductor 242b (see FIG. 9).
  • the etching of the conductor layer 242B is preferably performed using a dry etching method. Note that the etching of the insulating film 266A and the dummy film 265A and the etching of the conductor layer 242B may be performed successively.
  • the insulator 266 and the dummy layer 265 can be formed into an L shape. Since the conductor 242a and the conductor 242b can be formed in portions overlapping with the insulator 266 and the dummy layer 265, the length T1 of the Lov region can be sufficiently long.
  • the thickness of the dummy film 265A is shown in FIG. And the film thickness of the by-product 267.
  • the film formation time of the dummy film 265A becomes very long.
  • the film formation time of the dummy film 265A can be shortened, and the productivity of the semiconductor device can be increased.
  • dummy layer 265 and by-product 267 are selectively removed using isotropic etching (see FIG. 10).
  • isotropic etching for example, wet etching or etching using a reactive gas may be used.
  • the insulator 266 functions as an etching stopper. This can prevent the insulator 254 and the insulator 244 from being etched when the dummy layer 265 and the by-product 267 are etched.
  • the distance between the conductor 242 a and the conductor 242 b can be shorter than the length of the opening 263 in the channel length direction. At this time, part of the top surface of the oxide 230 b exposed from between the conductor 242 a and the conductor 242 b may be removed.
  • heat treatment is preferably performed before the oxide film 230C is formed.
  • the heat treatment may be performed at 100 ° C. to 400 ° C., for example, 200 ° C. Alternatively, it is preferable to carry out at the same temperature as the film formation temperature of the oxide film 230C.
  • the film formation temperature includes not only the substrate temperature during film formation but also the set temperature of the film formation apparatus.
  • the heat treatment is preferably performed at 300 ° C.
  • the heat treatment is preferably performed under reduced pressure, and may be performed, for example, in a vacuum atmosphere.
  • the vacuum atmosphere is maintained by exhausting with a turbo molecular pump or the like.
  • the pressure in the processing chamber may be 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less, preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa or less.
  • an oxide film 230C is formed to be embedded in the opening 263.
  • the oxide film 230C is preferably formed successively without being exposed to the air.
  • impurities such as water, hydrogen, and carbon adsorbed on the surface of the oxide 230a and the oxide 230b are removed, and the water concentration in the oxide 230a and the oxide 230b is further removed. And hydrogen concentration can be reduced.
  • the impurities removed by the heat treatment also include an impurity having a bond of hydrogen and carbon, an impurity having a bond of hydrogen and oxygen, and the like. Furthermore, by performing heat treatment and film formation continuously without being exposed to the outside air, impurities such as hydrogen can be prevented from re-entering the oxide 230.
  • the oxide film 230C can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the oxide film to be the oxide film 230C may be formed using the same film formation method as the oxide film 230A or the oxide film 230B in accordance with the characteristics required for the oxide film 230C.
  • As the oxide film 230C an In-Ga-Zn oxide or an oxide which does not contain In can be used.
  • an oxide not containing In a Ga-Zn oxide, gallium oxide, or the like can be used.
  • a stacked-layer structure of an In-Ga-Zn oxide and an oxide which does not contain In may be used.
  • a first oxide film to be the oxide 230c1 is formed by sputtering using a target of 4: 2: 4.1 [atomic number ratio] to form a first oxide film.
  • the film formation of the oxide film 230C is preferably performed while heating the substrate. At this time, by setting the substrate temperature to 300 ° C. or higher, oxygen vacancies in the oxide film 230B and the oxide film 230C can be reduced. Further, for example, the film formation may be performed at the same temperature as the film formation temperature of the insulating film 250A described later. Further, by forming the film while heating the substrate as described above, the crystallinity of the oxide film 230C and the oxide film 230B can be improved.
  • the oxide film 230C when the oxide film 230C is formed, part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the oxide 230a and the oxide 230b. Therefore, the proportion of oxygen contained in the sputtering gas of the oxide film 230C may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%. Further, by performing film formation while heating the substrate, crystallinity of the oxide film can be improved.
  • the oxide film 230C has a stacked structure, and an oxide containing no In is used as the second oxide film, whereby the concentration of In contained in the insulating film 250A to be formed next is reduced or the insulation does not contain In. It is preferable because the film 250A can be formed.
  • an insulating film which does not contain In means an In concentration of 1.0 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less in secondary ion mass spectrometry (SIMS) measurement.
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • the insulating film has an In concentration of 5.0 ⁇ 10 16 atoms / cm 3 or less, more preferably 1.0 ⁇ 10 16 atoms / cm 3 or less.
  • heat treatment is preferably performed before formation of the insulating film 250A.
  • the heat treatment may be performed at 100 ° C. to 400 ° C., for example, 200 ° C.
  • the heat treatment is preferably performed at the same temperature as the film formation temperature of the insulating film 250A.
  • the film formation temperature includes not only the substrate temperature during film formation but also the set temperature of the film formation apparatus.
  • the heat treatment is preferably performed at 350 ° C.
  • the heat treatment is preferably performed under reduced pressure, and may be performed, for example, in a vacuum atmosphere.
  • the vacuum atmosphere is maintained by exhausting with a turbo molecular pump or the like.
  • the pressure in the processing chamber may be 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less, preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa or less.
  • the insulating film 250A is preferably formed successively without being exposed to the air.
  • water, hydrogen, carbon and other impurities adsorbed on the surface of the oxide film 230C and the like are removed, and the water in the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide film 230C is further removed. Concentration and hydrogen concentration can be reduced.
  • the impurities removed by the heat treatment also include an impurity having a bond of hydrogen and carbon, an impurity having a bond of hydrogen and oxygen, and the like.
  • impurities such as hydrogen can be prevented from re-entering the oxide 230.
  • the insulating film 250A is formed.
  • the insulating film 250A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a silicon oxynitride film is preferably formed by a CVD method.
  • the film formation temperature when forming the insulating film 250A is preferably 300 ° C. or more and less than 450 ° C., preferably 300 ° C. or more and less than 400 ° C., particularly about 350 ° C.
  • an insulator with few impurities can be formed.
  • oxygen can be introduced into the insulating film 250A by exciting oxygen with microwaves, generating high-density oxygen plasma, and exposing the insulating film 250A to the oxygen plasma.
  • heat treatment may be performed.
  • the heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment.
  • the heat treatment the water concentration and the hydrogen concentration of the insulating film 250A can be reduced.
  • a conductive film 260A including the conductive film 260Aa and the conductive film 260Ab is formed.
  • the conductive film 260Aa and the conductive film 260Ab can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a CVD method it is preferable to use a CVD method.
  • the conductive film 260Aa is formed using an ALD method
  • the conductive film 260Ab is formed using a CVD method (see FIG. 11).
  • the oxide film 230C, the insulating film 250A, the conductive film 260Aa, and the conductive film 260Ab are preferably formed without being exposed to the air.
  • a multi-chamber system film formation apparatus described later may be used.
  • part of the oxide film 230C, the insulating film 250A, the conductive film 260Aa, and the conductive film 260Ab is removed until the top of the insulator 280 is exposed, and the oxide 230c, the insulator 250, and the conductor 260 (conductor 260a (conductor 260a). And conductor 260b) (see FIG. 12).
  • CMP treatment is preferably used to form the oxide 230 c, the insulator 250, and the conductor 260. As shown in FIGS.
  • the top surface of the conductor 260 and the top surfaces of the insulator 250, the oxide 230c, the insulator 266, the insulator 254, the insulator 244, and the insulator 280 are shown. It is preferable that they substantially match.
  • heat treatment may be performed.
  • the heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment.
  • the heat treatment the water concentration and the hydrogen concentration of the insulator 280 can be reduced.
  • an insulating film to be the insulator 274 is formed over the insulator 280 (see FIG. 12).
  • the insulating film to be the insulator 274 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an aluminum oxide film is preferably formed by sputtering. By depositing an aluminum oxide film by sputtering, diffusion of hydrogen contained in the insulator 280 may be suppressed in some cases.
  • heat treatment may be performed.
  • the heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment.
  • the heat treatment the water concentration and the hydrogen concentration of the insulator 280 can be reduced.
  • an insulator to be the insulator 281 may be formed over the insulator 274.
  • the insulating film to be the insulator 281 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like (see FIG. 12).
  • an opening which reaches the conductor 242 a and the conductor 242 b is formed in the insulator 254, the insulator 244, the insulator 280, the insulator 274, and the insulator 281.
  • the formation of the opening may be performed using a lithography method.
  • an insulating film to be the insulator 241 is formed over the insulator 281 and in the inside of the opening, and the insulating film is anisotropically etched to form the insulator 241 (insulator 241 a, insulation on the inner wall of the opening).
  • the insulating film can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an insulating film having a function of suppressing permeation of oxygen is preferably used.
  • an aluminum oxide film is preferably formed by an ALD method.
  • anisotropic etching may be performed by, for example, dry etching. With such a configuration of the sidewall portion of the opening, permeation of oxygen from the outside can be suppressed, and oxidation of the conductor 240a and the conductor 240b to be formed next can be prevented. Further, impurities such as water and hydrogen can be prevented from diffusing to the outside from the conductor 240a and the conductor 240b.
  • the conductor 240a and the conductor 240b are formed in the opening so as to be in contact with the sidewall of the insulator 241 by a known method.
  • a conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b is formed.
  • the conductive film to be the conductor 240 a and the conductor 240 b preferably has a stacked structure including a conductor having a function of suppressing diffusion of impurities such as water and hydrogen.
  • a stack of tantalum nitride, titanium nitride, or the like, tungsten, molybdenum, copper, or the like can be used.
  • the conductive film to be the conductor 240 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the conductor 240 a and the conductor 240 b and expose the insulator 281.
  • the conductive film is left only in the opening to form the conductor 240 a and the conductor 240 b with flat top surfaces (see FIG. 1).
  • part of the insulator 281 may be removed by the CMP treatment.
  • a conductor that functions as a wiring may be formed in contact with the top surface of the conductor 240 a and the top surface of the conductor 240 b. It is preferable to use a conductive material whose main component is tungsten, copper, or aluminum as the conductor functioning as the wiring.
  • the conductor may have a stacked structure, for example, a stack of titanium and titanium nitride and the above conductive material.
  • the conductor may be formed to be embedded in an opening provided in the insulator.
  • the resistivity is 1.0 ⁇ 10 13 ⁇ ⁇ cm or more and 1.0 ⁇ 10 15 ⁇ ⁇ cm or less, preferably 5.0 ⁇ 10 13 ⁇ ⁇ cm or more so as to cover the conductor. It is preferable to form an insulator of 5.0 ⁇ 10 14 ⁇ ⁇ cm or less.
  • the insulator disperses the charge accumulated between wirings of the transistor 200, the conductor, and the like while maintaining the insulating property. Characteristic defects and electrostatic breakdown of a transistor due to the charge and an electronic device including the transistor can be suppressed, which is preferable.
  • a semiconductor device including the transistor 200 illustrated in FIG. 1 can be manufactured.
  • the transistor 200 can be manufactured by using the method for manufacturing a semiconductor device described in this embodiment.
  • a semiconductor device with large on-state current can be provided.
  • a semiconductor device having high frequency characteristics can be provided.
  • a semiconductor device with high reliability can be provided.
  • a semiconductor device which can be miniaturized or highly integrated can be provided.
  • a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be provided.
  • a semiconductor device with low off current can be provided.
  • a semiconductor device with reduced power consumption can be provided.
  • a semiconductor device with high productivity can be provided.
  • ⁇ Modification Example of Semiconductor Device> a semiconductor device including the transistor 200 according to one embodiment of the present invention, which is different from that illustrated in ⁇ Structural Example of Semiconductor Device> described above with reference to FIG. 13, and an example of a method for manufacturing the semiconductor device explain.
  • FIG. 13A shows a top view.
  • 13B is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by an alternate long and short dash line A1-A2 illustrated in FIG. 13A, and is also a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 200.
  • 13C is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by an alternate long and short dash line A3-A4 in FIG. 13A, and is also a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200.
  • 13D is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by an alternate long and short dash line A5-A6 in FIG. 13A, and is also a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200.
  • some elements are omitted for the sake of clarity of the figure.
  • the conductor 242a covers the side surface of the conductor 243a, the oxide 230b, and the oxide 230a and is in contact with the top surface of the insulator 224
  • the conductor 242b is the conductor 243b, the oxide 230b
  • the top surface of the insulator 224 so as to cover the side surface of the oxide 230 a and is different from the transistor 200 illustrated in FIG.
  • the oxide film 230A, the oxide film 230B, and the conductor layer 243A are processed into an island before forming the conductive film 242A.
  • the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 243a, and the conductor 243b may be formed.
  • the insulator 224 may be provided in an island shape so as to overlap with the oxide 230b and the oxide 230a.
  • the lower end portion of the conductor 260 can be positioned further downward, so that the electric field of the conductor 260 functioning as the first gate electrode is applied to the side surface of the oxide 230. It will be easier.
  • the on-state current of the transistor 200 can be increased and the frequency characteristics can be improved.
  • the oxide 230 c, the insulator 266, the conductor 242, and the insulator 254 are in contact with the top surface of the insulator 222 in a region which does not overlap with the insulator 224.
  • the insulator 224, the insulator 250, and the oxide 230 are surrounded by the insulator 222, the insulator 254, and the insulator 274 which have a barrier property to impurities such as hydrogen and oxygen. Accordingly, entry of impurities such as hydrogen and excess oxygen from the outside of the transistor 200 can be suppressed, so that the transistor 200 can have favorable electrical characteristics and reliability.
  • a so-called multi-chamber apparatus having a plurality of processing chambers in which different film types can be continuously formed.
  • film formation processes such as sputtering, CVD, and ALD can be performed.
  • a gas supply device, a gas purification device connected to the gas supply device, a vacuum pump, a target, or the like can be connected to the sputtering chamber.
  • each treatment chamber cleaning treatment of a substrate, plasma treatment, reverse sputtering treatment, etching treatment, ashing treatment, heat treatment, and the like may be performed.
  • an insulator, a conductor, and a semiconductor film can be formed without being exposed to the air.
  • an oxide semiconductor film As a semiconductor film used in one embodiment of the present invention, typically, an oxide semiconductor film can be given.
  • an oxide semiconductor film with low impurity concentration and low density of defect states (with less oxygen vacancies) can be used to manufacture a transistor having excellent electrical characteristics.
  • the fact that the impurity concentration is low and the density of defect states is low is referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic.
  • a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film can reduce carrier density because there are few carriers.
  • the threshold voltage is less likely to be negative (also referred to as normally on).
  • the high purity intrinsic or the substantially high purity intrinsic oxide semiconductor film has a low density of defect states, the density of trap states may also be low.
  • a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has a very small off-state current, a device with a channel width of 1 ⁇ 10 6 ⁇ m and a channel length L of 10 ⁇ m,
  • the voltage between the drain electrodes is in the range of 1 V to 10 V, it is possible to obtain the characteristic that the off current is less than the measurement limit of the semiconductor parameter analyzer, that is, less than 1 ⁇ 10 ⁇ 13 A.
  • impurities in the oxide semiconductor film typically, water, hydrogen, and the like can be given.
  • reduction or removal of water and hydrogen from the oxide semiconductor film may be referred to as dehydration or dehydrogenation.
  • addition of oxygen to the oxide semiconductor film may be referred to as oxygenation, and a state in which oxygen is added and has oxygen in excess of the stoichiometric composition may be referred to as an excess oxygen state. .
  • the oxide semiconductor, the insulator or the conductor located under the oxide semiconductor, and the insulator or the conductor located over the oxide semiconductor are different films without being exposed to the air.
  • impurities in particular, hydrogen and water
  • a semiconductor film, an insulator or a conductor located under the semiconductor film, and an insulator or a conductor located over the semiconductor film can be formed successively by using the device shown in FIG. it can. Therefore, impurities (in particular, hydrogen and water) which can enter the semiconductor film can be suppressed.
  • FIG. 14 schematically shows a top view of the single wafer type multi-chamber apparatus 4000.
  • the apparatus 4000 carries in the substrate from the atmosphere-side substrate supply chamber 4010 and the atmosphere-side substrate transfer chamber 4012 for transferring the substrate from the atmosphere-side substrate supply chamber 4010, and reduces the pressure in the chamber from atmospheric pressure or reduced pressure.
  • the load chamber 4020a switches from atmospheric pressure to an unload chamber 4020a
  • the unload chamber 4020b switches the substrate pressure from reduced pressure to atmospheric pressure or from atmospheric pressure to reduced pressure
  • a transfer chamber 4029 transfers the substrate in vacuum.
  • the plurality of processing chambers can each perform the same processing or different processing in parallel.
  • a plurality of substrates can be processed at the same time, which can reduce the process time.
  • different treatments are performed in a plurality of treatment chambers
  • a stack structure of different film types can be easily manufactured over one substrate.
  • parallel processing can be performed up to the number of processing chambers.
  • an apparatus 4000 shown in FIG. 14 is an apparatus having seven processing chambers. Therefore, it is possible to simultaneously process up to seven substrates.
  • the number of stacks that can be manufactured without opening to the atmosphere is not necessarily the same as the number of processing chambers.
  • the layers can be provided in one processing chamber; therefore, a stacked structure with a number of stacked layers greater than the number of installed processing chambers is manufactured.
  • the atmosphere-side substrate supply chamber 4010 includes a cassette port 4014 that accommodates a substrate, and an alignment port 4016 that aligns the substrate.
  • the cassette port 4014 may have a plurality of (for example, three in FIG. 14) configurations.
  • the atmosphere-side substrate transfer chamber 4012 is connected to the load chamber 4020 a and the unload chamber 4020 b.
  • the transfer chamber 4029 is connected to the load chamber 4020a, the unload chamber 4020b, the transfer chamber 4030a, the transfer chamber 4030b, the process chamber 4024a, and the process chamber 4024b.
  • Transfer chamber 4030 a and transfer chamber 4030 b are connected to transfer chamber 4029 and transfer chamber 4039.
  • the transfer chamber 4039 is connected to the transfer chamber 4030a, the transfer chamber 4030b, the process chamber 4034a, the process chamber 4034b, the process chamber 4034c, the process chamber 4034d, and the process chamber 4034e.
  • a gate valve 4028 or a gate valve 4038 is provided at the connection portion of each chamber, and each chamber is independently kept in vacuum except the atmosphere side substrate supply chamber 4010 and the atmosphere side substrate transfer chamber 4012. can do. Further, the atmosphere-side substrate transfer chamber 4012 has a transfer robot 4018.
  • the transfer chamber 4029 has a transfer robot 4026, and the transfer chamber 4039 has a transfer robot 4036.
  • the transfer robot 4018, the transfer robot 4026, and the transfer robot 4036 each include a plurality of movable portions and an arm for holding a substrate, and can transfer the substrate to each chamber.
  • transfer chambers processing chambers, load chambers, unload chambers, and transfer chambers is not limited to the above-described numbers, and an optimum number can be provided as appropriate in accordance with the installation space and process conditions.
  • the transfer chamber 4029 and the transfer chamber 4039 are provided, it is preferable that the transfer chamber 4030a and the transfer chamber 4030b be arranged in parallel between the transfer chamber 4029 and the transfer chamber 4039. .
  • the step of carrying the substrate into the transfer chamber 4030a by the transfer robot 4026, and the step of carrying the substrate into the transfer chamber 4030b by the transfer robot 4036 at the same time can be carried out.
  • the step of carrying the substrate out of the transfer chamber 4030b by the transfer robot 4026 and the step of unloading the substrate out of the transfer chamber 4030a by the transfer robot 4036 can be performed simultaneously. That is, production efficiency is improved by simultaneously driving a plurality of transfer robots.
  • FIG. 14 shows an example in which one transfer chamber has one transfer robot and is connected to a plurality of processes, but the present invention is not limited to this structure.
  • a single transfer chamber may have a plurality of transfer robots.
  • one or both of the transfer chamber 4029 and the transfer chamber 4039 are connected to a vacuum pump and a cryopump through a valve. Therefore, after the transfer chamber 4029 and the transfer chamber 4039 are evacuated from atmospheric pressure to low vacuum or medium vacuum (about several hundred Pa to about 0.1 Pa) using a vacuum pump, the valves are switched and a cryopump is used to It is possible to evacuate the medium vacuum to a high vacuum or an ultrahigh vacuum (about 0.1 Pa to 1 ⁇ 10 ⁇ 7 Pa).
  • cryopumps may be connected in parallel to one transfer chamber. Having a plurality of cryopumps enables evacuation using another cryopump even when one cryopump is being regenerated. Note that regeneration is a process of releasing molecules (or atoms) stored in a cryopump. The cryopump should be periodically regenerated because its exhausting ability decreases if it stores too many molecules (or atoms).
  • the processing chamber 4024a, the processing chamber 4024b, the processing chamber 4034a, the processing chamber 4034b, the processing chamber 4034c, the processing chamber 4034d, and the processing chamber 4034e can perform different processes in parallel. That is, for each treatment chamber, a film formation process, a heat treatment, or a plasma process can be performed on the set substrate by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method or the like. In addition, in the treatment chamber, film formation may be performed after heat treatment or plasma treatment is performed.
  • the device 4000 can transfer a substrate without exposure to the air between processing and the processing by including a plurality of processing chambers, so that adsorption of impurities onto the substrate can be suppressed.
  • film formation treatment, heat treatment, or plasma treatment of different film types can be performed for each treatment chamber, the order of film formation, heat treatment, and the like can be freely configured.
  • Each processing chamber may be connected to a vacuum pump via a valve.
  • a vacuum pump a dry pump, a mechanical booster pump, etc. can be used, for example.
  • each processing chamber may be connected to a power source capable of generating plasma.
  • a power source capable of generating plasma.
  • a DC power supply, an AC power supply, or a high frequency (RF, microwave, etc.) power supply may be provided.
  • a pulse generator may be connected to the DC power supply.
  • the processing chamber may be connected to the gas purification apparatus via the gas supply apparatus.
  • the gas supply device and the gas purification device may be provided as many as the number of gas types.
  • the processing chamber may include a backing plate provided with a target, a cathode connected to the backing plate, an adhesion preventing plate, a substrate stage, and the like.
  • the substrate stage may be connected to the anode.
  • the substrate stage may include a substrate holding mechanism for holding the substrate, a back surface heater for heating the substrate from the back surface, and the like.
  • the substrate stage may be configured to be substantially horizontal to the floor surface. In such a configuration, it is preferable to place the target below the substrate stage, and place the substrate between the target and the substrate stage, so-called face-down.
  • the substrate stage may be provided with a jig for fixing the substrate so as not to drop the substrate, or a mechanism for fixing the substrate.
  • a target may be provided above the substrate stage, that is, so-called face up. Also in this case, in order to prevent the substrate from shifting on the substrate stage or to efficiently heat or cool the substrate, a jig for fixing the substrate or a mechanism for fixing the substrate may be provided.
  • the deposition prevention plate in the processing chamber, deposition of particles sputtered from the target in unnecessary regions can be suppressed.
  • the surface may be blasted to increase the surface roughness, or the surface of the adhesion preventing plate may be provided with asperities.
  • the backing plate has a function of holding the target, and the cathode has a function of applying a negative voltage to the target.
  • a conductor, an insulator, or a semiconductor can be used.
  • the oxide semiconductor film can be formed in the treatment chamber.
  • an oxynitride semiconductor film can also be formed by using nitrogen gas as a deposition gas.
  • each processing chamber may be connected to a gas supply device via a gas heating mechanism.
  • the gas heating mechanism is connected to the gas purification device via a gas supply device.
  • a gas having a dew point of ⁇ 80 ° C. or less, preferably ⁇ 100 ° C. or less, more preferably ⁇ 120 ° C. or less can be used.
  • oxygen gas, nitrogen gas, and rare gas (Argon gas etc.) can be used.
  • the gas introduced into the treatment chamber can be heated to 40 ° C. or more and 400 ° C. or less by the gas heating mechanism.
  • the gas heating mechanism, the gas supply device, and the gas purification device may be provided by the number of gas types.
  • each processing chamber may be connected to a turbo molecular pump and a vacuum pump through a valve.
  • a cryotrap may be provided in each treatment chamber.
  • the cryotrap is a mechanism capable of adsorbing a molecule (or atom) having a relatively high melting point such as water.
  • the turbo molecular pump stably exhausts large-sized molecules (or atoms) and has a low frequency of maintenance, so it is excellent in productivity but has a low ability to evacuate hydrogen and water. Therefore, a cryotrap can be used to enhance the ability to evacuate water and the like.
  • the temperature of the cryotrap refrigerator is 100 K or less, preferably 80 K or less. Further, in the case where the cryotrap has a plurality of refrigerators, it is preferable to change the temperature for each refrigerator because efficient evacuation can be achieved.
