WO2020229914A1 - 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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transistor
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山崎舜平
方堂涼太
掛端哲弥
笹川慎也
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株式会社半導体エネルギー研究所
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    • H10B12/00—Dynamic random access memory [DRAM] devices
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    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
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    • 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 aspect of the present invention relates to transistors, semiconductor devices, and electronic devices. Further, one aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device. Further, one aspect of the present invention relates to a semiconductor wafer and a module.
  • the semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing the semiconductor characteristics.
  • a semiconductor element such as a transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic unit, and a storage device are one aspect of a semiconductor device.
  • a display device liquid crystal display device, light emission display device, etc.
  • projection device lighting device, electro-optical device, power storage device, storage device, semiconductor circuit, image pickup device, electronic device, etc. may be said to have a semiconductor device.
  • One aspect of the present invention is not limited to the above technical fields.
  • One aspect of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method. Also, one aspect of the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition (composition of matter).
  • transistors are widely applied to electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (also simply referred to as display devices).
  • ICs integrated circuits
  • image display devices also simply referred to as display devices.
  • Silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, but oxide semiconductors are attracting attention as other materials.
  • Non-Patent Document 1 In oxide semiconductors, CAAC (c-axis aligned crystalline) structures and nc (nanocrystalline) structures that are neither single crystal nor amorphous have been found (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 disclose a technique for manufacturing a transistor using an oxide semiconductor having a CAAC structure.
  • One aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having little variation in transistor characteristics. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having good reliability. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having good electrical characteristics. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having a large on-current. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having low power consumption.
  • One aspect of the present invention is a first insulator, a first oxide on a first insulator, a second oxide on a first oxide, and a second on a second oxide.
  • the oxide of 3 the fourth oxide, the first conductor on the third oxide, the second conductor on the fourth oxide, and the second on the first conductor.
  • the sixth oxide on the fifth oxide, the fourth insulator on the sixth oxide, the third conductor on the fourth insulator, and the first insulator to It has a fifth insulator on a third insulator
  • the fifth oxide has a region in contact with the second to fourth oxides and the first insulator.
  • the sixth oxide has a region in contact with the fifth oxide, the first conductor, and the second conductor
  • the fourth insulator is the sixth oxide, the third conductor.
  • the first oxide to the sixth oxide have In, the element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn, respectively, and the first oxide,
  • the third oxide, the fourth oxide, and the sixth oxide have a region in which the concentration of the element M is higher than that of the second oxide, and the first oxide, the third oxide, and the like.
  • the fourth oxide and the sixth oxide preferably have a region in which the concentration of the element M is higher than that of the fifth oxide.
  • the second insulator, the third insulator, and the fifth insulator each contain either aluminum or hafnium.
  • a first insulator is formed, and a first oxide film, a second oxide film, and a third oxide film are formed on the first insulator in this order.
  • the first heat treatment is performed, and the first conductive film, the first insulating film, and the second conductive film are formed on the third oxide film in this order, and the first oxide film and the second oxide film are formed.
  • a third oxide film, a first conductive film, a first insulating film, and a second conductive film are processed into an island shape to form a first oxide, a second oxide, and a first oxidation.
  • a material layer, a first conductive layer, a first insulating layer, and a second conductive layer are formed, the second conductive layer is removed, and the first insulator, the first oxide, and the second oxide are formed.
  • a fifth insulator is formed on the first oxide layer, the first conductive layer, and the first insulating layer, and a sixth insulator is formed on the fifth insulator.
  • An opening reaching the second oxide is formed in the first oxide layer, the first conductive layer, the first insulating layer, the fifth insulator, and the sixth insulator, and by forming the opening.
  • a third oxide and a fourth oxide are formed from the first oxide layer, a first conductor and a second conductor are formed from the first conductive layer, and the first A seventh insulator and an eighth insulator are formed from the insulating layer, a second heat treatment is performed, and a fourth oxide film is formed on the sixth insulator and in the opening to form a fourth oxide film.
  • a fifth oxide film is formed on the oxide film of 4, and a fourth oxide film is formed on the side surface of the fifth insulator to the eighth insulator in the opening by a dry etching method. And the fifth oxide film is removed, the fourth and fifth oxide films on the sixth insulator are removed, leaving the fourth and fifth oxide films at the bottom of the opening.
  • a fifth oxide and a sixth oxide are formed, a second insulating film is formed on the sixth oxide and the sixth insulator, and the second insulating film is formed on the second insulating film.
  • a third conductive film is formed on the surface, and the third conductive film and the second insulating film are polished until they reach the sixth insulator by using the CMP method. This is a method for manufacturing a semiconductor device that forms an insulator and a third conductor.
  • the dry etching method is preferably performed at a pressure of 66.5 Pa or more.
  • one aspect of the present invention it is possible to provide a semiconductor device having little variation in transistor characteristics.
  • one aspect of the present invention can provide a semiconductor device with good reliability.
  • one aspect of the present invention can provide a semiconductor device having good electrical characteristics.
  • one aspect of the present invention can provide a semiconductor device having a large on-current.
  • one aspect of the present invention can provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration.
  • one aspect of the present invention can provide a low power consumption semiconductor device.
  • FIG. 1A is a top view of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 1B to 1D are cross-sectional views of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 2A is a diagram illustrating classification of the crystal structure of IGZO.
  • FIG. 2B is a diagram illustrating an XRD spectrum of a CAAC-IGZO film.
  • FIG. 2C is a diagram illustrating a microelectron diffraction pattern of a CAAC-IGZO film.
  • FIG. 3A is a top view of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 3B to 3D are cross-sectional views of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 4A is a top view of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 4B to 4D are cross-sectional views of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 5A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 5B to 5D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 6A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 6B to 6D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 7A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 7B to 7D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 8A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 8B to 8D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 9A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 9B to 9D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 10A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 10B to 10D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 11A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 11B to 11D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 12A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 12B to 12D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 13A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 13B to 13D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 14A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 14B to 14D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 15A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 15B to 15D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 16A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 16B to 16D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 17A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 17B to 17D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 18A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 18B to 18D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 19A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 19B to 19D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 20A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 20B to 20D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 21A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 21B to 21D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 22A and 22B are cross-sectional views of the semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 20A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 20B to 20D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 21A is a top
  • FIG. 23 is a cross-sectional view showing the configuration of the storage device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing the configuration of the storage device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • 26A and 26B are cross-sectional views of the semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 28 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 29 is a top view illustrating an apparatus for manufacturing a semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • 30A and 30B are block diagrams showing a configuration example of a storage device according to an aspect of the present invention.
  • 31A to 31H are circuit diagrams showing a configuration example of a storage device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 32 is a diagram showing various storage devices for each layer.
  • 33A and 33B are schematic views of a semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • 34A and 34B are diagrams illustrating an example of an electronic component.
  • 35A to 35E are schematic views of a storage device according to an aspect of the present invention.
  • 36A to 36H are views showing an electronic device according to an aspect of the present invention.
  • the size, layer thickness, or area may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale.
  • the drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, in an actual manufacturing process, layers, resist masks, and the like may be unintentionally reduced due to processing such as etching, but they may not be reflected in the figure for the sake of easy understanding. Further, in the drawings, the same reference numerals may be used in common between different drawings for the same parts or parts having similar functions, and the repeated description thereof may be omitted. Further, when referring to the same function, the hatch pattern may be the same and no particular sign may be added.
  • a top view also referred to as a "plan view”
  • a perspective view the description of some components may be omitted.
  • some hidden lines may be omitted.
  • the ordinal numbers attached as the first, second, etc. are used for convenience, and do not indicate the process order or the stacking order. Therefore, for example, the "first” can be appropriately replaced with the “second” or “third” for explanation.
  • the ordinal numbers described in the present specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one aspect of the present invention.
  • X and Y are connected, the case where X and Y are electrically connected and the case where X and Y function. It is assumed that the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are directly connected are disclosed in the present specification and the like. Therefore, it is not limited to the predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or text, and other than the connection relationship shown in the figure or text, it is assumed that the connection relationship is disclosed in the figure or text.
  • X and Y are assumed to be objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).
  • a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. It also has a region (hereinafter, also referred to as a channel forming region) in which a channel is formed between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode). A current can flow between the source and the drain through the channel formation region.
  • the channel formation region means a region in which a current mainly flows.
  • source and drain functions may be interchanged when transistors with different polarities are used or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in the present specification and the like, the terms source and drain may be used interchangeably.
  • the channel length is, for example, the source in the top view of the transistor, the region where the semiconductor (or the portion where the current flows in the semiconductor when the transistor is on) and the gate electrode overlap each other, or the channel formation region.
  • the channel length does not always take the same value in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in the present specification, the channel length is set to any one value, the maximum value, the minimum value, or the average value in the channel formation region.
  • the channel width is, for example, the channel length direction in the region where the semiconductor (or the portion where the current flows in the semiconductor when the transistor is on) and the gate electrode overlap each other in the top view of the transistor, or the channel formation region. Refers to the length of the channel formation region in the vertical direction with reference to. In one transistor, the channel width does not always take the same value in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in the present specification, the channel width is set to any one value, the maximum value, the minimum value, or the average value in the channel formation region.
  • 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. (Hereinafter, also referred to as “apparent channel width”) and may be different.
  • the effective channel width may be larger than the apparent channel width, and the influence thereof may not be negligible.
  • the proportion of the channel forming 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 the apparent channel width.
  • channel width may refer to an effective channel width.
  • 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 semiconductor impurities are, for example, other than the main components constituting the semiconductor.
  • an element having a concentration of less than 0.1 atomic% can be said to be an impurity. Due to the inclusion of impurities, for example, the defect level density of the semiconductor may increase or the crystallinity may decrease.
  • the impurities that change the characteristics of the semiconductor include, for example, Group 1 elements, Group 2 elements, Group 13 elements, Group 14 elements, Group 15 elements, and oxide semiconductors.
  • transition metals other than the main component such as hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, and nitrogen. Water may also function as an impurity.
  • the oxide semiconductor to an oxygen vacancy V O: also referred to as oxygen vacancy
  • silicon oxide nitriding has a higher oxygen content than nitrogen as its composition. Further, silicon nitride has a higher nitrogen content than oxygen in its composition.
  • the term “insulator” can be paraphrased as an insulating film or an insulating layer.
  • the term “conductor” can be rephrased as a conductive film or a conductive layer.
  • semiconductor can be paraphrased as a semiconductor film or a semiconductor layer.
  • parallel means a state in which two straight lines are arranged at an angle of -10 degrees or more and 10 degrees or less. Therefore, the case of -5 degrees or more and 5 degrees or less is also included.
  • approximately parallel means a state in which two straight lines are arranged at an angle of -30 degrees or more and 30 degrees or less.
  • 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.
  • approximately vertical means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 degrees or more and 120 degrees or less.
  • a 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. For example, when a metal oxide is used in the semiconductor layer of a transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, when it is described as an OS transistor, it can be rephrased as a transistor having a metal oxide or an oxide semiconductor.
  • normally off means that when a potential is not applied to the gate or a ground potential is applied to the gate, the drain current per 1 ⁇ m of the channel width flowing through the transistor is 1 ⁇ 10 ⁇ at room temperature. It means that it is 20 A or less, 1 ⁇ 10 -18 A or less at 85 ° C, or 1 ⁇ 10 -16 A or less at 125 ° C.
  • FIG. 1A to 1D are a top view and a cross-sectional view of a semiconductor device having a transistor 200.
  • FIG. 1A is a top view of the semiconductor device.
  • 1B to 1D are cross-sectional views of the semiconductor device.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line of A1-A2 in FIG. 1A, and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line of A3-A4 in FIG.
  • FIG. 1A is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction.
  • FIG. 1D is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line in FIG. 1A.
  • FIG. 1A In the top view of FIG. 1A, some elements are omitted for the purpose of clarifying the figure.
  • the semiconductor device of one aspect of the present invention includes an insulator 212 on a substrate (not shown), an insulator 214 on the insulator 212, a transistor 200 on the insulator 214, and an insulator 280 on the transistor 200. It has an insulator 282 on an insulator 280 and an insulator 283 on an insulator 282.
  • the insulator 212, the insulator 214, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 283 function as an interlayer film.
  • conductor 240 (conductor 240a and conductor 240b) that is electrically connected to the conductor 242 (conductor 242a and conductor 242b) of the transistor 200 and functions as a plug.
  • An insulator 241 (insulator 241a and insulator 241b) is provided in contact with the side surface of the conductor 240 that functions as a plug.
  • a conductor 246 (conductor 246a and a conductor 246b) that is electrically connected to the conductor 240 and functions as wiring is provided.
  • an insulator 286 is provided on the conductor 246 and the insulator 283.
  • the insulator 241a is provided in contact with the inner wall of the opening of the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 283, and the first conductor of the conductor 240a is provided in contact with the side surface of the insulator 241a, and further inside.
  • a second conductor of the conductor 240a is provided.
  • the insulator 241b is provided in contact with the inner wall of the opening of the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 283, and the first conductor of the conductor 240b is provided in contact with the side surface of the insulator 241b.
  • a second conductor of the conductor 240b is provided inside.
  • the opening also includes, for example, a groove and a slit.
  • the region where the opening is formed may be referred to as an opening.
  • the height of the upper surface of the conductor 240 and the height of the upper surface of the insulator 283 in the region overlapping the conductor 246 can be made about the same.
  • the transistor 200 shows a configuration in which the first conductor of the conductor 240 and the second conductor of the conductor 240 are laminated, but the present invention is not limited to this.
  • the conductor 240 may be provided as a single layer or a laminated structure having three or more layers. When the structure has a laminated structure, an ordinal number may be given in the order of formation to distinguish them.
  • the transistor 200 is an insulator 216 on the insulator 214 and a conductor 205 arranged so as to be embedded in the insulator 214 or a part of the insulator 214 and the insulator 216.
  • Conductor 260 (conductor 260a and conductor 260b) that overlaps a part of oxide 230c, a part of insulator 224, side surface of oxide 230a, side surface of oxide 230b, side surface of oxide 243a, conductor It has a side surface of 242a, a side surface of an insulator 271a, an upper surface of an insulator 271a, a side surface of an insulator 271b, and an insulator 272 in contact with a side surface of a conductor 242b.
  • the oxide 230c is in contact with the side surface of the oxide 243a, the side surface of the oxide 243b, a part of the upper surface of the oxide 230b, a part of the insulator 280, and a part of the upper surface of the insulator 224, respectively.
  • the oxide 230d is in contact with the side surface of the conductor 242a, the side surface of the conductor 242b, and the upper surface of the oxide 230c, respectively.
  • the upper surface of the conductor 260 is arranged so as to substantially coincide with the upper surface of the insulator 250.
  • the insulator 282 is in contact with the upper surfaces of the conductor 260, the insulator 250, and the insulator 280, respectively.
  • the insulator 271a and the insulator 271b may be collectively referred to as the insulator 271.
  • the insulator 280, the insulator 272, and the insulator 271 are provided with an opening reaching the oxide 230b.
  • Oxide 230c, oxide 230d, insulator 250, and conductor 260 are arranged in the opening.
  • the insulator 250 has a region in contact with the side surface of the conductor 260 and a region in contact with the bottom surface of the conductor 260.
  • the oxide 230c has a region in contact with the oxide 230b and a region overlapping the bottom surface of the conductor 260 via the oxide 230d and the insulator 250.
  • the oxide 230 is arranged on the oxide 230a arranged on the insulator 224, the oxide 230b arranged on the oxide 230a, and the oxide 230b, and at least a part of the oxide 230 is formed on the oxide 230b. It is preferable to have an oxide 230c in contact with the oxide 230c and an oxide 230d arranged on the oxide 230c.
  • the oxide 230a under the oxide 230b it is possible to suppress the diffusion of impurities into the oxide 230b from the structure formed below the oxide 230a.
  • the oxide 230d on the oxide 230c it is possible to suppress the diffusion of impurities into the oxide 230c from the structure formed above the oxide 230d.
  • the transistor 200 shows a configuration in which the oxide 230 is laminated with four layers of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide 230c, and the oxide 230d, but the present invention is not limited to this. ..
  • a laminated structure of five or more layers may be provided, or each of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide 230c, and the oxide 230d may have a laminated structure.
  • the conductor 260 functions as a first gate (also referred to as a top gate) electrode, and the conductor 205 functions as a second gate (also referred to as a back gate) electrode.
  • the insulator 250 functions as a first gate insulator, and the insulator 224 functions as a second gate insulator.
  • the conductor 242a functions as one of the source and the drain, and the conductor 242b functions as the other of the source and the drain. Further, at least a part of the region of the oxide 230 overlapping with the conductor 260 functions as a channel forming region.
  • a metal oxide that functions as a semiconductor is added to an oxide 230 (oxide 230a, oxide 230b, oxide 230c, and oxide 230d) containing a channel forming region. It is preferable to use it.
  • the metal oxide that functions as a semiconductor it is preferable to use a metal oxide having a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more. As described above, by using a metal oxide having a large bandgap, the off-current of the transistor can be reduced.
  • an In-M-Zn oxide having indium, element M and zinc (element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium). , Zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. (one or more) and the like may be used. Further, as the oxide 230, an In-Ga oxide, an In-Zn oxide, or an indium oxide may be used.
  • the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230b or the oxide 230c is higher than the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230a or the oxide 230d. Larger is preferred.
  • the oxide 230a under the oxide 230b or the oxide 230c in this way, impurities and oxygen with respect to the oxide 230b or the oxide 230c from the structure formed below the oxide 230a. Diffusion can be suppressed.
  • the oxide 230d on the oxide 230b or the oxide 230c impurities can be diffused into the oxide 230b or the oxide 230c from the structure formed above the oxide 230d. It can be suppressed. Further, by arranging the oxide 230d on the oxide 230b or the oxide 230c, the upward diffusion of oxygen from the oxide 230b or the oxide 230c can be suppressed.
  • the oxides 230a to 230d have a common element (main component) other than oxygen, defects at the respective interfaces of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide 230c, and the oxide 230d The level density can be reduced.
  • the main path of the carrier is the interface between the oxide 230b, the oxide 230c or its vicinity, for example, the oxide 230b and the oxide 230c. Since the defect level density at the interface between the oxide 230b and the oxide 230c can be lowered, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is small, and a high on-current can be obtained.
  • the oxide 230b and the oxide 230c each have crystallinity.
  • CAAC-OS c-axis aligned crystalline semiconductor semiconductor
  • the oxide 230d may be configured to have crystallinity.
  • CAAC-OS has a c-axis orientation and has a distorted crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction.
  • the strain refers to a region in which a plurality of nanocrystals are connected, in which the orientation of the lattice arrangement changes between a region in which the lattice arrangement is aligned and a region in which another lattice arrangement is aligned.
  • Nanocrystals are basically hexagons, but they are not limited to regular hexagons and may be non-regular hexagons. In addition, in distortion, it may have a lattice arrangement such as a pentagon and a heptagon. In CAAC-OS, it is difficult to confirm a clear grain boundary (also referred to as grain boundary) even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because CAAC-OS can tolerate distortion because the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. Because.
  • CAAC-OS for which no clear crystal grain boundary is confirmed, is one of the crystalline oxides having a crystal structure suitable for the semiconductor layer of the transistor.
  • a configuration having Zn is preferable.
  • In-Zn oxide and In-Ga-Zn oxide are more suitable than In oxide because they can suppress the generation of grain boundaries.
  • CAAC-OS is a layered crystal in which a layer having indium and oxygen (hereinafter, In layer) and a layer having elements M, zinc, and oxygen (hereinafter, (M, Zn) layer) are laminated. It tends to have a structure (also called a layered structure). Indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M of the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can be expressed as the (In, M, Zn) layer. Further, when the indium of the In layer is replaced with the element M, it can be expressed as the (In, M) layer.
  • CAAC-OS is a metal oxide having a highly crystalline and dense structure and having few impurities and defects (oxygen-deficient Vo, etc.).
  • the CAAC-OS is subjected to heat treatment at a temperature at which the metal oxide does not polycrystallize (for example, 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower), whereby CAAC-OS has a more crystalline and dense structure. Can be.
  • a temperature at which the metal oxide does not polycrystallize for example, 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower
  • the metal oxide having CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, the metal oxide having CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.
  • the oxide 230c is arranged so as to cover the inner wall (side surface and bottom surface) of the groove portion. Further, the film thickness of the oxide 230c is preferably about the same as the depth of the groove.
  • the side surface of the opening in which the conductor 260 and the like are embedded is substantially perpendicular to the surface to be formed of the oxide 230b, including the groove portion of the oxide 230b. It is not limited to this.
  • the bottom of the opening may have a gently curved surface and may have a U-shape.
  • the side surface of the opening may be inclined with respect to the surface to be formed of the oxide 230b.
  • a curved surface may be provided between the side surface of the oxide 230b and the upper surface of the oxide 230b in a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction. That is, the end of the side surface and the end of the upper surface may be curved (hereinafter, also referred to as a round shape).
  • the radius of curvature on the curved surface is preferably larger than 0 nm, smaller than the film thickness of the oxide 230b in the region overlapping the conductor 242, or smaller than half the length of the region having no curved surface.
  • the radius of curvature on the curved surface is larger than 0 nm and 20 nm or less, preferably 1 nm or more and 15 nm or less, and more preferably 2 nm or more and 10 nm or less.
  • the oxide 230 preferably has a laminated structure of a plurality of oxide layers having different chemical compositions.
  • the atomic number ratio of the element M to the main component metal element is the ratio of the element M to the main component metal element in the metal oxide used in the oxide 230b. It is preferably larger than the atomic number ratio.
  • the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230b.
  • the atomic number ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230a.
  • the ratio of the number of indium atoms to the main component metal element in the oxide 230c is the number of indium atoms to the main component metal element in the oxide 230b. It is preferably larger than the ratio.
  • the atomic number ratio of indium to the metal element as the main component is made larger than the atomic number ratio of indium to the metal element as the main component in the oxide 230b to carry the oxide 230c. Can be the main route of.
  • the lower end of the conduction band of the oxide 230c is separated from the vacuum level from the lower end of the conduction band of the oxide 230a and the oxide 230b.
  • the electron affinity of the oxide 230c is preferably larger than the electron affinity of the oxides 230a and 230b.
  • the main path of the carrier is the oxide 230c.
  • M: Zn 4: 2: 3 [atomic number ratio] or a composition in the vicinity thereof
  • M: Zn 5: 1: 3 [atomic number ratio] or its vicinity.
  • Vsh shift voltage measured in a + GBT (Gate Bias Temperature) stress test of the transistor.
  • ⁇ Vsh may shift in the negative direction with the passage of time. Further, ⁇ Vsh may show a behavior that fluctuates in both the negative direction and the positive direction instead of fluctuating in the negative direction. In addition, in this specification and the like, the said behavior may be referred to as a jagged behavior of ⁇ Vsh in the + GBT stress test.
  • ⁇ Vsh By using a metal oxide containing no element M as a main component or a metal oxide having a small ratio of element M as the oxide 230c, for example, ⁇ Vsh can be reduced, the jagged behavior of ⁇ Vsh can be suppressed, and the reliability of the transistor can be suppressed. It is possible to improve the sex.
  • the oxide 230b and the oxide 230c are preferably oxides having crystallinity such as CAAC-OS.
  • Crystalline oxides such as CAAC-OS have a dense structure with high crystallinity with few impurities and defects (oxygen deficiency, etc.). Therefore, it is possible to suppress the extraction of oxygen from the oxide 230b by the source electrode or the drain electrode. As a result, oxygen can be reduced from being extracted from the oxide 230b even if heat treatment is performed, so that the transistor 200 is stable against a high temperature (so-called thermal budget) in the manufacturing process.
  • CAAC-OS As the oxide 230c, and it is preferable that the c-axis of the crystal of the oxide 230c is oriented substantially perpendicular to the surface to be formed or the upper surface of the oxide 230c.
  • CAAC-OS has the property of easily moving oxygen in the direction perpendicular to the c-axis. Therefore, the oxygen contained in the oxide 230c can be efficiently supplied to the oxide 230b.
  • the oxide 230d preferably contains at least one of the metal elements constituting the metal oxide used in the oxide 230c, and more preferably contains all the metal elements.
  • the oxide 230c In-M-Zn oxide, In-Zn oxide, or indium oxide is used as the oxide 230c, and In-M-Zn oxide, M-Zn oxide, or element M is used as the oxide 230d. It is advisable to use the oxide of. As a result, the defect level density at the interface between the oxide 230c and the oxide 230d can be lowered.
  • the lower end of the conduction band of the oxide 230d is closer to the vacuum level than the lower end of the conduction band of the oxide 230c.
  • the electron affinity of the oxide 230d is preferably smaller than the electron affinity of the oxide 230c.
  • the oxide 230d it is preferable to use a metal oxide that can be used for the oxide 230a or the oxide 230b.
  • the main path of the carrier is the oxide 230c.
  • the metal oxide having the composition of the above or the oxide of the element M may be used.
  • the oxide 230d is more preferably a metal oxide that suppresses the diffusion or permeation of oxygen than the oxide 230c.
  • the atomic number ratio of In to the metal element as the main component is smaller than the atomic number ratio of In to the metal element as the main component in the metal oxide used for the oxide 230c.
  • the insulator 250 functions as a gate insulator, if In is mixed in the insulator 250 or the like, the characteristics of the transistor become poor. Therefore, by providing the oxide 230d between the oxide 230c and the insulator 250, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device.
  • the lower end of the conduction band changes gently.
  • the lower end of the conduction band at the junction of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide 230c, and the oxide 230d is continuously changed or continuously bonded.
  • the defect quasi of the mixed layer formed at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b, the interface between the oxide 230b and the oxide 230c, and the interface between the oxide 230c and the oxide 230d It is advisable to lower the position density.
  • the oxide 230a and the oxide 230b, the oxide 230b and the oxide 230c, and the oxide 230c and the oxide 230d have a common element other than oxygen as a main component, so that the defect level density is low.
  • a mixed layer can be formed.
  • the oxide 230b is an In-M-Zn oxide
  • the oxides 230a, 230c, and 230d are In-M-Zn oxide, M-Zn oxide, and element M oxide. In—Zn oxide, indium oxide and the like may be used.
  • a metal oxide having a composition in the vicinity thereof may be used.
  • a metal oxide having a composition may be used.
  • the composition in the vicinity includes a range of ⁇ 30% of the desired atomic number ratio.
  • gallium it is preferable to use gallium as the element M.
  • the above atomic number ratio is not limited to the atomic number ratio of the formed metal oxide, but is the atomic number ratio of the sputtering target used for forming the metal oxide. It may be.
  • the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide 230c, and the oxide 230d As described above, the interface between the oxide 230a and the oxide 230b, the interface between the oxide 230b and the oxide 230c, and the oxide The defect level density at the interface between the 230c and the oxide 230d can be lowered. Therefore, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 200 can obtain a large on-current and high frequency characteristics.
  • Insulator 212, insulator 214, insulator 271, insulator 272, insulator 282, insulator 283, and insulator 286 have impurities such as water and hydrogen from the substrate side or from above the transistor 200. It preferably functions as a barrier insulating film that suppresses diffusion to 200. Therefore, the insulator 212, the insulator 214, the insulator 271, the insulator 272, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 286 are hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, and nitrogen oxide molecules.
  • an insulating material N 2 O, NO, NO 2, etc.
  • an insulating material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one oxygen atom, oxygen molecule, etc.
  • the barrier insulating film refers to an insulating film having a barrier property.
  • the barrier property is defined as a function of suppressing the diffusion of the corresponding substance (also referred to as low permeability).
  • the corresponding substance has a function of capturing and fixing (also called gettering).
  • the insulator 212 it is preferable to use silicon nitride or the like as the insulator 212, the insulator 283, and the insulator 286, and to use aluminum oxide or the like as the insulator 214, the insulator 271, the insulator 272, and the insulator 282.
  • impurities such as water and hydrogen from diffusing from the substrate side to the transistor 200 side via the insulator 212 and the insulator 214.
  • the transistor 200 is made of an insulator 212, an insulator 214, an insulator 271, an insulator 272, an insulator 282, and an insulator 283 having a function of suppressing the diffusion of impurities such as water and hydrogen and oxygen. It is preferable to have a structure that surrounds it.
  • the resistivity of the insulator 212, the insulator 283, and the insulator 286 may be preferable to reduce the resistivity of the insulator 212, the insulator 283, and the insulator 286.
  • the insulator 212, the insulator 283, and the insulator 286 are used in the process of manufacturing the semiconductor device using plasma or the like.
  • the insulator 286 can mitigate the charge-up of the conductor 205, the conductor 242, the conductor 260, or the conductor 246.
  • the resistivity of the insulator 212, the insulator 283, and the insulator 286 is preferably 1 ⁇ 10 10 ⁇ cm or more and 1 ⁇ 10 15 ⁇ cm or less.
  • the insulator 216 and the insulator 280 have a lower dielectric constant than the insulator 214.
  • a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
  • silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide having pores, and the like are used. It may be used as appropriate.
  • the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 are formed by a sputtering method.
  • the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 formed by the sputtering method are preferable because the hydrogen concentration in the film is low. Further, it is preferable that the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 are continuously formed without being exposed to the atmospheric environment.
  • the film By forming the film without opening it to the atmosphere, it is possible to prevent impurities or moisture from the atmospheric environment from adhering to the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216, and the insulator 212 and the insulator 214 It is preferable because the interface and the vicinity of the interface of the above, and the interface and the vicinity of the interface between the insulator 214 and the insulator 216 can be kept clean. A description of an apparatus capable of continuously forming a film will be described later.
  • the oxide 230c and the oxide 230d are arranged only near the bottom of the insulator 280, the insulator 272, and the opening provided in the insulator 271. It has a structure.
  • the above configuration suppresses the occurrence of a current leak path between the transistor 200 and the transistor 200 adjacent to the transistor 200. be able to. Details will be described below.
  • the conductor 205 By applying a negative potential to the conductor 205 that functions as the second gate electrode, it may be possible to suppress the generation of parasitic channels in the oxide 230c and the oxide 230d.
  • the distance between the conductor 205 and the oxide 230c and the oxide 230d becomes relatively short.
  • the potential of the conductor 205 sufficiently reaches the entire oxide 230c and the oxide 230d. Therefore, the generation of parasitic channels can be suppressed in the oxide 230c and the oxide 230d as a whole. As a result, it is possible to suppress the occurrence of a current leak path between the transistor 200 and the transistor 200 adjacent to the transistor 200.
  • the threshold voltage (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 with the potential applied to the conductor 260. In particular, by applying a negative potential to the conductor 205, it is possible to increase the Vth of the transistor 200 and reduce the off-current.
  • the conductor 205 is arranged so as to overlap the oxide 230 and the conductor 260. Further, it is preferable that the conductor 205 is embedded in the insulator 214 or a part of the insulator 214 and the insulator 216.
  • the conductor 205 may be provided larger than the size of the region of the oxide 230a and the oxide 230b that does not overlap with the conductor 242a and the conductor 242b.
  • the conductor 205 is also stretched in a region outside the end portion of the oxide 230a and the oxide 230b intersecting the channel width direction. That is, it is preferable that the conductor 205 and the conductor 260 are superposed on each other via an insulator on the outside of the side surface of the oxide 230a and the oxide 230b in the channel width direction.
  • the channel forming region of the oxide 230 is electrically surrounded by the electric field of the conductor 260 that functions as the first gate electrode and the electric field of the conductor 205 that functions as the second gate electrode. Can be done.
  • the structure of the transistor that electrically surrounds the channel forming region by the electric fields of the first gate and the second gate is referred to as a Surrounded channel (S-channel) structure.
  • the transistor having the S-channel structure represents the structure of the transistor that electrically surrounds the channel formation region by the electric fields of one and the other of the pair of gate electrodes.
  • the S-channel structure disclosed in the present specification and the like is different from the Fin type structure and the planar type structure.
  • the conductor 205 is stretched to function as wiring.
  • the present invention is not limited to this, and a conductor that functions as wiring may be provided under the conductor 205. Further, it is not always necessary to provide one conductor 205 for each transistor. For example, the conductor 205 may be shared by a plurality of transistors.
  • the conductor 205 shows a configuration in which the conductor 205a and the conductor 205b are laminated, but the present invention is not limited to this.
  • the conductor 205 may be provided as a single layer or a laminated structure having three or more layers. When the structure has a laminated structure, an ordinal number may be given in the order of formation to distinguish them.
  • the conductor 205a is a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, nitric oxide molecule (N 2 O, NO, etc. NO 2), the function of suppressing the diffusion of impurities such as copper atoms It is preferable to use a conductive material having. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one oxygen atom, oxygen molecule, etc.).
  • the conductor 205a By using a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for the conductor 205a, it is possible to prevent the conductor 205b from being oxidized and the conductivity from being lowered.
  • the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used. Therefore, as the conductor 205a, the conductive material may be a single layer or a laminated material.
  • the conductor 205a may be a laminate of tantalum, tantalum nitride, ruthenium, or ruthenium oxide and titanium or titanium nitride.
  • the conductor 205a may be formed by using the ionization sputtering method described later.
  • the conductor 205b it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • the conductor 205b is shown as a single layer, it may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.
  • the insulator 222 and the insulator 224 function as a gate insulator.
  • the insulator 222 has a function of suppressing the diffusion of hydrogen (for example, at least one hydrogen atom, hydrogen molecule, etc.). Further, the insulator 222 preferably has a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one oxygen atom, oxygen molecule, etc.). For example, the insulator 222 preferably has a function of suppressing the diffusion of one or both of hydrogen and oxygen more than the insulator 224.
  • the insulator 222 it is preferable to use an insulator containing oxides of one or both of aluminum and hafnium.
  • the insulator it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate) and the like.
  • the insulator 222 releases oxygen from the oxide 230 to the substrate side and diffuses impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 200 to the oxide 230. Functions as a layer that suppresses.
  • the insulator 222 it is possible to suppress the diffusion of impurities such as hydrogen into the inside of the transistor 200 and suppress the generation of oxygen deficiency in the oxide 230. Further, it is possible to suppress the conductor 205 from reacting with the oxygen contained in the insulator 224 and the oxide 230.
  • aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide may be added to the insulator.
  • these insulators may be nitrided.
  • the insulator 222 may be used by laminating silicon oxide, silicon oxide or silicon nitride on these insulators.
  • the insulator 222 includes, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTIO 3 ), (Ba, Sr) TiO 3 (BST) and the like. Insulators containing so-called high-k materials may be used in single layers or in layers. As the miniaturization and high integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulator. By using a high-k material for an insulator that functions as a gate insulator, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.
  • the insulator 224 in contact with the oxide 230 desorbs oxygen by heating.
  • the insulator 224 silicon oxide, silicon oxide nitride, or the like may be appropriately used.
  • an oxide material in which a part of oxygen is desorbed by heating in other words, an insulator material having an excess oxygen region.
  • Oxides that desorb oxygen by heating are those in which the amount of desorbed oxygen molecules is 1.0 ⁇ 10 18 molecules / cm 3 or more, preferably 1.0 ⁇ 10 19 molecules, as determined by TDS (Thermal Desortion Spectropy) analysis.
  • the surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, or 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
  • the insulator having the excess oxygen region and the oxide 230 may be brought into contact with each other to perform one or more of heat treatment, microwave treatment, or RF treatment.
  • heat treatment microwave treatment, or RF treatment.
  • water or hydrogen in the oxide 230 can be removed.
  • a reaction bond defects that contains hydrogen to an oxygen vacancy (V O H) is cut occurs, a reaction occurs that when other words "V O H ⁇ V O + H", dehydrogenation Can be transformed into.
  • V O H oxygen vacancy
  • the hydrogen generated as oxygen combines with H 2 O, it may be removed from the oxide 230 or oxide 230 near the insulator.
  • a part of hydrogen may be diffused or captured (also referred to as gettering) in the conductor 242.
  • the microwave processing for example, it is preferable to use an apparatus having a power source for generating high-density plasma or an apparatus having a power source for applying RF to the substrate side.
  • an apparatus having a power source for generating high-density plasma for example, by using a gas containing oxygen and using a high-density plasma, high-density oxygen radicals can be generated, and by applying RF to the substrate side, the oxygen radicals generated by the high-density plasma can be generated.
  • the pressure may be 133 Pa or more, preferably 200 Pa or more, and more preferably 400 Pa or more.
  • oxygen and argon are used as the gas to be introduced into the apparatus for performing microwave treatment, and the oxygen flow rate ratio (O 2 / (O 2 + Ar)) is 50% or less, preferably 10% or more and 30. It is recommended to use less than%.
  • the heat treatment may be performed, for example, at 100 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, more preferably 350 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
  • the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas.
  • the heat treatment is preferably performed in an oxygen atmosphere.
  • oxygen can be supplied to the oxide 230 to reduce oxygen deficiency ( VO ).
  • the heat treatment may be performed in a reduced pressure state.
  • the heat treatment may be carried out in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas.
  • the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of the oxidizing gas, and then the heat treatment may be continuously performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas.
  • the insulator 222 and the insulator 224 may have a laminated structure of two or more layers.
  • the laminated structure is not limited to the same material, and may be a laminated structure made of different materials.
  • Oxide 243 (oxide 243a and oxide 243b) may be provided on the oxide 230b.
  • Oxide 243 (oxide 243a and oxide 243b) preferably has a function of suppressing oxygen permeation.
  • the oxide 243 having a function of suppressing the permeation of oxygen between the conductor 242 functioning as a source electrode or a drain electrode and the oxide 230b, electricity between the conductor 242 and the oxide 230b can be obtained. This is preferable because the resistance is reduced. With such a configuration, the electrical characteristics of the transistor 200 and the reliability of the transistor 200 can be improved. If the electrical resistance between the conductor 242 and the oxide 230b can be sufficiently reduced, the oxide 243 may not be provided.
  • a metal oxide having an element M may be used.
  • the element M aluminum, gallium, yttrium, or tin may be used.
  • Oxide 243 preferably has a higher concentration of element M than oxide 230b.
  • gallium oxide may be used as the oxide 243.
  • a metal oxide such as In—M—Zn oxide may be used.
  • the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230b.
  • the film thickness of the oxide 243 is preferably 0.5 nm or more and 5 nm or less, more preferably 1 nm or more and 3 nm or less, and further preferably 1 nm or more and 2 nm or less. Further, the oxide 243 is preferably crystalline. When the oxide 243 has crystallinity, the release of oxygen in the oxide 230 can be suitably suppressed. For example, as the oxide 243, if it has a crystal structure such as a hexagonal crystal, the release of oxygen in the oxide 230 may be suppressed.
  • the oxide film to be the oxide 230a, the oxide film to be the oxide 230b, and the oxide film to be the oxide 243 are continuously formed without being exposed to the atmospheric environment.
  • the film without opening it to the atmosphere it is possible to prevent impurities or moisture from the atmospheric environment from adhering to the oxide film that becomes oxide 230a, the oxide film that becomes oxide 230b, and the oxide film that becomes oxide 243.
  • the conductor 242a is provided on the oxide 243a, and the conductor 242b is provided on the oxide 243b.
  • the conductor 242a and the conductor 242b function as a source electrode or a drain electrode of the transistor 200, respectively.
  • Examples of the conductors 242 include nitrides containing tantalum, nitrides containing titanium, nitrides containing molybdenum, nitrides containing tungsten, and nitrides containing tantalum and aluminum. It is preferable to use a nitride containing titanium and aluminum. In one aspect of the invention, tantalum-containing nitrides are particularly preferred. Further, for example, ruthenium oxide, ruthenium nitride, an oxide containing strontium and ruthenium, an oxide containing lantern and nickel, and the like may be used. These materials are preferable because they are conductive materials that are difficult to oxidize or materials that maintain conductivity even when oxygen is absorbed.
  • the conductor 242 comes into contact with the oxide 230b or the oxide 230c, so that oxygen in the oxide 230b or the oxide 230c diffuses into the conductor 242, and the conductor 242 becomes the conductor 242. May oxidize. It is highly probable that the conductivity of the conductor 242 will decrease due to the oxidation of the conductor 242.
  • the diffusion of oxygen in the oxide 230b or the oxide 230c to the conductor 242 can be rephrased as the conductor 242 absorbing the oxygen in the oxide 230b or the oxide 230c.
  • oxygen in the oxide 230b or the oxide 230c diffuses into the conductor 242a and the conductor 242b, so that between the conductor 242a and the oxide 230b and between the conductor 242b and the oxide 230b, Alternatively, a layer may be formed between the conductor 242a and the oxide 230c, and between the conductor 242b and the oxide 230c. Since the layer contains more oxygen than the conductor 242a or the conductor 242b, it is presumed that the layer has insulating properties.
  • the three-layer structure of the conductor 242a or the conductor 242b, the layer, and the oxide 230b or the oxide 230c can be regarded as a three-layer structure composed of a metal, an insulator, and a semiconductor
  • MIS Metal
  • It can be regarded as a -Insulator-Semiconductor) structure or a diode junction structure mainly composed of a MIS structure.
  • hydrogen contained in the oxide 230b, the oxide 230c, etc. may diffuse into the conductor 242a or the conductor 242b.
  • the hydrogen contained in the oxide 230b, the oxide 230c, etc. is easily diffused into the conductor 242a or the conductor 242b, and the diffused hydrogen. May combine with the nitrogen contained in the conductor 242a or the conductor 242b. That is, hydrogen contained in the oxide 230b, the oxide 230c, and the like may be absorbed by the conductor 242a or the conductor 242b.
  • a curved surface between the side surface of the conductor 242 and the upper surface of the conductor 242. That is, the side edge and the top edge may be curved.
  • the curved surface has, for example, a radius of curvature of 3 nm or more and 10 nm or less, preferably 5 nm or more and 6 nm or less at the end of the conductor 242.
