WO2021186297A1 - 半導体装置、半導体装置の作製方法 - Google Patents

半導体装置、半導体装置の作製方法 Download PDF

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山崎舜平
掛端哲弥
神保安弘
恵木勇司
井坂史人
河内峻太郎
高橋正弘
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株式会社半導体エネルギー研究所
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    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass

Definitions

  • One aspect of the present invention relates to transistors, semiconductor devices, and electronic devices. Further, one aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device. Further, one aspect of the present invention relates to a semiconductor wafer and a module.
  • the semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing the semiconductor characteristics.
  • a semiconductor device such as a transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic unit, and a storage device are one aspect of the semiconductor device.
  • Display devices liquid crystal display devices, light emitting display devices, etc.
  • projection devices lighting devices
  • electro-optical devices power storage devices
  • storage devices semiconductor circuits
  • image pickup devices electronic devices, and the like may be said to have semiconductor devices.
  • One aspect of the present invention is not limited to the above technical fields.
  • One aspect of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method. Also, one aspect of the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition of matter.
  • a CPU is an aggregate of semiconductor elements having a semiconductor integrated circuit (at least a transistor and a memory) formed into a chip by processing a semiconductor wafer and having electrodes as connection terminals formed therein.
  • IC chips Semiconductor circuits (IC chips) such as LSIs, CPUs, and memories are mounted on circuit boards, for example, printed wiring boards, and are used as one of various electronic device components.
  • transistors are widely applied in electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (also simply referred to as display devices).
  • ICs integrated circuits
  • image display devices also simply referred to as display devices.
  • Silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, but oxide semiconductors are attracting attention as other materials.
  • Patent Document 1 discloses a low power consumption CPU that applies the characteristic that the leakage current of a transistor using an oxide semiconductor is small.
  • Patent Document 2 discloses a storage device that can retain the storage contents for a long period of time by applying the characteristic that the leakage current of a transistor using an oxide semiconductor is small.
  • Non-Patent Document 1 discloses a technique relating to a silicon oxide film using PEALD (Plasma Enhanced ALD) as an insulating film used for a transistor (see Non-Patent Document 1).
  • PEALD Pullasma Enhanced ALD
  • One aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having little variation in transistor characteristics. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having good reliability. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having good electrical characteristics. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having a large on-current. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration. Alternatively, one aspect of the present invention is to provide a semiconductor device having low power consumption.
  • a first insulating film is formed, an oxide film is formed on the first insulating film, a first heat treatment is performed, and a first conductive film is formed on the oxide film.
  • a second insulating film are formed in order, and the first insulating film, the oxide film, the first conductive film, and the second insulating film are processed into an island shape to form a first insulator and an oxide.
  • a conductive layer, and a first insulating layer are formed, and a second insulator is formed on the first insulator, an oxide, the conductive layer, and the first insulating layer, and the second insulator is formed.
  • a third insulator is formed on the film, and openings reaching the oxide are formed in the conductive layer, the first insulating layer, the second insulator, and the third insulator, and by forming the openings.
  • a first conductor and a second conductor are formed from the conductive layer
  • a fourth insulator and a fifth insulator are formed from the first insulating layer
  • a second heat treatment is performed.
  • a third insulating film is formed on the third insulator and the opening
  • a fourth insulating film is formed on the third insulating film
  • a fifth insulating film is formed on the fourth insulating film.
  • a second conductive film is formed on the fifth insulating film, and a third insulating film, a fourth insulating film, a fifth insulating film, and a second insulating film are formed.
  • a third insulating film, a fourth insulating film, a fifth insulating film, and a second insulating film are formed.
  • CMP treatment By performing CMP treatment on the conductive film until the upper surface of the third insulator is exposed, a sixth insulator, a seventh insulator, an eighth insulator, and a third insulator are formed.
  • the fourth insulating film is formed by the PEALD method using a precursor containing silicon and not containing hydrocarbons, an oxidizing gas, and a diluting gas, which is a method for manufacturing a semiconductor device.
  • the film formation by the PEALD method includes the first step of introducing a gas containing silicon and containing no hydrocarbon, an oxidizing gas, and a diluting gas into the reaction chamber, and the first step of introducing the hydrocarbon containing silicon. Stopping the gas that does not contain it, purging the gas that contains silicon and does not contain hydrocarbons remaining in the reaction chamber, the second step, and applying high frequency power to generate plasma with oxidizing gas and diluting gas.
  • the first step to the fourth step is regarded as one cycle, the cycle is 1 time or more and 800 times or less. , Is preferable.
  • the gas containing silicon and not containing hydrocarbon is selected from SiH 4 , Si 2 H 6 , SiF 4 , SiCl 4 , SiBr 4 , SiH 2 Cl 2 , and SiH 2 I 2.
  • the oxidizing gas comprises one or more selected from O 2 , O 3 , N 2 O, NO 2, H 2 O, H 2 O 2 , and CO 2 and is diluted. gas, N 2, He, Ne, Ar, Kr, and any one or more selected from among Xe, it is preferred.