  • the temperature of the first stage refrigerator may be 100 K or less
  • the temperature of the second stage refrigerator may be 20 K or less.
  • the method for evacuating the process chamber is not limited to this, and the same method as the method for evacuating the transfer chamber to be connected (a method of evacuating the cryopump and the vacuum pump) may be employed.
  • the method of evacuating the transfer chamber may be the same as that of the process chamber (a method of evacuating the turbo molecular pump and the vacuum pump).
  • a vacuum pump and a cryotrap may be combined.
  • the method has a function of adsorbing at least water molecules.
  • the partial pressure of hydrogen molecules is preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less, and the partial pressure of water molecules is preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa or less.
  • the pressure in the standby state of the treatment chamber for forming the oxide semiconductor film is 8.0 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa or less, preferably 5.0 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa or less, more preferably 1.0 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa. It is less than Pa.
  • the partial pressure of hydrogen molecules and the partial pressure of water molecules described above are both values when the processing chamber in which sputtering is performed is in the standby state and when the film formation state (plasma is in the discharge state). .
  • the total pressure and partial pressure in the treatment chamber can be measured using a mass spectrometer.
  • a mass spectrometer for example, Qulee CGM-051 manufactured by ULVAC, Inc., quadrupole mass spectrometer (also referred to as Q-mass) may be used.
  • the concentration of impurities in the formed oxide semiconductor film can be reduced.
  • part of the structure of the transistor 200 described in the above embodiment can be continuously formed without being exposed to the air.
  • the conductive film to be the insulator 222, the insulator 224, the oxide film 230A, the oxide film 230B, and the conductive layer 243A is formed continuously by using the device 4000.
  • a conductive film to be the insulator 222, the insulator 224, the oxide film 230A, the oxide film 230B, and the conductor layer 243A can be continuously formed without being opened to the air.
  • the oxide film 230C, the insulating film 250A, the conductive film 260Aa, and the conductive film 260Ab can be formed successively.
  • the treatment chamber may include a plurality of heating stages capable of storing a substrate.
  • the heating stage may have a multistage configuration. Since the plurality of substrates can be heat-processed simultaneously by increasing the number of heating stages, productivity can be improved.
  • a heating mechanism that heats using a resistance heater or the like may be used.
  • it may be a heating mechanism that heats by heat conduction or heat radiation from a medium such as a heated gas.
  • RTA Rapid Thermal Anneal
  • GRTA Gas Rapid Thermal Anneal
  • LRTA Lamp Rapid Thermal Anneal
  • the LRTA heats the object by radiation of light (electromagnetic wave) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, and a high pressure mercury lamp.
  • GRTA performs heat treatment using a high temperature gas.
  • An inert gas is used as the gas.
  • the load chamber 4020a may include a substrate delivery stage, a back surface heater that heats the substrate from the back surface, and the like.
  • the load chamber 4020a raises the pressure from the reduced pressure state to the atmosphere, and the substrate transfer stage receives the substrate from the transfer robot 4018 provided in the atmosphere-side substrate transfer chamber 4012 when the pressure in the load chamber 4020a becomes atmospheric pressure. . Thereafter, the load chamber 4020a is evacuated to a reduced pressure state, and then the transfer robot 4026 provided in the transfer chamber 4029 receives the substrate from the substrate transfer stage.
  • the load chamber 4020a is connected to a vacuum pump and a cryopump via a valve.
  • the unloading chamber 4020b may have the same configuration as the loading chamber 4020a, or may not have the substrate heating mechanism.
  • the atmosphere-side substrate transfer chamber 4012 includes the transfer robot 4018, so that the transfer robot 4018 can transfer a substrate between the cassette port 4014 and the load chamber 4020a.
  • a mechanism for suppressing the entry of dust or particles such as a HEPA filter (High Efficiency Particulate Air Filter) may be provided above the atmosphere-side substrate transfer chamber 4012, and the atmosphere-side substrate supply chamber 4010.
  • the cassette port 4014 can also store a plurality of substrates.
  • a stacked-layer structure including a semiconductor film can be manufactured by continuous film formation. Therefore, impurities such as hydrogen and water which are taken into the semiconductor film can be suppressed, and a semiconductor film with a low density of defect states can be manufactured.
  • FIG. 1 An example of a semiconductor device (storage device) using a capacitor which is one embodiment of the present invention is 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. Note that the transistor 200 described in the above embodiment or the like can be used as the transistor 200.
  • 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 low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor for the memory device. That is, since the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, power consumption of the memory device can be sufficiently reduced.
  • the wiring 1001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 1002 is electrically connected to the drain of the transistor 300.
  • the wiring 1003 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 200, the wiring 1004 is electrically connected to the first gate of the transistor 200, and the wiring 1006 is electrically connected to the second gate of the transistor 200. It is connected to the.
  • 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 1005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 100. .
  • the memory device illustrated in FIG. 15 can form a memory cell array by being arranged in a matrix.
  • the transistor 300 is provided over the substrate 311 and functions as a conductor 316 functioning as a gate electrode, an insulator 315 functioning as a gate insulator, a semiconductor region 313 formed of part of the substrate 311, and a source region or a drain region. It has low resistance region 314a and low resistance region 314b.
  • the transistor 300 may be either p-channel or n-channel.
  • the semiconductor region 313 (a part of the substrate 311) in which a channel is formed has a convex shape.
  • the conductor 316 is provided to cover the side surface and the top surface of the semiconductor region 313 with the insulator 315 interposed therebetween.
  • the conductor 316 may use a material for adjusting a work function.
  • Such a transistor 300 is also referred to as a FIN type transistor because it uses the convex portion of the semiconductor substrate.
  • an insulator which functions as a mask for forming the convex portion may be provided in contact with the upper portion of the convex portion.
  • a semiconductor film having a convex shape may be formed by processing the SOI substrate.
  • transistor 300 illustrated in FIG. 15 is an example and is not limited to the structure, and an appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and the driving method.
  • the capacitive element 100 is provided above the transistor 200.
  • the capacitor 100 includes the conductor 110 functioning as a first electrode, the conductor 120 functioning as a second electrode, and the insulator 130 functioning as a dielectric.
  • the conductor 112 provided over the conductor 246 and the conductor 110 can be formed at the same time.
  • the conductor 112 has a function as a plug electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300, or a wiring.
  • the conductor 112 and the conductor 110 each have a single-layer structure in FIG. 15, the present invention is not limited to this structure, and a stacked structure of two or more layers may be employed. For example, between a conductor having a barrier property and a conductor having high conductivity, a conductor having high adhesion to a conductor having a barrier property and a conductor having high conductivity may be formed.
  • the insulator 130 may be, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxide nitride, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, hafnium oxynitride, hafnium nitride Or the like may be used, and they can be provided in a stack or a single layer.
  • the capacitive element 100 can secure a sufficient capacity by having an insulator with a high dielectric constant (high-k), and by having an insulator with a large dielectric strength, the dielectric strength can be improved, and the capacitance can be increased.
  • the electrostatic breakdown of the element 100 can be suppressed.
  • an insulator of a high dielectric constant (high-k) material (a material with a high relative dielectric constant), an oxide having gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, aluminum and hafnium, an oxynitride having aluminum and hafnium And oxides containing silicon and hafnium, oxynitrides containing silicon and hafnium, or nitrides containing silicon and hafnium.
  • silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon is added, carbon and nitrogen are materials having high dielectric strength (materials having low dielectric constant). There is silicon oxide added, silicon oxide having pores, or a resin.
  • a wiring layer provided with an interlayer film, a wiring, a plug and the like may be provided between the respective structures. Also, a plurality of wiring layers can be provided depending on the design.
  • a conductor having a function as a plug or a wiring may be provided with the same reference numeral collectively as a plurality of structures.
  • the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be an integral body. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.
  • an insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are sequentially stacked as an interlayer film.
  • the conductor 328 electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 200, the conductor 330, and the like are embedded. Note that the conductor 328 and the conductor 330 function as a plug or a wiring.
  • the insulator functioning as an interlayer film may function as a planarization film covering the uneven shape below it.
  • the top surface of the insulator 322 may be planarized by a planarization process using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like to enhance the planarity.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • 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 and provided.
  • a conductor 356 is formed on the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 functions as a plug or a wire.
  • the conductor 218, a conductor (conductor 205) included in the transistor 200, and the like are embedded.
  • the conductor 218 has a function as a plug electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 300, or a wiring.
  • an insulator 150 is provided over the conductor 120 and the insulator 130.
  • an insulator which can be used as an interlayer film, an insulating oxide, a nitride, an oxynitride, a nitride oxide, a metal oxide, a metal oxynitride, a metal nitride oxide, or the like can be given.
  • the material may be selected depending on the function of the insulator.
  • the insulator 150, the insulator 212, the insulator 352, the insulator 354 and the like an insulator with a low relative dielectric constant is preferably used.
  • the insulator includes silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and silicon oxide having voids. It is preferable to have a resin or the like.
  • the insulator may be silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, or silicon oxide having voids. It is preferable to have a laminated structure of and a resin. Silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, and thus, when combined with a resin, a stacked structure with a thermally stable and low dielectric constant can be obtained. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate or acrylic.
  • one or both of the conductor 112 and the insulator 130 and the insulator 150 which are provided over the conductor 120 have a resistivity of 1.0 ⁇ 10 12 ⁇ ⁇ cm or more and 1.0 ⁇ 10 15 ⁇ ⁇ cm or more Or less, preferably 5.0 ⁇ 10 12 ⁇ ⁇ cm or more and 1.0 ⁇ 10 14 ⁇ ⁇ cm or less, more preferably 1.0 ⁇ 10 13 ⁇ ⁇ cm or more and 5.0 ⁇ 10 13 ⁇ ⁇ cm or less It is preferable to use a body.
  • the insulator 130 and the insulator 150 can maintain the insulating property while the transistor 200, the transistor 300, and the capacitor 100 are provided. It is preferable because the charge accumulated between wirings such as the conductor 112 and the conductor 120 can be dispersed, and characteristic defects and electrostatic breakdown of a transistor and a memory device including the transistor can be suppressed.
  • silicon nitride or silicon nitride oxide can be used as such an insulator.
  • the insulator 140 may be provided below the conductor 112 as an insulator having the above-described resistivity.
  • the insulator 140 is formed over the insulator 281, and an opening is formed in the insulator 140, the insulator 281, the insulator 274, the insulator 280, the insulator 244, the insulator 254, and the like.
  • the insulator 241 may be formed, or the conductor 240 electrically connected to the transistor 200, the conductor 218, or the like may be formed.
  • the insulator 140 can be made of the insulator 130 or a material similar to that of the insulator 150.
  • the transistor including an oxide semiconductor electrical characteristics of the transistor can be stabilized by being surrounded by an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen. Therefore, for the insulator 210, the insulator 350, and the like, an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen can be used.
  • an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen for example, boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium
  • An insulator containing lanthanum, neodymium, hafnium or tantalum may be used in a single layer or a stack.
  • a metal oxide such as tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like can be used.
  • Conductors that can be used for wiring and plugs include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium
  • a material containing one or more metal elements selected from ruthenium and the like can be used.
  • a semiconductor with high electrical conductivity typically a polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide may be used.
  • the conductive materials of the above can be used in a single layer or a stack. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum which achieves both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered by using a low resistance conductive material.
  • an insulator having an excess oxygen region may be provided in the vicinity of the oxide semiconductor.
  • the insulator having a barrier property is preferably provided between the insulator having the excess oxygen region and the conductor provided in the insulator having the excess oxygen region.
  • an insulator 276 may be provided between the insulator 224 and the conductor 246.
  • the conductor 246 is preferably provided in contact with the insulator 222 sandwiching the insulator 224 having the excess oxygen region, the insulator 254, and the insulator 244.
  • the insulator 276, the insulator 222, and the insulator 281 provided in contact with each other the insulator 224 and the transistor 200 can be sealed by an insulator having a barrier property.
  • the insulator 276 is preferably in contact with part of the insulator 280. With the insulator 276 extending to the insulator 280, diffusion of oxygen and impurities can be further suppressed.
  • an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen can be used as the insulator 276, an insulating material having a function of suppressing diffusion of impurities such as water or hydrogen and oxygen can be used.
  • aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used.
  • metal oxides such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide or tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like can be used.
  • Embodiment 4 a transistor using an oxide as a semiconductor (hereinafter, may be referred to as an OS transistor) and a capacitor according to one embodiment of the present invention are applied with reference to FIGS.
  • a storage device (hereinafter sometimes referred to as an OS memory device) will be described.
  • the OS memory device is a storage device including at least a capacitor and an OS transistor which controls charge and discharge of the capacitor. Since the off-state current of the OS transistor is extremely small, the OS memory device has excellent retention characteristics and can function as a non-volatile memory.
  • FIG. 16A shows an example of the configuration of the OS memory device.
  • the memory device 1400 includes a peripheral circuit 1411 and a memory cell array 1470.
  • the peripheral circuit 1411 includes a row circuit 1420, a column circuit 1430, an output circuit 1440, and a control logic circuit 1460.
  • the column circuit 1430 includes, for example, a column decoder, a precharge circuit, a sense amplifier, and a write circuit.
  • the precharge circuit has a function of precharging the wiring.
  • the sense amplifier has a function of amplifying a data signal read from the memory cell.
  • the wiring is a wiring connected to a memory cell included in the memory cell array 1470, which will be described in detail later.
  • the amplified data signal is output as the data signal RDATA to the outside of the storage device 1400 through the output circuit 1440.
  • the row circuit 1420 includes, for example, a row decoder, a word line driver circuit, and the like, and can select a row to be accessed.
  • the storage device 1400 is externally supplied with a low power supply voltage (VSS), a high power supply voltage (VDD) for the peripheral circuit 1411, and a high power supply voltage (VIL) for the memory cell array 1470 as a power supply voltage. Further, control signals (CE, WE, RE), an address signal ADDR, and a data signal WDATA are input to the storage device 1400 from the outside.
  • the address signal ADDR is input to the row decoder and the column decoder, and WDATA is input to the write circuit.
  • the control logic circuit 1460 processes external input signals (CE, WE, RE) to generate control signals for row decoders and column decoders.
  • CE is a chip enable signal
  • WE is a write enable signal
  • RE is a read enable signal.
  • the signal processed by the control logic circuit 1460 is not limited to this, and another control signal may be input as necessary.
  • Memory cell array 1470 has a plurality of memory cells MC arranged in a matrix and a plurality of wirings.
  • the number of wirings connecting the memory cell array 1470 and the row circuit 1420 is determined by the configuration of the memory cells MC, the number of memory cells MC provided in one column, and the like.
  • the number of wirings connecting the memory cell array 1470 and the column circuit 1430 is determined by the configuration of the memory cells MC, the number of memory cells MC in one row, and the like.
  • FIG. 16A shows an example in which peripheral circuit 1411 and memory cell array 1470 are formed on the same plane
  • the present embodiment is not limited to this.
  • the memory cell array 1470 may be provided to overlap with part of the peripheral circuit 1411.
  • a sense amplifier may be provided so as to overlap below the memory cell array 1470.
  • [DOSRAM] 17A to 17C show an example of the circuit configuration of a memory cell of a DRAM.
  • a DRAM using a memory cell of a 1OS transistor single capacitive element type may be referred to as a DOSRAM (Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory).
  • a memory cell 1471 illustrated in FIG. 17A includes a transistor M1 and a capacitor CA.
  • the transistor M1 has a gate (sometimes referred to as a front gate) and a back gate.
  • the first terminal of the transistor M1 is connected to the first terminal of the capacitive element CA, the second terminal of the transistor M1 is connected to the wiring BIL, the gate of the transistor M1 is connected to the wiring WOL, and the back gate of the transistor M1 Is connected to the wiring BGL.
  • the second terminal of the capacitive element CA is connected to the wiring CAL.
  • the wiring BIL functions as a bit line
  • the wiring WOL functions as a word line.
  • the wiring CAL functions as a wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitive element CA. It is preferable to apply a low level potential to the wiring CAL at the time of data writing and reading.
  • the wiring BGL functions as a wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M1. By applying an arbitrary potential to the wiring BGL, the threshold voltage of the transistor M1 can be increased or decreased.
  • the memory cell MC is not limited to the memory cell 1471 and can change the circuit configuration.
  • the memory cell MC may have a structure in which the back gate of the transistor M1 is connected to the wiring WOL instead of the wiring BGL.
  • the memory cell MC may be a memory cell including a single gate transistor, that is, a transistor M1 having no back gate.
  • the transistor 200 can be used as the transistor M1 and the capacitor 100 can be used as the capacitor CA.
  • the leak current of the transistor M1 can be made very low. That is, since the written data can be held for a long time by the transistor M1, the frequency of refresh of the memory cell can be reduced. In addition, the refresh operation of the memory cell can be made unnecessary.
  • the leakage current is very low, multilevel data or analog data can be held in the memory cell 1471, the memory cell 1472, and the memory cell 1473.
  • the bit line when the sense amplifier is provided so as to overlap below the memory cell array 1470, the bit line can be shortened.
  • the bit line capacitance can be reduced, and the storage capacitance of the memory cell can be reduced.
  • [NOSRAM] 17D to 17H show circuit configuration examples of a gain cell type memory cell of a two-transistor one-capacitance element.
  • a memory cell 1474 illustrated in FIG. 17D includes a transistor M2, a transistor M3, and a capacitor CB.
  • the transistor M2 has a front gate (sometimes simply referred to as a gate) and a back gate.
  • NOSRAM Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM
  • the first terminal of the transistor M2 is connected to the first terminal of the capacitive element CB, the second terminal of the transistor M2 is connected to the wiring WBL, the gate of the transistor M2 is connected to the wiring WOL, and the back gate of the transistor M2 Is connected to the wiring BGL.
  • the second terminal of the capacitive element CB is connected to the wiring CAL.
  • the first terminal of the transistor M3 is connected to the wiring RBL, the second terminal of the transistor M3 is connected to the wiring SL, and the gate of the transistor M3 is connected to the first terminal of the capacitive element CB.
  • the wiring WBL functions as a write bit line
  • the wiring RBL functions as a read bit line
  • the wiring WOL functions as a word line.
  • the wiring CAL functions as a wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitive element CB. When writing data, holding data, and reading data, it is preferable to apply a low level potential to the wiring CAL.
  • the wiring BGL functions as a wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M2. By applying an arbitrary potential to the wiring BGL, the threshold voltage of the transistor M2 can be increased or decreased.
  • the memory cell MC is not limited to the memory cell 1474, and the configuration of the circuit can be changed as appropriate.
  • the memory cell MC may have a configuration in which the back gate of the transistor M2 is connected to the wiring WOL instead of the wiring BGL.
  • the memory cell MC may be a memory cell including a single-gate transistor, that is, a transistor M2 which does not have a back gate.
  • the memory cell MC may have a configuration in which the wiring WBL and the wiring RBL are combined into one wiring BIL.
  • the transistor 200 can be used as the transistor M2, the transistor 300 can be used as the transistor M3, and the capacitor 100 can be used as the capacitor CB.
  • the leakage current of the transistor M2 can be made very low.
  • the frequency of refresh of the memory cell can be reduced.
  • the refresh operation of the memory cell can be made unnecessary.
  • the memory cell 1474 can hold multilevel data or analog data. The same applies to memory cells 1475 to 1477.
  • the transistor M3 may be a transistor having silicon in a channel formation region (hereinafter, may be referred to as a Si transistor).
  • the conductivity type of the Si transistor may be n-channel or p-channel.
  • the Si transistor may have higher field effect mobility than the OS transistor. Therefore, a Si transistor may be used as the transistor M3 functioning as a read out transistor. Further, by using a Si transistor for the transistor M3, the transistor M2 can be provided by being stacked on the transistor M3, so that the area occupied by the memory cell can be reduced and high integration of the memory device can be achieved.
  • the transistor M3 may be an OS transistor.
  • OS transistors are used for the transistors M2 and M3, the memory cell array 1470 can be configured using only n-type transistors.
  • FIG. 17H shows an example of a gain cell type memory cell of three-transistor one-capacitance element.
  • a memory cell 1478 illustrated in FIG. 17H includes transistors M4 to M6 and a capacitor CC.
  • the capacitive element CC is appropriately provided.
  • the memory cell 1478 is electrically connected to the wirings BIL, RWL, WWL, BGL, and GNDL.
  • the wiring GNDL is a wiring for applying a low level potential. Note that the memory cell 1478 may be electrically connected to the wirings RBL and WBL instead of the wiring BIL.
  • the transistor M4 is an OS transistor having a back gate, and the back gate is electrically connected to the wiring BGL. Note that the back gate and the gate of the transistor M4 may be electrically connected to each other. Alternatively, the transistor M4 may not have a back gate.
  • the transistors M5 and M6 may be n-channel Si transistors or p-channel Si transistors, respectively.
  • the transistors M4 to M6 may be OS transistors.
  • the memory cell array 1470 can be configured using only n-type transistors.
  • the transistor 200 can be used as the transistor M4, the transistor 300 can be used as the transistors M5 and M6, and the capacitive element 100 can be used as the capacitive element CC.
  • the leak current of the transistor M4 can be made very low.
  • peripheral circuit 1411 the memory cell array 1470, and the like described in this embodiment are not limited to the above. Arrangements or functions of these circuits and wirings, circuit elements, and the like connected to the circuits may be changed, deleted, or added as needed.
  • FIG. 1200 An example of a chip 1200 on which the semiconductor device of the present invention is mounted is shown using FIG.
  • a plurality of circuits (systems) are mounted on the chip 1200.
  • SoC system on chip
  • the chip 1200 includes a central processing unit (CPU) 1211, a graphics processing unit (GPU) 1212, one or more analog operation units 1213, one or more memory controllers 1214, one or more Interface 1215, one or more network circuits 1216, and the like.
  • CPU central processing unit
  • GPU graphics processing unit
  • analog operation units 1213 one or more analog operation units 1213
  • memory controllers 1214 one or more memory controllers 1214
  • Interface 1215 one or more network circuits 1216, and the like.
  • the chip 1200 is provided with a bump (not shown), and is connected to a first surface of a printed circuit board (PCB) 1201 as shown in FIG. 18B. Further, a plurality of bumps 1202 are provided on the back surface of the first surface of the PCB 1201 and are connected to the motherboard 1203.
  • PCB printed circuit board
  • the motherboard 1203 may be provided with a storage device such as a DRAM 1221 and a flash memory 1222.
  • a storage device such as a DRAM 1221 and a flash memory 1222.
  • the DOS RAM described in the above embodiment can be used for the DRAM 1221.
  • the NOSRAM described in the above embodiment can be used for the flash memory 1222.
  • the CPU 1211 preferably has a plurality of CPU cores.
  • the GPU 1212 preferably has a plurality of GPU cores.
  • the CPU 1211 and the GPU 1212 may each have a memory for temporarily storing data.
  • a memory common to the CPU 1211 and the GPU 1212 may be provided in the chip 1200.
  • the memory the aforementioned NOSRAM or DOSRAM can be used.
  • the GPU 1212 is suitable for parallel calculation of a large number of data, and can be used for image processing and product-sum operation. By providing the image processing circuit and the product-sum operation circuit using the oxide semiconductor of the present invention in the GPU 1212, image processing and product-sum operation can be performed with low power consumption.
  • the wiring between the CPU 1211 and the GPU 1212 can be shortened, and data transfer from the CPU 1211 to the GPU 1212, data transfer between memories of the CPU 1211 and the GPU 1212, And, after the calculation by the GPU 1212, transfer of the calculation result from the GPU 1212 to the CPU 1211 can be performed at high speed.
  • the analog operation unit 1213 includes one or both of an A / D (analog / digital) conversion circuit and a D / A (digital / analog) conversion circuit. Further, the product-sum operation circuit may be provided in the analog operation unit 1213.
  • the memory controller 1214 has a circuit functioning as a controller of the DRAM 1221 and a circuit functioning as an interface of the flash memory 1222.
  • the interface 1215 includes an interface circuit with an external connection device such as a display device, a speaker, a microphone, a camera, and a controller.
  • the controller includes a mouse, a keyboard, a game controller, and the like.
  • USB Universal Serial Bus
  • HDMI registered trademark
  • High-Definition Multimedia Interface or the like can be used.
  • the network circuit 1216 includes a network circuit such as a LAN (Local Area Network). It may also have circuitry for network security.
  • LAN Local Area Network
  • the circuits can be formed in the same manufacturing process. Therefore, even if the number of circuits required for the chip 1200 increases, there is no need to increase the number of manufacturing processes, and the chip 1200 can be manufactured at low cost.