  • the insulator 272 is provided so as to cover the side surfaces of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide 243, the conductor 242, and the insulator 271, and preferably functions as a barrier insulating film against oxygen at least. Therefore, it is preferable that the insulator 272 has a function of suppressing the diffusion of oxygen. For example, the insulator 272 preferably has a function of suppressing the diffusion of oxygen more than the insulator 280. As the insulator 272, for example, it is preferable to form an insulator containing oxides of one or both of aluminum and hafnium.
  • the insulator 272 is preferably formed by forming aluminum oxide or hafnium oxide in an atmosphere containing oxygen by a bias sputtering method.
  • the bias sputtering method is a method of sputtering while applying RF power to a substrate.
  • a bias potential a negative potential
  • + ions in the plasma are accelerated by this bias potential and injected into the substrate.
  • the bias potential can be controlled by the magnitude of the RF power applied to the substrate.
  • oxygen can be injected into the insulator 224 by forming aluminum oxide or hafnium oxide in an atmosphere containing oxygen by the bias sputtering method. Further, since the amount of oxygen injected into the insulator 224 can be controlled by adjusting the RF power applied to the substrate, the amount of oxygen injected into the insulator 224 can be optimized.
  • the insulator 271 is provided in contact with the upper surface of the conductor 242, and like the insulator 272, it preferably functions as a barrier insulating film against at least oxygen. Therefore, it is preferable that the insulator 271 also has a function of suppressing the diffusion of oxygen. For example, the insulator 271 preferably has a function of suppressing the diffusion of oxygen more than the insulator 280.
  • the insulator 271 for example, an insulator containing oxides of one or both of aluminum and hafnium may be formed. Further, as the insulator 271, for example, an insulator containing silicon nitride may be used.
  • the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide 243, and the conductor 242 can be separated from the insulator 280. Therefore, it is possible to suppress the direct diffusion of oxygen from the insulator 280 into the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide 243, and the conductor 242. This can prevent excess oxygen from being supplied to the source and drain regions of the oxide 230 and reducing the carrier density in the source and drain regions. In addition, it is possible to prevent the conductor 242 from being excessively oxidized to increase the resistivity and reduce the on-current.
  • the insulator 250 functions as a gate insulator.
  • the insulator 250 is preferably arranged in contact with the upper surface of the oxide 230d.
  • the insulator 250 includes silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, silicon oxide having pores, and the like. Can be used. In particular, silicon oxide and silicon nitride nitride are preferable because they are stable against heat.
  • the insulator 250 is preferably formed by using an insulator that releases oxygen by heating.
  • an insulator that releases oxygen by heating As an insulator 250 in contact with the upper surface of the oxide 230d, oxygen is effectively applied to the channel forming region of the oxide 230b via the oxide 230d and the oxide 230c. Can be supplied to reduce oxygen deficiency in the channel-forming region of oxide 230b. Therefore, it is possible to provide a transistor that suppresses fluctuations in electrical characteristics, has stable electrical characteristics, and has improved reliability.
  • the concentration of impurities such as water and hydrogen in the insulator 250 is reduced.
  • the film thickness of the insulator 250 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.
  • the insulator 250 is shown as a single layer in FIGS. 1B and 1C, it may have a laminated structure of two or more layers.
  • the lower layer of the insulator 250 forms an insulator in which oxygen is released by heating
  • the upper layer of the insulator 250 is an insulator having a function of suppressing the diffusion of oxygen. It is preferable to form a body. With such a configuration, oxygen contained in the lower layer of the insulator 250 can be suppressed from diffusing into the conductor 260. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 230.
  • the lower layer of the insulator 250 can be provided by using a material that can be used for the insulator 250 described above, and the upper layer of the insulator 250 can be provided by using the same material as the insulator 222.
  • an insulating material which is a high-k material having a high relative permittivity may be used for the upper layer of the insulator 250.
  • the gate insulator By forming the gate insulator into a laminated structure of the lower layer of the insulator 250 and the upper layer of the insulator 250, it is possible to obtain a laminated structure that is stable against heat and has a high relative permittivity. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during transistor operation while maintaining the physical film thickness of the gate insulator.
  • the equivalent oxide film thickness (EOT) of the insulator that functions as the gate insulator can be thinned.
  • a thing or a metal oxide that can be used as the oxide 230 can be used.
  • the lower layer of the insulator 250 may form an insulator having a function of suppressing the diffusion of oxygen.
  • oxygen contained in the insulator 280 can be suppressed from diffusing into the conductor 260. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 230.
  • the lower layer of the insulator 250 forms an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen. With such a configuration, impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 280 can be suppressed from diffusing into the oxide 230.
  • the lower layer of the insulator 250 can be provided using the same material as the insulator 222.
  • an insulating material which is a high-k material having a high relative permittivity may be used for the lower layer of the insulator 250.
  • the gate insulator By forming the gate insulator into a laminated structure of the lower layer of the insulator 250 and the upper layer of the insulator 250, it is possible to obtain a laminated structure that is stable against heat and has a high relative permittivity. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during transistor operation while maintaining the physical film thickness of the gate insulator.
  • the equivalent oxide film thickness (EOT) of the insulator that functions as the gate insulator can be thinned.
  • a thing or a metal oxide that can be used as the oxide 230 can be used.
  • a metal oxide may be provided between the insulator 250 and the conductor 260.
  • the metal oxide preferably suppresses the diffusion of oxygen from the insulator 250 to the conductor 260.
  • the diffusion of oxygen from the insulator 250 to the conductor 260 is suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 230.
  • the oxidation of the conductor 260 by oxygen of the insulator 250 can be suppressed.
  • the metal oxide has a function as a part of the first gate electrode.
  • a metal oxide that can be used as the oxide 230 can be used as the metal oxide.
  • the conductor 260a by forming the conductor 260a into a film by a sputtering method, the electric resistance value of the metal oxide can be lowered to form a conductor. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.
  • the metal oxide By having the metal oxide, it is possible to improve the on-current of the transistor 200 without weakening the influence of the electric field from the conductor 260. Further, by keeping the distance between the conductor 260 and the oxide 230 due to the physical thickness of the insulator 250 and the metal oxide, the leakage current between the conductor 260 and the oxide 230 is maintained. Can be suppressed. Further, by providing the laminated structure of the insulator 250 and the metal oxide, the physical distance between the conductor 260 and the oxide 230 and the electric field strength applied from the conductor 260 to the oxide 230 can be determined. It can be easily adjusted as appropriate.
  • the conductor 260 functions as the first gate electrode of the transistor 200.
  • the conductor 260 preferably has a conductor 260a and a conductor 260b arranged on the conductor 260a.
  • the conductor 260a is preferably arranged so as to wrap the bottom surface and the side surface of the conductor 260b.
  • the upper surface of the conductor 260 substantially coincides with the upper surface of the insulator 250.
  • the conductor 260 is shown as a two-layer structure of the conductor 260a and the conductor 260b in FIGS. 1B and 1C, it may be a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers.
  • the conductor 260a it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atom, hydrogen molecule, water molecule, nitrogen atom, nitrogen molecule, nitrogen oxide molecule and copper atom.
  • impurities such as hydrogen atom, hydrogen molecule, water molecule, nitrogen atom, nitrogen molecule, nitrogen oxide molecule and copper atom.
  • a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one oxygen atom, oxygen molecule, etc.
  • the conductor 260a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 260b from being oxidized by the oxygen contained in the insulator 250 and the conductivity from being lowered.
  • the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used.
  • the conductor 260 also functions as wiring, it is preferable to use a conductor having high conductivity.
  • a conductor having high conductivity for example, as the conductor 260b, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used.
  • the conductor 260b may have a laminated structure, for example, titanium or a laminated structure of titanium nitride and the conductive material.
  • the conductor 260 is self-consistently formed so as to fill the opening formed in the insulator 280 or the like.
  • the conductor 260 can be reliably arranged in the region between the conductor 242a and the conductor 242b without aligning the conductor 260.
  • the height is preferably lower than the height of the bottom surface of the oxide 230b.
  • the conductor 260 which functions as a gate electrode, covers the side surface and the upper surface of the channel forming region of the oxide 230b via an insulator 250 or the like, so that the electric field of the conductor 260 is covered with the channel forming region of the oxide 230b. It becomes easier to act on the whole. Therefore, the on-current of the transistor 200 can be increased and the frequency characteristics can be improved.
  • the difference is 0 nm or more and 100 nm or less, preferably 3 nm or more and 50 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 20 nm or less.
  • the insulator 280 is provided on the insulator 224, the oxide 230, the conductor 242, the insulator 271, and the insulator 272. Further, the upper surface of the insulator 280 may be flattened.
  • the insulator 280 that functions as an interlayer film preferably has a low dielectric constant.
  • a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
  • the insulator 280 is provided by using the same material as the insulator 216, for example.
  • silicon oxide and silicon oxide nitride are preferable because they are thermally stable.
  • materials such as silicon oxide, silicon oxide nitride, and silicon oxide having pores are preferable because a region containing oxygen desorbed by heating can be easily formed.
  • the concentration of impurities such as water and hydrogen in the insulator 280 is reduced.
  • the insulator 280 preferably has a low hydrogen concentration and an excess oxygen region or an excess oxygen, and may be provided by using the same material as the insulator 216, for example.
  • the insulator 280 may have a structure in which the above materials are laminated.
  • the insulator is formed by a silicon oxide film formed by a sputtering method and a chemical vapor deposition (CVD) method laminated on the silicon oxide. It may be a laminated structure of filmed silicon oxide. Further, silicon nitride may be further laminated on top of it.
  • the insulator 282 or the insulator 283 preferably functions as a barrier insulating film that suppresses impurities such as water and hydrogen from diffusing into the insulator 280 from above. Further, the insulator 282 or the insulator 283 preferably functions as a barrier insulating film that suppresses the permeation of oxygen.
  • an insulator such as aluminum oxide, silicon nitride, or silicon nitride may be used as the insulator 282, and silicon nitride having a high blocking property against hydrogen may be used as the insulator 283.
  • the conductor 240a and the conductor 240b it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • the conductor 240a and the conductor 240b may have a laminated structure.
  • the conductor 240a and the conductor 240b have a circular shape when viewed from above, but the present invention is not limited to this.
  • the conductor 240a and the conductor 240b may have a substantially circular shape such as an ellipse, a polygonal shape such as a quadrangle, or a polygonal shape such as a quadrangle with rounded corners in a top view.
  • the conductor in contact with the insulator 283, the insulator 282, the insulator 280, and the insulator 271 has a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen.
  • a sex material For example, tantalum, tantalum nitride, titanium, titanium nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used.
  • the conductive material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen may be used in a single layer or in a laminated state. Further, it is possible to prevent impurities such as water and hydrogen contained in the layer above the insulator 283 from being mixed into the oxide 230 through the conductor 240a and the conductor 240b.
  • the conductor 240 has a laminated structure, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen as the lower layer.
  • a conductive material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen is preferably used.
  • impurities such as water or hydrogen diffused from the insulator 280 and the like can be further reduced from being mixed into the oxide 230 through the conductor 240.
  • the upper layer it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • an insulator such as silicon nitride, aluminum oxide, or silicon nitride may be used. Since the insulator 241a and the insulator 241b are provided in contact with the insulator 280, impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 280 and the like are prevented from being mixed into the oxide 230 through the conductor 240a and the conductor 240b. It can be suppressed.
  • silicon nitride is suitable because it has a high blocking property against hydrogen. Further, it is possible to prevent oxygen contained in the insulator 280 from being absorbed by the conductor 240a and the conductor 240b.
  • the conductor 246 (conductor 246a and conductor 246b) which is in contact with the upper surface of the conductor 240a and the upper surface of the conductor 240b and functions as wiring may be arranged.
  • the conductor 246 it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • the conductor may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.
  • the conductor may be formed so as to be embedded in an opening provided in the insulator.
  • the insulator 286 is provided on the conductor 246 and on the insulator 283.
  • the conductor 246 and the side surface of the conductor 246 are in contact with the insulator 286, and the lower surface of the conductor 246 is in contact with the insulator 283. That is, the conductor 246 can be configured to be wrapped with the insulator 283 and the insulator 286. With such a configuration, it is possible to suppress the permeation of oxygen from the outside and prevent the oxidation of the conductor 246. Further, it is preferable because impurities such as water and hydrogen can be prevented from diffusing from the conductor 246 to the outside.
  • an insulator substrate 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 (yttria-stabilized zirconia substrate, etc.), a resin substrate, and the like.
  • the semiconductor substrate include a semiconductor substrate made of silicon and germanium, and a compound semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, and gallium oxide.
  • the conductor substrate includes a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate.
  • a substrate having a metal nitride a substrate having a metal oxide, and the like.
  • a substrate in which a conductor or a semiconductor is provided in an insulator substrate a substrate in which a conductor or an insulator is provided in a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided in a conductor substrate, and the like.
  • those substrates provided with elements may be used.
  • Elements provided on the substrate include capacitive elements, resistance elements, switch elements, light emitting elements, storage elements, and the like.
  • Insulator examples include oxides, nitrides, oxide nitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxide nitrides, and metal nitride oxides having insulating properties.
  • the material may be selected according to the function of the insulator.
  • Examples of the insulator having a high specific dielectric constant include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides having aluminum and hafnium, nitrides having aluminum and hafnium, oxides having silicon and hafnium, silicon and hafnium. There are nitrides having oxides, or nitrides having silicon and hafnium.
  • Examples of the insulator having a low relative permittivity include silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, silicon oxide having pores, or silicon oxide having pores. There is resin etc.
  • the electric characteristics of the transistor can be stabilized by surrounding the transistor using the metal oxide with an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen.
  • the insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, and zirconium. Insulators containing, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used in single layers or in layers.
  • an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen
  • Metal oxides such as tantalum oxide and metal nitrides such as aluminum nitride, silicon nitride and silicon nitride can be used.
  • the insulator that functions as a gate insulator is preferably an insulator having a region containing oxygen that is desorbed by heating.
  • the oxygen deficiency of the oxide 230 can be compensated.
  • Conductors include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, and lanthanum. It is preferable to use a metal element selected from the above, an alloy containing the above-mentioned metal element as a component, an alloy in which the above-mentioned metal element is combined, or the like.
  • tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, oxides containing lanthanum and nickel, etc. are used. Is preferable.
  • tantalum nitride, titanium nitride, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, and oxides containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize.
  • a plurality of conductive layers formed of the above materials may be laminated and used.
  • a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined.
  • a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing nitrogen are combined.
  • a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element, a conductive material containing oxygen, and a conductive material containing nitrogen are combined.
  • the conductor functioning as the gate electrode shall have a laminated structure in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined. Is preferable.
  • a conductive material containing oxygen may be provided on the channel forming region side.
  • a conductor that functions as a gate electrode it is preferable to use a conductive material containing a metal element and oxygen contained in a metal oxide in which a channel is formed.
  • the above-mentioned conductive material containing a metal element and nitrogen may be used.
  • a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride and 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, and silicon were added.
  • Indium tin oxide may be used.
  • indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used.
  • Metal Oxide As the oxide 230, it is preferable to use a metal oxide (oxide semiconductor) that functions as a semiconductor.
  • a metal oxide oxide semiconductor
  • the metal oxide applicable to the oxide 230 according to the present invention will be described.
  • the metal oxide preferably contains at least indium or zinc. In particular, it preferably contains indium and zinc. In addition to them, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin and the like are contained. It may also contain one or more selected from boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, cobalt and the like. ..
  • FIG. 2A is a diagram illustrating classification of crystal structures of oxide semiconductors, typically IGZO (metal oxides containing In, Ga, and Zn).
  • IGZO metal oxides containing In, Ga, and Zn
  • oxide semiconductors are roughly classified into “Amorphous (amorphous)”, “Crystalline (crystallinity)", and “Crystal (crystal)”.
  • Amorphous includes “completable amorphous”.
  • the "Crystalline” includes CAAC (c-axis-aligned crystalline), nc (nanocrystalline), and CAC (cloud-aligned crystal) (extracting single crystal crystal).
  • single crystal, poly crystal, and single crystal amorphous are excluded from the classification of "Crystalline”.
  • “Crystal” includes single crystal and poly crystal.
  • the structure in the thick frame shown in FIG. 2A is an intermediate state between "Amorphous” and “Crystal", and belongs to a new boundary region (New crystal line phase). .. That is, the structure can be rephrased as a structure completely different from the energetically unstable "Amorphous” and "Crystal".
  • the crystal structure of the film or substrate can be evaluated using an X-ray diffraction (XRD: X-Ray Evaluation) spectrum.
  • XRD X-ray diffraction
  • FIG. 2B the XRD spectrum obtained by GIXD (Glazing-Incidence XRD) measurement of a CAAC-IGZO film classified as "Crystalline" is shown in FIG. 2B.
  • the GIXD method is also referred to as a thin film method or a Seemann-Bohlin method.
  • the XRD spectrum obtained by the GIXD measurement shown in FIG. 2B will be simply referred to as an XRD spectrum.
  • the thickness of the CAAC-IGZO film shown in FIG. 2B is 500 nm.
  • a peak showing clear crystallinity is detected in the XRD spectrum of the CAAC-IGZO film.
  • the crystal structure of the film or substrate can be evaluated by a diffraction pattern (also referred to as a microelectron diffraction pattern) observed by a micro electron diffraction method (NBED: Nano Beam Electron Diffraction).
  • the diffraction pattern of the CAAC-IGZO film is shown in FIG. 2C.
  • FIG. 2C is a diffraction pattern observed by the NBED in which the electron beam is incident parallel to the substrate.
  • electron beam diffraction is performed with the probe diameter set to 1 nm.
  • oxide semiconductors may be classified differently from FIG. 2A.
  • oxide semiconductors are divided into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors.
  • the non-single crystal oxide semiconductor include the above-mentioned CAAC-OS and nc-OS.
  • the non-single crystal oxide semiconductor includes a polycrystalline oxide semiconductor, a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like OS: amorphous-like oxide semiconductor), an amorphous oxide semiconductor, and the like.
  • CAAC-OS CAAC-OS
  • nc-OS nc-OS
  • a-like OS the details of the above-mentioned CAAC-OS, nc-OS, and a-like OS will be described.
  • CAAC-OS is an oxide semiconductor having a plurality of crystal regions, the plurality of crystal regions having the c-axis oriented in a specific direction.
  • the specific direction is the thickness direction of the CAAC-OS film, the normal direction of the surface to be formed of the CAAC-OS film, or the normal direction of the surface of the CAAC-OS film.
  • the crystal region is a region having periodicity in the atomic arrangement. When the atomic arrangement is regarded as a lattice arrangement, the crystal region is also a region in which the lattice arrangement is aligned. Further, the CAAC-OS has a region in which a plurality of crystal regions are connected in the ab plane direction, and the region may have distortion.
  • the strain refers to a region in which a plurality of crystal regions are connected in which the orientation of the lattice arrangement changes between a region in which the lattice arrangement is aligned and a region in which another grid arrangement is aligned.
  • CAAC-OS is an oxide semiconductor that is c-axis oriented and not clearly oriented in the ab plane direction.
  • Each of the plurality of crystal regions is composed of one or a plurality of minute crystals (crystals having a maximum diameter of less than 10 nm).
  • the maximum diameter of the crystal region is less than 10 nm.
  • the size of the crystal region may be about several tens of nm.
  • CAAC-OS has indium (In) and oxygen. It tends to have a layered crystal structure (also referred to as a layered structure) in which a layer (hereinafter, In layer) and a layer having elements M, zinc (Zn), and oxygen (hereinafter, (M, Zn) layer) are laminated. There is. Indium and element M can be replaced with each other. Therefore, the (M, Zn) layer may contain indium. In addition, the In layer may contain the element M. In addition, Zn may be contained in the In layer.
  • the layered structure is observed as a lattice image in, for example, a high-resolution TEM image.
  • the position of the peak indicating the c-axis orientation may vary depending on the type and composition of the metal elements constituting CAAC-OS.
  • a plurality of bright spots are observed in the electron diffraction pattern of the CAAC-OS film. Note that a certain spot and another spot are observed at point-symmetrical positions with the spot of the incident electron beam passing through the sample (also referred to as a direct spot) as the center of symmetry.
  • the lattice arrangement in the crystal region is based on a hexagonal lattice, but the unit lattice is not limited to a regular hexagon and may be a non-regular hexagon. Further, in the above strain, it may have a lattice arrangement such as a pentagon or a heptagon.
  • a clear grain boundary cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because CAAC-OS can tolerate distortion because the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to the substitution of metal atoms. It is thought that this is the reason.
  • CAAC-OS for which no clear crystal grain boundary is confirmed, is one of the crystalline oxides having a crystal structure suitable for the semiconductor layer of the transistor.
  • a configuration having Zn is preferable.
  • In-Zn oxide and In-Ga-Zn oxide are more suitable than In oxide because they can suppress the generation of grain boundaries.
  • CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity and no clear grain boundaries can be confirmed. Therefore, it can be said that CAAC-OS is unlikely to cause a decrease in electron mobility due to grain boundaries. Further, since the crystallinity of the oxide semiconductor may decrease due to the mixing of impurities or the generation of defects, CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor having few impurities and defects (oxygen deficiency, etc.). Therefore, the oxide semiconductor having CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, the oxide semiconductor having CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability. CAAC-OS is also stable against high temperatures in the manufacturing process (so-called thermal budget). Therefore, if CAAC-OS is used as the OS transistor, the degree of freedom in the manufacturing process can be expanded.
  • nc-OS has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 10 nm or less, particularly a region of 1 nm or more and 3 nm or less).
  • nc-OS has tiny crystals. Since the size of the minute crystal is, for example, 1 nm or more and 10 nm or less, particularly 1 nm or more and 3 nm or less, the minute crystal is also referred to as a nanocrystal.
  • nc-OS does not show regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film.
  • the nc-OS may be indistinguishable from the a-like OS and the amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.
  • a peak indicating crystallinity is not detected in the Out-of-plane XRD measurement using a ⁇ / 2 ⁇ scan.
  • electron beam diffraction also referred to as limited field electron diffraction
  • a diffraction pattern such as a halo pattern is performed. Is observed.
  • electron diffraction also referred to as nanobeam electron diffraction
  • an electron beam having a probe diameter for example, 1 nm or more and 30 nm or less
  • An electron diffraction pattern in which a plurality of spots are observed in a ring-shaped region centered on a direct spot may be acquired.
  • 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 void or low density region. That is, the a-like OS has lower crystallinity than the nc-OS and CAAC-OS.
  • a-like OS has a higher hydrogen concentration in the membrane than nc-OS and CAAC-OS.
  • CAC-OS relates to the material composition.
  • CAC-OS is, for example, a composition of a material in which the elements constituting the metal oxide are unevenly distributed in a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 3 nm or less, or a size close thereto.
  • the metal oxide one or more metal elements are unevenly distributed, and the region having the metal element has a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 1 nm or more and 3 nm or less, or a size close thereto.
  • the mixed state is also called a mosaic shape or a patch shape.
  • CAC-OS has a structure in which a material is separated into a first region and a second region to form a mosaic shape, and the first region is distributed in a film (hereinafter, also referred to as a cloud shape). It says.). That is, CAC-OS is a composite metal oxide having a structure in which the first region and the second region are mixed.
  • the atomic number ratios of In, Ga, and Zn to the metal elements constituting CAC-OS in the In-Ga-Zn oxide are referred to as [In], "Ga”, and [Zn], respectively.
  • the first region is a region where [In] is larger than [In] in the composition of the CAC-OS film, and the second region is.
  • [Ga] is a region larger than [Ga] in the composition of the CAC-OS membrane, or, for example, in the first region, [In] is larger than [In] in the second region.
  • [Ga] is a region smaller than [Ga] in the second region. In the second region, [Ga] is larger than [Ga] in the first region, and [Ga] is [.
  • In] is a region smaller than [In] in the first region.
  • the first region is a region in which indium oxide, indium zinc oxide, or the like is the main component.
  • the second region is a region in which gallium oxide, gallium zinc oxide, or the like is the main component. That is, the first region can be rephrased as a region containing In as a main component. Further, the second region can be rephrased as a region containing Ga as a main component.
  • a region containing In as a main component (No. 1) by EDX mapping acquired by using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX: Energy Dispersive X-ray spectroscopy). It can be confirmed that the region (1 region) and the region containing Ga as a main component (second region) have a structure in which they are unevenly distributed and mixed.
  • EDX Energy Dispersive X-ray spectroscopy
  • CAC-OS When CAC-OS is used for a transistor, the conductivity caused by the first region and the insulating property caused by the second region act in a complementary manner to switch the switching function (On / Off function). Can be added to CAC-OS. That is, the CAC-OS has a conductive function in a part of the material and an insulating function in a part of the material, and has a function as a semiconductor in the whole material. By separating the conductive function and the insulating function, both functions can be maximized. Therefore, by using CAC-OS for the transistor, high on-current (Ion), high field effect mobility ( ⁇ ), and good switching operation can be realized.
  • Ion on-current
  • ⁇ high field effect mobility
  • Oxide semiconductors have various structures, and each has different characteristics.
  • the oxide semiconductor according to one aspect of the present invention has two or more of amorphous oxide semiconductor, polycrystalline oxide semiconductor, a-like OS, CAC-OS, nc-OS, and CAAC-OS. You may.
  • the oxide semiconductor as a transistor, a transistor with high field effect mobility can be realized. Moreover, a highly reliable transistor can be realized.
  • the carrier concentration of the oxide semiconductor is 1 ⁇ 10 17 cm -3 or less, preferably 1 ⁇ 10 15 cm -3 or less, more preferably 1 ⁇ 10 13 cm -3 or less, and more preferably 1 ⁇ 10 11 cm ⁇ . It is 3 or less, more preferably less than 1 ⁇ 10 10 cm -3 , and more than 1 ⁇ 10 -9 cm -3 .
  • the impurity concentration in the oxide semiconductor film may be lowered to lower the defect level density.
  • a low impurity concentration and a low defect level density is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic.
  • An oxide semiconductor having a low carrier concentration may be referred to as a high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic oxide semiconductor.
  • the trap level density may also be low.
  • the charge captured at the trap level of the oxide semiconductor takes a long time to disappear, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor in which a channel forming region is formed in an oxide semiconductor having a high trap level density may have unstable electrical characteristics.
  • Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.
  • the concentration of silicon and carbon in the oxide semiconductor and the concentration of silicon and carbon near the interface with the oxide semiconductor are set to 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
  • defect levels may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing an alkali metal or an alkaline earth metal tends to have a normally-on characteristic. Therefore, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the oxide semiconductor obtained by SIMS is set to 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 16 atoms / cm 3 or less.
  • the nitrogen concentration in the oxide semiconductor obtained by SIMS is less than 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less. , More preferably 5 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • hydrogen contained in an oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency.
  • oxygen deficiency When hydrogen enters the oxygen deficiency, electrons that are carriers may be generated.
  • a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing hydrogen tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable that hydrogen in the oxide semiconductor is 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. Less than 3 , more preferably less than 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
  • the semiconductor material that can be used for the oxide 230 is not limited to the above-mentioned metal oxide.
  • a semiconductor material having a bandgap (a semiconductor material that is not a zero-gap semiconductor) may be used.
  • a semiconductor of a single element such as silicon, a compound semiconductor such as gallium arsenide, a layered substance (also referred to as an atomic layer substance, a two-dimensional material, or the like) that functions as a semiconductor as a semiconductor material.
  • a layered substance also referred to as an atomic layer substance, a two-dimensional material, or the like
  • the layered substance is a general term for a group of materials having a layered crystal structure.
  • a layered crystal structure is a structure in which layers formed by covalent bonds or ionic bonds are laminated via bonds weaker than covalent bonds or ionic bonds, such as van der Waals forces.
  • the layered material has high electrical conductivity in the unit layer, that is, high two-dimensional electrical conductivity.
  • a chalcogenide is a compound containing a chalcogen.
  • chalcogen is a general term for elements belonging to Group 16, and includes oxygen, sulfur, selenium, tellurium, polonium, and livermorium.
  • Examples of chalcogenides include transition metal chalcogenides and group 13 chalcogenides.
  • oxide 230 for example, it is preferable to use a transition metal chalcogenide that functions as a semiconductor.
  • Specific transition metal chalcogenides applicable as oxide 230 include molybdenum sulfide (typically MoS 2 ), molybdenum selenate (typically MoSe 2 ), and molybdenum tellurium (typically MoTe 2 ).
  • Tungsten sulfide typically WS 2
  • Tungsten disulfide typically WSe 2
  • Tungsten tellurium typically WTe 2
  • Hafnium sulfide typically HfS 2
  • Hafnium serene typically typically
  • Typical examples include HfSe 2 ), zirconium sulfide (typically ZrS 2 ), and zirconium selenium (typically ZrSe 2 ).
  • FIG. 3A shows a top view of the semiconductor device.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line of A1-A2 shown in FIG. 3A.
  • FIG. 3C is a cross-sectional view corresponding to the portion shown by the alternate long and short dash line in A3-A4 in FIG. 3A.
  • FIG. 3D is a cross-sectional view corresponding to the portion shown by the alternate long and short dash line in FIG. 3A.
  • some elements are omitted for the sake of clarity.
  • the same reference numerals are added to the structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices shown in ⁇ Semiconductor device configuration example>.
  • the constituent material of the semiconductor device the material described in detail in ⁇ Semiconductor device configuration example> can be used.
  • the semiconductor device shown in FIGS. 3A to 3D is a modification of the semiconductor device shown in FIGS. 1A to 1D.
  • the semiconductor device shown in FIGS. 3A to 3D has a different shape of the insulator 283 from the semiconductor device shown in FIGS. 1A to 1D. It is also different from having an insulator 274.
  • the insulator 214, the insulator 216, the insulator 222, the insulator 224, the insulator 272, the insulator 280, and the insulator 282 are patterned.
  • the insulator 283 has a structure that covers the insulator 214, the insulator 216, the insulator 222, the insulator 224, the insulator 272, the insulator 280, and the insulator 282. That is, the insulator 283 is in contact with the upper surface and the side surface of the insulator 282 and the upper surface of the insulator 212.
  • the insulator 214, the insulator 216, the insulator 222, the insulator 224, the insulator 272, the insulator 280, and the insulator 282, which include the oxide 230 and the like, are formed by the insulator 283 and the insulator 212. , Isolated from the outside. In other words, the transistor 200 is arranged in a region sealed by the insulator 283 and the insulator 212.
  • the insulator 214 and the insulator 282 are formed by using a material having a function of capturing hydrogen and fixing hydrogen, and the insulator 212 and the insulator 283 have a function of suppressing diffusion to hydrogen and oxygen. It is preferably formed using a material.
  • aluminum oxide can be used as the insulator 214 and the insulator 282.
  • silicon nitride can be used as the insulator 212 and the insulator 283.
  • the insulator 212 and the insulator 283 are provided as a single layer is shown, but the present invention is not limited to this.
  • the insulator 212 and the insulator 283 may each be provided as a laminated structure having two or more layers.
  • the insulator 274 functions as an interlayer film.
  • the insulator 274 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 214.
  • the insulator 274 can be provided, for example, by using the same material as the insulator 280.
  • an insulator with reduced hydrogen As the insulator 274, for example, an insulator may be formed by a sputtering method. The hydrogen concentration of the insulator formed by the sputtering method is preferable because it is lower than the hydrogen concentration of the insulator formed by the CVD method.
  • a in each figure shows the top view.
  • B in each figure is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line of A1-A2 shown in A in each figure, and is also a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 200.
  • C in each figure is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line in A3 to A4 in each figure, and is also a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200.
  • D in each figure is a cross-sectional view of a portion indicated by a alternate long and short dash line in A5-A6 in each figure. In A of each figure, some elements are omitted for the purpose of clarifying the figure.
  • a substrate (not shown) is prepared, and an insulator 212 is formed on the substrate.
  • the film of the insulator 212 is formed by a sputtering method, a CVD method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, a pulse laser deposition (PLD: Pulsed Laser Deposition) method, an atomic layer deposition (ALD: atomic layer deposition), or the like. Can be done using.
  • the CVD method can be classified into a plasma CVD (PECVD: Plasma Enhanced CVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD: Thermal CVD) method using heat, an optical CVD (Photo CVD) method using light, and the like. .. Further, it can be divided into a metal CVD (MCVD: Metal CVD) method and an organic metal CVD (MOCVD: Metal organic CVD) method depending on the raw material gas used.
  • PECVD Plasma Enhanced CVD
  • TCVD Thermal CVD
  • Photo CVD Photo CVD
  • MCVD Metal CVD
  • MOCVD Metal organic CVD
  • the plasma CVD method can obtain a high quality film at a relatively low temperature. Further, since the thermal CVD method does not use plasma, it is a film forming method capable of reducing plasma damage to the object to be processed. For example, wiring, electrodes, elements (transistors, capacitive elements, etc.) and the like included in a semiconductor device may be charged up by receiving electric charges from plasma. At this time, the accumulated electric charge may destroy the wiring, electrodes, elements, and the like included in the semiconductor device. On the other hand, in the case of the thermal CVD method that does not use plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of the semiconductor device can be increased. Further, in the thermal CVD method, plasma damage does not occur during film formation, so that a film having few defects can be obtained.
  • a thermal ALD (Thermal ALD) method in which the reaction of the precursor and the reactor is performed only by thermal energy, a PEALD (Plasma Enhanced ALD) method using a plasma-excited reactor, or the like can be used.
  • the ALD method utilizes the self-regulating properties of atoms and allows atoms to be deposited layer by layer, so ultra-thin film formation is possible, and film formation into structures with a high aspect ratio is possible. It has the effects of being able to form a film with few defects such as holes, being able to form a film with excellent coverage, and being able to form a film at a low temperature.
  • PEALD Pulsma Enhanced ALD
  • Some precursors used in the ALD method contain impurities such as carbon.
  • the film provided by the ALD method may contain a large amount of impurities such as carbon as compared with the film provided by other film forming methods.
  • the quantification of impurities can be performed by using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy).
  • the CVD method and the ALD method are different from the film forming method in which particles emitted from a target or the like are deposited, and are film forming methods in which a film is formed by a reaction on the surface of an object to be treated. Therefore, it is a film forming method that is not easily affected by the shape of the object to be treated and has good step coverage.
  • the ALD method has excellent step covering property and excellent thickness uniformity, and is therefore suitable for covering the surface of an opening having a high aspect ratio.
  • the ALD method since the ALD method has a relatively slow film forming rate, it may be preferable to use it in combination with another film forming method such as a CVD method having a high film forming rate.
  • the composition of the obtained film can be controlled by the flow rate ratio of the raw material gas.
  • a film having an arbitrary composition can be formed depending on the flow rate ratio of the raw material gas.
  • a film having a continuously changed composition can be formed by changing the flow rate ratio of the raw material gas while forming the film.
  • silicon nitride is formed as the insulator 212 by a sputtering method.
  • the insulator 214 is formed on the insulator 212.
  • the film formation of the insulator 214 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • aluminum oxide is formed as the insulator 214 by a sputtering method.
  • the hydrogen concentration of the insulator 214 is preferably lower than the hydrogen concentration of the insulator 212.
  • silicon nitride as the insulator 212 by a sputtering method, silicon nitride having a low hydrogen concentration can be formed. Further, by using aluminum oxide for the insulator 214, the hydrogen concentration can be made lower than that of the insulator 212.
  • the transistor 200 is formed on the insulator 214 in the subsequent step.
  • the film close to the transistor 200 preferably has a relatively low hydrogen concentration, and the film having a relatively high hydrogen concentration is remote from the transistor 200. It is preferable to arrange them.
  • the insulator 216 is formed on the insulator 214.
  • the film formation of the insulator 216 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • silicon oxide or silicon oxide nitride is formed as the insulator 216 by a sputtering method.
  • the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 are continuously formed under reduced pressure without being exposed to the atmospheric environment.
  • the film By forming the film without opening it to the atmosphere, it is possible to prevent impurities or moisture from the atmospheric environment from adhering to the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216, and the insulator 212 and the insulator 214 It is preferable because the interface and the vicinity of the interface of the above, and the interface and the vicinity of the interface between the insulator 214 and the insulator 216 can be kept clean.
  • a multi-chamber type film forming apparatus may be used for continuous film formation. Continuous film formation is preferable because the manufacturing process time of the semiconductor device can be shortened.
  • an opening reaching the insulator 214 is formed in the insulator 216.
  • Wet etching may be used to form the openings, but dry etching is preferable for microfabrication.
  • the insulator 214 it is preferable to select an insulator that functions as an etching stopper film when the insulator 216 is etched to form a groove.
  • silicon oxide or silicon oxide nitride is used for the insulator 216 forming the groove
  • silicon nitride, aluminum oxide, or hafnium oxide may be used for the insulator 214.
  • a capacitively coupled plasma (CCP: Capacitively Coupled Plasma) etching apparatus having parallel plate type electrodes can be used.
  • the capacitively coupled plasma etching apparatus having the parallel plate type electrodes may be configured to apply a high frequency voltage to one of the parallel plate type electrodes.
  • a plurality of different high frequency voltages may be applied to one of the parallel plate type electrodes.
  • a high frequency voltage having the same frequency may be applied to each of the parallel plate type electrodes.
  • a high frequency voltage having a different frequency may be applied to each of the parallel plate type electrodes.
  • a dry etching apparatus having a high-density plasma source can be used.
  • an inductively coupled plasma (ICP: Inductively Coupled Plasma) etching apparatus or the like can be used.
  • a conductive film to be the conductor 205a is formed. It is desirable that the conductive film contains a conductor having a function of suppressing the permeation of oxygen.
  • a conductor having a function of suppressing the permeation of oxygen For example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride and the like can be used. Alternatively, it can be a laminated film of a conductor having a function of suppressing oxygen permeation and a tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper or molybdenum tungsten alloy.
  • the film formation of the conductive film can be performed by using 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 205a has a multilayer structure.
  • tantalum nitride is formed into a film by a sputtering method, and titanium nitride is laminated on the tantalum nitride.
  • a metal nitride in the lower layer of the conductor 205b, even if a easily diffusible metal such as copper is used as the conductive film to be the conductor 205b described later, the metal diffuses out from the conductor 205a. Can be prevented.
  • a conductive film to be the conductor 205b is formed.
  • the film formation of the conductive film can be performed by using a plating method, a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a low resistance conductive material such as copper is formed as a conductive film to be the conductor 205b.
  • a part of the conductive film to be the conductor 205a and a part of the conductive film to be the conductor 205b is removed, and the insulator 216 is exposed.
  • the conductor 205a and the conductor 205b remain only in the opening.
  • the conductor 205 having a flat upper surface can be formed (see FIGS. 5A to 5D).
  • a part of the insulator 216 may be removed by the CMP treatment.
  • the conductor 205 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 216, but the present embodiment is not limited to this.
  • a conductor 205 is formed on the insulator 214, an insulator 216 is formed on the insulator 205, and the insulator 216 is subjected to CMP treatment to remove a part of the insulator 216 and to remove the conductor.
  • the surface of 205 may be exposed.
  • the insulator 222 is formed on the insulator 216 and the conductor 205.
  • an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be formed.
  • the 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), and the like. Insulators containing oxides of one or both of aluminum and hafnium have barrier properties against oxygen, hydrogen, and water.
  • the insulator 222 has a barrier property against hydrogen and water, hydrogen and water contained in the structure provided around the transistor 200 are suppressed from diffusing into the inside of the transistor 200 through the insulator 222. , The formation of oxygen deficiency in the oxide 230 can be suppressed.
  • the film formation of the insulator 222 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the heat treatment may be carried out at 250 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and more preferably 320 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.
  • the heat treatment is carried out in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas.
  • the oxygen gas may be set to about 20%.
  • the heat treatment may be performed in a reduced pressure state.
  • the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, and then the heat treatment is performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas to supplement the desorbed oxygen. You may.
  • the gas used in the above heat treatment is highly purified.
  • the amount of water contained in the gas used in the heat treatment may be 1 ppb or less, preferably 0.1 ppb or less, and more preferably 0.05 ppb or less.
  • the flow rate ratio of nitrogen gas and oxygen gas is set to 4 slm: 1 slm, and the treatment is performed at a temperature of 400 ° C. for 1 hour.
  • impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 222 can be removed.
  • the heat treatment can be performed at a timing such as after the film formation of the insulator 224 is performed.
  • the insulator 224 is formed on the insulator 222.
  • the film formation of the insulator 224 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a silicon oxide or silicon oxide nitride film is formed as the insulator 224 by the ALD method.
  • the insulator 224 is preferably formed by a film forming method using a gas in which hydrogen atoms have been reduced or removed. Thereby, the hydrogen concentration of the insulator 224 can be reduced. Since the insulator 224 becomes an insulator 224 that comes into contact with the oxide 230a in a later step, it is preferable that the hydrogen concentration is reduced in this way.
  • plasma treatment containing oxygen may be performed in a reduced pressure state.
  • the plasma treatment containing oxygen for example, it is preferable to use an apparatus having a power source for generating high-density plasma using microwaves.
  • the substrate side may have a power supply for applying 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 guided into the insulator 224. it can.
  • plasma treatment containing oxygen may be performed to supplement the desorbed oxygen. Impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 224 can be removed by appropriately selecting the conditions for the plasma treatment. In that case, the heat treatment does not have to be performed.
  • CMP treatment may be performed until the insulator 224 is reached.
  • the surface of the insulator 224 can be flattened and smoothed.
  • a part of the insulator 224 may be polished by the CMP treatment to reduce the film thickness of the insulator 224, but the film thickness may be adjusted when the insulator 224 is formed.
  • oxygen can be added to the insulator 224 by forming aluminum oxide on the insulator 224 by a sputtering method.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B are formed in this order on the insulator 224 (see FIGS. 5A to 5D).
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B can be formed by using 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 a sputtering method
  • oxygen or a mixed gas of oxygen and a rare gas is used as the sputtering gas.
  • excess oxygen in the oxide film formed can be increased.
  • the above-mentioned oxide film is formed by a sputtering method
  • the above-mentioned In—M—Zn oxide target or the like can be used.
  • the proportion of oxygen contained in the sputtering gas may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%.