  • the gas containing silicon and not containing hydrocarbon is SiH 4
  • the oxidizing gas is N 2 O
  • the diluting gas is N 2.
  • the pressure in the reaction chamber in the first step is preferably 400 Pa or more and 1000 Pa or less.
  • the temperature of the first heat treatment is higher than the temperature of the second heat treatment.
  • one aspect of the present invention is an oxide, a first conductor on the oxide, a second conductor, a first insulator on the first conductor, and a second conductor.
  • the sixth insulator contains hydrogen, nitrogen, oxygen, and silicon, and has a region in contact with the conductor, the second conductor, and the first to fourth insulators, respectively.
  • the hydrogen concentration in the film of the insulator of No. 6 is 1 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or more and 3 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or less according to the SIMS analysis method, and the nitrogen concentration in the film of the sixth insulator.
  • the seventh insulator contains hafnium.
  • the film thickness of the seventh insulator is preferably 0.5 nm or more and 5.0 nm or less.
  • the film thickness of the sixth insulator is preferably 0.5 nm or more and 15.0 nm or less.
  • the oxide is preferably an oxide semiconductor containing any one or more selected from In, Ga, or Zn.
  • one aspect of the present invention it is possible to provide a semiconductor device having little variation in transistor characteristics.
  • one aspect of the present invention can provide a semiconductor device with good reliability.
  • one aspect of the present invention can provide a semiconductor device having good electrical characteristics.
  • one aspect of the present invention can provide a semiconductor device having a large on-current.
  • a semiconductor device having low power consumption can be provided.
  • FIG. 1A is a top view of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 1B to 1D are cross-sectional views of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 2A is a top view of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 2B to 2D are cross-sectional views of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 3A and 3B are cross-sectional views of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating classification of the crystal structure of IGZO.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating an XRD spectrum of a CAAC-IGZO film.
  • FIG. 4C is a diagram for explaining the microelectron diffraction pattern of the CAAC-IGZO film.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a process flow which is one aspect of the present invention.
  • 6A and 6B are diagrams illustrating a film formation sequence which is one aspect of the present invention.
  • FIG. 7A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 7B to 7D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 8A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 8B to 8D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 9A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 9B to 9D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 10A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 10B to 10D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 11A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 11B to 11D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 10A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 10B to 10D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 11A is
  • FIG. 12A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 12B to 12D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 13A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 13B to 13D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 14A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 14B to 14D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 15A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 15B to 15D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 16A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 16B to 16D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 17A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 17B to 17D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 18A is a top view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • 18B to 18D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 19 is a top view illustrating a microwave processing apparatus according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view illustrating a microwave processing apparatus according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view illustrating a microwave processing apparatus according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view illustrating a microwave processing apparatus according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 23A is a plan view of the semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 23B and 23C are cross-sectional views of a semiconductor device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing the configuration of a storage device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view showing the configuration of a storage device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • 27A and 27B are cross-sectional views of the semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 28 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 29A is a block diagram showing a configuration example of a storage device according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 29A is a block diagram showing a configuration example of a storage device according to an aspect of the present invention.
  • 29B is a perspective view showing a configuration example of a storage device according to one aspect of the present invention.
  • 30A to 30H are circuit diagrams showing a configuration example of a storage device according to one aspect of the present invention.
  • 31A and 31B are schematic views of a semiconductor device according to one aspect of the present invention.
  • 32A and 32B are diagrams illustrating an example of an electronic component.
  • 33A to 33E are schematic views of a storage device according to an aspect of the present invention.
  • 34A to 34H are diagrams showing electronic devices according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 35 is a diagram showing a sample structure of an example according to one aspect of the present invention.
  • 36A to 36C are diagrams showing the results of SIMS analysis of Examples according to one aspect of the present invention.
  • FIGS 37A to 37C are diagrams showing the SIMS analysis results of the examples according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 38 is a diagram illustrating a sequence of examples according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 39 is a diagram showing an oxide film thickness of an example according to one aspect of the present invention.
  • 40A to 40C are schematic views showing the structure of an embodiment according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 41 is a diagram showing energy in each state of the embodiment according to one aspect of the present invention.
  • the size, layer thickness, or area may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to that scale.
  • the drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings. For example, in an actual manufacturing process, layers, resist masks, etc. may be unintentionally reduced due to processing such as etching, but they may not be reflected in the figure for the sake of easy understanding. Further, in the drawings, the same reference numerals may be used in common between different drawings for the same parts or parts having similar functions, and the repeated description thereof may be omitted. Further, when referring to the same function, the hatch pattern may be the same and no particular sign may be added.
  • a top view also referred to as a "plan view”
  • a perspective view etc.
  • the description of some components may be omitted.
  • some hidden lines may be omitted.
  • the ordinal numbers attached as the first, second, etc. are used for convenience, and do not indicate the process order or the stacking order. Therefore, for example, the "first” can be appropriately replaced with the “second” or “third” for explanation.
