WO2020245696A1 - 整合回路、半導体装置、および、電子機器 - Google Patents

整合回路、半導体装置、および、電子機器 Download PDF

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國武寛司
大嶋和晃
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株式会社半導体エネルギー研究所
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    • H03H11/48—One-port networks simulating reactances
    • H03H11/481—Simulating capacitances

Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to a matching circuit.
  • a matching circuit also called impedance matching, impedance matching
  • a matching also called impedance matching, impedance matching
  • the semiconductor device is a device utilizing semiconductor characteristics, and refers to, for example, a circuit including a semiconductor element (transistor, diode, photodiode, etc.), a device having the same circuit, and the like.
  • a semiconductor device is a general device that can function by utilizing semiconductor characteristics. For example, an integrated circuit, a chip having an integrated circuit, or an electron in which a chip is housed in a package. Electronic devices equipped with components and integrated circuits are examples of semiconductor devices.
  • One form of the present invention is not limited to the above technical fields.
  • the technical field of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method.
  • one embodiment of the present invention relates to a process, machine, manufacture, or composition (composition of matter).
  • 4G the 4th generation
  • 5th generation (5G) communication standards that realize faster communication speeds than 4G, many simultaneous connections, and short delay times are being studied.
  • 5G for example, in Japan, communication frequencies of 3.7 GHz band, 4.5 GHz band, and 28 GHz band are used.
  • a semiconductor device compatible with 5G is manufactured by using a semiconductor using one kind of element such as Si as a main component and a compound semiconductor using a plurality of kinds of elements such as Ga and As as main components. Furthermore, oxide semiconductors, which are a type of metal oxide, are attracting attention.
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 disclose a technique for manufacturing a transistor using an oxide semiconductor having a CAAC structure.
  • an electric circuit also called a high frequency circuit
  • a high frequency circuit that handles a high frequency signal (high frequency signal)
  • a matching circuit that matches the output impedance and input impedance. Is used.
  • L-type, T-type, ⁇ -type, etc. are known as matching circuits that use capacitors and inductors, but if the capacitance of the capacitor and the inductance of the inductor are selected for a certain frequency, other than that frequency. It was necessary to change one or both of the capacitance of the capacitor and the inductance of the inductor for the frequency of, and it was necessary to replace one or both of the capacitor and the inductor.
  • One of the problems of one embodiment of the present invention is to provide a matching circuit having a transistor and an inductor and capable of supporting a plurality of frequencies.
  • one of the problems of the present invention is to provide a matching circuit capable of corresponding to a plurality of frequencies without replacing one or both of a transistor and an inductor.
  • one embodiment of the present invention does not necessarily have to solve all of the above problems, but may solve at least one problem. Moreover, the description of the above-mentioned problem does not prevent the existence of other problem. Issues other than these are self-evident from the description of the description, claims, drawings, etc., and it is possible to extract issues other than these from the description of the specification, claims, drawings, etc. It is possible.
  • One embodiment of the present invention is a matching circuit having a transistor and an inductor.
  • the transistor has a metal oxide in the channel forming region, and impedance matching is performed by changing the voltage of the gate of the transistor with respect to the source.
  • one embodiment of the present invention is a matching circuit having a transistor, an inductor, and first and second input terminals.
  • the first input terminal is electrically connected to the source and drain of the transistor
  • the gate of the transistor is electrically connected to the first terminal of the inductor
  • the second terminal of the inductor is electrically connected to the second input terminal. Be connected.
  • the transistor has a metal oxide in the channel forming region, and impedance matching is performed by changing the potential input to the second input terminal.
  • one embodiment of the present invention is a semiconductor device having a transistor, an inductor, and first and second input terminals.
  • the first input terminal is electrically connected to the source and drain of the transistor
  • the gate of the transistor is electrically connected to the first terminal of the inductor
  • the second terminal of the inductor is electrically connected to the second input terminal. Be connected.
  • An AC signal is input to the first input terminal, a predetermined potential is input to the second input terminal, and when the frequency of the AC signal changes, the predetermined potential is changed.
  • the transistor has a metal oxide in the channel forming region.
  • a matching circuit having a transistor and an inductor and capable of supporting a plurality of frequencies.
  • a matching circuit capable of supporting a plurality of frequencies without replacing one or both of a transistor and an inductor.
  • one embodiment of the present invention does not necessarily have to solve all of the above problems, but may solve at least one problem. Moreover, the description of the above-mentioned problem does not prevent the existence of other problem. Issues other than these are self-evident from the description of the description, claims, drawings, etc., and it is possible to extract issues other than these from the description of the specification, claims, drawings, etc. It is possible.
  • FIG. 1A is a circuit diagram showing a configuration example of a matching circuit.
  • FIG. 1B is a block diagram showing a connection relationship between a device that outputs a signal, a matching circuit, and a device that inputs a signal.
  • FIG. 1C is a diagram illustrating signals and potentials input to the matching circuit.
  • FIG. 2A is an image diagram showing the relationship between the voltage of the gate with respect to the source and the capacitance formed between the source and drain and the gate.
  • 2B and 2C are circuit diagrams showing a configuration example of a matching circuit.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor device. 4A, 4B, and 4C are cross-sectional views showing a structural example of the transistor.
  • FIG. 1A is a circuit diagram showing a configuration example of a matching circuit.
  • FIG. 1B is a block diagram showing a connection relationship between a device that outputs a signal, a matching circuit, and a device that inputs
  • FIG. 5A is a top view showing a structural example of the transistor.
  • 5B and 5C are cross-sectional views showing a structural example of the transistor.
  • FIG. 6A is a top view showing a structural example of the transistor.
  • 6B and 6C are cross-sectional views showing a structural example of the transistor.
  • FIG. 8A is a top view showing a structural example of the transistor.
  • 8B and 8C are cross-sectional views showing a structural example of the transistor.
  • FIG. 9A is a top view showing a structural example of the transistor.
  • 9B and 9C are cross-sectional views showing a structural example of the transistor.
  • FIG. 10A is a top view showing a structural example of the transistor.
  • 10B and 10C are cross-sectional views showing a structural example of the transistor.
  • 11A and 11B are cross-sectional views showing a structural example of the transistor.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor device.
  • 13A and 13B are cross-sectional views showing a structural example of the transistor.
  • FIG. 14A is a diagram illustrating classification of the crystal structure of IGZO.
  • FIG. 14B is a diagram illustrating an XRD spectrum of the CAAC-IGZO film.
  • FIG. 14C is a diagram illustrating an ultrafine electron beam diffraction pattern of the CAAC-IGZO film.
  • FIG. 15 is an image diagram of factory automation.
  • FIG. 16 is a perspective view showing the structure of the OS transistor.
  • 17A and 17B are diagrams showing the Vgs-Cgsd characteristics of the OS transistor.
  • membrane and the term “layer” can be interchanged with each other.
  • conductive layer to the term “conductive layer”.
  • insulating film to the term “insulating layer”.
  • gate electrode on the gate insulating layer does not exclude those containing other components between the gate insulating layer and the gate electrode.
  • “electrically connected” includes a case where they are connected via "something having some kind of electrical action".
  • the "thing having some kind of electrical action” is not particularly limited as long as it enables the exchange of electric signals between the connection targets.
  • “things having some kind of electrical action” include electrodes, wirings, switching elements such as transistors, resistance elements, inductors, capacitive elements, and other elements having various functions. Further, even when it is expressed as “electrically connected”, there is a case where there is no physical connection part in the actual circuit and only the wiring is extended.
  • Electrode and “wiring” do not functionally limit these components.
  • an “electrode” may be used as part of a “wiring” and vice versa.
  • the “terminal” in the electric circuit means a portion where current or potential input (or output) and signal reception (or transmission) are performed. Therefore, a part of the wiring or the electrode may function as a terminal.
  • a “capacitive element” has a configuration in which two electrodes face each other via an insulator (dielectric). Further, in the present specification and the like, the “capacitive element” has a configuration in which two electrodes face each other via an insulator, a configuration in which two wirings face each other via an insulator, or The case where two wirings are arranged via an insulator is included. Further, in the present specification and the like, the “capacitor element” may be referred to as a “capacitor”, a “capacitor”, or a “capacitor”.
  • the "high frequency signal” is a high frequency signal (AC signal).
  • AC signal high frequency signal
  • the AC signal may be called a high frequency signal.
  • the "voltage" often indicates a potential difference between a certain potential and a reference potential (for example, a ground potential). Therefore, the voltage and the potential difference can be rephrased.
  • a transistor is an element having at least three terminals including a source, a drain, and a gate. Then, a channel forming region is provided between the source (source terminal, source region, or source electrode) and the drain (drain terminal, drain region, or drain electrode), and the source and the source are via the channel forming region. A current can flow between the drain and the drain.
  • the channel formation region means a region in which a current mainly flows.
  • the functions of the source and the drain may be interchanged when transistors having different polarities are used or when the direction of the current changes in the circuit operation. Therefore, in the present specification and the like, the terms source and drain can be used interchangeably.
  • the off current means a drain current when the transistor is in an off state (also referred to as a non-conducting state or a cutoff state).
  • the off state is a state in which the gate voltage Vgs with respect to the source is lower than the threshold voltage Vth in the n-channel type transistor, and the gate voltage Vgs with respect to the source is in the p-channel type transistor. A state higher than the threshold voltage Vth. That is, the off-current of the n-channel transistor may be the drain current when the voltage Vgs of the gate with respect to the source is lower than the threshold voltage Vth.
  • drain may be read as source. That is, the off current may refer to the source current when the transistor is in the off state. In addition, it may be called a leak current in the same meaning as an off current. Further, in the present specification and the like, the off current may refer to the current flowing between the source and the drain when the transistor is in the off state.
  • the on-current may refer to the current flowing between the source and the drain when the transistor is in the on state (also referred to as the conduction state).
  • 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, and the like.
  • the metal oxide when a metal oxide is used in the channel forming region of a transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, when a metal oxide has at least one of an amplification action, a rectifying action, and a switching action, the metal oxide can be referred to as a metal oxide semiconductor (metal oxide semiconductor). That is, a transistor having a metal oxide in the channel forming region can be called an "oxide semiconductor transistor" or an "OS transistor". Similarly, a "transistor using an oxide semiconductor” is also a transistor having a metal oxide in a channel forming region.
  • a metal oxide having nitrogen may also be referred to as a metal oxide. Further, a metal oxide having nitrogen may be referred to as a metal oxynitride. Details of the metal oxide will be described later.
  • the matching circuit according to one embodiment of the present invention is a circuit that can function by utilizing semiconductor characteristics, and can also be called a semiconductor device.
  • FIG. 1A is a circuit diagram showing a configuration example of a matching circuit 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the matching circuit 10 shown in FIG. 1A is a matching circuit called an L type, and has a transistor T11, an inductor L12, an input terminal VDD_IN, an input terminal SII_IN, and an output terminal SIO_OUT.
  • the input terminal SII_IN is electrically connected to the source and drain of the transistor T11, the gate of the transistor T11 is electrically connected to the first terminal of the inductor L12 and the output terminal SIO_OUT, and the second terminal of the inductor L12 is It is electrically connected to the input terminal VDD_IN.
  • the potential VDD is input to the input terminal VDD_IN
  • the signal SII is input to the input terminal SII_IN
  • the signal SIO is output from the output terminal SIO_OUT.
  • the signal SII can be, for example, an AC signal having an amplitude SII_A with reference to the potential Vref (see FIG. 1C).
  • the matching circuit 10 is provided between a device that outputs a signal and a device that inputs a signal. That is, the input terminal SII_IN of the matching circuit 10 is electrically connected to the output terminal of the device 20 that outputs a signal, and the output terminal SIO_OUT of the matching circuit 10 is electrically connected to the input terminal of the device 30 that inputs a signal. Will be done.
  • FIG. 1B shows the connection relationship between the device 20 that outputs a signal, the matching circuit 10, and the device 30 that inputs a signal, using a block diagram.
  • the matching circuit 10 is provided especially when the output impedance of the device 20 and the input impedance of the device 30 are not matched.
  • the output impedance of the device 20 and the input impedance of the device 30 are not matched, if the output terminal of the device 20 and the input terminal of the device 30 are electrically connected, an AC signal that generates a reflected wave is efficiently transferred. This is because problems such as not being possible may occur.
  • the device 20 and the device 30 are not particularly limited as long as they can output or input a signal.
  • the device 20 and the device 30 can be those having some kind of electrical action as described above.
  • the device 20 may be a buffer that outputs a signal
  • the device 30 may be a wiring having a characteristic impedance.
  • FIG. 1C is a diagram illustrating the signal SII and the potential VDD.
  • the signal SII and the potential VDD will be described separately for the period D13 and the period D14.
  • the signal SII is an AC signal having an amplitude SII_A with reference to the potential Vref, and the period of the signal SII is the period T13.
  • the potential VDD is a constant potential, and the potential difference of the potential VDD from the potential Vref is the potential difference VB1.
  • the signal SII is an AC signal having an amplitude SII_A with reference to the potential Vref, and the period of the signal SII is the period T14.
  • the potential VDD is a constant potential, and the potential difference of the potential VDD from the potential Vref is the potential difference VB2.
  • the period T14 is a period longer than the period T13. That is, the signal SII in the period D14 is an AC signal having a lower frequency than the signal SII in the period D13.
  • the potential difference of the potential VDD from the potential Vref changes from the potential difference VB1 to the potential difference VB2.
  • the potential difference VB2 is a potential difference larger than the potential difference VB1.
  • the potential difference VB2 may be a potential difference smaller than the potential difference VB1.
  • the transistor T11 is an OS transistor.
  • the OS transistor is similar to a Si transistor (transistor formed on a single crystal silicon substrate), which has a very small off-current, does not easily increase the off-current even in a high temperature environment, and can be laminated because it is a thin film transistor. Since it can be manufactured using a manufacturing device, it can be manufactured at low cost.
  • the metal oxide used in the channel forming region of the OS transistor is preferably an oxide semiconductor containing at least one of indium (In) and zinc (Zn).
  • an oxide semiconductor In—M—Zn oxide (element M is, for example, Al, Ga, Y or Sn) is typical.
  • the oxide semiconductor can be made i-type (intrinsic) or substantially i-type.
  • Such an oxide semiconductor can be called a highly purified oxide semiconductor.
  • indium and element M (element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lantern, cerium, neodymium) in the channel formation region of the transistor T11.
  • Hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. (one or more), and metal oxides having any one of zinc can be used.
  • a metal oxide composed of indium, gallium, and zinc is preferable.
  • the OS transistor has a gate insulating film between the source and drain and the gate, and a capacitance is formed between the source and drain and the gate.
  • the capacitance formed between the source and drain and the gate can be used as a capacitor.
  • the capacitance formed between the source and drain and the gate has the property of changing depending on the voltage Vgs of the gate with respect to the source.
  • the voltage Vgs of the gate with respect to the source will be referred to as a voltage Vgs
  • the capacitance formed between the source and drain and the gate will be referred to as a capacitance Cgsd.
  • FIG. 2A is an image diagram showing the relationship between the voltage Vgs and the capacitance Cgsd.
  • the capacitance Cgsd is a substantially constant value in the region where the voltage Vgs is low, but increases in the region where the voltage Vgs is high from the vicinity of the threshold voltage Vth of the transistor T11.
  • the relationship between the voltage Vgs and the capacitance Cgsd in the OS transistor is similar to the relationship between the voltage Vgs and the capacitance Cgsd in the MOS (Metal Oxide MOSFET) type FET (field effect transistor, Field Effect Transistor) using silicon.
  • MOS Metal Oxide MOSFET
  • the transistor has a feature that the amount of change in the capacitance Cgsd is larger than that of the MOS FET using silicon.
  • FIG. 2B is a circuit diagram showing a configuration example of the matching circuit 40 using the transistor T15 having a back gate.
  • the matching circuit 40 is a modification of the matching circuit 10, and the points different from the matching circuit 10 will be mainly described in order to prevent the description from being repeated.
  • the matching circuit 40 has a transistor T15, an inductor L12, a wiring BKL, an input terminal VDD_IN, an input terminal SII_IN, and an output terminal SIO_OUT.
  • the transistor T15 has a back gate in addition to the source, drain, and gate, and the back gate of the transistor T15 is electrically connected to the wiring BKL.
  • the wiring BKL functions as wiring for applying a predetermined potential to the back gate of the transistor T15, and the threshold voltage of the transistor T15 can be increased or decreased by applying an arbitrary potential to the wiring BKL.
  • FIG. 2C is a circuit diagram showing a configuration example of the matching circuit 50 using the transistor T15 having a back gate.
  • the matching circuit 50 is a modification of the matching circuit 10, and the points different from the matching circuit 10 will be mainly described in order to prevent the description from being repeated.
  • the matching circuit 50 has a transistor T15, an inductor L12, an input terminal VDD_IN, an input terminal SII_IN, and an output terminal SIO_OUT.
  • the transistor T15 has a back gate in addition to the source, drain, and gate, and the back gate of the transistor T15 is electrically connected to the gate of the transistor T15, the first terminal of the inductor L12, and the output terminal SIO_OUT.
  • the matching circuit 50 by electrically connecting the back gate of the transistor T15 to the gate of the transistor T15, in addition to the capacitance formed between the source, drain and gate, the source, drain and back gate
  • the capacitance formed between them can be used as a capacitor. That is, the capacitance formed by the transistor T15 can be increased.
  • a coil for example, a coil can be used.
  • a coil for a high frequency circuit having an air-core structure and a high Q value (Quality factor) is preferable.
  • the coil that can be used for the inductor L12 may be configured by using the wiring or the like included in the semiconductor device described in the second embodiment.
  • the L-shaped matching circuit 10 using a transistor and an inductor has been described. Since the capacitance formed between the source and drain of the transistor and the gate changes according to the voltage of the gate with respect to the source, in the matching circuit 10, by changing the potential difference between the potential VDD and the potential Vref, the matching circuit 10 can correspond to a plurality of frequencies.
  • the matching circuit 10 when the output impedance of the device 20 and the input impedance of the device 30 are matched by using the matching circuit 10 with respect to the AC signal of a certain frequency (or period), the frequency of the AC signal changes.
  • impedance matching can be maintained by changing the potential difference between the potential VDD and the potential Vref in the matching circuit 10.
  • the matching circuit 10 when the output impedance of the device 20 and the input impedance of the device 30 are matched by using the matching circuit 10 for an AC signal of a certain frequency, even if the frequency of the AC signal changes, the matching circuit There is no need to replace the parts that make up 10.
  • the matching circuit 10 can handle AC signals in a wide frequency range.
  • the L-type matching circuit 10 has been described in the present embodiment, it can be applied to other types of matching circuits such as T-type and ⁇ -type.
  • the OS transistor described in this embodiment has a structure in which the OS transistor is laminated on the transistor formed on the semiconductor substrate. Further, a capacitor (referred to as a capacitive element in the present embodiment) is laminated above the OS transistor described in the present embodiment, and is formed on the semiconductor substrate in the present embodiment. Transistors, OS transistors, and capacitive elements are collectively referred to as semiconductor devices.
  • the matching circuit 10 may be formed on the same semiconductor substrate as the device 20 and / or the device 30 described in the above embodiment. Further, in that case, the "terminal" such as the input terminal or the output terminal described in the above embodiment may not be distinguishable from the wiring or the electrode or the like.
  • the OS transistor described in the present embodiment has a back gate (also referred to as a second gate and a bottom gate) in addition to a gate (also referred to as a first gate, a top gate and a front gate).
  • the semiconductor device shown in FIG. 3 includes a transistor 300, a transistor 500, and a capacitive element 600.
  • 4A is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel length direction
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the transistor 500 in the channel width direction
  • FIG. 4C is a cross-sectional view of the transistor 300 in the channel width direction.
  • the transistor 500 is a transistor (OS transistor) having a metal oxide in the channel forming region.
  • the transistor 500 has a feature that the amount of change in the capacitance Cgsd is large in relation to the voltage Vgs of the gate with respect to the source and the capacitance Cgsd formed between the source and the drain and the gate. Can be used for the matching circuit 10 so that the matching circuit 10 can handle AC signals in a wide frequency range.
  • the transistor 500 is provided above the transistor 300, and the capacitive element 600 is provided above the transistor 300 and the transistor 500.
  • the transistor 300 is provided on the substrate 311 and includes a conductor 316, an insulator 315, a semiconductor region 313 composed of a part of the substrate 311 and a low resistance region 314a and a low resistance region 314b that function as a source region or a drain region.
  • a conductor 316 an insulator 315
  • a semiconductor region 313 composed of a part of the substrate 311 and a low resistance region 314a and a low resistance region 314b that function as a source region or a drain region.