  • the oxide film 230B is formed by a sputtering method, if the ratio of oxygen contained in the sputtering gas is more than 30% and 100% or less, preferably 70% or more and 100% or less, the oxygen excess type oxidation A physical semiconductor is formed. Transistors using oxygen-rich oxide semiconductors in the channel formation region can obtain relatively high reliability. However, one aspect of the present invention is not limited to this.
  • the oxide film 230B is formed by a sputtering method and the ratio of oxygen contained in the sputtering gas is 1% or more and 30% or less, preferably 5% or more and 20% or less, an oxygen-deficient oxide semiconductor is formed. To. A transistor using an oxygen-deficient oxide semiconductor in the channel formation region can obtain a relatively high field-effect mobility. Further, the crystallinity of the oxide film can be improved by forming a film while heating the substrate.
  • an oxide film 243A is formed on the oxide film 230B (see FIGS. 5A to 5D).
  • the oxide film 243A can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the atomic number ratio of Ga to In is preferably larger than the atomic number ratio of Ga to In in the oxide film 230B.
  • the oxide film 230A, the oxide film 230B, and the oxide film 243A are continuously formed under reduced pressure without being exposed to the atmospheric environment.
  • the film without opening it to the atmosphere it is possible to prevent impurities or moisture from the atmospheric environment from adhering to the oxide film 230A, the oxide film 230B, and the oxide film 243A, and the oxide film 230A and the oxide film 230B can be formed.
  • the interface and the vicinity of the interface of the above, and the interface and the vicinity of the interface between the oxide film 230B and the oxide film 243A can be kept clean.
  • a multi-chamber type film forming apparatus may be used. Continuous film formation is preferable because the manufacturing process time of the semiconductor device can be shortened.
  • the heat treatment may be performed in a temperature range in which the oxide film 230A, the oxide film 230B, and the oxide film 243A do not crystallize, and may be performed at 250 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
  • the heat treatment is carried out in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas.
  • the oxygen gas may be set to about 20%.
  • the heat treatment may be performed in a reduced pressure state.
  • the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, and then the heat treatment is performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas to supplement the desorbed oxygen. You may.
  • the gas used in the above heat treatment is highly purified.
  • the amount of water contained in the gas used in the heat treatment may be 1 ppb or less, preferably 0.1 ppb or less, and more preferably 0.05 ppb or less.
  • the treatment after performing the treatment at a temperature of 550 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, the treatment is continuously performed at a temperature of 550 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere.
  • impurities such as water and hydrogen in the oxide film 230A, the oxide film 230B, and the oxide film 243A can be removed.
  • the heat treatment can improve the crystallinity of the oxide film 230B to obtain a denser and more dense structure. Thereby, the diffusion of oxygen or impurities in the oxide film 230B can be reduced.
  • a conductive film 242A is formed on the oxide film 243A (see FIGS. 5A to 5D).
  • the film formation of the conductive film 242A can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the heat treatment may be performed before the film formation of the conductive film 242A.
  • the heat treatment may be carried out under reduced pressure to continuously form a conductive film 242A without exposing it to the atmosphere. By performing such a treatment, water and hydrogen adsorbed on the surface of the oxide film 243A and the like are removed, and the water concentration and the hydrogen concentration in the oxide film 230A, the oxide film 230B, and the oxide film 243A are further reduced. be able to.
  • the temperature of the heat treatment is preferably 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. In the present embodiment, the temperature of the heat treatment is set to 200 ° C.
  • an insulating film 271A is formed on the conductive film 242A (see FIGS. 5A to 5D).
  • the insulating film 271A can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • As the insulating film 271A it is preferable to use an insulating film having a function of suppressing the permeation of oxygen.
  • aluminum oxide, hafnium oxide, silicon nitride or the like may be formed by a sputtering method or an ALD method.
  • a conductive film 248A is formed on the insulating film 271A (see FIGS. 5A to 5D).
  • the film formation of the conductive film 248A can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the conductive film 248A for example, the same conductive film as the conductive film 242A may be used.
  • the conductive film 242A forms tantalum nitride
  • the insulating film 271A forms aluminum oxide
  • the conductive film 248A forms tantalum nitride by a sputtering method.
  • the conductive film 242A, the insulating film 271A, and the conductive film 248A are continuously formed under reduced pressure without being exposed to the atmospheric environment.
  • the film By forming the film without opening it to the atmosphere, it is possible to prevent impurities or moisture from the atmospheric environment from adhering to the conductive film 242A, the insulating film 271A, and the conductive film 248A, and the conductive film 242A and the insulating film 271A It is preferable because the interface and the vicinity of the interface, and the interface and the vicinity of the interface between the insulating film 271A and the conductive film 248A can be kept clean.
  • a multi-chamber type film forming apparatus may be used. Continuous film formation is preferable because the manufacturing process time of the semiconductor device can be shortened.
  • the oxide film 230A, the oxide film 230B, the oxide film 243A, the conductive film 242A, the insulating film 271A, and the conductive film 248A are processed into an island shape, and the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide are oxidized.
  • the material layer 243B, the conductive layer 242B, the insulating layer 271B, and the conductive layer 248 are formed (see FIGS. 6A to 6D).
  • a dry etching method or a wet etching method can be used for the processing. Processing by the dry etching method is suitable for microfabrication.
  • the oxide film 230A, the oxide film 230B, the oxide film 243A, the conductive film 242A, the insulating film 271A, and the conductive film 248A may be processed under different conditions. In this step, the film thickness of the region that does not overlap with the oxide 230a of the insulator 224 may be reduced.
  • the resist is first exposed through a mask. Next, the exposed region is removed or left with a developer to form a resist mask. Next, a conductor, a semiconductor, an insulator, or the like can be processed into a desired shape by etching through the resist mask.
  • a 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. Further, an immersion technique may be used in which a liquid (for example, water) is filled between the substrate and the projection lens for exposure. Further, instead of the above-mentioned light, an electron beam or an ion beam may be used.
  • the resist mask can be removed by performing a dry etching process such as ashing, performing a wet etching process, performing a wet etching process after the dry etching process, or performing a dry etching process after the wet etching process.
  • a dry etching process such as ashing, performing a wet etching process, performing a wet etching process after the dry etching process, or performing a dry etching process after the wet etching process.
  • a hard mask made of an insulator or a conductor may be used under the resist mask.
  • a hard mask an insulating film or a conductive film to be a hard mask material is formed on the conductive film 242A, a resist mask is formed on the insulating film or a conductive film, and the hard mask material is etched to form a hard mask having a desired shape. can do.
  • Etching of the conductive film 242A or the like may be performed after removing the resist mask, or may be performed while leaving the resist mask. In the latter case, the resist mask may disappear during etching.
  • the hard mask may be removed by etching after etching the conductive film 242A or the like.
  • the insulating layer 271B and the conductive layer 248 are used as hard masks.
  • the conductive layer 242B does not have a curved surface between the side surface and the upper surface as shown in FIGS. 6B to 6D.
  • the conductor 242a and the conductor 242b shown in FIGS. 3B and 3D have a square end where the side surface and the upper surface intersect. Since the end portion where the side surface and the upper surface of the conductor 242 intersect is angular, the cross-sectional area of the conductor 242 becomes larger than that in the case where the end portion has a curved surface. As a result, the resistance of the conductor 242 is reduced, so that the on-current of the transistor 200 can be increased.
  • the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, the conductive layer 242B, the insulating layer 271B, and the conductive layer 248 are formed so that at least a part thereof overlaps with the conductor 205. Further, it is preferable that the side surfaces of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, the conductive layer 242B, the insulating layer 271B, and the conductive layer 248 are substantially perpendicular to the upper surface of the insulator 222.
  • a plurality of transistors 200 are provided so that the side surfaces of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, the conductive layer 242B, the insulating layer 271B, and the conductive layer 248 are substantially perpendicular to the upper surface of the insulator 222. At the same time, it is possible to reduce the area and increase the density. Alternatively, the angle formed by the side surfaces of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, the conductive layer 242B, the insulating layer 271B, and the conductive layer 248 and the upper surface of the insulator 222 may be low. ..
  • the angle formed by the side surfaces of the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, the conductive layer 242B, the insulating layer 271B, and the conductive layer 248 and the upper surface of the insulator 222 is preferably 60 degrees or more and less than 70 degrees. .. With such a shape, the covering property of the insulator 272 or the like can be improved and defects such as voids can be reduced in the subsequent steps.
  • the conductive layer 248 is removed.
  • a dry etching method is used to remove the conductive layer 248 (see FIGS. 7A to 7D).
  • the insulator 272 is formed on the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, the conductive layer 242B, and the insulating layer 271B (see FIGS. 8A to 8D).
  • the film formation of the insulator 272 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • aluminum oxide is formed as the insulator 272 by a sputtering method.
  • the insulator 272 is preferably formed by a bias sputtering method.
  • the amount of oxygen injected into the insulator 224 can be controlled by the magnitude of the RF power applied to the substrate.
  • the RF power 0.31 W / cm 2 or more, preferably 0.62 W / cm 2 or more, more preferably may be applied to 1.86W / cm 2 or more bias to the substrate. That is, the amount of oxygen suitable for the characteristics of the transistor can be changed and injected by the RF power at the time of forming the insulator 272.
  • an amount of oxygen suitable for improving the reliability of the transistor can be injected.
  • the RF frequency is preferably 10 MHz or higher. Typically, it is 13.56 MHz. The higher the RF frequency, the smaller the damage to the substrate.
  • the insulator 272 has a function of injecting oxygen into the underlying film, but the insulator 272 itself has a function of suppressing the permeation of oxygen. Therefore, when the insulator 280 is formed on the insulator 272 in a later step and oxygen is diffused from the insulator 280, the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, and the conductivity are transmitted from the insulator 280. It is possible to prevent oxygen from diffusing directly into layer 242B.
  • an insulating film to be the insulator 280 is formed on the insulator 224 and the insulator 272.
  • the film formation of the insulating film can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a silicon oxide film may be formed by using a sputtering method, and a silicon oxide film may be formed on the silicon oxide film by using a PEALD method or a thermal ALD method.
  • the insulating film is formed by a film forming method using a gas in which hydrogen atoms are reduced or removed. Thereby, the hydrogen concentration of the insulator 280 can be reduced.
  • heat treatment may be performed before the film formation of the insulating film.
  • the heat treatment may be carried out under reduced pressure to continuously form the insulating film without exposing it to the atmosphere.
  • water and hydrogen adsorbed on the surface of the insulator 224 and the insulator 272 are removed, and further, in the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide layer 243B, and the insulator 224. Water concentration and hydrogen concentration can be reduced.
  • the above-mentioned heat treatment conditions can be used for the heat treatment.
  • the insulating film is subjected to CMP treatment to form an insulator 280 having a flat upper surface (see FIGS. 9A to 9D).
  • CMP treatment Similar to the insulator 224, aluminum oxide may be formed on the insulator 280 by, for example, a sputtering method, and CMP may be performed until the aluminum oxide reaches the insulator 280.
  • microwave processing may be performed.
  • the microwave treatment is preferably performed in an atmosphere containing oxygen and under reduced pressure.
  • the electric field insulator 280 by microwave, oxides 230b, given such an oxide 230a, oxides 230b, and an oxygen deficient V O H in the oxide 230a and (V O) It can be divided into hydrogen (H).
  • a part of the hydrogen divided at this time may be combined with oxygen contained in the insulator 280 and removed as water molecules. Further, a part of hydrogen may be gettered to the conductive layer 242B via the insulator 272 and the insulating layer 271B.
  • the heat treatment may be performed while maintaining the reduced pressure state after the microwave treatment.
  • hydrogen in the insulator 280, the oxide 230b, and the oxide 230a can be efficiently removed.
  • the heat treatment temperature is preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.
  • the film quality of the insulator 280 by modifying the film quality of the insulator 280 by performing microwave treatment, it is possible to suppress the diffusion of hydrogen, water, impurities and the like. Therefore, it is possible to prevent hydrogen, water, impurities, etc. from diffusing into the oxide 230 through the insulator 280 by a post-process after forming the insulator 280, heat treatment, or the like.
  • a part of the insulator 280, a part of the insulator 272, a part of the insulating layer 271B, a part of the conductive layer 242B, a part of the oxide layer 243B, and a part of the oxide 230b are processed. It forms an opening that reaches the oxide 230b.
  • the opening is preferably formed so as to overlap the conductor 205.
  • an insulator 271a, an insulator 271b, a conductor 242a, a conductor 242b, an oxide 243a, and an oxide 243b are formed (see FIGS. 10A to 10D).
  • the upper part of the oxide 230b is removed.
  • a groove is formed in the oxide 230b.
  • the groove may be formed in the opening forming step, or may be formed in a step different from the opening forming step.
  • the processing of a part of the insulator 280, a part of the insulator 272, a part of the insulating layer 271B, a part of the conductive layer 242B, a part of the oxide layer 243B, and a part of the oxide 230b is dry.
  • An etching method or a wet etching method can be used. Processing by the dry etching method is suitable for microfabrication. Further, the processing may be performed under different conditions.
  • a part of the insulator 280 is processed by a dry etching method
  • a part of the insulator 272 and a part of the insulating layer 271B are processed by a wet etching method
  • a part of the oxide layer 243B and one of the conductive layers 242B are processed by a dry etching method
  • a part and a part of the oxide 230b may be processed by a dry etching method.
  • the processing of a part of the oxide layer 243B and a part of the conductive layer 242B and the processing of a part of the oxide 230b may be performed under different conditions.
  • the power density of the bias power may be to 0.02 W / cm 2 or more, it is preferable to 0.03 W / cm 2 or more, more preferably between 0.06 W / cm 2 or more.
  • the dry etching processing time may be appropriately set according to the depth of the groove portion.
  • the impurities include the insulator 280, a part of the insulator 272, a part of the insulating layer 271B, a component contained in the conductive layer 242B, and a member used in the apparatus used for forming the opening. Examples thereof include those caused by components, components contained in gas or liquid used for etching, and the like. Examples of the impurities include aluminum, silicon, tantalum, fluorine, chlorine and the like.
  • impurities such as aluminum or silicon inhibit the conversion of oxide 230b or oxide 230c formed in a later step into CAAC-OS. Therefore, it is preferable that impurity elements such as aluminum and silicon that inhibit CAAC-OS conversion are reduced or removed.
  • the concentration of aluminum atoms at the interface between the oxides 230b and 230c and in the vicinity thereof may be 5.0 atomic% or less, preferably 2.0 atomic% or less, and 1.5 atomic% or less. More preferably, 1.0 atomic% or less is further preferable, and less than 0.3 atomic% is further preferable.
  • the region of the metal oxide that has become a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like OS: amorphous-like oxide semiconductor) due to the inhibition of CAAC-OS by impurities such as aluminum or silicon is defined as the non-CAAC region. May be called.
  • the non CAAC region since the compactness of the crystal structure is reduced, V O H has a large amount of formation, the transistor tends to be normally on reduction. Therefore, it is preferable that the oxide 230b and the non-CAAC region of the oxide 230c are reduced or removed.
  • the oxide 230b and the oxide 230c preferably have a CAAC structure.
  • the oxide 230b and the oxide 230c have a CAAC structure up to the lower end of the drain.
  • the conductor 242a or the conductor 242b and its vicinity function as a drain. That is, it is preferable that either or both of the oxide 230b and the oxide 230c near the lower end of the conductor 242a (conductor 242b) has a CAAC structure.
  • the damaged region of the oxide 230b is removed, and by having the CAAC structure, the fluctuation of the electrical characteristics of the transistor 200 can be further suppressed. Moreover, the reliability of the transistor 200 can be improved.
  • the cleaning method include wet cleaning using a cleaning liquid, plasma treatment using plasma, cleaning by heat treatment, and the like, and the above cleanings may be appropriately combined.
  • the cleaning treatment may deepen the groove.
  • the cleaning treatment may be performed using an aqueous solution obtained by diluting ammonia water, oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid or the like with carbonated water or pure water, pure water, carbonated water or the like.
  • ultrasonic cleaning may be performed using these aqueous solutions, pure water, or carbonated water.
  • these washings may be appropriately combined.
  • an aqueous solution diluted by adding pure water to hydrofluoric acid may be referred to as diluted hydrofluoric acid
  • an aqueous solution diluted by adding pure water to ammonia water may be referred to as diluted ammonia water.
  • concentration, temperature, etc. of the aqueous solution may be appropriately adjusted depending on the impurities to be removed, the configuration of the semiconductor device to be washed, and the like.
  • the ammonia concentration of the diluted ammonia water may be 0.01% or more and 5% or less, preferably 0.1% or more and 0.5% or less.
  • the hydrogen fluoride concentration of the diluted hydrofluoric acid may be 0.01 ppm or more and 100 ppm or less, preferably 0.1 ppm or more and 10 ppm or less.
  • a frequency of 200 kHz or higher preferably 900 kHz or higher. By using this frequency, damage to the oxide 230b and the like can be reduced.
  • the above cleaning treatment may be performed a plurality of times, and the cleaning liquid may be changed for each cleaning treatment.
  • a treatment using diluted hydrofluoric acid or diluted aqueous ammonia may be performed as the first cleaning treatment
  • a treatment using pure water or carbonated water may be performed as the second cleaning treatment.
  • wet cleaning is performed using diluted hydrofluoric acid, and then wet cleaning is performed using pure water or carbonated water.
  • impurities adhering to or diffused inside the surface such as oxide 230a and oxide 230b can be removed. Further, the crystallinity of the oxide 230c formed on the oxide 230b can be enhanced.
  • the heat treatment may be performed after the etching or the cleaning.
  • the heat treatment may be performed at 100 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, preferably 350 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
  • the heat treatment is carried out in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas.
  • the heat treatment is preferably performed in an oxygen atmosphere. Thereby, oxygen is supplied to the oxide 230a and oxides 230b, it is possible to reduce the oxygen vacancies V O.
  • the crystallinity of the oxide 230b can be improved, and the crystallinity of the oxide 230c formed in the groove portion of the oxide 230b can also be improved.
  • the heat treatment may be performed in a reduced pressure state.
  • the heat treatment may be continuously performed in a nitrogen atmosphere without being exposed to the atmosphere.
  • the heat treatment may be performed before the oxide film 230C is formed, and it is preferable that the heat treatment is performed under reduced pressure to continuously form the oxide film 230C without exposing to the atmosphere. Further, the heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing oxygen. By performing such a treatment, it is possible to remove the water and hydrogen adsorbed on the surface of the oxide 230b and the like, and further reduce the water concentration and the hydrogen concentration in the oxide 230a and the oxide 230b.
  • the temperature of the heat treatment is preferably 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. In the present embodiment, the temperature of the heat treatment is set to 200 ° C.
  • the film formation of the oxide film 230C can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the oxide film 230C may be formed by using the same film forming method as the oxide film 230A or the oxide film 230B according to the characteristics required for the oxide film 230C.
  • a part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the oxide 230a and the oxide 230b.
  • a part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the insulator 280. 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 forming the oxide film 230C in such an atmosphere containing a large amount of oxygen, the oxide film 230C can be easily converted into CAAC-OS.
  • the oxide film 230C is formed while heating the substrate. At this time, by setting the substrate temperature to 200 ° C. or higher, oxygen deficiency in the oxide film 230C and the oxide 230b can be reduced. The crystallinity of the oxide film 230C and the oxide 230b can be improved by forming a film while heating the substrate.
  • an oxide film 230D is formed (see FIGS. 11A to 11D).
  • the film formation of the oxide film 230D is preferably carried out continuously from the film formation of the oxide film 230C without being exposed to the atmosphere.
  • the film formation of the oxide film 230D can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the oxide film 230D may be formed by using the same film forming method as the oxide film 230A or the oxide film 230B according to the characteristics required for the oxide film 230D.
  • the proportion of oxygen contained in the sputtering gas of the oxide film 230D may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%.
  • the oxide film 230C and the oxide film 230D on the side surface of the insulator 280, the side surface of the insulator 272, and the side surface of the insulator 271 in the opening are removed by using a dry etching method.
  • the oxide film 230C and the oxide film 230D on the insulator 280 are also removed.
  • the oxide 230c and the oxide 230d are formed by leaving the oxide film 230C and the oxide film 230D at the bottom of the opening (see FIGS. 12A to 12D).
  • the above processing can be performed by appropriately setting the dry etching conditions.
  • the pressure during dry etching may be set higher.
  • the pressure during dry etching is preferably 66.5 Pa or more, more preferably 133 Pa or more.
  • the traveling direction of the reactive ions becomes random, and it may be difficult for the reactive ions to reach the bottom of the opening. Therefore, the removal of the oxide film 230C and the oxide film 230D at the bottom of the opening can be suppressed, so that the oxide film 230C can remain.
  • the oxide film 230C and the oxide film 230D are each formed by an ionization sputtering method.
  • the ionization sputtering method is a method of forming a film by ionizing the sputtering particles by applying high frequency power or the like to the sputtering particles.
  • the film is mainly formed on the bottom of the opening and the insulator 280, so that the film thickness of the bottom of the opening can be made thicker than the film thickness of the side surface of the opening.
  • the oxide 230c and the oxide 230d may be formed by leaving the oxide film 230C and the oxide film 230D at the bottom of the opening using the above-mentioned dry etching method.
  • the semiconductor device having the transistor 200 produced in this manner is shown in FIGS. 4A to 4D.
  • an insulating film 250A is formed (see FIGS. 13A to 13D).
  • the heat treatment may be performed before the film formation of the insulating film 250A, and the heat treatment may be performed under reduced pressure to continuously form the insulating film 250A without exposure to the atmosphere. Further, the heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing oxygen. By performing such a treatment, water and hydrogen adsorbed on the surface of the oxide 230d and the like are removed, and further, the water concentration and hydrogen in the oxide 230a, the oxide 230b, the oxide 230c, and the oxide 230d are removed. The concentration can be reduced.
  • the temperature of the heat treatment is preferably 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
  • the insulating film 250A can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. Further, the insulating film 250A is preferably formed by a film forming method using a gas in which hydrogen atoms have been reduced or removed. Thereby, the hydrogen concentration of the insulating film 250A can be reduced. Since the insulating film 250A becomes an insulator 250 in contact with the oxide 230d in a later step, it is preferable that the hydrogen concentration is reduced in this way.
  • the lower layer of the insulator 250 forms an insulator in which oxygen is released by heating
  • the upper layer of the insulator 250 is an insulator having a function of suppressing the diffusion of oxygen. It is preferably formed using the body. With such a configuration, it is possible to prevent oxygen contained in the lower layer of the insulator 250 from diffusing into the conductor 260 formed in a later step. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 230. Further, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 260 by oxygen contained in the lower layer of the insulator 250.
  • the lower layer of the insulator 250 can be provided by using a material that can be used for the insulator 250 described above
  • the upper layer of the insulator 250 can be provided by using the same material as the insulator 222.
  • an insulating material which is a high-k material having a high relative permittivity may be used for the upper layer of the insulator 250.
  • the gate insulator By forming the gate insulator into a laminated structure of the lower layer of the insulator 250 and the upper layer of the insulator 250, it is possible to obtain a laminated structure that is stable against heat and has a high relative permittivity. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during transistor operation while maintaining the physical film thickness of the gate insulator.
  • the equivalent oxide film thickness (EOT) of the insulator that functions as the gate insulator can be thinned.
  • the insulator that is the lower layer of the insulator 250 may form an insulator having a function of suppressing the diffusion of oxygen, and the upper layer of the insulator 250 may form an insulator that releases oxygen by heating. ..
  • the lower layer of the insulator 250 is preferably formed by using an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen. With such a configuration, impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 280 can be suppressed from diffusing into the oxide 230.
  • an insulator having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water it is preferable to form an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium.
  • the 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), and the like.
  • the above-mentioned insulator is formed by a thermal ALD method using an inorganic precursor. By using this method, an insulator with reduced hydrogen can be formed.
  • microwave treatment may be performed in an atmosphere containing oxygen and under reduced pressure.
  • an electric field due to microwaves is applied to the insulating film 250A, the oxide film 230D, the oxide film 230C, the oxide 230b, the oxide 230a, etc., and the oxide film 230D, the oxide film 230C, and the oxide 230b are provided.
  • V O H in the oxide 230a may be divided into the V O and hydrogen.
  • a part of hydrogen may be gettered on the conductor 242 (conductor 242a and conductor 242b).
  • the microwave treatment By performing the microwave treatment in this way, the hydrogen concentration in the insulating film 250A, the oxide film 230D, the oxide film 230C, the oxide 230b, and the oxide 230a can be reduced.
  • the oxide 230a, in the oxide 230b, the oxide film 230C, and by oxygen in V O which may be present the V O H after cutting into a V O and hydrogen in the oxide film 230D is supplied V O can be repaired or supplemented.
  • the heat treatment may be performed while maintaining the reduced pressure state after the microwave treatment.
  • hydrogen in the insulating film 250A, the oxide film 230D, the oxide film 230C, the oxide 230b, and the oxide 230a can be efficiently removed.
  • a part of hydrogen may be gettered on the conductor 242 (conductor 242a and conductor 242b).
  • the step of performing the heat treatment may be repeated a plurality of times while maintaining the reduced pressure state after the microwave treatment. By repeating the heat treatment, hydrogen in the insulating film 250A, the oxide film 230D, the oxide film 230C, the oxide 230b, and the oxide 230a can be removed more efficiently.
  • the heat treatment temperature is preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.
  • the film quality of the insulating film 250A by modifying the film quality of the insulating film 250A by performing microwave treatment, it is possible to suppress the diffusion of hydrogen, water, impurities and the like. Therefore, hydrogen, water, impurities, etc. are diffused to the oxide 230b, the oxide 230a, etc. through the insulator 250 by a post-process such as a film formation of a conductive film to be a conductor 260 or a post-treatment such as a heat treatment. Can be suppressed.
  • a post-process such as a film formation of a conductive film to be a conductor 260 or a post-treatment such as a heat treatment.
  • the conductive film 260A and the conductive film 260B are formed in this order (see FIGS. 14A to 14D).
  • the film formation of the conductive film 260A and the conductive film 260B can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the conductive film 260A is formed by using the ALD method, and the conductive film 260B is continuously formed by the CVD method under reduced pressure without releasing to the atmosphere.
  • the oxide film 230C, the oxide film 230D, the edge film 250A, the conductive film 260A, and the conductive film 260B are polished until the insulator 280 is exposed, so that the oxide 230c, the oxide 230d, and the insulator are exposed.
  • 250 and conductor 260 are formed (see FIGS. 15A to 15D).
  • the oxide 230c is arranged so as to cover the opening reaching the oxide 230b and the inner wall (side surface and bottom surface) of the groove portion of the oxide 230b.
  • the oxide 230d is arranged so as to cover the opening and the inner wall of the groove via the oxide 230c.
  • the insulator 250 is arranged so as to cover the opening and the inner wall of the groove through the oxide 230d. Further, the conductor 260 is arranged so as to embed the opening and the groove through the oxide 230c, the oxide 230d, and the insulator 250.
  • the heat treatment may be performed under the same conditions as the above heat treatment.
  • the treatment is carried out in a nitrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 1 hour.
  • the heat treatment the water concentration and the hydrogen concentration in the insulator 250 and the insulator 280 can be reduced.
  • the insulator 282 may be continuously formed without being exposed to the atmosphere.
  • the insulator 282 is formed on the oxide 230d, the oxide 230c, the insulator 250, the conductor 260, and the insulator 280 (see FIGS. 16A to 16D).
  • the film formation of the insulator 282 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • oxygen can be added to the insulator 280 while forming the film.
  • the insulator 280 can contain excess oxygen. At this time, it is preferable to form the insulator 282 while heating the substrate. Further, by forming the insulator 282 in contact with the upper surface of the conductor 260, it is possible to suppress the oxygen contained in the insulator 280 from being absorbed by the conductor 260 in the subsequent heat treatment, which is preferable. ..
  • a portion is processed to form an opening that reaches the insulator 212 (see FIGS. 17A-17D).
  • the opening may be formed so as to surround the transistor 200.
  • the opening may be formed so as to surround a plurality of transistors 200.
  • a dry etching method or a wet etching method can be used. Processing by the dry etching method is suitable for microfabrication. Further, the processing may be performed under different conditions.
  • the insulator 282, the insulator 280, the insulator 224, the insulator 222, the insulator 216, and the insulator 214 are covered to form the insulator 283 (see FIGS. 18A to 18D).
  • the film formation of the insulator 283 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • silicon nitride is formed by using a sputtering method.
  • the insulator 283 is in contact with the insulator 212 at the bottom surface of the opening.
  • the upper surface and the side surface of the transistor 200 are wrapped in the insulator 283, and the lower surface is wrapped in the insulator 212.
  • the transistor 200 By wrapping the transistor 200 with the insulator 283 and the insulator 212 having high barrier properties in this way, it is possible to prevent water and hydrogen from entering from the outside.
  • an insulating film to be the insulator 274 is formed on the insulator 283.
  • the film formation of the insulating film to be the insulator 274 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. For example, it is advisable to deposit silicon oxide by using a CVD method.
  • the insulating film to be the insulator 274 is preferably formed by the above-mentioned film forming method using a gas in which hydrogen atoms are reduced or removed. As a result, the hydrogen concentration of the insulating film that becomes the insulator 274 can be reduced.
  • the insulating film to be the insulator 274 is subjected to CMP treatment to form the insulator 274 having a flat upper surface (see FIGS. 19A to 19D).
  • an opening reaching the conductor 242 is formed in the insulator 271, the insulator 272, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 283 (see FIGS. 20A to 20D).
  • the opening may be formed by using a lithography method.
  • the shape of the opening is circular in the top view, but the shape is not limited to this.
  • the opening may have a substantially circular shape such as an ellipse, a polygonal shape such as a quadrangle, or a polygonal shape such as a quadrangle with rounded corners in a top view.
  • an insulating film to be the insulator 241 is formed, and the insulating film is anisotropically etched to form the insulator 241.
  • the film formation of the insulating film to be the insulator 241 can be performed by using 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 241 it is preferable to use an insulating film having a function of suppressing the permeation of oxygen.
  • the anisotropic etching of the insulating film to be the insulator 241 for example, a dry etching method or the like may be used.
  • a dry etching method or the like By providing the insulator 241 on the side surface of the opening, it is possible to suppress the permeation of oxygen from the outside and prevent the oxidation of the conductor 240a and the conductor 240b to be formed next. Further, it is possible to prevent impurities such as water and hydrogen from diffusing from the conductor 240a and the conductor 240b to the outside.
  • a conductive film to be the conductor 240 is formed. It is desirable that the conductive film to be the conductor 240 has a laminated structure including a conductor having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen.
  • the conductive film to be the conductor 240 has a laminated structure, for example, tantalum nitride, titanium nitride, or the like can be used as the underlying film.
  • the upper film for example, tungsten, molybdenum, copper or the like can be used.
  • the film formation of the conductive film to be the conductor 240 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the ionization sputtering method for forming the lower layer of the conductive film it is preferable to use the ionization sputtering method for forming the lower layer of the conductive film to be the conductor 240.
  • the film can be uniformly formed on the bottom and side surfaces of the opening.
  • the lower layer of the conductive film to be the conductor 240 functions well as a seed layer of the upper layer of the conductive film to be the conductor 240, which is preferable.
  • a part of the conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b is removed, and the upper surfaces of the insulator 283 and the insulator 274 are exposed.
  • the conductor 240a and the conductor 240b having a flat upper surface can be formed by leaving the conductive film only in the opening (see FIGS. 20A to 20D).
  • a part of the upper surface of the insulator 283 and a part of the upper surface of the insulator 274 may be removed by the CMP treatment.
  • a conductive film to be a conductor 246 is formed.
  • the film formation of the conductive film to be the conductor 246 can be performed by using 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 246 is processed by a lithography method to form the conductor 246a in contact with the upper surface of the conductor 240a and the conductor 246b in contact with the upper surface of the conductor 240b (see FIGS. 21A to 21D). ).
  • a part of the insulator 283 in the region where the conductor 246a and the conductor 246b and the insulator 283 do not overlap may be removed.
  • the insulator 286 is formed on the conductor 246 and the insulator 283 (see FIGS. 3A to 3D).
  • the film formation of the insulator 286 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the insulator 286 may have multiple layers.
  • silicon nitride may be formed into a film by using a sputtering method, and silicon nitride may be formed on the silicon nitride by a CVD method.
  • the semiconductor device having the transistor 200 shown in FIGS. 3A to 3D can be manufactured.
  • the transistor 200 can be manufactured by using the method for manufacturing the semiconductor device shown in the present embodiment.
  • the semiconductor device may be manufactured without performing the steps shown in FIGS. 17A to 19D.
  • the transistor 200 according to one aspect of the present invention is provided, which is different from the ones shown in the above ⁇ Semiconductor device configuration example> and the above ⁇ Semiconductor device modification>.
  • An example of a semiconductor device will be described.
  • the same reference numerals are given to the structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices (see FIGS. 3A to 3D) shown in ⁇ Modified examples of semiconductor devices>. I will add it.
  • the constituent material of the transistor 200 the materials described in detail in ⁇ Semiconductor device configuration example> and ⁇ Semiconductor device modification> can be used.
  • FIGS. 22A and 22B show a configuration in which a plurality of transistors 200_1 to 200_n are comprehensively sealed with an insulator 283 and an insulator 212.
  • the transistors 200_1 to 200_n appear to be arranged in the channel length direction, but the transistor 200_1 to the transistor 200_n are not limited to this.
  • the transistors 200_1 to 200_n may be arranged in the channel width direction or may be arranged in a matrix. Further, depending on the design, they may be arranged without regularity.
  • a portion where the insulator 283 and the insulator 212 are in contact with each other (hereinafter, may be referred to as a sealing portion 265) is formed outside the plurality of transistors 200_1 to 200_n.
  • the sealing portion 265 is formed so as to surround the plurality of transistors 200_1 to 200_n. With such a structure, a plurality of transistors 200_1 to 200_n can be wrapped with the insulator 283 and the insulator 212. Therefore, a plurality of transistor groups surrounded by the sealing portion 265 are provided on the substrate.
  • a dicing line (sometimes referred to as a scribe line, a dividing line, or a cutting line) may be provided on the sealing portion 265. Since the substrate is divided at the dicing line, the transistor group surrounded by the sealing portion 265 is taken out as one chip.
  • FIG. 22A an example in which a plurality of transistors 200_1 to 200_n are surrounded by one sealing portion 265 is shown, but the present invention is not limited to this.
  • a plurality of transistors 200_1 to 200_n may be surrounded by a plurality of sealing portions.
  • a plurality of transistors 200_1 to 200_n are surrounded by a sealing portion 265a, and further surrounded by an outer sealing portion 265b.
  • the portion where the insulator 283 and the insulator 212 are in contact with each other increases, so that the adhesion between the insulator 283 and the insulator 212 can be improved. It can be improved further. Thereby, a plurality of transistors 200_1 to 200_n can be more reliably sealed.
  • a dicing line may be provided on the sealing portion 265a or the sealing portion 265b, or a dicing line may be provided between the sealing portion 265a and the sealing portion 265b.
  • one aspect of the present invention it is possible to provide a semiconductor device having little variation in transistor characteristics.
  • one aspect of the present invention can provide a semiconductor device with good reliability.
  • one aspect of the present invention can provide a semiconductor device having good electrical characteristics.
  • one aspect of the present invention can provide a semiconductor device having a large on-current.
  • one aspect of the present invention can provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration.
  • one aspect of the present invention can provide a low power consumption semiconductor device.
  • the configuration, method, etc. shown in this embodiment can be used in appropriate combination with the configuration, method, etc. shown in other embodiments.
  • FIG. 23 shows an example of a semiconductor device (storage device) according to one aspect of the present invention.
  • the semiconductor device of one aspect of the present invention includes a transistor 200, a transistor 300, and a capacitive element 100.
  • the transistor 200 is provided above the transistor 300, and the capacitive element 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.
  • the transistor 200 the transistor 200 described in the previous embodiment can be used.
  • the transistor 200 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer having an oxide semiconductor. Since the transistor 200 has a small off-current, it is possible to retain the stored contents for a long period of time by using the transistor 200 as a storage device. That is, since the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, the power consumption of the storage 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. Further, the wiring 1003 is electrically connected to one of the source and 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 drain of the transistor 200 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitive element 100, and the wiring 1005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitive element 100. ..
  • the storage devices shown in FIG. 23 can form a memory cell array by arranging them in a matrix.
  • the transistor 300 is provided on the substrate 311 and functions as a conductor 316 that functions as a gate, an insulator 315 that functions as a gate insulator, a semiconductor region 313 that is a part of the substrate 311 and a low that functions as a source region or a drain region. It has a resistance region 314a and a low resistance region 314b.
  • the transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.
  • the semiconductor region 313 (a part of the substrate 311) on which the channel is formed has a convex shape. Further, the side surface and the upper surface of the semiconductor region 313 are provided so as to be covered with the conductor 316 via the insulator 315.
  • the conductor 316 may be made of a material that adjusts the work function. Since such a transistor 300 utilizes a convex portion of a semiconductor substrate, it is also called a FIN type transistor. It should be noted that an insulator that is in contact with the upper portion of the convex portion and functions as a mask for forming the convex portion may be provided. Further, although the case where a part of the semiconductor substrate is processed to form a convex portion is shown here, the SOI substrate may be processed to form a semiconductor film having a convex shape.
  • transistor 300 shown in FIG. 23 is an example, and the transistor 300 is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.
  • the capacitive element 100 is provided above the transistor 200.
  • the capacitive element 100 has a conductor 110 that functions as a first electrode, a conductor 120 that functions as a second electrode, and an insulator 130 that functions as a dielectric.
  • the insulator 130 it is preferable to use an insulator that can be used as the insulator 286 shown in the above embodiment.
  • the conductor 112 provided on the conductor 240 and the conductor 110 can be formed at the same time.
  • the conductor 112 has a function as a plug or wiring that electrically connects to the capacitance element 100, the transistor 200, or the transistor 300.
  • the conductor 112 and the conductor 110 have a single-layer structure, but the structure is not limited to this, and a laminated structure of two or more layers may be used.
  • a conductor having a barrier property and a conductor having a high adhesion to a conductor having a high conductivity may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.
  • the insulator 130 includes, for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, aluminum nitride, hafnium oxide, hafnium oxide, hafnium nitride, hafnium nitride. Etc. may be used, and it can be provided in a laminated or single layer.
  • the capacitance element 100 can secure a sufficient capacitance by having an insulator having a high dielectric constant (high-k), and by having an insulator having a large dielectric strength, the dielectric strength is improved and the capacitance is improved.
  • the electrostatic breakdown of the element 100 can be suppressed.
  • the insulator of the high dielectric constant (high-k) material material having a high specific dielectric constant
  • silicon oxide silicon oxide nitride, silicon oxide with fluorine added, silicon oxide with carbon added, silicon oxide with carbon and nitrogen added, and vacancies
  • silicon oxide or resin having.
  • a wiring layer provided with an interlayer film, wiring, a plug, etc. may be provided between the structures. Further, a plurality of wiring layers can be provided according to the design.
  • the conductor having a function as a plug or wiring may collectively give a plurality of structures the same reference numerals. Further, in the present specification and the like, the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.
  • an insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are laminated in this order on the transistor 300 as an interlayer film. Further, the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are embedded with a capacitance element 100, a conductor 328 electrically connected to the transistor 200, a conductor 330, and the like. The conductor 328 and the conductor 330 function as plugs or wirings.
  • the insulator that functions as an interlayer film may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator.
  • the upper surface of the insulator 322 may be flattened by a flattening treatment using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like in order to improve the flatness.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • a wiring layer may be provided on the insulator 326 and the conductor 330.
  • the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354 are laminated in this order.
  • a conductor 356 is formed on the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 functions as a plug or wiring.
  • the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 are embedded with a conductor 218, a conductor (conductor 205) constituting the transistor 200, and the like.
  • the conductor 218 has a function as a plug or wiring for electrically connecting to the capacitance element 100 or the transistor 300.
  • an insulator 150 is provided on the conductor 120 and the insulator 130.
  • the insulator 217 is provided in contact with the side surface of the conductor 218 that functions as a plug.
  • the insulator 217 is provided in contact with the inner wall of the opening formed in the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216. That is, the insulator 217 is provided between the conductor 218, the insulator 210 insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216. Since the conductor 205 can be formed in parallel with the conductor 218, the insulator 217 may be formed in contact with the side surface of the conductor 205.
  • an insulator such as silicon nitride, aluminum oxide, or silicon nitride may be used. Since the insulator 217 is provided in contact with the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, the insulator 216, and the insulator 222, impurities such as water or hydrogen are conductive from the insulator 210 or the insulator 216 or the like. It can be suppressed from being mixed with the oxide 230 through the body 218.
  • silicon nitride is suitable because it has a high blocking property against hydrogen. Further, it is possible to prevent oxygen contained in the insulator 210 or the insulator 216 from being absorbed by the conductor 218.
  • the insulator 217 can be formed in the same manner as the insulator 241.
  • the PEALD method may be used to form a film of silicon nitride, and anisotropic etching may be used to form an opening reaching the conductor 356.
  • Examples of the insulator that can be used as the interlayer film include oxides, nitrides, oxide nitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxide nitrides, and metal nitride oxides having insulating properties.
  • the material may be selected according to the function of the insulator.
  • the insulator 150, the insulator 280, the insulator 210, the insulator 352, the insulator 354, and the like have an insulator having a low relative permittivity.
  • the insulator preferably has 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, silicon oxide having pores, or a resin.
  • the insulator may be silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, or silicon oxide having pores. And preferably have a laminated structure with a resin.
  • silicon oxide and silicon oxide nitride are thermally stable, they can be combined with a resin to form a laminated structure that is thermally stable and has a low relative permittivity.
  • the resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic, and the like.
  • a transistor using an oxide semiconductor can stabilize the electrical characteristics of the transistor by surrounding it with an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen. Therefore, as the insulator 214, the insulator 212, the insulator 350, and the like, an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen may be used.