  • the PCB 1201 provided with the chip 1200 having the GPU 1212, the DRAM 1221, and the motherboard 1203 provided with the flash memory 1222 can be referred to as a GPU module 1204.
  • the GPU module 1204 has a chip 1200 using SoC technology, so its size can be reduced. Moreover, since it is excellent in image processing, it is suitable to use for portable electronic devices, such as a smart phone, a tablet terminal, a laptop PC, and a portable (portable) game machine.
  • a deep neural network DNN
  • CNN convolutional neural network
  • RNN recursive neural network
  • DBM deep layer Boltzmann machine
  • the chip 1200 can be used as an AI chip, or the GPU module 1204 can be used as an AI system module because operations such as DBN can be performed.
  • the semiconductor device described in the above embodiment is, for example, a storage device of various electronic devices (for example, an information terminal, a computer, a smartphone, an electronic book terminal, a digital camera (including a video camera), a recording and reproducing device, a navigation system, etc.)
  • the computer includes a tablet computer, a notebook computer, a desktop computer, and a large computer such as a server system.
  • the semiconductor device described in the above embodiment is applied to various removable storage devices such as a memory card (for example, an SD card), a USB memory, and an SSD (solid state drive).
  • FIG. 19 schematically shows some configuration examples of the removable storage device.
  • the semiconductor device described in the above embodiment is processed into a packaged memory chip and used for various storage devices and removable memories.
  • FIG. 19A is a schematic view of a USB memory.
  • the USB memory 1100 includes a housing 1101, a cap 1102, a USB connector 1103, and a substrate 1104.
  • the substrate 1104 is housed in a housing 1101.
  • the memory chip 1105 and the controller chip 1106 are attached to the substrate 1104.
  • the semiconductor device described in the above embodiment can be incorporated in the memory chip 1105 or the like of the substrate 1104.
  • FIG. 19B is a schematic view of the appearance of the SD card
  • FIG. 19C is a schematic view of the internal structure of the SD card.
  • the SD card 1110 has a housing 1111, a connector 1112 and a substrate 1113.
  • the substrate 1113 is housed in a housing 1111.
  • the memory chip 1114 and the controller chip 1115 are attached to the substrate 1113.
  • the capacity of the SD card 1110 can be increased.
  • a wireless chip provided with a wireless communication function may be provided over the substrate 1113.
  • data can be read and written from the memory chip 1114 by wireless communication between the host device and the SD card 1110.
  • the semiconductor device described in the above embodiment can be incorporated in the memory chip 1114 or the like of the substrate 1113.
  • FIG. 19 (D) is a schematic view of the appearance of the SSD
  • FIG. 19 (E) is a schematic view of the internal structure of the SSD.
  • the SSD 1150 includes a housing 1151, a connector 1152, and a substrate 1153.
  • the substrate 1153 is housed in a housing 1151.
  • the memory chip 1154, the memory chip 1155, and the controller chip 1156 are attached to the substrate 1153.
  • the memory chip 1155 is a work memory of the controller chip 1156, and for example, a DOSRAM chip may be used.
  • the capacity of the SSD 1150 can be increased.
  • the semiconductor device described in the above embodiment can be incorporated in the memory chip 1154 or the like of the substrate 1153.
  • FIG. 20 illustrates a specific example of an electronic device provided with a processor such as a CPU or a GPU, or a chip according to one embodiment of the present invention.
  • the GPU or the chip according to one embodiment of the present invention can be mounted on various electronic devices.
  • the electronic devices include, for example, television devices, desktop or notebook personal computers, monitors for computers, etc., large-sized game machines such as digital signage (Digital Signage), pachinko machines, etc.
  • digital signage Digital Signage
  • pachinko machines large-sized game machines
  • electronic devices equipped with screens, digital cameras, digital video cameras, digital photo frames, mobile phones, portable game machines, portable information terminals, sound reproduction devices, etc. may be mentioned.
  • artificial intelligence can be mounted on an electronic device by providing the integrated circuit or the chip according to one embodiment of the present invention to the electronic device.
  • the electronic device of one embodiment of the present invention may have an antenna. By receiving the signal with the antenna, display of images, information, and the like can be performed on the display portion.
  • the antenna may be used for contactless power transmission.
  • the electronic device of one embodiment of the present invention includes a sensor (force, displacement, position, velocity, acceleration, angular velocity, rotation number, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, sound, time, hardness, electric field, current, It may have a function of measuring voltage, power, radiation, flow, humidity, inclination, vibration, odor or infrared.
  • the electronic device of one embodiment of the present invention can have various functions. For example, a function of displaying various information (still images, moving images, text images, etc.) on the display unit, a touch panel function, a calendar, a function of displaying date or time, etc., a function of executing various software (programs), wireless communication A function, a function of reading a program or data recorded in a recording medium, or the like can be provided.
  • FIG. 20 shows an example of the electronic device.
  • FIG. 20A shows a mobile phone (smart phone) which is a type of information terminal.
  • the information terminal 5500 includes a housing 5510 and a display portion 5511.
  • a touch panel is provided in the display portion 5511 as an input interface, and a button is provided in the housing 5510.
  • the information terminal 5500 can execute an application using artificial intelligence by applying the chip of one embodiment of the present invention.
  • an application using artificial intelligence for example, an application that recognizes a conversation and displays the content of the conversation on the display unit 5511, recognizes characters, figures, and the like input by the user with respect to a touch panel included in the display unit 5511; An application displayed on the display portion 5511, an application for performing biometric authentication such as fingerprint or voiceprint, and the like can be given.
  • a desktop information terminal 5300 is illustrated in FIG.
  • the desktop information terminal 5300 includes a main body 5301 of the information terminal, a display 5302, and a keyboard 5303.
  • the desktop information terminal 5300 can execute an application using artificial intelligence by applying the chip of one embodiment of the present invention.
  • applications using artificial intelligence include design support software, text correction software, and menu automatic generation software.
  • new artificial intelligence can be developed.
  • FIGS. 20A and 20B examples of the electronic device
  • an information terminal other than the smartphone and the desktop information terminal may be applied. It can.
  • an information terminal other than a smart phone and a desktop information terminal for example, a PDA (Personal Digital Assistant), a notebook information terminal, a work station, etc. may be mentioned.
  • PDA Personal Digital Assistant
  • FIG. 20C illustrates an electric refrigerator-freezer 5800 which is an example of an electric appliance.
  • the electric refrigerator-freezer 5800 includes a housing 5801, a refrigerator door 5802, a freezer door 5803 and the like.
  • an electric refrigerator-freezer 5800 having artificial intelligence can be realized.
  • the electric refrigerator-freezer 5800 is automatically stored in the electric refrigerator-freezer 5800, which automatically generates a menu based on the food stored in the electric refrigerator-freezer 5800, the expiration date of the food, etc. It can have a function of automatically adjusting to the temperature according to the food.
  • the electric refrigerator-freezer has been described as an electric appliance, but other electric appliances include, for example, a vacuum cleaner, a microwave oven, an electronic oven, a rice cooker, a water heater, an IH cooker, a water server, and an air conditioner. Appliances, washing machines, dryers, audiovisual equipment etc. may be mentioned.
  • FIG. 20D illustrates a portable game console 5200 which is an example of the game console.
  • the portable game console 5200 includes a housing 5201, a display portion 5202, a button 5203, and the like.
  • a low-power consumption portable game device 5200 can be realized. Further, since low power consumption can reduce heat generation from the circuit, it is possible to reduce the influence of heat generation on the circuit itself, peripheral circuits, and modules.
  • a portable game device 5200 having artificial intelligence can be realized.
  • expressions such as the progress of the game, the behavior and behavior of creatures appearing on the game, and the phenomena occurring on the game are determined by the program possessed by the game, but by applying artificial intelligence to the portable game machine 5200
  • the expression which is not limited to the program of the game becomes possible. For example, it is possible to express that the contents asked by the player, the progress of the game, the time, and the behavior of the person appearing on the game change.
  • FIG. 20D illustrates a portable game machine as an example of a game machine
  • a game machine to which a GPU or a chip of one embodiment of the present invention is applied is not limited to this.
  • a game machine to which the GPU or chip of one embodiment of the present invention is applied for example, a home-use stationary game machine, an arcade game machine installed in an entertainment facility (game center, amusement park, etc.), a sports facility Pitching machines for batting practice.
  • the GPU or chip of one embodiment of the present invention can be applied to an automobile that is a mobile body and the driver seat area of the automobile.
  • FIG. 20 (E1) shows a car 5700 which is an example of a moving body
  • FIG. 20 (E2) shows a periphery of a windshield in a room of the car.
  • FIG. 20E2 illustrates a display panel 5704 attached to a pillar, in addition to the display panel 5701 attached to a dashboard, the display panel 5702, and the display panel 5703.
  • the display panel 5701 to the display panel 5703 can provide various information by displaying a speedometer, a tachometer, a travel distance, a fuel gauge, a gear state, settings of an air conditioner, and the like.
  • display items, layouts, and the like displayed on the display panel can be appropriately changed in accordance with the user's preference, and design can be enhanced.
  • the display panels 5701 to 5703 can also be used as lighting devices.
  • the display panel 5704 By projecting an image from an imaging device (not shown) provided in the automobile 5700 on the display panel 5704, it is possible to complement the view (dead angle) blocked by the pillar. That is, by displaying an image from an imaging device provided outside the automobile 5700, a blind spot can be compensated to enhance safety. In addition, by displaying an image that complements the invisible part, it is possible to check the safety more naturally and without discomfort.
  • the display panel 5704 can also be used as a lighting device.
  • the GPU or chip of one embodiment of the present invention can be applied as a component of artificial intelligence, for example, the chip can be used for an autonomous driving system of a car 5700. Moreover, the said chip
  • a mobile body is not limited to a motor vehicle.
  • a moving object a train, a monorail, a ship, a flying object (a helicopter, a drone, a plane, a rocket) and the like can also be mentioned, and the chip of one embodiment of the present invention is applied to these moving objects.
  • a system using artificial intelligence can be provided.
  • the GPU or chip of one embodiment of the present invention can be applied to a broadcast system.
  • FIG. 20F schematically shows data transmission in the broadcast system. Specifically, FIG. 20F shows a path until the radio wave (broadcast signal) transmitted from the broadcast station 5680 reaches the television receiver (TV) 5600 of each home.
  • the TV 5600 includes a receiver (not shown), and a broadcast signal received by the antenna 5650 is transmitted to the TV 5600 through the receiver.
  • the antenna 5650 is a UHF (Ultra High Frequency) antenna.
  • a BS ⁇ 110 ° CS antenna, a CS antenna, or the like can be used as the antenna 5650.
  • the radio wave 5675A and the radio wave 5675B are broadcast signals for ground wave broadcasting, and the radio wave tower 5670 amplifies the received radio wave 5675A and transmits the radio wave 5675B.
  • Each household can view terrestrial TV broadcast on the TV 5600 by receiving the radio wave 5675 B by the antenna 5650.
  • the broadcast system is not limited to the terrestrial broadcast shown in FIG. 20F, and may be satellite broadcast using an artificial satellite, data broadcast by an optical line, or the like.
  • the above-described broadcast system may be a broadcast system using artificial intelligence by applying the chip of one embodiment of the present invention.
  • compression of the broadcast data is performed by the encoder, and when the antenna 5650 receives the broadcast data, the decoder of the receiving apparatus included in the TV 5600 Restoration is performed.
  • artificial intelligence for example, in motion compensation prediction which is one of compression methods of an encoder, it is possible to recognize a display pattern included in a display image.
  • intra-frame prediction using artificial intelligence can also be performed.
  • image interpolation processing such as up conversion can be performed in restoration of broadcast data by the decoder.
  • the above-described broadcast system using artificial intelligence is suitable for ultra high definition television (UHDTV: 4K, 8K) broadcast where the amount of broadcast data is increased.
  • the TV 5600 may be provided with a recording device having artificial intelligence.
  • a recording device having artificial intelligence it is possible to automatically record a program according to the user's preference by making the recording device learn the user's preference to the artificial intelligence.
  • the electronic device described in this embodiment the function of the electronic device, the application example of artificial intelligence, the effect thereof, and the like can be combined with the description of other electronic devices as appropriate.
  • the steps from the removal of the dummy gate 262 to the formation of the conductor 242 were cross-sectionally observed with an electron microscope.
  • the process of cross-sectional observation corresponds to FIGS. 7 to 10 described in the first embodiment.
  • cross-sectional observation was performed with a scanning transmission electron microscope (STEM).
  • STEM scanning transmission electron microscope
  • the apparatus for observation used HD-2700 by Hitachi High-Technologies company. The results of cross-sectional observation are shown in FIG. 21 and FIG.
  • a method for producing a sample used for observation will be described.
  • a tungsten film with a thickness of 150 nm was formed by a sputtering method on a silicon substrate on which an insulator was formed.
  • the tungsten film was processed using a lithography method to function as a back gate to form a first conductor (W in the drawing) containing tungsten.
  • a 350 nm-thick first silicon oxynitride film was formed by plasma CVD to cover the first conductor.
  • the first silicon oxynitride film was removed by polishing until the surface of the first conductor was exposed. CMP was used for the polishing process. By the polishing treatment, an insulator including silicon oxynitride can be formed on the side surface of the first conductor.
  • a 10 nm-thick first aluminum oxide film (1st AlOx in the figure) is formed on the first conductor and the insulator containing silicon oxynitride by an ALD method, and a plasma CVD method is performed.
  • a second silicon oxynitride film (2nd SiON in the drawing) with a film thickness of 35 nm was formed using this.
  • planarization treatment was performed on the second silicon oxynitride film. The planarization treatment was performed by polishing treatment using a CMP method, and the film thickness of the second silicon oxynitride film after the polishing treatment was about 30 nm.
  • OS2 titanium dioxide
  • a first tantalum nitride film with a thickness of 20 nm was formed over the oxide by a sputtering method.
  • the first tantalum nitride film was processed by lithography to expose at least a region to be a channel formation region of the second oxide.
  • a second tantalum nitride film (TaN 2 in the figure) with a thickness of 5 nm was formed using a sputtering method so as to cover the exposed second oxide and the first tantalum nitride film.
  • the second tantalum nitride film, the first tantalum nitride film, the second oxide, and the first oxide were processed into an island shape using a lithography method.
  • a structure corresponding to FIG. 4 can be obtained.
  • the first conductor containing tantalum nitride is formed by processing the first tantalum nitride film.
  • part of the second silicon oxynitride film is also etched by the processing.
  • the second silicon oxynitride film may be etched until the first aluminum oxide film is exposed.
  • a dummy gate is formed.
  • a resin containing carbon was used for the dummy gate.
  • a second film with a thickness of 1 nm is formed using an ALD method so as to cover the dummy gate, the second tantalum nitride film, the first tantalum nitride film, the second oxide, and the first oxide.
  • An aluminum oxide film (2nd AlOx in the drawing) was formed, and a third aluminum oxide film (3rd AlOx in the drawing) with a thickness of 8 nm was formed using a sputtering method.
  • a third silicon oxynitride film (3rd SiON in the drawing) with a thickness of 400 nm was formed using a CVD method so as to cover the third aluminum oxide film.
  • a part of the third silicon oxynitride film, a part of the third aluminum oxide film, and a part of the second aluminum oxide film were removed by polishing treatment so as to expose the dummy gate. CMP was used for the polishing process.
  • the dummy gate is removed, and an opening is formed on the second tantalum nitride film.
  • the second tantalum nitride film is exposed, and at the side, the second aluminum oxide film is exposed.
  • the dummy gate was removed by dry etching using a gas containing oxygen.
  • a hafnium oxide film (HfOx in the figure) with a thickness of 1 nm is formed on the third silicon oxynitride film by using the ALD method so as to cover the bottom and side surfaces of the opening.
  • a fourth aluminum oxide film (4th AlOx in the figure) with a film thickness of 13 nm was formed using the ALD method.
  • FIG. 21A shows a cross-sectional STEM image after the formation of the fourth aluminum oxide film. As shown in FIG. 21A, on the side surface of the opening, the thickness from the side wall of the second aluminum oxide to the side wall of the fourth aluminum oxide was about 18 nm.
  • anisotropic etching was performed on the fourth aluminum oxide film and the hafnium oxide film. Dry etching was used for anisotropic etching. In addition, for dry etching, a gas containing C 4 F 6 , CHF 3 , and Ar was used. By the anisotropic etching, the fourth aluminum oxide film and the hafnium oxide film were removed on the third silicon oxynitride film and a part of the second tantalum nitride film. Further, by the anisotropic etching, adhesion of a component contained in the aluminum oxide film and a by-product containing a component contained in the gas used for dry etching was confirmed on the side wall of the fourth aluminum oxide film. . This by-product is formed by allowing the substance generated by the reaction between the aluminum oxide film and the gas used for dry etching to evaporate once, then adhere to the side wall of the fourth aluminum oxide film, and then be deposited. It is thought that
  • the fourth aluminum oxide film and the hafnium oxide film remain not only on the side walls of the second aluminum oxide film but also on the second tantalum nitride film, and have an L-shaped shape. have. Through the above steps, a structure corresponding to FIG. 8 can be obtained.
  • FIG. 21B shows a cross-sectional STEM image after the anisotropic etching.
  • an L-shaped hafnium oxide film, an L-shaped fourth aluminum oxide film, and a by-product remain in the opening.
  • the width of the structure including the hafnium oxide film remaining on the side wall of the second aluminum oxide film, the fourth aluminum oxide film, and the by-products was about 40.7 nm. .
  • the second tantalum nitride film was processed using the structure including the hafnium oxide film, the fourth aluminum oxide film, and the by-product described above as a mask.
  • the processing of the second tantalum nitride film was performed using a dry etching method.
  • a first step of removing a natural oxide film (tantalum oxynitride, an oxide containing tantalum such as tantalum oxide, etc.) formed on the surface of the second tantalum nitride film, and a tantalum nitride film are used.
  • the second step of removal was carried out consecutively in the same chamber.
  • the first step was performed using a gas containing BCl 3
  • the second step was performed using a gas containing Cl 2 and Ar.
  • the first step may not necessarily be performed.
  • a structure corresponding to FIG. 9 can be obtained.
  • a third conductor containing tantalum nitride is formed to cover the second conductor.
  • FIG. 22A shows a cross-sectional STEM image after the anisotropic etching.
  • the by-product and the fourth aluminum oxide film are removed.
  • a wet etching method was used to remove the by-product and the fourth aluminum oxide film.
  • An alkaline solution was used for the wet etching process.
  • the wet etching a structure corresponding to FIG. 10 can be obtained.
  • the second oxide was also partially removed by the wet etching.
  • FIG. 22B shows a cross-sectional STEM image after the wet etching. As shown in FIG. 22B, an L-shaped hafnium oxide film remains in the opening. In addition, the third conductor is formed in the opening, and the third conductor does not overlap with the third silicon oxynitride film, and the width of the portion protruding into the opening is approximately 39. It was 3 nm.
  • the third conductor that protrudes into the opening can be formed.
  • the width of the portion of the third conductor which is protruded into the opening is calculated from the total thickness of the thickness of the hafnium oxide film and the thickness of the fourth aluminum oxide film. The time required for forming the hafnium oxide film and the fourth aluminum oxide film (film forming time) can be shortened.