  • the transistor 300 is covered with the conductor 316 on the upper surface of the semiconductor region 313 and the side surface in the channel width direction via the insulator 315.
  • the on-characteristics of the transistor 300 can be improved by increasing the effective channel width. Further, since the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, the off characteristic of the transistor 300 can be improved.
  • a single crystal silicon substrate can be used for the substrate 311 and the transistor 300 can be a Si transistor formed on the single crystal silicon substrate.
  • the transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.
  • a semiconductor such as a silicon-based semiconductor in a region in which a channel of the semiconductor region 313 is formed, a region in the vicinity thereof, a low resistance region 314a serving as a source region or a drain region, a low resistance region 314b, and the like.
  • It preferably contains crystalline silicon.
  • it may be formed of a material having Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide), or the like.
  • a configuration using silicon in which the effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing may be used.
  • the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs, GaAlAs, or the like.
  • the low resistance region 314a and the low resistance region 314b impart n-type conductivity-imparting elements such as arsenic and phosphorus, or p-type conductivity such as boron, in addition to the semiconductor material applied to the semiconductor region 313. Contains elements that
  • the conductor 316 that functions as a gate electrode is a semiconductor material such as silicon, a metal material, or an alloy that contains an element that imparts n-type conductivity such as arsenic or phosphorus, or an element that imparts p-type conductivity such as boron.
  • a material or a conductive material such as a metal oxide material can be used.
  • the Vth of the transistor can be adjusted by changing the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Further, in order to achieve both conductivity and embedding property, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum laminated on the conductor, and it is particularly preferable to use tungsten in terms of heat resistance.
  • the transistor 300 shown in FIG. 3 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.
  • An insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are laminated in this order so as to cover the transistor 300.
  • the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 for example, silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, etc. are used. Just do it.
  • the insulator 322 may have a function as a flattening film for flattening a step generated by a transistor 300 or the like provided below the insulator 322.
  • 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
  • the insulator 324 it is preferable to use a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse in the region where the transistor 500 is provided from the substrate 311 or the transistor 300.
  • a film having a barrier property against hydrogen for example, silicon nitride formed by the CVD method can be used.
  • hydrogen may diffuse into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as a transistor 500, so that the characteristics of the semiconductor element may deteriorate. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 500 and the transistor 300.
  • the membrane that suppresses the diffusion of hydrogen is a membrane that desorbs a small amount of hydrogen.
  • the amount of hydrogen desorbed can be analyzed by using, for example, a heated desorption gas analysis (TDS analysis) method or the like.
  • TDS analysis the amount of hydrogen desorbed from the insulator 324 is such that the amount desorbed in terms of hydrogen atoms is converted per area of the insulator 324 when the surface temperature of the film is in the range of 50 ° C. to 500 ° C. It may be 10 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 or less, preferably 5 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 or less.
  • the insulator 326 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 324.
  • the relative permittivity of the insulator 326 is preferably less than 4, more preferably less than 3.
  • the relative permittivity of the insulator 326 is preferably 0.7 times or less, more preferably 0.6 times or less, the relative permittivity of the insulator 324.
  • a capacitance element 600, a conductor 328 connected to the transistor 500, a conductor 330, and the like are embedded.
  • the conductor 328 and the conductor 330 have a function as a plug or a wiring.
  • a conductor having a function as a plug or a wiring may collectively give a plurality of structures the same reference numerals.
  • the wiring and the plug 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.
  • each plug and wiring As the material of each plug and wiring (conductor 328, conductor 330, etc.), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is single-layered or laminated. Can be used. 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. Alternatively, 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.
  • a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is single-layered or laminated. Can be used. 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. Alternatively, it is preferably formed of a
  • 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 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 300.
  • the conductor 356 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • the insulator 350 it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324.
  • the conductor 356 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen.
  • a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.
  • the conductor having a barrier property against hydrogen for example, tantalum nitride or the like may be used. Further, by laminating tantalum nitride and tungsten having high conductivity, it is possible to suppress the diffusion of hydrogen from the transistor 300 while maintaining the conductivity as wiring. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having a barrier property against hydrogen has a structure in contact with the insulator 350 having a barrier property against hydrogen.
  • a wiring layer may be provided on the insulator 354 and the conductor 356.
  • the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364 are laminated in this order.
  • a conductor 366 is formed on the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364.
  • the conductor 366 has a function as a plug or wiring.
  • the conductor 366 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • the insulator 360 it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324.
  • the conductor 366 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen.
  • a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 360 having a barrier property against hydrogen.
  • a wiring layer may be provided on the insulator 364 and the conductor 366.
  • the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374 are laminated in this order.
  • a conductor 376 is formed on the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374.
  • the conductor 376 has a function as a plug or wiring.
  • the conductor 376 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • the insulator 370 it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324.
  • the conductor 376 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen.
  • a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 370 having a barrier property against hydrogen.
  • a wiring layer may be provided on the insulator 374 and the conductor 376.
  • the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384 are laminated in this order.
  • a conductor 386 is formed on the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384.
  • the conductor 386 has a function as a plug or wiring.
  • the conductor 386 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • the insulator 380 it is preferable to use an insulator having a barrier property against hydrogen, similarly to the insulator 324.
  • the conductor 386 preferably contains a conductor having a barrier property against hydrogen.
  • a conductor having a barrier property against hydrogen is formed in the opening of the insulator 380 having a barrier property against hydrogen.
  • the semiconductor device according to the present embodiment has been described. It is not limited to this.
  • the number of wiring layers similar to the wiring layer containing the conductor 356 may be three or less, or the number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be five or more.
  • the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516 are laminated in this order.
  • the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516 it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen.
  • a film having a barrier property so that hydrogen and impurities do not diffuse from the area where the substrate 311 or the transistor 300 is provided to the area where the transistor 500 is provided is used. Is preferable. Therefore, the same material as the insulator 324 can be used.
  • Silicon nitride formed by the CVD method can be used as an example of a film having a barrier property against hydrogen.
  • hydrogen may diffuse into a semiconductor element having an oxide semiconductor such as a transistor 500, so that the characteristics of the semiconductor element may deteriorate. Therefore, it is preferable to use a film that suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 500 and the transistor 300.
  • the membrane that suppresses the diffusion of hydrogen is a membrane that desorbs a small amount of hydrogen.
  • the film having a barrier property against hydrogen for example, it is preferable to use metal oxides such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 510 and the insulator 514.
  • metal oxides such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 510 and the insulator 514.
  • aluminum oxide has a high blocking effect that does not allow the membrane to permeate both oxygen and impurities such as hydrogen and water that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and water from being mixed into the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, the release of oxygen from the oxides constituting the transistor 500 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500.
  • the same material as that of the insulator 320 can be used for the insulator 512 and the insulator 516.
  • a material having a relatively low dielectric constant as an interlayer film it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
  • a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used as the insulator 512 and the insulator 516.
  • a conductor 518, a conductor (conductor 503) constituting the transistor 500, and the like are embedded in the insulator 510, the insulator 512, the insulator 514, and the insulator 516.
  • the conductor 518 has a function as a plug or wiring for connecting to the capacitance element 600 or the transistor 300.
  • the conductor 518 can be provided by using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • the conductor 510 in the region in contact with the insulator 510 and the insulator 514 is preferably a conductor having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water.
  • the transistor 300 and the transistor 500 can be separated by a layer having a barrier property against oxygen, hydrogen, and water, and the diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 500 can be suppressed.
  • a transistor 500 is provided above the insulator 516.
  • the transistor 500 includes a conductor 503 arranged so as to be embedded in the insulator 514 and the insulator 516, and an insulator 520 arranged on the insulator 516 and the insulator 503. And on the insulator 522 placed on the insulator 520, the insulator 524 placed on the insulator 522, the oxide 530a placed on the insulator 524, and the oxide 530a.
  • the arranged oxide 530b, the conductor 542a and the conductor 542b arranged apart from each other on the oxide 530b, and the conductor 542a and the conductor 542b arranged on the conductor 542a and the conductor 542b.
  • Insulator 580 with an opening formed by superimposing between them, a conductor 560 arranged in the opening, an oxide 530b, a conductor 542a, a conductor 542b, an insulator 580, and a conductor 560. It has an insulator 550 arranged between the insulators 550, an oxide 530b, a conductor 542a, a conductor 542b, and an insulator 580, and an oxide 530c arranged between the insulator 550.
  • the insulator 544 is arranged between the oxide 530a, the oxide 530b, the conductor 542a, and the conductor 542b and the insulator 580.
  • the conductor 560 includes a conductor 560a provided inside the insulator 550 and a conductor 560b provided so as to be embedded inside the conductor 560a. It is preferable to have.
  • the insulator 574 is arranged on the insulator 580, the conductor 560, and the insulator 550.
  • the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c may be collectively referred to as the oxide 530.
  • the conductor 542a and the conductor 542b may be collectively referred to as the conductor 542.
  • the transistor 500 shows a configuration in which three layers of oxide 530a, oxide 530b, and oxide 530c are laminated in a region where a channel is formed and in the vicinity thereof, but the present invention is limited to this. It's not a thing.
  • the oxide 530 may have a laminated structure of four or more layers.
  • the conductor 560 is shown as a two-layer laminated structure, but the present invention is not limited to this.
  • the conductor 560 may have a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers.
  • the transistor 500 shown in FIGS. 3, 4A and 4B is an example, and the transistor 500 is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.
  • the conductor 560 functions as a gate electrode of the transistor, and the conductor 542a and the conductor 542b function as a source electrode or a drain electrode, respectively.
  • the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductor 542a and the conductor 542b.
  • the arrangement of the conductor 560, the conductor 542a and the conductor 542b is self-aligned with respect to the opening of the insulator 580. That is, in the transistor 500, the gate electrode can be arranged in a self-aligned manner between the source electrode and the drain electrode. Therefore, since the conductor 560 can be formed without providing the alignment margin, the occupied area of the transistor 500 can be reduced. As a result, the semiconductor device can be miniaturized and highly integrated.
  • the conductor 560 is formed in a region between the conductor 542a and the conductor 542b in a self-aligned manner, the conductor 560 does not have a region that overlaps with the conductor 542a or the conductor 542b. Thereby, the parasitic capacitance formed between the conductor 560 and the conductors 542a and 542b can be reduced. Therefore, the switching speed of the transistor 500 can be improved and a high frequency characteristic can be provided.
  • the conductor 560 may function as a first gate electrode. Further, the conductor 503 may function as a second gate electrode. In that case, the Vth of the transistor 500 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 503 independently without interlocking with the potential applied to the conductor 560. In particular, by applying a negative potential to the conductor 503, it is possible to make the Vth of the transistor 500 larger than 0V and reduce the off-current. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 503, the drain current when the potential applied to the conductor 560 is 0 V can be made smaller than when it is not applied.
  • the conductor 503 is arranged so as to overlap the oxide 530 and the conductor 560. As a result, when a potential is applied to the conductor 560 and the conductor 503, the electric field generated from the conductor 560 and the electric field generated from the conductor 503 are connected to cover the channel forming region formed in the oxide 530. it can.
  • the structure of the transistor that electrically surrounds the channel formation region by the electric fields of the first gate electrode and the second gate electrode is called a slurried channel (S-channel) structure.
  • the side surface and the periphery of the oxide 530 in contact with the conductor 542a and the conductor 542b functioning as the source electrode and the drain electrode are said to be type I as in the channel formation region. It has characteristics. Further, since the side surface and the periphery of the oxide 530 in contact with the conductor 542a and the conductor 542b are in contact with the insulator 544, it can be type I as in the channel forming region. In addition, in this specification and the like, type I can be treated as the same as high-purity authenticity described later. Further, the S-channel structure disclosed in the present specification and the like is different from the Fin type structure and the planar type structure. By adopting the S-channel structure, it is possible to increase the resistance to the short-channel effect, in other words, to make a transistor in which the short-channel effect is unlikely to occur.
  • the conductor 503 has the same structure as the conductor 518, and the conductor 503a is formed in contact with the inner walls of the openings of the insulator 514 and the insulator 516, and the conductor 503b is further formed inside.
  • the insulator 520, the insulator 522, the insulator 524, and the insulator 550 have a function as a gate insulating film.
  • the insulator 524 in contact with the oxide 530 it is preferable to use an insulator containing more oxygen than oxygen satisfying the stoichiometric composition. That is, it is preferable that the insulator 524 is formed with an excess oxygen region. By providing such an insulator containing excess oxygen in contact with the oxide 530, oxygen deficiency in the oxide 530 can be reduced and the reliability of the transistor 500 can be improved.
  • the insulator having an excess oxygen region it is preferable to use an oxide material in which a part of oxygen is desorbed by heating.
  • Oxides that desorb oxygen by heating are those in which the amount of oxygen desorbed in terms of oxygen atoms is 1.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1
  • 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 524 has an excess oxygen region, it is preferable that the insulator 522 has a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.) (the oxygen is difficult to permeate).
  • oxygen for example, oxygen atom, oxygen molecule, etc.
  • the insulator 522 has a function of suppressing the diffusion of oxygen and impurities, the oxygen contained in the oxide 530 does not diffuse to the insulator 520 side, which is preferable. Further, it is possible to suppress the conductor 503 from reacting with the oxygen contained in the insulator 524 and the oxide 530.
  • the insulator 522 includes, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconate oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) and the like. It is preferable to use the body in a single layer or in a laminated manner. As the miniaturization and high integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulating film. By using a high-k material for the insulator that functions as a gate insulating film, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.
  • an insulator containing oxides of one or both of aluminum and hafnium which are insulating materials having a function of suppressing diffusion of impurities and oxygen (the above-mentioned oxygen is difficult to permeate).
  • an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), and the like.
  • the insulator 522 is formed by using such a material, the insulator 522 suppresses the release of oxygen from the oxide 530 and the mixing of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 500 into the oxide 530. Acts as a layer.
  • aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide may be added to these insulators.
  • these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxide or silicon nitride may be laminated on the above insulator.
  • the insulator 520 is preferably thermally stable.
  • silicon oxide and silicon nitride nitride are suitable because they are thermally stable.
  • by combining the insulator of the high-k material with silicon oxide or silicon oxide nitride it is possible to obtain an insulator 520 having a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity.
  • the insulator 520, the insulator 522, and the insulator 524 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 530 a metal oxide that functions as an oxide semiconductor for the oxide 530 containing the channel forming region.
  • oxide 530 In-M-Zn oxide (element M is aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lantern, cerium, neodymium).
  • Hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. (one or more) and the like may be used.
  • the metal oxide that functions as an oxide semiconductor may be formed by a sputtering method or an ALD (Atomic Layer Deposition) method.
  • a metal oxide that functions as an oxide semiconductor will be described in another embodiment.
  • a metal oxide having a low carrier density for the transistor 500.
  • the impurity concentration in the metal oxide may be lowered and the defect level density may be lowered.
  • a low impurity concentration and a low defect level density is referred to as high-purity intrinsic or substantially high-purity intrinsic.
  • impurities in the metal oxide include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, iron, nickel, silicon and the like.
  • hydrogen contained in a metal oxide reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency in the metal oxide. If the channel formation region in the metal oxide contains oxygen deficiency, the transistor may have normally-on characteristics. Furthermore, a defect containing hydrogen in an oxygen deficiency may function as a donor and generate electrons as carriers. In addition, 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 a metal oxide containing a large amount of hydrogen tends to have a normally-on characteristic.
  • Defects containing hydrogen in oxygen deficiencies can function as donors for metal oxides. However, it is difficult to quantitatively evaluate the defect. Therefore, in the case of metal oxides, the carrier density may be evaluated instead of the donor concentration. Therefore, in the present specification and the like, as the parameter of the metal oxide, the carrier density assuming a state in which an electric field is not applied may be used instead of the donor concentration. That is, the "carrier density" described in the present specification and the like may be paraphrased as the "donor concentration".
  • the hydrogen concentration obtained by secondary ion mass spectrometry is less than 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , preferably 1 ⁇ 10 19 atoms / cm. It is less than 3 , more preferably less than 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 , and even more preferably less than 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
  • the carrier density of the metal oxide in the channel formation region is preferably 1 ⁇ 10 18 cm -3 or less, and preferably less than 1 ⁇ 10 17 cm -3. Is more preferably less than 1 ⁇ 10 16 cm -3 , even more preferably less than 1 ⁇ 10 13 cm -3 , even more preferably less than 1 ⁇ 10 12 cm -3 .
  • the lower limit of the carrier density of the metal oxide in the channel formation region is not particularly limited, but may be, for example, 1 ⁇ 10 -9 cm -3 .
  • the oxygen in the oxide 530 diffuses to the conductor 542 when the conductor 542 (conductor 542a and the conductor 542b) and the oxide 530 come into contact with each other.
  • the conductor 542 may oxidize. It is highly probable that the conductivity of the conductor 542 will decrease due to the oxidation of the conductor 542.
  • the diffusion of oxygen in the oxide 530 into the conductor 542 can be rephrased as the conductor 542 absorbing the oxygen in the oxide 530.
  • oxygen in the oxide 530 diffuses into the conductor 542 (conductor 542a and the conductor 542b), so that the oxygen in the oxide 530 diffuses between the conductor 542a and the oxide 530b, and the conductor 542b and the oxide 530b.
  • Different layers may be formed between them. Since the different layer contains more oxygen than the conductor 542, it is presumed that the different layer has an insulating property.
  • the three-layer structure of the conductor 542, the different layer, and the oxide 530b can be regarded as a three-layer structure composed of a metal-insulator-semiconductor, and has a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure. Alternatively, it may be called a diode junction structure mainly composed of a MIS structure.
  • the different layer is not limited to being formed between the conductor 542 and the oxide 530b.
  • the different layer is formed between the conductor 542 and the oxide 530c, or when the different layer is conductive. It may be formed between the body 542 and the oxide 530b, and between the conductor 542 and the oxide 530c.
  • a metal oxide having a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, which functions as a channel forming region in the oxide 530 it is preferable to use a metal oxide having a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, which functions as a channel forming region in the oxide 530. As described above, by using a metal oxide having a large bandgap, the off-current of the transistor can be reduced.
  • the semiconductor material that can be used for the oxide 530 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, etc.) that functions as a semiconductor as a semiconductor material.
  • a layered substance also referred to as an atomic layer substance, a two-dimensional material, etc.
  • 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.
  • Layered materials include graphene, silicene, chalcogenides and the like.
  • 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 530 for example, it is preferable to use a transition metal chalcogenide that functions as a semiconductor.
  • Specific transition metal chalcogenides applicable as oxide 530 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 ).
  • the oxide 530 can suppress the diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 530a to the oxide 530b. Further, by having the oxide 530c on the oxide 530b, it is possible to suppress the diffusion of impurities into the oxide 530b from the structure formed above the oxide 530c.
  • the oxide 530 preferably has a laminated structure of a plurality of oxide layers having different atomic number ratios of each metal atom. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic number ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic number ratio of the element M in the constituent elements in the metal oxide used in the oxide 530b. Is preferable. Further, in the metal oxide used for the oxide 530a, 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 530b.
  • 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 530a.
  • the oxide 530c a metal oxide that can be used for the oxide 530a or the oxide 530b can be used.
  • the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 530a and the oxide 530c is higher than the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 530b.
  • the electron affinity of the oxide 530a and the oxide 530c is smaller than the electron affinity of the oxide 530b.
  • the energy level at the lower end of the conduction band changes gently.
  • the energy level at the lower end of the conduction band at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c is continuously changed or continuously bonded.
  • the oxide 530a and the oxide 530b, and the oxide 530b and the oxide 530c have a common element (main component) other than oxygen, so that a mixed layer having a low defect level density is formed.
  • a common element (main component) other than oxygen so that a mixed layer having a low defect level density is formed.
  • the oxide 530b is an In-Ga-Zn oxide, In-Ga-Zn oxide, Ga-Zn oxide, gallium oxide or the like may be used as the oxide 530a and the oxide 530c.
  • the main path of the carrier is the oxide 530b.
  • the defect level density at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b and the interface between the oxide 530b and the oxide 530c can be lowered. Therefore, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 500 can obtain a high on-current.
  • a conductor 542 (conductor 542a and conductor 542b) that functions as a source electrode and a drain electrode is provided on the oxide 530b.
  • the conductors 542 include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, berylium, indium, ruthenium, iridium, and strontium. It is preferable to use a metal element selected from lanthanum, 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. It is preferable because it is a conductive material or a material that maintains conductivity even if it absorbs oxygen.