  • Examples of the insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, and zirconium. Insulators containing, lanthanum, neodymium, hafnium or tantalum may be used in single layers or in layers.
  • an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide or Metal oxides such as tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride and 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, and indium.
  • a material containing one or more metal elements selected from ruthenium and the like can be used.
  • a semiconductor having high electric conductivity typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, and silicide such as nickel silicide may be used.
  • the conductor 328, the conductor 330, the conductor 356, the conductor 218, the conductor 240, the conductor 112, and the like include a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal formed of the above materials.
  • Conductive materials such as oxide materials can be used in a single layer or in layers. It is preferable to use a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten.
  • it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be reduced by using a low resistance conductive material.
  • an insulator having an excess oxygen region may be provided in the vicinity of the oxide semiconductor. In that case, it is preferable to provide an insulator having a barrier property between the insulator having the excess oxygen region and the conductor provided in the insulator having the excess oxygen region.
  • an insulator 241 between the insulator 224 and the insulator 280 having excess oxygen and the conductor 240 it is preferable to provide an insulator 241 between the insulator 224 and the insulator 280 having excess oxygen and the conductor 240.
  • the insulator 241 in contact with the insulator 222, the insulator 282, and the insulator 283, the insulator 224 and the transistor 200 are configured to be sealed by an insulator having a barrier property. Can be done.
  • the insulator 241 it is possible to suppress the excess oxygen contained in the insulator 224 and the insulator 280 from being absorbed by the conductor 240. Further, by having the insulator 241, it is possible to suppress the diffusion of hydrogen, which is an impurity, to the transistor 200 via the conductor 240.
  • an insulating material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as water and hydrogen and oxygen it is preferable to use silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide or hafnium oxide.
  • silicon nitride is preferable because it has a high blocking property against hydrogen.
  • metal oxides such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, and tantalum oxide can be used.
  • the transistor 200 is sealed with the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 283. With such a configuration, it is possible to reduce the mixing of hydrogen contained in the insulator 274, the insulator 150 and the like into the insulator 280 and the like.
  • the conductor 240 penetrates through the insulator 283 and the insulator 282, and the conductor 218 penetrates through the insulator 214, the insulator 212, and the insulator 210.
  • the insulator 241 penetrates. It is provided in contact with the conductor 240, and the insulator 217 is provided in contact with the conductor 218. Thereby, hydrogen mixed in the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 283 can be reduced through the conductor 240 and the conductor 218.
  • the transistor 200 is more reliably sealed with the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, the insulator 283, the insulator 241 and the insulator 217, and hydrogen and the like contained in the insulator 274 and the like are contained. It is possible to reduce the mixing of impurities from the outside.
  • the insulator 216, the insulator 224, the insulator 280, the insulator 250, and the insulator 274 are formed by a film forming method using a gas in which hydrogen atoms are reduced or removed, as shown in the previous embodiment. It is preferably formed. Thereby, the hydrogen concentration of the insulator 216, the insulator 224, the insulator 280, the insulator 250, and the insulator 274 can be reduced.
  • the hydrogen concentration of the silicon-based insulating film in the vicinity of the transistor 200 can be reduced, and the hydrogen concentration of the oxide 230 can be reduced.
  • a dicing line (sometimes referred to as a scribing line, a dividing line, or a cutting line) provided when a plurality of semiconductor devices are taken out in a chip shape by dividing a large-area substrate into semiconductor elements will be described. ..
  • a dividing method for example, there is a case where a groove (dicing line) for dividing a semiconductor element is first formed on a substrate, then the dicing line is cut, and the semiconductor device is divided (divided) into a plurality of semiconductor devices.
  • the region where the insulator 283 and the insulator 212 are in contact overlap with the dicing line That is, in the vicinity of the region serving as the dicing line provided on the outer edge of the memory cell having the plurality of transistors 200, the insulator 282, the insulator 280, the insulator 272, the insulator 224, the insulator 222, the insulator 216, and the insulator.
  • An opening is provided in 214.
  • the insulator 212 and the insulator 283 come into contact with each other at the openings provided in the insulator 282, the insulator 280, the insulator 272, the insulator 224, the insulator 222, the insulator 216, and the insulator 214.
  • the adhesion can be improved. For example, it is preferable to use silicon nitride.
  • the transistor 200 can be wrapped by the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 283. Since at least one of the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 283 has a function of suppressing the diffusion of oxygen, hydrogen, and water, the semiconductor element shown in the present embodiment is formed. By dividing the substrate for each circuit region, even if it is processed into a plurality of chips, impurities such as hydrogen or water are prevented from being mixed in from the side surface direction of the divided substrate and diffused to the transistor 200. Can be done.
  • the structure can prevent the excess oxygen of the insulator 280 and the insulator 224 from diffusing to the outside. Therefore, the excess oxygen of the insulator 280 and the insulator 224 is efficiently supplied to the oxide in which the channel is formed in the transistor 200.
  • the oxygen can reduce the oxygen deficiency of the oxide in which the channel is formed in the transistor 200.
  • the oxide in which the channel is formed in the transistor 200 can be made into an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics. That is, it is possible to suppress fluctuations in the electrical characteristics of the transistor 200 and improve reliability.
  • the shape of the capacitance element 100 is a planar type, but the storage device shown in the present embodiment is not limited to this.
  • the shape of the capacitance element 100 may be a cylinder type.
  • the storage device shown in FIG. 24 has the same configuration as the semiconductor device shown in FIG. 23 in the configuration below the insulator 150.
  • the capacitive element 100 shown in FIG. 24 is an insulator 150 on the insulator 130, an insulator 142 on the insulator 150, and a conductor 115 arranged in an opening formed in the insulator 150 and the insulator 142.
  • at least a part of the conductor 115, the insulator 145, and the conductor 125 is arranged in the openings formed in the insulator 150 and the insulator 142.
  • the conductor 115 functions as a lower electrode of the capacitance element 100
  • the conductor 125 functions as an upper electrode of the capacitance element 100
  • the insulator 145 functions as a dielectric of the capacitance element 100.
  • the capacitance element 100 has a configuration in which the upper electrode and the lower electrode face each other with a dielectric sandwiched not only on the bottom surface but also on the side surface at the openings of the insulator 150 and the insulator 142, and the capacitance per unit area.
  • the capacity can be increased. Therefore, the deeper the depth of the opening, the larger the capacitance of the capacitive element 100 can be.
  • an insulator that can be used for the insulator 280 may be used.
  • the insulator 142 preferably functions as an etching stopper when forming an opening of the insulator 150, and an insulator that can be used for the insulator 214 may be used.
  • the shape of the openings formed in the insulator 150 and the insulator 142 when viewed from above may be a quadrangle, a polygonal shape other than the quadrangle, or a polygonal shape with curved corners. , It may be a circular shape including an ellipse.
  • it is preferable that the area where the opening and the transistor 200 overlap is large. With such a configuration, the occupied area of the semiconductor device having the capacitance element 100 and the transistor 200 can be reduced.
  • the conductor 115 is arranged in contact with the insulator 142 and the opening formed in the insulator 150. It is preferable that the upper surface of the conductor 115 substantially coincides with the upper surface of the insulator 142. Further, the lower surface of the conductor 115 is in contact with the conductor 110 through the opening of the insulator 130.
  • the conductor 115 is preferably formed by using an ALD method, a CVD method, or the like, and for example, a conductor that can be used for the conductor 205 may be used.
  • the insulator 145 is arranged so as to cover the conductor 115 and the insulator 142.
  • the insulator 145 includes, for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, zirconium oxide, aluminum oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, hafnium oxide, hafnium oxide, hafnium oxide, and nitride.
  • Hafnium or the like may be used, and it can be provided in a laminated or single layer.
  • an insulating film in which zirconium oxide, aluminum oxide, and zirconium oxide are laminated in this order can be used.
  • a material having a large dielectric strength such as silicon oxide or a material having a high dielectric constant (high-k) for the insulator 145.
  • a laminated structure of a material having a large dielectric strength and a high dielectric constant (high-k) material may be used.
  • the insulator of the high dielectric constant (high-k) material material having a high specific dielectric constant
  • silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, and pores are used as materials having high dielectric strength.
  • silicon oxide, resin, etc. laminated in the order of silicon nitride was deposited using ALD (SiN x), silicon oxide was deposited using PEALD method (SiO x), silicon nitride was deposited using ALD (SiN x)
  • An insulating film that has been formed can be used. By using such an insulator having a large dielectric strength, the dielectric strength can be improved and electrostatic breakdown of the capacitive element 100 can be suppressed.
  • the conductor 125 is arranged so as to fill the openings formed in the insulator 142 and the insulator 150. Further, the conductor 125 is electrically connected to the wiring 1005 via the conductor 140 and the conductor 153.
  • the conductor 125 is preferably formed by using an ALD method, a CVD method, or the like, and for example, a conductor that can be used for the conductor 205 may be used.
  • the conductor 153 is provided on the insulator 154 and is covered with the insulator 156.
  • a conductor that can be used for the conductor 112 may be used, and as the insulator 156, an insulator that can be used for the insulator 152 may be used.
  • the conductor 153 is in contact with the upper surface of the conductor 140, and functions as a terminal of the capacitive element 100, the transistor 200, or the transistor 300.
  • FIG. 25 shows an example of a semiconductor device (storage device) according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view of a semiconductor device 290 having a memory device.
  • the semiconductor device 290 shown in FIG. 25 includes a capacitive device 292 in addition to the transistors 200 shown in FIGS. 1A to 1D.
  • FIG. 25 corresponds to a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction.
  • the capacitive device 292 includes a conductor 242b, an insulator 271b provided on the conductor 242b, and an insulator 272 provided in contact with the upper surface of the insulator 271b, the side surface of the insulator 271b, and the side surface of the conductor 242b. And a conductor 294 provided so as to cover the insulator 272. That is, the capacitance device 292 constitutes a MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitance.
  • One of the pair of electrodes of the capacitive device 292, that is, the conductor 242b can also serve as the source electrode of the transistor.
  • the dielectric layer included in the capacitive device 292 can also serve as a protective layer provided on the transistor, that is, an insulator 271 and an insulator 272. Therefore, in the manufacturing process of the capacitive device 292, a part of the manufacturing process of the transistor can also be used, so that the semiconductor device can be highly productive. Further, since one of the pair of electrodes of the capacitive device 292, that is, the conductor 242b also serves as the source electrode of the transistor, it is possible to reduce the area where the transistor and the capacitive device are arranged.
  • the conductor 294 for example, a material that can be used for the conductor 242 may be used.
  • FIGS. 26A, 26B, 27, and 28 the transistor 200 and the capacitance device 292 according to one aspect of the present invention, which are different from those shown in the above ⁇ configuration example of the memory device>.
  • An example of a semiconductor device having the above will be described.
  • the same reference numerals are added to the structures having.
  • the constituent materials of the transistor 200 and the capacitive device 292 the materials described in detail in the previous embodiment and ⁇ configuration example of the memory device> can be used.
  • FIG. 26A is a cross-sectional view of a semiconductor device 600 having a transistor 200a, a transistor 200b, a capacitive device 292a, and a capacitive device 292b in the channel length direction.
  • the capacitive device 292a is provided in contact with the conductor 242a, the insulator 271a provided on the conductor 242a, the upper surface of the insulator 271a, the side surface of the insulator 271a, and the side surface of the conductor 242a. It has an insulator 272 and a conductor 294a provided so as to cover the insulator 272. Further, the capacitance device 292b is provided in contact with the conductor 242b, the insulator 271b provided on the conductor 242b, the upper surface of the insulator 271b, the side surface of the insulator 271b, and the side surface of the conductor 242b. It has a body 272 and a conductor 294b provided so as to cover the insulator 272.
  • the semiconductor device 600 has a line-symmetrical configuration with the alternate long and short dash line of A3-A4 as the axis of symmetry.
  • One of the source electrode or the drain electrode of the transistor 200a and one of the source electrode or the drain electrode of the transistor 200b are configured by the conductor 242c.
  • An insulator 271c is provided on the conductor 242c.
  • the conductor 246 that functions as wiring and the conductor 240 that also functions as a plug for connecting the transistor 200a and the transistor 200b are configured.
  • the configuration examples of the semiconductor devices shown in FIGS. 1A to 1D and 25 can be referred to.
  • ⁇ Modification example 2 of memory device >>
  • the transistor 200a, the transistor 200b, the capacitive device 292a, and the capacitive device 292b have been mentioned as configuration examples of the semiconductor device, but the semiconductor device shown in the present embodiment is not limited to this.
  • the semiconductor device 600 and the semiconductor device having the same configuration as the semiconductor device 600 may be connected via a capacitance portion.
  • a semiconductor device having a transistor 200a, a transistor 200b, a capacitive device 292a, and a capacitive device 292b is referred to as a cell.
  • the above-mentioned description relating to the transistor 200a, the transistor 200b, the capacitive device 292a, and the capacitive device 292b can be referred to.
  • FIG. 26B is a cross-sectional view in which a semiconductor device 600 having a transistor 200a, a transistor 200b, a capacitance device 292a, and a capacitance device 292b and a cell having the same configuration as the semiconductor device 600 are connected via a capacitance section.
  • the conductor 294b that functions as one electrode of the capacitance device 292b of the semiconductor device 600 also serves as one electrode of the capacitance device of the semiconductor device 601 having the same configuration as the semiconductor device 600. It has become.
  • the conductor 294a, which functions as one electrode of the capacitance device 292a of the semiconductor device 600 is on the left side of the semiconductor device 600, that is, in FIG. 26B, one of the capacitance devices of the semiconductor device adjacent to the semiconductor device 600 in the A1 direction. Also serves as an electrode.
  • the cell on the right side of the semiconductor device 601, that is, in FIG. 26B has the same configuration for the cell in the A2 direction.
  • a cell array (also referred to as a memory device layer) can be formed.
  • the distance between adjacent cells can be reduced, so that the projected area of the cell array can be reduced, and high integration is possible.
  • a matrix-like cell array can be configured.
  • the cell area is reduced, and the semiconductor device having the cell array is miniaturized or increased. It can be integrated.
  • FIG. 27 shows a cross-sectional view of a configuration in which n layers of cell array 610 are laminated. As shown in FIG. 27, by stacking a plurality of cell cells (series cell array 610_1 to cell array 610_n), cells can be integrated and arranged without increasing the occupied area of the cell array. That is, a 3D cell array can be constructed.
  • FIG. 28 shows an example in which the memory unit 470 has a transistor layer 413 having a transistor 200T and four memory device layers 415 (memory device layer 415_1 to memory device layer 415_4).
  • the memory device layer 415_1 to the memory device layer 415_1 each have a plurality of memory devices 420.
  • the memory device 420 is electrically connected to the memory device 420 of the different memory device layers 415 and the transistor 200T of the transistor layer 413 via the conductor 424 and the conductor 205.
  • the memory unit 470 is sealed by the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 283 (for convenience, hereinafter referred to as a sealing structure).
  • An insulator 274 is provided around the insulator 283. Further, the insulator 274, the insulator 283, and the insulator 212 are provided with a conductor 440, which is electrically connected to the element layer 411.
  • an insulator 280 is provided inside the sealing structure.
  • the insulator 280 has a function of releasing oxygen by heating.
  • the insulator 280 has an excess oxygen region.
  • the insulator 212 and the insulator 283 are materials having a high blocking property against hydrogen. Further, the insulator 214 and the insulator 282 are preferably materials having a function of capturing hydrogen or fixing hydrogen.
  • the material having a high blocking property against hydrogen includes silicon nitride, silicon nitride, and the like.
  • Examples of the material having a function of capturing hydrogen or fixing hydrogen include aluminum oxide, hafnium oxide, and oxides containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate).
  • the crystal structure of the materials used for the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 283 is not particularly limited, but may be an amorphous or crystalline structure.
  • Amorphous aluminum oxide may capture and adhere more hydrogen than highly crystalline aluminum oxide.
  • the excess oxygen in the insulator 280 can be considered as the following model for the diffusion of hydrogen in the oxide semiconductor in contact with the insulator 280.
  • Hydrogen present in the oxide semiconductor diffuses into other structures via the insulator 280 in contact with the oxide semiconductor.
  • excess oxygen in the insulator 280 reacts with hydrogen in the oxide semiconductor to form an OH bond, and diffuses in the insulator 280.
  • a hydrogen atom having an OH bond reaches a material having a function of capturing hydrogen or fixing hydrogen (typically, an insulator 282)
  • the hydrogen atom becomes an atom in the insulator 282 (for example, an insulator 282). It reacts with oxygen atoms bonded to metal atoms, etc.) and is captured or fixed in the insulator 282.
  • an insulator 280 having excess oxygen is formed on an oxide semiconductor, and then an insulator 282 is formed. After that, it is preferable to perform heat treatment. Specifically, the heat treatment is carried out in an atmosphere containing oxygen, an atmosphere containing nitrogen, or a mixed atmosphere of oxygen and nitrogen at a temperature of 350 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher.
  • the heat treatment time is 1 hour or longer, preferably 4 hours or longer, and more preferably 8 hours or longer.
  • hydrogen in the oxide semiconductor can be diffused to the outside through the insulator 280 and the insulator 282. That is, the absolute amount of the oxide semiconductor and hydrogen existing in the vicinity of the oxide semiconductor can be reduced.
  • an insulator 283 is formed. Since the insulator 283 is a material having a function of having a high blocking property against hydrogen, hydrogen diffused to the outside or hydrogen existing on the outside is transferred to the inside, specifically, an oxide semiconductor or the insulator 280. It can be suppressed from entering the side.
  • the heat treatment may be performed after the transistor layer 413 is formed or after the memory device layer 415_1 to the memory device layer 415_3 are formed. Further, when hydrogen is diffused outward by the above heat treatment, hydrogen is diffused above or in the lateral direction of the transistor layer 413. Similarly, when the heat treatment is performed after the memory device layer 415_1 to the memory device layer 415_3 are formed, hydrogen is diffused upward or laterally.
  • the above-mentioned sealing structure is formed by adhering the insulator 212 and the insulator 283.
  • a so-called multi-chamber device having a plurality of processing chambers capable of continuously forming different film types.
  • film formation processing 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, and the like can be connected to the sputtering chamber.
  • the sputtering chamber may be configured so that the ionization sputtering method can be used. Further, the bias sputtering method may be used.
  • substrate cleaning treatment plasma treatment, reverse sputtering treatment, etching treatment, ashing treatment, heat treatment and the like may be performed.
  • the insulator, the conductor, and the semiconductor film can be formed without opening to the atmosphere.
  • a typical example of the semiconductor film used in one aspect of the present invention is an oxide semiconductor film.
  • an oxide semiconductor film having a low impurity concentration and a low defect level density can produce a transistor having excellent electrical characteristics.
  • a low impurity concentration and a low defect level density is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic.
  • the oxide semiconductor film having high purity intrinsicity or substantially high purity intrinsicity has few carrier sources, the carrier density can be lowered. Therefore, the transistor in which the channel formation region is formed in the oxide semiconductor film is unlikely to have an electrical characteristic (also referred to as normal on) in which the threshold voltage is negative. Further, since the oxide semiconductor film having high purity intrinsicity or substantially high purity intrinsicity has a low defect level density, the trap level density may also be low.
  • the off current is extremely small, even with an element with a channel width channel length L of 10 ⁇ m at 1 ⁇ 10 6 [mu] m, and a source electrode
  • 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 below the measurement limit of the semiconductor parameter analyzer, that is, 1 ⁇ 10 -13 A or less.
  • Typical examples of impurities in the oxide semiconductor film include water and hydrogen. Further, in the present specification and the like, reducing or removing water and hydrogen from the oxide semiconductor film may be referred to as dehydrogenation or dehydrogenation. Further, the addition of oxygen to the oxide semiconductor film may be referred to as oxygenation, and the state of being oxygenated and having excess oxygen than the stoichiometric composition may be referred to as an excess oxygen state. ..
  • the oxide semiconductor, the insulator or conductor located in the lower layer of the oxide semiconductor, and the insulator or conductor located in the upper layer of the oxide semiconductor are made of different films without opening to the atmosphere.
  • By continuously forming the seeds it is possible to form an oxide semiconductor film having a substantially high purity and intrinsicity in which the concentration of impurities (particularly hydrogen and water) is reduced.
  • FIG. 29 the details of the configuration example of the device that can be used when manufacturing the semiconductor device of one aspect of the present invention will be described with reference to FIG. 29.
  • a semiconductor film, an insulator or a conductor located in the lower layer of the semiconductor film, and an insulator or a conductor located in the upper layer of the semiconductor film can be continuously formed. it can. Therefore, impurities (particularly hydrogen and water) that can enter the semiconductor film can be suppressed.
  • FIG. 29 schematically shows a top view of the single-wafer type multi-chamber device 4000.
  • the device 4000 carries in the substrate from the atmospheric side substrate supply chamber 4010 and the atmospheric side substrate supply chamber 4010 to the atmospheric side substrate transfer chamber 4012, and reduces the pressure in the room from atmospheric pressure or reduces the pressure in the room.
  • the load lock chamber 4020a for switching from to atmospheric pressure and the unload lock chamber 4020b for carrying out the substrate and switching the pressure in the room from reduced pressure to atmospheric pressure or from atmospheric pressure to reduced pressure, and transporting the substrate in vacuum.
  • each of the plurality of processing rooms can perform different processing in parallel. Therefore, a laminated structure of different film types can be easily produced. It should be noted that parallel processing can be performed up to the number of processing rooms.
  • the device 4000 shown in FIG. 29 is a device having seven processing chambers. Therefore, using one device (also referred to as in-situ in the present specification), seven film forming processes can be continuously performed without releasing to the atmosphere.
  • the number of laminated structures that can be produced 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, so that a laminated structure having a larger number of laminated structures than the number of installed processing chambers should be produced. Can be done.
  • the atmosphere side substrate supply chamber 4010 includes a cassette port 4014 for accommodating the substrate and an alignment port 4016 for aligning the substrate.
  • the cassette ports 4014 may have a plurality of (for example, three in FIG. 29).
  • the atmospheric board transport chamber 4012 is connected to the load lock chamber 4020a and the unload lock chamber 4020b.
  • the transfer chamber 4029 is connected to the load lock chamber 4020a, the unload lock chamber 4020b, the transfer chamber 4030a, the transfer chamber 4030b, the processing chamber 4024a, and the processing chamber 4024b.
  • the transfer chamber 4030a and the transfer chamber 4030b are connected to the transfer chamber 4029 and the transfer chamber 4039.
  • the transfer chamber 4039 is connected to the transfer chamber 4030a, the transfer chamber 4030b, the processing chamber 4034a, the processing chamber 4034b, the processing chamber 4034c, the processing chamber 4034d, and the processing 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 held in a vacuum state except for the atmospheric side substrate supply chamber 4010 and the atmospheric side substrate transport chamber 4012. can do.
  • the atmospheric board transfer chamber 4012 has a transfer robot 4018.
  • the transport chamber 4029 has a transport robot 4026, and the transport chamber 4039 has a transport robot 4036.
  • the transfer robot 4018, the transfer robot 4026, and the transfer robot 4036 have a plurality of movable parts and an arm for holding the substrate, and can convey the substrate to each chamber.
  • the number of transport chambers, processing chambers, load lock chambers, unload lock chambers and transfer chambers is not limited to the above, and an optimum number can be appropriately provided according to the installation space and process conditions.
  • the transport chamber 4030a and the transport chamber 4030b are arranged in parallel between the transport chamber 4029 and the transport chamber 4039. ..
  • the step of the transfer robot 4026 carrying the substrate into the transfer chamber 4030a and the step of the transfer robot 4036 carrying the substrate into the transfer chamber 4030b can be performed at the same time. It can be carried out. Further, the step of the transfer robot 4026 carrying out the substrate from the transfer chamber 4030b and the step of the transfer robot 4036 carrying out the substrate from the transfer chamber 4030a can be performed at the same time. That is, the production efficiency is improved by driving a plurality of transfer robots at the same time.
  • FIG. 29 an example in which one transport chamber has one transport robot and is connected to a plurality of processing chambers is shown, but the structure is not limited to this structure.
  • a plurality of transfer robots may be provided for one transfer room.
  • the transfer chamber 4029 and the transfer chamber 4039 are connected to the vacuum pump and the cryopump via a valve. Therefore, the transfer chamber 4029 and the transfer chamber 4039 use a vacuum pump to evacuate from atmospheric pressure to a low vacuum or a medium vacuum (around several hundred Pa to 0.1 Pa), then switch the valve and use a cryopump. It can be evacuated from medium vacuum to high vacuum or ultra-high vacuum (about 0.1 Pa to 1 ⁇ 10 -7 Pa).
  • cryopumps may be connected in parallel to one transport chamber.
  • Regeneration is a process of releasing molecules (or atoms) stored in a cryopump.
  • Cryopumps should be regenerated on a regular basis because the exhaust capacity will decrease if molecules (or atoms) are stored too much.
  • 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 each perform different processing in parallel. That is, in each processing chamber, the installed substrate can be subjected to film formation treatment, heat treatment, or plasma treatment by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. Further, in the treatment room, the film formation treatment may be performed after the heat treatment or the plasma treatment.
  • the substrate can be transported between treatments without being exposed to the atmosphere, so that it is possible to suppress the adsorption of impurities on the substrate. Further, since the film formation treatment, the heat treatment, or the plasma treatment of different film types can be performed for each treatment chamber, the order of the film formation and the heat treatment can be freely constructed.
  • each processing chamber may be connected to a vacuum pump via a valve.
  • a vacuum pump for example, a dry pump, a mechanical booster pump, or the like can be used.
  • each processing chamber may be connected to a power source capable of generating plasma.
  • a power source capable of generating plasma.
  • a DC power source an AC power source, and a high frequency (RF, microwave, etc.) power source may be provided.
  • a pulse generator may be connected to the DC power supply.
  • processing chamber may be connected to the gas purification device via the gas supply device.
  • the number of gas supply devices and gas purification devices may be as many as the number of gas types.
  • the processing chamber is bonded to a target, a backing plate connected to the target, and a cathode arranged to face the target via the backing plate.
  • a board and a substrate stage may be provided.
  • 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 is held in a substantially vertical state with respect to the floor surface at the time of film formation, and is held in a substantially horizontal state with respect to the floor surface at the time of substrate delivery.
  • the substrate stage substantially perpendicular to the floor surface, the probability that dust or particles that may be mixed during film formation adheres to the substrate can be suppressed rather than being kept in a horizontal state.
  • the angle of the substrate stage with respect to the floor surface is preferably 80 ° or more and less than 90 °. ..
  • the configuration of the board stage is not limited to the above configuration.
  • the substrate stage may be configured to be substantially horizontal to the floor surface.
  • the target may be arranged below the substrate stage, and the substrate may be arranged between the target and the substrate stage.
  • the substrate stage may be provided with a jig for fixing the substrate so that the substrate does not fall, or a mechanism for fixing the substrate.
  • the protective plate in the processing chamber, it is possible to suppress the accumulation of particles sputtered from the target in an unnecessary region. Further, it is desirable that the adhesive plate is processed so that the accumulated sputtering particles do not peel off. For example, a blast treatment that increases the surface roughness, or unevenness may be provided on the surface of the protective plate.
  • the backing plate has a function of holding the target, and the cathode has a function of applying a voltage (for example, a negative voltage) to the target.
  • a voltage for example, a negative voltage
  • a conductor, an insulator, or a semiconductor can be used as the target.
  • the target is an oxide semiconductor such as a metal oxide
  • an oxide semiconductor film can be formed in the processing chamber.
  • a nitride semiconductor film can be formed by using nitrogen gas as the film forming 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 lower, preferably ⁇ 100 ° C. or lower, more preferably ⁇ 120 ° C. or lower can be used, and for example, oxygen gas, nitrogen gas, and rare gas. (Argon gas, etc.) can be used.
  • the gas heating mechanism can heat the gas introduced into the treatment chamber to 40 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
  • the number of gas heating mechanisms, gas supply devices, and gas purification devices may be as many as the number of gas types.
  • each processing chamber may be connected to a turbo molecular pump and a vacuum pump via a valve. Further, a cryotrap may be provided in each processing chamber.
  • the cryotrap is a mechanism that can adsorb molecules (or atoms) with a relatively high melting point such as water. Turbo molecular pumps are excellent in productivity because they stably exhaust large-sized molecules (or atoms) and maintenance frequency is low, but they also have low hydrogen and water exhaust capacity. Therefore, a cryotrap can be used to increase the exhaust capacity for water and the like.
  • the temperature of the cryotrap refrigerator is 100 K or less, preferably 80 K or less. Further, when the cryotrap has a plurality of refrigerators, it is preferable to change the temperature for each refrigerator because efficient exhaust can be performed. For example, the temperature of the first-stage refrigerator may be 100 K or less, and the temperature of the second-stage refrigerator may be 20 K or less.
  • the exhaust method of the processing chamber is not limited to this, and may have the same configuration as the exhaust method (exhaust method of the cryopump and the vacuum pump) shown in the connected transport chamber.
  • the exhaust method of the transport chamber may be the same as that of the processing chamber (exhaust method of the turbo molecular pump and the vacuum pump).
  • a vacuum pump and a cryotrap may be combined.
  • the exhaust method provided in the processing chamber for forming the oxide semiconductor film preferably has at least a function of adsorbing water molecules.
  • the partial pressure of hydrogen molecules is 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less and the partial pressure of water molecules is 1 ⁇ 10 -4 Pa or less.
  • the pressure in the standby state of the processing 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. It is less than or equal to Pa.
  • the values of the above-mentioned partial pressures of hydrogen molecules and water molecules are both values when the processing chamber for sputtering is in the standby state and when the film formation state (plasma is in the discharge state). ..
  • the total pressure and partial pressure of the processing chamber can be measured using a mass spectrometer.
  • a mass spectrometer for example, a quadrupole mass spectrometer (also referred to as Q-mass) Qulee CGM-051 manufactured by ULVAC, Inc. may be used.
  • the concentration of impurities in the oxide semiconductor film formed can be reduced. ..
  • a part of the structure of the transistor 200 shown in the previous embodiment can be produced by a laminated structure in which a film is continuously formed in-situ. Can be done.
  • the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 are continuously formed by using the apparatus 4000. Further, the oxide film 230A, the oxide film 230B, and the oxide film 243A are continuously formed by using the apparatus 4000. Further, the conductive film 242A, the insulating film 271A, and the conductive film 248A are continuously formed by using the apparatus 4000.
  • the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 can be continuously formed without being released to the atmosphere. Further, the oxide film 230A, the oxide film 230B, and the oxide film 243A can be continuously formed without being released to the atmosphere. Further, the conductive film 242A, the insulating film 271A, and the conductive film 248A can be continuously formed without being released to the atmosphere.
  • the processing chamber when heat treatment is performed in the processing chamber, the processing chamber may be provided with a plurality of heating stages capable of storing the substrate.
  • the heating stage may have a multi-stage configuration. By increasing the number of heating stages, a plurality of substrates can be heat-treated at the same time, so that productivity can be improved.
  • the heating mechanism that can be used in the processing chamber may be, for example, a heating mechanism that heats using a resistance heating element or the like. Alternatively, 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 Rapid Thermal Anneal
  • LRTA Heats an object to be treated by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from lamps such as halogen lamps, metal halide lamps, xenon arc lamps, carbon arc lamps, high-pressure sodium lamps, and high-pressure mercury lamps.
  • GRTA heat-treats using a high-temperature gas.
  • an inert gas is used as the gas.
  • the load lock chamber 4020a may be provided with a substrate delivery stage, a backside heater that heats the substrate from the back surface, and the like.
  • the load lock chamber 4020a raises the pressure from the decompressed state to the atmosphere, and when the pressure in the load lock chamber 4020a reaches atmospheric pressure, the substrate transfer stage is transferred from the transfer robot 4018 provided in the atmospheric side substrate transfer chamber 4012 to the substrate. To receive. After that, the load lock chamber 4020a is evacuated to reduce the pressure, and then the transfer robot 4026 provided in the transfer chamber 4029 receives the substrate from the substrate transfer stage.
  • the load lock chamber 4020a is connected to the vacuum pump and the cryopump via a valve.
  • the unload lock chamber 4020b may have the same configuration as the load lock chamber 4020a.
  • the transfer robot 4018 can transfer the substrate between the cassette port 4014 and the load lock chamber 4020a.
  • a mechanism for suppressing the mixing of dust or particles such as a HEPA filter (High Effectivey Particulate Air Filter) may be provided above the atmospheric side substrate transport chamber 4012 and the atmospheric side substrate supply chamber 4010.
  • the cassette port 4014 can store a plurality of boards.
  • a laminated structure having a semiconductor film can be produced by continuous film formation. Therefore, it is possible to produce a semiconductor film having a low defect level density while suppressing impurities such as hydrogen and water incorporated into the semiconductor film.
  • a transistor using an oxide as a semiconductor (hereinafter, may be referred to as an OS transistor) according to one aspect of the present invention.
  • a storage device to which a capacitive element is applied (hereinafter, may be referred to as an OS memory device) will be described.
  • the OS memory device is a storage device having at least a capacitance element and an OS transistor that controls charging / discharging of the capacitance element. Since the off-current of the OS transistor is extremely small, the OS memory device has excellent holding characteristics and can function as a non-volatile memory.
  • FIG. 30A shows an example of the configuration of the OS memory device.
  • the storage device 1400 has 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, a writing circuit, and the like.
  • the precharge circuit has a function of precharging the wiring.
  • the sense amplifier has a function of amplifying a data signal read from a memory cell.
  • the wiring is the wiring connected to the memory cell of the memory cell array 1470, and will be described in detail later.
  • the amplified data signal is output to the outside of the storage device 1400 as a data signal RDATA via the output circuit 1440.
  • the row circuit 1420 has, for example, a row decoder, a word line driver circuit, and the like, and can select the row to be accessed.
  • 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 are supplied to the storage device 1400 from the outside as power supply voltages. Further, a control signal (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 column decoder, and the data signal WDATA is input to the write circuit.
  • the control logic circuit 1460 processes control signals (CE, WE, RE) input from the outside to generate control signals for row decoders and column decoders.
  • the control signal CE is a chip enable signal
  • the control signal WE is a write enable signal
  • the control signal RE is a read enable signal.
  • the signal processed by the control logic circuit 1460 is not limited to this, and other control signals may be input as needed.
  • the memory cell array 1470 has a plurality of memory cell MCs arranged in a matrix and a plurality of wirings.
  • the number of wires connecting the memory cell array 1470 and the row circuit 1420 is determined by the configuration of the memory cell MC, the number of memory cell MCs in a row, and the like. Further, the number of wirings connecting the memory cell array 1470 and the column circuit 1430 is determined by the configuration of the memory cell MC, the number of memory cell MCs in one row, and the like.
  • FIG. 30A shows an example in which the peripheral circuit 1411 and the 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 so as to overlap a part of the peripheral circuit 1411.
  • a sense amplifier may be provided so as to overlap under the memory cell array 1470.
  • FIGS. 31A to 31H An example of a memory cell configuration applicable to the above-mentioned memory cell MC will be described with reference to FIGS. 31A to 31H.
  • [DOSRAM] 31A to 31C show an example of a circuit configuration of a DRAM memory cell.
  • a DRAM using a memory cell of a 1OS transistor and 1 capacitance element type may be referred to as a DOSRAM (Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory).
  • the memory cell 1471 shown in FIG. 31A has a transistor M1 and a capacitance element CA.
  • the transistor M1 has a gate (sometimes called a top 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 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 when writing and reading data.
  • the wiring BGL functions as wiring for applying a potential to the back gate of the transistor M1.
  • the threshold voltage of the transistor M1 can be increased or decreased by applying an arbitrary potential to the wiring BGL.
  • the memory cell 1471 shown in FIG. 31A corresponds to the storage device shown in FIG. 25. That is, the transistor M1 corresponds to the transistor 200, and the capacitive element CA corresponds to the capacitive device 292.
  • the memory cell MC is not limited to the memory cell 1471, and the circuit configuration can be changed.
  • the memory cell MC may have a configuration in which the back gate of the transistor M1 is connected to the wiring WOL instead of the wiring BGL, as in the memory cell 1472 shown in FIG. 31B.
  • the memory cell MC may be a memory cell composed of a transistor having a single gate structure, that is, a transistor M1 having no back gate, as in the memory cell 1473 shown in FIG. 31C.
  • a transistor 200 can be used as the transistor M1 and a capacitance element 100 can be used as the capacitance element CA.
  • an OS transistor as the transistor M1
  • the leakage current of the transistor M1 can be made very small. That is, since the written data can be held by the transistor M1 for a long time, the frequency of refreshing the memory cells can be reduced. Moreover, the refresh operation of the memory cell can be eliminated. Further, since the leak current is very small, multi-valued data or analog data can be held in the memory cell 1471, the memory cell 1472, and the memory cell 1473.
  • the sense amplifier is provided so as to overlap under the memory cell array 1470 as described above, the bit line can be shortened. As a result, the bit line capacity is reduced, and the holding capacity of the memory cell can be reduced.
  • [NOSRAM] 31D to 31G show a circuit configuration example of a gain cell type memory cell having two transistors and one capacitance element.
  • the memory cell 1474 shown in FIG. 31D includes a transistor M2, a transistor M3, and a capacitance element CB.
  • the transistor M2 has a top gate (sometimes referred to simply 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 wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitance element CB. It is preferable to apply a low level potential to the wiring CAL during data writing, data retention, and data reading.
  • the wiring BGL functions as wiring for applying an electric potential to the back gate of the transistor M2.
  • the threshold voltage of the transistor M2 can be increased or decreased by applying an arbitrary potential to the wiring BGL.
  • the memory cell 1474 shown in FIG. 31D corresponds to the storage device shown in FIG. 23. That is, the transistor M2 is in the transistor 200, the capacitive element CB is in the capacitive element 100, the transistor M3 is in the transistor 300, the wiring WBL is in the wiring 1003, the wiring WOL is in the wiring 1004, the wiring BGL is in the wiring 1006, and the wiring CAL is in the wiring 1006.
  • the wiring RBL corresponds to the wiring 1002
  • the wiring SL corresponds to the wiring 1001.
  • the memory cell MC is not limited to the memory cell 1474, and the circuit configuration can be appropriately changed.
  • 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, as in the memory cell 1475 shown in FIG. 31E.
  • the memory cell MC may be a memory cell composed of a transistor having a single gate structure, that is, a transistor M2 having no back gate, as in the memory cell 1476 shown in FIG. 31F.
  • the memory cell MC may have a configuration in which the wiring WBL and the wiring RBL are combined as one wiring BIL, as in the memory cell 1477 shown in FIG. 31G.
  • a transistor 200 can be used as the transistor M2
  • a transistor 300 can be used as the transistor M3
  • a capacitance element 100 can be used as the capacitance element CB.
  • OS transistor an OS transistor
  • the leakage current of the transistor M2 can be made very small.
  • the written data can be held by the transistor M2 for a long time, so that the frequency of refreshing the memory cells can be reduced.
  • the refresh operation of the memory cell can be eliminated.
  • the leak current is very small, multi-valued data or analog data can be held in the memory cell 1474. The same applies to the memory cells 1475 to 1477.
  • the transistor M3 may be a transistor having silicon in the channel forming region (hereinafter, may be referred to as a Si transistor).
  • the conductive type of the Si transistor may be an n-channel type or a p-channel type.
  • the Si transistor may have higher field effect mobility than the OS transistor. Therefore, a Si transistor may be used as the transistor M3 that functions as a readout transistor. Further, by using a Si transistor for the transistor M3, the transistor M2 can be provided by stacking the transistor M3 on the transistor M3, so that the occupied area of the memory cell can be reduced and the storage device can be highly integrated.
  • the transistor M3 may be an OS transistor.
  • an OS transistor is used for the transistor M2 and the transistor M3, the circuit can be configured by using only the n-type transistor in the memory cell array 1470.
  • FIG. 31H shows an example of a gain cell type memory cell having a 3-transistor and 1-capacity element.
  • the memory cell 1478 shown in FIG. 31H includes transistors M4 to M6 and a capacitive element CC.
  • the capacitive element CC is appropriately provided.
  • the memory cell 1478 is electrically connected to the wiring BIL, the wiring RWL, the wiring WWL, the wiring BGL, and the wiring GNDL.
  • Wiring GNDL is a wiring that gives a low level potential. Note that the memory cell 1478 may be electrically connected to the wiring RBL and the wiring WBL instead of the wiring BIL.
  • Transistor M4 is an OS transistor having a back gate, and the back gate is electrically connected to the wiring BGL.
  • the back gate and the gate of the transistor M4 may be electrically connected to each other. Alternatively, the transistor M4 does not have to have a back gate.
  • the transistor M5 and the transistor M6 may be an n-channel Si transistor or a p-channel Si transistor, respectively.
  • the transistors M4 to M6 may be OS transistors.
  • the memory cell array 1470 can be configured by using only n-type transistors.
  • the transistor 200 can be used as the transistor M4
  • the transistor 300 can be used as the transistor M5 and the transistor M6, and the capacitance element 100 can be used as the capacitance element CC.
  • the leakage current of the transistor M4 can be made very small.
  • the configurations of the peripheral circuit 1411, the memory cell array 1470, and the like shown in the present embodiment are not limited to the above.
  • the arrangement or function of these circuits and the wiring, circuit elements, etc. connected to the circuits may be changed, deleted, or added as necessary.
  • FIG. 32 shows various storage devices for each layer.
  • a storage device located in the upper layer is required to have a faster access speed, and a storage device located in the lower layer is required to have a larger storage capacity and a higher recording density.
  • FIG. 32 shows, in order from the top layer, a memory, a SRAM (Static Random Access Memory), a DRAM (Dynamic Random Access Memory), and a 3D NAND memory that are mixedly loaded as registers in an arithmetic processing unit such as a CPU.
  • SRAM Static Random Access Memory
  • DRAM Dynamic Random Access Memory
  • 3D NAND memory that are mixedly loaded as registers in an arithmetic processing unit such as a CPU.