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Abstract

要約書 オン電流が大きい半導体装置を提供する。 第１の酸化物と、 第１の酸化物の上に、 配置された第１の導電体および第２の導電体と、 第１の導電 体を覆って配置された、 第３の導電体と、 第２の導電体を覆って配置された、 第４の導電体と、 第３ の導電体と第４の導電体の間に重畳して開口が形成された第１の絶縁体と、開口の中に配置された第 ５の導電体と、 第１の酸化物および第１の絶縁体と、 第５の導電体と、 の間に配置された第２の絶縁 体と、第１の酸化物および第１の絶縁体と、第２の絶縁体と、の間に配置された、第２の酸化物と、 第３の導電体、第４の導電体、および第１の絶縁体と、第２の酸化物と、の間に配置され、第３の導 電体と第４の導電体に挟まれた領域において、第１の酸化物と重畳しない、第３の絶縁体と、を有し、 第３の導電体および第４の導電体は、それぞれ、第５の導電体と重畳する領域を有する、半導体装置。

Description

半導体装置、および半導体装置の作製方法
　本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュール、および電子機器に関する。
　なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置、および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。
　なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
　トランジスタに適用可能な半導体薄膜として、シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯとも呼ぶ。）に関する研究が盛んに行われている。
　ＩＧＺＯに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（非特許文献１乃至非特許文献３参照。）。非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献４および非特許文献５に示されている。
　さらに、ＩＧＺＯを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち（非特許文献６参照。）、その特性を利用したＬＳＩおよびディスプレイが報告されている（非特許文献７および非特許文献８参照。）。
Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，"ＳＩＤ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ　４３，ｉｓｓｕｅ　１，ｐ．１８３−１８６ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ　５３，Ｎｕｍｂｅｒ　４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８−１−０４ＥＤ１８−１０ Ｓ．Ｉｔｏ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｔｈｅ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＡＭ−ＦＰＤ’１３　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ"，２０１３，ｐ．１５１−１５４ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，"ＥＣＳ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ　３，ｉｓｓｕｅ　９，ｐ．Ｑ３０１２−Ｑ３０２２ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ，"ＥＣＳ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ　６４，ｉｓｓｕｅ　１０，ｐ．１５５−１６４ Ｋ．Ｋａｔｏ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ　５１，ｐ．０２１２０１−１−０２１２０１−７ Ｓ．Ｍａｔｓｕｄａ　ｅｔ　ａｌ．，"２０１５　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ＶＬＳＩ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ"，２０１５，ｐ．Ｔ２１６−Ｔ２１７ Ｓ．Ａｍａｎｏ　ｅｔ　ａｌ．，"ＳＩＤ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ"，２０１０，ｖｏｌｕｍｅ　４１，ｉｓｓｕｅ　１，ｐ．６２６−６２９
　本発明の一態様は、信頼性が良好な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、オン電流が大きい半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。
　本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。
　なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
　本発明の一態様は、第１の酸化物と、第１の酸化物の上に、互いに離隔して、配置された第１の導電体および第２の導電体と、第１の導電体の上面および側面と、第１の酸化物の上面と、に接して配置された、第３の導電体と、第２の導電体の上面および側面と、第１の酸化物の上面と、に接して配置された、第４の導電体と、第３の導電体および第４の導電体の上に配置され、第３の導電体と第４の導電体の間に重畳して開口が形成された第１の絶縁体と、開口の中に配置された第５の導電体と、第１の酸化物、第３の導電体、第４の導電体、および第１の絶縁体と、第５の導電体と、の間に配置された、第２の酸化物と、第２の酸化物と、第５の導電体と、の間に配置された第２の絶縁体と、第３の導電体、第４の導電体、および第１の絶縁体と、第２の酸化物と、の間に配置され、第３の導電体と第４の導電体に挟まれた領域において、第１の酸化物と重畳しない、第３の絶縁体と、を有し、第３の導電体および第４の導電体は、それぞれ、第５の導電体と重畳する領域を有する半導体装置である。
　上記において、第１の酸化物、第１の導電体、第２の導電体、第３の導電体、第４の導電体、および第３の絶縁体と、第１の絶縁体と、の間に第４の絶縁体が配置され、第４の絶縁体は、第１の絶縁体より酸素透過性が低い、ことが好ましい。
　また、上記において、第５の導電体は、第１の酸化物の側面と対向するように配置され、第５の導電体と、第１の酸化物の側面との間に、第２の酸化物と、第２の絶縁体が配置される、ことが好ましい。また、上記において、第３の導電体は、第１の導電体より膜厚が薄く、第４の導電体は、第２の導電体より膜厚が薄い、ことが好ましい。また、上記において、第１の酸化物は、第３の導電体または第４の導電体と重ならない領域の膜厚が、第３の導電体または第４の導電体と重なる領域の膜厚より、薄くてもよい。
　また、上記において、第１の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有することが好ましい。また、上記において、第２の酸化物は、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有していることが好ましい。また、上記において、第２の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有し、第２の酸化物における元素Ｍに対するＩｎの原子数比は、第１の酸化物おける元素Ｍに対するＩｎの原子数比より小さくてもよい。また、第２の酸化物は、第１の層と、第１の層上の第２の層と、有し、第１の層は、第２の酸化物と概略同等の組成を有し、第２の層は、第２の酸化物よりも、Ｉｎ濃度が少ない領域を有してもよい。
　また、本発明の他の一態様は、基板上に第１の絶縁膜、第２の絶縁膜、第１の酸化膜、第２の酸化膜、および第１の導電膜を順に成膜し、第１の導電膜の一部を除去して、第１の導電体を形成し、第２の酸化膜、および第１の導電体の上に第２の導電膜を成膜し、第１の酸化膜、第２の酸化膜、第１の導電体、および第２の導電膜を島状に加工して、第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第２の導電体、および第３の導電体と、第２の酸化物、第２の導電体、および第３の導電体上の第４の導電体と、を形成し、第２の導電体と第３の導電体の間に位置する、第４の導電体上にダミーゲート層を形成し、第１の酸化物、第２の酸化物、第２の導電体、第３の導電体、第４の導電体、およびダミーゲート層を覆って、第３の絶縁膜を成膜し、第３の絶縁膜の上に第４の絶縁膜を成膜し、第３の絶縁膜および第４の絶縁膜の一部を、ダミーゲート層の上部が露出するまで除去し、ダミーゲート層を除去して、開口を形成し、第３の絶縁膜、第４の絶縁膜、および第４の導電体の上に、第５の絶縁膜を成膜し、第５の絶縁膜の上に、ダミー膜を成膜し、フッ素と炭素を含むエッチングガスを用いた異方性エッチングにより、第５の絶縁膜およびダミー膜の一部を除去し、第４の導電体の上面および第３の絶縁膜の側面に接する第１の絶縁体の形成と、第１の絶縁体の上のダミー層の形成と、ダミー層上への副生成物の堆積と、を行い、第１の絶縁体、ダミー層、および副生成物をマスクとして、第４の導電体の一部を除去し、第５の導電体および第６の導電体を形成し、ウェットエッチングにより、ダミー層および副生成物を除去し、開口の中に埋め込むように、第３の酸化膜、第６の絶縁膜、および第３の導電膜を順に成膜し、第３の酸化膜、第６の絶縁膜、および第３の導電膜の一部を、第３の絶縁膜の上部が露出するまで除去する半導体装置の作製方法である。
　また、上記において、第５の絶縁膜は、ＡＬＤ法を用いて成膜され、ハフニウムを含む酸化物であってもよい。また、上記において、ダミー膜は、ＡＬＤ法を用いて成膜され、アルミニウムを含む酸化物であってもよい。また、上記において、副生成物は、アルミニウム、フッ素、および炭素を含んでもよい。また、上記において、ウェットエッチングにより、第２の酸化物の、第５の導電体と第６の導電体に挟まれた領域の上部が除去されてもよい。また、上記において、第１の絶縁膜、第２の絶縁膜、第１の酸化膜、第２の酸化膜、および第１の導電膜の成膜を、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いて、大気に暴露することなく、成膜してもよい。
　本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流が大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
　または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。
　なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を作製するための装置を説明する上面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置の模式図。 本発明の一態様に係る記憶装置の模式図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 本発明の実施例を説明する図。 本発明の実施例を説明する図。
　以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
　また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
　また、特に上面図（「平面図」ともいう。）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
　また、本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
　また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
　例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に開示されているものとする。
　ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
　本明細書において、酸化物、金属酸化物、化合物などを構成する元素の原子数比を示す場合、特段断りが無い限りは、その原子数比の近傍も含まれる場合がある。ここで、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の５０％以上１５０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の比率の近傍として、１以上３以下を含み、［Ｂ］の比率の近傍として、０．５以上１．５以下を含むものとする。また、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の８０％以上１２０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の比率の近傍として、１．６以上２．４以下を含み、［Ｂ］の比率の近傍として、０．８以上１．２以下を含むものとする。また、原子数比の近傍とは、各原子数を示す値の９０％以上１１０％以下の値を含めるものとする。例えば、［Ａ］：［Ｂ］＝２：１の原子数比の場合、［Ａ］の比率の近傍として、１．８以上２．２以下を含み、［Ｂ］の比率の近傍として、０．９以上１．１以下を含むものとする。
　また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。
　なお、本明細書等において、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
　このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
　本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
　なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅｓ）が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
　なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。
　また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
　また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０度以上１０度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５度以上５度以下の場合も含まれる。また、「概略平行」とは、二つの直線が−３０度以上３０度以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０度以上１００度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５度以上９５度以下の場合も含まれる。また、「概略垂直」とは、二つの直線が６０度以上１２０度以下の角度で配置されている状態をいう。
　なお、本明細書において、バリア膜とは、水、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、当該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。
　本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む。）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう。）などに分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ　ＦＥＴあるいはＯＳトランジスタと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
　また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりの電流が、室温において１×１０−２０Ａ以下、８５℃において１×１０−１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０−１６Ａ以下であることをいう。
（実施の形態１）
　以下では、先の実施の形態に示す半導体装置の具体的な構成の一例について、図１乃至図１２を用いて説明する。
＜半導体装置の構成例＞
　図１（Ａ）、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の上面図および断面図である。また、図２は、トランジスタ２００の拡大図である。
　図１（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、図２（Ａ）は、図１（Ｂ）における酸化物２３０ｃおよびその近傍の拡大図であり、図２（Ｂ）は、図１（Ｃ）における酸化物２３０と導電体２６０、およびその近傍の拡大図である。
［トランジスタ２００］
　図１に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示しない。）の上に配置された酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上に配置された酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂの上に、互いに離隔して、配置された導電体２４３ａおよび導電体２４３ｂと、導電体２４３ａの上面および側面と、酸化物２３０ｂの上面と、に接して配置された、導電体２４２ａと、導電体２４３ｂの上面および側面と、酸化物２３０ｂの上面と、に接して配置された、導電体２４２ｂと、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの上に配置され、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体２８０と、開口の中に配置された導電体２６０と、酸化物２３０ｂ、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および絶縁体２８０と、導電体２６０と、の間に配置された、酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｃと、導電体２６０と、の間に配置された絶縁体２５０と、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および絶縁体２８０と、酸化物２３０ｃと、の間に配置された、絶縁体２６６と、を有する。ここで、絶縁体２６６は、導電体２４２ａと導電体２４２ｂに挟まれた領域において、酸化物２３０ｂと重畳しない。
　なお、以下において、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃをまとめて酸化物２３０と呼称する場合がある。また、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂをまとめて導電体２４２と呼称する場合がある。また、導電体２４３ａおよび導電体２４３ｂをまとめて導電体２４３と呼称する場合がある。また、図１に示すように、導電体２６０は、絶縁体２５０の内側に設けられた導電体２６０ａと、導電体２６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体２６０ｂの積層構造にしてもよい。
　なお、トランジスタ２００では、チャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう。）と、その近傍において、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの２層構造、または４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃのそれぞれが２層以上の積層構造を有していてもよい。本実施の形態では、図２に示すように、酸化物２３０ｃが酸化物２３０ｃ１、および酸化物２３０ｃ１上の酸化物２３０ｃ２の２層からなる積層構造を有する例を示す。
　図１に示すように、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、導電体２４３ａ、導電体２４３ｂ、および絶縁体２６６と、絶縁体２８０と、の間に絶縁体２４４および絶縁体２５４が配置されることが好ましい。ここで、絶縁体２５４は、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、絶縁体２６６の側面、導電体２４２の上面と側面、導電体２４３の側面、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面、ならびに絶縁体２２４の上面に接することが好ましい。絶縁体２４４は絶縁体２５４の上面に接して配置されることが好ましい。絶縁体２５４および絶縁体２４４は、導電体２４２ａおよび導電体２４３ａと絶縁体２８０の間に位置する領域と、導電体２４２ｂおよび導電体２４３ｂと絶縁体２８０の間に位置する領域を有する。また、絶縁体２４４および絶縁体２５４のどちらか一方のみを配置してもよい。
　導電体２６０の上面、絶縁体２５０の上面、酸化物２３０ｃの上面、絶縁体２６６の上面、絶縁体２５４の上面、絶縁体２４４の上面、および絶縁体２８０の上面に接して、絶縁体２７４が配置されることが好ましい。なお、絶縁体２７４の上に、層間膜として機能する絶縁体２８１が配置されることが好ましい。
　絶縁体２２２、絶縁体２５４、絶縁体２４４、および絶縁体２７４は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２２２、絶縁体２５４、絶縁体２４４、および絶縁体２７４は、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および絶縁体２８０より水素透過性が低いことが好ましい。また、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２４４は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２４４は、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および絶縁体２８０より酸素透過性が低いことが好ましい。
　また、トランジスタ２００は、基板（図示しない。）の上に配置された絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された導電体２０５と、絶縁体２１４の上に、導電体２０５の側面と接するように配置された絶縁体２１６と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、を有することが好ましい。このとき、絶縁体２２２は、導電体２０５の上面、および絶縁体２１６の上面と接するように設けられることが好ましい。絶縁体２２４の上に酸化物２３０ａが配置されることが好ましい。
　また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）が設けられることが好ましい。なお、プラグとして機能する導電体２４０の側面に接して絶縁体２４１（絶縁体２４１ａ、および絶縁体２４１ｂ）が設けられる。つまり、絶縁体２５４、絶縁体２４４、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２８１の開口の内壁に接して絶縁体２４１が設けられる。また、絶縁体２４１の側面に接して導電体２４０の第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４０の第２の導電体が設けられる構成にしてもよい。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８１の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２４０の第１の導電体および導電体２４０の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
　トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。例えば、酸化物２３０のチャネル形成領域となる金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタの非導通状態におけるリーク電流（オフ電流）を極めて小さくすることができる。このようなトランジスタを用いることで、低消費電力の半導体装置を提供できる。
　例えば、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、酸化物２３０として、酸化インジウム、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、または酸化ガリウムを用いてもよい。
　酸化物半導体は、水素などの不純物が存在すると、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損に入り込んだ水素がドナーとして機能し、トランジスタがノーマリーオン化するおそれがある。また、例えば、電圧、高温などのストレスによって、酸化物半導体中で水素が移動し、トランジスタの電気特性が変動するおそれがある。
　また、酸化物２３０に過剰な酸素が供給されると、電圧、高温などのストレスにより、酸化物２３０中の過剰な酸素の構造が変化する場合がある。これにより、酸化物２３０を有するトランジスタの電気特性が不安定になる、または信頼性が低下するおそれがある。
　しかしながら、本実施の形態に示すトランジスタ２００は、上述の通り、水素などの不純物、および酸素に対してバリア性を有する絶縁体２２２、絶縁体２５４、絶縁体２４４、および絶縁体２７４によって、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および酸化物２３０が覆われている。このように、トランジスタ２００において、絶縁体２２４、酸化物２３０、および絶縁体２５０は、絶縁体２２２、絶縁体２５４、絶縁体２４４および絶縁体２７４によって、絶縁体２８０および絶縁体２８１と離隔されている。これにより、トランジスタ２００の外方から水素などの不純物や過剰な酸素が浸入することを抑制できるので、トランジスタ２００に良好な電気特性および信頼性を与えることができる。
　導電体２６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体２４２ａと導電体２４３ａ、および導電体２４２ｂと導電体２４３ｂは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。酸化物２３０は、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域にチャネル形成領域を有し、導電体２４２ａ（導電体２４２ｂ）と重なる領域近傍に、チャネル形成領域を挟みこむようにソース領域とドレイン領域を有する。なお、ソース領域、および／またはドレイン領域が、導電体２４２ａ（導電体２４２ｂ）より内側に突出する形状になる場合もある。なお、トランジスタ２００のチャネル形成領域は、酸化物２３０ｂだけでなく、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの界面近傍、および／または酸化物２３０ｃに形成される場合もある。
　導電体２６０は、絶縁体２８０の開口に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体２６０、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの配置は、絶縁体２８０の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ２００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体２６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ２００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。
　ここで、図２（Ａ）に示すように、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、それぞれ、絶縁体２６６、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０を介して、導電体２６０と重畳する領域を有する。酸化物２３０の、当該領域と重なる領域は、所謂オーバーラップ領域（Ｌｏｖ領域ともいう）として機能する。以下において、Ｌｏｖ領域のチャネル長方向の長さをＴ１とする。例えば、Ｔ１は、５ｎｍ以上６０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。
　導電体２６０と、導電体２４２が重なる領域を有することで、導電体２６０と導電体２４２とのオフセット領域を無くし、導電体２６０によって印加されるゲート電界によるトランジスタの制御性の向上が期待できる。
　さらに、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂが、それぞれ、導電体２６０と重畳する構成にすることにより、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の距離が、絶縁体２８０、絶縁体２４４、および絶縁体２５４に形成される開口のチャネル長方向の長さより短くなる。これにより、トランジスタ２００のチャネル長をより短くすることができる。
　さらに、導電体２４２の膜厚は、少なくとも導電体２４３より薄いことが好ましい。このように、導電体２４２の膜厚を薄くすることにより、Ｌｏｖ領域およびその近傍における酸化物２３０ｂと導電体２６０の距離を小さくすることができる。
　トランジスタ２００は、上記のような構成を有することにより、酸化物２３０の導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂ近傍の領域にも、導電体２６０によって印加されるゲート電界の寄与を大きくすることができる。これにより、オン電流、Ｓ値、周波数特性の向上を図ることができる。
　また、導電体２４３ａ（導電体２４３ｂ）は、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）と重畳して設けられることが好ましい。さらに、導電体２４３の膜厚は、少なくとも導電体２４２より厚い。このような構成にすることで、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、当該開口の底部に導電体２４３ａ（導電体２４３ｂ）が設けられるので、酸化物２３０ｂがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。
　また、導電体２４２の上面に接して絶縁体２６６が設けられている。絶縁体２６６は、導電体２４２ａと導電体２６０の間に位置する領域と、導電体２４２ｂと導電体２６０の間に位置する領域を有する。詳細は後述するが、絶縁体２６６は、導電体２４２ａと導電体２４２ｂを分離する際のマスクの一部として機能する。このため、絶縁体２６６の下面の導電体２６０側の端部は、導電体２４２ａ（導電体２４２ｂ）の上面の導電体２６０側の端部と、概略一致する場合がある。
　以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、高い周波数特性を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。
　以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
　導電体２０５は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。また、導電体２０５は、絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。ここで、導電体２０５の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体２０５上面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下にすればよい。これにより、導電体２０５の上に形成される、絶縁体２２４の平坦性を良好にし、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃの結晶性の向上を図ることができる。
　ここで、導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能する場合がある。また、導電体２０５は、第２のゲート（ボトムゲートともいう。）電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００のＶｔｈを制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００のＶｔｈを０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体２０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
　また、導電体２０５は、酸化物２３０におけるチャネル形成領域よりも、大きく設けるとよい。特に、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物２３０のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。
　上記構成を有することで、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、酸化物２３０のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
　また、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は延伸させて、配線としても機能させている。ただし、これに限られることなく、導電体２０５の下に、配線として機能する導電体を設ける構成にしてもよい。
　また、導電体２０５は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体２０５を単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
　また、導電体２０５の下に水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）導電体を用いてもよい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）導電体を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一またはすべての拡散を抑制する機能とする。
　導電体２０５の下に、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電体を用いることにより、導電体２０５が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電体としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体２０５の第１の導電体としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。
　絶縁体２１４は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。
　例えば、絶縁体２１４として、酸化アルミニウムまたは窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水または水素などの不純物が絶縁体２１４よりも基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が、絶縁体２１４より基板側に、拡散するのを抑制することができる。
　また、絶縁体２１４は、積層構造であってもよい。例えば、酸化アルミニウム膜と、窒化シリコン膜との積層構造を絶縁体２１４に用いる好適である。酸化アルミニウム膜によって、絶縁体２１４の下方に酸素を供給することができる。また、窒化シリコン膜によって、基板側からトランジスタ２００側に拡散する水素、水などの不純物の拡散を抑制することができる。なお、酸化アルミニウム膜と、窒化シリコン膜との積層順については、特に限定は無い。例えば、窒化アルミニウム膜上に酸化アルミニウム膜を設ける積層構造、酸化アルミニウム膜上に窒化アルミニウム膜を設ける積層構造のいずれか一を用いることができる。
　また、層間膜として機能する絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよい。
　絶縁体２２２および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
　ここで、酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、加熱により酸素を脱離することが好ましい。本明細書では、加熱により離脱する酸素を過剰酸素と呼ぶことがある。例えば、絶縁体２２４は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
　絶縁体２２４は、Ｉｎ濃度が低減された絶縁体を用いることが好ましい。絶縁体２２４と接する酸化物２３０ａにＩｎが含まれている場合、該Ｉｎが絶縁体２２４中に拡散する恐れがある。絶縁体２２４中の金属Ｉｎは、負の電荷を捕獲し、トランジスタの閾値電圧のプラスシフトや、Ｓ値の増大など、トランジスタ特性、およびそのばらつきに影響を及ぼす恐れがある。例えば、トランジスタの閾値電圧がプラスシフトし、ノーマリーオフ特性となった場合、該トランジスタは、より高い駆動電圧が必要となり、低電圧駆動が困難となる。この場合、該トランジスタ、およびそれを有する電子機器の消費電力は増大してしまう。
　そこで、例えば、絶縁体２２４に含まれるＩｎ濃度は、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは、１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、であることが好ましい。あるいは、絶縁体２２４と接する酸化物２３０ａとして、Ｉｎを含まない酸化物とすることが好ましい。例えば、酸化物２３０ａとして、元素Ｍの酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）、Ｍ−Ｚｎ酸化物、あるいはＭ−Ｚｎ酸化物と、Ｍ−Ｚｎ酸化物上のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含む積層体を用いることが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａとして、酸化ガリウム、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、あるいはＧａ−Ｚｎ酸化物と、Ｇａ−Ｚｎ酸化物上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を含む積層体を用いることが好ましい。
　絶縁体２２４として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
　また、図１（Ｃ）に示すように、絶縁体２２４は、絶縁体２５４と重ならず、且つ酸化物２３０ｂと重ならない領域の膜厚が、それ以外の領域の膜厚より薄くなる場合がある。絶縁体２２４において、絶縁体２５４と重ならず、且つ酸化物２３０ｂと重ならない領域の膜厚は、上記酸素を十分に拡散できる膜厚であることが好ましい。
　絶縁体２２２は、絶縁体２１４などと同様に、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４より水素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２、絶縁体２５４、絶縁体２４４、および絶縁体２７４によって、絶縁体２２４、酸化物２３０、および絶縁体２５０などを囲むことにより、外方から水または水素などの不純物がトランジスタ２００に侵入することを抑制することができる。
　さらに、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物２３０が有する酸素が、基板側へ拡散することを低減できるので、好ましい。また、導電体２０５が、絶縁体２２４や、酸化物２３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
　絶縁体２２２は、絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
　または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
　また、絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
　なお、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、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。例えば、絶縁体２２２の下に絶縁体２２４と同様の絶縁体を設ける構成にしてもよい。
　酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。ここで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂは、島状に形成され、絶縁体２２４の上に配置されている。また、酸化物２３０ｃは、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）に示すように、絶縁体２８０に設けられた開口部内で、絶縁体２５０の底面および側面に沿って設けられ、さらに、絶縁体２６６の側面および上面、導電体２４２ａの側面、および導電体２４２ｂの側面に接して設けられる。また、酸化物２３０ｃは、図１（Ｃ）に示すように、該開口部内で、酸化物２３０ｂの上面および側面と、酸化物２３０ａの側面と接するように設けられる。
　酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
　なお、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いてもよい。