  • a region 543 may be formed as a low resistance region at the interface of the oxide 530 with the conductor 542 and its vicinity thereof.
  • the region 543a functions as one of the source region or the drain region
  • the region 543b functions as the other of the source region or the drain region.
  • a channel forming region is formed in a region sandwiched between the region 543a and the region 543b.
  • the oxygen concentration in the region 543 may be reduced.
  • a metal compound layer containing the metal contained in the conductor 542 and the component of the oxide 530 may be formed in the region 543. In such a case, the carrier density of the region 543 increases, and the region 543 becomes a low resistance region.
  • the insulator 544 is provided so as to cover the conductor 542 and suppresses the oxidation of the conductor 542. At this time, the insulator 544 may be provided so as to cover the side surface of the oxide 530 and come into contact with the insulator 524.
  • a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like can be used. it can.
  • the insulator 544 it is preferable to use aluminum or an oxide containing one or both oxides of hafnium, such as aluminum oxide, hafnium oxide, and oxides containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate).
  • hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the heat treatment in the subsequent step.
  • the insulator 544 is not an indispensable configuration when the conductor 542 is a material having oxidation resistance or the conductivity does not significantly decrease even if oxygen is absorbed. It may be appropriately designed according to the desired transistor characteristics.
  • the insulator 550 functions as a gate insulating film.
  • the insulator 550 is preferably arranged in contact with the inside (upper surface and side surface) of the oxide 530c.
  • the insulator 550 is preferably formed by using an insulator that releases oxygen by heating.
  • the amount of oxygen desorbed in terms of oxygen atoms is 1.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or more, preferably 1.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or more, and more preferably 2.
  • It is an oxide film having a ratio of 0.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or more, or 3.0 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or more.
  • 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.
  • silicon oxide with excess oxygen silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide with fluorine added, silicon oxide with carbon added, silicon oxide with carbon and nitrogen added, and vacancies.
  • Silicon oxide can be used.
  • silicon oxide and silicon oxide nitride are preferable because they are stable against heat.
  • oxygen can be effectively applied from the insulator 550 to the channel forming region of the oxide 530b through the oxide 530c. Can be supplied. Further, similarly to the insulator 524, it is preferable that the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 550 is reduced.
  • the film thickness of the insulator 550 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.
  • a metal oxide may be provided between the insulator 550 and the conductor 560.
  • the metal oxide preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 550 to the conductor 560.
  • the diffusion of excess oxygen from the insulator 550 to the conductor 560 is suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 530.
  • oxidation of the conductor 560 due to excess oxygen can be suppressed.
  • a material that can be used for the insulator 544 may be used.
  • the conductor 560 functioning as the first gate electrode is shown as a two-layer structure in FIGS. 4A and 4B, it may have a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers.
  • Conductor 560a 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), conductive having a function of suppressing the diffusion of impurities such as copper atoms It is preferable to use a material. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one such as an oxygen atom and an oxygen molecule). Since the conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 560b from being oxidized by the oxygen contained in the insulator 550 to reduce the conductivity. As 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 560b it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, since the conductor 560b also functions as wiring, it is preferable to use a conductor having high conductivity. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. Further, the conductor 560b may have a laminated structure, for example, a laminated structure of titanium or titanium nitride and the conductive material.
  • the insulator 580 is provided on the conductor 542 via the insulator 544.
  • the insulator 580 preferably has an excess oxygen region.
  • silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide having pores , Or a resin or the like is preferable.
  • silicon oxide and silicon oxide nitride are preferable because they are thermally stable.
  • silicon oxide and silicon oxide having pores are preferable because an excess oxygen region can be easily formed in a later step.
  • the oxygen in the insulator 580 can be efficiently supplied to the oxide 530 through the oxide 530c. It is preferable that the concentration of impurities such as water and hydrogen in the insulator 580 is reduced.
  • the opening of the insulator 580 is formed so as to overlap the region between the conductor 542a and the conductor 542b.
  • the conductor 560 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 580 and the region sandwiched between the conductor 542a and the conductor 542b.
  • the conductor 560 may have a shape having a high aspect ratio.
  • the conductor 560 is provided so as to be embedded in the opening of the insulator 580, even if the conductor 560 has a shape having a high aspect ratio, the conductor 560 is formed without collapsing during the process. Can be done.
  • the insulator 574 is preferably provided in contact with the upper surface of the insulator 580, the upper surface of the conductor 560, and the upper surface of the insulator 550.
  • an excess oxygen region can be provided in the insulator 550 and the insulator 580.
  • oxygen can be supplied into the oxide 530 from the excess oxygen region.
  • the insulator 574 use one or more metal oxides selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like. Can be done.
  • the aluminum oxide film formed by the sputtering method can have a function as a barrier film for impurities such as hydrogen as well as an oxygen supply source.
  • the insulator 581 that functions as an interlayer film on the insulator 574.
  • the insulator 581 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film.
  • the conductor 540a and the conductor 540b are arranged in the openings formed in the insulator 581, the insulator 574, the insulator 580, and the insulator 544.
  • the conductor 540a and the conductor 540b are provided so as to face each other with the conductor 560 interposed therebetween.
  • the conductor 540a and the conductor 540b have the same configuration as the conductor 546 and the conductor 548 described later.
  • An insulator 582 is provided on the insulator 581.
  • the insulator 582 it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen and hydrogen. Therefore, the same material as the insulator 514 can be used for the insulator 582.
  • a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide for the insulator 582.
  • aluminum oxide has a high blocking effect that does not allow the membrane to permeate both oxygen and impurities such as hydrogen and water that cause fluctuations in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and water from being mixed into the transistor 500 during and after the manufacturing process of the transistor. In addition, the release of oxygen from the oxides constituting the transistor 500 can be suppressed. Therefore, it is suitable for use as a protective film for the transistor 500.
  • an insulator 586 is provided on the insulator 582.
  • the same material as the insulator 320 can be used.
  • a material having a relatively low dielectric constant as an interlayer film it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
  • a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used as the insulator 586.
  • the insulator 520, the insulator 522, the insulator 524, the insulator 544, the insulator 580, the insulator 574, the insulator 581, the insulator 582, and the insulator 586 include the conductor 546 and the conductor 548. Is embedded.
  • the conductor 546 and the conductor 548 have a function as a plug or wiring for connecting to the capacitive element 600, the transistor 500, or the transistor 300.
  • the conductor 546 and the conductor 548 can be provided by using the same materials as the conductor 328 and the conductor 330.
  • the capacitive element 600 has a conductor 610, a conductor 620, and an insulator 630.
  • the conductor 612 may be provided on the conductor 546 and the conductor 548.
  • the conductor 612 has a function as a plug or wiring for connecting to the transistor 500.
  • the conductor 610 has a function as an electrode of the capacitive element 600.
  • the conductor 612 and the conductor 610 can be formed at the same time.
  • the conductor 612 and the conductor 610 include a metal film containing an element selected from molybdenum, titanium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, chromium, neodymium, and scandium, or a metal nitride film containing the above-mentioned elements as components.
  • a metal nitride film, titanium nitride film, molybdenum nitride film, tungsten nitride film and the like can 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 oxide are added. It is also possible to apply a conductive material such as indium tin oxide.
  • the conductor 612 and the conductor 610 are shown as 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 conductor 620 is provided so as to overlap the conductor 610 via the insulator 630.
  • a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material can be used. It is preferable to use a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten.
  • tungsten When it is formed at the same time as another structure such as a conductor, Cu (copper), Al (aluminum), or the like, which are low resistance metal materials, may be used.
  • An insulator 650 is provided on the conductor 620 and the insulator 630.
  • the insulator 650 can be provided by using the same material as the insulator 320. Further, the insulator 650 may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator 650.
  • a transistor having an oxide semiconductor By using this structure, in a semiconductor device using a transistor having an oxide semiconductor, fluctuations in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved. Alternatively, a transistor having an oxide semiconductor having a large on-current can be provided. Alternatively, a transistor having an oxide semiconductor having a small off-current can be provided. Alternatively, in a semiconductor device using a transistor having an oxide semiconductor, miniaturization or high integration can be achieved.
  • the transistor 500 of the semiconductor device shown in this embodiment is not limited to the above structure.
  • structural examples that can be used for the transistor 500 will be described.
  • FIG. 5A is a top view of the transistor 510A.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 5A.
  • some elements are omitted for the purpose of clarifying the figure.
  • 5A, 5B and 5C show the transistor 510A and the insulator 511, insulator 512, insulator 514, insulator 516, insulator 580, insulator 582, and insulator 584 that function as interlayer films. There is. Further, a conductor 546 (conductor 546a and a conductor 546b) that is electrically connected to the transistor 510A and functions as a contact plug, and a conductor 503 that functions as wiring are shown.
  • the transistor 510A includes a conductor 560 (conductor 560a and a conductor 560b) that functions as a first gate electrode, a conductor 505 that functions as a second gate electrode (conductor 505a, and a conductor 505b), and a conductor 505b.
  • An insulator 550 that functions as a first gate insulating film, an insulator 521 that functions as a second gate insulating film, an insulator 522, and an insulator 524, and an oxide 530 (oxidation) having a region in which a channel is formed.
  • It has an object 530a, an oxide 530b, and an oxide 530c), a conductor 542a that functions as one of the source or drain, a conductor 542b that functions as the other of the source or drain, and an insulator 574.
  • the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 are arranged in the opening provided in the insulator 580 via the insulator 574. Further, the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 are arranged between the conductor 542a and the conductor 542b.
  • the insulator 511 and the insulator 512 function as an interlayer film.
  • silicon oxide, silicon nitride nitride, silicon oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconate oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTIO 3 ) or (Ba, Sr) Insulators such as TiO 3 (BST) can be used in single layers or in layers.
  • aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide may be added to these insulators.
  • these insulators may be nitrided. Silicon oxide, silicon oxide or silicon nitride may be laminated on the above insulator.
  • the insulator 511 preferably functions as a barrier film that suppresses impurities such as water and hydrogen from being mixed into the transistor 510A from the substrate side. Therefore, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (the above impurities are difficult to permeate) for the insulator 511. Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one such as an oxygen atom and an oxygen molecule) (the oxygen is difficult to permeate). Further, for example, aluminum oxide, silicon nitride, or the like may be used as the insulator 511. With this configuration, it is possible to prevent impurities such as hydrogen and water from diffusing from the substrate side to the transistor 510A side of the insulator 511.
  • the insulator 512 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 511.
  • a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
  • the conductor 503 is formed so as to be embedded in the insulator 512.
  • the height of the upper surface of the conductor 503 and the height of the upper surface of the insulator 512 can be made about the same.
  • the conductor 503 is shown to have a single layer structure, the present invention is not limited to this.
  • the conductor 503 may have a multilayer structure of two or more layers.
  • the conductor 560 may function as a first gate electrode. Further, the conductor 505 may function as a second gate electrode.
  • the threshold voltage of the transistor 510A can be controlled by changing the potential applied to the conductor 505 independently without interlocking with the potential applied to the conductor 560. In particular, by applying a negative potential to the conductor 505, the threshold voltage of the transistor 510A can be made larger than 0V, and the off-current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 505, the drain current when the potential applied to the conductor 560 is 0 V can be made smaller than when it is not applied.
  • an electric field generated from the conductor 560 and an electric field generated from the conductor 505 are provided. Can cover the channel-forming region formed in the oxide 530.
  • the channel forming region can be electrically surrounded by the electric field of the conductor 560 having the function as the first gate electrode and the electric field of the conductor 505 having the function as the second gate electrode. That is, it has a surroundd channel (S-channel) structure, similar to the transistor 500 described above.
  • the insulator 514 and the insulator 516 function as an interlayer film in the same manner as the insulator 511 or the insulator 512.
  • the insulator 514 preferably functions as a barrier film that suppresses impurities such as water and hydrogen from being mixed into the transistor 510A from the substrate side. With this configuration, it is possible to prevent impurities such as hydrogen and water from diffusing from the substrate side to the transistor 510A side of the insulator 514.
  • the insulator 516 preferably has a lower dielectric constant than the insulator 514. By using a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
  • the conductor 505 that functions as the second gate
  • the conductor 505a is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 514 and the insulator 516, and the conductor 505b is further formed inside.
  • the height of the upper surface of the conductor 505a and the conductor 505b and the height of the upper surface of the insulator 516 can be made about the same.
  • the transistor 510A shows a configuration in which the conductor 505a and the conductor 505b are laminated
  • the present invention is not limited to this.
  • the conductor 505 may have a single layer or a laminated structure of three or more layers.
  • the conductor 505a it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms (the above impurities are difficult to permeate).
  • a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one such as an oxygen atom and an oxygen molecule (the oxygen is difficult to permeate).
  • the function of suppressing the diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing the diffusion of any one or all of the above impurities or the above oxygen.
  • the conductor 505a since the conductor 505a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 505b from being oxidized and the conductivity from being lowered.
  • the conductor 505 also functions as a wiring
  • a highly conductive conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component for the conductor 505b.
  • the conductor 503 does not necessarily have to be provided.
  • the conductor 505b 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 521, the insulator 522, and the insulator 524 have a function as a second gate insulating film.
  • the insulator 522 preferably has a barrier property. Since the insulator 522 has a barrier property, it functions as a layer for suppressing the mixing of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 510A into the transistor 510A.
  • the insulator 522 may be, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), tantalum oxide, zirconate oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTIO 3 ) or ( It is preferable to use an insulator containing Ba, Sr) TiO 3 (BST) or the like in a single layer or in a laminated manner. As the miniaturization and high integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulating film. By using a high-k material for the insulator that functions as a gate insulating film, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.
  • the insulator 521 is preferably thermally stable.
  • silicon oxide and silicon nitride nitride are suitable because they are thermally stable.
  • an insulator 521 having a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity can be obtained.
  • FIG. 5 shows a laminated structure of three layers as the second gate insulating film, it may be a laminated structure of two or less layers or four or more layers. In that case, the laminated structure is not limited to the same material, and may be a laminated structure made of different materials.
  • the oxide 530 having a region functioning as a channel forming region has an oxide 530a, an oxide 530b on the oxide 530a, and an oxide 530c on the oxide 530b.
  • the oxide 530a under the oxide 530b it is possible to suppress the diffusion of impurities into the oxide 530b from the structure formed below the oxide 530a.
  • the oxide 530c on the oxide 530b it is possible to suppress the diffusion of impurities into the oxide 530b from the structure formed above the oxide 530c.
  • the oxide 530 an oxide semiconductor which is a kind of the above-mentioned metal oxide can be used.
  • the oxide 530c is preferably provided in the opening provided in the insulator 580 via the insulator 574.
  • the insulator 574 has a barrier property, it is possible to prevent impurities from the insulator 580 from diffusing into the oxide 530.
  • One of the conductors 542 functions as a source electrode and the other functions as a drain electrode.
  • a metal such as aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, tantalum, or tungsten, or an alloy containing the same as a main component can be used. ..
  • a metal nitride film such as tantalum nitride is preferable because it has a barrier property against hydrogen or oxygen and has high oxidation resistance.
  • the conductor 542a and the conductor 542b may be a laminated structure having two or more layers.
  • a tantalum nitride film and a tungsten film may be laminated.
  • the titanium film and the aluminum film may be laminated.
  • a two-layer structure in which an aluminum film is laminated on a tungsten film a two-layer structure in which a copper film is laminated on a copper-magnesium-aluminum alloy film, a two-layer structure in which a copper film is laminated on a titanium film, and a tungsten film. It may have a two-layer structure in which copper films are laminated.
  • a molybdenum nitride film and an aluminum film or a copper film are laminated on the molybdenum film or the molybdenum nitride film, and a molybdenum film or a molybdenum nitride film is further formed on the aluminum film or the copper film.
  • a transparent conductive material containing indium oxide, tin oxide or zinc oxide may be used.
  • a barrier layer may be provided on the conductor 542.
  • the barrier layer it is preferable to use a substance having a barrier property against oxygen or hydrogen. With this configuration, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 542 when the insulator 574 is formed.
  • a metal oxide can be used for the barrier layer.
  • an insulating film having a barrier property against oxygen and hydrogen such as aluminum oxide, hafnium oxide, and gallium oxide.
  • silicon nitride formed by the CVD method may be used.
  • the range of material selection of the conductor 542 can be expanded.
  • a material having low oxidation resistance but high conductivity such as tungsten or aluminum, can be used.
  • a conductor that is easy to form a film or process can be used.
  • the insulator 550 functions as a first gate insulating film.
  • the insulator 550 is preferably provided in the opening provided in the insulator 580 via the oxide 530c and the insulator 574.
  • the insulator 550 may have a laminated structure as in the case of the second gate insulating film.
  • an insulator that functions as a gate insulating film in a laminated structure of a high-k material and a thermally stable material, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness. It becomes.
  • a laminated structure that is thermally stable and has a high relative permittivity can be obtained.
  • the conductor 560 functioning as the first gate electrode has a conductor 560a and a conductor 560b on the conductor 560a.
  • the conductor 560a it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms, similarly to the conductor 505a.
  • a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one such as an oxygen atom and an oxygen molecule).
  • the conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, the range of material selectivity of the conductor 560b can be widened. That is, by having the conductor 560a, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560b and prevent 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.
  • an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used as the conductor 560a. In that case, by forming the conductor 560b into a film by a sputtering method, the electric resistance value of the conductor 560a can be reduced to form a conductor. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.
  • the conductor 560b it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, since the conductor 560b functions as wiring, it is preferable to use a conductor having high conductivity. For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used. Further, the conductor 560b may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.
  • Insulator 574 is placed between the insulator 580 and the transistor 510A.
  • the insulator 574 it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as water and hydrogen and oxygen.
  • impurities such as water and hydrogen and oxygen.
  • metal oxides such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide or tantalum oxide, silicon nitride or silicon nitride can be used.
  • the insulator 574 By having the insulator 574, it is possible to prevent impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 580 from diffusing into the oxide 530b via the oxide 530c and the insulator 550. Further, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560 due to the excess oxygen contained in the insulator 580.
  • the insulator 580, the insulator 582, and the insulator 584 function as an interlayer film.
  • the insulator 582 preferably functions as a barrier insulating film that prevents impurities such as water and hydrogen from being mixed into the transistor 510A from the outside.
  • the insulator 580 and the insulator 584 like the insulator 516, preferably have a lower dielectric constant than the insulator 582.
  • a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
  • the transistor 510A may be electrically connected to another structure via a plug or wiring such as an insulator 580, an insulator 582, and a conductor 546 embedded in the insulator 584.
  • a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material can be used as a single layer or laminated. ..
  • a refractory material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity.
  • 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.
  • tantalum nitride which is a conductor having a barrier property against hydrogen and oxygen, and tungsten having high conductivity as the conductor 546, the conductivity as a wiring is maintained. , It is possible to suppress the diffusion of impurities from the outside.
  • FIG. 6A is a top view of the transistor 510B.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 6A.
  • FIG. 6C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 6A.
  • some elements are omitted for the purpose of clarifying the figure.
  • Transistor 510B is a modification of transistor 510A. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, the points different from the transistor 510A will be mainly described.
  • the transistor 510B has a region in which the conductor 542 (conductor 542a and conductor 542b) and the oxide 530c, the insulator 550, and the conductor 560 overlap. With this structure, it is possible to provide a transistor having a high on-current. Further, it is possible to provide a transistor having high controllability.
  • the conductor 560 functioning as the first gate electrode has a conductor 560a and a conductor 560b on the conductor 560a.
  • the conductor 560a it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, and copper atoms, similarly to the conductor 505a.
  • a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one such as an oxygen atom and an oxygen molecule).
  • the conductor 560a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, the material selectivity of the conductor 560b can be improved. That is, by having the conductor 560a, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560b and prevent the conductivity from being lowered.
  • the insulator 574 it is preferable to provide the insulator 574 so as to cover the upper surface and the side surface of the conductor 560, the side surface of the insulator 550, and the side surface of the oxide 530c.
  • the insulator 574 it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as water and hydrogen and oxygen.
  • impurities such as water and hydrogen and oxygen.
  • metal oxides such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide or tantalum oxide, silicon nitride or silicon nitride can be used.
  • oxidation of the conductor 560 can be suppressed. Further, by having the insulator 574, it is possible to suppress the diffusion of impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 580 to the transistor 510B.
  • an insulator 576 having a barrier property may be arranged between the conductor 546 and the insulator 580.
  • insulator 576a and insulator 576b may be arranged between the conductor 546 and the insulator 580.