  • the memory that is mixedly loaded as a register in an arithmetic processing unit such as a CPU is used for temporary storage of arithmetic results, and therefore is frequently accessed from the arithmetic processing unit. Therefore, an operation speed faster than the storage capacity is required.
  • the register also has a function of holding setting information of the arithmetic processing unit.
  • SRAM is used, for example, for cache.
  • the cache has a function of duplicating and holding a part of the information held in the main memory. By replicating frequently used data to the cache, the access speed to the data can be increased.
  • DRAM is used, for example, in main memory.
  • the main memory has a function of holding programs and data read from the storage.
  • the recording density of the DRAM is approximately 0.1 to 0.3 Gbit / mm 2 .
  • the 3D NAND memory is used, for example, for storage.
  • the storage has a function of holding data that needs to be stored for a long period of time and various programs used in the arithmetic processing unit. Therefore, the storage is required to have a storage capacity larger than the operating speed and a high recording density.
  • the recording density of the storage device used for storage is approximately 0.6 to 6.0 Gbit / mm 2 .
  • the storage device of one aspect of the present invention has a high operating speed and can retain data for a long period of time.
  • the storage device of one aspect of the present invention can be suitably used as a storage device located in the boundary area 901 including both the layer in which the cache is located and the layer in which the main memory is located.
  • the storage device of one aspect of the present invention can be suitably used as a storage device located in the boundary area 902 including both the layer in which the main memory is located and the layer in which the storage is located.
  • FIGS. 33A and 33B An example of a chip 1200 on which the semiconductor device of the present invention is mounted is shown with reference to FIGS. 33A and 33B.
  • a plurality of circuits (systems) are mounted on the chip 1200.
  • a technique for integrating a plurality of circuits (systems) on one chip in this way may be referred to as a system on chip (SoC).
  • SoC system on chip
  • the chip 1200 has a CPU 1211, GPU 1212, one or more analog arithmetic units 1213, one or more memory controllers 1214, one or more interfaces 1215, one or more network circuits 1216, and the like.
  • a bump (not shown) is provided on the chip 1200, and as shown in FIG. 33B, the chip 1200 is connected to the first surface of a printed circuit board (Printed Circuit Board: PCB) 1201. 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 DOSRAM shown in the previous embodiment can be used for the DRAM 1221.
  • the NO SRAM shown 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 on the chip 1200.
  • the above-mentioned NOSRAM or DOSRAM can be used.
  • GPU1212 is suitable for parallel calculation of a large amount of data, and can be used for image processing and product-sum calculation. By providing the GPU 1212 with an image processing circuit using the oxide semiconductor of the present invention and a product-sum calculation circuit, image processing and product-sum calculation can be executed with low power consumption.
  • the wiring between the CPU 1211 and the GPU 1212 can be shortened, and the data transfer from the CPU 1211 to the GPU 1212, the data transfer between the memory of the CPU 1211 and the GPU 1212, And after the calculation on the GPU 1212, the calculation result can be transferred from the GPU 1212 to the CPU 1211 at high speed.
  • the analog arithmetic unit 1213 has one or both of an A / D (analog / digital) conversion circuit and a D / A (digital / analog) conversion circuit. Further, the product-sum calculation circuit may be provided in the analog calculation unit 1213.
  • the memory controller 1214 has a circuit that functions as a controller of the DRAM 1221 and a circuit that functions as an interface of the flash memory 1222.
  • the interface 1215 has an interface circuit with an externally connected 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 High-Definition Multimedia Interface
  • the network circuit 1216 has a network circuit such as a LAN (Local Area Network). It may also have a circuit for network security.
  • LAN Local Area Network
  • the above circuit (system) can be formed on the chip 1200 by the same manufacturing process. Therefore, even if the number of circuits required for the chip 1200 increases, it is not necessary to increase the manufacturing process, and the chip 1200 can be manufactured at low cost.
  • the PCB 1201, the DRAM 1221 provided with the chip 1200 having the GPU 1212, and the motherboard 1203 provided with the flash memory 1222 can be referred to as the GPU module 1204.
  • the GPU module 1204 Since the GPU module 1204 has a chip 1200 using SoC technology, its size can be reduced. Further, since it is excellent in image processing, it is suitable for use in portable electronic devices such as smartphones, tablet terminals, laptop PCs, and portable (take-out) game machines.
  • a deep neural network (DNN), a convolutional neural network (CNN), a recurrent neural network (RNN), a self-encoder, a deep Boltzmann machine (DBM), and a deep belief network (DEM) are provided by a product-sum calculation circuit using GPU1212. Since a method such as DBN) can be executed, the chip 1200 can be used as an AI chip, or the GPU module 1204 can be used as an AI system module.
  • the present embodiment shows an example of an electronic component and an electronic device in which the storage device and the like shown in the above embodiment are incorporated.
  • FIG. 34A shows a perspective view of the electronic component 700 and the substrate on which the electronic component 700 is mounted (mounting substrate 704).
  • the electronic component 700 shown in FIG. 34A has a storage device 720 in the mold 711. In FIG. 34A, a part is omitted in order to show the inside of the electronic component 700.
  • the electronic component 700 has a land 712 on the outside of the mold 711. The land 712 is electrically connected to the electrode pad 713, and the electrode pad 713 is electrically connected to the storage device 720 by a wire 714.
  • the electronic component 700 is mounted on, for example, the printed circuit board 702. A plurality of such electronic components are combined and each is electrically connected on the printed circuit board 702 to complete the mounting board 704.
  • the storage device 720 has a drive circuit layer 721 and a storage circuit layer 722.
  • FIG. 34B shows a perspective view of the electronic component 730.
  • the electronic component 730 is an example of SiP (System in package) or MCM (Multi Chip Module).
  • the electronic component 730 is provided with an interposer 731 on a package substrate 732 (printed circuit board), and a semiconductor device 735 and a plurality of storage devices 720 are provided on the interposer 731.
  • the electronic component 730 shows an example in which the storage device 720 is used as a wideband memory (HBM: High Bandwidth Memory). Further, as the semiconductor device 735, an integrated circuit (semiconductor device) such as a CPU, GPU, or FPGA can be used.
  • HBM High Bandwidth Memory
  • the package substrate 732 a ceramic substrate, a plastic substrate, a glass epoxy substrate, or the like can be used.
  • the interposer 731 a silicon interposer, a resin interposer, or the like can be used.
  • the interposer 731 has a plurality of wirings and has a function of electrically connecting a plurality of integrated circuits having different terminal pitches.
  • the plurality of wirings are provided in a single layer or multiple layers.
  • the interposer 731 has a function of electrically connecting the integrated circuit provided on the interposer 731 to the electrode provided on the package substrate 732.
  • the interposer may be referred to as a "rewiring board” or an "intermediate board”.
  • a through electrode may be provided on the interposer 731, and the integrated circuit and the package substrate 732 may be electrically connected using the through electrode.
  • TSV Three Silicon Via
  • interposer 731 It is preferable to use a silicon interposer as the interposer 731. Since it is not necessary to provide an active element in the silicon interposer, it can be manufactured at a lower cost than an integrated circuit. On the other hand, since the wiring of the silicon interposer can be formed by a semiconductor process, it is easy to form fine wiring, which is difficult with a resin interposer.
  • the interposer on which the HBM is mounted is required to form fine and high-density wiring. Therefore, it is preferable to use a silicon interposer as the interposer on which the HBM is mounted.
  • the reliability is unlikely to decrease due to the difference in the expansion coefficient between the integrated circuit and the interposer. Further, since the surface of the silicon interposer is high, poor connection between the integrated circuit provided on the silicon interposer and the silicon interposer is unlikely to occur. In particular, in a 2.5D package (2.5-dimensional mounting) in which a plurality of integrated circuits are arranged side by side on an interposer, it is preferable to use a silicon interposer.
  • a heat sink may be provided so as to be overlapped with the electronic component 730.
  • the heat sink it is preferable that the heights of the integrated circuits provided on the interposer 731 are the same.
  • the heights of the storage device 720 and the semiconductor device 735 are the same.
  • an electrode 733 may be provided on the bottom of the package substrate 732.
  • FIG. 34B shows an example in which the electrode 733 is formed of solder balls.
  • BGA Ball Grid Array
  • the electrode 733 may be formed of a conductive pin.
  • PGA Peripheral Component Interconnect
  • the electronic component 730 can be mounted on another substrate by using various mounting methods, not limited to BGA and PGA.
  • BGA Band-GPU
  • PGA Stimble Pin Grid Array
  • LGA Land Grid Array
  • QFP Quad Flat Package
  • QFJ Quad Flat J-leaded package
  • QFN QuadFNeged
  • the semiconductor device shown in the above embodiment is, for example, a storage device for various electronic devices (for example, information terminals, computers, smartphones, electronic book terminals, digital cameras (including video cameras), recording / playback devices, navigation systems, 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 shown 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).
  • 35A to 35E schematically show some configuration examples of the removable storage device.
  • the semiconductor device shown in the above embodiment is processed into a packaged memory chip and used for various storage devices and removable memories.
  • FIG. 35A is a schematic diagram of the USB memory.
  • the USB memory 1100 has a housing 1101, a cap 1102, a USB connector 1103, and a board 1104.
  • the substrate 1104 is housed in the housing 1101.
  • a memory chip 1105 and a controller chip 1106 are attached to the substrate 1104.
  • the semiconductor device shown in the previous embodiment can be incorporated into the memory chip 1105 or the like.
  • FIG. 35B is a schematic view of the appearance of the SD card
  • FIG. 35C is a schematic view of the internal structure of the SD card.
  • the SD card 1110 has a housing 1111 and a connector 1112 and a substrate 1113.
  • the substrate 1113 is housed in the housing 1111.
  • a memory chip 1114 and a controller chip 1115 are attached to the substrate 1113.
  • the capacity of the SD card 1110 can be increased.
  • a wireless chip having a wireless communication function may be provided on the substrate 1113.
  • data on the memory chip 1114 can be read and written by wireless communication between the host device and the SD card 1110.
  • the semiconductor device shown in the previous embodiment can be incorporated into the memory chip 1114 or the like.
  • FIG. 35D is a schematic view of the appearance of the SSD
  • FIG. 35E is a schematic view of the internal structure of the SSD.
  • the SSD 1150 has a housing 1151, a connector 1152 and a substrate 1153.
  • the substrate 1153 is housed in the housing 1151.
  • a memory chip 1154, a memory chip 1155, and a 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 shown in the previous embodiment can be incorporated into the memory chip 1154 or the like.
  • the semiconductor device according to one aspect of the present invention can be used for a processor such as a CPU or GPU, or a chip.
  • 36A to 36H show specific examples of an electronic device including a processor such as a CPU or GPU or a chip according to one aspect of the present invention.
  • the GPU or chip according to one aspect of the present invention can be mounted on various electronic devices.
  • electronic devices include relatively large screens such as television devices, monitors for desktop or notebook information terminals, digital signage (electronic signage), and large game machines such as pachinko machines.
  • digital cameras, digital video cameras, digital photo frames, electronic book readers, mobile phones, portable game machines, personal digital assistants, sound reproduction devices, and the like can be mentioned.
  • artificial intelligence can be mounted on the electronic device.
  • the electronic device of one aspect of the present invention may have an antenna.
  • the display unit can display images, information, and the like.
  • the antenna may be used for non-contact power transmission.
  • the electronic device of one aspect of the present invention includes sensors (force, displacement, position, velocity, acceleration, angular velocity, rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, voice, time, hardness, electric field, current, It may have the ability to measure voltage, power, radiation, flow rate, humidity, gradient, vibration, odor or infrared rays).
  • the electronic device of one aspect of the present invention can have various functions. For example, a function to display various information (still images, moving images, text images, etc.) on the display unit, a touch panel function, a function to display a calendar, date or time, a function to execute various software (programs), wireless communication. It can have a function, a function of reading a program or data recorded on a recording medium, and the like.
  • 36A to 36H show examples of electronic devices.
  • FIG. 36A illustrates a mobile phone (smartphone) which is a kind of information terminal.
  • the information terminal 5100 has a housing 5101 and a display unit 5102, and as an input interface, a touch panel is provided in the display unit 5102 and buttons are provided in the housing 5101.
  • the information terminal 5100 can execute an application using artificial intelligence by applying the chip of one aspect of the present invention.
  • Examples of the application using artificial intelligence include an application that recognizes a conversation and displays the conversation content on the display unit 5102, and recognizes characters and figures input by the user on the touch panel provided in the display unit 5102.
  • Examples include an application displayed on the display unit 5102, an application for performing biometric authentication such as a fingerprint and a voice print, and the like.
  • FIG. 36B illustrates the notebook type information terminal 5200.
  • the notebook-type information terminal 5200 includes a main body 5201 of the information terminal, a display unit 5202, and a keyboard 5203.
  • the notebook-type information terminal 5200 can execute an application using artificial intelligence by applying the chip of one aspect of the present invention.
  • applications using artificial intelligence include design support software, text correction software, and menu automatic generation software. Further, by using the notebook type information terminal 5200, it is possible to develop a new artificial intelligence.
  • a smartphone and a notebook-type information terminal are taken as examples of electronic devices, which are shown in FIGS. 36A and 36B, respectively, but information terminals other than the smartphone and the notebook-type information terminal can be applied.
  • information terminals other than smartphones and notebook-type information terminals include PDAs (Personal Digital Assistants), desktop-type information terminals, workstations, and the like.
  • FIG. 36C shows a portable game machine 5300, which is an example of a game machine.
  • the portable game machine 5300 has a housing 5301, a housing 5302, a housing 5303, a display unit 5304, a connection unit 5305, an operation key 5306, and the like.
  • the housing 5302 and the housing 5303 can be removed from the housing 5301.
  • the connection unit 5305 provided in the housing 5301 to another housing (not shown)
  • the video output to the display unit 5304 can be output to another video device (not shown). it can.
  • the housing 5302 and the housing 5303 can each function as operation units. This allows a plurality of players to play the game at the same time.
  • the chips shown in the previous embodiment can be incorporated into the chips provided on the substrates of the housing 5301, the housing 5302, and the housing 5303.
  • FIG. 36D shows a stationary game machine 5400, which is an example of a game machine.
  • a controller 5402 is connected to the stationary game machine 5400 wirelessly or by wire.
  • a low power consumption game machine can be realized by applying the GPU or chip of one aspect of the present invention to a game machine such as a portable game machine 5300 or a stationary game machine 5400. Further, since the heat generation from the circuit can be reduced due to the low power consumption, the influence of the heat generation on the circuit itself, the peripheral circuit, and the module can be reduced.
  • the portable game machine 5300 having artificial intelligence can be realized.
  • expressions such as the progress of the game, the behavior of creatures appearing in the game, and the phenomena that occur in the game are defined by the program that the game has, but by applying artificial intelligence to the handheld game machine 5300.
  • Expressions that are not limited to game programs are possible. For example, it is possible to express what the player asks, the progress of the game, the time, and the behavior of the characters appearing in the game.
  • the game player can be constructed anthropomorphically by artificial intelligence. Therefore, by setting the opponent as a game player by artificial intelligence, even one player can play the game. You can play the game.
  • FIGS. 36C and 36D show a portable game machine and a stationary game machine as an example of the game machine
  • the game machine to which the GPU or chip of one aspect of the present invention is applied is not limited to this.
  • Examples of the game machine to which the GPU or chip of one aspect of the present invention is applied include an arcade game machine installed in an entertainment facility (game center, amusement park, etc.), a throwing machine for batting practice installed in a sports facility, and the like. Can be mentioned.
  • the GPU or chip of one aspect of the present invention can be applied to a large computer.
  • FIG. 36E is a diagram showing a supercomputer 5500, which is an example of a large computer.
  • FIG. 36F is a diagram showing a rack-mounted computer 5502 included in the supercomputer 5500.
  • the supercomputer 5500 has a rack 5501 and a plurality of rack mount type computers 5502.
  • the plurality of computers 5502 are stored in the rack 5501. Further, the computer 5502 is provided with a plurality of substrates 5504, and the GPU or chip described in the above embodiment can be mounted on the substrate.
  • the supercomputer 5500 is a large computer mainly used for scientific and technological calculations. In scientific and technological calculations, it is necessary to process a huge amount of calculations at high speed, so power consumption is high and the heat generated by the chip is large.
  • the GPU or chip of one aspect of the present invention to the supercomputer 5500, a supercomputer having low power consumption can be realized. Further, since the heat generation from the circuit can be reduced due to the low power consumption, the influence of the heat generation on the circuit itself, the peripheral circuit, and the module can be reduced.
  • FIGS. 36E and 36F show a supercomputer as an example of a large computer
  • the large computer to which the GPU or chip of one aspect of the present invention is applied is not limited to this.
  • Examples of the large-scale computer to which the GPU or chip of one aspect of the present invention is applied include a computer (server) that provides services, a large-scale general-purpose computer (mainframe), and the like.
  • the GPU or chip of one aspect of the present invention can be applied to a moving vehicle and around the driver's seat of the vehicle.
  • FIG. 36G is a diagram showing the periphery of the windshield in the interior of an automobile, which is an example of a moving body.
  • the display panel 5701 attached to the dashboard, the display panel 5702, the display panel 5703, and the display panel 5704 attached to the pillar are shown.
  • the display panel 5701 to the display panel 5703 can provide various other information by displaying a speedometer, a tachometer, a mileage, a fuel gauge, a gear status, an air conditioner setting, and the like.
  • the display items and layout displayed on the display panel can be appropriately changed according to the user's preference, and the design can be improved.
  • the display panel 5701 to 5703 can also be used as a lighting device.
  • the display panel 5704 can supplement the field of view (blind spot) blocked by the pillars by projecting an image from an image pickup device (not shown) provided in the automobile. That is, by displaying the image from the image pickup device provided on the outside of the automobile, the blind spot can be supplemented and the safety can be enhanced. In addition, by projecting an image that complements the invisible part, safety confirmation can be performed more naturally and without discomfort.
  • the display panel 5704 can also be used as a lighting device.
  • the GPU or chip of one aspect of the present invention can be applied as a component of artificial intelligence
  • the chip can be used, for example, in an automatic driving system of an automobile.
  • the chip can be used in a system for road guidance, danger prediction, and the like.
  • the display panel 5701 to the display panel 5704 may be configured to display information such as road guidance and danger prediction.
  • moving objects may include trains, monorails, ships, flying objects (helicopters, unmanned aerial vehicles (drones), airplanes, rockets), etc., and the chip of one aspect of the present invention is applied to these moving objects. Therefore, a system using artificial intelligence can be provided.
  • FIG. 36H shows an electric freezer / refrigerator 5800 which is an example of an electric appliance.
  • the electric refrigerator / freezer 5800 has a housing 5801, a refrigerator door 5802, a freezer door 5803, and the like.
  • the electric freezer / refrigerator 5800 having artificial intelligence can be realized.
  • the electric freezer / refrigerator 5800 has a function of automatically generating a menu based on the foodstuffs stored in the electric freezer / refrigerator 5800 and the expiration date of the foodstuffs, and is stored in the electric freezer / refrigerator 5800. It can have a function of automatically adjusting the temperature according to the food.
  • electric refrigerators and freezers have been described as an example of electric appliances
  • other electric appliances include, for example, vacuum cleaners, microwave ovens, microwave ovens, rice cookers, water heaters, IH cookers, water servers, and air conditioners including air conditioners. Examples include washing machines, dryers, and audiovisual equipment.
  • the electronic device described in the present embodiment the function of the electronic device, the application example of artificial intelligence, its effect, etc. can be appropriately combined with the description of other electronic devices.
  • Body 470 memory unit, 600 semiconductor device, 601 semiconductor device, 610 cell array, 610_n cell array, 610_1 cell array, 700 electronic components, 702 printed board, 704 mounting board, 711 mold, 712 land, 713 electrode pad, 714 wire, 720 memory Equipment, 721 drive circuit layer, 722 storage circuit layer, 730 electronic components, 731 interposer, 732 package board, 733 electrodes, 735 semiconductor devices, 901 boundary area, 902 boundary area, 1001 wiring, 1002 wiring, 1003 wiring, 1004 wiring, 1005 wiring, 1006 wiring

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Abstract

オン電流の高いトランジスタおよび生産性の高い半導体装置を提供する。 第１の絶縁体上の第１の酸化物、第２の酸化物、第３の酸化物および第４の酸化物と、第３の酸化 物上の第１の導電体、第４の酸化物上の第２の導電体と、第１の導電体上の第２の絶縁体と、第２ の導電体上の第３の絶縁体と、第２の酸化物上にあり、且つ第３の酸化物と第４の酸化物の間に配 置される第５の酸化物と、第５の酸化物上の第６の酸化物と、第６の酸化物上の第４の絶縁体と、 第４の絶縁体上の第３の導電体と、第１の絶縁体乃至第３の絶縁体上の第５の絶縁体と、を有し、 第５の酸化物は、第２の酸化物乃至第４の酸化物、および第１の絶縁体と接する領域を有し、第６ の酸化物は、第５の酸化物、第１の導電体、および第２の導電体と接する領域を有し、第４の絶縁 体は、少なくとも第６の酸化物、第３の導電体、および第５の絶縁体と接する領域を有する。

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、トランジスタ、半導体装置、および電子機器に関する。また、本発明の一態様は、半導体装置の作製方法に関する。また、本発明の一態様は、半導体ウエハ、およびモジュールに関する。
　なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置、電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。
　なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。また、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
　絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する。）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
　酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出されている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。
　非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている。
Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，"ＳＩＤ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ　４３，ｉｓｓｕｅ　１，ｐ．１８３−１８６ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ　５３，Ｎｕｍｂｅｒ　４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８−１−０４ＥＤ１８−１０
　本発明の一態様は、トランジスタ特性のばらつきが少な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、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、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、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、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、低消費電力の半導体装置を提供することを課題の一つとする。
　なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
　本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第３の酸化物および第４の酸化物と、第３の酸化物上の第１の導電体と、第４の酸化物上の第２の導電体と、第１の導電体上の第２の絶縁体と、第２の導電体上の第３の絶縁体と、第２の酸化物上にあり、且つ第３の酸化物と第４の酸化物の間に配置される第５の酸化物と、第５の酸化物上の第６の酸化物と、第６の酸化物上の第４の絶縁体と、第４の絶縁体上の第３の導電体と、第１の絶縁体乃至第３の絶縁体上の第５の絶縁体と、を有し、第５の酸化物は、第２の酸化物乃至第４の酸化物、および第１の絶縁体と接する領域を有し、第６の酸化物は、第５の酸化物、第１の導電体、および第２の導電体と接する領域を有し、第４の絶縁体は、第６の酸化物、第３の導電体、および第５の絶縁体と接する領域を有する半導体装置である。
　上記において、第１の酸化物乃至第６の酸化物は、それぞれ、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有し、第１の酸化物、第３の酸化物、第４の酸化物、および第６の酸化物は、第２の酸化物よりも元素Ｍの濃度が高い領域を有し、第１の酸化物、第３の酸化物、第４の酸化物、および第６の酸化物は、第５の酸化物よりも元素Ｍの濃度が高い領域を有することが好ましい。
　上記において、第２の絶縁体、第３の絶縁体、および第５の絶縁体は、それぞれ、アルミニウムまたはハフニウムのいずれか一を含むことが好ましい。
　また、本発明の一態様は、第１の絶縁体を成膜し、第１の絶縁体上に、第１の酸化膜、第２の酸化膜、第３の酸化膜を順に成膜し、第１の熱処理を行い、第３の酸化膜上に、第１の導電膜、第１の絶縁膜、第２の導電膜、を順に成膜し、第１の酸化膜、第２の酸化膜、第３の酸化膜、第１の導電膜、第１の絶縁膜、および第２の導電膜、を島状に加工して、第１の酸化物、第２の酸化物、第１の酸化物層、第１の導電層、第１の絶縁層、第２の導電層を形成し、第２の導電層を除去し、第１の絶縁体、第１の酸化物、第２の酸化物、第１の酸化物層、第１の導電層、および第１の絶縁層の上に第５の絶縁体を成膜し、第５の絶縁体上に第６の絶縁体を成膜し、第１の酸化物層、第１の導電層、第１の絶縁層、第５の絶縁体、および第６の絶縁体に、第２の酸化物に達する開口を形成し、当該開口の形成によって、第１の酸化物層から、第３の酸化物、および第４の酸化物が形成され、第１の導電層から第１の導電体、および第２の導電体が形成され、第１の絶縁層から第７の絶縁体、および第８の絶縁体が形成され、第２の熱処理を行い、第６の絶縁体上、および開口の中に、第４の酸化膜を成膜し、第４の酸化膜上に第５の酸化膜を成膜し、ドライエッチング法を用いて、開口内の、第５の絶縁体乃至第８の絶縁体の側面に成膜された第４の酸化膜および第５の酸化膜を除去し、第６の絶縁体上の第４の酸化膜および第５の酸化膜を除去し、開口の底部の第４の酸化膜および第５の酸化膜を残存させることで、第５の酸化物、および第６の酸化物を形成し、第６の酸化物上、および第６の絶縁体上に第２の絶縁膜を成膜し、第２の絶縁膜上に第３の導電膜を成膜し、ＣＭＰ法を用いて、第３の導電膜および第２の絶縁膜を第６の絶縁体に達するまで研磨することで、開口の中に、第９の絶縁体、および第３の導電体を形成する半導体装置の作製方法である。
　上記において、ドライエッチング法は、６６．５Ｐａ以上の圧力で行うことが好ましい。
　本発明の一態様により、トランジスタ特性のばらつきが少な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、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、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、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、低消費電力の半導体装置を提供することができる。
　なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
図１Ａは本発明の一態様である半導体装置の上面図である。図１Ｂ乃至図１Ｄ本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図２ＡはＩＧＺＯの結晶構造の分類を説明する図である。図２ＢはＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルを説明する図である。図２ＣはＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の極微電子線回折パターンを説明する図である。
図３Ａは本発明の一態様である半導体装置の上面図である。図３Ｂ乃至図３Ｄは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図４Ａは本発明の一態様である半導体装置の上面図である。図４Ｂ乃至図４Ｄは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図５Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図５Ｂ乃至図５Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図６Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図６Ｂ乃至図６Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図７Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図７Ｂ乃至図７Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図８Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図８Ｂ乃至図８Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図９Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図９Ｂ乃至図９Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１０Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１０Ｂ乃至図１０Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１１Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１１Ｂ乃至図１１Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１２Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１２Ｂ乃至図１２Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１３Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１３Ｂ乃至図１３Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１４Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１４Ｂ乃至図１４Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１５Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１５Ｂ乃至図１５Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１６Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１６Ｂ乃至図１６Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１７Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１７Ｂ乃至図１７Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１８Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１８Ｂ乃至図１８Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１９Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１９Ｂ乃至図１９Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２０Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２０Ｂ乃至図２０Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２１Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２１Ｂ乃至図２１Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２２Ａおよび図２２Ｂは本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図２３は本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図２４は本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図２５は本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図２６Ａおよび図２６Ｂは本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図２７は本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図２８は本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図２９は、本発明の一態様の半導体装置を作製するための装置を説明する上面図である。
図３０Ａおよび図３０Ｂは本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図である。
図３１Ａ乃至図３１Ｈは本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図である。
図３２は各種の記憶装置を階層ごとに示す図である。
図３３Ａおよび図３３Ｂは本発明の一態様に係る半導体装置の模式図である。
図３４Ａおよび図３４Ｂは電子部品の一例を説明する図である。
図３５Ａ乃至図３５Ｅは本発明の一態様に係る記憶装置の模式図である。
図３６Ａ乃至図３６Ｈは本発明の一態様に係る電子機器を示す図である。
　以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
　また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするため、図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
　また、特に上面図（「平面図」ともいう。）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
　また、本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
　また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
　例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に開示されているものとする。ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
　また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう。）を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
　また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。
　なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネル形成領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネル形成領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
　チャネル幅とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネル形成領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向のチャネル形成領域の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネル形成領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
　なお、本明細書等において、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
　このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
　本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
　なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体の欠陥準位密度が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。なお、水も不純物として機能する場合がある。また、例えば不純物の混入によって、酸化物半導体に酸素欠損（ＶＯ：ｏｘｙｇｅｎ　ｖａｃａｎｃｙともいう）が形成される場合がある。
　なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。
　また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
　また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０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。
　本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む。）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう。）などに分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳトランジスタと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
　また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりのドレイン電流が、室温において１×１０−２０Ａ以下、８５℃において１×１０−１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０−１６Ａ以下であることをいう。
（実施の形態１）
　本実施の形態では、図１Ａ乃至図１９Ｄを用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例、およびその作製方法について説明する。
＜半導体装置の構成例＞
　図１を用いて、トランジスタ２００を有する半導体装置の構成を説明する。図１Ａ乃至図１Ｄは、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図および断面図である。図１Ａは、当該半導体装置の上面図である。また、図１Ｂ乃至図１Ｄは、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１Ｂは、図１Ａ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１Ｃは、図１ＡにＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図１Ｄは、図１ＡにＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図１Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　本発明の一態様の半導体装置は、基板（図示せず）上の絶縁体２１２と、絶縁体２１２上の絶縁体２１４と、絶縁体２１４上のトランジスタ２００と、トランジスタ２００上の絶縁体２８０と、絶縁体２８０上の絶縁体２８２と、絶縁体２８２上の絶縁体２８３と、を有する。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３は層間膜として機能する。また、トランジスタ２００が有する導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）を有する。なお、プラグとして機能する導電体２４０の側面に接して絶縁体２４１（絶縁体２４１ａ、および絶縁体２４１ｂ）が設けられる。また、絶縁体２８３上、および導電体２４０上には、導電体２４０と電気的に接続し、配線として機能する導電体２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）が設けられる。また、導電体２４６上、および絶縁体２８３上には、絶縁体２８６が設けられる。
　絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の開口の内壁に接して絶縁体２４１ａが設けられ、絶縁体２４１ａの側面に接して導電体２４０ａの第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４０ａの第２の導電体が設けられている。また、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の開口の内壁に接して絶縁体２４１ｂが設けられ、絶縁体２４１ｂの側面に接して導電体２４０ｂの第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４０ｂの第２の導電体が設けられている。ここで、開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。導電体２４０の上面の高さと、導電体２４６と重なる領域の、絶縁体２８３の上面の高さと、は同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２４０の第１の導電体および導電体２４０の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
［トランジスタ２００］