　また、酸化物２３０ｃは、Ｉｎを含まない、またはＩｎ濃度が少ない領域を有することが好ましい。酸化物２３０ｃがＩｎを含まない場合、Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物２３０ｃが、Ｉｎ濃度が少ない領域を有する場合、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より小さいことが好ましい。また、図２（Ａ）に示すように、酸化物２３０ｃを、酸化物２３０ｃ１と酸化物２３０ｃ２の積層構造にする場合、酸化物２３０ｃ１に酸化物２３０ｂと概略同等の組成の金属酸化物を用い、酸化物２３０ｃ２に酸化物２３０ｂよりも、Ｉｎ濃度が少ない領域を有する金属酸化物を用いればよい。
　酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃ）は、結晶性を有することが好ましく、特に、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いることが好ましい。ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥（酸素欠損など）が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物２３０ｂからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物２３０ｂから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ２００は、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対して安定である。
　また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
　ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
　具体的には、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃが、酸素以外に共通の元素を少なくとも一つ有することで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの構成並びに材料について、以下に説明を行う。なお、下記酸化物に含まれる金属元素の原子数比は、スパッタリングターゲットにおける原子数比、あるいは、基板上に形成された金属酸化物における原子数比を示す。
＜酸化物２３０ａ＞
　酸化物２３０ａとしては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、または酸化ガリウムを用いることができる。具体的には、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］、または酸化ガリウムなどの金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ａを第１の層（酸化物２３０ａ１とする）と、酸化物２３０ａ１上の第２の層（酸化物２３０ａ２）との積層構造としてもよい。ただし、積層構造については、これに限定されず、２以上の層数としてもよい。酸化物２３０ａを積層構造とする場合、第２の層よりも、第１の層のバンドギャップを大きくするのが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａを、酸化物２３０ａ１と、酸化物２３０ａ１上の酸化物２３０ａ２との積層構造とした場合、酸化物２３０ａ１には、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物、あるいは酸化ガリウムを用いることができる。なお、酸化物２３０ａ１は、Ｉｎを含まない酸化物を用いると好適である。また、酸化物２３０ａ２には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、または３：１：２［原子数比］の金属酸化物を用いることができる。
＜酸化物２３０ｂ＞
　酸化物２３０ｂとしては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。具体的には、酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、または３：１：２［原子数比］の金属酸化物を用いることができる。
＜酸化物２３０ｃ＞
　酸化物２３０ｃとしては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、または酸化ガリウムを用いることができる。具体的には、酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］または酸化ガリウムなどの金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃを第１の層（酸化物２３０ｃ１とする）と、酸化物２３０ｃ１上の第２の層（酸化物２３０ｃ２とする）との積層構造としてもよい。ただし、積層構造については、これに限定されず、２以上の層数としてもよい。酸化物２３０ｃを積層構造とする場合、第１の層よりも、第２の層のバンドギャップを大きくするのが好ましい。具体的には、酸化物２３０ｃを、酸化物２３０ｃ１と、酸化物２３０ｃ１上の酸化物２３０ｃ２との積層構造とした場合、酸化物２３０ｃ１には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、または３：１：２［原子数比］の金属酸化物を用いることができる。また、酸化物２３０ｃ２には、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物、あるいは酸化ガリウムを用いることができる。なお、酸化物２３０ｃ２は、Ｉｎを含まない酸化物を用いると好適である。
　なお、酸化物２３０ａ、及び酸化物２３０ｃは、上述の積層構造とすることが好ましく、上述の積層構造を別言すると、絶縁体（絶縁体２２４または絶縁体２５０）と接する酸化物は、Ｉｎを含まない酸化物であるとも言える。
　酸化物２３０ａ１として、Ｉｎを含まない酸化物を用いることで、絶縁体２２４へのＩｎの拡散を抑制することが可能となる。また、酸化物２３０ｃ２として、Ｉｎを含まない酸化物を用いることで、絶縁体２５０へのＩｎの拡散を抑制することが可能となる。なお、絶縁体２２４および絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能するため、Ｉｎが拡散した場合、トランジスタが特性不良となるおそれがある。したがって、絶縁体（絶縁体２２４または絶縁体２５０）と接する酸化物に、Ｉｎを含まない酸化物を用いることで、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
　また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、及び酸化物２３０ｃを上記の構成とすることで、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の積層構造とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができるといった優れた効果を奏する。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。
　なお、上記の説明においては、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの双方を積層構造とする場合について、例示したがこれに限定されない。酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃのいずれか一方のみが積層構造の場合でも構わない。
　また、図１（Ｂ）に示すように、酸化物２３０ｂは、導電体２４２と重ならない領域の膜厚が、導電体２４２と重なる領域の膜厚より薄くなる場合がある。これは、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂを形成する際に、酸化物２３０ｂの上面の一部を除去することにより形成される。酸化物２３０ｂの上面には、導電体２４２となる導電膜を成膜した際に、当該導電膜との界面近傍に抵抗の低い領域が形成される場合がある。このように、酸化物２３０ｂの上面の導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間に位置する、抵抗の低い領域を除去することにより、当該領域がチャネルの一部となることを防ぐことができる。また、図示しないが、酸化物２３０ｂは、導電体２４３と重ならない領域の膜厚が、導電体２４３と重なる領域の膜厚より薄くなる場合がある。これは、導電体２４３ａおよび導電体２４３ｂを形成する際に、酸化物２３０ｂの上面の一部を除去することにより形成される。すなわち、酸化物２３０ｂは、それぞれ異なる第１の厚さを有する領域、第２の厚さを有する領域、および第３の厚さを有する領域を含む場合がある。
　酸化物２３０ｂ上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体２４３（導電体２４３ａ、および導電体２４３ｂ）、および導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）が設けられる。導電体２４３、および導電体２４２としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
　導電体２４３、および導電体２４２は、同じ材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。また、酸化物２３０ｂ上において、導電体２４２の面積は、導電体２４３の面積よりも大きく、導電体２４２は、導電体２４３の上面、および側面の一部と接し、かつ酸化物２３０ｂの上面の一部と接する。また、導電体２４２の膜厚は、導電体２４３の膜厚よりも薄いことが好ましい。
　酸化物２３０と接するように導電体２４３、および導電体２４２を設けることで、酸化物２３０の導電体２４３、および導電体２４２近傍において、酸素濃度が低減する場合がある。また、酸化物２３０の導電体２４３、および導電体２４２近傍において、導電体２４３、および導電体２４２に含まれる金属と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、酸化物２３０の導電体２４３、および導電体２４２近傍の領域において、キャリア密度が増加し、当該領域は、低抵抗領域となる。
　ここで、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域は、絶縁体２８０の開口に重畳して形成される。これにより、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間に導電体２６０を自己整合的に配置することができる。
　図１に示すトランジスタ２００では、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの導電体２６０側の側面と底面がなす角を、１０°以上８０°以下、好ましくは、３０°以上６０°以下とすればよい。なお、図１に示すトランジスタ２００は、これに限られるものではなく、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの導電体２６０側の側面が、概略垂直な形状を有していてもよい。また、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの対向する側面は、それぞれ側面と底面のなす角が異なる複数の面を有していてもよい。
　絶縁体２６６は、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂを形成するためのハードマスクとして機能する。また、絶縁体２６６は、絶縁体２６６上に形成されるハードマスクを除去する際にエッチングストッパーとして機能する。絶縁体２６６は、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの上面に接し、絶縁体２５４の側面に接することが好ましい。絶縁体２６６は、絶縁体２２２として用いるこどができる絶縁体を用いればよい。絶縁体２６６として酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いることにより、導電体２４２が酸化物２３０ｃが有する酸素と反応することを低減できる。
　絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、導電体２６０の底面および側面に沿って設けられ、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
　絶縁体２５０は、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。また、絶縁体２５０中のＩｎなどの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
　また、絶縁体２５０は、Ｉｎ濃度が極力低減されていることが好ましい。絶縁体２５０と接する酸化物２３０ｃにＩｎが含まれている場合、該Ｉｎが絶縁体２５０中に拡散する恐れがある。絶縁体２５０中の金属Ｉｎは、負の電荷を捕獲し、トランジスタの閾値電圧のプラスシフトや、Ｓ値の増大など、トランジスタ特性、およびそのばらつきに影響を及ぼす恐れがある。例えば、トランジスタの閾値電圧がプラスシフトし、ノーマリーオフ特性となった場合、該トランジスタは、より高い駆動電圧が必要となり、低電圧駆動が困難となる。この場合、該トランジスタ、およびそれを有する電子機器の消費電力は増大してしまう。
　そこで、絶縁体２５０に含まれるＩｎ濃度は、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは、１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、であることが好ましい。あるいは、絶縁体２５０と接する酸化物２３０ｃ（２３０ｃ２）として、Ｉｎを含まない酸化物とすることが好ましい。例えば、酸化物２３０ｃ１として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）を用い、酸化物２３０ｃ２として、元素Ｍの酸化物、Ｍ−Ｚｎ酸化物などを用いることが好ましい。具体的には、酸化物２３０ｃ１として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とし、酸化物２３０ｃ２として、酸化ガリウム、またはＧａ−Ｚｎ酸化物を用いることが好ましい。
　また、絶縁体２５０と導電体２６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素拡散を抑制することが好ましい。これにより、絶縁体２５０の酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
　また、当該金属酸化物は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体２５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、当該金属酸化物は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。ゲート絶縁体を、絶縁体２５０と当該金属酸化物との積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、ゲート絶縁体の物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
　具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
　導電体２６０は、図１では２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。また、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０、絶縁体２５４、絶縁体２４４、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２８０の上面と略一致することが好ましい。
　導電体２６０ａは、上述の、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電体を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
　また、導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０に含まれる酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
　また、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２６０は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。
　また、図１（Ａ）（Ｃ）に示すように、酸化物２３０ｂの導電体２４２と重ならない領域、言い換えると、酸化物２３０のチャネル形成領域において、酸化物２３０の側面が導電体２６０で覆われることが好ましい。さらに、導電体２６０が酸化物２３０ｂの側面と対向するように配置され、導電体２６０と、酸化物２３０ｂの側面との間に、酸化物２３０ｃおよび絶縁体２５０が配置されることが好ましい。これにより、第１のゲート電極として機能する導電体２６０の電界を、酸化物２３０の側面に印加しやすくなる。よって、トランジスタ２００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。例えば、図２（Ｂ）に示すように、導電体２６０の下端部は、酸化物２３０ｂの下端部より絶縁体２２４側に設けられていることが好ましい。ここで、図２（Ｂ）に示すように、導電体２６０の下端部と酸化物２３０ｂの下端部の差をＴ２とする。Ｔ２は、０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。
　絶縁体２５４は、絶縁体２１４などと同様に、水または水素などの不純物が、絶縁体２８０側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体２５４は、絶縁体２２４より水素透過性が低いことが好ましい。さらに、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、絶縁体２５４は、酸化物２３０ｃの側面、導電体２４２の上面と側面、導電体２４３の側面、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面、ならびに絶縁体２２４の上面に接することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体２８０に含まれる水素が、導電体２４２、導電体２４３、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび絶縁体２２４の上面または側面から酸化物２３０に侵入するのを抑制することができる。
　さらに、絶縁体２５４は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。例えば、絶縁体２５４は、絶縁体２８０または絶縁体２２４より酸素透過性が低いことが好ましい。
　絶縁体２５４は、被覆性に優れた、ＡＬＤ法を用いて成膜されることが好ましい。
　または、絶縁体２５４は、スパッタリング法を用いて成膜されることが好ましい。絶縁体２５４を、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２２４の絶縁体２５４と接する領域近接に酸素を添加することができる。これにより、当該領域から、絶縁体２２４を介して酸化物２３０中に酸素を供給することができる。ここで、絶縁体２５４が、上方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物２３０から絶縁体２８０へ拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体２２２が、下方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物２３０から基板側へ拡散することを防ぐことができる。このようにして、酸化物２３０のチャネル形成領域に酸素が供給される。これにより、酸化物２３０の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。
　絶縁体２５４としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
　また、絶縁体２５４は、フッ素を含んでいてもよい。絶縁体２５４に含まれるフッ素は、酸化物２３０およびその近傍に存在する水素を捕獲し、酸化物２３０からの水素のゲッタリングや、絶縁体２５４の外部から酸化物２３０への水素などの不純物の混入を抑制することができ、好ましい。フッ素を含む絶縁体２５４の形成は、絶縁体２５４形成後にフッ素を添加すればよい。または、絶縁体２５４の成膜を、フッ素を含む雰囲気で行ってもよい。
　絶縁体２４４は、絶縁体２１４などと同様に、水または水素などの不純物が、絶縁体２８０側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。例えば、絶縁体２４４は、絶縁体２２４より水素透過性が低いことが好ましい。さらに、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、絶縁体２４４は、絶縁体２５４に接するように配置されることが好ましい。この様な構成とすることで、絶縁体２８０に含まれる水素が、導電体２６０、酸化物２３０ｃおよび絶縁体２５０の側面から酸化物２３０に侵入するのを抑制することができる。
　絶縁体２４４は、スパッタリング法を用いて成膜されることが好ましい。絶縁体２４４を、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２５４を透過して、絶縁体２２４に酸素を添加することができる。これにより、絶縁体２２４から、酸化物２３０中に酸素を供給することができる。ここで、絶縁体２４４が、上方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物２３０から絶縁体２８０へ拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体２２２が、下方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物２３０から基板側へ拡散することを防ぐことができる。このようにして、酸化物２３０のチャネル形成領域に酸素が供給される。これにより、酸化物２３０の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。
　絶縁体２４４としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
　また、絶縁体２５４と同様に、絶縁体２４４は、フッ素を含んでいてもよい。絶縁体２４４がフッ素を含むことで、絶縁体２４４においても酸化物２３０およびその近傍に存在する水素を捕獲し、酸化物２３０からの水素のゲッタリングや、絶縁体２４４の外部から酸化物２３０への水素などの不純物の混入を抑制することができ、好ましい。フッ素を含む絶縁体２４４の形成は、絶縁体２４４形成後にフッ素を添加すればよい。または、絶縁体２４４の成膜を、フッ素を含む雰囲気で行ってもよい。
　このように、水素に対してバリア性を有する、あるいは水素などの不純物を捕獲する絶縁体２５４および絶縁体２４４によって、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および酸化物２３０が覆うことで、絶縁体２８０は、絶縁体２５４または絶縁体２４４によって、絶縁体２２４、酸化物２３０、および絶縁体２５０と離隔されている。これにより、トランジスタ２００の外方から水素などの不純物が浸入することを抑制できるので、トランジスタ２００に良好な電気特性および信頼性を与えることができる。
　さらに、絶縁体２４４は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。例えば、絶縁体２４４は、絶縁体２２４より酸素透過性が低いことが好ましい。絶縁体２４４が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、導電体２６０が、絶縁体２８０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
　絶縁体２４４としては、例えば、窒化アルミニウムを含む絶縁体を用いてもよい。絶縁体２４４として、組成式がＡｌＮｘ（ｘは０より大きく２以下の実数、好ましくは、ｘは０．５より大きく１．５以下の実数）を満たす窒化物絶縁体を用いることが好ましい。これにより、絶縁性に優れ、且つ熱伝導性に優れた膜とすることができるため、トランジスタ２００を駆動したときに生じる熱の放熱性を高めることができる。また、絶縁体２４４として、窒化アルミニウムチタン、窒化チタンなどを用いることもできる。この場合、スパッタリング法を用いて成膜することで、成膜ガスに酸素またはオゾンなどの酸化性の強いガスを用いずに成膜することができるので、好ましい。また、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどを用いることもできる。
　また、絶縁体２４４としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。この場合、絶縁体２４４は、ＡＬＤ法を用いて成膜されることが好ましい。ＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、絶縁体２４４の凹凸によって、段切れなどを防ぐことができる。
　絶縁体２８０は、絶縁体２４４および絶縁体２５４を介して、絶縁体２２４、酸化物２３０、および導電体２４２上に設けられる。例えば、絶縁体２８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、または空孔を有する酸化シリコンなどを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料は、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成することができるため好ましい。
　絶縁体２８０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。また、絶縁体２８０の上面は、平坦化されていてもよい。
　絶縁体２７４は、絶縁体２１４などと同様に、水または水素などの不純物が、上方から絶縁体２８０に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体２７４としては、例えば、絶縁体２１４、絶縁体２５４、絶縁体２４４等に用いることができる絶縁体を用いればよい。
　また、絶縁体２７４の上に、層間膜として機能する絶縁体２８１を設けることが好ましい。絶縁体２８１は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
　また、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２４４、および絶縁体２５４に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面は、絶縁体２８１の上面と、同一平面上としてもよい。
　なお、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２４４、および絶縁体２５４の開口の内壁に接して、絶縁体２４１ａが設けられ、その側面に接して導電体２４０ａの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２４２ａが位置しており、導電体２４０ａが導電体２４２ａと接する。同様に、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２４４、および絶縁体２５４の開口の内壁に接して、絶縁体２４１ｂが設けられ、その側面に接して導電体２４０ｂの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２４２ｂが位置しており、導電体２４０ｂが導電体２４２ｂと接する。
　導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは積層構造としてもよい。
　また、導電体２４０を積層構造とする場合、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２、絶縁体２４４、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２８１と接する導電体には、上述の、水または水素などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電体を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８０に添加された酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。また、絶縁体２８１より上層から水または水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
　絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂとしては、例えば、絶縁体２４４等に用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂは、絶縁体２５４および絶縁体２４４に接して設けられるので、絶縁体２８０などから水または水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。また、絶縁体２８０に含まれる酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。
　また、図示しないが、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。当該導電体は、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
　また、図示しないが、当該導電体を覆うように、抵抗率が１．０×１０１３Ω・ｃｍ以上１．０×１０１５Ω・ｃｍ以下、好ましくは５．０×１０１３Ω・ｃｍ以上５．０×１０１４Ω・ｃｍ以下の絶縁体を設けることが好ましい。当該導電体上に上記のような抵抗率を有する絶縁体を設けることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ２００、当該導電体等の配線間に蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタや、該トランジスタを有する電子機器の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。
＜半導体装置の構成材料＞
　以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
＜＜基板＞＞
　トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
＜＜絶縁体＞＞
　絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
　例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
　また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
　また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。
　また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体（絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２５４、絶縁体２４４、および絶縁体２７４など）で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、またはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、または酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。
　また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が有する酸素欠損を補償することができる。
＜＜導電体＞＞
　導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
　また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
　なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
　特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
＜＜金属酸化物＞＞
　酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
　酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、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、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
　ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、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、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
　なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
　酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、多結晶酸化物半導体、および非晶質酸化物半導体などが知られている。
　トランジスタの半導体に用いる酸化物半導体として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶酸化物半導体の薄膜または多結晶酸化物半導体の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。
　２００９年に、ＣＡＡＣ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯと呼ぶ。）が発見されたことが、非特許文献１および非特許文献２で報告されている。ここでは、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯは、ｃ軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。
　また、２０１３年には、ｎｃ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ｎｃ−ＩＧＺＯと呼ぶ。）が発見された（非特許文献３参照。）。ここでは、ｎｃ−ＩＧＺＯは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。
　非特許文献４および非特許文献５では、上記のＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ、ｎｃ−ＩＧＺＯ、および結晶性の低いＩＧＺＯのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、１ｎｍ程度の結晶性ＩＧＺＯが観察されている。よって、ここでは、ＩＧＺＯにおいて、完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜と比べて、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜およびｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜またはｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜を用いることが好ましい。
　酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さい、具体的には、トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流がｙＡ／μｍ（１０−２４Ａ／μｍ）オーダである、ことが非特許文献６に示されている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（非特許文献７参照。）。
　また、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている（非特許文献８参照。）。表示装置では、表示される画像が１秒間に数十回切り換っている。１秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動と呼ぶ。
　ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造の発見は、ＣＡＡＣ構造またはｎｃ構造を有する酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびＬＳＩへの応用研究が進められている。
［金属酸化物の構成］
　以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
　なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌ）、及びＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
　ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
　また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
　また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
　また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
　すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
［金属酸化物の構造］
　酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。
　ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
　ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
　また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
　ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、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。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。
　ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
　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。即ち、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
　酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
［酸化物半導体を有するトランジスタ］
　続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
　なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
　また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。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。例えば、酸化物半導体は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
　また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
　また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成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、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
［不純物］
　ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
　酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
　また、酸化物半導体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を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体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、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
　また、酸化物半導体に含まれる水素は、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を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体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をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
［真空ベークの効果］
　ここでは、金属酸化物に含まれる、弱いＺｎ−Ｏ結合について説明し、該結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一例について示す。