  • the insulator 576 having a barrier property it is possible to widen the range of material selection of the conductor used for the plug and the wiring. For example, by using a metal material having a property of absorbing oxygen and having high conductivity in the conductor 546, it is possible to provide a semiconductor device having low power consumption. Specifically, a material having low oxidation resistance but high conductivity such as tungsten and aluminum can be used. Further, for example, a conductor that is easy to form a film or process can be used.
  • FIG. 7A is a top view of the transistor 510C.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 7A.
  • FIG. 7C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 7A.
  • some elements are omitted for the purpose of clarifying the figure.
  • Transistor 510C is a modification of transistor 510A. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, the points different from the transistor 510A will be mainly described.
  • the conductor 547a is arranged between the conductor 542a and the oxide 530b, and the conductor 547b is arranged between the conductor 542b and the oxide 530b.
  • the conductor 542a extends beyond the upper surface of the conductor 547a (conductor 547b) and the side surface on the conductor 560 side, and has a region in contact with the upper surface of the oxide 530b.
  • the conductor 547 a conductor that can be used for the conductor 542 may be used.
  • the film thickness of the conductor 547 is preferably at least thicker than that of the conductor 542.
  • the transistor 510C shown in FIG. 7 can bring the conductor 542 closer to the conductor 560 than the transistor 510A.
  • the conductor 560 can be overlapped with the end of the conductor 542a and the end of the conductor 542b.
  • the substantial channel length of the transistor 510C can be shortened, and the on-current and frequency characteristics can be improved.
  • the conductor 547a (conductor 547b) is provided so as to overlap with the conductor 542a (conductor 542b).
  • the conductor 547a (conductor 547b) functions as a stopper and the oxide 530b is overetched. Can be prevented.
  • the transistor 510C shown in FIG. 7 may have a configuration in which the insulator 545 is arranged in contact with the insulator 544.
  • the insulator 544 preferably functions as a barrier insulating film that suppresses impurities such as water and hydrogen and excess oxygen from being mixed into the transistor 510C from the insulator 580 side.
  • an insulator that can be used for the insulator 544 can be used.
  • a nitride insulator such as aluminum nitride, titanium nitride, titanium nitride, silicon nitride, or silicon nitride may be used.
  • the transistor 510C shown in FIG. 7 may not be provided with the conductor 503, and the conductor 505 may be provided with a single-layer structure.
  • an insulating film to be an insulator 516 is formed on the patterned conductor 505, and the upper portion of the insulating film is removed by a CMP method or the like until the upper surface of the conductor 505 is exposed.
  • the average surface roughness (Ra) of the upper surface of the conductor 505 may be 1 nm or less, preferably 0.5 nm or less, and more preferably 0.3 nm or less.
  • FIG. 8A is a top view of the transistor 510D.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 8A.
  • FIG. 8C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 8A.
  • some elements are omitted for the purpose of clarifying the figure.
  • the transistor 510D is a modification of the above transistor. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, the points different from the above-mentioned transistor will be mainly described.
  • the conductor 505 having a function as a second gate is also used as a wiring without providing the conductor 503. Further, it has an insulator 550 on the oxide 530c and a metal oxide 552 on the insulator 550. Further, the conductor 560 is provided on the metal oxide 552, and the insulator 570 is provided on the conductor 560. Further, the insulator 571 is provided on the insulator 570.
  • the metal oxide 552 preferably has a function of suppressing oxygen diffusion.
  • the metal oxide 552 that suppresses the diffusion of oxygen between the insulator 550 and the conductor 560 the diffusion of oxygen into the conductor 560 is suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 530.
  • the oxidation of the conductor 560 by oxygen can be suppressed.
  • the metal oxide 552 may have a function as a part of the first gate.
  • an oxide semiconductor that can be used as the oxide 530 can be used as the metal oxide 552.
  • the conductor 560 by forming the conductor 560 into a film by a sputtering method, the electric resistance value of the metal oxide 552 can be lowered to form a conductive layer. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.
  • the metal oxide 552 may have a function as a part of the gate insulating film. Therefore, when silicon oxide, silicon oxide nitride, or the like is used for the insulator 550, it is preferable to use a metal oxide which is a high-k material having a high relative permittivity as the metal oxide 552.
  • a metal oxide which is a high-k material having a high relative permittivity as the metal oxide 552.
  • the laminated structure 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.
  • the equivalent oxide film thickness (EOT) of the insulating layer that functions as the gate insulating film can be thinned.
  • the metal oxide 552 is shown as a single layer, but a laminated structure of two or more layers may be used.
  • a metal oxide that functions as a part of the gate electrode and a metal oxide that functions as a part of the gate insulating film may be laminated and provided.
  • the on-current of the transistor 510D can be improved without weakening the influence of the electric field from the conductor 560.
  • the physical thickness of the insulator 550 and the metal oxide 552 keeps the distance between the conductor 560 and the oxide 530, so that the conductor 560 and the conductor 560 are separated from each other. The leakage current with the oxide 530 can be suppressed. Therefore, by providing the laminated structure of the insulator 550 and the metal oxide 552, the physical distance between the conductor 560 and the oxide 530 and the electric field strength applied from the conductor 560 to the oxide 530 can be determined. It can be easily adjusted as appropriate.
  • the oxide semiconductor that can be used for the oxide 530 it can be used as the metal oxide 552.
  • a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like can be used.
  • hafnium oxide an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), which is an insulating layer containing one or both oxides of aluminum or hafnium.
  • hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is difficult to crystallize in the heat treatment in the subsequent step.
  • the metal oxide 552 is not an essential configuration. It may be appropriately designed according to the desired transistor characteristics.
  • the insulator 570 it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen.
  • an insulating material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen and oxygen For example, it is preferable to use aluminum oxide or hafnium oxide. As a result, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 560 by oxygen from above the insulator 570. Further, it is possible to prevent impurities such as water or hydrogen from above the insulator 570 from being mixed into the oxide 530 via the conductor 560 and the insulator 550.
  • the insulator 571 functions as a hard mask. By providing the insulator 571, when the conductor 560 is processed, the side surface of the conductor 560 is approximately vertical, specifically, the angle formed by the side surface of the conductor 560 and the surface of the substrate is 75 degrees or more and 100 degrees or less. It can be preferably 80 degrees or more and 95 degrees or less.
  • the insulator may also function as a barrier layer. In that case, the insulator 570 does not have to be provided.
  • the insulator 571 As a hard mask and selectively removing a part of the insulator 570, the conductor 560, the metal oxide 552, the insulator 550, and the oxide 530c, these sides are made to substantially match. Moreover, a part of the surface of the oxide 530b can be exposed.
  • the transistor 510D has a region 531a and a region 531b on a part of the surface of the exposed oxide 530b.
  • One of the regions 531a or 531b functions as a source region and the other functions as a drain region.
  • regions 531a and 531b introduces impurity elements such as phosphorus or boron into the exposed oxide 530b surface using, for example, ion implantation, ion doping, plasma implantation ion implantation, or plasma treatment. It can be realized by.
  • the “impurity element” refers to an element other than the main component element.
  • a metal film is formed after exposing a part of the surface of the oxide 530b, and then heat treatment is performed to diffuse the elements contained in the metal film into the oxide 530b to form a region 531a and a region 531b. You can also do it.
  • the region 531a and the region 531b may be referred to as an "impurity region” or a "low resistance region”.
  • the region 531a and the region 531b can be formed in a self-aligned manner. Therefore, the region 531a and / or the region 531b and the conductor 560 do not overlap, and the parasitic capacitance can be reduced. Further, no offset region is formed between the channel formation region and the source / drain region (region 531a or region 531b). By forming the region 531a and the region 531b in a self-aligned manner, it is possible to increase the on-current, reduce the threshold voltage, improve the operating frequency, and the like.
  • An offset region may be provided between the channel formation region and the source / drain region in order to further reduce the off-current.
  • the offset region is a region having a high electrical resistivity and is a region in which the above-mentioned impurity elements are not introduced.
  • the formation of the offset region can be realized by introducing the above-mentioned impurity element after the formation of the insulator 575.
  • the insulator 575 also functions as a mask in the same manner as the insulator 571 and the like. Therefore, the impurity element is not introduced into the region of the oxide 530b that overlaps with the insulator 575, and the electrical resistivity of the region can be kept high.
  • the transistor 510D has an insulator 570, a conductor 560, a metal oxide 552, an insulator 550, and an insulator 575 on the side surface of the oxide 530c.
  • the insulator 575 is preferably an insulator having a low relative permittivity. For example, with silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide with fluorine, silicon oxide with carbon, silicon oxide with carbon and nitrogen, silicon oxide with pores, or resin. It is preferable to have.
  • silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, or silicon oxide having pores in the insulator 575 because an excess oxygen region can be easily formed in the insulator 575 in a later step.
  • silicon oxide and silicon oxide nitride are preferable because they are thermally stable.
  • the insulator 575 preferably has a function of diffusing oxygen.
  • the transistor 510D has an insulator 574 on the insulator 575 and the oxide 530.
  • the insulator 574 is preferably formed by a sputtering method. By using the sputtering method, an insulator having few impurities such as water or hydrogen can be formed. For example, aluminum oxide may be used as the insulator 574.
  • the oxide film using the sputtering method may extract hydrogen from the structure to be filmed. Therefore, the insulator 574 absorbs hydrogen and water from the oxide 530 and the insulator 575, so that the hydrogen concentration of the oxide 530 and the insulator 575 can be reduced.
  • FIG. 9A is a top view of the transistor 510E.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 9A.
  • FIG. 9C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 9A.
  • some elements are omitted for the purpose of clarifying the figure.
  • the transistor 510E is a modification of the above transistor. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, the points different from the above-mentioned transistor will be mainly described.
  • a region 531a and a region 531b are provided on a part of the surface of the exposed oxide 530b without providing the conductor 542.
  • One of the regions 531a or 531b functions as a source region and the other functions as a drain region.
  • an insulator 573 is provided between the oxide 530b and the insulator 574.
  • the region 531 (region 531a and region 531b) shown in FIG. 9 is a region in which the following elements are added to the oxide 530b.
  • Region 531 can be formed, for example, by using a dummy gate.
  • the dummy gate on the oxide 530b, use the dummy gate as a mask, and add an element that lowers the resistance of the oxide 530b. That is, the element is added to the region where the oxide 530 does not overlap with the dummy gate, and the region 531 is formed.
  • the method for adding the element include an ion implantation method in which ionized raw material gas is added by mass separation, an ion implantation method in which ionized raw material gas is added without mass separation, and a plasma imaging ion implantation method. Can be used.
  • Typical examples of the element that lowers the resistance of the oxide 530 include boron and phosphorus. Further, hydrogen, carbon, nitrogen, fluorine, sulfur, chlorine, titanium, rare gas and the like may be used. Typical examples of rare gases include helium, neon, argon, krypton, xenon and the like. The concentration of the element may be measured by using a secondary ion mass spectrometry (SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry) or the like.
  • SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry
  • boron and phosphorus are preferable because equipment on a production line such as low-temperature polysilicon can be used. Existing equipment can be diverted and capital investment can be suppressed.
  • an insulating film to be an insulator 573 and an insulating film to be an insulator 574 may be formed on the oxide 530b and the dummy gate.
  • the insulating film to be the insulator 580 is provided on the insulating film to be the insulator 574, the insulating film to be the insulator 580 is subjected to CMP (Chemical Mechanical Polishing) treatment to obtain the insulator 580.
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • a part of the insulating film is removed to expose the dummy gate.
  • an oxide film to be an oxide 530c, an insulating film to be an insulator 550, and a conductive film to be a conductor 560 are sequentially formed in the opening, and then CMP treatment or the like is performed until the insulator 580 is exposed.
  • the transistor shown in FIG. 9 can be formed by removing a part of the oxide film that becomes the oxide 530c, the insulating film that becomes the insulator 550, and the conductive film that becomes the conductor 560.
  • the insulator 573 and the insulator 574 are not essential configurations. It may be appropriately designed according to the desired transistor characteristics.
  • FIG. 10A is a top view of the transistor 510F.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line L1-L2 in FIG. 10A.
  • FIG. 10C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line W1-W2 in FIG. 10A.
  • some elements are omitted for the purpose of clarifying the figure.
  • the transistor 510F is a modified example of the transistor 510A. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, the points different from the above-mentioned transistor will be mainly described.
  • a part of the insulator 574 is provided in the opening provided in the insulator 580 and is provided so as to cover the side surface of the conductor 560.
  • an opening is formed by removing a part of the insulator 580 and the insulator 574.
  • an insulator 576 having a barrier property may be arranged between the conductor 546 and the insulator 580.
  • insulator 576a and insulator 576b may be arranged between the conductor 546 and the insulator 580.
  • the oxide 530 When an oxide semiconductor is used as the oxide 530, it is preferable to have a laminated structure of a plurality of oxide layers having different atomic number ratios of each metal atom. Specifically, in the metal oxide used for the oxide 530a, the atomic number ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic number ratio of the element M in the constituent elements in the metal oxide used in the oxide 530b. Is preferable. Further, in the metal oxide used for the oxide 530a, 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 530b.
  • 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 530a.
  • the oxide 530c a metal oxide that can be used for the oxide 530a or the oxide 530b can be used.
  • the oxides 530a, 530b, and 530c are preferably crystalline, and it is particularly preferable to use CAAC-OS.
  • Crystalline oxides such as CAAC-OS have few impurities and defects (oxygen deficiency, etc.), and have a highly crystalline and dense structure. Therefore, it is possible to suppress the extraction of oxygen from the oxide 530b by the source electrode or the drain electrode. As a result, oxygen can be reduced from being extracted from the oxide 530b even if heat treatment is performed, so that the transistor 510F is stable against a high temperature (or thermal budget) in the manufacturing process.
  • the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 530a and the oxide 530c is higher than the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 530b. It is preferably higher. In other words, it is preferable that the electron affinity of the oxide 530a and the oxide 530c is smaller than the electron affinity of the oxide 530b. In this case, it is preferable to use a metal oxide that can be used for the oxide 530a as the oxide 530c.
  • the atomic number ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic number ratio of the element M in the constituent elements in the metal oxide used in the oxide 530b. Is preferable.
  • 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 530b.
  • 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 530c.
  • the energy level at the lower end of the conduction band changes gently.
  • the energy level at the lower end of the conduction band at the junction of the oxide 530a, the oxide 530b, and the oxide 530c is continuously changed or continuously bonded.
  • the oxide 530a and the oxide 530b, and the oxide 530b and the oxide 530c have a common element (main component) other than oxygen, thereby forming a mixed layer having a low defect level density.
  • the oxide 530b is an In-Ga-Zn oxide, In-Ga-Zn oxide, Ga-Zn oxide, gallium oxide or the like can be used as the oxide 530a and the oxide 530c.
  • the oxide 530c may have a laminated structure.
  • a laminated structure with gallium oxide can be used.
  • a laminated structure of an In-Ga-Zn oxide and an oxide containing no In may be used as the oxide 530c.
  • the oxide 530c has a laminated structure
  • the main path of the carrier is the oxide 530b.
  • the defect level density at the interface between the oxide 530a and the oxide 530b and the interface between the oxide 530b and the oxide 530c can be lowered. Therefore, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 510F can obtain high on-current and high frequency characteristics.
  • the oxide 530c has a laminated structure, in addition to the effect of lowering the defect level density at the interface between the oxide 530b and the oxide 530c, the constituent elements of the oxide 530c are on the insulator 550 side. It is expected to suppress the spread to.
  • the oxide 530c has a laminated structure and the oxide containing no In is positioned above the laminated structure, In that can be diffused to the insulator 550 side can be suppressed. Since the insulator 550 functions as a gate insulator, if In is diffused, the characteristics of the transistor become poor. Therefore, by forming the oxide 530c in a laminated structure, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device.
  • the oxide 530 it is preferable to use a metal oxide that functions as an oxide semiconductor.
  • the metal oxide serving as the channel forming region of the oxide 530 it is preferable to use an 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.
  • Transistor structure example 7 A structural example of the transistor 510G will be described with reference to FIGS. 11A and 11B.
  • Transistor 510G is a modification of transistor 500. Therefore, in order to prevent the description from being repeated, the points different from the above-mentioned transistor will be mainly described.
  • the configuration shown in FIGS. 11A and 11B can also be applied to other transistors included in the semiconductor device of one embodiment of the present invention, such as the transistor 300.
  • FIG. 11A is a cross-sectional view of the transistor 510G in the channel length direction
  • FIG. 11B is a cross-sectional view of the transistor 510G in the channel width direction.
  • the transistor 510G shown in FIGS. 11A and 11B is different from the transistor 500 shown in FIGS. 4A and 4B in that it has an insulator 402 and an insulator 404. Further, it is different from the transistor 500 shown in FIGS. 4A and 4B in that the insulator 551 is provided in contact with the side surface of the conductor 540a and the insulator 551 is provided in contact with the side surface of the conductor 540b. Further, it is different from the transistor 500 shown in FIGS. 4A and 4B in that it does not have the insulator 520.
  • an insulator 402 is provided on the insulator 512. Further, the insulator 404 is provided on the insulator 574 and on the insulator 402.
  • the insulator 514, the insulator 516, the insulator 522, the insulator 524, the insulator 544, the insulator 580, and the insulator 574 are patterned, and the insulator 404 is these. It has a structure that covers. That is, the insulator 404 includes an upper surface of the insulator 574, a side surface of the insulator 574, a side surface of the insulator 580, a side surface of the insulator 544, a side surface of the insulator 524, a side surface of the insulator 522, a side surface of the insulator 516, and an insulator. It is in contact with the side surface of the body 514 and the upper surface of the insulator 402, respectively. As a result, the oxide 530 and the like are separated from the outside by the insulator 404 and the insulator 402.
  • the insulator 402 and the insulator 404 have a high function of suppressing the diffusion of hydrogen (for example, at least one hydrogen atom, hydrogen molecule, etc.) or water molecule.
  • hydrogen for example, at least one hydrogen atom, hydrogen molecule, etc.
  • the insulator 402 and the insulator 404 it is preferable to use silicon nitride or silicon nitride oxide, which is a material having a high hydrogen barrier property.
  • silicon nitride or silicon nitride oxide which is a material having a high hydrogen barrier property.
  • the insulator 551 is provided in contact with the insulator 581, the insulator 404, the insulator 574, the insulator 580, and the insulator 544.
  • the insulator 551 preferably has a function of suppressing the diffusion of hydrogen or water molecules.
  • an insulator such as silicon nitride, aluminum oxide, or silicon nitride, which is a material having a high hydrogen barrier property.
  • silicon nitride is a material having a high hydrogen barrier property, it is suitable to be used as an insulator 551.
  • the insulator 551 By using a material having a high hydrogen barrier property as the insulator 551, it is possible to prevent impurities such as water or hydrogen from diffusing from the insulator 580 or the like to the oxide 530 through the conductor 540a and the conductor 540b. Further, it is possible to suppress the oxygen contained in the insulator 580 from being absorbed by the conductor 540a and the conductor 540b. As described above, the reliability of the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be enhanced.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration example of a semiconductor device when the transistor 500 and the transistor 300 have the configurations shown in FIGS. 11A and 11B.
  • An insulator 551 is provided on the side surface of the conductor 546.
  • FIGS. 13A and 13B are modified examples of the transistor 510G shown in FIGS. 11A and 11B.
  • FIG. 13A is a cross-sectional view of the transistor in the channel length direction
  • FIG. 13B is a cross-sectional view of the transistor in the channel width direction.
  • the transistors shown in FIGS. 13A and 13B are different from the transistors shown in FIGS. 11A and 11B in that the oxide 530c has a two-layer structure of an oxide 530c1 and an oxide 530c2.
  • the oxide 530c1 is in contact with the upper surface of the insulator 524, the side surface of the oxide 530a, the upper surface and the side surface of the oxide 530b, the side surface of the conductor 542a and the conductor 542b, the side surface of the insulator 544, and the side surface of the insulator 580.
  • the oxide 530c2 is in contact with the insulator 550.
  • the oxide 530c1 for example, In—Zn oxide can be used.
  • the oxide 530c2 the same material as the material that can be used for the oxide 530c when the oxide 530c has a one-layer structure can be used.
  • Metal oxides can be used.
  • the oxide 530c By forming the oxide 530c into a two-layer structure of the oxide 530c1 and the oxide 530c2, the on-current of the transistor can be increased as compared with the case where the oxide 530c has a one-layer structure. Therefore, the transistor can be, for example, a power MOS transistor.
  • the oxide 530c of the transistors shown in FIGS. 4A and 4B can also have a two-layer structure of oxide 530c1 and oxide 530c2.