  • the ordinal numbers described in the present specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one aspect of the present invention.
  • X and Y are connected, the case where X and Y are electrically connected and the case where X and Y function. It is assumed that the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are directly connected are disclosed in the present specification and the like. Therefore, it is not limited to a predetermined connection relationship, for example, a connection relationship shown in a figure or a sentence, and a connection relationship other than the connection relationship shown in the figure or the sentence is also disclosed in the figure or the sentence.
  • X and Y are assumed to be objects (for example, devices, elements, circuits, wirings, electrodes, terminals, conductive films, layers, etc.).
  • a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. It also has a region (hereinafter, also referred to as a channel forming region) in which a channel is formed between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode). A current can flow between the source and the drain through the channel formation region.
  • the channel forming region means a region in which an electric current mainly flows.
  • source and drain functions may be interchanged when transistors with different polarities are used or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in the present specification and the like, the terms source and drain may be used interchangeably.
  • the channel length is, for example, the source in the top view of the transistor, the region where the semiconductor (or the portion where the current flows in the semiconductor when the transistor is on) and the gate electrode overlap each other, or the channel formation region.
  • the channel length does not always take the same value in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in the present specification, the channel length is set to any one value, the maximum value, the minimum value, or the average value in the channel formation region.
  • the channel width is, for example, the channel length direction in the region where the semiconductor (or the portion where the current flows in the semiconductor when the transistor is on) and the gate electrode overlap each other in the top view of the transistor, or in the channel formation region. Refers to the length of the channel formation region in the vertical direction with reference to. In one transistor, the channel width does not always take the same value in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in the present specification, the channel width is set to any one value, the maximum value, the minimum value, or the average value in the channel formation region.
  • the channel width in the region where the channel is actually formed (hereinafter, also referred to as “effective channel width”) and the channel width shown in the top view of the transistor. (Hereinafter, also referred to as “apparent channel width”) and may be different.
  • the effective channel width may be larger than the apparent channel width, and the influence thereof may not be negligible.
  • the proportion of the channel forming region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width is larger than the apparent channel width.
  • channel width when simply described as a channel width, it may refer to an apparent channel width.
  • channel width may refer to an effective channel width.
  • the values of the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, and the like can be determined by analyzing a cross-sectional TEM image or the like.
  • the semiconductor impurities refer to, for example, other than the main components constituting the semiconductor.
  • an element having a concentration of less than 0.1 atomic% can be said to be an impurity.
  • the inclusion of impurities may result in, for example, an increase in the defect level density of the semiconductor, a decrease in crystallinity, and the like.
  • the impurities that change the characteristics of the semiconductor include, for example, Group 1 elements, Group 2 elements, Group 13 elements, Group 14 elements, Group 15 elements, and oxide semiconductors.
  • transition metals other than the main component such as hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, and nitrogen. Water may also function as an impurity.
  • the oxide semiconductor to an oxygen vacancy V O: also referred to as oxygen vacancy
  • silicon oxide nitride has a higher oxygen content than nitrogen as its composition. Further, silicon nitride has a higher nitrogen content than oxygen in its composition. Similarly, aluminum nitride has a higher oxygen content than nitrogen in its composition. Further, aluminum nitride has a higher nitrogen content than oxygen in its composition. Similarly, hafnium oxide nitriding has a higher oxygen content than nitrogen in its composition. In addition, hafnium nitride has a higher nitrogen content than oxygen in its composition.
  • the term “insulator” can be paraphrased as an insulating film or an insulating layer.
  • the term “conductor” can be rephrased as a conductive film or a conductive layer.
  • semiconductor can be paraphrased as a semiconductor film or a semiconductor layer.
  • parallel means a state in which two straight lines are arranged at an angle of -10 degrees or more and 10 degrees or less. Therefore, the case of -5 degrees or more and 5 degrees or less is also included.
  • approximately parallel means a state in which two straight lines are arranged at an angle of -30 degrees or more and 30 degrees or less.
  • vertical means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 degrees or more and 100 degrees or less. Therefore, the case of 85 degrees or more and 95 degrees or less is also included.
  • approximately vertical means a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 degrees or more and 120 degrees or less.
  • a metal oxide is a metal oxide in a broad sense. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as Oxide Semiconductor or simply OS) and the like. For example, when a metal oxide is used in the semiconductor layer of a transistor, the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, when it is described as an OS transistor, it can be rephrased as a transistor having a metal oxide or an oxide semiconductor.
  • normally off means that when a potential is not applied to the gate or a ground potential is applied to the gate, the drain current per 1 ⁇ m of the channel width flowing through the transistor is 1 ⁇ 10 ⁇ at room temperature. It means that it is 20 A or less, 1 ⁇ 10 -18 A or less at 85 ° C, or 1 ⁇ 10 -16 A or less at 125 ° C.
  • FIG. 1A to 1D are a top view and a cross-sectional view of a semiconductor device having a transistor 200.
  • FIG. 1A is a top view of the semiconductor device.