　図１Ａ乃至図１Ｄに示すように、トランジスタ２００は、絶縁体２１４上の絶縁体２１６と、絶縁体２１４または絶縁体２１４および絶縁体２１６の一部に埋め込まれるように配置された導電体２０５（導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂ）と、絶縁体２１６上、および導電体２０５上の絶縁体２２２と、絶縁体２２２上の絶縁体２２４と、絶縁体２２４上の酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の、酸化物２４３（酸化物２４３ａ、および酸化物２４３ｂ）および酸化物２３０ｃと、酸化物２４３ａ上の導電体２４２ａと、導電体２４２ａ上の絶縁体２７１ａと、酸化物２４３ｂ上の導電体２４２ｂと、導電体２４２ｂ上の絶縁体２７１ｂと、酸化物２３０ｃ上の酸化物２３０ｄと、酸化物２３０ｄ上の絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に位置し、酸化物２３０ｃの一部と重なる導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、絶縁体２２４の一部、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、酸化物２４３ａの側面、導電体２４２ａの側面、絶縁体２７１ａの側面、絶縁体２７１ａの上面、絶縁体２７１ｂの側面、および導電体２４２ｂの側面に接する絶縁体２７２と、を有する。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２４３ａの側面、酸化物２４３ｂの側面、酸化物２３０ｂの上面の一部、絶縁体２８０の一部、絶縁体２２４の上面の一部とそれぞれ接する。また、酸化物２３０ｄは、導電体２４２ａの側面、導電体２４２ｂの側面、および酸化物２３０ｃの上面とそれぞれ接する。ここで、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０の上面と略一致して配置される。また、絶縁体２８２は、導電体２６０、絶縁体２５０、および絶縁体２８０のそれぞれの上面と接する。
　なお、以下において、絶縁体２７１ａと絶縁体２７１ｂをまとめて絶縁体２７１と呼ぶ場合がある。
　絶縁体２８０、絶縁体２７２、および絶縁体２７１には、酸化物２３０ｂに達する開口が設けられる。当該開口内に、酸化物２３０ｃ、酸化物２３０ｄ、絶縁体２５０、および導電体２６０が配置されている。絶縁体２５０は、導電体２６０の側面と接する領域と、導電体２６０の底面と接する領域と、を有する。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂと接する領域と、酸化物２３０ｄおよび絶縁体２５０を介して導電体２６０の底面と重なる領域と、を有する。
　酸化物２３０は、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａの上に配置された酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂの上に配置され、少なくとも一部が酸化物２３０ｂに接する酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｃの上に配置された酸化物２３０ｄと、を有することが好ましい。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｃ上に酸化物２３０ｄを有することで、酸化物２３０ｄよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｃへの不純物の拡散を抑制することができる。
　なお、トランジスタ２００では、酸化物２３０が、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄの４層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂの単層、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂの２層構造、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの２層構造、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層構造、または５層以上の積層構造を設ける構成にしてもよいし、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄのそれぞれが積層構造を有していてもよい。
　導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能し、導電体２０５は、第２のゲート（バックゲートともいう。）電極として機能する。また、絶縁体２５０は、第１のゲート絶縁体として機能し、絶縁体２２４は、第２のゲート絶縁体として機能する。また、導電体２４２ａは、ソースまたはドレインの一方として機能し、導電体２４２ｂは、ソースまたはドレインの他方として機能する。また、酸化物２３０の導電体２６０と重畳する領域の少なくとも一部はチャネル形成領域として機能する。
　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、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄ）に、半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。
　また、半導体として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
　酸化物２３０として、例えば、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、インジウム酸化物を用いてもよい。
　ここで、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｄ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。
　このように、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃの下に、酸化物２３０ａを配置することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物からの、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃに対する不純物および酸素の拡散を抑制することができる。
　また、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃの上に、酸化物２３０ｄを配置することで、酸化物２３０ｄよりも上方に形成された構造物からの、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃ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または酸化物２３０ｃの上に、酸化物２３０ｄを配置することで、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃからの酸素の上方拡散を抑制することができる。
　また、酸化物２３０ａ乃至酸化物２３０ｄが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄのそれぞれの界面における欠陥準位密度が低くすることができる。このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃまたはその近傍、例えば、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面になる。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ため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
　酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃは、それぞれ結晶性を有することが好ましい。特に、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃとして、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることが好ましい。また、酸化物２３０ｄが結晶性を有する構成にしてもよい。
　ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
　ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
　なお、明確な結晶粒界（グレインバウンダリー）が確認される結晶構造は、いわゆる多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれる。結晶粒界は、再結合中心となり、キャリアが捕獲されトランジスタのオン電流の低下、または電界効果移動度の低下を引き起こす可能性が高い。よって、明確な結晶粒界が確認されないＣＡＡＣ−ＯＳは、トランジスタの半導体層に好適な結晶構造を有する結晶性の酸化物の一つである。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳを構成するには、Ｚｎを有する構成が好ましい。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、及びＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、Ｉｎ酸化物よりも結晶粒界の発生を抑制できるため好適である。
　また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
　上記のように、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶性の高い、緻密な構造を有しており、不純物や欠陥（酸素欠損Ｖｏなど）が少ない金属酸化物である。特に、金属酸化物の形成後に、金属酸化物が多結晶化しない程度の温度（例えば、４００℃以上６００℃以下）で加熱処理することで、ＣＡＡＣ−ＯＳをより結晶性の高い、緻密な構造にすることができる。このようにして、ＣＡＡＣ−ＯＳの密度をより高めることで、当該ＣＡＡＣ−ＯＳ中の不純物または酸素の拡散をより低減することができる。
　一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
　また、トランジスタのチャネル長方向の断面視において、酸化物２３０ｂに溝部を設け、当該溝部に、酸化物２３０ｃを埋め込むことが好ましい。このとき、酸化物２３０ｃは、当該溝部の内壁（側面、および底面）を覆うように配置される。また、酸化物２３０ｃの膜厚は、当該溝部の深さと同程度であることが好ましい。
　このような構成にすることで、導電体２６０などを埋め込むための開口を形成する際に、開口の底部にあたる酸化物２３０ｂの表面に損傷領域が形成されても、当該損傷領域を除去することができる。これにより、損傷領域に起因するトランジスタ２００の電気特性の不良を抑制することができる。
　なお、図１などにおいて、導電体２６０等を埋め込む開口の側面が、酸化物２３０ｂの溝部も含めて、酸化物２３０ｂの被形成面に対して概略垂直となっているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、当該開口の底部が緩やかな曲面を有する、Ｕ字型の形状となってもよい。また、例えば、当該開口の側面が酸化物２３０ｂの被形成面に対して傾斜していてもよい。
　また、図１Ｃに示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面視において、酸化物２３０ｂの側面と酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有してもよい。つまり、当該側面の端部と当該上面の端部は、湾曲してもよい（以下、ラウンド状ともいう。）。
　上記湾曲面での曲率半径は、０ｎｍより大きく、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの膜厚より小さい、または、上記湾曲面を有さない領域の長さの半分より小さいことが好ましい。上記湾曲面での曲率半径は、具体的には、０ｎｍより大きく２０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上１５ｎｍ以下、さらに好ましくは２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。このような形状にすることで、後の工程で形成する絶縁体２５０および導電体２６０の、当該溝部への被覆性を高めることができる。また、上記湾曲面を有さない領域の長さの減少を防ぎ、トランジスタ２００のオン電流、移動度の低下を抑制することができる。したがって、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。
　酸化物２３０は、化学組成が異なる複数の酸化物層の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、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。
　なお、酸化物２３０ｃをキャリアの主たる経路とするには、酸化物２３０ｃにおいて、主成分である金属元素に対するインジウムの原子数比が、酸化物２３０ｂにおける、主成分である金属元素に対するインジウムの原子数比より大きいことが好ましい。インジウムの含有量が多い金属酸化物をチャネル形成領域に用いることで、トランジスタのオン電流を増大することができる。よって、酸化物２３０ｃにおいて、主成分である金属元素に対するインジウムの原子数比を、酸化物２３０ｂにおける、主成分である金属元素に対するインジウムの原子数比よりも大きくすることで、酸化物２３０ｃをキャリアの主たる経路とすることができる。
　また、酸化物２３０ｃの伝導帯下端は、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの伝導帯下端より真空準位から離れていることが好ましい。言い換えると、酸化物２３０ｃの電子親和力は、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの電子親和力より大きいことが好ましい。このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｃとなる。
　酸化物２３０ｃとして、具体的には、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１０：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物、インジウム酸化物などを用いるとよい。
　なお、トランジスタの信頼性を評価するパラメータとして、例えば、トランジスタの＋ＧＢＴ（Ｇａｔｅ　Ｂｉａｓ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験で測定されるシフト電圧（Ｖｓｈ）がある。シフト電圧（Ｖｓｈ）は、トランジスタのドレイン電流（Ｉｄ）−ゲート電圧（Ｖｇ）カーブにおいて、カーブ上の傾きが最大である点における接線が、Ｉｄ＝１ｐＡの直線と交差するＶｇと定義される。また、Ｖｓｈの変化量をΔＶｓｈとして表す。
　トランジスタの＋ＧＢＴストレス試験において、ΔＶｓｈは、時間経過に伴い負方向へシフトする場合がある。また、ΔＶｓｈは、負方向に変動するのではなく、負方向と正方向との双方に変動する挙動を示す場合がある。なお、本明細書等において、上記挙動を＋ＧＢＴストレス試験における、ΔＶｓｈのギザギザ挙動と呼称する場合がある。
　酸化物２３０ｃに、元素Ｍを主成分として含まない金属酸化物や、元素Ｍの比率が少ない金属酸化物を用いることで、例えば、ΔＶｓｈを低減し、ΔＶｓｈのギザギザ挙動を抑制し、トランジスタの信頼性の向上を図ることができる。
　また、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃは、ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物であることが好ましい。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２３０ｃとして、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いることが好ましく、酸化物２３０ｃが有する結晶のｃ軸が、酸化物２３０ｃの被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが好ましい。ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸と垂直方向に酸素を移動させやすい性質を有する。したがって、酸化物２３０ｃが有する酸素を、酸化物２３０ｂに効率的に供給することができる。
　また、酸化物２３０ｄは、酸化物２３０ｃに用いられる金属酸化物を構成する金属元素の少なくとも一つを含むことが好ましく、当該金属元素を全て含むことがより好ましい。例えば、酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、またはインジウム酸化物を用い、酸化物２３０ｄとして、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物、Ｍ−Ｚｎ酸化物、または元素Ｍの酸化物を用いるとよい。これにより、酸化物２３０ｃと酸化物２３０ｄとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。
　また、酸化物２３０ｄの伝導帯下端が、酸化物２３０ｃの伝導帯下端より真空準位に近いことが好ましい。言い換えると、酸化物２３０ｄの電子親和力は、酸化物２３０ｃの電子親和力より小さいことが好ましい。この場合、酸化物２３０ｄは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を用いることが好ましい。このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｃとなる。
　具体的には、酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１０：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物、または、インジウム酸化物を用い、酸化物２３０ｄとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］もしくはその近傍の組成、Ｍ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＭ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物、または、元素Ｍの酸化物を用いればよい。
　また、酸化物２３０ｄは、酸化物２３０ｃより、酸素の拡散または透過を抑制する金属酸化物であることが好ましい。絶縁体２５０と酸化物２３０ｃとの間に酸化物２３０ｄを設けることで、絶縁体２８０に含まれる酸素が、絶縁体２５０に拡散するのを抑制することができる。したがって、当該酸素は、酸化物２３０ｃを介して、酸化物２３０ｂに効率的に供給することができる。
　また、酸化物２３０ｄに用いる金属酸化物において、主成分である金属元素に対するＩｎの原子数比を、酸化物２３０ｃに用いる金属酸化物における、主成分である金属元素に対するＩｎの原子数比より小さくすることで、Ｉｎが絶縁体２５０側に拡散するのを抑制することができる。絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能するため、Ｉｎが絶縁体２５０などに混入した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、酸化物２３０ｃと絶縁体２５０との間に酸化物２３０ｄを設けることで、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
　ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄの接合部において、伝導帯下端はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄの接合部における伝導帯下端は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面、および酸化物２３０ｃと酸化物２３０ｄとの界面に形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
　具体的には、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃ、酸化物２３０ｃと酸化物２３０ｄが、酸素以外に共通の元素を主成分として有することで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄとして、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物、Ｍ−Ｚｎ酸化物、元素Ｍの酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、インジウム酸化物などを用いてもよい。
　具体的には、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１０：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物、または、インジウム酸化物を用いればよい。なお、近傍の組成とは、所望の原子数比の±３０％の範囲を含む。また、元素Ｍとして、ガリウムを用いることが好ましい。また、酸化物２３０ｄとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］もしくはその近傍の組成、Ｍ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＭ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物、または、元素Ｍの酸化物を用いればよい。
　なお、金属酸化物をスパッタリング法により成膜する場合、上記の原子数比は、成膜された金属酸化物の原子数比に限られず、金属酸化物の成膜に用いるスパッタリングターゲットの原子数比であってもよい。
　酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面、および酸化物２３０ｃと酸化物２３０ｄとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は大きいオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。
　絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７２、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６は、水、水素などの不純物が、基板側から、または、トランジスタ２００の上方からトランジスタ２００に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７２、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６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。
　なお、本明細書において、バリア絶縁膜とは、バリア性を有する絶縁膜のことを指す。本明細書において、バリア性とは、対応する物質の拡散を抑制する機能（透過性が低いともいう）とする。または、対応する物質を、捕獲、および固着する（ゲッタリングともいう）機能とする。
　例えば、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６として、窒化シリコンなどを用い、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および絶縁体２８２として、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、水、水素などの不純物が絶縁体２１２、および絶縁体２１４を介して、基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が絶縁体２１２、および絶縁体２１４を介して基板側に、拡散するのを抑制することができる。また、水、水素などの不純物が、絶縁体２８０、導電体２４６などから酸化物２３０に拡散するのを抑制することができる。この様に、トランジスタ２００を、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７２、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で取り囲む構造とすることが好ましい。
　また、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６の抵抗率を低くすることが好ましい場合がある。例えば、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６の抵抗率を概略１×１０１３Ωｃｍとすることで、半導体装置作製工程のプラズマ等を用いる処理において、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６によって、導電体２０５、導電体２４２、導電体２６０、または導電体２４６のチャージアップを緩和することができる場合がある。絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６の抵抗率は、好ましくは、１×１０１０Ωｃｍ以上１×１０１５Ωｃｍ以下とする。
　また、絶縁体２１６、および絶縁体２８０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、および絶縁体２８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよい。
　なお、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法によって成膜された絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は、膜中の水素濃度が低いので好ましい。また、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６の成膜は、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、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６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、絶縁体２１２と絶縁体２１４との界面および界面近傍、絶縁体２１４と絶縁体２１６との界面および界面近傍を清浄に保つことができるので好ましい。連続成膜することができる装置の説明は後述する。
　図１Ｂ、および図１Ｃに示すように、トランジスタ２００において、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄは、絶縁体２８０、絶縁体２７２、および絶縁体２７１に設けられた開口内の底部近傍のみに配置された構成となっている。
　複数のトランジスタ２００がチャネル幅方向に配置されている半導体装置において、上記構成とすることで、トランジスタ２００と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００との間に、電流のリークパスが生じることを抑制することができる。以下に詳細を説明する。
　第２のゲート電極として機能する導電体２０５に、負の電位を印加することにより、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄに寄生チャネルの発生を抑制することができる場合がある。特に、トランジスタ２００の酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄを上記構成とすることで、導電体２０５と、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄとの距離が比較的短くなる。これにより、導電体２０５の電位が酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄの全体に十分届くようになる。したがって、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄの全体において寄生チャネルの発生を抑制することができる。その結果、トランジスタ２００と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００との間に、電流のリークパスが生じることを抑制できる。
　また、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００のＶｔｈをより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。
　導電体２０５は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。また、導電体２０５は、絶縁体２１４または絶縁体２１４および絶縁体２１６の一部に埋め込まれて設けることが好ましい。
　なお、導電体２０５は、図１Ａに示すように、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと重ならない領域の大きさよりも、大きく設けるとよい。特に、図１Ｃに示すように、導電体２０５は、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂ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２３０ａおよび酸化物２３０ｂ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。当該構成を有することで、第１のゲート電極として機能する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極として機能する導電体２０５の電界によって、酸化物２３０のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート、および第２のゲートの電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
　なお、本明細書等において、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタとは、一対のゲート電極の一方および他方の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を表す。また、本明細書等で開示するＳ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、Ｆｉｎ型構造およびプレーナ型構造とは異なる。Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。
　また、図１Ｃに示すように、導電体２０５は延伸させて、配線としても機能させている。ただし、これに限られることなく、導電体２０５の下に、配線として機能する導電体を設ける構成にしてもよい。また、導電体２０５は、必ずしも各トランジスタに一個ずつ設ける必要はない。例えば、導電体２０５を複数のトランジスタで共有する構成にしてもよい。
　なお、トランジスタ２００では、導電体２０５は、導電体２０５ａと導電体２０５ｂとを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０５は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
　ここで、導電体２０５ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
　導電体２０５ａに、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることにより、導電体２０５ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体２０５ａとしては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。例えば、導電体２０５ａは、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムと、チタンまたは窒化チタンとの積層としてもよい。尚、後述するイオン化スパッタリング法を用いて導電体２０５ａを形成してもよい。
　また、導電体２０５ｂ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２０５ｂを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと、当該導電性材料との積層としてもよい。
　絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体として機能する。
　絶縁体２２２は、水素（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。また、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ことが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４よりも水素および酸素の一方または双方の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。
　絶縁体２２２は、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。当該絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０から基板側への酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の拡散を抑制する層として機能する。よって、絶縁体２２２を設けることで、水素等の不純物が、トランジスタ２００の内側へ拡散することを抑制し、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。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。
　または、上記絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。または、これらの絶縁体を窒化処理してもよい。また、絶縁体２２２は、これらの絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
　また、絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
　酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、加熱により酸素を脱離することが好ましい。例えば、絶縁体２２４は、酸化シリコン、酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
　絶縁体２２４として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料、別言すると、過剰酸素領域を有する絶縁体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、酸素分子の脱離量が１．０×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上である酸化膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
　また、上記過剰酸素領域を有する絶縁体と、酸化物２３０と、を接して加熱処理、マイクロ波処理、またはＲＦ処理のいずれか一または複数の処理を行っても良い。当該処理を行うことで、酸化物２３０中の水、または水素を除去することができる。例えば、酸化物２３０において、酸素欠損に水素が入った欠陥（ＶＯＨ）の結合が切断される反応が起きる、別言すると「ＶＯＨ→ＶＯ＋Ｈ」という反応が起きて、脱水素化することができる。このとき発生した水素の一部は、酸素と結合してＨ２Ｏとして、酸化物２３０、または酸化物２３０近傍の絶縁体から除去される場合がある。また、水素の一部は、導電体２４２に拡散または捕獲（ゲッタリングともいう）される場合がある。
　上記マイクロ波処理は、例えば、高密度プラズマを発生させる電源を有する装置、または、基板側にＲＦを印加する電源を有する装置を用いると好適である。例えば、酸素を含むガスを用い、且つ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、効率よく酸化物２３０、または酸化物２３０近傍の絶縁体中に導入することができる。また、上記マイクロ波処理は、圧力を１３３Ｐａ以上、好ましくは２００Ｐａ以上、さらに好ましくは４００Ｐａ以上とすればよい。また、マイクロ波処理を行う装置内に導入するガスとしては、例えば、酸素と、アルゴンとを用い、酸素流量比（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））が５０％以下、好ましくは１０％以上３０％以下で行うとよい。
　また、トランジスタ２００の作製工程中において、酸化物２３０の表面が露出した状態で、加熱処理を行うと好適である。当該加熱処理は、例えば、１００℃以上６００℃以下、より好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物２３０に酸素を供給して、酸素欠損（ＶＯ）の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で行ってもよい。または、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した後に、連続して窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理を行っても良い。
　なお、酸化物２３０に加酸素化処理を行うことで、酸化物２３０中の酸素欠損を、供給された酸素により修復させる、別言すると「ＶＯ＋Ｏ→ｎｕｌｌ」という反応を促進させることができる。さらに、酸化物２３０中に残存した水素に供給された酸素が反応することで、当該水素をＨ２Ｏとして除去する（脱水化する）ことができる。これにより、酸化物２３０中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してＶＯＨが形成されるのを抑制することができる。
　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。
　酸化物２４３（酸化物２４３ａ、および酸化物２４３ｂ）を、酸化物２３０ｂ上に設けてもよい。
　酸化物２４３（酸化物２４３ａ、および酸化物２４３ｂ）は、酸素の透過を抑制する機能を有することが好ましい。ソース電極やドレイン電極として機能する導電体２４２と酸化物２３０ｂとの間に酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物２４３を配置することで、導電体２４２と、酸化物２３０ｂとの間の電気抵抗が低減されるので好ましい。このような構成とすることで、トランジスタ２００の電気特性およびトランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。なお、導電体２４２と酸化物２３０ｂの間の電気抵抗を十分低減できる場合、酸化物２４３を設けない構成にしてもよい。
　酸化物２４３として、元素Ｍを有する金属酸化物を用いてもよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。酸化物２４３は、酸化物２３０ｂよりも元素Ｍの濃度が高いことが好ましい。また、酸化物２４３として、酸化ガリウムを用いてもよい。また、酸化物２４３として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物等の金属酸化物を用いてもよい。具体的には、酸化物２４３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２４３の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下である。また、酸化物２４３は、結晶性を有すると好ましい。酸化物２４３が結晶性を有する場合、酸化物２３０中の酸素の放出を好適に抑制することが出来る。例えば、酸化物２４３としては、六方晶などの結晶構造であれば、酸化物２３０中の酸素の放出を抑制できる場合がある。
　なお、酸化物２３０ａとなる酸化膜、酸化物２３０ｂとなる酸化膜、および酸化物２４３となる酸化膜の成膜は、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、酸化物２３０ａとなる酸化膜、酸化物２３０ｂとなる酸化膜、および酸化物２４３となる酸化膜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、酸化物２３０ａとなる酸化膜と酸化物２３０ｂとなる酸化膜との界面および界面近傍、酸化物２３０ｂとなる酸化膜と酸化物２４３となる酸化膜との界面および界面近傍を清浄に保つことができるので好ましい。連続成膜することができる装置の説明は後述する。
　導電体２４２ａは酸化物２４３ａ上に設けられ、導電体２４２ｂは、酸化物２４３ｂ上に設けられる。導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、それぞれトランジスタ２００のソース電極またはドレイン電極として機能する。
　導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）としては、例えば、タンタルを含む窒化物、チタンを含む窒化物、モリブデンを含む窒化物、タングステンを含む窒化物、タンタルおよびアルミニウムを含む窒化物、チタンおよびアルミニウムを含む窒化物などを用いることが好ましい。本発明の一態様においては、タンタルを含む窒化物が特に好ましい。また、例えば、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てもよい。これらの材料は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
　なお、酸化物２４３を設けない場合、導電体２４２と、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃとが接することで、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃ中の酸素が導電体２４２へ拡散し、導電体２４２が酸化することがある。導電体２４２が酸化することで、導電体２４２の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃ中の酸素が導電体２４２へ拡散することを、導電体２４２が酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃ中の酸素を吸収する、と言い換えることができる。
　また、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃ中の酸素が導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂへ拡散することで、導電体２４２ａと酸化物２３０ｂとの間、および、導電体２４２ｂと酸化物２３０ｂとの間、または、導電体２４２ａと酸化物２３０ｃとの間、および、導電体２４２ｂと酸化物２３０ｃとの間に層が形成される場合がある。当該層は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂよりも酸素を多く含むため、当該層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂと、当該層と、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃとの３層構造は、金属−絶縁体−半導体からなる３層構造とみなすことができ、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造、またはＭＩＳ構造を主としたダイオード接合構造とみることができる。
　なお、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃなどに含まれる水素が、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに拡散する場合がある。特に、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに、タンタルを含む窒化物を用いることで、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃなどに含まれる水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに拡散しやすく、拡散した水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂが有する窒素と結合することがある。つまり、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃなどに含まれる水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに吸い取られる場合がある。
　また、導電体２４２の側面と導電体２４２の上面との間に、湾曲面を有する場合がある。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲している場合がある。湾曲面は、例えば、導電体２４２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。
　絶縁体２７２は、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２４３、導電体２４２、絶縁体２７１の側面を覆って設けられており、少なくとも酸素に対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２７２は、酸素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２７２は、絶縁体２８０よりも酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体２７２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。
　特に絶縁体２７２は、バイアススパッタリング法によって、酸素を含む雰囲気にて酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムを成膜することにより形成することが好ましい。バイアススパッタリング法とは、基板にＲＦ電力を印加しながらスパッタリングする方法である。基板にＲＦ電力を印加することで、基板の電位はプラズマ電位に対して負電位（バイアス電位と言う。）となり、プラズマ中の＋イオンは、このバイアス電位に加速されて基板に注入される。バイアス電位は、基板に印加するＲＦ電力の大きさによって制御することができる。
　従って、バイアススパッタリング法によって、酸素を含む雰囲気にて酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムを成膜することで絶縁体２２４に酸素を注入することができる。また、基板に印加するＲＦ電力を調整することで、絶縁体２２４に注入する酸素量を制御できるので、絶縁体２２４に注入する酸素量を最適化できる。
　また、絶縁体２７１は、導電体２４２の上面に接して設けられており、絶縁体２７２と同様に少なくとも酸素に対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２７１も、酸素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２７１は、絶縁体２８０よりも酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体２７１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。また、絶縁体２７１としては、例えば、窒化シリコンを含む絶縁体を用いればよい。
　上記のような絶縁体２７１および絶縁体２７２を設けることで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２４３、および導電体２４２を、絶縁体２８０から離隔することができる。よって、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２４３、および導電体２４２に、絶縁体２８０から酸素が直接拡散するのを抑制することができる。これにより、酸化物２３０のソース領域およびドレイン領域に過剰な酸素が供給されて、ソース領域およびドレイン領域のキャリア密度が低減するのを防ぐことができる。また、導電体２４２が過剰に酸化されて抵抗率が増大し、オン電流が低減するのを抑制することができる。
　絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｄの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
　絶縁体２５０は、絶縁体２２４と同様に、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｄの上面に接して設けることにより、酸化物２３０ｄおよび酸化物２３０ｃを介して酸化物２３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給し、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の酸素欠損を低減することができる。したがって、電気特性の変動を抑制し、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トランジスタを提供することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水、水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
　なお、図１Ｂおよび図１Ｃでは、絶縁体２５０を単層で図示したが、２層以上の積層構造としてもよい。絶縁体２５０を２層の積層構造とする場合、絶縁体２５０の下層は、加熱により酸素が放出される絶縁体を形成し、絶縁体２５０の上層は、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を形成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２５０の下層に含まれる酸素が、導電体２６０へ拡散するのを抑制することができる。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の下層に含まれる酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。例えば、絶縁体２５０の下層は、上述した絶縁体２５０に用いることができる材料を用いて設け、絶縁体２５０の上層は、絶縁体２２２と同様の材料を用いて設けることができる。
　なお、絶縁体２５０の下層に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、絶縁体２５０の上層は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である絶縁性材料を用いてもよい。ゲート絶縁体を、絶縁体２５０の下層と絶縁体２５０の上層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。
　絶縁体２５０の上層として、具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、マグネシウムなどから選ばれた一種、もしくは二種以上が含まれた金属酸化物、または酸化物２３０として用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることが好ましい。
　または、絶縁体２５０の下層は、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を形成してもよい。このような構成とすることで、絶縁体２８０に含まれる酸素が、導電体２６０へ拡散するのを抑制することができる。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の下層は、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁体を形成することが好ましい。このような構成とすることで、絶縁体２８０に含まれる水、水素などの不純物が、酸化物２３０へ拡散するのを抑制することができる。例えば、絶縁体２５０の下層は、絶縁体２２２と同様の材料を用いて設けることができる。
　なお、絶縁体２５０の上層に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、絶縁体２５０の下層は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である絶縁性材料を用いてもよい。ゲート絶縁体を、絶縁体２５０の下層と絶縁体２５０の上層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。
　絶縁体２５０の下層として、具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、マグネシウムなどから選ばれた一種、もしくは二種以上が含まれた金属酸化物、または酸化物２３０として用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることが好ましい。
　また、絶縁体２５０と導電体２６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
　なお、上記金属酸化物は、第１のゲート電極の一部としての機能を有することが好ましい。例えば、酸化物２３０として用いることができる金属酸化物を、上記金属酸化物として用いることができる。その場合、導電体２６０ａをスパッタリング法で成膜することで、上記金属酸化物の電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
　上記金属酸化物を有することで、導電体２６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ２００のオン電流の向上を図ることができる。また、絶縁体２５０と、上記金属酸化物との物理的な厚みにより、導電体２６０と、酸化物２３０との間の距離を保つことで、導電体２６０と酸化物２３０との間のリーク電流を抑制することができる。また、絶縁体２５０、および上記金属酸化物との積層構造を設けることで、導電体２６０と酸化物２３０との間の物理的な距離、および導電体２６０から酸化物２３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
　導電体２６０は、トランジスタ２００の第１のゲート電極として機能する。導電体２６０は、導電体２６０ａと、導電体２６０ａの上に配置された導電体２６０ｂと、を有することが好ましい。例えば、導電体２６０ａは、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように配置されることが好ましい。また、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０の上面と略一致している。なお、図１Ｂおよび図１Ｃでは、導電体２６０は、導電体２６０ａと導電体２６０ｂの２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。
　導電体２６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
　また、導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０に含まれる酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
　また、導電体２６０は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、または窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。
　また、トランジスタ２００では、導電体２６０は、絶縁体２８０などに形成されている開口を埋めるように自己整合的に形成される。導電体２６０をこのように形成することにより、導電体２４２ａと導電体２４２ｂとの間の領域に、導電体２６０を位置合わせすることなく確実に配置することができる。
　また、図１Ｃに示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向において、絶縁体２２２の底面を基準としたときの、導電体２６０の、導電体２６０と酸化物２３０ｂとが重ならない領域の底面の高さは、酸化物２３０ｂの底面の高さより低いことが好ましい。ゲート電極として機能する導電体２６０が、絶縁体２５０などを介して、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の側面および上面を覆う構成とすることで、導電体２６０の電界を酸化物２３０ｂのチャネル形成領域全体に作用させやすくなる。よって、トランジスタ２００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。絶縁体２２２の底面を基準としたときの、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂと、導電体２６０とが、重ならない領域における導電体２６０の底面の高さと、酸化物２３０ｂの底面の高さと、の差は、０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。
　絶縁体２８０は、絶縁体２２４、酸化物２３０、導電体２４２、絶縁体２７１、および絶縁体２７２上に設けられる。また、絶縁体２８０の上面は、平坦化されていてもよい。
　層間膜として機能する絶縁体２８０は、誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。絶縁体２８０は、例えば、絶縁体２１６と同様の材料を用いて設けることが好ましい。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。
　また、絶縁体２８０中の水、水素などの不純物濃度は低減されていることが好ましい。また、絶縁体２８０は、水素濃度が低く、過剰酸素領域または過剰酸素を有することが好ましく、例えば、絶縁体２１６と同様の材料を用いて設けてもよい。また、絶縁体２８０は、上記の材料が積層された構造でもよく、例えば、スパッタリング法で成膜した酸化シリコンと、その上に積層された化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で成膜された酸化窒化シリコンの積層構造とすればよい。また、さらに上に窒化シリコンを積層してもよい。
　絶縁体２８２または絶縁体２８３は、水、水素などの不純物が、上方から絶縁体２８０に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。また、絶縁体２８２または絶縁体２８３は、酸素の透過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２８２および絶縁体２８３としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。例えば、絶縁体２８２として、酸素に対してブロッキング性が高い酸化アルミニウムを用い、絶縁体２８３として、水素に対してブロッキング性が高い窒化シリコンを用いればよい。
　導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは積層構造としてもよい。なお、図１Ａで導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、上面視において円形状にしているが、これに限られるものではない。例えば、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂが、上面視において、楕円などの略円形状、四角形などの多角形状、四角形等の多角形の角部を丸めた形状になっていてもよい。
　また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７１と接する導電体には、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。また、絶縁体２８３より上層に含まれる水、水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
　導電体２４０を積層構造とする場合、下層は、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。当該導電性材料を導電体２４０の下層に用いることで、絶縁体２８０などから拡散する水または水素などの不純物が、導電体２４０を通じて酸化物２３０に混入するのをさらに低減することができる。また、絶縁体２８０に添加された酸素が導電体２４０の上層の導電体材料に吸収されるのを防ぐことができる。上層は、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。
　絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂとしては、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂは、絶縁体２８０に接して設けられるので、絶縁体２８０などに含まれる水、水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好適である。また、絶縁体２８０に含まれる酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。
　また、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２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）を配置してもよい。導電体２４６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、または窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
　絶縁体２８６は、導電体２４６上、および絶縁体２８３上に設けられる。これにより、導電体２４６の上面、および導電体２４６の側面は、絶縁体２８６と接し、導電体２４６の下面は、絶縁体２８３と接する。つまり、導電体２４６は、絶縁体２８３、および絶縁体２８６で包まれる構成とすることができる。この様な構成とすることで、外方からの酸素の透過を抑制し、導電体２４６の酸化を防止することができる。また、導電体２４６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ので好ましい。
＜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、ゲルマニウムを材料とした半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
＜＜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、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、金属酸化物を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、またはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。
　また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が有する酸素欠損を補償することができる。
＜＜導電体＞＞
　導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、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、半導体として機能する金属酸化物（酸化物半導体）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
　金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、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、マグネシウム、コバルト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。
＜結晶構造の分類＞
　まず、酸化物半導体における、結晶構造の分類について、図２Ａを用いて説明を行う。図２Ａは、酸化物半導体、代表的にはＩＧＺＯ（Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を含む金属酸化物）の結晶構造の分類を説明する図である。
　図２Ａに示すように、酸化物半導体は、大きく分けて「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ（結晶性）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」と、に分類される。また、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ」の中には、ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓが含まれる。また、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の中には、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、ｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、及びＣＡＣ（ｃｌｏｕｄ−ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）が含まれる（ｅｘｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ　ａｎｄ　ｐｏｌｙ　ｃｒｙｓｔａｌ）。なお、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の分類には、ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ、ｐｏｌｙ　ｃｒｙｓｔａｌ、及びｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓは除かれる。また、「Ｃｒｙｓｔａｌ」の中には、ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓｔａｌ、及びｐｏｌｙ　ｃｒｙｓｔａｌが含まれる。
　なお、図２Ａに示す太枠内の構造は、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」との間の中間状態であり、新しい境界領域（Ｎｅｗ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｐｈａｓｅ）に属する構造である。すなわち、当該構造は、エネルギー的に不安定な「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」や、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」とは全く異なる構造と言い換えることができる。
　なお、膜または基板の結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）スペクトルを用いて評価することができる。ここで、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」に分類されるＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜のＧＩＸＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ−Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　ＸＲＤ）測定で得られるＸＲＤスペクトルを図２Ｂに示す。なお、ＧＩＸＤ法は、薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ−Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。以降、図２Ｂに示すＧＩＸＤ測定で得られるＸＲＤスペクトルを、単にＸＲＤスペクトルと記す。なお、図２Ｂに示すＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、図２Ｂに示すＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の厚さは、５００ｎｍである。
　図２Ｂに示すように、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、明確な結晶性を示すピークが検出される。具体的には、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、２θ＝３１°近傍に、ｃ軸配向を示すピークが検出される。なお、図２Ｂに示すように、２θ＝３１°近傍のピークは、ピーク強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）が検出された角度を軸に左右非対称である。
　また、膜または基板の結晶構造は、極微電子線回折法（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ　Ｂｅａｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって観察される回折パターン（極微電子線回折パターンともいう。）にて評価することができる。ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の回折パターンを、図２Ｃに示す。図２Ｃは、電子線を基板に対して平行に入射するＮＢＥＤによって観察される回折パターンである。なお、図２Ｃに示すＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、極微電子線回折法では、プローブ径を１ｎｍとして電子線回折が行われる。
　図２Ｃに示すように、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の回折パターンでは、ｃ軸配向を示す複数のスポットが観察される。
＜＜酸化物半導体の構造＞＞
　なお、酸化物半導体は、結晶構造に着目した場合、図２Ａとは異なる分類となる場合がある。例えば、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、上述のＣＡＡＣ−ＯＳ、及びｎｃ−ＯＳがある。また、非単結晶酸化物半導体には、多結晶酸化物半導体、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体、などが含まれる。
　ここで、上述のＣＡＡＣ−ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、及びａ−ｌｉｋｅ　ＯＳの詳細について、説明を行う。
［ＣＡＡＣ−ＯＳ］
　ＣＡＡＣ−ＯＳは、複数の結晶領域を有し、当該複数の結晶領域はｃ軸が特定の方向に配向している酸化物半導体である。なお、特定の方向とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の厚さ方向、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線方向、またはＣＡＡＣ−ＯＳ膜の表面の法線方向である。また、結晶領域とは、原子配列に周期性を有する領域である。なお、原子配列を格子配列とみなすと、結晶領域とは、格子配列の揃った領域でもある。さらに、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ−ｂ面方向において複数の結晶領域が連結する領域を有し、当該領域は歪みを有する場合がある。なお、歪みとは、複数の結晶領域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。つまり、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向し、ａ−ｂ面方向には明らかな配向をしていない酸化物半導体である。
　なお、上記複数の結晶領域のそれぞれは、１つまたは複数の微小な結晶（最大径が１０ｎｍ未満である結晶）で構成される。結晶領域が１つの微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の最大径は１０ｎｍ未満となる。また、結晶領域が多数の微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の大きさは、数十ｎｍ程度となる場合がある。
　また、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、スズ、チタンなどから選ばれた一種、または複数種）において、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム（Ｉｎ）、及び酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛（Ｚｎ）、及び酸素を有する層（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る。よって、（Ｍ，Ｚｎ）層にはインジウムが含まれる場合がある。また、Ｉｎ層には元素Ｍが含まれる場合がある。なお、Ｉｎ層にはＺｎが含まれる場合もある。当該層状構造は、例えば、高分解能ＴＥＭ像において、格子像として観察される。
　ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、例えば、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ　ＸＲＤ測定では、ｃ軸配向を示すピークが２θ＝３１°またはその近傍に検出される。なお、ｃ軸配向を示すピークの位置（２θの値）は、ＣＡＡＣ−ＯＳを構成する金属元素の種類、組成などにより変動する場合がある。
　また、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の電子線回折パターンにおいて、複数の輝点（スポット）が観測される。なお、あるスポットと別のスポットとは、試料を透過した入射電子線のスポット（ダイレクトスポットともいう。）を対称中心として、点対称の位置に観測される。
　上記特定の方向から結晶領域を観察した場合、当該結晶領域内の格子配列は、六方格子を基本とするが、単位格子は正六角形とは限らず、非正六角形である場合がある。また、上記歪みにおいて、五角形、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（グレインバウンタリー）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、金属原子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。
　なお、明確な結晶粒界が確認される結晶構造は、いわゆる多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれる。結晶粒界は、再結合中心となり、キャリアが捕獲されトランジスタのオン電流の低下、電界効果移動度の低下などを引き起こす可能性が高い。よって、明確な結晶粒界が確認されないＣＡＡＣ−ＯＳは、トランジスタの半導体層に好適な結晶構造を有する結晶性の酸化物の一つである。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳを構成するには、Ｚｎを有する構成が好ましい。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、及びＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物は、Ｉｎ酸化物よりも結晶粒界の発生を抑制できるため好適である。
　ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶性が高く、明確な結晶粒界が確認されない酸化物半導体である。よって、ＣＡＡＣ−ＯＳは、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。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対しても安定である。したかって、ＯＳトランジスタにＣＡＡＣ−ＯＳを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。
［ｎｃ−ＯＳ］
　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。別言すると、ｎｃ−ＯＳは、微小な結晶を有する。なお、当該微小な結晶の大きさは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることから、当該微小な結晶をナノ結晶ともいう。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。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ　ＸＲＤ測定では、結晶性を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、ナノ結晶よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折（制限視野電子線回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、ナノ結晶の大きさと近いかナノ結晶より小さいプローブ径（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の電子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）を行うと、ダイレクトスポットを中心とするリング状の領域内に複数のスポットが観測される電子線回折パターンが取得される場合がある。
［ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ］
　ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、鬆又は低密度領域を有する。即ち、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。また、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、ｎｃ−ＯＳ及びＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、膜中の水素濃度が高い。
＜＜酸化物半導体の構成＞＞
　次に、上述のＣＡＣ−ＯＳの詳細について、説明を行う。なお、ＣＡＣ−ＯＳは材料構成に関する。
［ＣＡＣ−ＯＳ］
　ＣＡＣ−ＯＳとは、例えば、金属酸化物を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、金属酸化物において、一つまたは複数の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。
　さらに、ＣＡＣ−ＯＳとは、第１の領域と、第２の領域と、に材料が分離することでモザイク状となり、当該第１の領域が、膜中に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。つまり、ＣＡＣ−ＯＳは、当該第１の領域と、当該第２の領域とが、混合している構成を有する複合金属酸化物である。
　ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳを構成する金属元素に対するＩｎ、Ｇａ、およびＺｎの原子数比のそれぞれを、［Ｉｎ］、「Ｇａ］、および［Ｚｎ］と表記する。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳにおいて、第１の領域は、［Ｉｎ］が、ＣＡＣ−ＯＳ膜の組成における［Ｉｎ］よりも大きい領域である。また、第２の領域は、［Ｇａ］が、ＣＡＣ−ＯＳ膜の組成における［Ｇａ］よりも大きい領域である。または、例えば、第１の領域は、［Ｉｎ］が、第２の領域における［Ｉｎ］よりも大きく、且つ、［Ｇａ］が、第２の領域における［Ｇａ］よりも小さい領域である。また、第２の領域は、［Ｇａ］が、第１の領域における［Ｇａ］よりも大きく、且つ、［Ｉｎ］が、第１の領域における［Ｉｎ］よりも小さい領域である。
　具体的には、上記第１の領域は、インジウム酸化物、インジウム亜鉛酸化物などが主成分である領域である。また、上記第２の領域は、ガリウム酸化物、ガリウム亜鉛酸化物などが主成分である領域である。つまり、上記第１の領域を、Ｉｎを主成分とする領域と言い換えることができる。また、上記第２の領域を、Ｇａを主成分とする領域と言い換えることができる。
　なお、上記第１の領域と、上記第２の領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
　例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳでは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ−ｒａｙ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取得したＥＤＸマッピングにより、Ｉｎを主成分とする領域（第１の領域）と、Ｇａを主成分とする領域（第２の領域）とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。
　ＣＡＣ−ＯＳをトランジスタに用いる場合、第１の領域に起因する導電性と、第２の領域に起因する絶縁性とが、相補的に作用することにより、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳに付与することができる。つまり、ＣＡＣ−ＯＳ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。導電性の機能と絶縁性の機能と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。よって、ＣＡＣ−ＯＳをトランジスタに用いることで、高いオン電流（Ｉｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および良好なスイッチング動作を実現することができる。
　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、ＣＡＣ−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。
　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。
　トランジスタには、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。例えば、酸化物半導体のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下、さらに好ましくは１×１０１３ｃｍ−３以下、より好ましくは１×１０１１ｃｍ−３以下、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ−３未満であり、１×１０−９ｃｍ−３以上である。なお、酸化物半導体膜のキャリア濃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又は実質的に高純度真性と言う。なお、キャリア濃度の低い酸化物半導体を、高純度真性又は実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ場合がある。
　また、高純度真性又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又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、アルカリ金属又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、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属又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、キャリア濃度が増加し、ｎ型化となりやすい。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。または、酸化物半導体において、窒素が含まれると、トラップ準位が形成される場合がある。この結果、トランジスタの電気特性が不安定となる場合がある。このため、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中の窒素濃度を、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以下にする。
　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未満にする。
　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。
＜＜その他の半導体材料＞＞
　酸化物２３０に用いることができる半導体材料は、上述の金属酸化物に限られない。酸化物２３０として、バンドギャップを有する半導体材料（ゼロギャップ半導体ではない半導体材料）を用いてもよい。例えば、シリコンなどの単体元素の半導体、ヒ化ガリウムなどの化合物半導体、半導体として機能する層状物質（原子層物質、２次元材料などともいう。）などを半導体材料に用いることが好ましい。特に、半導体として機能する層状物質を半導体材料に用いると好適である。
　ここで、本明細書等において、層状物質とは、層状の結晶構造を有する材料群の総称である。層状の結晶構造は、共有結合やイオン結合によって形成される層が、ファンデルワールス力のような、共有結合やイオン結合よりも弱い結合を介して積層している構造である。層状物質は、単位層内における電気伝導性が高く、つまり、２次元電気伝導性が高い。半導体として機能し、かつ、２次元電気伝導性の高い材料をチャネル形成領域に用いることで、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。
　層状物質として、グラフェン、シリセン、カルコゲン化物などがある。カルコゲン化物は、カルコゲンを含む化合物である。また、カルコゲンは、第１６族に属する元素の総称であり、酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム、リバモリウムが含まれる。また、カルコゲン化物として、遷移金属カルコゲナイド、１３族カルコゲナイドなどが挙げられる。
　酸化物２３０として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いることが好ましい。酸化物２３０として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的には、硫化モリブデン（代表的にはＭｏＳ２）、セレン化モリブデン（代表的にはＭｏＳｅ２）、モリブデンテルル（代表的にはＭｏＴｅ２）、硫化タングステン（代表的にはＷＳ２）、セレン化タングステン（代表的にはＷＳｅ２）、タングステンテルル（代表的にはＷＴｅ２）、硫化ハフニウム（代表的にはＨｆＳ２）、セレン化ハフニウム（代表的にはＨｆＳｅ２）、硫化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳ２）、セレン化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳｅ２）などが挙げられる。
＜半導体装置の変形例＞
　以下では、図３Ａ乃至図３Ｄを用いて、本発明の一態様である半導体装置の一例について説明する。
　図３Ａは半導体装置の上面図を示す。また、図３Ｂは、図３Ａに示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、図３Ｃは、図３ＡにＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、図３Ｄは、図３ＡにＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。図３Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　なお、図３Ａ乃至図３Ｄ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、本項目においても、半導体装置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３Ａ乃至図３Ｄに示す半導体装置は、図１Ａ乃至図１Ｄに示した半導体装置の変形例である。図３Ａ乃至図３Ｄに示す半導体装置は、図１Ａ乃至図１Ｄに示した半導体装置とは、絶縁体２８３の形状が異なる。また、絶縁体２７４を有することが異なる。
　図３Ａ乃至図３Ｄに示す半導体装置では、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２７２、絶縁体２８０、および絶縁体２８２がパターニングされている。また、絶縁体２８３は、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２７２、絶縁体２８０、および絶縁体２８２を覆う構造になっている。つまり、絶縁体２８３は、絶縁体２８２の上面および側面と、絶縁体２１２の上面に接する。これにより、酸化物２３０などを含む、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２７２、絶縁体２８０、および絶縁体２８２は、絶縁体２８３と、絶縁体２１２とによって、外部から隔離される。別言すると、トランジスタ２００は、絶縁体２８３と絶縁体２１２とで封止された領域内に配置される。
　例えば、絶縁体２１４、および絶縁体２８２を、水素を捕獲および水素を固着する機能を有する材料を用いて形成し、絶縁体２１２、および絶縁体２８３を水素および酸素に対する拡散を抑制する機能を有する材料を用いて形成すると好ましい。代表的には、絶縁体２１４、および絶縁体２８２としては、酸化アルミニウムを用いることができる。また、代表的には、絶縁体２１２、および絶縁体２８３としては、窒化シリコンを用いることができる。
　上記構成にすることで、上記封止された領域外に含まれる水素が、上記封止された領域内に混入することを抑制することができる。
　また、図３Ａ乃至図３Ｄに示すトランジスタ２００では、絶縁体２１２、および絶縁体２８３を、単層として設ける構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２８３のそれぞれを２層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
　絶縁体２７４は、層間膜として機能する。絶縁体２７４は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。絶縁体２７４は、例えば、絶縁体２８０と同様の材料を用いて設けることができる。
　または、絶縁体２７４は、水素が低減された絶縁体を用いることが好ましい。水素が低減された絶縁体を用いることで、トランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。絶縁体２７４としては、例えば、スパッタリング法によって絶縁体を形成してもよい。スパッタリング法によって形成された絶縁体の水素濃度は、ＣＶＤ法によって形成された絶縁体の水素濃度よりも低いので好ましい。
＜半導体装置の作製方法＞
　次に、図３Ａ乃至図３Ｄに示す、本発明の一態様である半導体装置の作製方法を、図５Ａ乃至図２１Ｄを用いて説明する。
　各図のＡは上面図を示す。また、各図のＢは、各図の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、各図の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、各図のＤは、各図のＡにＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、各図のＡでは、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１２を成膜する。絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ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、原子層堆積（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法としては、プリカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーのみで行う熱ＡＬＤ（Ｔｈｅｒｍａｌ　ＡＬＤ）法、プラズマ励起されたリアクタントを用いるＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＡＬＤ）法などを用いることができる。
　また、ＡＬＤ法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、低温での成膜が可能、などの効果がある。ＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＡＬＤ）法では、プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
　ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
　ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
　本実施の形態では、絶縁体２１２として、スパッタリング法によって窒化シリコンを成膜する。
　このように、絶縁体２１２として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体２１２より下層（図示せず。）の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体２１２を介して上方に拡散するのを抑制することができる。また、窒化シリコンのように水、水素などの不純物が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体２１２より下層に含まれる水、水素などの不純物の拡散を抑制することができる。
　次に、絶縁体２１２上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１４として、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。
　絶縁体２１４の水素濃度は、絶縁体２１２の水素濃度より低いことが好ましい。絶縁体２１２としてスパッタリング法によって窒化シリコンを成膜することで、水素濃度が低い窒化シリコンを形成することができる。また、絶縁体２１４を酸化アルミニウムとすることで、絶縁体２１２よりも水素濃度を低くすることができる。
　この後の工程にて絶縁体２１４上に、トランジスタ２００を形成するが、トランジスタ２００に近接する膜は、水素濃度が比較的低いことが好ましく、水素濃度が比較的高い膜は、トランジスタ２００から遠隔して配置することが好ましい。
　次に、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６として、スパッタリング法によって酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを成膜する。
　なお、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は、大気環境にさらさずに減圧下で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、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６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、絶縁体２１２と絶縁体２１４との界面および界面近傍、絶縁体２１４と絶縁体２１６との界面および界面近傍を清浄に保つことができるので好ましい。連続成膜は、例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。連続成膜することで、半導体装置の作製工程時間の短縮が可能となり好ましい。
　次に、絶縁体２１４に達する開口を絶縁体２１６に形成する。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１４は、絶縁体２１６をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体２１６に酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いた場合は、絶縁体２１４は窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムを用いるとよい。
　ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電圧を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
　開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。または、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体と、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　本実施の形態では、導電体２０５ａとなる導電膜を多層構造とする。まず、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜し、当該窒化タンタルの上に窒化チタンを積層する。このような金属窒化物を導電体２０５ｂの下層に用いることにより、後述する導電体２０５ｂとなる導電膜として銅などの拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０５ａから外に拡散するのを防ぐことができる。
　次に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体２０５ｂとなる導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。
　次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０５ａとなる導電膜、および導電体２０５ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂが残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５を形成することができる（図５Ａ乃至図５Ｄ参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１６の一部が除去される場合がある。
　なお、上記においては、導電体２０５を絶縁体２１６の開口に埋め込むように形成したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体２１４上に導電体２０５を形成し、導電体２０５上に絶縁体２１６を成膜し、絶縁体２１６にＣＭＰ処理を行うことで、絶縁体２１６の一部を除去し、導電体２０５の表面を露出させればよい。
　次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２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、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、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、窒素ガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理をする場合、酸素ガスを２０％程度にすればよい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
　また、上記加熱処理で用いるガスは、高純度化されていることが好ましい。例えば、上記加熱処理で用いるガスに含まれる水分量が１ｐｐｂ以下、好ましくは０．１ｐｐｂ以下、より好ましくは０．０５ｐｐｂ以下にすればよい。高純度化されたガスを用いて加熱処理を行うことで、絶縁体２２２など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。
　本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２２の成膜後に、窒素ガスと酸素ガスの流量比を４ｓｌｍ：１ｓｌｍとして、４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体２２２に含まれる水、水素などの不純物を除去することなどができる。また、絶縁体２２２として、ハフニウムを含む酸化物を用いる場合、当該加熱処理によって、絶縁体２２２の結晶性を向上させることができる。また、加熱処理は、絶縁体２２４の成膜後などのタイミングで行うこともできる。
　次に、絶縁体２２２上に絶縁体２２４を成膜する。絶縁体２２４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２２４として、ＡＬＤ法によって酸化シリコンまたは酸化窒化シリコン膜を成膜する。絶縁体２２４は、水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁体２２４の水素濃度を低減することができる。絶縁体２２４は、後の工程で酸化物２３０ａと接する絶縁体２２４となるので、このように水素濃度が低減されていることが好適である。
　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。
　ここで、絶縁体２２４上に、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜した後、絶縁体２２４に達するまで、ＣＭＰ処理を行ってもよい。当該ＣＭＰ処理を行うことで絶縁体２２４表面の平坦化および平滑化を行うことができる。当該酸化アルミニウムを絶縁体２２４上に配置してＣＭＰ処理を行うことで、ＣＭＰ処理の終点検出が容易となる。また、ＣＭＰ処理によって、絶縁体２２４の一部が研磨されて、絶縁体２２４の膜厚が薄くなることがあるが、絶縁体２２４の成膜時に膜厚を調整すればよい。絶縁体２２４表面の平坦化および平滑化を行うことで、後に成膜する酸化物の被覆率の悪化を防止し、半導体装置の歩留りの低下を防ぐことができる場合がある。また、絶縁体２２４上に、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜することにより、絶縁体２２４に酸素を添加することができるので好ましい。
　次に、絶縁体２２４上に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図５Ａ乃至図５Ｄ参照。）。
　酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットなどを用いることができる。
　特に、酸化膜２３０Ａの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。したがって、当該スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
　また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を、３０％を超えて１００％以下、好ましくは７０％以上１００％以下として成膜すると、酸素過剰型の酸化物半導体が形成される。酸素過剰型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い信頼性が得られる。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。また、基板を加熱しながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。
　本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに求める特性に合わせて形成するとよい。
　次に、酸化膜２３０Ｂ上に酸化膜２４３Ａを成膜する（図５Ａ乃至図５Ｄ参照）。酸化膜２４３Ａの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２４３Ａは、Ｉｎに対するＧａの原子数比が、酸化膜２３０ＢのＩｎに対するＧａの原子数比より大きいことが好ましい。本実施の形態では、酸化膜２４３Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。
　なお、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４３Ａは、大気環境にさらさずに減圧下で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、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４３Ａ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との界面および界面近傍、酸化膜２３０Ｂと酸化膜２４３Ａとの界面および界面近傍を清浄に保つことができるので好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。連続成膜することで、半導体装置の作製工程時間の短縮が可能となり好ましい。
　次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４３Ａが多結晶化しない温度範囲で行えばよく、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは４００℃以上６００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、窒素ガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理をする場合、酸素ガスを２０％程度にすればよい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
　また、上記加熱処理で用いるガスは、高純度化されていることが好ましい。例えば、上記加熱処理で用いるガスに含まれる水分量が１ｐｐｂ以下、好ましくは０．１ｐｐｂ以下、より好ましくは０．０５ｐｐｂ以下にすればよい。高純度化されたガスを用いて加熱処理を行うことで、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４３Ａなど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。
　本実施の形態では、加熱処理として、窒素雰囲気にて５５０℃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５５０℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４３Ａ中の水、水素などの不純物を除去することなどができる。さらに、当該加熱処理によって、酸化膜２３０Ｂの結晶性を向上させ、より密度の高い、緻密な構造にすることができる。これにより、酸化膜２３０Ｂ中における、酸素または不純物の拡散を低減することができる。
　次に、酸化膜２４３Ａ上に導電膜２４２Ａを成膜する（図５Ａ乃至図５Ｄ参照。）。導電膜２４２Ａの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。なお、導電膜２４２Ａの成膜前に、加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して導電膜２４２Ａを成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化膜２４３Ａの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４３Ａ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とする。
　次に、導電膜２４２Ａ上に絶縁膜２７１Ａを成膜する（図５Ａ乃至図５Ｄ参照。）。絶縁膜２７１Ａ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。絶縁膜２７１Ａ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、絶縁膜２７１Ａとして、スパッタリング法またはＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または窒化シリコンなどを成膜すればよい。
　次に、絶縁膜２７１Ａ上に導電膜２４８Ａを成膜する（図５Ａ乃至図５Ｄ参照）。導電膜２４８Ａ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。導電膜２４８Ａは、例えば、導電膜２４２Ａと同様の導電膜を用いればよい。
　本実施の形態では、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２４８Ａとして、スパッタリング法によって、導電膜２４２Ａは、窒化タンタル、絶縁膜２７１Ａは、酸化アルミニウム、導電膜２４８Ａは、窒化タンタルをそれぞれ成膜する。
　なお、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２４８Ａは、大気環境にさらさずに減圧下で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、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２４８Ａ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、導電膜２４２Ａと絶縁膜２７１Ａとの界面および界面近傍、絶縁膜２７１Ａと導電膜２４８Ａとの界面および界面近傍を清浄に保つことができるので好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。連続成膜することで、半導体装置の作製工程時間の短縮が可能となり好ましい。
　次に、リソグラフィー法を用いて、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、酸化膜２４３Ａ、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２４８Ａを島状に加工して、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、導電層２４２Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２４８を形成する（図６Ａ乃至図６Ｄ参照。）。また、当該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。また、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、酸化膜２４３Ａ、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２４８Ａの加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。なお、当該工程において、絶縁体２２４の酸化物２３０ａと重ならない領域の膜厚が薄くなることがある。
　なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体、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、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことで、除去することができる。
　さらに、レジストマスクの下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、導電膜２４２Ａ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。導電膜２４２Ａなどのエッチングは、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。導電膜２４２Ａなど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。本実施の形態では、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２４８をハードマスクとして用いる。
　ここで、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２４８が導電層２４２Ｂを形成するマスクとして機能するので、図６Ｂ乃至図６Ｄに示すように、導電層２４２Ｂは側面と上面の間に湾曲面を有しない。これにより、図３Ｂおよび図３Ｄに示す導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、側面と上面が交わる端部が角状になる。導電体２４２の側面と上面が交わる端部が角状になることで、当該端部が曲面を有する場合に比べて、導電体２４２の断面積が大きくなる。これにより、導電体２４２の抵抗が低減されるので、トランジスタ２００のオン電流を大きくすることができる。
　また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、導電層２４２Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２４８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、酸化物層２４３Ｂ、導電層２４２Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２４８の側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、導電層２４２Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２４８の側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。または、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、導電層２４２Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２４８の側面と、絶縁体２２２の上面とのなす角が低い角度になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、導電層２４２Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２４８の側面と、絶縁体２２２の上面とのなす角は６０度以上７０度未満が好ましい。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２７２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。
　次に、導電層２４８を除去する。導電層２４８の除去は、ドライエッチング法を用いる（図７Ａ乃至図７Ｄ参照。）。
　次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂの上に、絶縁体２７２を形成する（図８Ａ乃至図８Ｄ参照。）。絶縁体２７２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２７２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。特に、絶縁体２７２は、バイアススパッタリング法で成膜することが好ましい。バイアススパッタリング法では、基板に印加するＲＦ電力の大きさによって、絶縁体２７２の下地となる絶縁体２２４へ注入する酸素量を制御することができる。たとえば、ＲＦ電力としては、０．３１Ｗ／ｃｍ２以上、好ましくは０．６２Ｗ／ｃｍ２以上、さらに好ましくは１．８６Ｗ／ｃｍ２以上のバイアスを基板に印加すればよい。つまり、絶縁体２７２の形成の際のＲＦ電力によって、トランジスタの特性に適する酸素量を変化させて注入することができる。また、トランジスタの信頼性向上に適する酸素量を注入することができる。また、ＲＦの周波数は、１０ＭＨｚ以上が好ましい。代表的には、１３．５６ＭＨｚである。ＲＦの周波数が高いほど基板へ与えるダメージを小さくすることができる。
　以上のように、絶縁体２７２は、下地となる膜へ酸素を注入する機能を有するが、絶縁体２７２自体は、酸素の透過を抑制する機能を有する。従って、のちの工程で絶縁体２７２上に絶縁体２８０を形成し、絶縁体２８０から酸素を拡散させたときに、絶縁体２８０から、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、および導電層２４２Ｂに、酸素が直接拡散するのを防ぐことができる。
　次に、絶縁体２２４、絶縁体２７２上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、当該絶縁膜として、スパッタリング法を用いて酸化シリコン膜を成膜し、その上にＰＥＡＬＤ法または熱ＡＬＤ法を用いて酸化シリコン膜を成膜すればよい。また、当該絶縁膜は、水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁体２８０の水素濃度を低減することができる。なお、当該絶縁膜の成膜前に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して当該絶縁膜を成膜してもよい。このような処理を行うことによって、絶縁体２２４、絶縁体２７２の表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４３Ｂ、および絶縁体２２４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。当該加熱処理には、上述した加熱処理条件を用いることができる。
　次に、上記絶縁膜にＣＭＰ処理を行い、上面が平坦な絶縁体２８０を形成する（図９Ａ乃至図９Ｄ参照。）。なお、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２８０上に、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウムを絶縁体２８０に達するまで、ＣＭＰを行ってもよい。
　ここで、マイクロ波処理を行ってもよい。マイクロ波処理は、酸素を含む雰囲気下、および減圧下にて行うことが好ましい。マイクロ波処理を行うことにより、マイクロ波による電界が絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａなどに与えられ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａ中のＶＯＨを酸素欠損（ＶＯ）と水素（Ｈ）に分断することができる。この時分断された水素の一部は、絶縁体２８０が有する酸素と結合して、水分子として除去される場合がある。また、水素の一部は、絶縁体２７２、および絶縁層２７１Ｂを介して、導電層２４２Ｂにゲッタリングされる場合がある。
　また、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行ってもよい。このような処理を行うことで、絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａ中の水素を効率よく除去することができる。なお、加熱処理温度は、３００℃以上、５００℃以下とすることが好ましい。
　また、マイクロ波処理を行うことにより、絶縁体２８０の膜質を改質することで、水素、水、不純物などの拡散を抑制することができる。したがって、絶縁体２８０形成以降の後工程、または熱処理などにより、絶縁体２８０を介して、水素、水、不純物などが、酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる。
　次に、絶縁体２８０の一部、絶縁体２７２の一部、絶縁層２７１Ｂの一部、導電層２４２Ｂの一部、酸化物層２４３Ｂの一部、酸化物２３０ｂの一部を加工して、酸化物２３０ｂに達する開口を形成する。当該開口は、導電体２０５と重なるように形成することが好ましい。当該開口の形成によって、絶縁体２７１ａ、絶縁体２７１ｂ、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、酸化物２４３ａ、および酸化物２４３ｂを形成する（図１０Ａ乃至図１０Ｄ参照。）。
　上記開口を形成する際に、酸化物２３０ｂの上部が除去される。酸化物２３０ｂの一部が除去されることで、酸化物２３０ｂに溝部が形成される。当該溝部の深さによっては、当該溝部を、上記開口の形成工程で形成してもよいし、上記開口の形成工程と異なる工程で形成してもよい。
　また、絶縁体２８０の一部、絶縁体２７２の一部、絶縁層２７１Ｂの一部、導電層２４２Ｂの一部、酸化物層２４３Ｂの一部、および酸化物２３０ｂの一部の加工は、ドライエッチング法、または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、当該加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。例えば、絶縁体２８０の一部をドライエッチング法で加工し、絶縁体２７２の一部、絶縁層２７１Ｂの一部をウェットエッチング法で加工し、酸化物層２４３Ｂの一部、導電層２４２Ｂの一部、および酸化物２３０ｂの一部をドライエッチング法で加工してもよい。また、酸化物層２４３Ｂの一部および導電層２４２Ｂの一部の加工と、酸化物２３０ｂの一部の加工とは、異なる条件で行ってもよい。
　ここで、ドライエッチング法を用いて、酸化物２３０ｂの一部を除去して、溝部を形成する際に、バイアス電力を強くして処理することが好ましい。例えば、バイアス電力の電力密度を、０．０２Ｗ／ｃｍ２以上にすればよく、０．０３Ｗ／ｃｍ２以上にするのが好ましく、０．０６Ｗ／ｃｍ２以上にするのがより好ましい。また、ドライエッチング処理時間は、溝部の深さに合わせて適宜設定すればよい。
　ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂなどの表面に付着または内部に拡散した不純物を除去することが好ましい。また、上記ドライエッチングで酸化物２３０ｂ表面に形成される、損傷領域を除去することが好ましい。当該不純物としては、絶縁体２８０、絶縁体２７２の一部、絶縁層２７１Ｂの一部および導電層２４２Ｂに含まれる成分、上記開口を形成する際に用いられる装置に使われている部材に含まれる成分、エッチングに使用するガスまたは液体に含まれる成分などに起因したものが挙げられる。当該不純物としては、例えば、アルミニウム、シリコン、タンタル、フッ素、塩素などがある。
　特に、アルミニウム、またはシリコンなどの不純物は、酸化物２３０ｂ、またはのちの工程で形成する酸化物２３０ｃのＣＡＡＣ−ＯＳ化を阻害する。よって、アルミニウム、またはシリコンなどの、ＣＡＡＣ−ＯＳ化を阻害する不純物元素が、低減または除去されていることが好ましい。例えば、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの界面、およびその近傍における、アルミニウム原子の濃度が、５．０原子％以下とすればよく、２．０原子％以下が好ましく、１．５原子％以下がより好ましく、１．０原子％以下がさらに好ましく、０．３原子％未満がさらに好ましい。
　なお、アルミニウム、またはシリコンなどの不純物によりＣＡＡＣ−ＯＳ化が阻害され、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）となった金属酸化物の領域を、非ＣＡＡＣ領域と呼ぶ場合がある。非ＣＡＡＣ領域では、結晶構造の緻密さが低下しているため、ＶＯＨが多量に形成され、トランジスタがノーマリーオン化しやすくなる。よって、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの非ＣＡＡＣ化領域は、低減または除去されていることが好ましい。
　これに対して、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃは、ＣＡＡＣ構造を有していることが好ましい。特に、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃのドレイン下端部までＣＡＡＣ構造を有していることが好ましい。ここで、トランジスタ２００において、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂ、およびその近傍がドレインとして機能する。つまり、導電体２４２ａ（導電体２４２ｂ）の下端部近傍の、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃのいずれか一方または双方が、ＣＡＡＣ構造を有することが好ましい。このように、ドレイン耐圧に顕著に影響するドレイン端部においても、酸化物２３０ｂの損傷領域が除去され、ＣＡＡＣ構造を有することで、トランジスタ２００の電気特性の変動をさらに抑制することができる。また、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
　上記の不純物などを除去するために、洗浄処理を行う。洗浄方法としては、洗浄液などを用いたウェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。なお、当該洗浄処理によって、上記溝部が深くなる場合がある。
　ウェット洗浄としては、アンモニア水、シュウ酸、リン酸、フッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液、純水、炭酸水などを用いて洗浄処理を行ってもよい。または、これらの水溶液、純水、または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。または、これらの洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
　なお、本明細書等では、フッ化水素酸に純水を加えて希釈した水溶液を希釈フッ化水素酸と呼び、アンモニア水に純水を加えて希釈した水溶液を希釈アンモニア水と呼ぶ場合がある。また、当該水溶液の濃度、温度などは、除去したい不純物、洗浄される半導体装置の構成などによって、適宜調整すればよい。希釈アンモニア水のアンモニア濃度は０．０１％以上５％以下、好ましくは０．１％以上０．５％以下とすればよい。また、希釈フッ化水素酸のフッ化水素濃度は０．０１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下とすればよい。
　なお、超音波洗浄には、２００ｋＨｚ以上、好ましくは９００ｋＨｚ以上の周波数を用いることが好ましい。当該周波数を用いることで、酸化物２３０ｂなどへのダメージを低減することができる。
　また、上記洗浄処理を複数回行ってもよく、洗浄処理毎に洗浄液を変更してもよい。例えば、第１の洗浄処理として希釈フッ化水素酸、または希釈アンモニア水を用いた処理を行い、第２の洗浄処理として純水、または炭酸水を用いた処理を行ってもよい。
　上記洗浄処理として、本実施の形態では、希釈フッ化水素酸を用いてウェット洗浄を行い、続いて純水、または炭酸水を用いてウェット洗浄を行う。当該洗浄処理を行うことで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂなどの表面に付着または内部に拡散した不純物を除去することができる。さらに、酸化物２３０ｂ上に形成される酸化物２３０ｃの結晶性を高めることができる。
　これまでのドライエッチングなどの加工、または上記洗浄処理によって、上記開口と重なり、かつ酸化物２３０ｂおよび絶縁体２７２と重ならない領域の、絶縁体２２４の膜厚が、酸化物２３０ｂと重なる領域の、絶縁体２２４の膜厚より薄くなる場合がある。
　上記エッチング後、または上記洗浄後に加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、１００℃以上４５０℃以下、好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに酸素を供給して、酸素欠損ＶＯの低減を図ることができる。また、このような熱処理を行うことで、酸化物２３０ｂの結晶性を向上させ、酸化物２３０ｂの溝部に形成される酸化物２３０ｃの結晶性も向上させることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、酸素雰囲気で加熱処理した後に、大気に露出せずに連続して窒素雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
　次に、酸化膜２３０Ｃを成膜する（図１１Ａ乃至図１１Ｄ参照）。酸化膜２３０Ｃの成膜前に加熱処理を行ってもよく、当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して酸化膜２３０Ｃを成膜することが好ましい。また、当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気で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２３０ｂの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とする。
　酸化膜２３０Ｃの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２３０Ｃに求める特性に合わせて、酸化膜２３０Ａ、または酸化膜２３０Ｂと同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｃを成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の酸化物ターゲット、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：３［原子数比］の酸化物ターゲット、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１０：１：３［原子数比］の酸化物ターゲット、またはインジウム酸化物ターゲットを用いて成膜する。
　酸化膜２３０Ｃの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに供給される場合がある。または、酸化膜２３０Ｃの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２８０に供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ｃのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。また、このように酸素を多く含む雰囲気で酸化膜２３０Ｃを成膜することで、酸化膜２３０ＣをＣＡＡＣ−ＯＳ化しやすくなる。
　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２００℃以上にすることで、酸化膜２３０Ｃおよび酸化物２３０ｂ中の酸素欠損を低減することができる。基板を加熱しながら成膜することで、酸化膜２３０Ｃおよび酸化物２３０ｂの結晶性の向上を図ることができる。
　次に、酸化膜２３０Ｄを成膜する（図１１Ａ乃至図１１Ｄ参照）。酸化膜２３０Ｄの成膜は、酸化膜２３０Ｃの成膜から、大気に暴露することなく、連続して行うことが好ましい。
　酸化膜２３０Ｄの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２３０Ｄ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２３０Ｄを成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｄとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。
　酸化膜２３０Ｄ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膜２３０Ｃに供給される場合がある。または、酸化膜２３０Ｄの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２８０に供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ｄのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
　次に、ドライエッチング法を用いて、開口内の、絶縁体２８０の側面、絶縁体２７２の側面、および絶縁体２７１の側面の酸化膜２３０Ｃおよび酸化膜２３０Ｄを除去する。同時に絶縁体２８０上の酸化膜２３０Ｃおよび酸化膜２３０Ｄも除去する。また、開口底部の酸化膜２３０Ｃ、および酸化膜２３０Ｄを残存させることで、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄを形成する（図１２Ａ乃至図１２Ｄ参照）。
　上記のような加工は、ドライエッチング条件を適切に設定することで可能となる。例えば、ドライエッチング時の圧力を高めに設定すればよい。具体的には、ドライエッチング時の圧力は、好ましくは、６６．５Ｐａ以上、より好ましくは、１３３Ｐａ以上である。このような圧力では、エッチング種である反応性イオンのプラズマ中の平均自由行程が短いために反応性イオンの進行方向がランダムとなり、反応性イオンが開口の底部に到達しにくくなることがある。従って、開口の底部の酸化膜２３０Ｃおよび酸化膜２３０Ｄの除去を抑えることができるので残存することが可能となる。
　ここで、上述と異なる酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄの形成方法について以下に説明する。酸化膜２３０Ｃ、および酸化膜２３０Ｄをそれぞれイオン化スパッタリング法によって成膜する。イオン化スパッタリング法とは、スパッタリング粒子に高周波電力などを印加することで、スパッタリング粒子をイオン化して、成膜する方法である。イオン化スパッタリング法を用いれば、開口の底部および絶縁体２８０上に主に成膜されるので、開口の底部の膜厚を、開口の側面の膜厚より厚くすることができる。
　次に、上述のドライエッチング法を用いて、開口の底部の酸化膜２３０Ｃ、および酸化膜２３０Ｄを残存させて、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄを形成すればよい。このようにして作製した、トランジスタ２００を有する半導体装置を図４Ａ乃至図４Ｄに示す。
　次に絶縁膜２５０Ａを成膜する（図１３Ａ乃至図１３Ｄ参照）。絶縁膜２５０Ａの成膜前に加熱処理を行ってもよく、当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して絶縁膜２５０Ａを成膜してもよい。また、当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気で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２３０ｄの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。
　絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。また、絶縁膜２５０Ａは、水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁膜２５０Ａの水素濃度を低減することができる。絶縁膜２５０Ａは、後の工程で酸化物２３０ｄと接する絶縁体２５０となるので、このように水素濃度が低減されていることが好適である。
　絶縁体２５０を２層の積層構造とする場合、絶縁体２５０の下層は、加熱により酸素が放出される絶縁体を形成し、絶縁体２５０の上層は、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いて形成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２５０の下層に含まれる酸素が、後の工程で形成される導電体２６０へ拡散するのを抑制することができる。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の下層に含まれる酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。例えば、絶縁体２５０の下層は、上述した絶縁体２５０に用いることができる材料を用いて設け、絶縁体２５０の上層は、絶縁体２２２と同様の材料を用いて設けることができる。
　なお、絶縁体２５０の下層に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、絶縁体２５０の上層は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である絶縁性材料を用いてもよい。ゲート絶縁体を、絶縁体２５０の下層と絶縁体２５０の上層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。
　または、絶縁体２５０の下層となる絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を形成し、絶縁体２５０の上層は、加熱により酸素が放出される絶縁体を形成してもよい。このような構成とすることで、絶縁体２８０に含まれる酸素が、後の工程で形成する導電体２６０へ拡散するのを抑制することができる。また、絶縁体２５０の下層は、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような構成とすることで、絶縁体２８０に含まれる水、水素などの不純物が、酸化物２３０へ拡散するのを抑制することができる。
　酸素、水素、および水に対するバリア性を有する絶縁体としては、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、上述の絶縁体は、熱ＡＬＤ法によって、無機プリカーサを用いて成膜することが好ましい。本方法を用いることで、水素の低減された絶縁体を成膜することができる。
　ここで、絶縁膜２５０Ａを成膜後に、酸素を含む雰囲気下、および減圧下にて、マイクロ波処理を行ってもよい。マイクロ波処理を行うことにより、マイクロ波による電界が絶縁膜２５０Ａ、酸化膜２３０Ｄ、酸化膜２３０Ｃ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａなどに与えられ、酸化膜２３０Ｄ中、酸化膜２３０Ｃ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中のＶＯＨをＶＯと水素とに分断することができる。この時分断された水素の一部は、酸素と結合してＨ２Ｏとして、絶縁膜２５０Ａ、酸化膜２３０Ｄ、酸化膜２３０Ｃ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａから除去される場合がある。また、水素の一部は、導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）にゲッタリングされる場合がある。このように、マイクロ波処理を行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、酸化膜２３０Ｄ中、酸化膜２３０Ｃ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素濃度を低減することができる。また、酸化物２３０ａ中、酸化物２３０ｂ中、酸化膜２３０Ｃ中、および酸化膜２３０Ｄ中のＶＯＨをＶＯと水素とに分断した後に存在しうるＶＯに酸素が供給されることでＶＯを修復または補填することができる。
　また、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行ってもよい。このような処理を行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、酸化膜２３０Ｄ中、酸化膜２３０Ｃ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素を効率よく除去することができる。また、水素の一部は、導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）にゲッタリングされる場合がある。または、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行うステップを複数回繰り返して行ってもよい。加熱処理を繰り返し行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、酸化膜２３０Ｄ中、酸化膜２３０Ｃ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素をさらに効率よく除去することができる。なお、加熱処理温度は、３００℃以上５００℃以下とすることが好ましい。
　また、マイクロ波処理を行うことにより、絶縁膜２５０Ａの膜質を改質することで、水素、水、不純物等の拡散を抑制することができる。従って、導電体２６０となる導電膜の成膜などの後工程、または熱処理などの後処理により、絶縁体２５０を介して、水素、水、不純物等が、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａなどへ拡散することを抑制することができる。
　次に、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂを順に成膜する（図１４Ａ乃至図１４Ｄ参照。）。導電膜２６０Ａおよび導電膜２６０Ｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａを成膜し、大気解放せずに減圧下にて、連続してＣＶＤ法を用いて導電膜２６０Ｂを成膜する。
　次に、ＣＭＰ処理によって、酸化膜２３０Ｃ、酸化膜２３０Ｄ、縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、酸化物２３０ｃ、酸化物２３０ｄ、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１５Ａ乃至図１５Ｄ参照。）。これにより、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂに達する開口および酸化物２３０ｂの溝部の内壁（側面、および底面）を覆うように配置される。また、酸化物２３０ｄは、酸化物２３０ｃを介して、上記開口および上記溝部の内壁を覆うように配置される。また、絶縁体２５０は、酸化物２３０ｄを介して、上記開口および上記溝部の内壁を覆うように配置される。また、導電体２６０は、酸化物２３０ｃ、酸化物２３０ｄ、および絶縁体２５０を介して、上記開口および上記溝部を埋め込むように配置される。
　次に、上記の加熱処理と同様の条件で加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。該加熱処理によって、絶縁体２５０および絶縁体２８０中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。なお、上記加熱処理後、大気に曝すことなく連続して、絶縁体２８２の成膜を行ってもよい。
　次に、酸化物２３０ｄ上、酸化物２３０ｃ上、絶縁体２５０上、導電体２６０上、および絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成する（図１６Ａ乃至図１６Ｄ参照。）。絶縁体２８２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８２としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いて、酸素を含む雰囲気で絶縁体２８２の成膜を行うことで、成膜しながら、絶縁体２８０に酸素を添加することができる。これにより、絶縁体２８０に過剰酸素を含ませることができる。このとき、基板加熱を行いながら、絶縁体２８２を成膜することが好ましい。また、導電体２６０の上面に接して、絶縁体２８２を形成することで、この後の加熱処理において、絶縁体２８０が有する酸素が導電体２６０へ吸収されることを抑制することができるので好ましい。
　次に、絶縁体２８２の一部、絶縁体２８０の一部、絶縁体２７２の一部、絶縁体２２４の一部、絶縁体２２２の一部、絶縁体２１６の一部、および絶縁体２１４の一部を加工して、絶縁体２１２に達する開口を形成する（図１７Ａ乃至図１７Ｄ参照。）。該開口は、トランジスタ２００が囲まれるように形成される場合がある。または、該開口は、複数のトランジスタ２００が囲まれるように形成される場合がある。よって、該開口において、絶縁体２８２の側面の一部、絶縁体２８０の側面の一部、絶縁体２７２の側面の一部、絶縁体２２４の側面の一部、絶縁体２２２の側面の一部、絶縁体２１６の側面の一部、および絶縁体２１４の側面の一部が露出する。
　絶縁体２８２の一部、絶縁体２８０の一部、絶縁体２７２の一部、絶縁体２２４の一部、絶縁体２２２の一部、絶縁体２１６の一部、および絶縁体２１４の一部の加工は、ドライエッチング法、または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、当該加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。
　次に、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２２４、絶縁体２２２、絶縁体２１６、および絶縁体２１４を覆って、絶縁体２８３を形成する（図１８Ａ乃至図１８Ｄ参照。）。絶縁体２８３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、スパッタリング法を用いて、窒化シリコンを成膜する。図１８Ｂ乃至図１８Ｄに示すように、絶縁体２８３は、上記開口の底面において、絶縁体２１２と接する。つまり、トランジスタ２００は、上面及び側面が絶縁体２８３に、下面が絶縁体２１２に包み込まれることになる。このように、バリア性の高い絶縁体２８３および絶縁体２１２でトランジスタ２００を包み込むことで、外部から水分、および水素が侵入するのを防止することができる。
　次に絶縁体２８３上に、絶縁体２７４となる絶縁膜を成膜する。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。例えば、ＣＶＤ法を用いて酸化シリコンを成膜するとよい。また、絶縁体２７４となる絶縁膜は、上述の水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁体２７４となる絶縁膜の水素濃度を低減することができる。
　続いて、絶縁体２７４となる絶縁膜にＣＭＰ処理を行い、上面が平坦な絶縁体２７４を形成する（図１９Ａ乃至図１９Ｄ参照。）。
　次に、絶縁体２７１、絶縁体２７２、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３に、導電体２４２に達する開口を形成する（図２０Ａ乃至図２０Ｄ参照。）。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。なお、図２０Ａで当該開口の形状は、上面視において円形状にしているが、これに限られるものではない。例えば、当該開口が、上面視において、楕円などの略円形状、四角形などの多角形状、四角形等の多角形の角部を丸めた形状になっていてもよい。
　次に、絶縁体２４１となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして絶縁体２４１を形成する。（図２０Ａ乃至図２０Ｄ参照。）。絶縁体２４１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法を用いて、酸化アルミニウムを成膜することが好ましい。または、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜することが好ましい。窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好ましい。
　また、絶縁体２４１となる絶縁膜の異方性エッチングとしては、例えばドライエッチング法などを用いればよい。開口の側面に絶縁体２４１を設けることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。
　次に、導電体２４０となる導電膜を成膜する。導電体２４０となる導電膜は、水、水素など不純物の透過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。導電体２４０となる導電膜を積層構造とした場合、下層の膜として、たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどを用いることができる。また、上層の膜として、例えば、タングステン、モリブデン、銅などを用いることができる。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。
　特に、導電体２４０となる導電膜の下層の成膜は、イオン化スパッタリング法を用いることが好ましい。イオンスパッタリング法を用いて成膜することによって、開口の底部および側面に均一に成膜することができる。
　導電体２４０となる導電膜の下層を均一に成膜することで、導電体２４０となる導電膜の下層は、導電体２４０となる導電膜の上層のシード層として良好に機能するので好ましい。
　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２８３および絶縁体２７４の上面を露出する。その結果、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２０Ａ乃至図２０Ｄ参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８３の上面の一部および絶縁体２７４の上面の一部が除去される場合がある。
　次に、導電体２４６となる導電膜を成膜する。導電体２４６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、導電体２４６となる導電膜をリソグラフィー法によって加工し、導電体２４０ａの上面と接する導電体２４６ａ、および導電体２４０ｂの上面と接する導電体２４６ｂを形成する（図２１Ａ乃至図２１Ｄ参照。）。この時、図示しないが、導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂと、絶縁体２８３とが重ならない領域の絶縁体２８３の一部が除去されることがある。
　次に、導電体２４６上、および絶縁体２８３上に、絶縁体２８６を成膜する（図３Ａ乃至図３Ｄ参照。）。絶縁体２８６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、絶縁体２８６は、多層としてもよい。例えば、スパッタリング法を用いて、窒化シリコンを成膜し、当該窒化シリコン上に、ＣＶＤ法を用いて窒化シリコンを成膜してもよい。
　以上により、図３Ａ乃至図３Ｄ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５Ａ乃至図２１Ｄ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。なお、図１Ａ乃至図１Ｄに示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製する場合は、図１７Ａ乃至図１９Ｄに示す工程を行わずに半導体装置を作製すればよい。
＜半導体装置の応用例＞
　以下では、図２２Ａおよび図２２Ｂを用いて、先の＜半導体装置の構成例＞および先の＜半導体装置の変形例＞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の一例について説明する。なお、図２２Ａおよび図２２Ｂに示す半導体装置において、＜半導体装置の変形例＞に示した半導体装置（図３Ａ乃至図３Ｄ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＞および＜半導体装置の変形例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
　図２２Ａおよび図２２Ｂに、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを、絶縁体２８３と絶縁体２１２で、包括して封止した構成について示す。なお、図２２Ａおよび図２２Ｂにおいて、トランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎは、チャネル長方向に並んでいるように見えるが、これにかぎられるものではない。トランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎは、チャネル幅方向に並んでいてもよいし、マトリクス状に配置されていてもよい。また、設計に応じて、規則性を持たずに配置されていてもよい。
　図２２Ａに示すように、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎの外側において、絶縁体２８３と絶縁体２１２が接する部分（以下、封止部２６５と呼ぶ場合がある。）が形成されている。封止部２６５は、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを囲むように形成されている。このような構造にすることで、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを絶縁体２８３と絶縁体２１２で包み込むことができる。よって封止部２６５に囲まれたトランジスタ群が、基板上に複数設けられることになる。
　また、封止部２６５に重ねてダイシングライン（スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある）を設けてもよい。上記基板はダイシングラインにおいて分断されるので、封止部２６５に囲まれたトランジスタ群が１チップとして取り出されることになる。
　また、図２２Ａでは、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを一つの封止部２６５で囲む例について示したが、これに限られるものではない。図２２Ｂに示すように、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを複数の封止部で囲む構成にしてもよい。図２２Ｂでは、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを封止部２６５ａで囲み、さらに外側の封止部２６５ｂでも囲む構成にしている。
　このように、複数の封止部で複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを囲む構成にすることで、絶縁体２８３と絶縁体２１２が接する部分が増えるので、絶縁体２８３と絶縁体２１２の密着性をより向上させることができる。これにより、より確実に複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを封止することができる。
　この場合、封止部２６５ａまたは封止部２６５ｂに重ねてダイシングラインを設けてもよいし、封止部２６５ａと封止部２６５ｂの間にダイシングラインを設けてもよい。
　本発明の一態様により、トランジスタ特性のばらつきが少な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、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、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、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、低消費電力の半導体装置を提供することができる。
　以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態などに示す構成、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、半導体装置の一形態を、図２３乃至図２７を用いて説明する。
［記憶装置１］
　本発明の一態様に係る半導体装置（記憶装置）の一例を図２３に示す。本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００、トランジスタ３００、および容量素子１００を有する。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２３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２３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２３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２３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。ここで、絶縁体１３０は、上記実施の形態に示す絶縁体２８６として用いることができる絶縁体を用いることが好ましい。