  • the transistors shown in FIGS. 13A and 13B can be applied to, for example, the transistor 500, the transistor 300, or both.
  • 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. Further, one or more kinds selected from boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lantern, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, cobalt and the like may be contained.
  • FIG. 14A 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”, and “Crystal”.
  • Amorphous includes “completable amorphous”.
  • Crystalline includes CAAC (c-axis-aligned crystalline), nc (nanocrystalline), and CAC (cloud-aligned composite).
  • 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. 14A 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. 14B the XRD spectrum obtained by GIXD (Glazing-Incidence XRD) measurement of a CAAC-IGZO film classified as "Crystalline" is shown in FIG. 14B.
  • 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. 14B will be simply referred to as an XRD spectrum.
  • the thickness of the CAAC-IGZO film shown in FIG. 14B is 500 nm.
  • the horizontal axis is 2 ⁇ [deg. ], And the vertical axis is the intensity [a. u. ].
  • 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. 14C.
  • FIG. 14C 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. 14A.
  • 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 has 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. Tend. 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. It should be noted 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 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 having high crystallinity and no clear grain boundary is 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 be lowered 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 (or thermal budgets) in the manufacturing process. Therefore, if CAAC-OS is used for 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 the material is separated into a first region and a second region to form a mosaic shape, and the first region is distributed in the membrane (hereinafter, cloud shape). Also called). 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 expressed as [In], [Ga], and [Zn], respectively.
  • the first region is a region in which [In] is larger than [In] in the composition of the CAC-OS film.
  • the second region is a region in which [Ga] is larger than [Ga] in the composition of the CAC-OS film.
  • the first region is a region in which [In] is larger than [In] in the second region and [Ga] is smaller than [Ga] in the second region.
  • the second region is a region in which [Ga] is larger than [Ga] in the first region and [In] is 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 obtained 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.
  • 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 having 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
  • a defect level 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, and 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 .
  • FIG. 15 shows an image diagram of factory automation.
  • the factory 884 is connected to the cloud 883 via an internet line (Internet).
  • the cloud 883 is also connected to the home 881 and the office 882 via an internet line.
  • the Internet line may be a wired communication system or a wireless communication system.
  • 4G 4th generation mobile communication system
  • 5G 5th generation mobile communication system
  • the factory 884 may be connected to the factory 885 and the factory 886 via an internet line.
  • Factory 884 has a master device (control device) 831.
  • the master device 831 has a function of connecting to a cloud (server) 883 and exchanging information. Further, the master device 831 is connected to a plurality of industrial robots 842 included in the IoT terminal device (also referred to as an endpoint microcomputer) 841 via an M2M (Machine to Machine) interface 832.
  • M2M interface 832 for example, industrial Ethernet (“Ethernet” is a registered trademark) which is a kind of wired communication method, local 5G which is a kind of wireless communication method, or the like may be used.
  • the factory manager can connect to the factory 884 from the home 881 or the office 882 via the cloud 883 and know the operating status and the like. In addition, it is possible to check for incorrect or missing items, indicate the location, and measure the tact time.
  • the electronic components constituting the communication equipment such as the 4th generation mobile communication system (4G), the 5th generation mobile communication system (5G), the industrial Ethernet, and the local 5G, the home 881 and the office 882.
  • PC Personal Computer
  • CPU Central Processing Unit
  • PCI Express sometimes referred to as PCIe; "PCI Express” and "PCIe” are registered trademarks
  • the matching circuit 10 can be incorporated into a high-speed serial interface or the like.
  • the OS transistor described in the above embodiment is prototyped, and the relationship between the voltage Vgs and the capacitance Cgsd is measured. Further, in the MOS type FET using silicon, the relationship between the voltage Vgs and the capacitance Cgsd was simulated and compared with the relationship between the voltage Vgs and the capacitance Cgsd in the OS transistor (hereinafter referred to as Vgs-Cgsd characteristic).
  • the channel length of the prototype OS transistor is 60 nm, and the channel width is also 60 nm.
  • the simulated MOS FET has a channel length of 60 nm and a channel width of 80 nm.
  • FIG. 16 is a perspective view showing the structure of the prototype OS transistor.
  • the transistor has the same structure as the transistor 500 shown in the above embodiment, and has a top gate electrode (TGE), a gate insulating layer (TGI) on the top gate electrode side, a back gate electrode (BGE), and a back gate electrode. It has a side gate insulating layer (BGI), an electrode (S / D) that functions as a source or drain, an oxide, and the like.
  • the transistor is a transistor containing an In-Ga-Zn oxide having a CAAC structure in the channel forming region.
  • FIG. 17A shows the Vgs-Cgsd characteristics of the OS transistor and the Vgs-Cgsd characteristics of the MOS FET using silicon side by side.
  • the horizontal axis of FIG. 17A is the voltage Vgs of the gate with respect to the source, and the vertical axis is the capacitance Cgsd formed between the source and drain and the gate.
  • FIG. 17B shows the Vgs-Cgsd characteristics of the OS transistor and the Vgs-Cgsd characteristics of the MOS FET in FIG. 17A, in which the channel length and channel width are standardized per 1 ⁇ m.
  • the capacitance Cgsd of the OS transistor is not significantly different from the capacitance Cgsd of the MOS FET using silicon in the region where the voltage Vgs is low, but the voltage Vgs is the threshold voltage Vth of the OS transistor. It can be seen that the difference becomes large in the region higher than the vicinity. In the region where the voltage Vgs is high, the capacitance Cgsd of the OS transistor is up to 30 times or more as compared with the capacitance Cgsd of the MOS type FET using silicon. It can be seen that the capacitance Cgsd of the OS transistor has a larger amount of change than the capacitance Cgsd of the MOS FET using silicon.
  • L12 inductor, T11: conductor, T15: conductor, VDD_IN: input terminal, SII_IN: input terminal, SIO_OUT: output terminal, 10: matching circuit, 20: device, 30: device, 40: matching circuit, 50: matching circuit, 300: Transistor, 311: Substrate, 313: Semiconductor region, 314a: Low resistance region, 314b: Low resistance region, 315: Insulator, 316: Conductor, 320: Insulator, 322: Insulator, 324: Insulator, 326: Insulator, 328: Conductor, 330: Conductor, 350: Insulator, 352: Insulator, 354: Insulator, 356: Conductor, 360: Insulator, 362: Insulator, 364: Insulator, 366: Conductor, 370: Insulator, 372: Insulator, 374: Insulator, 376: Conductor, 380: Insulator, 382: Insulator, 384: Insulator, 386: Conductor, 402: Insulator, 404

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Abstract

複数の周波数に対応できる整合回路を提供する。 整合回路は、トランジスタとインダクタを有する。整合回路は、トランジスタの、ソースおよびド レインとゲートとの間に形成される容量（以後、容量Ｃｇｓｄ、という）をコンデンサとして用い、 容量 Ｃｇｓｄは、ソースに対するゲートの電圧（以後、電圧 Ｖｇｓ、という）に応じて変化する特 性を有する。整合回路が有するトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有するＯＳトラ ンジスタである。ＯＳトランジスタにおいて、電圧Ｖｇｓに対する容量 Ｃｇｓｄの変化量は、シリ コンを使用した ＭＯＳ型ＦＥＴより大きい特徴を有するため、整合回路は、広い周波数範囲の交流 信号に対応することができる。

Description

整合回路、半導体装置、および、電子機器
本発明の一形態は、整合回路に関する。特に、高周波回路に使用されることが多い、コンデンサとインダクタを用いた整合（インピーダンス整合、インピーダンスマッチング、ともいう）回路に関する。
また、本発明の一形態は、半導体装置に関する。本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用した装置のことであり、例えば、半導体素子（トランジスタ、ダイオード、フォトダイオード等）を含む回路、同回路を有する装置等を指す。また、本明細書等において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般のことであり、例えば、集積回路、集積回路を備えたチップや、パッケージにチップを収納した電子部品、集積回路を備えた電子機器は、半導体装置の一例である。
なお、本発明の一形態は、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技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一形態は、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。
スマートフォンやタブレット端末などに代表される持ち運びが容易な情報端末の普及が進んでいる。情報端末の普及に伴い、様々な通信規格が制定されている。例えば、第４世代（４Ｇ）と呼ばれているＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ規格の運用が開始されている。
近年、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ）などの情報技術の発展により、情報端末で扱われるデータ量は増大する傾向にある。携帯情報端末などの電子機器は、通信速度の向上が求められている。
ＩｏＴなどの様々な情報技術に対応するため、４Ｇよりも速い通信速度、多くの同時接続、短い遅延時間を実現する第５世代（５Ｇ）の通信規格が検討されている。５Ｇでは、例えば日本国において、３．７ＧＨｚ帯、４．５ＧＨｚ帯、および２８ＧＨｚ帯の通信周波数が使用される。
５Ｇに対応する半導体装置は、Ｓｉなど１種類の元素を主成分として用いる半導体や、ＧａとＡｓなど複数種類の元素を主成分として用いる化合物半導体を用いて作製される。さらに、金属酸化物の一種である酸化物半導体が注目されている。
酸化物半導体では、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および非特許文献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
速い通信速度を実現するには、周波数の高い信号（高周波信号）を扱う電気回路（高周波回路、ともいう）が必要である。高周波回路においては、信号を送り出す回路の出力インピーダンスと、信号を受け取る回路の入力インピーダンスが合っていないと、反射波を生じてしまう等の問題が発生するため、出力インピーダンスと入力インピーダンスを合わせる整合回路が使用される。
高周波回路において、コンデンサとインダクタを用いた整合回路にはＬ型、Ｔ型、π型等が知られているが、ある周波数に対して、コンデンサの容量およびインダクタのインダクタンスを選択すると、当該周波数以外の周波数に対しては、コンデンサの容量およびインダクタのインダクタンスのどちらか一方、または双方を変更する必要があり、コンデンサおよびインダクタのどちらか一方、または双方を取り換える必要があった。
本発明の一形態は、トランジスタとインダクタを有し、複数の周波数に対応できる整合回路を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一形態は、トランジスタとインダクタのどちらか一方、または双方を取り換えることなく、複数の周波数に対応できる整合回路を提供することを課題の一つとする。
なお、本発明の一形態は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一つの課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から自ずと明らかになるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一形態は、トランジスタと、インダクタとを有する整合回路である。トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、トランジスタの、ソースに対するゲートの電圧を変更することで、インピーダンス整合を行う。
また、本発明の一形態は、トランジスタと、インダクタと、第１および第２入力端子とを有する整合回路である。第１入力端子は、トランジスタのソースおよびドレインと電気的に接続され、トランジスタのゲートは、インダクタの第１端子と電気的に接続され、インダクタの第２端子は、第２入力端子と電気的に接続される。トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、第２入力端子に入力される電位を変更することで、インピーダンス整合を行う。
また、本発明の一形態は、トランジスタと、インダクタと、第１および第２入力端子とを有する半導体装置である。第１入力端子は、トランジスタのソースおよびドレインと電気的に接続され、トランジスタのゲートは、インダクタの第１端子と電気的に接続され、インダクタの第２端子は、第２入力端子と電気的に接続される。第１入力端子には、交流信号が入力され、第２入力端子には、所定の電位が入力され、交流信号の周波数が変化すると、所定の電位が変更される。
また、上記形態において、トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する。
本発明の一形態により、トランジスタとインダクタを有し、複数の周波数に対応できる整合回路を提供することができる。または、本発明の一形態により、トランジスタとインダクタのどちらか一方、または双方を取り換えることなく、複数の周波数に対応できる整合回路を提供することができる。
なお、本発明の一形態は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一つの課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から自ずと明らかになるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
図１Ａは、整合回路の構成例を示す回路図である。図１Ｂは、信号を出力する装置、整合回路、および信号を入力する装置の接続関係を示すブロック図である。図１Ｃは、整合回路に入力される信号および電位を説明する図である。
図２Ａは、ソースに対するゲートの電圧と、ソースおよびドレインとゲートとの間に形成される容量との関係を示すイメージ図である。図２Ｂ、図２Ｃは、整合回路の構成例を示す回路図である。
図３は、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、トランジスタの構造例を示す断面図である。
図５Ａは、トランジスタの構造例を示す上面図である。図５Ｂ、図５Ｃは、トランジスタの構造例を示す断面図である。
図６Ａは、トランジスタの構造例を示す上面図である。図６Ｂ、図６Ｃは、トランジスタの構造例を示す断面図である。
図７Ａは、トランジスタの構造例を示す上面図である。図７Ｂ、図７Ｃは、トランジスタの構造例を示す断面図である。
図８Ａは、トランジスタの構造例を示す上面図である。図８Ｂ、図８Ｃは、トランジスタの構造例を示す断面図である。
図９Ａは、トランジスタの構造例を示す上面図である。図９Ｂ、図９Ｃは、トランジスタの構造例を示す断面図である。
図１０Ａは、トランジスタの構造例を示す上面図である。図１０Ｂ、図１０Ｃは、トランジスタの構造例を示す断面図である。
図１１Ａ、図１１Ｂは、トランジスタの構造例を示す断面図である。
図１２は、半導体装置の構成例を示す断面図である。
図１３Ａ、図１３Ｂは、トランジスタの構造例を示す断面図である。
図１４Ａは、ＩＧＺＯの結晶構造の分類を説明する図である。図１４Ｂは、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルを説明する図である。図１４Ｃ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１５は、ファクトリーオートメーションのイメージ図である。
図１６は、ＯＳトランジスタの構造を示す斜視図である。
図１７Ａ、図１７Ｂは、ＯＳトランジスタのＶｇｓ−Ｃｇｓｄ特性を示す図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる形態で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、以下に示される複数の実施の形態は、適宜組み合わせることが可能である。また、１つの実施の形態の中に複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。
なお、本明細書に添付した図面では、構成要素を機能ごとに分類し、互いに独立したブロックとしてブロック図を示しているが、実際の構成要素は機能ごとに完全に切り分けることが難しく、一つの構成要素が複数の機能に係わることもあり得る。
また、図面等において、大きさ、層の厚さ、領域等は、明瞭化のため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。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。
また、図面等において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
また、本明細書等において、「上」や「下」などの配置を示す用語は、構成要素の位置関係が、「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。
また、本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。
また、本明細書等において、「電気的に接続」とは、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、容量素子、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。また、「電気的に接続」と表現される場合であっても、実際の回路において、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。
また、本明細書等において、「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆も同様である。
また、本明細書等において、電気回路における「端子」とは、電流または電位の入力（または、出力）や、信号の受信（または、送信）が行なわれる部位を言う。よって、配線または電極の一部が端子として機能する場合がある。
一般に、「容量素子」は、２つの電極が絶縁体（誘電体）を介して向かい合う構成を有する。また、本明細書等において、「容量素子」は、２つの電極が絶縁体を介して向かい合う構成を有したもの以外に、２本の配線が絶縁体を介して向かい合う構成を有したもの、または、２本の配線が絶縁体を介して配置されたもの、である場合が含まれる。また、本明細書等において、「容量素子」を、「コンデンサ」、「キャパシタ」、または「容量」、と呼ぶ場合がある。
また、本明細書等において、「高周波信号」は、周波数の高い信号（交流信号）である。例えば、信号伝送において、伝送する交流信号の波長が、信号を出力する装置と信号を入力する装置との距離に対して無視できないサイズである場合、当該交流信号を高周波信号と呼ぶ場合がある。
また、本明細書等において、「電圧」とは、ある電位と基準の電位（例えば、グラウンド電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位差とは言い換えることができる。
また、本明細書等において、トランジスタとは、ソースと、ドレインと、ゲートとを含む、少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ソース（ソース端子、ソース領域、または、ソース電極）とドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域、または、ドレイン電極）の間にチャネル形成領域を有しており、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用いる場合や、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、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
また、本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態（非導通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、ｎチャネル型のトランジスタでは、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型のトランジスタでは、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高い状態をいう。つまり、ｎチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低いときのドレイン電流、という場合がある。
上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソース電流をいう場合がある。また、オフ電流と同じ意味で、リーク電流という場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。
また、本明細書等において、オン電流とは、トランジスタがオン状態（導通状態、ともいう）にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。
また、本明細書等において、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）、酸化物半導体などに分類される。
例えば、トランジスタのチャネル形成領域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、金属酸化物が増幅作用、整流作用、およびスイッチング作用の少なくとも１つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶことができる。すなわち、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタを、「酸化物半導体トランジスタ」、「ＯＳトランジスタ」と呼ぶことができる。同様に、「酸化物半導体を用いたトランジスタ」も、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタである。
また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ）と呼称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。金属酸化物の詳細については後述する。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一形態に係わる整合回路について説明する。本発明の一形態に係わる整合回路は、半導体特性を利用することで機能しうる回路であり、半導体装置と呼ぶこともできる。
＜整合回路の構成例１＞
図１Ａは、本発明の一形態に係わる整合回路１０の構成例を示す回路図である。図１Ａに示す整合回路１０は、Ｌ型と呼ばれる整合回路であり、トランジスタＴ１１、インダクタＬ１２、入力端子ＶＤＤ＿ＩＮ、入力端子ＳＩＩ＿ＩＮ、および、出力端子ＳＩＯ＿ＯＵＴを有する。
入力端子ＳＩＩ＿ＩＮは、トランジスタＴ１１のソースおよびドレインと電気的に接続され、トランジスタＴ１１のゲートは、インダクタＬ１２の第１端子、および出力端子ＳＩＯ＿ＯＵＴと電気的に接続され、インダクタＬ１２の第２端子は、入力端子ＶＤＤ＿ＩＮと電気的に接続される。
整合回路１０において、入力端子ＶＤＤ＿ＩＮには電位ＶＤＤが入力され、入力端子ＳＩＩ＿ＩＮには信号ＳＩＩが入力され、出力端子ＳＩＯ＿ＯＵＴから信号ＳＩＯが出力される。信号ＳＩＩは、例えば、電位Ｖｒｅｆを基準に、振幅ＳＩＩ＿Ａを有する交流信号とすることができる（図１Ｃ、参照）。
整合回路１０は、信号を出力する装置と、信号を入力する装置との間に設けられる。すなわち、整合回路１０の入力端子ＳＩＩ＿ＩＮは、信号を出力する装置２０の出力端子と電気的に接続され、整合回路１０の出力端子ＳＩＯ＿ＯＵＴは、信号を入力する装置３０の入力端子と電気的に接続される。図１Ｂに、信号を出力する装置２０、整合回路１０、および、信号を入力する装置３０の接続関係を、ブロック図を用いて示す。
整合回路１０は、特に、装置２０の出力インピーダンスと装置３０の入力インピーダンスが、整合していない場合に設けられる。装置２０の出力インピーダンスと装置３０の入力インピーダンスが整合していない場合に、装置２０の出力端子と装置３０の入力端子を電気的に接続すると、反射波を生じてしまう、交流信号を効率よく受け渡しできない等の問題が発生する場合があるためである。
装置２０および装置３０は、信号を出力または入力できるものであれば、特に限定されない。例えば、装置２０および装置３０を、上述した、何らかの電気的作用を有するもの、とすることができる。より具体的には、例えば、装置２０を、信号を出力するバッファ、装置３０を、特性インピーダンスを有する配線、とすることができる。
＜入力信号の例＞
図１Ｃは、信号ＳＩＩおよび電位ＶＤＤを説明する図である。図１Ｃでは、期間Ｄ１３および期間Ｄ１４に分けて、信号ＳＩＩおよび電位ＶＤＤを説明する。
期間Ｄ１３において、信号ＳＩＩは、電位Ｖｒｅｆを基準に、振幅ＳＩＩ＿Ａを有する交流信号であり、信号ＳＩＩの周期は周期Ｔ１３である。期間Ｄ１３において、電位ＶＤＤは一定の電位であり、電位ＶＤＤの電位Ｖｒｅｆとの電位差は、電位差ＶＢ１である。
期間Ｄ１４において、信号ＳＩＩは、電位Ｖｒｅｆを基準に、振幅ＳＩＩ＿Ａを有する交流信号であり、信号ＳＩＩの周期は周期Ｔ１４である。期間Ｄ１４において、電位ＶＤＤは一定の電位であり、電位ＶＤＤの電位Ｖｒｅｆとの電位差は、電位差ＶＢ２である。
期間Ｄ１３および期間Ｄ１４において、電位Ｖｒｅｆおよび振幅ＳＩＩ＿Ａに変化はなく、周期Ｔ１４は、周期Ｔ１３より長い周期である。すなわち、期間Ｄ１４における信号ＳＩＩは、期間Ｄ１３における信号ＳＩＩよりも周波数の低い交流信号である。
期間Ｄ１３および期間Ｄ１４において、電位ＶＤＤの電位Ｖｒｅｆとの電位差は、電位差ＶＢ１から電位差ＶＢ２に変化する。電位差ＶＢ２は、電位差ＶＢ１より大きい電位差である。または、電位差ＶＢ２を、電位差ＶＢ１より小さい電位差としてもよい。
＜トランジスタ＞
トランジスタＴ１１は、ＯＳトランジスタである。ＯＳトランジスタは、オフ電流が非常に小さい、高温環境下でもオフ電流が増加しにくい、薄膜トランジスタであるため積層して設けることができる、Ｓｉトランジスタ（単結晶シリコン基板に形成されたトランジスタ）と同様の製造装置を用いて作製することができるため低コストでの作製が可能、等の特徴を有する。
ＯＳトランジスタのチャネル形成領域に用いられる金属酸化物は、インジウム（Ｉｎ）および亜鉛（Ｚｎ）の少なくとも一方を含む酸化物半導体であることが好ましい。このような酸化物半導体としては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、例えば、Ａｌ、Ｇａ、ＹまたはＳｎ）が代表的である。電子供与体（ドナー）となる水分、水素などの不純物を低減し、かつ酸素欠損も低減することで、酸化物半導体をｉ型（真性）、または実質的にｉ型にすることができる。このような酸化物半導体は、高純度化された酸化物半導体と呼ぶことができる。ＯＳトランジスタの詳細については、実施の形態２および実施の形態３で説明する。