  • 1B to 1D are cross-sectional views of the semiconductor device.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line of A1-A2 in FIG. 1A, and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line of A3-A4 in FIG.
  • FIG. 1A is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction.
  • FIG. 1D is a cross-sectional view of the portion shown by the alternate long and short dash line of A5-A6 in FIG. 1A.
  • FIG. 1A In the top view of FIG. 1A, some elements are omitted for the purpose of clarifying the figure.
  • the semiconductor device of one aspect of the present invention includes an insulator 212 on a substrate (not shown), an insulator 214 on the insulator 212, a transistor 200 on the insulator 214, and an insulator 280 on the transistor 200. It has an insulator 282 on the insulator 280, an insulator 283 on the insulator 282, an insulator 274 on the insulator 283, and an insulator 285 on the insulator 283 and on the insulator 274.
  • the insulator 212, the insulator 214, the insulator 280, the insulator 282, the insulator 283, the insulator 285, and the insulator 274 function as an interlayer film.
  • conductor 240 (conductor 240a and conductor 240b) that is electrically connected to the transistor 200 and functions as a plug.
  • An insulator 241 (insulator 241a and insulator 241b) is provided in contact with the side surface of the conductor 240 that functions as a plug.
  • a conductor 246 (conductor 246a and a conductor 246b) that is electrically connected to the conductor 240 and functions as wiring is provided.
  • the insulator 283 is in contact with a part of the upper surface of the insulator 214, the side surface of the insulator 216, the side surface of the insulator 222, the side surface of the insulator 275, the side surface of the insulator 280, and the side surface of the insulator 282.
  • the insulator 241a is provided in contact with the inner wall of the opening of the insulator 280, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 285, and the conductor 240a is provided in contact with the side surface of the insulator 241a.
  • the insulator 241b is provided in contact with the inner wall of the opening of the insulator 280, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 285, and the conductor 240b is provided in contact with the side surface of the insulator 241b.
  • the insulator 241 has a structure in which the first insulator is provided in contact with the inner wall of the opening, and the second insulator is further provided inside.
  • the conductor 240 has a structure in which the first conductor is provided in contact with the side surface of the insulator 241 and the second conductor is further provided inside.
  • the height of the upper surface of the conductor 240 and the height of the upper surface of the insulator 285 in the region overlapping the conductor 246 can be made about the same.
  • the transistor 200 shows a configuration in which the first insulator of the insulator 241 and the second conductor of the insulator 241 are laminated
  • the present invention is not limited to this.
  • the insulator 241 may be provided as a single layer or a laminated structure having three or more layers.
  • the configuration in which the first conductor of the conductor 240 and the second conductor of the conductor 240 are laminated is shown, but the present invention is not limited to this.
  • the conductor 240 may be provided as a single layer or a laminated structure having three or more layers. When the structure has a laminated structure, an ordinal number may be given in the order of formation to distinguish them.
  • the transistor 200 includes an insulator 216 on the insulator 214 and a conductor 205 (conductor 205a, and a conductor 205) arranged so as to be embedded in the insulator 214 or the insulator 216.
  • Insulator 222 on insulator 216 and insulator 205, insulator 224 on insulator 222, oxide 230a on insulator 224, oxide 230b on oxide 230a, The conductor 242a on the oxide 230b, the insulator 271a on the conductor 242a, the conductor 242b on the oxide 230b, the insulator 271b on the conductor 242b, and the insulator 252 on the oxide 230b.
  • Insulator 250 (insulator 250a and insulator 250b) on insulator 252 and conductor 260 (insulator 260a and insulator 260b) located on insulator 250b and overlapping a part of oxide 230b.
  • the insulator 252 includes a side surface of the conductor 242, a side surface of the insulator 271, a side surface of the insulator 275, an insulator 222, a side surface of the insulator 224, and an insulator 250a. It is in contact with the side surfaces of the oxide 230 (oxide 230a and the oxide 230b) and the insulator 280.
  • the upper surface of the conductor 260 is arranged so as to substantially coincide with the uppermost surface of the insulator 252, the uppermost surface of the insulator 250, and the upper surface of the insulator 280. Further, the insulator 282 is in contact with the upper surfaces of the conductor 260, the insulator 250, and the insulator 280, respectively.
  • the oxide 230a and the oxide 230b may be collectively referred to as the oxide 230.
  • the conductor 242a and the conductor 242b may be collectively referred to as a conductor 242.
  • the insulator 271a and the insulator 271b may be collectively referred to as an insulator 271.
  • the insulator 280 and the insulator 275 are provided with an opening reaching the oxide 230b. Insulator 252, insulator 250, and conductor 260 are arranged in the opening. Further, in the channel length direction of the transistor 200, a conductor 260, an insulator 252, and an insulator 250 are provided between the insulator 271a and the conductor 242a and the insulator 271b and the conductor 242b. ..
  • the insulator 250 has a region in contact with the side surface of the conductor 260 and a region in contact with the bottom surface of the conductor 260.