　金属酸化物を用いたトランジスタにおいて、トランジスタの電気特性の不良に繋がる欠陥の一例として酸素欠損がある。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、閾値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。これは、金属酸化物に含まれる酸素欠損に起因したドナーが生成され、キャリア濃度が増加するためである。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に動作不良が発生しやすくなる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題が生じる。
　また、モジュールを作製するための接続配線を形成する工程における熱履歴（サーマルバジェット）により、閾値電圧の変動、寄生抵抗の増大、などのトランジスタの電気特性の劣化、該電気特性の劣化に伴う電気特性のばらつきの増大、などの問題がある。これらの問題は、製造歩留りの低下に直結するため、対策の検討は重要である。また、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化（経年変化）を短時間で評価することができるストレス試験でも電気特性の劣化が生じる。該電気特性の劣化は、製造の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって金属酸化物中の酸素が欠損することに起因すると推測される。
　金属酸化物中には、金属原子との結合が弱く、酸素欠損となりやすい酸素原子が存在する。特に、金属酸化物がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合は、亜鉛原子と酸素原子とが弱い結合（弱いＺｎ−Ｏ結合、ともいう）を形成しやすい。ここで、弱いＺｎ−Ｏ結合とは、製造の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって切断される程度の強さで結合した、亜鉛原子と酸素原子の間に生じる結合である。弱いＺｎ−Ｏ結合が金属酸化物中に存在すると、熱または電流ストレスによって、該結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸素欠損が形成されることにより、熱やストレスに対する耐性などといった、トランジスタの安定性が低下する。
　亜鉛原子と多く結合している酸素原子と、該亜鉛原子との間に生じる結合は、弱いＺｎ−Ｏ結合である場合がある。ガリウム原子と比べて、亜鉛原子は、酸素原子との結合が弱い。したがって、亜鉛原子と多く結合している酸素原子は欠損しやすい。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、その他の金属との結合よりも弱いと推測される。
　また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、弱いＺｎ−Ｏ結合が形成されやすいと推測される。金属酸化物中の不純物としては、例えば、水分子や水素がある。金属酸化物中に水分子や水素が存在することで、水素原子が、金属酸化物を構成する酸素原子と結合する（ＯＨ結合ともいう。）場合がある。金属酸化物を構成する酸素原子は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物が単結晶である場合、金属酸化物を構成する金属原子４つと結合している。しかしながら、水素原子と結合した酸素原子は、２つまたは３つの金属原子と結合している場合がある。酸素原子に結合している金属原子の数が減少することで、該酸素原子は欠損しやすくなる。なお、ＯＨ結合を形成している酸素原子に亜鉛原子が結合している場合、該酸素原子と該亜鉛原子との結合は弱いと推測される。
　また、弱いＺｎ−Ｏ結合は、複数のナノ結晶が連結する領域に存在する歪みに形成される場合がある。ナノ結晶は六角形を基本とするが、該歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する。該歪みでは、原子間の結合距離が一様でないため、弱いＺｎ−Ｏ結合が形成されていると推測される。
　また、弱いＺｎ−Ｏ結合は、金属酸化物の結晶性が低い場合に形成されやすいと推測される。金属酸化物の結晶性が高い場合、金属酸化物を構成する亜鉛原子は、酸素原子４つまたは５つと結合している。しかし、金属酸化物の結晶性が低くなると、亜鉛原子と結合する酸素原子の数が減少する傾向がある。亜鉛原子に結合する酸素原子の数が減少すると、該亜鉛原子は欠損しやすくなる。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、単結晶で生じる結合よりも弱いと推測される。
　上記の弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することで、熱履歴または電流ストレスによる酸素欠損の形成を抑制し、トランジスタの安定性を向上させることができる。なお、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子のみを低減し、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する亜鉛原子が減少しない場合、該亜鉛原子近傍に酸素原子を供給すると、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成される場合がある。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する亜鉛原子および酸素原子を低減することが好ましい。
　弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一つとして、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施する方法が挙げられる。真空ベークとは、真空雰囲気下で行う加熱処理のことである。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。なお、処理室の圧力は、１×１０−２Ｐａ以下、好ましくは１×１０−３Ｐａ以下とすればよい。また、加熱処理時の基板の温度は、３００℃以上、好ましくは４００℃以上とすればよい。
　真空ベークを実施することで、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。また、真空ベークによって金属酸化物に熱が与えられるため、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減した後、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減するとともに、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
　また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、真空ベークを実施することで、金属酸化物中の水分子または水素を放出し、ＯＨ結合を低減することができる。金属酸化物中のＯＨ結合が減少することで、４つの金属原子と結合している酸素原子の割合が増える。また、水分子または水素が放出される際、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
　以上のように、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施することで、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。したがって、該工程により、トランジスタの安定性を向上することができる。また、トランジスタの安定性が向上することで、材料や形成方法の選択の自由度が高くなる。
＜半導体装置の作製方法＞
　次に、図１に示す、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置について、作製方法を図３乃至図１２を用いて説明する。また、図３乃至図１２において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
　まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
　なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ　ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ　ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　ＣＶＤ）法に分けることができる。
　プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
　また、ＡＬＤ法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、および低温での成膜が可能、などの効果がある。また、ＡＬＤ法には、プラズマを利用した成膜方法ＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＡＬＤ）法も含まれる。プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
　ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
　ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
　本実施の形態では、絶縁体２１４として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体２１４は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
　次に絶縁体２１４上に、導電体２０５となる導電膜を成膜する。導電体２０５となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。また、導電体２０５となる導電膜は、多層膜とすることができる。本実施の形態では、導電体２０５となる導電膜としてタングステンを成膜する。
　次に、リソグラフィー法を用いて、導電体２０５となる導電膜を加工し、導電体２０５を形成する。
　なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ　Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。
　また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電体２０５となる導電膜上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。導電体２０５となる導電膜のエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。導電体２０５となる導電膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。
　ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
　次に、絶縁体２１４上、導電体２０５上に絶縁体２１６となる絶縁膜を成膜する。該絶縁膜は、導電体２０５の上面、および側面と接するように形成する。絶縁体２１６となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６となる絶縁膜として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
　ここで、絶縁体２１６となる絶縁膜の膜厚は、導電体２０５の膜厚以上とすることが好ましい。例えば、導電体２０５の膜厚を１とすると、絶縁体２１６となる絶縁膜の膜厚は、１以上３以下とする。本実施の形態では、導電体２０５の膜厚を１５０ｎｍとし、絶縁体２１６となる絶縁膜の膜厚を３５０ｎｍとする。
　次に、絶縁体２１６となる絶縁膜にＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、絶縁体２１６となる絶縁膜の一部を除去し、導電体２０５の表面を露出させる。これにより、上面が平坦な、導電体２０５と、導電体２０５の側面と接する絶縁体２１６を形成することができる（図３参照。）。絶縁体２１６と導電体２０５の上面の平坦性を向上させることにより、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃを形成するＣＡＡＣ−ＯＳの結晶性を向上させることができる。
　なお、絶縁体２１６および導電体２０５の作製方法は上記に限られるものではない。例えば、絶縁体２１４の上に絶縁体２１６となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜に開口を設け、当該開口に埋め込むように導電体２０５を形成してもよい。
　次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２２が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体２２２を通じてトランジスタ２００の内側へ拡散することが抑制され、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
　絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　次に、絶縁体２２２上に絶縁体２２４となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２２４となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
　本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２４の成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体２２４に含まれる水、水素などの不純物を除去することなどができる。また、加熱処理は、絶縁体２２２の成膜後などのタイミングで行うこともできる。
　ここで、絶縁体２２４に過剰酸素領域を形成するために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁体２２４内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体２２４に含まれる水、水素などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
　次に、絶縁体２２４上に、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図３参照。）。なお、上記酸化膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂとの界面近傍を清浄に保つことができる。
　酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。また、ターゲットには、直流（ＤＣ）電源または、高周波（ＲＦ）電源などの交流（ＡＣ）電源が接続され、ターゲットの電気伝導度に応じて、必要な電力を印加することができる。例えば、酸化ガリウムを酸化物として成膜する場合、ＲＦ電源を用いることが好ましい。また、Ｇａ−Ｚｎ酸化物を酸化物として成膜する場合、ターゲットの電気伝導度に応じて、ＤＣ電源、あるいはＲＦ電源を使い分けて用いればよい。
　特に、酸化膜２３０Ａの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
　また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。また、基板を加熱しながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を、３０％を超えて１００％以下、好ましくは７０％以上１００％以下として成膜すると、酸素過剰型の酸化物半導体が形成される。酸素過剰型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い信頼性が得られる。
　本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］（２：２：１［原子数比］）、あるいは１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
　また、酸化膜２３０Ａ及び酸化膜２３０Ｂの成膜において、スパッタリングガスを高純度化することが好ましい。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスや希ガスは、露点が−６０℃以下、好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いる。高純度化されたスパッタリングガスを用いて成膜することで、酸化物２３０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膜２３０Ａ及び酸化膜２３０Ｂを成膜する場合、スパッタリング装置が有する成膜室内の水分を可能な限り除去することが好ましい。例えば、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、成膜室内を高真空（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、成膜室内の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。
　次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水、水素などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
　次に、酸化膜２３０Ｂ上に導電膜を成膜し、該導電膜の一部を、リソグラフィー法を用いて除去し、導電体層２４３Ａを形成する。図３では、導電体層２４３Ａを開口を有する形状にしたが、本実施の形態はこれに限られるものではない。本工程では、導電体層２４３Ａとなる導電膜から、導電体２４３ａと導電体２４３ｂの間の領域に当たる部分を除去できればよい。例えば、導電体層２４３Ａとなる導電膜を、導電体２４３ａに対応する島状の導電体と、導電体２４３ｂに対応する島状の導電体と、に分割してもよい。
　ここで、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および導電体層２４３Ａとなる導電膜を、大気に暴露することなく成膜することが好ましい。例えば、後述するマルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。
　次に、酸化膜２３０Ｂ上、および導電体層２４３Ａ上に導電膜２４２Ａを形成する。導電膜２４２Ａは、導電体層２４３Ａの上面および側面に接し、かつ導電体層２４３Ａに覆われていない酸化膜２３０Ｂの上面と接するように形成される（図３参照。）。
　次に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電体層２４３Ａ、および導電膜２４２Ａを島状に加工して、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂ上の導電体２４３（導電体２４３ａ、導電体２４３ｂ）、ならびに酸化物２３０ｂおよび導電体２４３上の導電体層２４２Ｂを形成する。なお、当該工程において、絶縁体２２４の酸化物２３０ａと重ならない領域の膜厚が薄くなることがある（図４参照。）。
　ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂおよび導電体層２４２Ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が低い角度になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角は６０°以上７０°未満が好ましい。この様な形状とすることで、これより後の工程において、絶縁体２５４などの被覆性が向上し、鬆などの欠陥を低減することができる。または、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直にしてもよい。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。
　また、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂの側面と導電体層２４２Ｂの上面との間に、湾曲面が設けられることが好ましい。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂ層の端部において、曲率半径が、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以上６ｎｍ以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。
　なお、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電体層２４３Ａ、および導電膜２４２Ａの加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
　また、ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
　上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
　ウェット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。
　続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。
　次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３、および導電体層２４２Ｂの上に、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜を成膜する。
　ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜は、加工してダミーゲートとして使用する。ダミーゲートとは、仮のゲート電極のことである。つまり、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜を加工することで、仮のゲート電極を形成し、後の工程において該ダミーゲートを除去し、代わりに導電膜等によるゲート電極を形成する。従って、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜は微細加工が容易であり、かつ、除去も容易な膜を用いることが好ましい。
　ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体、半導体、または導電体を用いることができる。具体的には、ポリシリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコンなどのシリコン、アルミニウム、チタン、タングステンなどの金属膜などを用いればよい。または、塗布法を用いて、炭素を含む膜、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ　Ｏｎ　Ｇｌａｓｓ）、樹脂膜などを形成しても良い。例えば、フォトレジスト、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。ＳＯＧ、樹脂膜を塗布法によって形成することで、ダミーゲート膜の表面を平坦にすることができる。このように、ダミーゲート膜の表面を平坦にすることで、微細加工が容易となり、さらに、除去も容易である。
　また、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜は、異なる膜種を用いて多層膜とすることもできる。例えば、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜を導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造の膜とすることができる。ダミーゲート膜をこのような構造とすることで、例えば、後のＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、ＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、加工ばらつきの低減が可能となる場合がある。
　次に、リソグラフィー法によって、ダミーゲート層２６２Ａとなるダミーゲート膜をエッチングし、ダミーゲート層２６２Ａを形成する（図５参照。）。ダミーゲート層２６２Ａは、少なくとも一部が、導電体２０５および酸化物２３０と重なるように形成する。例えば、ダミーゲート層２６２Ａは、導電体２４３ａと導電体２４３ｂの間に位置する、導電体層２４２Ｂ上に形成すればよい。
　次に、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３ａ、導電体２４３ｂ、導電体層２４２Ｂおよびダミーゲート層２６２Ａを覆って、絶縁膜２５４Ａを成膜する。続いて、絶縁膜２５４Ａの上に絶縁膜２４４Ａを成膜してもよい（図５参照。）。絶縁膜２５４Ａおよび絶縁膜２４４Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。
　絶縁膜２５４Ａは、水素などの不純物や、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。被覆性に優れたＡＬＤ法を用いることにより、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３ｂ、導電体層２４２Ｂ、ダミーゲート層２６２Ａにより生じる段差部に対しても均一な厚さを有する絶縁膜２５４Ａを形成できる。
　絶縁膜２４４Ａは、水素などの不純物や、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。
　また、絶縁膜２４４Ａとして、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを、成膜してもよい。例えば、絶縁膜２４４Ａとして、アルミニウムターゲットを用いた反応性スパッタリングで、窒化アルミニウム膜を成膜する場合、成膜ガスの全流量に対する窒素ガスの流量を３０％以上１００％以下、好ましくは４０％以上１００％以下、より好ましくは５０％以上１００％以下とすることが好ましい。
　また、絶縁膜２４４Ａとして、高温で基板加熱を行いながら、酸化アルミニウムを成膜してもよい。絶縁膜２４４Ａ成膜時の基板加熱温度は、２００℃以上、好ましくは２５０℃以上、より好ましくは３５０℃以上にすればよい。このとき、絶縁膜２５４ＡとしてＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを成膜しておくことにより、上記の温度で絶縁膜２４４Ａを成膜したときに、ダミーゲート層２６２Ａが変形することを防ぐことができる。
　また、絶縁膜２４４Ａまたは絶縁膜２５４Ａのいずれか一方または両方の成膜後に、フッ素の添加を行っても良い。絶縁膜２４４Ａまたは絶縁膜２５４Ａのいずれか一方または両方へのフッ素の添加は、フッ素系のガス（例えば、ＣＦ４など）を含む雰囲気でプラズマ処理を行う、またはフッ素を含むガスをドーピングすることで、行うことができる。絶縁膜２４４Ａまたは絶縁膜２５４Ａのいずれか一方または両方へフッ素を添加することにより、当該膜中に含まれる水素を、フッ素によって終端化またはゲッタリングすることが期待できる。
　以上により、絶縁体２２４に含まれる過剰酸素が外方へ拡散することを防止し、また外方から水や水素のような不純物の絶縁体２２４への侵入を防止することができる。尚、絶縁膜２４４Ａの成膜は省略することができる。
　次に、絶縁膜２４４Ａ上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２８０となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　次に、絶縁体２８０となる絶縁膜、ダミーゲート層２６２Ａ、絶縁膜２５４Ａ、および絶縁膜２４４Ａの一部を、ダミーゲート層２６２Ａの一部が露出するまで除去し、絶縁体２８０、ダミーゲート２６２、絶縁体２５４および絶縁体２４４を形成する（図６参照。）。絶縁体２８０、ダミーゲート２６２、絶縁体２５４および絶縁体２４４の形成にはＣＭＰ処理を用いることが好ましい。
　また、上述のようにダミーゲート層２６２Ａを、例えば、導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造の膜とすることで、ＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、該導電膜がＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、ダミーゲート２６２の高さのばらつきの低減が可能となる場合がある。図６（Ｂ）、および図６（Ｃ）に示すように、ダミーゲート２６２の上面と、絶縁体２５４、絶縁体２４４および絶縁体２８０の上面が略一致する。
　次に、ダミーゲート２６２を除去し、開口２６３を形成する（図７参照。）。ダミーゲート２６２の除去は、ウェットエッチング、ドライエッチング、またはアッシングなどを用いて行うことができる。または、適宜、上記の処理を複数組み合わせて行ってもよい。例えば、アッシング処理の後に、ウェットエッチング処理を行うなどがある。ダミーゲート２６２を除去することにより、開口２６３から導電体層２４２Ｂの表面の一部が露出する。
　次に、絶縁体２８０、絶縁体２４４、絶縁体２５４、および導電体層２４２Ｂの上に、絶縁膜２６６Ａを成膜し、その上にダミー膜２６５Ａを成膜する（図７参照。）。ここで、絶縁膜２６６Ａは開口２６３の側壁、すなわち絶縁体２５４に接して成膜される必要があり、ダミー膜２６５Ａの厚さによって、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの距離、つまり実質的なチャネル長が決まる。このため、絶縁膜２６６Ａおよびダミー膜２６５Ａは、被覆性が高く、膜厚の微調整が比較的容易なＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。絶縁膜２６６Ａおよびダミー膜２６５Ａの膜厚は、トランジスタ２００に求められる電気特性に合わせて適宜設定すればよい。例えば、絶縁膜２６６Ａの膜厚は、０．５ｎｍ以上、好ましくは１ｎｍ以上にすればよい。また、例えば、ダミー膜２６５Ａの膜厚は、５ｎｍ以上２５ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下にすればよい。
　ここで、なお、ダミー膜２６５Ａは、最終的には除去されるので、微細加工が容易であり、かつ、除去も容易な膜を用いることが好ましい。例えば、本実施の形態では、ダミー膜２６５Ａとして、ＡＬＤ法で成膜した酸化アルミニウムを用いればよい。また、絶縁膜２６６Ａは、ダミー膜２６５Ａを除去するときにエッチングストッパーとして機能する。このため、ダミー膜２６５Ａを除去するエッチングにおいて、ダミー膜２６５Ａよりエッチングレートが低い絶縁体を用いる。例えば、本実施の形態では、絶縁膜２６６Ａとして、ＡＬＤ法で成膜した酸化ハフニウムを用いればよい。
　次に、絶縁膜２６６Ａおよびダミー膜２６５Ａに異方性エッチングを行い、絶縁膜２６６Ａおよびダミー膜２６５Ａの一部を除去し、導電体層２４２Ｂの上面および絶縁体２５４の側面に接する絶縁体２６６の形成と、絶縁体２６６上のダミー層２６５の形成と、ダミー層２６５上への副生成物２６７の堆積と、を行う（図８参照。）。なお、絶縁体２６６、ダミー層２６５、および副生成物２６７は、開口２６３の側壁近傍にのみに残存している。後の工程で、トランジスタ２００のチャネル形成領域が形成される部分には、絶縁体２６６、ダミー層２６５、および副生成物２６７は形成されておらず、導電体層２４２Ｂが露出している。よって、絶縁体２６６およびダミー層２６５の断面形状は、図８（Ｂ）（Ｃ）に示すように、Ｌ字型の形状になる。
　異方性エッチングには、ドライエッチングを用いることが好ましい。当該ドライエッチングには、例えば、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ５Ｆ６ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、ＣＦ４ガス、ＳＦ６ガス、ＣＨＦ３ガス、Ｃｌ２ガス、ＢＣｌ３ガスまたはＳｉＣｌ４ガスなどを単独でまたは２以上のガスを混合して用いることができる。または、上記ガスに酸素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスまたは水素ガスなどを適宜添加することができる。これらのエッチングガスは、エッチングする対象（絶縁膜２６６Ａおよびダミー膜２６５Ａ）に合わせて適宜切り替えて用いることができる。
　ドライエッチング装置としては上記の装置を用いることができるが、対向する電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を接続する構成の平行平板型ドライエッチング装置は、比較的容易に異方性エッチングを行うことができるので、当該ドライエッチング装置を用いることが好ましい。
　また、上記エッチング工程は副生成物２６７を形成しやすい条件で行うことが好ましい。このようなエッチング工程の条件としては、例えば、エッチングガスの少なくとも一として、炭素を多く含むガスを用いることが好ましい。具体的には、当該炭素を多く含むガスは、炭素とフッ素を含み、かつ炭素の原子数比がフッ素の原子数比の５０％以上であることが好ましい。このようなエッチングガスとしては、例えば、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ５Ｆ６ガス、またはＣ４Ｆ８ガスなどを、単独でまたは２以上のガスを混合して用いることができる。または、上記ガスに酸素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスまたは水素ガスなどを適宜添加することができる。
　このようなエッチングガスを用いてエッチングを行うことにより、当該ガスがプラズマで分解され、ガス中に含まれる炭素と、ダミー膜２６５Ａに含まれる成分（例えばアルミニウムなど。）が反応して、炭素化合物が形成される。また、ガス中に含まれるフッ素と、ダミー膜２６５Ａに含まれる成分（例えばアルミニウムなど。）が反応して、フッ素化合物が形成される。これらの炭素化合物やフッ素化合物などが開口２６３の側面近傍に残存したダミー層２６５上に堆積し、副生成物２６７が形成される。このため、副生成物２６７は、ダミー層２６５、絶縁体２６６、絶縁体２８０および上記エッチングガスに含まれる成分などを含んで形成される。よって、副生成物２６７は、アルミニウム、フッ素、および炭素を含むことがある。
　次に、絶縁体２６６、ダミー層２６５、および副生成物２６７をマスクとして、導電体層２４２Ｂの一部を除去し、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂを形成する（図９参照。）。導電体層２４２Ｂのエッチングは、ドライエッチング法を用いることが好ましい。なお、絶縁膜２６６Ａおよびダミー膜２６５Ａのエッチングと導電体層２４２Ｂのエッチングは連続して行ってもよい。
　上記のような条件でドライエッチング処理を行い、副生成物２６７を形成することで、絶縁体２６６およびダミー層２６５をＬ字型の形状に形成することができる。絶縁体２６６およびダミー層２６５と重畳する部分に導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂを形成することができるので、Ｌｏｖ領域の長さＴ１を十分長くすることができる。これに対して、副生成物２６７を形成しない条件で上記エッチングを行った場合、Ｌｏｖ領域の長さＴ１を同等にするには、ダミー膜２６５Ａの膜厚を、図９に示す、ダミー層２６５の膜厚と副生成物２６７の膜厚の和と同程度にする必要がある。よって、副生成物２６７を形成しない条件で上記エッチングを行った場合、ダミー膜２６５Ａの成膜時間が非常に長くなる。逆接的に、本実施の形態に示す作製方法を用いることにより、ダミー膜２６５Ａの成膜時間を短くし、半導体装置の生産性を高くすることができる。
　次に、ダミー層２６５および副生成物２６７を、等方性エッチングを用いて、選択的に除去する（図１０参照。）。等方性エッチングとしては、例えば、ウェットエッチングまたは、反応性ガスを用いたエッチングを用いればよい。ダミー層２６５および副生成物２６７をエッチングする際に、絶縁体２６６は、エッチングストッパーとして機能する。これにより、ダミー層２６５および副生成物２６７をエッチングしたときに、絶縁体２５４および絶縁体２４４までエッチングされるのを防ぐことができる。このようにして、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの距離を、開口２６３のチャネル長方向の長さより短くすることができる。このとき、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間から露出した、酸化物２３０ｂの上面の一部が除去される場合がある。
　次に、酸化膜２３０Ｃの成膜前に加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、１００℃以上４００℃以下で行えばよく、例えば２００℃で行えばよい。あるいは、酸化膜２３０Ｃの成膜温度と同じ温度で行うことが好ましい。ここで、成膜温度とは、成膜中の基板温度に限らず、成膜装置の設定温度の場合を含む。例えば、酸化膜２３０Ｃを３００℃で成膜する場合、当該加熱処理は３００℃とすることが好ましい。当該加熱処理は、減圧下で行うことが好ましく、例えば、真空雰囲気で行ってもよい。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。真空雰囲気では、処理室の圧力は、１×１０−２Ｐａ以下、好ましくは１×１０−３Ｐａ以下とすればよい。
　次に、開口２６３に埋め込むように、酸化膜２３０Ｃを成膜する。また、当該加熱処理後、大気に暴露することなく、連続して酸化膜２３０Ｃの成膜を行うことが好ましい。例えば、後述するマルチチャンバー方式の成膜装置などを用いて、加熱処理と成膜処理を異なるチャンバーで、連続して行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの表面などに表面に吸着している水分、水素、炭素などの不純物を除去し、さらに酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。当該加熱処理により除去される不純物には、水素と炭素の結合を有する不純物や、水素と酸素の結合を有する不純物なども含まれる。さらに、外気に曝さず連続で加熱処理と成膜を行うことで、水素などの不純物が酸化物２３０に再侵入することを防ぐことができる。
　酸化膜２３０Ｃの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２３０Ｃに求める特性に合わせて、酸化膜２３０Ａ、または酸化膜２３０Ｂと同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜を成膜すればよい。酸化膜２３０Ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物や、Ｉｎを含まない酸化物を用いることができる。Ｉｎを含まない酸化物として、Ｇａ−Ｚｎ酸化物や、酸化ガリウムなどを用いることができる。また、酸化膜２３０Ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とＩｎを含まない酸化物の積層構造を用いてもよい。酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、４：２：４．１［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、あるいはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて酸化物２３０ｃ１となる第１の酸化膜を形成し、第１の酸化膜上に、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］のターゲットを用いて酸化物２３０ｃ２となる第２の酸化膜を形成した。
　酸化膜２３０Ｃの成膜は、基板を加熱しながら行うことが好ましい。このとき、基板温度を３００℃以上にすることで、酸化膜２３０Ｂおよび酸化膜２３０Ｃ中の酸素欠損を低減することができる。また、例えば、後述する絶縁膜２５０Ａの成膜温度と同じ温度で成膜してもよい。また、このように基板を加熱しながら成膜することで、酸化膜２３０Ｃおよび酸化膜２３０Ｂの結晶性の向上を図ることもできる。
　特に、酸化膜２３０Ｃの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ｃのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。また、基板を加熱しながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。
　また、酸化膜２３０Ｃを積層構造とし、第２の酸化膜として、Ｉｎを含まない酸化物を用いることで、次に形成される絶縁膜２５０Ａに含まれるＩｎ濃度の低減、あるいはＩｎを含まない絶縁膜２５０Ａの形成が可能となるため、好ましい。ここで、本明細書において、Ｉｎを含まない絶縁膜とは、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いたＩｎ濃度測定において、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは、５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、１．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のＩｎ濃度を有する絶縁膜とする。
　次に、絶縁膜２５０Ａの成膜前に加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、１００℃以上４００℃以下で行えばよく、例えば２００℃で行えばよい。あるいは、絶縁膜２５０Ａの成膜温度と同じ温度で行うことが好ましい。ここで、成膜温度とは、成膜中の基板温度に限らず、成膜装置の設定温度の場合を含む。例えば、絶縁膜２５０Ａを３５０℃で成膜する場合、当該加熱処理は３５０℃とすることが好ましい。当該加熱処理は、減圧下で行うことが好ましく、例えば、真空雰囲気で行ってもよい。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。真空雰囲気では、処理室の圧力は、１×１０−２Ｐａ以下、好ましくは１×１０−３Ｐａ以下とすればよい。