例えば、トランジスタＴ１１のチャネル形成領域に、インジウム、元素Ｍ（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、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）、亜鉛のいずれか一つを有する金属酸化物を用いることができる。特に、インジウム、ガリウム、亜鉛からなる金属酸化物であることが好ましい。
また、ＯＳトランジスタは、ソースおよびドレインとゲートとの間に、ゲート絶縁膜を有し、ソースおよびドレインとゲートとの間に容量が形成される。ソースおよびドレインとゲートとの間に形成される容量は、コンデンサとして用いることができる。また、ソースおよびドレインとゲートとの間に形成される容量は、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓに応じて変化する特性を有する。以後、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓを電圧Ｖｇｓ、ソースおよびドレインとゲートとの間に形成される容量を容量Ｃｇｓｄと呼ぶこととする。
図２Ａは、電圧Ｖｇｓと容量Ｃｇｓｄとの関係を示すイメージ図である。図２Ａに示すように、容量Ｃｇｓｄは、電圧Ｖｇｓが低い領域ではほぼ一定の値であるが、電圧ＶｇｓがトランジスタＴ１１のしきい値電圧Ｖｔｈ付近から高い領域では増加する。ＯＳトランジスタにおける電圧Ｖｇｓと容量Ｃｇｓｄとの関係は、シリコンを使用したＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ、Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）における電圧Ｖｇｓと容量Ｃｇｓｄとの関係と似ているが、ＯＳトランジスタにおいては、容量Ｃｇｓｄの変化量が、シリコンを使用したＭＯＳ型ＦＥＴより大きい特徴を有する。
＜整合回路の構成例２＞
トランジスタＴ１１は、バックゲートを有していてもよい。図２Ｂは、バックゲートを有するトランジスタＴ１５を用いた、整合回路４０の構成例を示す回路図である。整合回路４０は整合回路１０の変形例であり、説明の繰り返しを防ぐため、主に整合回路１０と異なる点について説明する。
整合回路４０は、トランジスタＴ１５、インダクタＬ１２、配線ＢＫＬ、入力端子ＶＤＤ＿ＩＮ、入力端子ＳＩＩ＿ＩＮ、および、出力端子ＳＩＯ＿ＯＵＴを有する。トランジスタＴ１５は、ソース、ドレイン、ゲートに加えてバックゲートを有し、トランジスタＴ１５のバックゲートは、配線ＢＫＬと電気的に接続される。配線ＢＫＬは、トランジスタＴ１５のバックゲートに所定の電位を印加するための配線として機能し、配線ＢＫＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＴ１５のしきい値電圧を増減することができる。
また、図２Ｃは、バックゲートを有するトランジスタＴ１５を用いた、整合回路５０の構成例を示す回路図である。整合回路５０は整合回路１０の変形例であり、説明の繰り返しを防ぐため、主に整合回路１０と異なる点について説明する。
整合回路５０は、トランジスタＴ１５、インダクタＬ１２、入力端子ＶＤＤ＿ＩＮ、入力端子ＳＩＩ＿ＩＮ、および、出力端子ＳＩＯ＿ＯＵＴを有する。トランジスタＴ１５は、ソース、ドレイン、ゲートに加えてバックゲートを有し、トランジスタＴ１５のバックゲートは、トランジスタＴ１５のゲート、インダクタＬ１２の第１端子、および出力端子ＳＩＯ＿ＯＵＴと電気的に接続される。
整合回路５０において、トランジスタＴ１５のバックゲートを、トランジスタＴ１５のゲートと電気的に接続することで、ソースおよびドレインとゲートとの間に形成される容量に加えて、ソースおよびドレインとバックゲートとの間に形成される容量を、コンデンサとして用いることができる。すなわち、トランジスタＴ１５によって形成される容量を大きくすることができる。
また、インダクタＬ１２には、例えば、コイルを用いることができる。特に、空芯構造であり、Ｑ値（Ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ）が高い、高周波回路用のコイルが好ましい。また、インダクタＬ１２に用いることができるコイルは、実施の形態２で説明する、半導体装置が有する配線等を用いて構成してもよい。
＜整合回路＞
本実施の形態では、トランジスタとインダクタを用いた、Ｌ型の整合回路１０について説明した。トランジスタのソースおよびドレインとゲートとの間に形成される容量は、ソースに対するゲートの電圧に応じて変化するため、整合回路１０において、電位ＶＤＤと電位Ｖｒｅｆとの電位差を変更することで、整合回路１０は複数の周波数に対応できる。
すなわち、ある周波数（または、周期）の交流信号に対して、整合回路１０を用いて装置２０の出力インピーダンスと装置３０の入力インピーダンスの整合がとれている場合に、該交流信号の周波数が変化しても、整合回路１０における電位ＶＤＤと電位Ｖｒｅｆとの電位差を変更することで、インピーダンスの整合を維持することができる。または、ある周波数の交流信号に対して、整合回路１０を用いて装置２０の出力インピーダンスと装置３０の入力インピーダンスの整合がとれている場合に、該交流信号の周波数が変化しても、整合回路１０を構成する部品を取り換える必要がない。
また、整合回路１０にＯＳトランジスタを用いることで、ＯＳトランジスタは電圧Ｖｇｓに対する容量Ｃｇｓｄの変化量が大きいため、整合回路１０は広い周波数範囲の交流信号に対応することができる。なお、本実施の形態では、Ｌ型の整合回路１０について説明したが、Ｔ型やπ型等、他の種類の整合回路にも適用できる。
なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した、整合回路１０を構成するトランジスタの構造例について説明する。なお、本実施の形態で説明するＯＳトランジスタは、半導体基板に形成されたトランジスタの上方に積層して設けられた構造を有する。また、本実施の形態で説明するＯＳトランジスタの上方には、コンデンサ（本実施の形態では、容量素子、という）が積層して設けられており、本実施の形態では、半導体基板に形成されたトランジスタ、ＯＳトランジスタ、および容量素子を合わせて、半導体装置と呼ぶこととする。
すなわち、整合回路１０を、上記実施の形態で説明した装置２０、または装置３０、またはその双方と、同じ半導体基板上に作製してもよい。また、その場合、上記実施の形態で説明した、入力端子または出力端子等の「端子」は、配線または電極等と区別できない場合がある。
また、本実施の形態で説明するＯＳトランジスタは、ゲート（第１のゲート、トップゲート、フロントゲート、ともいう）に加えて、バックゲート（第２のゲート、ボトムゲート、ともいう）を有する。
＜半導体装置の構成例＞
図３に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ５００、および容量素子６００を有する。図４Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図４Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図であり、図４Ｃはトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図である。
トランジスタ５００は、チャネル形成領域に金属酸化物を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）である。トランジスタ５００は、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓと、ソースおよびドレインとゲートとの間に形成される容量Ｃｇｓｄとの関係において、容量Ｃｇｓｄの変化量が大きい特徴を有するため、上記実施の形態では、これを整合回路１０に用いることにより、整合回路１０は広い周波数範囲の交流信号に対応することができる。
図３に示すように、本実施の形態で説明する半導体装置において、トランジスタ５００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子６００は、トランジスタ３００およびトランジスタ５００の上方に設けられている。
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体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、図４Ｃに示すように、半導体領域３１３の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ３００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ３００のオフ特性を向上させることができる。
例えば、基板３１１に単結晶シリコン基板を用い、トランジスタ３００を、単結晶シリコン基板に形成されたＳｉトランジスタとすることができる。なお、トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、トランジスタのＶｔｈを調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層して用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
なお、図３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。
トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。
絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。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。
また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ５００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ５００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析（ＴＤＳ分析）法などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。比誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子６００、またはトランジスタ５００と接続する導電体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の機能を有する。また、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、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、トランジスタ３００と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。
絶縁体３５４、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、および絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、および絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３７６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３７０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、例えば、絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３８６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３８０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
上記において、導電体３５６を含む配線層、導電体３６６を含む配線層、導電体３７６を含む配線層、および導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を５層以上にしてもよい。
絶縁体３８４上には絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６が、順に積層して設けられている。絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体５１０、および絶縁体５１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ５００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ５００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体５１０、および絶縁体５１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。
また、例えば、絶縁体５１２、および絶縁体５１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的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５１２、および絶縁体５１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６には、導電体５１８、およびトランジスタ５００を構成する導電体（導電体５０３）等が埋め込まれている。なお、導電体５１８は、容量素子６００、またはトランジスタ３００と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体５１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
特に、絶縁体５１０、および絶縁体５１４と接する領域の導電体５１８は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ５００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。
絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００が設けられている。
図４Ａ、図４Ｂに示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１４および絶縁体５１６に埋め込まれるように配置された導電体５０３と、絶縁体５１６と導電体５０３の上に配置された絶縁体５２０と、絶縁体５２０の上に配置された絶縁体５２２と、絶縁体５２２の上に配置された絶縁体５２４と、絶縁体５２４の上に配置された酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａの上に配置された酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上に、互いに離して配置された導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂと、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂ上に配置され、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体５８０と、開口の中に配置された導電体５６０と、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、導電体５４２ｂ、および絶縁体５８０と、導電体５６０と、の間に配置された絶縁体５５０と、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、導電体５４２ｂ、および絶縁体５８０と、絶縁体５５０と、の間に配置された酸化物５３０ｃと、を有する。
また、図４Ａ、図４Ｂに示すように、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂと、絶縁体５８０の間に絶縁体５４４が配置されることが好ましい。また、図４Ａ、図４Ｂに示すように、導電体５６０は、絶縁体５５０の内側に設けられた導電体５６０ａと、導電体５６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体５６０ｂと、を有することが好ましい。また、図４Ａ、図４Ｂに示すように、絶縁体５８０、導電体５６０、および絶縁体５５０の上に絶縁体５７４が配置されることが好ましい。
なお、以下において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃをまとめて酸化物５３０という場合がある。また、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂをまとめて導電体５４２という場合がある。
なお、トランジスタ５００では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物５３０を、４層以上の積層構造としてもよい。また、トランジスタ５００では、導電体５６０を２層の積層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５６０が、単層構造であってもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。また、図３、図４Ａ、図４Ｂに示すトランジスタ５００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。
ここで、導電体５６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、および導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体５６０、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂの配置は、絶縁体５８０の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ５００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体５６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ５００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。
さらに、導電体５６０が、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体５６０は、導電体５４２ａまたは導電体５４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体５６０と導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ５００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。
導電体５６０は、第１のゲート電極として機能する場合がある。また、導電体５０３は、第２のゲート電極として機能する場合がある。その場合、導電体５０３に印加する電位を、導電体５６０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５００のＶｔｈを制御することができる。特に、導電体５０３に負の電位を印加することにより、トランジスタ５００のＶｔｈを０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体５０３に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体５６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
導電体５０３は、酸化物５３０、および導電体５６０と、重なるように配置する。これにより、導電体５６０、および導電体５０３に電位を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０３から生じる電界とがつながり、酸化物５３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。本明細書等において、第１のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
また、本明細書等において、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、ソース電極およびドレイン電極として機能する導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂに接する酸化物５３０の側面及び周辺が、チャネル形成領域と同じくＩ型であるといった特徴を有する。また、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂに接する酸化物５３０の側面及び周辺は、絶縁体５４４と接しているため、チャネル形成領域と同様にＩ型となりうる。なお、本明細書等において、Ｉ型とは後述する、高純度真性と同様として扱うことができる。また、本明細書等で開示するＳ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、Ｆｉｎ型構造及びプレーナ型構造とは異なる。Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。
また、導電体５０３は、導電体５１８と同様の構成であり、絶縁体５１４および絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０３ａが形成され、さらに内側に導電体５０３ｂが形成されている。
絶縁体５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、および絶縁体５５０は、ゲート絶縁膜としての機能を有する。
ここで、酸化物５３０と接する絶縁体５２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体５２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物５３０に接して設けることにより、酸化物５３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ５００の信頼性を向上させることができる。
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
また、絶縁体５２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体５２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。
絶縁体５２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物５３０が有する酸素は、絶縁体５２０側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体５０３が、絶縁体５２４や、酸化物５３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
絶縁体５２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などを含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜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。
特に、不純物、および酸素など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）絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体５２２を形成した場合、絶縁体５２２は、酸化物５３０からの酸素の放出や、トランジスタ５００の周辺部から酸化物５３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
また、絶縁体５２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、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、好適である。また、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体５２０を得ることができる。
なお、絶縁体５２０、絶縁体５２２、および絶縁体５２４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。
トランジスタ５００は、チャネル形成領域を含む酸化物５３０に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物５３０として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、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５３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
なお、酸化物半導体として機能する金属酸化物の形成は、スパッタリング法で行なってもよいし、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で行なってもよい。酸化物半導体として機能する金属酸化物については、他の実施の形態で説明する。
また、トランジスタ５００には、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。なお、金属酸化物中の不純物としては、例えば、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
特に、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、金属酸化物中に酸素欠損を形成する場合がある。金属酸化物中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となる場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が多く含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。
酸素欠損に水素が入った欠陥は、金属酸化物のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、金属酸化物においては、ドナー濃度ではなく、キャリア密度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、金属酸化物のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア密度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア密度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。
よって、金属酸化物を酸化物５３０に用いる場合、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。水素などの不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
また、酸化物５３０に金属酸化物を用いる場合、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア密度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましく、１×１０１７ｃｍ−３未満であることがより好ましく、１×１０１６ｃｍ−３未満であることがさらに好ましく、１×１０１３ｃｍ−３未満であることがさらに好ましく、１×１０１２ｃｍ−３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア密度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、１×１０−９ｃｍ−３とすることができる。
また、酸化物５３０に金属酸化物を用いる場合、導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）と酸化物５３０とが接することで、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２へ拡散し、導電体５４２が酸化する場合がある。導電体５４２が酸化することで、導電体５４２の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２へ拡散することを、導電体５４２が酸化物５３０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５３０中の酸素が導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）へ拡散することで、導電体５４２ａと酸化物５３０ｂとの間、および、導電体５４２ｂと酸化物５３０ｂとの間に異層が形成される場合がある。当該異層は、導電体５４２よりも酸素を多く含むため、当該異層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体５４２と、当該異層と、酸化物５３０ｂ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呼ぶ場合がある。
なお、上記異層は、導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間に形成されることに限られず、例えば、異層が、導電体５４２と酸化物５３０ｃとの間に形成される場合や、導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間、および導電体５４２と酸化物５３０ｃとの間に形成される場合がある。
また、酸化物５３０においてチャネル形成領域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。
その他、酸化物５３０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５３０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５３０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５３０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。
酸化物５３０は、酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物５３０ｂ上に酸化物５３０ｃを有することで、酸化物５３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
なお、酸化物５３０は、各金属原子の原子数比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５３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ａ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５３０ｂ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５３０ｂ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５３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｃは、酸化物５３０ａまたは酸化物５３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
また、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物５３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの電子親和力が、酸化物５３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂ、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物５３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物５３０ｂとなる。酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃ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５００は高いオン電流を得られる。
酸化物５３０ｂ上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）が設けられる。導電体５４２としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
また、図４Ａに示すように、酸化物５３０の、導電体５４２との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域５４３（領域５４３ａ、および領域５４３ｂ）が形成される場合がある。このとき、領域５４３ａはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域５４３ｂはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。また、領域５４３ａと領域５４３ｂに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。
酸化物５３０と接するように上記導電体５４２を設けることで、領域５４３の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域５４３に導電体５４２に含まれる金属と、酸化物５３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域５４３のキャリア密度が増加し、領域５４３は、低抵抗領域となる。
絶縁体５４４は、導電体５４２を覆うように設けられ、導電体５４２の酸化を抑制する。このとき、絶縁体５４４は、酸化物５３０の側面を覆い、絶縁体５２４と接するように設けられてもよい。
絶縁体５４４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、絶縁体５４４として、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体５４２が耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体５４４は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
絶縁体５５０は、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５５０は、酸化物５３０ｃの内側（上面および側面）に接して配置することが好ましい。絶縁体５５０は、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。例えば、ＴＤＳ分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下の範囲が好ましい。
具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体５５０として、酸化物５３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体５５０から、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体５２４と同様に、絶縁体５５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体５５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
また、絶縁体５５０が有する過剰酸素を、効率的に酸化物５３０へ供給するために、絶縁体５５０と導電体５６０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５５０から導電体５６０への酸素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５５０から導電体５６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体５４４に用いることができる材料を用いればよい。
第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、図４Ａ、図４Ｂでは２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。
導電体５６０ａ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つ）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５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体５５０に含まれる酸素により、導電体５６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
また、導電体５６０ｂ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５６０ｂは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体５６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン又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。