  • the oxide 230 preferably has an oxide 230a arranged on the insulator 224 and an oxide 230b arranged on the oxide 230a.
  • the oxide 230a By having the oxide 230a under the oxide 230b, it is possible to suppress the diffusion of impurities into the oxide 230b from the structure formed below the oxide 230a.
  • the transistor 200 shows a configuration in which the oxide 230 is laminated with two layers of the oxide 230a and the oxide 230b
  • the present invention is not limited to this.
  • a single layer of the oxide 230b or a laminated structure of three or more layers may be provided, or each of the oxide 230a and the oxide 230b may have a laminated structure.
  • the conductor 260 functions as a first gate (also referred to as a top gate) electrode, and the conductor 205 functions as a second gate (also referred to as a back gate) electrode.
  • the insulator 252 and the insulator 250 function as the first gate insulator, and the insulator 222 and the insulator 224 function as the second gate insulator.
  • the conductor 242a functions as one of the source and the drain, and the conductor 242b functions as the other of the source and the drain.
  • at least a part of the region of the oxide 230 that overlaps with the conductor 260 functions as a channel forming region.
  • FIG. 3A an enlarged view of the vicinity of the channel formation region in FIG. 1B is shown in FIG. 3A.
  • the oxide 230b is provided so as to sandwich the region 230bc that functions as a channel forming region of the transistor 200, and the region 230ba and the region 230bb that function as a source region or a drain region. , Have.
  • At least a part of the region 230bc overlaps with the conductor 260.
  • the region 230bc is provided in the region between the conductor 242a and the conductor 242b.
  • the region 230ba is provided so as to be superimposed on the conductor 242a
  • the region 230bb is provided so as to be superimposed on the conductor 242b.
  • the region 230bc that functions as a channel forming region is a high resistance region having a low carrier concentration because it has less oxygen deficiency or a lower impurity concentration than the regions 230ba and 230bb. Therefore, the region 230bc can be said to be i-type (intrinsic) or substantially i-type.
  • the region 230ba and the region 230bb that function as a source region or a drain region are regions in which the carrier concentration is increased due to a large amount of oxygen deficiency or a high concentration of impurities such as hydrogen, nitrogen and metal elements, and the resistance is lowered. .. That is, the region 230ba and the region 230bb are n-type regions having a high carrier concentration and low resistance as compared with the region 230bc.
  • the carrier concentration of the region 230 bc that functions as the channel forming region is preferably 1 ⁇ 10 18 cm -3 or less, more preferably less than 1 ⁇ 10 17 cm -3 , and 1 ⁇ 10 16 cm. It is more preferably less than -3 , still more preferably less than 1 ⁇ 10 13 cm -3 , and even more preferably less than 1 ⁇ 10 12 cm -3.
  • the lower limit of the carrier concentration in the region 230 bc that functions as the channel formation region is not particularly limited, but may be, for example, 1 ⁇ 10 -9 cm -3 .
  • the carrier concentration is equal to or lower than the carrier concentration of the region 230ba and the region 230bb, and equal to or higher than the carrier concentration of the region 230bb.
  • Regions may be formed. That is, the region functions as a junction region between the region 230bc and the region 230ba or the region 230bb.
  • the hydrogen concentration may be equal to or lower than the hydrogen concentration in the region 230ba and 230bb, and may be equal to or higher than the hydrogen concentration in the region 230bc.
  • the oxygen deficiency may be equal to or less than the oxygen deficiency of the region 230ba and the region 230bb, and may be equal to or greater than the oxygen deficiency of the region 230bc.
  • FIG. 3A shows an example in which the region 230ba, the region 230bb, and the region 230bc are formed on the oxide 230b, but the present invention is not limited to this.
  • each of the above regions may be formed not only with the oxide 230b but also with the oxide 230a.
  • concentrations of metal elements detected in each region and impurity elements such as hydrogen and nitrogen are not limited to gradual changes in each region, but may be continuously changed in each region. That is, the closer the region is to the channel formation region, the lower the concentration of the metal element and the impurity elements such as hydrogen and nitrogen is sufficient.
  • a metal oxide hereinafter, also referred to as an oxide semiconductor that functions as a semiconductor for the oxide 230 (oxide 230a and oxide 230b) containing the channel forming region.
  • the metal oxide that functions as a semiconductor it is preferable to use one having a band gap of 2 eV or more, and more preferably one having a band gap of 2.5 eV or more. In this way, by using a metal oxide having a large bandgap, the off-current of the transistor can be reduced.
  • oxide 230 for example, an In-M-Zn oxide having indium, element M and zinc (element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium). , Zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. (one or more) and other metal oxides may be used. Further, as the oxide 230, In—Ga oxide, In—Zn oxide, or indium oxide may be used.
  • the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230b is larger than the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230a.
  • the oxide 230a under the oxide 230b By arranging the oxide 230a under the oxide 230b in this way, it is possible to suppress the diffusion of impurities and oxygen from the structure formed below the oxide 230a to the oxide 230b. ..