　また、当該加熱処理後、大気に暴露することなく、連続して絶縁膜２５０Ａの成膜を行うことが好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いて、加熱処理と成膜処理を異なるチャンバーで、連続して行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化膜２３０Ｃの表面などに表面に吸着している水分、水素、炭素などの不純物を除去し、さらに酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。当該加熱処理により除去される不純物には、水素と炭素の結合を有する不純物や、水素と酸素の結合を有する不純物なども含まれる。さらに、外気に曝さず連続で加熱処理と成膜を行うことで、水素などの不純物が酸化物２３０に再侵入することを防ぐことができる。
　次に、絶縁膜２５０Ａを成膜する。絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３００℃以上４５０℃未満、好ましくは３００℃以上４００℃未満、特に３５０℃前後とすることが好ましい。例えば、絶縁膜２５０Ａを、３５０℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。
　なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、当該酸素プラズマに絶縁膜２５０Ａを曝すことで、絶縁膜２５０Ａへ酸素を導入することができる。
　また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁膜２５０Ａの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
　次に、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂからなる導電膜２６０Ａを成膜する。導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、ＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａａを成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電膜２６０Ａｂを成膜する（図１１参照。）。
　ここで、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａａ、および導電膜２６０Ａｂを、大気に暴露することなく成膜することが好ましい。例えば、後述するマルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。
　次に、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂの一部を、絶縁体２８０の上部が露出するまで除去し、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０および導電体２６０（導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂ）を形成する（図１２参照。）。酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０および導電体２６０の形成にはＣＭＰ処理を用いることが好ましい。図１２（Ｂ）、および図１２（Ｃ）に示すように、導電体２６０の上面と、絶縁体２５０、酸化物２３０ｃ、絶縁体２６６、絶縁体２５４、絶縁体２４４および絶縁体２８０の上面が略一致することが好ましい。
　次に加熱処理を行っても良い。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁体２８０の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
　次に、絶縁体２８０上に、絶縁体２７４となる絶縁膜を形成する（図１２参照。）。絶縁体２７４となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２７４となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体２８０が有する水素を酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる場合がある。
　次に加熱処理を行っても良い。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁体２８０の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
　次に絶縁体２７４上に、絶縁体２８１となる絶縁体を成膜してもよい。絶縁体２８１となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図１２参照。）。
　次に、絶縁体２５４、絶縁体２４４、絶縁体２８０、絶縁体２７４および絶縁体２８１に、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。
　次に、絶縁体２８１上、および当該開口内部に、絶縁体２４１となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして当該開口の内壁に絶縁体２４１（絶縁体２４１ａ、絶縁体２４１ｂ）を形成する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２４１となる絶縁膜としては、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。また、異方性エッチングは、例えばドライエッチング法などを行えばよい。開口の側壁部をこのような構成とすることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。
　次に、当該開口内部に、絶縁体２４１の側壁と接するように、公知の方法を用いて導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの形成方法としては、例えば、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、水、水素など不純物の拡散を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体２４０となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８１を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（図１参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８１の一部が除去する場合がある。
　また、図示しないが、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配線として機能する導電体を形成してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。当該導電体は、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
　また、図示しないが、当該導電体を覆うように、抵抗率が１．０×１０１３Ω・ｃｍ以上１．０×１０１５Ω・ｃｍ以下、好ましくは５．０×１０１３Ω・ｃｍ以上５．０×１０１４Ω・ｃｍ以下の絶縁体を形成することが好ましい。当該導電体上に上記のような抵抗率を有する絶縁体を設けることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ２００、当該導電体等の配線間に蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタや、該トランジスタを有する電子機器の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。
　以上により、図１に示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。図３乃至図１２に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ２００を作製することができる。
　本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
＜半導体装置の変形例＞
　以下では、図１３を用いて、先の＜半導体装置の構成例＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置、および当該半導体装置の作製方法の一例について説明する。
　図１３（Ａ）は上面図を示す。また、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図１３（Ｄ）は、図１３（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
　なお、図１３に示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置（図１参照。）を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目において、トランジスタ２００の構成材料については＜半導体装置の構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
　図１３に示すトランジスタ２００は、導電体２４２ａが導電体２４３ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａの側面を覆って、絶縁体２２４の上面に接し、導電体２４２ｂが導電体２４３ｂ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａの側面を覆って、絶縁体２２４の上面に接している点において、図１に示すトランジスタ２００と異なる。このような構成にすることにより、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂと酸化物２３０ｂとの接触面積が増大するので、オン電流を増加させることができる。
　また、図１３に示すトランジスタ２００を作製する場合、図３に示す工程において、導電膜２４２Ａを成膜する前に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および導電体層２４３Ａを島状に加工して、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４３ａ、および導電体２４３ｂを形成すればよい。
　また、図１３（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示すように、絶縁体２２４を、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ａと重畳させて、島状に設けてもよい。このような構成にすることで、導電体２６０の下端部をより下側に位置させることができるので、第１のゲート電極として機能する導電体２６０の電界を、酸化物２３０の側面に作用させやすくなる。よって、トランジスタ２００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。また、酸化物２３０ｃ、絶縁体２６６、導電体２４２および絶縁体２５４は、絶縁体２２４と重ならない領域で、絶縁体２２２の上面に接する。よって、水素などの不純物、および酸素に対してバリア性を有する絶縁体２２２、絶縁体２５４、および絶縁体２７４によって、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および酸化物２３０が囲まれることになる。これにより、トランジスタ２００の外方から水素などの不純物や過剰な酸素が浸入することを抑制できるので、トランジスタ２００に良好な電気特性および信頼性を与えることができる。
　以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
　本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を作製する際に用いることができる装置について、図１４を参照して説明する。
　本発明の一態様の半導体装置を作製する際には、異なる膜種が連続成膜可能となる複数の処理室を有する、所謂マルチチャンバー装置を用いることが好ましい。各処理室では、それぞれ、スパッタリング、ＣＶＤ、及びＡＬＤなどの成膜処理を行うことができる。例えば、１つの処理室をスパッタリング室とした場合、当該スパッタリング室には、ガス供給装置、当該ガス供給装置に接続されるガス精製装置、真空ポンプ、ターゲットなどを接続することができる。
　また、各処理室では、基板のクリーニング処理、プラズマ処理、逆スパッタリング処理、エッチング処理、アッシング処理、加熱処理などを行ってもよい。各処理室において、適宜異なる処理を行うことで、絶縁体、導電体、および半導体膜を、大気開放を行わずに成膜することができる。
　本発明の一態様に用いる半導体膜としては、代表的には酸化物半導体膜が挙げられる。特に、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）酸化物半導体膜は、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。
　高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、該酸化物半導体膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得ることができる。
　なお、酸化物半導体膜中の不純物としては、代表的には水、水素などが挙げられる。また、本明細書等において、酸化物半導体膜中から水および水素を低減または除去することを、脱水化、脱水素化と表す場合がある。また、酸化物半導体膜に酸素を添加することを、加酸素化と表す場合があり、加酸素化され且つ化学量論的組成よりも過剰の酸素を有する状態を過剰酸素状態と表す場合がある。
　ここで、酸化物半導体と、酸化物半導体の下層に位置する絶縁体、または導電体と、酸化物半導体の上層に位置する絶縁体、または導電体とを、大気開放を行わずに、異なる膜種を連続成膜することで、不純物（特に、水素、水）の濃度が低減された、実質的に高純度真性である酸化物半導体膜を成膜することができる。
　まず、本発明の一態様の半導体装置を作製する際に用いることができる装置の構成例の詳細について、図１４を用いて説明する。図１４に示す装置を用いることで、半導体膜と、半導体膜の下層に位置する絶縁体、または導電体と、半導体膜の上層に位置する絶縁体、または導電体とを連続成膜することができる。従って、半導体膜中に入り込みうる不純物（特に水素、水）を抑制することができる。
　図１４は、枚葉式のマルチチャンバーの装置４０００の上面図を模式的に示している。
　装置４０００は、大気側基板供給室４０１０と、大気側基板供給室４０１０から、基板を搬送する大気側基板搬送室４０１２と、基板の搬入を行い、且つ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロード室４０２０ａと、基板の搬出を行い、且つ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロード室４０２０ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室４０２９、および搬送室４０３９と、搬送室４０２９と搬送室４０３９とを接続する移送室４０３０ａ、および移送室４０３０ｂと、成膜、または加熱を行う処理室４０２４ａ、処理室４０２４ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅと、を有する。
　なお、複数の処理室は、それぞれ、並列して同様の処理、または異なる処理を行うことができる。複数の処理室で、同様の処理を行う場合は、複数の基板を同時に処理することができるため、工程時間を短縮できる。また、複数の処理室でそれぞれ異なる処理を行う場合、一基板上に異なる膜種の積層構造を容易に作製することができる。なお、並列処理は、最大で処理室の数だけ行うことができる。例えば、図１４に示す装置４０００は、７つの処理室を有する装置である。従って、最大７枚の基板に対して同時に処理することが可能である。
　一方、一基板上に異なる膜種を積層する場合、大気開放せずに作製できる積層数は、必ずしも処理室の数と同じにはならない。例えば、求める積層構造において、同材料の層を複数有する場合、当該層は１つの処理室で設けることができるため、設置された処理室の数よりも、多い積層数の積層構造を作製することができる。
　また、大気側基板供給室４０１０は、基板を収容するカセットポート４０１４と、基板のアライメントを行うアライメントポート４０１６と、を備える。なお、カセットポート４０１４は、複数（例えば、図１４においては、３つ）有する構成としても良い。
　また、大気側基板搬送室４０１２は、ロード室４０２０ａおよびアンロード室４０２０ｂと接続される。搬送室４０２９は、ロード室４０２０ａ、アンロード室４０２０ｂ、移送室４０３０ａ、移送室４０３０ｂ、処理室４０２４ａ、および処理室４０２４ｂと接続される。移送室４０３０ａ、および移送室４０３０ｂは、搬送室４０２９、および搬送室４０３９と接続される。また、搬送室４０３９は、移送室４０３０ａ、移送室４０３０ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅと接続される。
　なお、各室の接続部にはゲートバルブ４０２８、またはゲートバルブ４０３８が設けられており、大気側基板供給室４０１０と、大気側基板搬送室４０１２を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板搬送室４０１２は、搬送ロボット４０１８を有する。搬送室４０２９は、搬送ロボット４０２６を有し、搬送室４０３９は、搬送ロボット４０３６を有する。搬送ロボット４０１８、搬送ロボット４０２６、および搬送ロボット４０３６は、複数の可動部と、基板を保持するアームと、を有し、各室へ基板を搬送することができる。
　なお、搬送室、処理室、ロード室、アンロード室および移送室は、上述の数に限定されず、設置スペースやプロセス条件に合わせて、適宜最適な数を設けることができる。
　特に、搬送室を複数有する場合、一つの搬送室と、他の搬送室との間には、２以上の移送室を有することが好ましい。例えば、図１４に示すように、搬送室４０２９、および搬送室４０３９を有する場合、搬送室４０２９と搬送室４０３９との間に、移送室４０３０ａおよび移送室４０３０ｂが並列して配置されることが好ましい。
　移送室４０３０ａおよび移送室４０３０ｂを並列して配置することで、例えば、搬送ロボット４０２６が移送室４０３０ａに基板を搬入する工程と、搬送ロボット４０３６が移送室４０３０ｂに基板を搬入する工程と、を同時に行うことができる。また、搬送ロボット４０２６が移送室４０３０ｂから基板を搬出する工程と、搬送ロボット４０３６が移送室４０３０ａから基板を搬出する工程と、を同時に行うことができる。つまり、複数の搬送ロボットを同時に駆動することで、生産効率が向上する。
　また、図１４では、１室の搬送室が、１つの搬送ロボットを有し、かつ複数の処理と接続する例を示したが、本構造に限定されない。１室の搬送室につき、複数の搬送ロボットを有していてもよい。
　また、搬送室４０２９、および搬送室４０３９の一方、または両方は、バルブを介して真空ポンプと、クライオポンプと、に接続している。従って、搬送室４０２９、および搬送室４０３９は、真空ポンプを用いて、大気圧から低真空または中真空（数１００Ｐａから０．１Ｐａ程度）まで排気した後、バルブを切り替え、クライオポンプを用いて、中真空から高真空または超高真空（０．１Ｐａから１×１０−７Ｐａ程度）まで排気することができる。
　また、例えば、クライオポンプは、１室の搬送室に対し、２台以上並列に接続しても良い。複数のクライオポンプを有することで、１台のクライオポンプがリジェネ中であっても、他のクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、リジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子（または原子）を放出する処理とする。クライオポンプは、分子（または原子）をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネを行うとよい。
　処理室４０２４ａ、処理室４０２４ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅは、それぞれ、異なる処理を並列して行うことができる。つまり、処理室毎に、設置された基板に対し、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、およびＡＬＤ法などによる成膜処理、加熱処理、またはプラズマ処理を行うことができる。また、処理室では、加熱処理、またはプラズマ処理を行った後、成膜処理を行ってもよい。
　装置４０００は、複数の処理室を有することで、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送することが可能なため、基板に不純物が吸着することを抑制できる。また、処理室毎に、異なる膜種の成膜処理、加熱処理、または、プラズマ処理を行うことができるため、成膜や加熱処理などの順番を自由に構築することができる。
　なお、各処理室は、バルブを介して真空ポンプと接続してもよい。真空ポンプとしては、例えば、ドライポンプ、およびメカニカルブースターポンプ等を用いることができる。
　また、各処理室は、プラズマを発生させることができる電源と接続してもよい。当該電源としては、ＤＣ電源、ＡＣ電源、高周波（ＲＦ、マイクロ波など）電源を設ければよい。また、ＤＣ電源にパルス発生装置を接続しても良い。
　また、処理室は、ガス供給装置を介して、ガス精製装置と接続してもよい。なお、ガス供給装置およびガス精製装置は、ガス種の数だけ設けるとよい。
　例えば、処理室で、スパッタリングによる成膜処理を行う場合、処理室は、ターゲットが設けられたバッキングプレートと、バッキングプレートに接続されたカソードと、防着板と、基板ステージなどを備えてもよい。基板ステージは、アノードと接続されていてもよい。また、例えば、基板ステージは、基板を保持する基板保持機構や、基板を裏面から加熱する裏面ヒーター等を備えていても良い。
　なお、基板ステージは、基板ステージを床面に対して概略水平とする構成とすればよい。当該構成において、基板ステージよりも下方にターゲットを配置し、ターゲットと、基板ステージとの間に基板を配置する、所謂フェイスダウンとするのが好ましい。また、基板ステージは、基板が落下しないような基板を固定する治具、または基板を固定する機構を備えていても良い。このように、基板を固定するための治具や、機構を設けることで、効率よく基板を加熱、または冷却することができるため、好ましい。一方、基板ステージよりも上方にターゲットを設ける、所謂フェイスアップとしてもよい。この場合も、基板ステージ上で基板がずれないようにするため、または効率よく基板を加熱、または冷却するために基板を固定する治具、または基板を固定する機構を備えていても良い。
　また、処理室に防着板を備えることで、ターゲットからスパッタリングされる粒子が不要な領域に堆積することを抑制することができる。また、防着板は、累積されたスパッタリング粒子が剥離しないように、加工することが望ましい。例えば、表面粗さを増加させるブラスト処理、または防着板の表面に凹凸を設けても良い。
　バッキングプレートは、ターゲットを保持する機能を有し、カソードは、ターゲットに負の電圧を印加する機能を有する。
　なお、ターゲットは、導電体、絶縁体、または半導体を用いることができる。例えば、ターゲットが金属酸化物などの酸化物半導体の場合、処理室にて酸化物半導体膜を成膜することができる。また、ターゲットが金属酸化物の場合においても、成膜ガスとして、窒素ガスを用いると酸化窒化物半導体膜を形成することもできる。
　また、各処理室は、ガス加熱機構を介してガス供給装置と接続してもよい。ガス加熱機構はガス供給装置を介してガス精製装置と接続される。処理室に導入されるガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下、さらに好ましくは−１２０℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス（アルゴンガスなど）を用いることができる。また、ガス加熱機構により、処理室に導入されるガスを４０℃以上４００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構、ガス供給装置、およびガス精製装置は、ガス種の数だけ設けるとよい。
　また、各処理室は、バルブを介してターボ分子ポンプおよび真空ポンプと接続してもよい。また、各処理室には、クライオトラップを設けてもよい。
　なお、クライオトラップは、水などの比較的融点の高い分子（または原子）を吸着することができる機構である。ターボ分子ポンプは大きいサイズの分子（または原子）を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低い。そこで、水などに対する排気能力を高めるため、クライオトラップを用いることができる。クライオトラップの冷凍機の温度は１００Ｋ以下、好ましくは８０Ｋ以下とする。また、クライオトラップが複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、１段目の冷凍機の温度を１００Ｋ以下とし、２段目の冷凍機の温度を２０Ｋ以下とすればよい。
　なお、処理室の排気方法は、これに限定されず、接続する搬送室に示す排気方法（クライオポンプと真空ポンプとの排気方法）と同様の構成としてもよい。なお、搬送室の排気方法を処理室と同様の構成（ターボ分子ポンプと真空ポンプとの排気方法）としてもよい。
　特に、酸化物半導体膜を成膜する処理室の排気方法としては、真空ポンプとクライオトラップとを組み合わせる構成としてもよい。酸化物半導体膜を成膜する処理室に設けられる排気方法としては、少なくとも水分子を吸着することができる機能を有すると好ましい。
　また、酸化物半導体膜を成膜する処理室は、水素分子の分圧が１×１０−２Ｐａ以下であり、且つ水分子の分圧が１×１０−４Ｐａ以下である、と好ましい。また、酸化物半導体膜を成膜する処理室の待機状態における圧力が８．０×１０−５Ｐａ以下、好ましくは５．０×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは１．０×１０−５Ｐａ以下である。また、上記の水素分子の分圧、および水分子の分圧の数値については、スパッタリングを行う処理室が待機状態のとき、および成膜状態（プラズマが放電状態）のときの双方の数値である。
　なお、処理室の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製、四重極形質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓともいう。）Ｑｕｌｅｅ　ＣＧＭ−０５１を用いればよい。
　処理室の水素分子の分圧、水分子の分圧、および待機状態における圧力を上記の範囲とすることで、形成される、酸化物半導体膜の膜中の不純物の濃度を低くすることができる。
　特に、各処理室を、それぞれ、スパッタリングによる成膜処理に用いることで、先の実施の形態で示したトランジスタ２００の構成の一部を大気に触れることなく連続で成膜することができる。
　例えば、トランジスタ２００を作製する場合、少なくとも、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および導電体層２４３Ａとなる導電膜を、装置４０００を用いることで、連続成膜することができる。つまり、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および導電体層２４３Ａとなる導電膜を、大気開放を行わず、連続して成膜することができる。
　また、例えば、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａａ、および導電膜２６０Ａｂを、連続して成膜することができる。
　上記構成とすることで、膜中、および積層膜の界面において、不純物（代表的には、水、水素など）を徹底的に排除した積層膜を形成することが可能となる。
　また、例えば、処理室で、加熱処理を行う場合、処理室は、基板を格納することができる複数の加熱ステージを備えてもよい。なお、加熱ステージは、多段の構成としてもよい。加熱ステージの段数を増やすことで複数の基板を同時に加熱処理できるため、生産性を向上させることができる。
　処理室に用いることのできる加熱機構としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構としてもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ　Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ　Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎｎｅａｌ）を用いることができる。ＬＲＴＡは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。
　ロード室４０２０ａは、基板受け渡しステージや、基板を裏面から加熱する裏面ヒーター等を備えていても良い。ロード室４０２０ａは、減圧状態から大気まで圧力を上昇させ、ロード室４０２０ａの圧力が大気圧になった時に、大気側基板搬送室４０１２に設けられている搬送ロボット４０１８から基板受け渡しステージが基板を受け取る。その後、ロード室４０２０ａを真空引きし、減圧状態としたのち、搬送室４０２９に設けられている搬送ロボット４０２６が基板受け渡しステージから基板を受け取る。
　また、ロード室４０２０ａは、バルブを介して真空ポンプ、およびクライオポンプと接続されている。なお、アンロード室４０２０ｂは、ロード室４０２０ａと同様の構成としてもよいし、基板加熱機構を設けない構成としてもよい。
　大気側基板搬送室４０１２は、搬送ロボット４０１８を有するため、搬送ロボット４０１８により、カセットポート４０１４とロード室４０２０ａとの基板の受け渡しを行うことができる。また、大気側基板搬送室４０１２、および大気側基板供給室４０１０の上方にＨＥＰＡフィルター（Ｈｉｇｈ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ａｉｒ　Ｆｉｌｔｅｒ）等のゴミまたはパーティクルの混入を抑制するための機構を設けてもよい。また、カセットポート４０１４は、複数の基板を格納することができる。
　上記の装置４０００を用いて、絶縁膜、半導体膜、および導電膜を、大気開放を行わず連続成膜することで、半導体膜への不純物の入り込みを好適に抑制できる。
　上記より、本発明の一態様の装置を用いることで、半導体膜を有する積層構造を連続成膜により、作製することができる。従って、半導体膜中に取り込まれる水素、水などの不純物を抑制し、且つ欠陥準位密度の低い半導体膜を作製することができる。
　本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態および実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態３）
　本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１５を用いて説明する。
［記憶装置１］
　本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置（記憶装置）の一例を図１５に示す。本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００などを用いることができる。
　トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
　図１５に示す半導体装置において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００の第１のゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００の第２のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
　また、図１５に示す記憶装置は、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
＜トランジスタ３００＞
　トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
　ここで、図１５に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
　なお、図１５に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
＜容量素子１００＞
　容量素子１００は、トランジスタ２００の上方に設けられる。容量素子１００は、第１の電極として機能する導電体１１０と、第２の電極として機能する導電体１２０、および誘電体として機能する絶縁体１３０とを有する。
　また、例えば、導電体２４６上に設けた導電体１１２と、導電体１１０は、同時に形成することができる。なお、導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。
　図１５では、導電体１１２、および導電体１１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
　また、絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
　例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料と、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料との積層構造を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子１００は、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
　なお、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料（高い比誘電率の材料）の絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
　一方、絶縁耐力が大きい材料（低い比誘電率の材料）としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。
＜配線層＞
　各構造体の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
　例えば、トランジスタ３００上には、層間膜として、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能する。
　また、層間膜として機能する絶縁体は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
　絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１５において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能する。
　同様に、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。さらに、導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。
　層間膜として用いることができる絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
　例えば、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
　例えば、絶縁体１５０、絶縁体２１２、絶縁体３５２、および絶縁体３５４等には、比誘電率の低い絶縁体を用いることが好ましい。例えば、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
　また、導電体１１２、または導電体１２０上に設けられる絶縁体１３０、および絶縁体１５０の一方、または両方を抵抗率が１．０×１０１２Ω・ｃｍ以上１．０×１０１５Ω・ｃｍ以下、好ましくは５．０×１０１２Ω・ｃｍ以上１．０×１０１４Ω・ｃｍ以下、より好ましくは１．０×１０１３Ω・ｃｍ以上５．０×１０１３Ω・ｃｍ以下の絶縁体とすることが好ましい。絶縁体１３０、および絶縁体１５０の一方、または両方を上記のような抵抗率を有する絶縁体とすることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ２００、トランジスタ３００、容量素子１００、および導電体１１２や導電体１２０等の配線間に蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタ、該トランジスタを有する記憶装置の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。このような絶縁体として、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンを用いることができる。
　また、上記のような抵抗率を有する絶縁体として、絶縁体１４０を導電体１１２の下層に設けてもよい。この場合、絶縁体２８１上に絶縁体１４０を形成し、絶縁体１４０、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２４４、絶縁体２５４などに開口部を形成し、当該開口部内に絶縁体２４１の形成や、トランジスタ２００、導電体２１８などと電気的に接続する導電体２４０の形成を行えばよい。絶縁体１４０は、絶縁体１３０、または絶縁体１５０と同様の材料を用いることができる。
　また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。従って、絶縁体２１０、および絶縁体３５０等には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。
　水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
　配線、プラグに用いることができる導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
　例えば、導電体３２８、導電体３３０、導電体３５６、導電体２１８、および導電体１１２等としては、上記の材料で形成される金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
＜＜酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ＞＞
　なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
　例えば、図１５では、絶縁体２２４と、導電体２４６との間に、絶縁体２７６を設けるとよい。特に、導電体２４６は、過剰酸素領域を有する絶縁体２２４を挟む絶縁体２２２と、絶縁体２５４および絶縁体２４４と、接して設けられることが好ましい。絶縁体２７６と、絶縁体２２２、および絶縁体２８１とが接して設けられることで、絶縁体２２４、およびトランジスタ２００は、バリア性を有する絶縁体により、封止する構造とすることができる。さらに、絶縁体２７６は、絶縁体２８０の一部とも接することが好ましい。絶縁体２７６が、絶縁体２８０まで延在していることで、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。
　つまり、絶縁体２７６を設けることで、絶縁体２２４が有する過剰酸素が、導電体２４６に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体２７６を有することで、不純物である水素が、導電体２４６を介して、トランジスタ２００へ拡散することを抑制することができる。
　なお、絶縁体２７６としては、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
　以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態４）
　本実施の形態では、図１６および図１７を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ場合がある。）、および容量素子が適用されている記憶装置（以下、ＯＳメモリ装置と呼ぶ場合がある。）について説明する。ＯＳメモリ装置は、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有する記憶装置である。ＯＳトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、ＯＳメモリ装置は優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
＜記憶装置の構成例＞
　図１６（Ａ）にＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、コントロールロジック回路１４６０を有する。
　列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、および書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
　記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。
　コントロールロジック回路１４６０は、外部からの入力信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。ＣＥは、チップイネーブル信号であり、ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
　メモリセルアレイ１４７０は、行列状に配置された、複数個のメモリセルＭＣと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ１４７０と行回路１４２０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一列に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ１４７０と列回路１４３０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一行に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。
　なお、図１６（Ａ）において、周辺回路１４１１とメモリセルアレイ１４７０を同一平面上に形成する例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図１６（Ｂ）に示すように、周辺回路１４１１の一部の上に、メモリセルアレイ１４７０が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。