絶縁体５８０は、絶縁体５４４を介して、導電体５４２上に設けられる。絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体５８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
また、加熱により酸素が放出される絶縁体５８０を、酸化物５３０ｃと接して設けることで、絶縁体５８０中の酸素を、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体５８０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
絶縁体５８０の開口は、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、および導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。
半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体５６０の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体５６０の膜厚を大きくすると、導電体５６０はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体５６０を絶縁体５８０の開口に埋め込むように設けるため、導電体５６０をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体５６０を倒壊させることなく、形成することができる。
絶縁体５７４は、絶縁体５８０の上面、導電体５６０の上面、および絶縁体５５０の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体５７４をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体５５０および絶縁体５８０へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物５３０中に酸素を供給することができる。
例えば、絶縁体５７４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。
また、絶縁体５７４の上に、層間膜として機能する絶縁体５８１を設けることが好ましい。絶縁体５８１は、絶縁体５２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
また、絶縁体５８１、絶縁体５７４、絶縁体５８０、および絶縁体５４４に形成された開口に、導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂを配置する。導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは、導電体５６０を挟んで対向して設ける。導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは、後述する導電体５４６および導電体５４８と同様の構成である。
絶縁体５８１上には、絶縁体５８２が設けられている。絶縁体５８２は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体５８２には、絶縁体５１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体５８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。
また、絶縁体５８２上には、絶縁体５８６が設けられている。絶縁体５８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的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５８６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
また、絶縁体５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５８１、絶縁体５８２、および絶縁体５８６には、導電体５４６、および導電体５４８等が埋め込まれている。
導電体５４６、および導電体５４８は、容量素子６００、トランジスタ５００、またはトランジスタ３００と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体５４６、および導電体５４８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
続いて、トランジスタ５００の上方には、容量素子６００が設けられている。容量素子６００は、導電体６１０と、導電体６２０、絶縁体６３０とを有する。
また、導電体５４６、および導電体５４８上に、導電体６１２を設けてもよい。導電体６１２は、トランジスタ５００と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体６１０は、容量素子６００の電極としての機能を有する。なお、導電体６１２、および導電体６１０は、同時に形成することができる。
導電体６１２、および導電体６１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。または、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
図３では、導電体６１２、および導電体６１０は単層構造として示しているが、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。
絶縁体６３０を介して、導電体６１０と重畳するように、導電体６２０を設ける。なお、導電体６２０は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
導電体６２０、および絶縁体６３０上には、絶縁体６５０が設けられている。絶縁体６５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体６５０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。
本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制するとともに、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。
＜トランジスタの構造例＞
なお、本実施の形態に示す半導体装置のトランジスタ５００は、上記の構造に限られるものではない。以下、トランジスタ５００に用いることができる構造例について説明する。
＜トランジスタの構造例１＞
図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを用いてトランジスタ５１０Ａの構造例を説明する。図５Ａはトランジスタ５１０Ａの上面図である。図５Ｂは、図５Ａに一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図５Ｃは、図５Ａに一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図５Ａ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。
図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃでは、トランジスタ５１０Ａと、層間膜として機能する絶縁体５１１、絶縁体５１２、絶縁体５１４、絶縁体５１６、絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４を示している。また、トランジスタ５１０Ａと電気的に接続し、コンタクトプラグとして機能する導電体５４６（導電体５４６ａ、および導電体５４６ｂ）と、配線として機能する導電体５０３と、を示している。
トランジスタ５１０Ａは、第１のゲート電極として機能する導電体５６０（導電体５６０ａ、および導電体５６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電体５０５（導電体５０５ａ、および導電体５０５ｂ）と、第１のゲート絶縁膜として機能する絶縁体５５０と、第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁体５２１、絶縁体５２２、および絶縁体５２４と、チャネルが形成される領域を有する酸化物５３０（酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃ）と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体５４２ａと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体５４２ｂと、絶縁体５７４とを有する。
また、図５に示すトランジスタ５１０Ａでは、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０が、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、絶縁体５７４を介して配置される。また、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０は、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂとの間に配置される。
絶縁体５１１、および絶縁体５１２は、層間膜として機能する。
層間膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
例えば、絶縁体５１１は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ５１０Ａに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体５１１は、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（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つ）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。また、例えば、絶縁体５１１として酸化アルミニウムや窒化シリコンなどを用いてもよい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体５１１よりも基板側からトランジスタ５１０Ａ側に拡散するのを抑制することができる。
例えば、絶縁体５１２は、絶縁体５１１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。
導電体５０３は、絶縁体５１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体５０３の上面の高さと、絶縁体５１２の上面の高さは同程度にできる。なお導電体５０３は、単層と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５０３を２層以上の多層膜構造としてもよい。なお、導電体５０３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が高い導電性材料を用いることが好ましい。
トランジスタ５１０Ａにおいて、導電体５６０は、第１のゲート電極として機能する場合がある。また、導電体５０５は、第２のゲート電極として機能する場合がある。その場合、導電体５０５に印加する電位を、導電体５６０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５１０Ａのしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体５０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ５１０Ａのしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体５０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体５６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
また、例えば、導電体５０５と、導電体５６０とを重畳して設けることで、導電体５６０、および導電体５０５に電位を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０５から生じる電界と、がつながり、酸化物５３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体５６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体５０５の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。すなわち、先に記載のトランジスタ５００と同様に、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造である。
絶縁体５１４、および絶縁体５１６は、絶縁体５１１または絶縁体５１２と同様に、層間膜として機能する。例えば、絶縁体５１４は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ５１０Ａに混入するのを抑制するバリア膜として機能することが好ましい。当該構成により、水素、水などの不純物が絶縁体５１４よりも基板側からトランジスタ５１０Ａ側に拡散するのを抑制することができる。また、例えば、絶縁体５１６は、絶縁体５１４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。
第２のゲートとして機能する導電体５０５は、絶縁体５１４および絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０５ａが形成され、さらに内側に導電体５０５ｂが形成されている。ここで、導電体５０５ａおよび導電体５０５ｂの上面の高さと、絶縁体５１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ５１０Ａでは、導電体５０５ａおよび導電体５０５ｂ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５０５は、単層、または３層以上の積層構造としてもよい。
ここで、導電体５０５ａは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）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つ）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一つ、または、すべての拡散を抑制する機能とする。
例えば、導電体５０５ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５０５ｂ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。
また、導電体５０５が配線の機能を兼ねる場合、導電体５０５ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。その場合、導電体５０３は、必ずしも設けなくともよい。なお、導電体５０５ｂを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン又は窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
絶縁体５２１、絶縁体５２２、および絶縁体５２４は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。
また、絶縁体５２２は、バリア性を有することが好ましい。絶縁体５２２がバリア性を有することで、トランジスタ５１０Ａの周辺部からトランジスタ５１０Ａへの水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
絶縁体５２２は、例えば、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）、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などを含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜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。
また、絶縁体５２１は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、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、好適である。また、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体５２１を得ることができる。
なお、図５には、第２のゲート絶縁膜として、３層の積層構造を示したが、２層以下、または４層以上の積層構造としてもよい。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。
チャネル形成領域として機能する領域を有する酸化物５３０は、酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａ上の酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上の酸化物５３０ｃと、を有する。酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物５３０ｂ上に酸化物５３０ｃを有することで、酸化物５３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。酸化物５３０として、上述した金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。
なお、酸化物５３０ｃは、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、絶縁体５７４を介して設けられることが好ましい。絶縁体５７４がバリア性を有する場合、絶縁体５８０からの不純物が酸化物５３０へと拡散することを抑制することができる。
導電体５４２は、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。
導電体５４２ａと、導電体５４２ｂとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。
また、図５では単層構造を示したが、導電体５４２ａと、導電体５４２ｂとして２層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。
また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
また、導電体５４２上に、バリア層を設けてもよい。バリア層は、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、絶縁体５７４を成膜する際に、導電体５４２が酸化することを抑制することができる。
バリア層には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
バリア層を有することで、導電体５４２の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体５４２に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
絶縁体５５０は、第１のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５５０は、絶縁体５８０に設けられた開口部内に、酸化物５３０ｃ、および絶縁体５７４を介して設けられることが好ましい。
トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。その場合、絶縁体５５０は、第２のゲート絶縁膜と同様に、積層構造としてもよい。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、ｈｉｇｈ−ｋ材料と、熱的に安定している材料との積層構造とすることで、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。また、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、および導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａは、導電体５０５ａと同様に、水素原子、水素分子、水分子、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つ）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５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性の幅を広げることができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。
酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、導電体５６０ａとして、酸化物５３０として用いることができる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体５６０ｂをスパッタリング法で成膜することで、導電体５６０ａ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。
導電体５６０ｂ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５６０ｂは、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体５６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン又は窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
絶縁体５８０と、トランジスタ５１０Ａとの間に絶縁体５７４を配置する。絶縁体５７４は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
絶縁体５７４を有することで、絶縁体５８０が有する水、および水素などの不純物が酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０を介して、酸化物５３０ｂに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０が有する過剰酸素により、導電体５６０が酸化するのを抑制することができる。
絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４は、層間膜として機能する。
絶縁体５８２は、絶縁体５１４と同様に、水または水素などの不純物が、外部からトランジスタ５１０Ａに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。
また、絶縁体５８０、および絶縁体５８４は、絶縁体５１６と同様に、絶縁体５８２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。
また、トランジスタ５１０Ａは、絶縁体５８０、絶縁体５８２、および絶縁体５８４に埋め込まれた導電体５４６などのプラグや配線を介して、他の構造と電気的に接続してもよい。
また、導電体５４６の材料としては、導電体５０５と同様に、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。例えば、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。
例えば、導電体５４６として、水素、および酸素に対してバリア性を有する導電体である窒化タンタル等と、導電性が高いタングステンとの積層構造を用いることで、配線としての導電性を保持したまま、外部からの不純物の拡散を抑制することができる。
上記構造を有することで、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
＜トランジスタの構造例２＞
図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｂの構造例を説明する。図６Ａはトランジスタ５１０Ｂの上面図である。図６Ｂは、図６Ａに一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図６Ｃは、図６Ａに一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図６Ａ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。
トランジスタ５１０Ｂはトランジスタ５１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５１０Ａと異なる点について説明する。
トランジスタ５１０Ｂは、導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）と、酸化物５３０ｃ、絶縁体５５０、および導電体５６０と、が重畳する領域を有する。当該構造とすることで、オン電流が高いトランジスタを提供することができる。また、制御性が高いトランジスタを提供することができる。
第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、および導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａは、導電体５０５ａと同様に、水素原子、水素分子、水分子、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つ）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５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。
また、導電体５６０の上面および側面、絶縁体５５０の側面、および酸化物５３０ｃの側面を覆うように、絶縁体５７４を設けることが好ましい。なお、絶縁体５７４は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
絶縁体５７４を設けることで、導電体５６０の酸化を抑制することができる。また、絶縁体５７４を有することで、絶縁体５８０が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ５１０Ｂへ拡散することを抑制することができる。
また、導電体５４６と、絶縁体５８０との間に、バリア性を有する絶縁体５７６（絶縁体５７６ａ、および絶縁体５７６ｂ）を配置してもよい。絶縁体５７６を設けることで、絶縁体５８０の酸素が導電体５４６と反応し、導電体５４６が酸化することを抑制することができる。
また、バリア性を有する絶縁体５７６を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体５４６に、酸素を吸収する性質を持つ一方で、導電性が高い金属材料を用いることで、低消費電力の半導体装置を提供することができる。具体的には、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
＜トランジスタの構造例３＞
図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｃの構造例を説明する。図７Ａはトランジスタ５１０Ｃの上面図である。図７Ｂは、図７Ａに一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図７Ｃは、図７Ａに一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図７Ａ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。
トランジスタ５１０Ｃはトランジスタ５１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５１０Ａと異なる点について説明する。
図７に示すトランジスタ５１０Ｃは、導電体５４２ａと酸化物５３０ｂの間に導電体５４７ａが配置され、導電体５４２ｂと酸化物５３０ｂの間に導電体５４７ｂが配置されている。ここで、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）は、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）の上面および導電体５６０側の側面を越えて延在し、酸化物５３０ｂの上面に接する領域を有する。ここで、導電体５４７は、導電体５４２に用いることができる導電体を用いればよい。さらに、導電体５４７の膜厚は、少なくとも導電体５４２より厚いことが好ましい。
図７に示すトランジスタ５１０Ｃは、上記のような構成を有することにより、トランジスタ５１０Ａよりも、導電体５４２を導電体５６０に近づけることができる。または、導電体５４２ａの端部および導電体５４２ｂの端部と、導電体５６０を重ねることができる。これにより、トランジスタ５１０Ｃの実質的なチャネル長を短くし、オン電流および周波数特性の向上を図ることができる。
また、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）は、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）と重畳して設けられることが好ましい。このような構成にすることで、導電体５４６ａ（導電体５４６ｂ）を埋め込む開口を形成するエッチングにおいて、導電体５４７ａ（導電体５４７ｂ）がストッパとして機能し、酸化物５３０ｂがオーバーエッチングされるのを防ぐことができる。
また、図７に示すトランジスタ５１０Ｃは、絶縁体５４４の上に接して絶縁体５４５を配置する構成にしてもよい。絶縁体５４４は、水または水素などの不純物や、過剰な酸素が、絶縁体５８０側からトランジスタ５１０Ｃに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体５４５としては、絶縁体５４４に用いることができる絶縁体を用いることができる。また、絶縁体５４４としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化チタン、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、窒化物絶縁体を用いてもよい。
また、図７に示すトランジスタ５１０Ｃは、図５に示すトランジスタ５１０Ａと異なり、導電体５０３を設けず、また、導電体５０５を単層構造で設けてもよい。この場合、パターン形成された導電体５０５の上に絶縁体５１６となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜の上部を、導電体５０５の上面が露出するまでＣＭＰ法などを用いて除去すればよい。ここで、導電体５０５の上面の平坦性を良好にすることが好ましい。例えば、導電体５０５上面の平均面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下にすればよい。これにより、導電体５０５の上に形成される、絶縁層の平坦性を良好にし、酸化物５３０ｂおよび酸化物５３０ｃの結晶性の向上を図ることができる。
＜トランジスタの構造例４＞
図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｄの構造例を説明する。図８Ａはトランジスタ５１０Ｄの上面図である。図８Ｂは、図８Ａに一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図８Ｃは、図８Ａに一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図８Ａ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。
トランジスタ５１０Ｄは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。
図８Ａ乃至図８Ｃでは、導電体５０３を設けずに、第２のゲートとしての機能を有する導電体５０５を配線としても機能させている。また、酸化物５３０ｃ上に絶縁体５５０を有し、絶縁体５５０上に金属酸化物５５２を有する。また、金属酸化物５５２上に導電体５６０を有し、導電体５６０上に絶縁体５７０を有する。また、絶縁体５７０上に絶縁体５７１を有する。
金属酸化物５５２は、酸素拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体５５０と、導電体５６０との間に、酸素の拡散を抑制する金属酸化物５５２を設けることで、導電体５６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。
なお、金属酸化物５５２は、第１のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物５３０として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物５５２として用いることができる。その場合、導電体５６０をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物５５２の電気抵抗値を低下させて導電層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。
また、金属酸化物５５２は、ゲート絶縁膜の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体５５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物５５２は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該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、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が可能となる。また、ゲート絶縁膜として機能する絶縁層の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
トランジスタ５１０Ｄにおいて、金属酸化物５５２を単層で示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、ゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁膜の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。
金属酸化物５５２を有することで、ゲート電極として機能する場合は、導電体５６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ５１０Ｄのオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁膜として機能する場合は、絶縁体５５０と、金属酸化物５５２との物理的な厚みにより、導電体５６０と、酸化物５３０との間の距離を保つことで、導電体５６０と酸化物５３０との間のリーク電流を抑制することができる。従って、絶縁体５５０、および金属酸化物５５２との積層構造を設けることで、導電体５６０と酸化物５３０との間の物理的な距離、および導電体５６０から酸化物５３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
具体的には、酸化物５３０に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物５５２として用いることができる。または、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁層である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物５５２は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
絶縁体５７０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絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体５７０よりも上方からの酸素で導電体５６０が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体５７０よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体５６０および絶縁体５５０を介して、酸化物５３０に混入することを抑制することができる。
絶縁体５７１はハードマスクとして機能する。絶縁体５７１を設けることで、導電体５６０の加工の際、導電体５６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体５６０の側面と基板表面のなす角を、７５度以上１００度以下、好ましくは８０度以上９５度以下とすることができる。
なお、絶縁体５７１に、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絶縁性材料を用いることで、バリア層としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体５７０は設けなくともよい。
絶縁体５７１をハードマスクとして用いて、絶縁体５７０、導電体５６０、金属酸化物５５２、絶縁体５５０、および酸化物５３０ｃの一部を選択的に除去することで、これらの側面を略一致させて、かつ、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させることができる。