  • the oxide 230a and the oxide 230b have a common element (main component) other than oxygen, the defect level density at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b can be lowered. Since the defect level density at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b can be lowered, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is small, and a high on-current can be obtained.
  • the oxide 230b preferably has crystallinity.
  • CAAC-OS c-axis aligned crystalline semiconductor semiconductor
  • CAAC-OS is a metal oxide having a highly crystalline and dense structure and having few impurities and defects (for example, oxygen deficiency ( VO, etc.).
  • the metal By heat-treating at a temperature at which the oxide does not polycrystallize (for example, 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower), CAAC-OS can be made into a more crystalline and dense structure.
  • a temperature at which the oxide does not polycrystallize for example, 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower
  • CAAC-OS By increasing the density of CAAC-OS, the diffusion of impurities or oxygen in the CAAC-OS can be further reduced.
  • the metal oxide having CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, the metal oxide having CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.
  • Transistors using oxide semiconductors may have poor electrical characteristics and poor reliability if impurities and oxygen deficiencies are present in the region where channels are formed in the oxide semiconductor.
  • the hydrogen of oxygen vacancies near defects containing the hydrogen to the oxygen deficiency (hereinafter, may be referred to as V O H.)
  • V O H defects containing the hydrogen to the oxygen deficiency
  • the transistor has normal-on characteristics (the channel exists even if no voltage is applied to the gate electrode, and the current is applied to the transistor. Flowing characteristics). Therefore, in the region where a channel of the oxide semiconductor is formed, impurities, oxygen deficiency, and V O H it is preferred to be reduced as much as possible.
  • the region in which the channel is formed in the oxide semiconductor is preferably i-type (intrinsicized) or substantially i-type with a reduced carrier concentration.
  • excess oxygen oxygen desorbed by heating
  • the oxide semiconductor is separated from the insulator.
  • oxygen is supplied, it is possible to reduce oxygen vacancies, and V O H to.
  • the on-current of the transistor 200 may decrease or the field effect mobility may decrease.
  • the oxygen supplied to the source region or the drain region varies in the surface of the substrate, so that the characteristics of the semiconductor device having the transistor will vary.
  • the region 230bc that functions as a channel forming region preferably has a reduced carrier concentration and is i-type or substantially i-type, but the region 230ba that functions as a source region or drain region and
  • the region 230bb has a high carrier concentration and is preferably n-type.
  • the oxygen deficiency in the oxide semiconductor region 230Bc, and reduces V O H it is preferred that an excess amount of oxygen in the region 230ba and region 230bb to not be supplied.
  • the microwave processing refers to processing using, for example, a device having a power source that generates high-density plasma using microwaves.
  • oxygen gas By performing microwave treatment in an atmosphere containing oxygen, oxygen gas can be turned into plasma using microwaves or a high frequency such as RF (Radio Frequency), and the oxygen plasma can be allowed to act.
  • the region 230 bc can be irradiated with a high frequency such as a microwave or RF.
  • Plasma by the action such as a microwave, and divide the V O H region 230Bc, hydrogen (H) is removed from the region 230Bc, oxygen deficient (V O) can be filled with oxygen. That is, in the region 230Bc, happening reaction of "V O H ⁇ H + V O", it is possible to reduce the hydrogen concentration in the regions 230Bc. Therefore, to reduce oxygen vacancies, and V O H in the region 230Bc, the carrier concentration can be decreased.
  • RF Radio Frequency
  • the action of microwaves, high frequencies such as RF, oxygen plasma, etc. is shielded by the conductors 242a and 242b and does not reach the regions 230ba and 230bb. .. Further, the action of the oxygen plasma can be reduced by the insulator 271 and the insulator 280 provided overlying the oxide 230b and the conductor 242.
  • the region 230ba and area 230Bb, reduction of V O H, and excessive amount of oxygen supply does not occur, it is possible to prevent a decrease in carrier concentration.
  • microwave treatment is performed in an atmosphere containing oxygen after the film of the insulating film to be the insulator 250b is formed, the above-mentioned effect is large.
  • microwave treatment is performed in an atmosphere containing oxygen
  • microwave treatment is performed in an atmosphere containing oxygen
  • the insulator 250a it is preferable to perform microwave treatment in an atmosphere containing oxygen.
  • the insulator 252 by arranging the insulator 252 so as to be in contact with the side surface of the conductor 242 and the surface of the region 230 bc, injection of more than a necessary amount of oxygen into the region 230 bc is suppressed, and oxidation of the side surface of the conductor 242 is suppressed. be able to. In addition, oxidation of the side surface of the conductor 242 can be suppressed when the insulating film to be the insulator 250a is formed.
  • the oxygen injected into the region 230bc has various forms such as an oxygen atom, an oxygen molecule, and an oxygen radical (also called an O radical, an atom or molecule having an unpaired electron, or an ion).
  • the oxygen injected into the region 230bc may be any one or more of the above-mentioned forms, and is particularly preferably an oxygen radical.
  • the film quality of the insulator 252, the insulator 250a, and the insulator 250b can be improved, so that the transistor 200 can be improved. Improves reliability.