　図１７に上述のメモリセルＭＣに適用できるメモリセルの構成例について説明する。
［ＤＯＳＲＡＭ］
　図１７（Ａ）乃至（Ｃ）に、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、１ＯＳトランジスタ１容量素子型のメモリセルを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ場合がある。図１７（Ａ）に示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（フロントゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
　トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
　配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
　また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７１に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１７（Ｂ）に示すメモリセル１４７２のように、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１７（Ｃ）に示すメモリセル１４７３ように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ１で構成されたメモリセルとしてもよい。
　上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７１等に用いる場合、トランジスタＭ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＡとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
　また、ＤＯＳＲＡＭにおいて、上記のように、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
［ＮＯＳＲＡＭ］
　図１７（Ｄ）乃至（Ｈ）に、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図１７（Ｄ）に示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
　トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
　配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、データの読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
　また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７４に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１７（Ｅ）に示すメモリセル１４７５のように、トランジスタＭ２のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１７（Ｆ）に示すメモリセル１４７６のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ２で構成されたメモリセルとしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図１７（Ｇ）に示すメモリセル１４７７のように、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。
　上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ３としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＢとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に低くすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７４に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至１４７７も同様である。
　なお、トランジスタＭ３は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタと呼ぶ場合がある）であってもよい。Ｓｉトランジスタの導電型は、ｎチャネル型としてもよいし、ｐチャネル型としてもよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタＭ３として、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタＭ３にＳｉトランジスタを用いることで、トランジスタＭ３の上に積層してトランジスタＭ２を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。
　また、トランジスタＭ３はＯＳトランジスタであってもよい。トランジスタＭ２、Ｍ３にＯＳトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
　また、図１７（Ｈ）に３トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの一例を示す。図１７（Ｈ）に示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至Ｍ６、および容量素子ＣＣを有する。容量素子ＣＣは適宜設けられる。メモリセル１４７８は、配線ＢＩＬ、ＲＷＬ、ＷＷＬ、ＢＧＬ、およびＧＮＤＬに電気的に接続されている。配線ＧＮＤＬは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル１４７８を、配線ＢＩＬに代えて、配線ＲＢＬ、ＷＢＬに電気的に接続してもよい。
　トランジスタＭ４は、バックゲートを有するＯＳトランジスタであり、バックゲートは配線ＢＧＬに電気的に接続されている。なお、トランジスタＭ４のバックゲートとゲートとを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭ４はバックゲートを有さなくてもよい。
　なお、トランジスタＭ５、Ｍ６はそれぞれ、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはｐチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、トランジスタＭ４乃至Ｍ６がＯＳトランジスタでもよい、この場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
　上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７８に用いる場合、トランジスタＭ４としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ５、Ｍ６としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＣとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４のリーク電流を非常に低くすることができる。
　なお、本実施の形態に示す、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態や実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
　本実施の形態では、図１８を用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ１２００の一例を示す。チップ１２００には、複数の回路（システム）が実装されている。このように、複数の回路（システム）を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）と呼ぶ場合がある。
　図１８（Ａ）に示すように、チップ１２００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）１２１１、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）１２１２、一または複数のアナログ演算部１２１３、一または複数のメモリコントローラ１２１４、一または複数のインターフェース１２１５、一または複数のネットワーク回路１２１６等を有する。
　チップ１２００には、バンプ（図示しない）が設けられ、図１８（Ｂ）に示すように、プリント基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）１２０１の第１の面と接続する。また、ＰＣＢ１２０１の第１の面の裏面には、複数のバンプ１２０２が設けられており、マザーボード１２０３と接続する。
　マザーボード１２０３には、ＤＲＡＭ１２２１、フラッシュメモリ１２２２等の記憶装置が設けられていてもよい。例えば、ＤＲＡＭ１２２１に先の実施の形態に示すＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ１２２２に先の実施の形態に示すＮＯＳＲＡＭを用いることができる。
　ＣＰＵ１２１１は、複数のＣＰＵコアを有することが好ましい。また、ＧＰＵ１２１２は、複数のＧＰＵコアを有することが好ましい。また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２に共通のメモリが、チップ１２００に設けられていてもよい。該メモリには、前述したＮＯＳＲＡＭや、ＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、ＧＰＵ１２１２は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理や積和演算に用いることができる。ＧＰＵ１２１２に、本発明の酸化物半導体を用いた画像処理回路や、積和演算回路を設けることで、画像処理、および積和演算を低消費電力で実行することが可能になる。
　また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が同一チップに設けられていることで、ＣＰＵ１２１１およびＧＰＵ１２１２間の配線を短くすることができ、ＣＰＵ１２１１からＧＰＵ１２１２へのデータ転送、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が有するメモリ間のデータ転送、およびＧＰＵ１２１２での演算後に、ＧＰＵ１２１２からＣＰＵ１２１１への演算結果の転送を高速に行うことができる。
　アナログ演算部１２１３はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路の一、または両方を有する。また、アナログ演算部１２１３に上記積和演算回路を設けてもよい。
　メモリコントローラ１２１４は、ＤＲＡＭ１２２１のコントローラとして機能する回路、およびフラッシュメモリ１２２２のインターフェースとして機能する回路を有する。
　インターフェース１２１５は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コントローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとして、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などを用いることができる。
　ネットワーク回路１２１６は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワーク回路を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよい。
　チップ１２００には、上記回路（システム）を同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、チップ１２００に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増やす必要が無く、チップ１２００を低コストで作製することができる。
　ＧＰＵ１２１２を有するチップ１２００が設けられたＰＣＢ１２０１、ＤＲＡＭ１２２１、およびフラッシュメモリ１２２２が設けられたマザーボード１２０３は、ＧＰＵモジュール１２０４と呼ぶことができる。
　ＧＰＵモジュール１２０４は、ＳｏＣ技術を用いたチップ１２００を有しているため、そのサイズを小さくすることができる。また、画像処理に優れていることから、スマートフォン、タブレット端末、ラップトップＰＣ、携帯型（持ち出し可能な）ゲーム機などの携帯型電子機器に用いることが好適である。また、ＧＰＵ１２１２を用いた積和演算回路により、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの演算を実行することができるため、チップ１２００をＡＩチップ、またはＧＰＵモジュール１２０４をＡＩシステムモジュールとして用いることができる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態や実施例に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
　本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図１９にリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
　図１９（Ａ）はＵＳＢメモリの模式図である。ＵＳＢメモリ１１００は、筐体１１０１、キャップ１１０２、ＵＳＢコネクタ１１０３および基板１１０４を有する。基板１１０４は、筐体１１０１に収納されている。例えば、基板１１０４には、メモリチップ１１０５、コントローラチップ１１０６が取り付けられている。基板１１０４のメモリチップ１１０５などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
　図１９（Ｂ）はＳＤカードの外観の模式図であり、図１９（Ｃ）は、ＳＤカードの内部構造の模式図である。ＳＤカード１１１０は、筐体１１１１、コネクタ１１１２および基板１１１３を有する。基板１１１３は筐体１１１１に収納されている。例えば、基板１１１３には、メモリチップ１１１４、コントローラチップ１１１５が取り付けられている。基板１１１３の裏面側にもメモリチップ１１１４を設けることで、ＳＤカード１１１０の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板１１１３に設けてもよい。これによって、ホスト装置とＳＤカード１１１０間の無線通信によって、メモリチップ１１１４のデータの読み出し、書き込みが可能となる。基板１１１３のメモリチップ１１１４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
　図１９（Ｄ）はＳＳＤの外観の模式図であり、図１９（Ｅ）は、ＳＳＤの内部構造の模式図である。ＳＳＤ１１５０は、筐体１１５１、コネクタ１１５２および基板１１５３を有する。基板１１５３は筐体１１５１に収納されている。例えば、基板１１５３には、メモリチップ１１５４、メモリチップ１１５５、コントローラチップ１１５６が取り付けられている。メモリチップ１１５５はコントローラチップ１１５６のワークメモリであり、例えばＤＯＳＲＡＭチップを用いればよい。基板１１５３の裏面側にもメモリチップ１１５４を設けることで、ＳＳＤ１１５０の容量を増やすことができる。基板１１５３のメモリチップ１１５４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態７）
　本発明の一態様に係る半導体装置は、ＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図２０に、本発明の一態様に係るＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。
＜電子機器・システム＞
　本発明の一態様に係るＧＰＵ又はチップは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係る集積回路又はチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
　本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
　本発明の一態様の電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。
　本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図２０に、電子機器の例を示す。
［携帯電話］
　図２０（Ａ）には、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）が図示されている。情報端末５５００は、筐体５５１０と、表示部５５１１と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５５１１に備えられ、ボタンが筐体５５１０に備えられている。
　情報端末５５００は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部５５１１に表示するアプリケーション、表示部５５１１に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部５５１１に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。
［情報端末１］
　図２０（Ｂ）には、デスクトップ型情報端末５３００が図示されている。デスクトップ型情報端末５３００は、情報端末の本体５３０１と、ディスプレイ５３０２と、キーボード５３０３と、を有する。
　デスクトップ型情報端末５３００は、先述した情報端末５５００と同様に、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、デスクトップ型情報端末５３００を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。
　なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、及びデスクトップ用情報端末を例として、それぞれ図２０（Ａ）、（Ｂ）に図示したが、スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、及びデスクトップ用情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
［電化製品］
　図２０（Ｃ）は、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。
　電気冷凍冷蔵庫５８００に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫５８００は、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。
　本一例では、電化製品として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。
［ゲーム機］
　図２０（Ｄ）は、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５２００を示している。携帯ゲーム機５２００は、筐体５２０１、表示部５２０２、ボタン５２０３等を有する。
　携帯ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、低消費電力の携帯ゲーム機５２００を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、及びモジュールへの影響を少なくすることができる。
　更に、携帯ゲーム機５２００に本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機５２００を実現することができる。
　本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機５２００に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、時刻、ゲーム上に登場する人物の言動が変化するといった表現が可能となる。
　また、携帯ゲーム機５２００で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、１人でもゲームを行うことができる。
　図２０（Ｄ）では、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵ又はチップを適用するゲーム機としては、例えば、家庭用の据え置き型ゲーム機、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
［移動体］
　本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは、移動体である自動車、及び自動車の運転席周辺に適用することができる。
　図２０（Ｅ１）は移動体の一例である自動車５７００を示し、図２０（Ｅ２）は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図２０（Ｅ２）では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。
　表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、燃料計、ギア状態、エアコンの設定などを表示することで、様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。
　表示パネル５７０４には、自動車５７００に設けられた撮像装置（図示しない。）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車５７００の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
　本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該チップを自動車５７００の自動運転システムに用いることができる。また、当該チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０４には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。
　なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。
［放送システム］
　本発明の一態様のＧＰＵ又はチップは、放送システムに適用することができる。
　図２０（Ｆ）は、放送システムにおけるデータ伝送を模式的に示している。具体的には、図２０（Ｆ）は、放送局５６８０から送信された電波（放送信号）が、各家庭のテレビジョン受信装置（ＴＶ）５６００に届くまでの経路を示している。ＴＶ５６００は、受信装置を備え（図示しない。）、アンテナ５６５０で受信された放送信号は、当該受信装置を介して、ＴＶ５６００に送信される。
　図２０（Ｆ）では、アンテナ５６５０は、ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ　Ｈｉｇｈ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）アンテナを図示しているが、アンテナ５６５０としては、ＢＳ・１１０°ＣＳアンテナ、ＣＳアンテナなども適用できる。
　電波５６７５Ａ、電波５６７５Ｂは地上波放送用の放送信号であり、電波塔５６７０は受信した電波５６７５Ａを増幅して、電波５６７５Ｂの送信を行う。各家庭では、アンテナ５６５０で電波５６７５Ｂを受信することで、ＴＶ５６００で地上波ＴＶ放送を視聴することができる。なお、放送システムは、図２０（Ｆ）に示す地上波放送に限定せず、人工衛星を用いた衛星放送、光回線によるデータ放送などとしてもよい。
　上述した放送システムは、本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用した放送システムとしてもよい。放送局５６８０から各家庭のＴＶ５６００に放送データを送信するとき、エンコーダによって放送データの圧縮が行われ、アンテナ５６５０が当該放送データを受信したとき、ＴＶ５６００に含まれる受信装置のデコーダによって当該放送データの復元が行われる。人工知能を利用することによって、例えば、エンコーダの圧縮方法の一である動き補償予測において、表示画像に含まれる表示パターンの認識を行うことができる。また、人工知能を利用したフレーム内予測などを行うこともできる。また、例えば、解像度の低い放送データを受信して、解像度の高いＴＶ５６００で当該放送データの表示を行うとき、デコーダによる放送データの復元において、アップコンバートなどの画像の補間処理を行うことができる。
　上述した人工知能を利用した放送システムは、放送データの量が増大する超高精細度テレビジョン（ＵＨＤＴＶ：４Ｋ、８Ｋ）放送に対して好適である。
　また、ＴＶ５６００側における人工知能の応用として、例えば、ＴＶ５６００に人工知能を有する録画装置を設けてもよい。このような構成にすることによって、当該録画装置にユーザの好みを人工知能に学習させることで、ユーザの好みにあった番組を自動的に録画することができる。
　本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態や実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
　本実施例にて、ダミーゲート２６２除去後から導電体２４２を形成するまでの工程を電子顕微鏡にて断面観察した。なお、断面観察を行った工程は、実施の形態１で説明した、図７乃至図１０に対応する。また、断面観察は、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により行った。観察用の装置は日立ハイテクノロジーズ社製ＨＤ−２７００を用いた。断面観察の結果を図２１、および図２２に示す。
　観察に用いた試料の作製方法について説明する。絶縁体が形成されたシリコン基板上に、スパッタリング法により膜厚１５０ｎｍのタングステン膜を形成した。次に、タングステン膜を、リソグラフィー法を用いて加工し、バックゲートとして機能し、タングステンを含む第１の導電体（図中、Ｗ）を形成した。第１の導電体を覆うように、プラズマＣＶＤ法を用いて、膜厚３５０ｎｍの第１の酸化窒化シリコン膜を形成した。次に、第１の酸化窒化シリコン膜を、第１の導電体の表面が露出するまで、研磨により除去した。該研磨処理には、ＣＭＰ法を用いた。該研磨処理により、第１の導電体の側面に、酸化窒化シリコンを含む絶縁体を形成することができる。
　次に、第１の導電体、および酸化窒化シリコンを含む絶縁体上に、ＡＬＤ法を用いて膜厚１０ｎｍの第１の酸化アルミニウム膜（図中、１ｓｔ　ＡｌＯｘ）を形成し、プラズマＣＶＤ法を用いて膜厚３５ｎｍの第２の酸化窒化シリコン膜（図中、２ｎｄ　ＳｉＯＮ）を形成した。ここで、第２の酸化窒化シリコン膜に対して、平坦化処理を行った。平坦化処理は、ＣＭＰ法による研磨処理にて行い、研磨処理後の第２の酸化窒化シリコン膜の膜厚は３０ｎｍ程度となった。
　次に、第２の酸化窒化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚５ｎｍの第１の酸化物（図中、ＯＳ１）を形成し、その上に、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚２０ｎｍの第２の酸化物（図中、ＯＳ２）を形成した。次に、酸化物上に、スパッタリング法によって、膜厚２０ｎｍの第１の窒化タンタル膜を形成した。続けて、リソグラフィー法を用いて、第２の酸化物の、少なくともチャネル形成領域となる領域を露出するように第１の窒化タンタル膜を加工した。次に、露出した第２の酸化物と、第１の窒化タンタル膜を覆うように、スパッタリング法を用いて、膜厚５ｎｍの第２の窒化タンタル膜（図中、ＴａＮ２）を形成した。以上の工程により、図３に相当する構造体を得ることができる。
　次に、リソグラフィー法を用いて、第２の窒化タンタル膜、第１の窒化タンタル膜、第２の酸化物、および第１の酸化物を島状に加工した。該加工により、図４に相当する構造体を得ることができる。また、該加工において、第１の窒化タンタル膜を加工することにより、窒化タンタルを含む第２の導電体が形成される。なお、該加工により、第２の酸化窒化シリコン膜の一部もエッチングされる。さらに、第１の酸化アルミニウム膜が露出するまで第２の酸化窒化シリコン膜がエッチングされる場合もある。
　次に、ダミーゲートを形成する。ダミーゲートには、炭素を含む樹脂を用いた。次に、ダミーゲート、第２の窒化タンタル膜、第１の窒化タンタル膜、第２の酸化物、および第１の酸化物を覆うように、ＡＬＤ法を用いて、膜厚１ｎｍの第２の酸化アルミニウム膜（図中、２ｎｄ　ＡｌＯｘ）を形成し、スパッタリング法を用いて、膜厚８ｎｍの第３の酸化アルミニウム膜（図中、３ｒｄ　ＡｌＯｘ）を形成した。以上の工程により、図５に相当する構造体を得ることができる。
　次に、第３の酸化アルミニウム膜を覆うように、ＣＶＤ法を用いて、膜厚４００ｎｍの第３の酸化窒化シリコン膜（図中、３ｒｄ　ＳｉＯＮ）を形成した。次に、ダミーゲートを露出するように、第３の酸化窒化シリコン膜の一部、第３の酸化アルミニウム膜の一部、および第２の酸化アルミニウム膜の一部を研磨処理により除去した。該研磨処理には、ＣＭＰ法を用いた。以上の工程により、図６に相当する構造体を得ることができる。
　次に、ダミーゲートを除去し、第２の窒化タンタル膜上に開口部を形成する。該開口部の底面において、第２の窒化タンタル膜が露出し、側面において、第２の酸化アルミニウム膜が露出する。酸素を含むガスを用いて、ドライエッチング法により、ダミーゲートを除去した。次に、該開口部の底面、および側面を覆うように、第３の酸化窒化シリコン膜上にＡＬＤ法を用いて、膜厚１ｎｍの酸化ハフニウム膜（図中、ＨｆＯｘ）を形成し、その上に、ＡＬＤ法を用いて、膜厚１３ｎｍの第４の酸化アルミニウム膜（図中、４ｔｈ　ＡｌＯｘ）を形成した。以上の工程により、図７に相当する構造体を得ることができる。
　また、図２１（Ａ）に第４の酸化アルミニウム膜形成後の断面ＳＴＥＭ像を示す。図２１（Ａ）に示すように、該開口部の側面において、第２の酸化アルミニウムの側壁から、第４の酸化アルミニウムの側壁までの厚さは、約１８ｎｍであった。
　次に、第４の酸化アルミニウム膜、および酸化ハフニウム膜に対して異方性エッチングを行った。異方性エッチングには、ドライエッチングを用いた。また、ドライエッチングには、Ｃ４Ｆ６、ＣＨＦ３、およびＡｒを含むガスを用いた。該異方性エッチングにより、第３の酸化窒化シリコン膜上、および第２の窒化タンタル膜上の一部において、第４の酸化アルミニウム膜、および酸化ハフニウム膜が除去された。また、該異方性エッチングにより、第４の酸化アルミニウム膜の側壁には、酸化アルミニウム膜に含まれる成分と、ドライエッチングに用いたガスに含まれる成分を含む副生成物の付着が確認された。この副生成物は、酸化アルミニウム膜と、ドライエッチングに用いたガスとの反応により生成された物質が、一旦気化した後、第４の酸化アルミニウム膜の側壁に付着し、堆積することで形成されたと考えられる。
　この副生成物の形成により、第４の酸化アルミニウム膜、および酸化ハフニウム膜は、第２の酸化アルミニウム膜の側壁だけでなく、第２の窒化タンタル膜上にも残存し、Ｌ字型の形状を有している。以上の工程により、図８に相当する構造体を得ることができる。
　また、図２１（Ｂ）に該異方性エッチング後の断面ＳＴＥＭ像を示す。図２１（Ｂ）に示すように、該開口部内に、Ｌ字型の酸化ハフニウム膜、Ｌ字型の第４の酸化アルミニウム膜、および副生成物が残存している。また、該開口部の側面において、第２の酸化アルミニウム膜の側壁に残存した酸化ハフニウム膜、第４の酸化アルミニウム膜、および副生成物からなる構造体の幅は、約４０．７ｎｍであった。
　次に、上記、酸化ハフニウム膜、第４の酸化アルミニウム膜、および副生成物からなる構造体をマスクに用いて、第２の窒化タンタル膜を加工した。第２の窒化タンタル膜の加工は、ドライエッチング法を用いて行った。また、該ドライエッチングでは、第２の窒化タンタル膜表面に形成された自然酸化膜（酸化窒化タンタル、酸化タンタルなどのタンタルを含む酸化物など）を除去する第１のステップと、窒化タンタル膜を除去する第２のステップと、を同一チャンバー内にて連続して行った。第１のステップでは、ＢＣｌ３を含むガスを用いて行い、第２のステップでは、Ｃｌ２、およびＡｒを含むガスを用いて行った。ただし、自然酸化膜が形成されていない場合、あるいは、自然酸化膜が第２のステップのみで除去できる場合は、必ずしも第１のステップは行わなくてもよい。以上の工程により、図９に相当する構造体を得ることができる。また、第２の窒化タンタル膜を加工することにより、第２の導電体を覆うように、窒化タンタルを含む第３の導電体が形成される。
　また、図２２（Ａ）に該異方性エッチング後の断面ＳＴＥＭ像を示す。
　次に、副生成物、および第４の酸化アルミニウム膜を除去する。副生成物、および第４の酸化アルミニウム膜の除去には、ウェットエッチング法を用いた。ウェットエッチング処理には、アルカリ性の溶液を用いた。該ウェットエッチングにより、図１０に相当する構造体を得ることができる。また、該ウェットエッチングにより、第２の酸化物も一部除去された。
　また、図２２（Ｂ）に該ウェットエッチング後の断面ＳＴＥＭ像を示す。図２２（Ｂ）に示すように、該開口部内に、Ｌ字型の酸化ハフニウム膜が残存している。また、該開口部内において、第３の導電体が形成されており、第３の導電体の、第３の酸化窒化シリコン膜と重ならず、開口部内にはみ出た部分の幅は、約３９．３ｎｍであった。
　以上の工程により、開口部内にはみ出す第３の導電体を形成することができる。本実施例に示す方法を用いることにより、第３の導電体の、開口部内にはみ出た部分の幅は、酸化ハフニウム膜の膜厚と第４の酸化アルミニウム膜の膜厚との合計膜厚よりも大きくすることができ、酸化ハフニウム膜、および第４の酸化アルミニウム膜の形成に要する時間（成膜時間）を短縮することができる。
２００：トランジスタ、２０５：導電体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１８：導電体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０ａ１：酸化物、２３０ａ２：酸化物、２３０Ａ：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｃ：酸化物、２３０ｃ１：酸化物、２３０ｃ２：酸化物、２３０Ｃ：酸化膜、２４０：導電体、２４０ａ：導電体、２４０ｂ：導電体、２４１：絶縁体、２４１ａ：絶縁体、２４１ｂ：絶縁体、２４２：導電体、２４２ａ：導電体、２４２Ａ：導電膜、２４２ｂ：導電体、２４２Ｂ：導電体層、２４３：導電体、２４３ａ：導電体、２４３Ａ：導電体層、２４３ｂ：導電体、２４４：絶縁体、２４４Ａ：絶縁膜、２４６：導電体、２５０：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２５４：絶縁体、２５４Ａ：絶縁膜、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０Ａａ：導電膜、２６０Ａｂ：導電膜、２６０ｂ：導電体、２６２：ダミーゲート、２６２Ａ：ダミーゲート層、２６３：開口、２６５：ダミー層、２６５Ａ：ダミー膜、２６６：絶縁体、２６６Ａ：絶縁膜、２６７：副生成物、２７４：絶縁体、２７６：絶縁体、２８０：絶縁体、２８１：絶縁体

Claims (15)

  1. 　第１の酸化物と、
    　前記第１の酸化物の上に、互いに離隔して、配置された第１の導電体および第２の導電体と、
    　前記第１の導電体の上面および側面と、前記第１の酸化物の上面と、に接して配置された、第３の導電体と、
    　前記第２の導電体の上面および側面と、前記第１の酸化物の上面と、に接して配置された、第４の導電体と、
    　前記第３の導電体および前記第４の導電体の上に配置され、前記第３の導電体と前記第４の導電体の間に重畳して開口が形成された第１の絶縁体と、
    　前記開口の中に配置された第５の導電体と、
    　前記第１の酸化物、前記第３の導電体、前記第４の導電体、および前記第１の絶縁体と、前記第５の導電体と、の間に配置された、第２の酸化物と、
    　前記第２の酸化物と、前記第５の導電体と、の間に配置された第２の絶縁体と、
    　前記第３の導電体、前記第４の導電体、および前記第１の絶縁体と、前記第２の酸化物と、の間に配置され、前記第３の導電体と前記第４の導電体に挟まれた領域において、前記第１の酸化物と重畳しない、第３の絶縁体と、を有し、
    　前記第３の導電体および前記第４の導電体は、それぞれ、前記第５の導電体と重畳する領域を有する半導体装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記第１の酸化物、前記第１の導電体、前記第２の導電体、前記第３の導電体、前記第４の導電体、および前記第３の絶縁体と、前記第１の絶縁体と、の間に第４の絶縁体が配置され、
    　前記第４の絶縁体は、前記第１の絶縁体より酸素透過性が低い半導体装置。
  3. 　請求項１または請求項２において、
    　前記第５の導電体は、前記第１の酸化物の側面と対向するように配置され、
    　前記第５の導電体と、前記第１の酸化物の側面との間に、前記第２の酸化物と、前記第２の絶縁体が配置される半導体装置。
  4. 　請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
    　前記第３の導電体は、前記第１の導電体より膜厚が薄く、
    　前記第４の導電体は、前記第２の導電体より膜厚が薄い半導体装置。
  5. 　請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
    　前記第１の酸化物は、前記第３の導電体または前記第４の導電体と重ならない領域の膜厚が、前記第３の導電体または前記第４の導電体と重なる領域の膜厚より、薄い半導体装置。
  6. 　請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
    　前記第１の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する半導体装置。
  7. 　請求項６において、
    　前記第２の酸化物は、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する半導体装置。
  8. 　請求項６において、
    　前記第２の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有し、
    　前記第２の酸化物における元素Ｍに対するＩｎの原子数比は、前記第１の酸化物おける元素Ｍに対するＩｎの原子数比より小さい半導体装置。
  9. 　請求項６において、
    　前記第２の酸化物は、
    　第１の層と、前記第１の層上の第２の層と、有し、
    　前記第１の層は、前記第２の酸化物と概略同等の組成を有し、
    　前記第２の層は、前記第２の酸化物よりも、Ｉｎ濃度が少ない領域を有する半導体装置。
  10. 　基板上に第１の絶縁膜、第２の絶縁膜、第１の酸化膜、第２の酸化膜、および第１の導電膜を順に成膜し、
    　前記第１の導電膜の一部を除去して、第１の導電体を形成し、
    　前記第２の酸化膜、および前記第１の導電体の上に第２の導電膜を成膜し、
    　前記第１の酸化膜、前記第２の酸化膜、前記第１の導電体、および前記第２の導電膜を島状に加工して、第１の酸化物と、前記第１の酸化物上の第２の酸化物と、前記第２の酸化物上の第２の導電体、および第３の導電体と、前記第２の酸化物、前記第２の導電体、および前記第３の導電体上の第４の導電体と、を形成し、
    　前記第２の導電体と前記第３の導電体の間に位置する、前記第４の導電体上にダミーゲート層を形成し、
    　前記第１の酸化物、前記第２の酸化物、前記第２の導電体、前記第３の導電体、前記第４の導電体、および前記ダミーゲート層を覆って、第３の絶縁膜を成膜し、
    　前記第３の絶縁膜の上に第４の絶縁膜を成膜し、
    　前記第３の絶縁膜および前記第４の絶縁膜の一部を、前記ダミーゲート層の上部が露出するまで除去し、
    　前記ダミーゲート層を除去して、開口を形成し、
    　第３の絶縁膜、前記第４の絶縁膜、および第４の導電体の上に、第５の絶縁膜を成膜し、
    　前記第５の絶縁膜の上に、ダミー膜を成膜し、
    　フッ素と炭素を含むエッチングガスを用いた異方性エッチングにより、前記第５の絶縁膜および前記ダミー膜の一部を除去し、前記第４の導電体の上面および前記第３の絶縁膜の側面に接する第１の絶縁体の形成と、前記第１の絶縁体の上のダミー層の形成と、前記ダミー層上への副生成物の堆積と、を行い、
    　前記第１の絶縁体、前記ダミー層、および前記副生成物をマスクとして、前記第４の導電体の一部を除去し、第５の導電体および第６の導電体を形成し、
    　ウェットエッチングにより、前記ダミー層および前記副生成物を除去し、
    　前記開口の中に埋め込むように、第３の酸化膜、第６の絶縁膜、および第３の導電膜を順に成膜し、
    　前記第３の酸化膜、前記第６の絶縁膜、および前記第３の導電膜の一部を、前記第３の絶縁膜の上部が露出するまで除去する半導体装置の作製方法。
  11. 　請求項１０において、
    　前記第５の絶縁膜は、ＡＬＤ法を用いて成膜され、ハフニウムを含む酸化物である半導体装置の作製方法。
  12. 　請求項１０または請求項１１において、
    　前記ダミー膜は、ＡＬＤ法を用いて成膜され、アルミニウムを含む酸化物である半導体装置の作製方法。
  13. 　請求項１２において、
    　前記副生成物は、アルミニウム、フッ素、および炭素を含む半導体装置の作製方法。
  14. 　請求項１０乃至請求項１３のいずれか一項において、
    　前記ウェットエッチングにより、
    　前記第２の酸化物の、前記第５の導電体と前記第６の導電体に挟まれた領域の上部が除去される半導体装置の作製方法。
  15. 　請求項１０乃至請求項１４のいずれか一項において、
    　前記第１の絶縁膜、前記第２の絶縁膜、前記第１の酸化膜、前記第２の酸化膜、および前記第１の導電膜の成膜を、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いて、大気に暴露することなく、成膜する半導体装置の作製方法。
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