また、トランジスタ５１０Ｄは、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａおよび領域５３１ｂを有する。領域５３１ａまたは領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。
領域５３１ａおよび領域５３１ｂの形成は、例えば、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法、またはプラズマ処理などを用いて、露出した酸化物５３０ｂ表面にリンまたはボロンなどの不純物元素を導入することで実現できる。なお、本実施の形態などにおいて「不純物元素」とは、主成分元素以外の元素のことをいう。
また、酸化物５３０ｂ表面の一部を露出させた後に金属膜を成膜し、その後加熱処理することにより、該金属膜に含まれる元素を酸化物５３０ｂに拡散させて領域５３１ａおよび領域５３１ｂを形成することもできる。
酸化物５３０ｂの不純物元素が導入された領域は、電気抵抗率が低下する。このため、領域５３１ａおよび領域５３１ｂを「不純物領域」または「低抵抗領域」という場合がある。
絶縁体５７１および／または導電体５６０をマスクとして用いることで、領域５３１ａおよび領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することができる。よって、領域５３１ａおよび／または領域５３１ｂと、導電体５６０が重ならず、寄生容量を低減することができる。また、チャネル形成領域とソースドレイン領域（領域５３１ａまたは領域５３１ｂ）の間にオフセット領域が形成されない。領域５３１ａおよび領域５３１ｂを自己整合（セルフアライメント）的に形成することにより、オン電流の増加、しきい値電圧の低減、動作周波数の向上などを実現できる。
なお、オフ電流を更に低減するため、チャネル形成領域とソースドレイン領域の間にオフセット領域を設けてもよい。オフセット領域とは、電気抵抗率が高い領域であり、前述した不純物元素の導入が行なわれない領域である。オフセット領域の形成は、絶縁体５７５の形成後に前述した不純物元素の導入を行なうことで実現できる。この場合、絶縁体５７５も絶縁体５７１などと同様にマスクとして機能する。よって、酸化物５３０ｂの絶縁体５７５と重なる領域に不純物元素が導入されず、該領域の電気抵抗率を高いままとすることができる。
また、トランジスタ５１０Ｄは、絶縁体５７０、導電体５６０、金属酸化物５５２、絶縁体５５０、および酸化物５３０ｃの側面に絶縁体５７５を有する。絶縁体５７５は、比誘電率の低い絶縁体であることが好ましい。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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、または樹脂などであることが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体５７５に用いると、後の工程で絶縁体５７５中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、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。また、絶縁体５７５は、酸素を拡散する機能を有することが好ましい。
また、トランジスタ５１０Ｄは、絶縁体５７５、酸化物５３０上に絶縁体５７４を有する。絶縁体５７４は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体５７４として、酸化アルミニウムを用いるとよい。
なお、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、絶縁体５７４が酸化物５３０および絶縁体５７５から水素および水を吸収することで、酸化物５３０および絶縁体５７５の水素濃度を低減することができる。
＜トランジスタの構造例５＞
図９Ａ乃至図９Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｅの構造例を説明する。図９Ａはトランジスタ５１０Ｅの上面図である。図９Ｂは、図９Ａに一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図９Ｃは、図９Ａに一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図９Ａ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。
トランジスタ５１０Ｅは上記トランジスタの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。
図９Ａ乃至図９Ｃでは、導電体５４２を設けずに、露出した酸化物５３０ｂ表面の一部に領域５３１ａおよび領域５３１ｂを有する。領域５３１ａまたは領域５３１ｂの一方はソース領域として機能し、他方はドレイン領域として機能する。また、酸化物５３０ｂと、絶縁体５７４の間に、絶縁体５７３を有する。
図９に示す、領域５３１（領域５３１ａ、および領域５３１ｂ）は、酸化物５３０ｂに下記の元素が添加された領域である。領域５３１は、例えば、ダミーゲートを用いることで形成することができる。
具体的には、酸化物５３０ｂ上にダミーゲートを設け、当該ダミーゲートをマスクとして用い、上記酸化物５３０ｂを低抵抗化する元素を添加するとよい。つまり、酸化物５３０が、ダミーゲートと重畳していない領域に、当該元素が添加され、領域５３１が形成される。なお、当該元素の添加方法としては、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法、イオン化された原料ガスを質量分離せずに添加するイオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いることができる。
なお、酸化物５３０を低抵抗化する元素としては、代表的には、ホウ素、またはリンが挙げられる。また、水素、炭素、窒素、フッ素、硫黄、塩素、チタン、希ガス等を用いてもよい。希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン等がある。当該元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などを用いて測定すればよい。
特に、ホウ素、及びリンは、低温ポリシリコン等の製造ラインの装置を使用することができるため、好ましい。既存の設備を転用することができ、設備投資を抑制することができる。
続いて、酸化物５３０ｂ、およびダミーゲート上に、絶縁体５７３となる絶縁膜、および絶縁体５７４となる絶縁膜を成膜してもよい。絶縁体５７３となる絶縁膜、および絶縁体５７４となる絶縁膜を積層して設けることで、領域５３１と、酸化物５３０ｃおよび絶縁体５５０とが重畳する領域を設けることができる。
具体的には、絶縁体５７４となる絶縁膜上に絶縁体５８０となる絶縁膜を設けた後、絶縁体５８０となる絶縁膜にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、絶縁体５８０となる絶縁膜の一部を除去し、ダミーゲートを露出する。続いて、ダミーゲートを除去する際に、ダミーゲートと接する絶縁体５７３の一部も除去するとよい。従って、絶縁体５８０に設けられた開口部の側面には、絶縁体５７４、および絶縁体５７３が露出し、当該開口部の底面には、酸化物５３０ｂに設けられた領域５３１の一部が露出する。次に、当該開口部に酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁体５５０となる絶縁膜、および導電体５６０となる導電膜を順に成膜した後、絶縁体５８０が露出するまでＣＭＰ処理などにより、酸化物５３０ｃとなる酸化膜、絶縁体５５０となる絶縁膜、および導電体５６０となる導電膜の一部を除去することで、図９に示すトランジスタを形成することができる。
なお、絶縁体５７３、および絶縁体５７４は必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
図９に示すトランジスタは、既存の装置を転用することができ、さらに、導電体５４２を設けないため、コストの低減を図ることができる。
＜トランジスタの構造例６＞
図１０Ａ乃至図１０Ｃを用いてトランジスタ５１０Ｆの構造例を説明する。図１０Ａはトランジスタ５１０Ｆの上面図である。図１０Ｂは、図１０Ａに一点鎖線Ｌ１−Ｌ２で示す部位の断面図である。図１０Ｃは、図１０Ａに一点鎖線Ｗ１−Ｗ２で示す部位の断面図である。なお、図１０Ａ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。
トランジスタ５１０Ｆはトランジスタ５１０Ａの変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。
トランジスタ５１０Ａでは、絶縁体５７４の一部が絶縁体５８０に設けられた開口部内に設けられ、導電体５６０の側面を覆うように設けられている。一方で、トランジスタ５１０Ｆでは絶縁体５８０と絶縁体５７４の一部を除去して開口が形成されている。
また、導電体５４６と、絶縁体５８０との間に、バリア性を有する絶縁体５７６（絶縁体５７６ａ、および絶縁体５７６ｂ）を配置してもよい。絶縁体５７６を設けることで、絶縁体５８０の酸素が導電体５４６と反応し、導電体５４６が酸化することを抑制することができる。
なお、酸化物５３０として酸化物半導体を用いる場合は、各金属原子の原子数比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５３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ａ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５３０ｂ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５３０ｂ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５３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｃは、酸化物５３０ａまたは酸化物５３０ｂに用いることができる金属酸化物を用いることができる。
酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃは、結晶性を有することが好ましく、特に、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いることが好ましい。ＣＡＡＣ−ＯＳ等の結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥（酸素欠損等）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５３０ｂ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５３０ｂ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５１０Ｆは、製造工程における高い温度（またはサーマルバジェット）に対して安定である。
なお、酸化物５３０を、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの積層とする場合、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物５３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの電子親和力が、酸化物５３０ｂ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５３０ｃは、酸化物５３０ａ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。具体的には、酸化物５３０ｃに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｃ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５３０ｂ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５３０ｂ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５３０ｃ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。
ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂ、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる、例えば、酸化物５３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウム等を用いてもよい。また、酸化物５３０ｃを積層構造としてもよい。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物と、当該Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物上のＧａ−Ｚｎ酸化物との積層構造、またはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物と、当該Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物上の酸化ガリウムとの積層構造を用いることができる。別言すると、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物と、Ｉｎを含まない酸化物との積層構造を、酸化物５３０ｃとして用いてもよい。
具体的には、酸化物５３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、または１：１：０．５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、または３：１：２［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物５３０ｃを積層構造とする場合の具体例としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］との積層構造、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］と、酸化ガリウムとの積層構造等が挙げられる。
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物５３０ｂとなる。酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃ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５１０Ｆは高いオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。なお、酸化物５３０ｃを積層構造とした場合、上述の酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くする効果に加え、酸化物５３０ｃが有する構成元素が、絶縁体５５０側に拡散するのを抑制することが期待される。より具体的には、酸化物５３０ｃを積層構造とし、積層構造の上方にＩｎを含まない酸化物を位置させるため、絶縁体５５０側に拡散しうるＩｎを抑制することができる。絶縁体５５０は、ゲート絶縁体として機能するため、Ｉｎが拡散した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、酸化物５３０ｃを積層構造とすることで、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
酸化物５３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物５３０のチャネル形成領域となる金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
＜トランジスタの構造例７＞
図１１Ａ、図１１Ｂを用いてトランジスタ５１０Ｇの構造例を説明する。トランジスタ５１０Ｇはトランジスタ５００の変形例である。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主に上記トランジスタと異なる点について説明する。なお、図１１Ａ、図１１Ｂに示す構成は、トランジスタ３００等、本発明の一形態の半導体装置が有する他のトランジスタにも適用することができる。
図１１Ａは、トランジスタ５１０Ｇのチャネル長方向の断面図であり、図１１Ｂは、トランジスタ５１０Ｇのチャネル幅方向の断面図である。図１１Ａ、図１１Ｂに示すトランジスタ５１０Ｇは、絶縁体４０２及び絶縁体４０４を有する点が、図４Ａ、図４Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。また、導電体５４０ａの側面に接して絶縁体５５１が設けられ、導電体５４０ｂの側面に接して絶縁体５５１が設けられる点が、図４Ａ、図４Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。さらに、絶縁体５２０を有さない点が、図４Ａ、図４Ｂに示すトランジスタ５００と異なる。
図１１Ａ、図１１Ｂに示すトランジスタ５１０Ｇは、絶縁体５１２上に絶縁体４０２が設けられる。また、絶縁体５７４上、及び絶縁体４０２上に絶縁体４０４が設けられる。
図１１Ａ、図１１Ｂに示すトランジスタ５１０Ｇでは、絶縁体５１４、絶縁体５１６、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、及び絶縁体５７４がパターニングされており、絶縁体４０４がこれらを覆う構造になっている。つまり、絶縁体４０４は、絶縁体５７４の上面、絶縁体５７４の側面、絶縁体５８０の側面、絶縁体５４４の側面、絶縁体５２４の側面、絶縁体５２２の側面、絶縁体５１６の側面、絶縁体５１４の側面、絶縁体４０２の上面とそれぞれ接する。これにより、酸化物５３０等は、絶縁体４０４と絶縁体４０２によって外部から隔離される。
絶縁体４０２及び絶縁体４０４は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一つ）又は水分子の拡散を抑制する機能が高いことが好ましい。例えば、絶縁体４０２及び絶縁体４０４として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコン又は窒化酸化シリコンを用いることが好ましい。これにより、酸化物５３０に水素等が拡散することを抑制することができるので、トランジスタ５１０Ｇの特性が低下することを抑制することができる。よって、本発明の一形態の半導体装置の信頼性を高めることができる。
絶縁体５５１は、絶縁体５８１、絶縁体４０４、絶縁体５７４、絶縁体５８０、及び絶縁体５４４に接して設けられる。絶縁体５５１は、水素又は水分子の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。たとえば、絶縁体５５１として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は窒化酸化シリコン等の絶縁体を用いることが好ましい。特に、窒化シリコンは水素バリア性が高い材料であるので、絶縁体５５１として用いると好適である。絶縁体５５１として水素バリア性が高い材料を用いることにより、水又は水素等の不純物が、絶縁体５８０等から導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂを通じて酸化物５３０に拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０に含まれる酸素が導電体５４０ａ及び導電体５４０ｂに吸収されることを抑制することができる。以上により、本発明の一形態の半導体装置の信頼性を高めることができる。
図１２は、トランジスタ５００及びトランジスタ３００を、図１１Ａ、図１１Ｂに示す構成とした場合における、半導体装置の構成例を示す断面図である。導電体５４６の側面に、絶縁体５５１が設けられている。
図１３Ａ、図１３Ｂは、図１１Ａ、図１１Ｂに示すトランジスタ５１０Ｇの変形例である。図１３Ａはトランジスタのチャネル長方向の断面図であり、図１３Ｂはトランジスタのチャネル幅方向の断面図である。図１３Ａ、図１３Ｂに示すトランジスタは、酸化物５３０ｃが酸化物５３０ｃ１及び酸化物５３０ｃ２の２層構造である点が、図１１Ａ、図１１Ｂに示すトランジスタと異なる。
酸化物５３０ｃ１は、絶縁体５２４の上面、酸化物５３０ａの側面、酸化物５３０ｂの上面及び側面、導電体５４２ａ及び導電体５４２ｂの側面、絶縁体５４４の側面、及び絶縁体５８０の側面と接する。酸化物５３０ｃ２は、絶縁体５５０と接する。
酸化物５３０ｃ１として、例えば、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。また、酸化物５３０ｃ２として、酸化物５３０ｃが１層構造である場合に酸化物５３０ｃに用いることができる材料と同様の材料を用いることができる。例えば、酸化物５３０ｃ２として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いることができる。
酸化物５３０ｃを酸化物５３０ｃ１及び酸化物５３０ｃ２の２層構造とすることにより、酸化物５３０ｃを１層構造とする場合より、トランジスタのオン電流を高めることができる。よって、トランジスタを、例えば、パワーＭＯＳトランジスタとすることができる。なお、図４Ａ、図４Ｂに示すトランジスタが有する酸化物５３０ｃも、酸化物５３０ｃ１と酸化物５３０ｃ２の２層構造とすることができる。
図１３Ａ、図１３Ｂに示すトランジスタは、例えば、トランジスタ５００、トランジスタ３００、または、その双方に適用することができる。
なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したＯＳトランジスタに用いることができる金属酸化物（以下、酸化物半導体、ともいう）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、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１４Ａを用いて説明を行う。図１４Ａ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１４Ａ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。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１４Ａ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１４Ｂに示す。なお、ＧＩＸＤ法は、薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ−Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。以降、図１４Ｂ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１４Ｂ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１４Ｂに示すＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の厚さは、５００ｎｍである。
図１４Ｂでは、横軸は２θ［ｄｅｇ．］であり、縦軸は強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）［ａ．ｕ．］である。図１４Ｂ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１４Ｂに示すように、２θ＝３１°近傍のピークは、ピーク強度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１４Ｃに示す。図１４Ｃ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１４Ｃ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１４Ｃ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１４Ａ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（グレインバウンダリー）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（またはサーマルバジェット）に対しても安定である。したがって、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型化しやすい。この結果、窒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。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。
なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した、整合回路１０を組み込むことができる電子部品または電子機器の一例について説明する。
例えば、図１５に、ファクトリーオートメーションのイメージ図を示す。図１５において、工場８８４はインターネット回線（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）を介してクラウド８８３と接続される。また、クラウド８８３は、インターネット回線を介してホーム８８１およびオフィス８８２と接続される。インターネット回線は有線通信方式であってもよいし、無線通信方式であってもよい。例えば、無線通信方式の場合は、第４世代移動通信システム（４Ｇ）や第５世代移動通信システム（５Ｇ）を用いてもよい。また、工場８８４は、インターネット回線を介して工場８８５および工場８８６と接続してもよい。
工場８８４はマスタデバイス（制御機器）８３１を有する。マスタデバイス８３１は、クラウド（サーバー）８８３と接続し、情報の授受を行う機能を有する。また、マスタデバイス８３１は、ＩｏＴ末端機器（エンドポイントマイコン、ともいう）８４１に含まれる複数の産業用ロボット８４２と、Ｍ２Ｍ（Ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏ　Ｍａｃｈｉｎｅ）インターフェイス８３２を介して接続される。Ｍ２Ｍインターフェイス８３２としては、例えば、有線通信方式の一種である産業イーサネット（「イーサネット」は、登録商標）や、無線通信方式の一種であるローカル５Ｇなどを用いてもよい。
工場の管理者は、ホーム８８１またはオフィス８８２から、クラウド８８３を介して工場８８４に接続し、稼働状況などを知ることができる。また、誤品・欠品チェック、置き場所指示、タクトタイムの計測などを行うことができる。
近年「スマート工場」と銘打って、世界的にＩｏＴの工場への導入が進められている。スマート工場の事例では、エンドポイントマイコンによる単なる検査、監査だけでなく、故障検知や異常予測なども行う事例が報告されている。
上述した、ファクトリーオートメーションの例において、第４世代移動通信システム（４Ｇ）、第５世代移動通信システム（５Ｇ）、産業イーサネット、ローカル５Ｇ等の通信機器を構成する電子部品、ホーム８８１およびオフィス８８２で用いられるＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、マスタデバイス８３１等に用いられるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、マザーボード、ＰＣＩ　Ｅｘｐｒｅｓｓ（ＰＣＩｅと表記する場合がある；「ＰＣＩ　Ｅｘｐｒｅｓｓ」および「ＰＣＩｅ」は、登録商標）などの高速シリアルインターフェイス、等に、本発明の一形態に係る整合回路１０を組み込むことができる。
なお、本実施の形態は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
本実施例では、上記実施の形態で説明したＯＳトランジスタを試作し、電圧Ｖｇｓと容量Ｃｇｓｄとの関係を測定した。また、シリコンを使用したＭＯＳ型ＦＥＴにおいて、電圧Ｖｇｓと容量Ｃｇｓｄとの関係をシミュレーションし、ＯＳトランジスタにおける電圧Ｖｇｓと容量Ｃｇｓｄとの関係（以後、Ｖｇｓ−Ｃｇｓｄ特性、という）と比較した。
試作したＯＳトランジスタのチャネル長は６０ｎｍであり、チャネル幅も６０ｎｍである。シミュレーションを行ったＭＯＳ型ＦＥＴのチャネル長は６０ｎｍであり、チャネル幅は８０ｎｍである。
図１６は、試作したＯＳトランジスタの構造を示す斜視図である。当該トランジスタは、上記実施の形態で示したトランジスタ５００と同様の構造を有し、トップゲート電極（ＴＧＥ）、トップゲート電極側のゲート絶縁層（ＴＧＩ）、バックゲート電極（ＢＧＥ）、バックゲート電極側のゲート絶縁層（ＢＧＩ）、ソースまたはドレインとして機能する電極（Ｓ／Ｄ）、および酸化物などを有する。当該トランジスタは、チャネル形成領域にＣＡＡＣ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を含むトランジスタである。
図１７Ａに、ＯＳトランジスタのＶｇｓ−Ｃｇｓｄ特性と、シリコンを使用したＭＯＳ型ＦＥＴのＶｇｓ−Ｃｇｓｄ特性を、並べて示す。図１７Ａの横軸は、ソースに対するゲートの電圧Ｖｇｓであり、縦軸は、ソースおよびドレインとゲートとの間に形成される容量Ｃｇｓｄである。また、図１７Ｂには、図１７ＡにおけるＯＳトランジスタのＶｇｓ−Ｃｇｓｄ特性と、ＭＯＳ型ＦＥＴのＶｇｓ−Ｃｇｓｄ特性を、チャネル長およびチャネル幅を１μｍあたりに規格化したものを示す。
図１７Ａおよび図１７Ｂより、ＯＳトランジスタの容量Ｃｇｓｄは、電圧Ｖｇｓが低い領域ては、シリコンを使用したＭＯＳ型ＦＥＴの容量Ｃｇｓｄと大きな差はないが、電圧ＶｇｓがＯＳトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈ付近より高い領域では、差が大きくなることがわかる。電圧Ｖｇｓが高い領域では、ＯＳトランジスタの容量Ｃｇｓｄは、シリコンを使用したＭＯＳ型ＦＥＴの容量Ｃｇｓｄと比較して、最大で３０倍以上となった。ＯＳトランジスタの容量Ｃｇｓｄは、シリコンを使用したＭＯＳ型ＦＥＴの容量Ｃｇｓｄより、変化量が大きいことがわかる。
なお、本実施例は、本明細書に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
Ｌ１２：インダクタ、Ｔ１１：トランジスタ、Ｔ１５：トランジスタ、ＶＤＤ＿ＩＮ：入力端子、ＳＩＩ＿ＩＮ：入力端子、ＳＩＯ＿ＯＵＴ：出力端子、１０：整合回路、２０：装置、３０：装置、４０：整合回路、５０：整合回路、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、３６０：絶縁体、３６２：絶縁体、３６４：絶縁体、３６６：導電体、３７０：絶縁体、３７２：絶縁体、３７４：絶縁体、３７６：導電体、３８０：絶縁体、３８２：絶縁体、３８４：絶縁体、３８６：導電体、４０２：絶縁体、４０４：絶縁体、５００：トランジスタ、５０３：導電体、５０３ａ：導電体、５０３ｂ：導電体、５０５：導電体、５０５ａ：導電体、５０５ｂ：導電体、５１０：絶縁体、５１０Ａ：トランジスタ、５１０Ｂ：トランジスタ、５１０Ｃ：トランジスタ、５１０Ｄ：トランジスタ、５１０Ｅ：トランジスタ、５１０Ｆ：トランジスタ、５１０Ｇ：トランジスタ、５１１：絶縁体、５１２：絶縁体、５１４：絶縁体、５１６：絶縁体、５１８：導電体、５２０：絶縁体、５２１：絶縁体、５２２：絶縁体、５２４：絶縁体、５３０：酸化物、５３０ａ：酸化物、５３０ｂ：酸化物、５３０ｃ：酸化物、５３０ｃ１：酸化物、５３０ｃ２：酸化物、５３１：領域、５３１ａ：領域、５３１ｂ：領域、５４０ａ：導電体、５４０ｂ：導電体、５４２：導電体、５４２ａ：導電体、５４２ｂ：導電体、５４３：領域、５４３ａ：領域、５４３ｂ：領域、５４４：絶縁体、５４５：絶縁体、５４６：導電体、５４６ａ：導電体、５４６ｂ：導電体、５４７：導電体、５４７ａ：導電体、５４７ｂ：導電体、５４８：導電体、５５０：絶縁体、５５１：絶縁体、５５２：金属酸化物、５６０：導電体、５６０ａ：導電体、５６０ｂ：導電体、５７０：絶縁体、５７１：絶縁体、５７３：絶縁体、５７４：絶縁体、５７５：絶縁体、５７６：絶縁体、５７６ａ：絶縁体、５７６ｂ：絶縁体、５８０：絶縁体、５８１：絶縁体、５８２：絶縁体、５８４：絶縁体、５８６：絶縁体、６００：容量素子、６１０：導電体、６１２：導電体、６２０：導電体、６３０：絶縁体、６５０：絶縁体、８３１：マスタデバイス、８３２：Ｍ２Ｍインターフェイス、８４１：ＩｏＴ末端機器、８４２：産業用ロボット、８８１：ホーム、８８２：オフィス、８８３：クラウド、８８４：工場、８８５：工場、８８６：工場

Claims (4)

  1. 　トランジスタと、
    　インダクタと、を有し、
    　前記トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、
    　前記トランジスタの、ソースに対するゲートの電圧を変更することで、インピーダンス整合を行う、整合回路。
  2. 　トランジスタと、
    　インダクタと、
    　第１および第２入力端子と、を有し、
    　前記第１入力端子は、前記トランジスタのソースおよびドレインと電気的に接続され、
    　前記トランジスタのゲートは、前記インダクタの第１端子と電気的に接続され、
    　前記インダクタの第２端子は、前記第２入力端子と電気的に接続され、
    　前記トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、
    　前記第２入力端子に入力される電位を変更することで、インピーダンス整合を行う、整合回路。
  3. 　トランジスタと、
    　インダクタと、
    　第１および第２入力端子と、を有し、
    　前記第１入力端子は、前記トランジスタのソースおよびドレインと電気的に接続され、
    　前記トランジスタのゲートは、前記インダクタの第１端子と電気的に接続され、
    　前記インダクタの第２端子は、前記第２入力端子と電気的に接続され、
    　前記第１入力端子には、交流信号が入力され、
    　前記第２入力端子には、所定の電位が入力され、
    　前記交流信号の周波数が変化すると、前記所定の電位が変更される、半導体装置。
  4. 　請求項３において、
    　前記トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する、半導体装置。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008218989A (ja) * 2007-02-09 2008-09-18 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置
JP2011139049A (ja) * 2009-12-04 2011-07-14 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置
JP2015508621A (ja) * 2012-01-23 2015-03-19 クゥアルコム・インコーポレイテッドＱｕａｌｃｏｍｍ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ 電力増幅器のためのチューナブル・ノッチフィルタを備えたインピーダンス整合回路
WO2015097804A1 (ja) * 2013-12-26 2015-07-02 三菱電機エンジニアリング株式会社 高周波電源用自動整合回路
WO2017002196A1 (ja) * 2015-06-30 2017-01-05 株式会社日立国際電気 整合器及び整合方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9589916B2 (en) * 2015-02-10 2017-03-07 Infineon Technologies Ag Inductively coupled transformer with tunable impedance match network
US20180123567A1 (en) * 2015-03-25 2018-05-03 Smart Antenna Technologies Ltd. Linearized negative impedance converter matching circuits and impedance adjustment circuit for a negative impedance converter
JP6850096B2 (ja) * 2015-09-24 2021-03-31 株式会社半導体エネルギー研究所 半導体装置の作製方法及び電子機器の作製方法
US10218332B2 (en) * 2015-10-30 2019-02-26 Avago Technologies International Sales Pte. Limited Broadband matching circuit for capacitive device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008218989A (ja) * 2007-02-09 2008-09-18 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置
JP2011139049A (ja) * 2009-12-04 2011-07-14 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置
JP2015508621A (ja) * 2012-01-23 2015-03-19 クゥアルコム・インコーポレイテッドＱｕａｌｃｏｍｍ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ 電力増幅器のためのチューナブル・ノッチフィルタを備えたインピーダンス整合回路
WO2015097804A1 (ja) * 2013-12-26 2015-07-02 三菱電機エンジニアリング株式会社 高周波電源用自動整合回路
WO2017002196A1 (ja) * 2015-06-30 2017-01-05 株式会社日立国際電気 整合器及び整合方法

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