  • a curved surface may be provided between the side surface of the oxide 230b and the upper surface of the oxide 230b in a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction. That is, the end portion of the side surface and the end portion of the upper surface may be curved (hereinafter, also referred to as a round shape).
  • the radius of curvature on the curved surface is preferably larger than 0 nm, smaller than the film thickness of the oxide 230b in the region overlapping the conductor 242, or smaller than half the length of the region having no curved surface.
  • the radius of curvature on the curved surface is larger than 0 nm and 20 nm or less, preferably 1 nm or more and 15 nm or less, and more preferably 2 nm or more and 10 nm or less. With such a shape, the coverage of the insulator 250 and the conductor 260 on the oxide 230b can be improved.
  • the oxide 230 preferably has a laminated structure of a plurality of oxide layers having different chemical compositions.
  • the atomic number ratio of the element M to the metal element as the main component is the ratio of the element M to the metal element as the main component in the metal oxide used for the oxide 230b. It is preferably larger than the atomic number ratio.
  • the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230b.
  • the atomic number ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230a.
  • the oxide 230b is preferably an oxide having crystallinity such as CAAC-OS.
  • Crystalline oxides such as CAAC-OS have a dense structure with high crystallinity with few impurities and defects (oxygen deficiency, etc.). Therefore, it is possible to suppress the extraction of oxygen from the oxide 230b by the source electrode or the drain electrode. As a result, oxygen can be reduced from being extracted from the oxide 230b even if heat treatment is performed, so that the transistor 200 is stable against a high temperature (so-called thermal budget) in the manufacturing process.
  • the lower end of the conduction band changes gently.
  • the lower end of the conduction band at the junction between the oxide 230a and the oxide 230b is continuously changed or continuously bonded. In order to do so, it is preferable to reduce the defect level density of the mixed layer formed at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b.
  • the oxide 230a and the oxide 230b have a common element other than oxygen as a main component, a mixed layer having a low defect level density can be formed.
  • the oxide 230b is an In-M-Zn oxide
  • the oxide 230a is an In-M-Zn oxide, an M-Zn oxide, an element M oxide, an In-Zn oxide, or an indium oxide. Etc. may be used.
  • a metal oxide having a composition in the vicinity thereof may be used.
  • a metal oxide having a composition may be used.
  • the composition in the vicinity includes a range of ⁇ 30% of the desired atomic number ratio. Further, it is preferable to use gallium as the element M.
  • the above atomic number ratio is not limited to the atomic number ratio of the formed metal oxide, but is the atomic number ratio of the sputtering target used for forming the metal oxide. It may be.
  • the defect level density at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b can be lowered. Therefore, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 200 can obtain a large on-current and high frequency characteristics.
  • At least one of the insulator 212, the insulator 214, the insulator 271, the insulator 275, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 285 has impurities such as water and hydrogen removed from the substrate side or the transistor 200. It preferably functions as a barrier insulating film that suppresses diffusion into the transistor 200 from above.
  • At least one of insulator 212, insulator 214, insulator 271, insulator 275, insulator 282, insulator 283, and insulator 285 is a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, It is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as nitrogen oxide molecules (N 2 O, NO, NO 2 and the like) and copper atoms (the above impurities are difficult to permeate). Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one oxygen atom, oxygen molecule, etc.) (the oxygen is difficult to permeate).
  • the barrier insulating film refers to an insulating film having a barrier property.
  • the barrier property is a function of suppressing the diffusion of the corresponding substance (also referred to as low permeability).
  • the corresponding substance has a function of capturing and fixing (also referred to as gettering).
  • the insulator 212, the insulator 214, the insulator 271, the insulator 275, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 285 are insulators having a function of suppressing the diffusion of impurities such as water and hydrogen, and oxygen.
  • impurities such as water and hydrogen, and oxygen.
  • aluminum oxide, magnesium oxide, hafnium oxide, gallium oxide, indium gallium zinc oxide, silicon nitride, silicon nitride and the like can be used.
  • the insulator 214 the insulator 271, the insulator 282, and the insulator 285, it is preferable to use aluminum oxide or magnesium oxide having a high function of capturing hydrogen and fixing hydrogen.
  • impurities such as water and hydrogen from diffusing from the substrate side to the transistor 200 side via the insulator 212 and the insulator 214.
  • impurities such as water and hydrogen from diffusing toward the transistor 200 side from an interlayer insulating film or the like arranged outside the insulator 285.
  • oxygen contained in the insulator 224 or the like from diffusing toward the substrate side via the insulator 212 and the insulator 214.
  • the transistor 200 has an insulator 212, an insulator 214, an insulator 271, an insulator 275, an insulator 282, an insulator 283, and an insulator 212 having a function of suppressing the diffusion of impurities such as water and hydrogen and oxygen. It is preferable to have a structure surrounded by an insulator 285.
  • an oxide having an amorphous structure as the insulator 212, the insulator 214, the insulator 271, the insulator 275, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 285.