　また、例えば、導電体２４０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２３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、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２３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。
　ここで、上記実施の形態に示す絶縁体２４１と同様に、プラグとして機能する導電体２１８の側面に接して絶縁体２１７が設けられる。絶縁体２１７は、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６に形成された開口の内壁に接して設けられている。つまり、絶縁体２１７は、導電体２１８と、絶縁体２１０絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６と、の間に設けられている。なお、導電体２０５は導電体２１８と並行して形成することができるので、導電体２０５の側面に接して絶縁体２１７が形成される場合もある。
　絶縁体２１７としては、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２１７は、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２１６、および絶縁体２２２に接して設けられるので、絶縁体２１０または絶縁体２１６などから水または水素などの不純物が、導電体２１８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。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好適である。また、絶縁体２１０または絶縁体２１６に含まれる酸素が導電体２１８に吸収されるのを防ぐことができる。
　絶縁体２１７は、絶縁体２４１と同様の方法で形成することができる。例えば、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜し、異方性エッチングを用いて導電体３５６に達する開口を形成すればよい。
　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２８０、絶縁体２１０、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有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、窒化酸化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂など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、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２１４、絶縁体２１２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、導電体２４０、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を設けることがある。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２３では、過剰酸素を有する絶縁体２２４および絶縁体２８０と、導電体２４０との間に、絶縁体２４１を設けるとよい。絶縁体２４１と、絶縁体２２２、絶縁体２８２、および絶縁体２８３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。
　つまり、絶縁体２４１を設けることで、絶縁体２２４および絶縁体２８０が有する過剰酸素が、導電体２４０に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体２４１を有することで、不純物である水素が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００へ拡散することを抑制することができる。
　なお、絶縁体２４１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、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いため好ましい。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などを用いることができる。
　また、上記実施の形態と同様に、トランジスタ２００は、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で封止されることが好ましい。このような構成とすることで、絶縁体２７４、絶縁体１５０などに含まれる水素が絶縁体２８０などに混入するのを低減することができる。
　ここで、絶縁体２８３、および絶縁体２８２には導電体２４０が、絶縁体２１４、絶縁体２１２、および絶縁体２１０には導電体２１８が貫通しているが、上記の通り、絶縁体２４１が導電体２４０に接して設けられ、絶縁体２１７が導電体２１８に接して設けられている。これにより、導電体２４０および導電体２１８を介して、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の内側に混入する水素を低減することができる。このようにして、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２４１、および絶縁体２１７でトランジスタ２００をより確実に封止し、絶縁体２７４等に含まれる水素などの不純物が外側から混入するのを低減することができる。
　また、絶縁体２１６、絶縁体２２４、絶縁体２８０、絶縁体２５０、および絶縁体２７４は、先の実施の形態に示すように、水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で形成されることが好ましい。これにより、絶縁体２１６、絶縁体２２４、絶縁体２８０、絶縁体２５０、および絶縁体２７４の水素濃度を低減することができる。
　このようにして、トランジスタ２００近傍のシリコン系絶縁膜の水素濃度を低減し、酸化物２３０の水素濃度を低減することができる。
＜ダイシングライン＞
　以下では、大面積基板を半導体素子ごとに分断することによって、複数の半導体装置をチップ状で取り出す場合に設けられるダイシングライン（スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある）について説明する。分断方法としては、例えば、まず、基板に半導体素子を分断するための溝（ダイシングライン）を形成した後、ダイシングラインにおいて切断し、複数の半導体装置に分断（分割）する場合がある。
　ここで、例えば、図２３に示すように、絶縁体２８３と、絶縁体２１２とが接する領域がダイシングラインと重なるように設計することが好ましい。つまり、複数のトランジスタ２００を有するメモリセルの外縁に設けられるダイシングラインとなる領域近傍において、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７２、絶縁体２２４、絶縁体２２２、絶縁体２１６、および絶縁体２１４に開口を設ける。
　つまり、上記絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７２、絶縁体２２４、絶縁体２２２、絶縁体２１６、および絶縁体２１４に設けた開口において、絶縁体２１２と、絶縁体２８３とが接する。絶縁体２１２、および絶縁体２８３を、同材料、および同方法で設けることで、密着性を高めることができる。例えば、窒化シリコンを用いることが好ましい。
　当該構造により、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で、トランジスタ２００を包み込むことができる。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の少なくとも一は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体素子が形成された回路領域ごとに、基板を分断することにより、複数のチップに加工しても、分断した基板の側面方向から、水素又は水などの不純物が混入し、トランジスタ２００に拡散することを防ぐことができる。
　また、当該構造により、絶縁体２８０、および絶縁体２２４の過剰酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２８０、および絶縁体２２４の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
　なお、図２３に示す記憶装置では、容量素子１００の形状をプレーナ型としたが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。たとえば、図２４に示すように、容量素子１００の形状をシリンダ型にしてもよい。なお、図２４に示す記憶装置は、絶縁体１５０より下の構成は、図２３に示す半導体装置と同様である。
　図２４に示す容量素子１００は、絶縁体１３０上の絶縁体１５０と、絶縁体１５０上の絶縁体１４２と、絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口の中に配置された導電体１１５と、導電体１１５および絶縁体１４２上の絶縁体１４５と、絶縁体１４５上の導電体１２５と、導電体１２５および絶縁体１４５上の絶縁体１５２と、を有する。ここで、絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口の中に導電体１１５、絶縁体１４５、および導電体１２５の少なくとも一部が配置される。
　導電体１１５は容量素子１００の下部電極として機能し、導電体１２５は容量素子１００の上部電極として機能し、絶縁体１４５は、容量素子１００の誘電体として機能する。容量素子１００は、絶縁体１５０および絶縁体１４２の開口において、底面だけでなく、側面においても上部電極と下部電極とが誘電体を挟んで対向する構成となっており、単位面積当たりの静電容量を大きくすることができる。よって、当該開口の深さを深くするほど、容量素子１００の静電容量を大きくすることができる。このように容量素子１００の単位面積当たりの静電容量を大きくすることにより、半導体装置の微細化または高集積化を推し進めることができる。
　絶縁体１５２は、絶縁体２８０に用いることができる絶縁体を用いればよい。また、絶縁体１４２は、絶縁体１５０の開口を形成するときのエッチングストッパとして機能することが好ましく、絶縁体２１４に用いることができる絶縁体を用いればよい。
　絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口を上面から見た形状は、四角形としてもよいし、四角形以外の多角形状としてもよいし、多角形状において角部を湾曲させた形状としてもよいし、楕円を含む円形状としてもよい。ここで、上面視において、当該開口とトランジスタ２００の重なる面積が多い方が好ましい。このような構成にすることにより、容量素子１００とトランジスタ２００を有する半導体装置の占有面積を低減することができる。
　導電体１１５は、絶縁体１４２、および絶縁体１５０に形成された開口に接して配置される。導電体１１５の上面は、絶縁体１４２の上面と略一致することが好ましい。また、導電体１１５の下面は、絶縁体１３０の開口を介して導電体１１０に接する。導電体１１５は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することが好ましく、例えば、導電体２０５に用いることができる導電体を用いればよい。
　絶縁体１４５は、導電体１１５および絶縁体１４２を覆うように配置される。例えば、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて絶縁体１４５を成膜することが好ましい。絶縁体１４５は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。例えば、絶縁体１４５として、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムの順番で積層された絶縁膜を用いることができる。
　また、絶縁体１４５には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料、または高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いることが好ましい。または、絶縁耐力が大きい材料と高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料の積層構造を用いてもよい。
　なお、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料（高い比誘電率の材料）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、シリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。このようなｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、絶縁体１４５を厚くしても容量素子１００の静電容量を十分確保することができる。絶縁体１４５を厚くすることにより、導電体１１５と導電体１２５の間に生じるリーク電流を抑制することができる。
　一方、絶縁耐力が大きい材料としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、樹脂などがある。例えば、ＡＬＤ法を用いて成膜した窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、ＰＥＡＬＤ法を用いて成膜した酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、ＡＬＤ法を用いて成膜した窒化シリコン（ＳｉＮｘ）の順番で積層された絶縁膜を用いることができる。このような、絶縁耐力が大きい絶縁体を用いることで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
　導電体１２５は、絶縁体１４２および絶縁体１５０に形成された開口を埋めるように配置される。また、導電体１２５は、導電体１４０、および導電体１５３を介して配線１００５と電気的に接続している。導電体１２５は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することが好ましく、例えば、導電体２０５に用いることができる導電体を用いればよい。
　また、導電体１５３は、絶縁体１５４上に設けられており、絶縁体１５６に覆われている。導電体１５３は、導電体１１２に用いることができる導電体を用いればよく、絶縁体１５６は、絶縁体１５２に用いることができる絶縁体を用いればよい。ここで、導電体１５３は導電体１４０の上面に接しており、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００の端子として機能する。
［記憶装置２］
　本発明の一態様に係る半導体装置（記憶装置）の一例を図２５に示す。
＜メモリデバイスの構成例＞
　図２５は、メモリデバイスを有する半導体装置２９０の断面図である。図２５に示す半導体装置２９０は、図１Ａ乃至図１Ｄに示すトランジスタ２００に加えて、容量デバイス２９２を有する。図２５は、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図に相当する。
　容量デバイス２９２は、導電体２４２ｂと、導電体２４２ｂ上に設けられた絶縁体２７１ｂと、絶縁体２７１ｂの上面、絶縁体２７１ｂの側面、および導電体２４２ｂの側面に接して設けられた絶縁体２７２と、絶縁体２７２を覆って設けられた導電体２９４と、を有する。すなわち、容量デバイス２９２は、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）容量を構成している。なお、容量デバイス２９２が有する一対の電極の一方、すなわち導電体２４２ｂは、トランジスタのソース電極を兼ねることができる。また、容量デバイス２９２が有する誘電体層は、トランジスタに設けられる保護層、すなわち絶縁体２７１、および絶縁体２７２を兼ねることができる。したがって、容量デバイス２９２の作製工程において、トランジスタの作製工程の一部を兼用することができるため、生産性の高い半導体装置とすることができる。また、容量デバイス２９２が有する一対の電極の一方、すなわち導電体２４２ｂは、トランジスタのソース電極と兼ねているため、トランジスタと、容量デバイスとが配置される面積を低減させることが可能となる。
　なお、導電体２９４としては、例えば、導電体２４２に用いることのできる材料を用いればよい。
＜メモリデバイスの変形例＞
　以下では、図２６Ａ、図２６Ｂ、図２７、および図２８を用いて、先の＜メモリデバイスの構成例＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、および容量デバイス２９２を有する半導体装置の一例について説明する。なお図２６Ａ、図２６Ｂ、図２７、および図２８に示す半導体装置において、先の実施の形態および＜メモリデバイスの構成例＞に示した半導体装置（図２５参照。）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、および容量デバイス２９２の構成材料については、先の実施の形態および＜メモリデバイスの構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
＜＜メモリデバイスの変形例１＞＞
　以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置６００の一例について図２６Ａを用いて説明する。
　図２６Ａは、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置６００のチャネル長方向の断面図である。導電体２４２ｂと、導電体２４２ｂ上に設けられた絶縁体２７１ｂと、絶縁体２７１ｂの上面、絶縁体２７１ｂの側面、および導電体２４２ｂの側面に接して設けられた絶縁体２７２と、絶縁体２７２を覆って設けられた導電体２９４と、を有する。
ここで、容量デバイス２９２ａは、導電体２４２ａと、導電体２４２ａ上に設けられた絶縁体２７１ａと、絶縁体２７１ａの上面、絶縁体２７１ａの側面、および導電体２４２ａの側面に接して設けられた絶縁体２７２と、絶縁体２７２を覆って設けられた導電体２９４ａと、を有する。また、容量デバイス２９２ｂは、導電体２４２ｂと、導電体２４２ｂ上に設けられた絶縁体２７１ｂと、絶縁体２７１ｂの上面、絶縁体２７１ｂの側面、および導電体２４２ｂの側面に接して設けられた絶縁体２７２と、絶縁体２７２を覆って設けられた導電体２９４ｂと、を有する。
　半導体装置６００は、図２６Ａに示すように、Ａ３−Ａ４の一点鎖線を対称軸とした線対称の構成となっている。トランジスタ２００ａのソース電極またはドレイン電極の一方と、トランジスタ２００ｂのソース電極またはドレイン電極の一方は、導電体２４２ｃが兼ねる構成となっている。なお、導電体２４２ｃ上には絶縁体２７１ｃが設けられる。また、配線として機能する導電体２４６と、トランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂとの接続もプラグとして機能する導電体２４０が、兼ねる構成となっている。このように、２つのトランジスタと、２つの容量デバイスと、配線とプラグとの接続を上述の構成とすることで、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。
　トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂのそれぞれの構成および効果については、図１Ａ乃至図１Ｄ、および図２５に示す半導体装置の構成例を参酌することができる。
＜＜メモリデバイスの変形例２＞＞
　上記においては、半導体装置の構成例としてトランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂを挙げたが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図２６Ｂに示すように半導体装置６００と、半導体装置６００と同様の構成を有する半導体装置が容量部を介して接続されている構成としてもよい。本明細書では、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置をセルと称する。トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂの構成については、上述のトランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂに係る記載を参酌することができる。
　図２６Ｂは、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置６００と、半導体装置６００と同様の構成を有するセルが容量部を介して接続されている断面図である。
　図２６Ｂに示すように、半導体装置６００が有する容量デバイス２９２ｂの一方の電極として機能する導電体２９４ｂは、半導体装置６００と同様の構成を有する半導体装置６０１が有する容量デバイスの一方の電極を兼ねる構成となっている。また、図示しないが、半導体装置６００が有する容量デバイス２９２ａの一方の電極として機能する導電体２９４ａが、半導体装置６００の左側、つまり図２６Ｂにおいて、Ａ１方向に隣接する半導体装置の容量デバイスの一方の電極を兼ねている。また、半導体装置６０１の右側、つまり、図２６Ｂにおいて、Ａ２方向のセルについても同様の構成となっている。つまりセルアレイ（メモリデバイス層ともいう。）を構成することができる。この様なセルアレイの構成とすることで、隣り合うセルの間隔を小さくすることができるので、セルアレイの投影面積を小さくすることができ、高集積化が可能となる。また、図２６Ｂに示すセルアレイの構成を、マトリクス状に配置することで、マトリクス状のセルアレイを構成することができる。
　上述のように、本実施の形態に示す構成で、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂを形成することにより、セルの面積を低減し、セルアレイを有する半導体装置の微細化または高集積化を図ることができる。
　また、上記セルアレイを平面のみでなく積層する構成としてもよい。図２７にセルアレイ６１０をｎ層積層する構成の断面図を示す。図２７に示すように、複数のセルアレイ（セルアレイ６１０＿１乃至セルアレイ６１０＿ｎ）を積層することにより、セルアレイの占有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、３Ｄセルアレイを構成することができる。
＜＜メモリデバイスの変形例３＞＞
　図２８は、メモリユニット４７０がトランジスタ２００Ｔを有するトランジスタ層４１３と、４層のメモリデバイス層４１５（メモリデバイス層４１５＿１乃至メモリデバイス層４１５＿４）を有する例を示す。
　メモリデバイス層４１５＿１乃至メモリデバイス層４１５＿４は、それぞれ複数のメモリデバイス４２０を有する。
　メモリデバイス４２０は、導電体４２４、および導電体２０５を介して異なるメモリデバイス層４１５が有するメモリデバイス４２０、およびトランジスタ層４１３が有するトランジスタ２００Ｔと電気的に接続する。
　メモリユニット４７０は、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３により封止される（便宜的に、以下では封止構造と呼ぶ）。絶縁体２８３の周囲には絶縁体２７４が設けられる。また、絶縁体２７４、絶縁体２８３、および絶縁体２１２には導電体４４０が設けられ、素子層４１１と電気的に接続する。
　また、封止構造の内部には、絶縁体２８０が設けられる。絶縁体２８０は、加熱により酸素を放出する機能を有する。または、絶縁体２８０は、過剰酸素領域を有する。
　なお、絶縁体２１２、および絶縁体２８３は、水素に対するブロッキング性が高い材料であると好適である。また、絶縁体２１４、および絶縁体２８２は、水素を捕獲、または水素を固着する機能を有する材料であると好適である。
　例えば、上記水素に対するブロッキング性が高い材料は、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンなどが挙げられる。また、上記水素を捕獲、または水素を固着する機能を有する材料は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、並びに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）などが挙げられる。
　なお、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３に用いる材料の結晶構造については、特に限定は無いが、非晶質または結晶性を有する構造とすればよい。例えば、水素を捕獲、または水素を固着する機能を有する材料として、非晶質の酸化アルミニウム膜を用いると好適である。非晶質の酸化アルミニウムは、結晶性の高い酸化アルミニウムよりも、水素の捕獲、および固着する量が大きい場合がある。
　ここで、絶縁体２８０中の過剰酸素は、絶縁体２８０と接する酸化物半導体中の水素の拡散に対し、下記のようなモデルが考えられる。
　酸化物半導体中に存在する水素は、酸化物半導体に接する絶縁体２８０を介して、他の構造体へと拡散する。当該水素の拡散は、絶縁体２８０中の過剰酸素が酸化物半導体中の水素と反応しＯＨ結合となり、絶縁体２８０中を拡散する。ＯＨ結合を有した水素原子は、水素を捕獲、または水素を固着する機能を有する材料（代表的には、絶縁体２８２）に到達した際に、水素原子は絶縁体２８２中の原子（例えば、金属原子など）と結合した酸素原子と反応し、絶縁体２８２中に捕獲、または固着する。一方、ＯＨ結合を有していた過剰酸素の酸素原子は、過剰酸素として絶縁体２８０中に残ると推測される。つまり、当該水素の拡散において、絶縁体２８０中の過剰酸素が、橋渡し的な役割を担う蓋然性が高い。
　上記のモデルを満たすためには、半導体装置の作製プロセスが重要な要素の一つとなる。
　一例として、酸化物半導体に、過剰酸素を有する絶縁体２８０を形成し、その後、絶縁体２８２を形成する。そのあとに、加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理は、具体的には、酸素を含む雰囲気、窒素を含む雰囲気、または酸素と窒素の混合雰囲気にて、３５０℃以上、好ましくは４００℃以上の温度で行う。加熱処理の時間は、１時間以上、好ましくは４時間以上、さらに好ましくは８時間以上とする。
　上記の加熱処理によって、酸化物半導体中の水素が、絶縁体２８０、および絶縁体２８２を介して、外方に拡散することができる。つまり、酸化物半導体、及び当該酸化物半導体近傍に存在する水素の絶対量を低減することができる。
　上記加熱処理のあと、絶縁体２８３を形成する。絶縁体２８３は、水素に対するブロッキング性が高い機能を有する材料であるため、外方に拡散させた水素、または外部に存在する水素を、内部、具体的には、酸化物半導体、または絶縁体２８０側に入り込むのを抑制することができる。
　なお、上記の加熱処理については、絶縁体２８２を形成したあとに行う構成について、例示したが、これに限定されない。例えば、トランジスタ層４１３の形成後、またはメモリデバイス層４１５＿１乃至メモリデバイス層４１５＿３の形成後に、それぞれ上記加熱処理を行っても良い。また、上記加熱処理によって、水素を外方に拡散させる際には、トランジスタ層４１３の上方または横方向に水素が拡散される。同様に、メモリデバイス層４１５＿１乃至メモリデバイス層４１５＿３形成後に加熱処理をする場合においては、水素は上方または横方向に拡散される。
　なお、上記の作製プロセスとすることで、絶縁体２１２と、絶縁体２８３と、が接着することで、上述した封止構造が形成される。
　以上のように、上記の構造、及び上記の作製プロセスとすることで、水素濃度が低減された酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。従って、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。
　本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態などに示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
　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２９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、スパッタリング室をイオン化スパッタリング法を用いることができる構成としてもよい。また、バイアススパッタリング法を用いることができる構成としてもよい。
　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２９を用いて説明する。図２９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２９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ロック室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ロック室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、並列して異なる処理を行うことができる。従って、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２９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、１つの装置を用いて（本明細書ではｉｎ−ｓｉｔｕともいう）、７つの成膜処理を、大気解放せずに連続して行うことができる。
　一方、積層構造において、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２９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、ロードロック室４０２０ａおよびアンロードロック室４０２０ｂと接続される。搬送室４０２９は、ロードロック室４０２０ａ、アンロードロック室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、ロードロック室、アンロードロック室および移送室は、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２９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２９では、１室の搬送室が、１つの搬送ロボットを有し、かつ複数の処理室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、ターゲットと、ターゲットに接続されたバッキングプレートと、バッキングプレートを介して、ターゲットと対向して配置されたカソードと、防着板と、基板ステージなどを備えてもよい。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、成膜時に床面に対して概略垂直状態に保持され、基板受け渡し時には床面に対して概略水平状態に保持される。ここで、基板ステージを床面に対して概略垂直とすることで、成膜時に混入しうるゴミまたはパーティクルが基板に付着する確率を、水平状態に保持するよりも抑制することができる。ただし、基板ステージを床面に対して垂直（９０°）状態に保持すると、基板が落下する可能性があるため、基板ステージの床面に対する角度は、８０°以上９０°未満とすることが好ましい。
　なお、基板ステージの構成としては、上記構成に限定されない。例えば、基板ステージを床面に対して概略水平とする構成としてもよい。当該構成の場合、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ればよい。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。
　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、ターゲットに電圧（例えば、負電圧）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、ｉｎ−ｓｉｔｕで連続成膜した積層構造により作製することができる。
　トランジスタ２００の作製方法においては、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６を、装置４０００を用いて連続成膜する。また、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４３Ａを、装置４０００を用いて連続成膜する。また、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２４８Ａを、装置４０００を用いて連続成膜する。
　つまり、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６を、大気解放を行わず、連続して成膜することができる。また、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４３Ａを、大気解放を行わず、連続して成膜することができる。また、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２４８Ａを、大気解放を行わず、連続して成膜することができる。
　上記構成とすることで、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、上記積層膜の各界面は、大気に曝されないため、不純物濃度が低減される。
　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。
　ロードロック室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。ロードロック室４０２０ａは、減圧状態から大気まで圧力を上昇させ、ロードロック室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、ロードロック室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、ロードロック室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、アンロードロック室４０２０ｂは、ロードロック室４０２０ａと同様の構成とすればよい。
　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とロードロック室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。
　本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態などに示す構成、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４）
　本実施の形態では、図３０Ａ、図３０Ｂおよび図３１Ａ乃至図３１Ｈ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３０ＡにＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、およびコントロールロジック回路１４６０を有する。
　列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
　記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、データ信号ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。
　コントロールロジック回路１４６０は、外部から入力される制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。制御信号ＣＥは、チップイネーブル信号であり、制御信号ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、制御信号ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
　メモリセルアレイ１４７０は、行列状に配置された、複数個のメモリセルＭＣと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ１４７０と行回路１４２０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一列に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ１４７０と列回路１４３０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一行に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。
　なお、図３０Ａ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３０Ｂ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３１Ａ乃至図３１Ｈ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３１Ａ乃至図３１Ｃ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３１Ａに示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（トップゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
　トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
　配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
　ここで、図３１Ａに示すメモリセル１４７１は、図２５に示す記憶装置に対応している。つまり、トランジスタＭ１はトランジスタ２００に、容量素子ＣＡは容量デバイス２９２に対応している。
　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３１Ｂ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３１Ｃ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小さくすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に小さいため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
　また、ＤＯＳＲＡＭにおいて、上記のように、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
［ＮＯＳＲＡＭ］
　図３１Ｄ乃至図３１Ｇ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３１Ｄに示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、トップゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
　トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
　配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、データの読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
　ここで、図３１Ｄに示すメモリセル１４７４は、図２３に示す記憶装置に対応している。つまり、トランジスタＭ２はトランジスタ２００に、容量素子ＣＢは容量素子１００に、トランジスタＭ３はトランジスタ３００に、配線ＷＢＬは配線１００３に、配線ＷＯＬは配線１００４に、配線ＢＧＬは配線１００６に、配線ＣＡＬは配線１００５に、配線ＲＢＬは配線１００２に、配線ＳＬは配線１００１に対応している。
　また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７４に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、メモリセルＭＣは、図３１Ｅ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３１Ｆ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３１Ｇに示すメモリセル１４７７のように、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。
　上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ３としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＢとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に小さくすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に小さいため、メモリセル１４７４に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至メモリセル１４７７も同様である。
　なお、トランジスタＭ３は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタと呼ぶ場合がある）であってもよい。Ｓｉトランジスタの導電型は、ｎチャネル型としてもよいし、ｐチャネル型としてもよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタＭ３として、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタＭ３にＳｉトランジスタを用いることで、トランジスタＭ３の上に積層してトランジスタＭ２を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。
　また、トランジスタＭ３はＯＳトランジスタであってもよい。トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３にＯＳトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
　また、図３１Ｈ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３１Ｈに示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６、および容量素子ＣＣを有する。容量素子ＣＣは適宜設けられる。メモリセル１４７８は、配線ＢＩＬ、配線ＲＷＬ、配線ＷＷＬ、配線ＢＧＬ、および配線ＧＮＤＬに電気的に接続されている。配線ＧＮＤＬは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル１４７８を、配線ＢＩＬに代えて、配線ＲＢＬ、配線ＷＢＬに電気的に接続してもよい。
　トランジスタＭ４は、バックゲートを有するＯＳトランジスタであり、バックゲートは配線ＢＧＬに電気的に接続されている。なお、トランジスタＭ４のバックゲートとゲートとを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭ４はバックゲートを有さなくてもよい。
　なお、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６はそれぞれ、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはｐチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６がＯＳトランジスタでもよい、この場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
　上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７８に用いる場合、トランジスタＭ４としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＣとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４のリーク電流を非常に小さくすることができる。
　なお、本実施の形態に示す、周辺回路１４１１、メモリセルアレイ１４７０等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。
　一般に、コンピュータなどの半導体装置では、用途に応じて様々な記憶装置（メモリ）が用いられる。図３２に、各種の記憶装置を階層ごとに示す。上層に位置する記憶装置ほど速いアクセス速度が求められ、下層に位置する記憶装置ほど大きな記憶容量と高い記録密度が求められる。図３２では、最上層から順に、ＣＰＵなどの演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリ、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、３Ｄ　ＮＡＮＤメモリを示している。
　ＣＰＵなどの演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリは、演算結果の一時保存などに用いられるため、演算処理装置からのアクセス頻度が高い。よって、記憶容量よりも速い動作速度が求められる。また、レジスタは演算処理装置の設定情報などを保持する機能も有する。
　ＳＲＡＭは、例えばキャッシュに用いられる。キャッシュは、メインメモリに保持されている情報の一部を複製して保持する機能を有する。使用頻繁が高いデータをキャッシュに複製しておくことで、データへのアクセス速度を高めることができる。
　ＤＲＡＭは、例えばメインメモリに用いられる。メインメモリは、ストレージから読み出されたプログラムやデータを保持する機能を有する。ＤＲＡＭの記録密度は、おおよそ０．１乃至０．３Ｇｂｉｔ／ｍｍ２である。
　３Ｄ　ＮＡＮＤメモリは、例えばストレージに用いられる。ストレージは、長期保存が必要なデータや、演算処理装置で使用する各種のプログラムなどを保持する機能を有する。よって、ストレージには動作速度よりも大きな記憶容量と高い記録密度が求められる。ストレージに用いられる記憶装置の記録密度は、おおよそ０．６乃至６．０Ｇｂｉｔ／ｍｍ２である。
　本発明の一態様の記憶装置は、動作速度が速く、長期間のデータ保持が可能である。本発明の一態様の記憶装置は、キャッシュが位置する階層とメインメモリが位置する階層の双方を含む境界領域９０１に位置する記憶装置として好適に用いることができる。また、本発明の一態様の記憶装置は、メインメモリが位置する階層とストレージが位置する階層の双方を含む境界領域９０２に位置する記憶装置として好適に用いることができる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
　本実施の形態では、図３３Ａおよび図３３Ｂ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３３Ａに示すように、チップ１２００は、ＣＰＵ１２１１、ＧＰＵ１２１２、一または複数のアナログ演算部１２１３、一または複数のメモリコントローラ１２１４、一または複数のインターフェース１２１５、一または複数のネットワーク回路１２１６等を有する。
　チップ１２００には、バンプ（図示しない）が設けられ、図３３Ｂに示すように、プリント基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）１２０１の第１の面と接続する。また、ＰＣＢ１２０１の第１の面の裏面には、複数のバンプ１２０２が設けられており、マザーボード１２０３と接続する。
　マザーボード１２０３には、ＤＲＡＭ１２２１、フラッシュメモリ１２２２等の記憶装置が設けられていてもよい。例えば、ＤＲＡＭ１２２１に先の実施の形態に示すＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ１２２２に先の実施の形態に示すＮＯＳＲＡＭを用いることができる。
　ＣＰＵ１２１１は、複数のＣＰＵコアを有することが好ましい。また、ＧＰＵ１２１２は、複数のＧＰＵコアを有することが好ましい。また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２に共通のメモリが、チップ１２００に設けられていてもよい。該メモリには、前述したＮＯＳＲＡＭや、ＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、ＧＰＵ１２１２は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理や積和演算に用いることができる。ＧＰＵ１２１２に、本発明の酸化物半導体を用いた画像処理回路や、積和演算回路を設けることで、画像処理、および積和演算を低消費電力で実行することが可能になる。
　また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が同一チップに設けられていることで、ＣＰＵ１２１１およびＧＰＵ１２１２間の配線を短くすることができ、ＣＰＵ１２１１からＧＰＵ１２１２へのデータ転送、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が有するメモリ間のデータ転送、およびＧＰＵ１２１２での演算後に、ＧＰＵ１２１２からＣＰＵ１２１１への演算結果の転送を高速に行うことができる。
　アナログ演算部１２１３はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路の一、または両方を有する。また、アナログ演算部１２１３に上記積和演算回路を設けてもよい。
　メモリコントローラ１２１４は、ＤＲＡＭ１２２１のコントローラとして機能する回路、およびフラッシュメモリ１２２２のインターフェースとして機能する回路を有する。
　インターフェース１２１５は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コントローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとして、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などを用いることができる。
　ネットワーク回路１２１６は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワーク回路を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよい。
　チップ１２００には、上記回路（システム）を同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、チップ１２００に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増やす必要が無く、チップ１２００を低コストで作製することができる。
　ＧＰＵ１２１２を有するチップ１２００が設けられたＰＣＢ１２０１、ＤＲＡＭ１２２１、およびフラッシュメモリ１２２２が設けられたマザーボード１２０３は、ＧＰＵモジュール１２０４と呼ぶことができる。
　ＧＰＵモジュール１２０４は、ＳｏＣ技術を用いたチップ１２００を有しているため、そのサイズを小さくすることができる。また、画像処理に優れていることから、スマートフォン、タブレット端末、ラップトップＰＣ、携帯型（持ち出し可能な）ゲーム機などの携帯型電子機器に用いることが好適である。また、ＧＰＵ１２１２を用いた積和演算回路により、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの手法を実行することができるため、チップ１２００をＡＩチップ、またはＧＰＵモジュール１２０４をＡＩシステムモジュールとして用いることができる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
　本実施の形態は、上記実施の形態に示す記憶装置などが組み込まれた電子部品および電子機器の一例を示す。
＜電子部品＞
　まず、記憶装置７２０が組み込まれた電子部品の例を、図３４Ａおよび図３４Ｂを用いて説明を行う。
　図３４Ａに電子部品７００および電子部品７００が実装された基板（実装基板７０４）の斜視図を示す。図３４Ａに示す電子部品７００は、モールド７１１内に記憶装置７２０を有している。図３４Ａは、電子部品７００の内部を示すために、一部を省略している。電子部品７００は、モールド７１１の外側にランド７１２を有する。ランド７１２は電極パッド７１３と電気的に接続され、電極パッド７１３は記憶装置７２０とワイヤ７１４によって電気的に接続されている。電子部品７００は、例えばプリント基板７０２に実装される。このような電子部品が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７０２上で電気的に接続されることで実装基板７０４が完成する。
　記憶装置７２０は、駆動回路層７２１と、記憶回路層７２２と、を有する。
　図３４Ｂに電子部品７３０の斜視図を示す。電子部品７３０は、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｐａｃｋａｇｅ）またはＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ　Ｃｈｉｐ　Ｍｏｄｕｌｅ）の一例である。電子部品７３０は、パッケージ基板７３２（プリント基板）上にインターポーザ７３１が設けられ、インターポーザ７３１上に半導体装置７３５、および複数の記憶装置７２０が設けられている。
　電子部品７３０では、記憶装置７２０を広帯域メモリ（ＨＢＭ：Ｈｉｇｈ　Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　Ｍｅｍｏｒｙ）として用いる例を示している。また、半導体装置７３５は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＦＰＧＡなどの集積回路（半導体装置）を用いることができる。
　パッケージ基板７３２は、セラミック基板、プラスチック基板、ガラスエポキシ基板などを用いることができる。インターポーザ７３１は、シリコンインターポーザ、樹脂インターポーザなどを用いることができる。
　インターポーザ７３１は、複数の配線を有し、端子ピッチの異なる複数の集積回路を電気的に接続する機能を有する。複数の配線は、単層または多層で設けられる。また、インターポーザ７３１は、インターポーザ７３１上に設けられた集積回路をパッケージ基板７３２に設けられた電極と電気的に接続する機能を有する。これらのことから、インターポーザを「再配線基板」または「中間基板」と呼ぶ場合がある。また、インターポーザ７３１に貫通電極を設けて、当該貫通電極を用いて集積回路とパッケージ基板７３２を電気的に接続する場合もある。また、シリコンインターポーザでは、貫通電極として、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｖｉａ）を用いることも出来る。
　インターポーザ７３１としてシリコンインターポーザを用いることが好ましい。シリコンインターポーザでは能動素子を設ける必要が無いため、集積回路よりも低コストで作製することができる。一方で、シリコンインターポーザの配線形成は半導体プロセスで行なうことができるため、樹脂インターポーザでは難しい微細配線の形成が容易である。
　ＨＢＭでは、広いメモリバンド幅を実現するために多くの配線を接続する必要がある。このため、ＨＢＭを実装するインターポーザには、微細かつ高密度の配線形成が求められる。よって、ＨＢＭを実装するインターポーザには、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。
　また、シリコンインターポーザを用いたＳｉＰやＭＣＭなどでは、集積回路とインターポーザ間の膨張係数の違いによる信頼性の低下が生じにくい。また、シリコンインターポーザは表面の平坦性が高いため、シリコンインターポーザ上に設ける集積回路とシリコンインターポーザ間の接続不良が生じにくい。特に、インターポーザ上に複数の集積回路を横に並べて配置する２．５Ｄパッケージ（２．５次元実装）では、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。
　また、電子部品７３０と重ねてヒートシンク（放熱板）を設けてもよい。ヒートシンクを設ける場合は、インターポーザ７３１上に設ける集積回路の高さを揃えることが好ましい。例えば、本実施の形態に示す電子部品７３０では、記憶装置７２０と半導体装置７３５の高さを揃えることが好ましい。
　電子部品７３０を他の基板に実装するため、パッケージ基板７３２の底部に電極７３３を設けてもよい。図３４Ｂでは、電極７３３を半田ボールで形成する例を示している。パッケージ基板７３２の底部に半田ボールをマトリクス状に設けることで、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）実装を実現できる。また、電極７３３を導電性のピンで形成してもよい。パッケージ基板７３２の底部に導電性のピンをマトリクス状に設けることで、ＰＧＡ（Ｐｉｎ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）実装を実現できる。
　電子部品７３０は、ＢＧＡおよびＰＧＡに限らず様々な実装方法を用いて他の基板に実装することができる。例えば、ＳＰＧＡ（Ｓｔａｇｇｅｒｅｄ　Ｐｉｎ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｐａｃｋａｇｅ）、ＱＦＪ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｊ−ｌｅａｄｅｄ　ｐａｃｋａｇｅ）、またはＱＦＮ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｎｏｎ−ｌｅａｄｅｄ　ｐａｃｋａｇｅ）などの実装方法を用いることができる。
　本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態７）
　本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータ、ノート型のコンピュータ、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図３５Ａ乃至図３５Ｅ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３５ＡはＵＳＢメモリの模式図である。ＵＳＢメモリ１１００は、筐体１１０１、キャップ１１０２、ＵＳＢコネクタ１１０３および基板１１０４を有する。基板１１０４は、筐体１１０１に収納されている。例えば、基板１１０４には、メモリチップ１１０５、コントローラチップ１１０６が取り付けられている。メモリチップ１１０５などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
　図３５ＢはＳＤカードの外観の模式図であり、図３５Ｃは、ＳＤカードの内部構造の模式図である。ＳＤカード１１１０は、筐体１１１１、コネクタ１１１２および基板１１１３を有する。基板１１１３は筐体１１１１に収納されている。例えば、基板１１１３には、メモリチップ１１１４、コントローラチップ１１１５が取り付けられている。基板１１１３の裏面側にもメモリチップ１１１４を設けることで、ＳＤカード１１１０の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板１１１３に設けてもよい。これによって、ホスト装置とＳＤカード１１１０間の無線通信によって、メモリチップ１１１４のデータの読み出し、書き込みが可能となる。メモリチップ１１１４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
　図３５ＤはＳＳＤの外観の模式図であり、図３５Ｅは、ＳＳＤの内部構造の模式図である。ＳＳＤ１１５０は、筐体１１５１、コネクタ１１５２および基板１１５３を有する。基板１１５３は筐体１１５１に収納されている。例えば、基板１１５３には、メモリチップ１１５４、メモリチップ１１５５、コントローラチップ１１５６が取り付けられている。メモリチップ１１５５はコントローラチップ１１５６のワークメモリであり、例えばＤＯＳＲＡＭチップを用いればよい。基板１１５３の裏面側にもメモリチップ１１５４を設けることで、ＳＳＤ１１５０の容量を増やすことができる。メモリチップ１１５４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
　本実施の形態は、他の実施の形態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８）
　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３６Ａ乃至図３６Ｈに、本発明の一態様に係るＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。
＜電子機器・システム＞
　本発明の一態様に係るＧＰＵまたはチップは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型またはノート型の情報端末用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機、などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、電子ブックリーダー、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係るＧＰＵまたはチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
　本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
　本発明の一態様の電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。
　本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図３６Ａ乃至図３６Ｈに、電子機器の例を示す。
［情報端末］
　図３６Ａには、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）が図示されている。情報端末５１００は、筐体５１０１と、表示部５１０２と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５１０２に備えられ、ボタンが筐体５１０１に備えられている。
　情報端末５１００は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部５１０２に表示するアプリケーション、表示部５１０２に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部５１０２に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。
　図３６Ｂには、ノート型情報端末５２００が図示されている。ノート型情報端末５２００は、情報端末の本体５２０１と、表示部５２０２と、キーボード５２０３と、を有する。
　ノート型情報端末５２００は、先述した情報端末５１００と同様に、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、ノート型情報端末５２００を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。
　なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、およびノート型情報端末を例として、それぞれ図３６Ａ、図３６Ｂに図示したが、スマートフォン、およびノート型情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、およびノート型情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、デスクトップ型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
［ゲーム機］
　図３６Ｃは、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５３００を示している。携帯ゲーム機５３００は、筐体５３０１、筐体５３０２、筐体５３０３、表示部５３０４、接続部５３０５、操作キー５３０６等を有する。筐体５３０２、および筐体５３０３は、筐体５３０１から取り外すことが可能である。筐体５３０１に設けられている接続部５３０５を別の筐体（図示せず）に取り付けることで、表示部５３０４に出力される映像を、別の映像機器（図示せず）に出力することができる。このとき、筐体５３０２、および筐体５３０３は、それぞれ操作部として機能することができる。これにより、複数のプレイヤーが同時にゲームを行うことができる。筐体５３０１、筐体５３０２、および筐体５３０３の基板に設けられているチップなどに先の実施の形態に示すチップを組み込むことができる。
　また、図３６Ｄは、ゲーム機の一例である据え置き型ゲーム機５４００を示している。据え置き型ゲーム機５４００には、無線または有線でコントローラ５４０２が接続されている。
　携帯ゲーム機５３００、据え置き型ゲーム機５４００などのゲーム機に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のゲーム機を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。
　更に、携帯ゲーム機５３００に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機５３００を実現することができる。
　本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機５３００に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、時刻、ゲーム上に登場する人物の言動が変化するといった表現が可能となる。
　また、携帯ゲーム機５３００で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、１人でもゲームを行うことができる。
　図３６Ｃ、図３６Ｄでは、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機、および据え置き型ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用するゲーム機としては、例えば、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
［大型コンピュータ］
　本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、大型コンピュータに適用することができる。
　図３６Ｅは、大型コンピュータの一例である、スーパーコンピュータ５５００を示す図である。図３６Ｆは、スーパーコンピュータ５５００が有するラックマウント型の計算機５５０２を示す図である。
　スーパーコンピュータ５５００は、ラック５５０１と、複数のラックマウント型の計算機５５０２と、を有する。なお、複数の計算機５５０２は、ラック５５０１に格納されている。また、計算機５５０２には、複数の基板５５０４が設けられ、当該基板上に上記実施の形態で説明したＧＰＵまたはチップを搭載することができる。
　スーパーコンピュータ５５００は、主に科学技術計算に利用される大型コンピュータである。科学技術計算では、膨大な演算を高速に処理する必要があるため、消費電力が高く、チップの発熱が大きい。スーパーコンピュータ５５００に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のスーパーコンピュータを実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。
　図３６Ｅ、図３６Ｆでは、大型コンピュータの一例としてスーパーコンピュータを図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータはこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータとしては、例えば、サービスを提供するコンピュータ（サーバー）、大型汎用コンピュータ（メインフレーム）などが挙げられる。
［移動体］
　本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、移動体である自動車、および自動車の運転席周辺に適用することができる。
　図３６Ｇは、移動体の一例である自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図３６Ｇ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、その他様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。
　表示パネル５７０４には、自動車に設けられた撮像装置（図示しない。）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
　本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該チップを自動車の自動運転システムに用いることができる。また、当該チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０４には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。
　なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。
［電化製品］
　図３６Ｈは、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。
　電気冷凍冷蔵庫５８００に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫５８００は、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。
　電化製品の一例として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。
　本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
　本実施の形態は、他の実施の形態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。
Ｍ１　トランジスタ、Ｍ２　トランジスタ、Ｍ３　トランジスタ、Ｍ４　トランジスタ、Ｍ５　トランジスタ、Ｍ６　トランジスタ、１００　容量素子、１１０　導電体、１１２　導電体、１１５　導電体、１２０　導電体、１２５　導電体、１３０　絶縁体、１４０　導電体、１４２　絶縁体、１４５　絶縁体、１５０　絶縁体、１５２　絶縁体、１５３　導電体、１５４　絶縁体、１５６　絶縁体、２００　トランジスタ、２００＿ｎ　トランジスタ、２００＿１　トランジスタ、２００ａ　トランジスタ、２００ｂ　トランジスタ、２００Ｔ　トランジスタ、２０５　導電体、２０５ａ　導電体、２０５ｂ　導電体、２１０　絶縁体、２１２　絶縁体、２１４　絶縁体、２１６　絶縁体、２１７　絶縁体、２１８　導電体、２２２　絶縁体、２２４　絶縁体、２３０　酸化物、２３０ａ　酸化物、２３０Ａ　酸化膜、２３０ｂ　酸化物、２３０Ｂ　酸化膜、２３０ｃ　酸化物、２３０Ｃ　酸化膜、２３０ｄ　酸化物、２３０Ｄ　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　導電層、２４２ｃ　導電体、２４３　酸化物、２４３ａ　酸化物、２４３Ａ　酸化膜、２４３ｂ　酸化物、２４３Ｂ　酸化物層、２４６　導電体、２４６ａ　導電体、２４６ｂ　導電体、２４８　導電層、２４８Ａ　導電膜、２５０　絶縁体、２５０Ａ　絶縁膜、２６０　導電体、２６０ａ　導電体、２６０Ａ　導電膜、２６０ｂ　導電体、２６０Ｂ　導電膜、２６５　封止部、２６５ａ　封止部、２６５ｂ　封止部、２７１　絶縁体、２７１ａ　絶縁体、２７１Ａ　絶縁膜、２７１ｂ　絶縁体、２７１Ｂ　絶縁層、２７１ｃ　絶縁体、２７２　絶縁体、２７４　絶縁体、２８０　絶縁体、２８２　絶縁体、２８３　絶縁体、２８６　絶縁体、２９０　半導体装置、２９２　容量デバイス、２９２ａ　容量デバイス、２９２ｂ　容量デバイス、２９４　導電体、２９４ａ　導電体、２９４ｂ　導電体、３００　トランジスタ、３１１　基板、３１３　半導体領域、３１４ａ　低抵抗領域、３１４ｂ　低抵抗領域、３１５　絶縁体、３１６　導電体、３２０　絶縁体、３２２　絶縁体、３２４　絶縁体、３２６　絶縁体、３２８　導電体、３３０　導電体、３５０　絶縁体、３５２　絶縁体、３５４　絶縁体、３５６　導電体、４１１　素子層、４１３　トランジスタ層、４１５　メモリデバイス層、４１５＿１　メモリデバイス層、４１５＿３　メモリデバイス層、４１５＿４　メモリデバイス層、４２０　メモリデバイス、４２４　導電体、４４０　導電体、４７０　メモリユニット、６００　半導体装置、６０１　半導体装置、６１０　セルアレイ、６１０＿ｎ　セルアレイ、６１０＿１　セルアレイ、７００　電子部品、７０２　プリント基板、７０４　実装基板、７１１　モールド、７１２　ランド、７１３　電極パッド、７１４　ワイヤ、７２０　記憶装置、７２１　駆動回路層、７２２　記憶回路層、７３０　電子部品、７３１　インターポーザ、７３２　パッケージ基板、７３３　電極、７３５　半導体装置、９０１　境界領域、９０２　境界領域、１００１　配線、１００２　配線、１００３　配線、１００４　配線、１００５　配線、１００６　配線

Claims (5)

  1. 　第１の絶縁体と、
    　前記第１の絶縁体上の第１の酸化物と、
    　前記第１の酸化物上の第２の酸化物と、
    　前記第２の酸化物上の第３の酸化物および第４の酸化物と、
    　前記第３の酸化物上の第１の導電体と、
    　前記第４の酸化物上の第２の導電体と、
    　前記第１の導電体上の第２の絶縁体と、
    　前記第２の導電体上の第３の絶縁体と、
    　前記第２の酸化物上にあり、且つ前記第３の酸化物と前記第４の酸化物の間に配置される第５の酸化物と、
    　前記第５の酸化物上の第６の酸化物と、
    　前記第６の酸化物上の第４の絶縁体と、
    　前記第４の絶縁体上の第３の導電体と、
    　前記第１の絶縁体乃至前記第３の絶縁体上の第５の絶縁体と、を有し、
    　前記第５の酸化物は、前記第２の酸化物乃至前記第４の酸化物、および前記第１の絶縁体と接する領域を有し、
    　前記第６の酸化物は、前記第５の酸化物、前記第１の導電体、および前記第２の導電体と接する領域を有し、
    　前記第４の絶縁体は、前記第６の酸化物、前記第３の導電体、および前記第５の絶縁体と接する領域を有する、半導体装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記第１の酸化物乃至前記第６の酸化物は、それぞれ、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有し、
    　前記第１の酸化物、前記第３の酸化物、前記第４の酸化物、および前記第６の酸化物は、前記第２の酸化物よりも前記元素Ｍの濃度が高い領域を有し、
    　前記第１の酸化物、前記第３の酸化物、前記第４の酸化物、および前記第６の酸化物は、前記第５の酸化物よりも前記元素Ｍの濃度が高い領域を有する、半導体装置。
  3. 　請求項１において、
    　前記第２の絶縁体、前記第３の絶縁体、および前記第５の絶縁体は、それぞれ、アルミニウムまたはハフニウムのいずれか一を含む、半導体装置。
  4. 　第１の絶縁体を成膜し、
    　前記第１の絶縁体上に、第１の酸化膜、第２の酸化膜、第３の酸化膜を順に成膜し、
    　第１の熱処理を行い、
    　前記第３の酸化膜上に、第１の導電膜、第１の絶縁膜、第２の導電膜、を順に成膜し、
    　前記第１の酸化膜、前記第２の酸化膜、前記第３の酸化膜、前記第１の導電膜、前記第１の絶縁膜、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、第２の酸化物、第１の酸化物層、第１の導電層、第１の絶縁層、第２の導電層を形成し、
    　前記第２の導電層を除去し、
    　前記第１の絶縁体、前記第１の酸化物、前記第２の酸化物、前記第１の酸化物層、前記第１の導電層、および前記第１の絶縁層の上に第５の絶縁体を成膜し、
    　前記第５の絶縁体上に第６の絶縁体を成膜し、
    　前記第１の酸化物層、前記第１の導電層、前記第１の絶縁層、前記第５の絶縁体、および前記第６の絶縁体に、前記第２の酸化物に達する開口を形成し、
    　当該開口の形成によって、前記第１の酸化物層から、第３の酸化物、および第４の酸化物が形成され、前記第１の導電層から第１の導電体、および第２の導電体が形成され、前記第１の絶縁層から第７の絶縁体、および第８の絶縁体が形成され、
    　第２の熱処理を行い、
    　前記第６の絶縁体上、および前記開口の中に、第４の酸化膜を成膜し、
    　前記第４の酸化膜上に第５の酸化膜を成膜し、
    　ドライエッチング法を用いて、前記開口内の、前記第５の絶縁体乃至前記第８の絶縁体の側面に成膜された前記第４の酸化膜および前記第５の酸化膜を除去し、
    　前記第６の絶縁体上の前記第４の酸化膜および前記第５の酸化膜を除去し、
    　前記開口の底部の前記第４の酸化膜および前記第５の酸化膜を残存させることで、第５の酸化物、および第６の酸化物を形成し、
    　前記第６の酸化物上、および前記第６の絶縁体上に第２の絶縁膜を成膜し、
    　前記第２の絶縁膜上に第３の導電膜を成膜し、
    　ＣＭＰ法を用いて、前記第３の導電膜および前記第２の絶縁膜を前記第６の絶縁体に達するまで研磨することで、前記開口の中に、第９の絶縁体、および第３の導電体を形成する、半導体装置の作製方法。
  5. 　請求項４において、
    　前記ドライエッチング法は、６６．５Ｐａ以上の圧力で行われる、半導体装置の作製方法。
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