  • a metal oxide such as AlO x (x is an arbitrary number larger than 0) or MgO y (y is an arbitrary number larger than 0).
  • an oxygen atom has a dangling bond, and the dangling bond may have a property of capturing or fixing hydrogen.
  • a metal oxide having such an amorphous structure as a component of the transistor 200 or providing it around the transistor 200, hydrogen contained in the transistor 200 or hydrogen existing around the transistor 200 is captured or fixed. be able to. In particular, it is preferable to capture or fix hydrogen contained in the channel forming region of the transistor 200.
  • a metal oxide having an amorphous structure as a component of the transistor 200 or providing it around the transistor 200, the transistor 200 having good characteristics and high reliability and a semiconductor device can be manufactured.
  • the insulator 212, the insulator 214, the insulator 271, the insulator 275, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 285 preferably have an amorphous structure, but some regions have a polycrystalline structure. It may be formed. Further, the insulator 212, the insulator 214, the insulator 271, the insulator 275, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 285 are multi-layered in which a layer having an amorphous structure and a layer having a polycrystalline structure are laminated. It may be a structure. For example, it may be a laminated structure in which a layer having a polycrystalline structure is formed on a layer having an amorphous structure.
  • the film formation of the insulator 212, the insulator 214, the insulator 271, the insulator 275, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 285 may be performed by using, for example, a sputtering method. Since the sputtering method does not require hydrogen to be used as the film forming gas, the hydrogen concentration of the insulator 212, the insulator 214, the insulator 271, the insulator 275, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 285 is reduced. be able to.
  • the film forming method is not limited to the sputtering method, but is limited to a chemical vapor deposition (CVD) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, and a pulsed laser deposition (PLD) method.
  • CVD chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • PLD pulsed laser deposition
  • Method, atomic layer deposition (ALD) method and the like may be appropriately used.
  • the insulator 283 may be able to mitigate the charge-up of the conductor 205, the conductor 242, the conductor 260, or the conductor 246.
  • the resistivity of the insulator 212, the insulator 275, and the insulator 283 is preferably 1 ⁇ 10 10 ⁇ cm or more and 1 ⁇ 10 15 ⁇ cm or less.
  • the insulator 216, the insulator 274, and the insulator 280 have a lower dielectric constant than the insulator 214.
  • the insulator 216, the insulator 274, and the insulator 280 have silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, and pores. Silicon oxide or the like may be used as appropriate.
  • the conductor 205 is arranged so as to overlap the oxide 230 and the conductor 260.
  • the conductor 205 is embedded in the opening formed in the insulator 216.
  • a part of the conductor 205 may be embedded in the insulator 214.
  • the conductor 205 has a conductor 205a and a conductor 205b.
  • the conductor 205a is provided in contact with the bottom surface and the side wall of the opening.
  • the conductor 205b is provided so as to be embedded in the recess formed in the conductor 205a.
  • the height of the upper surface of the conductor 205b is substantially the same as the height of the upper surface of the conductor 205a and the height of the upper surface of the insulator 216.
  • the conductor 205a is a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, nitric oxide molecule (N 2 O, NO, etc. NO 2), the function of suppressing the diffusion of impurities such as copper atoms It is preferable to use a conductive material having. Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one oxygen atom, oxygen molecule, etc.).
  • the conductor 205a By using a conductive material having a function of reducing the diffusion of hydrogen in the conductor 205a, impurities such as hydrogen contained in the conductor 205b are prevented from diffusing into the oxide 230 via the insulator 224 and the like. Can be prevented. Further, by using a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for the conductor 205a, it is possible to prevent the conductor 205b from being oxidized and the conductivity from being lowered. As the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen, for example, titanium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used. Therefore, as the conductor 205a, the conductive material may be a single layer or a laminated material. For example, titanium nitride may be used for the conductor 205a.
  • the conductor 205b it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • tungsten may be used for the conductor 205b.
  • the conductor 205 may function as a second gate electrode.
  • the threshold voltage (Vth) of the transistor 200 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 205 independently of the potential applied to the conductor 260 without interlocking with it.
  • Vth threshold voltage
  • the electrical resistivity of the conductor 205 is designed in consideration of the potential applied to the conductor 205, and the film thickness of the conductor 205 is set according to the electrical resistivity. Further, the film thickness of the insulator 216 is almost the same as that of the conductor 205. Here, it is preferable to reduce the film thickness of the conductor 205 and the insulator 216 within the range allowed by the design of the conductor 205. By reducing the film thickness of the insulator 216, the absolute amount of impurities such as hydrogen contained in the insulator 216 can be reduced, so that the impurities can be reduced from diffusing into the oxide 230. ..
  • the conductor 205 may be provided larger than the size of the region that does not overlap with the conductor 242a and the conductor 242b of the oxide 230.
  • the conductor 205 is also stretched in a region outside the ends of the oxide 230a and the oxide 230b in the channel width direction. That is, it is preferable that the conductor 205 and the conductor 260 are superposed on each other via an insulator on the outside of the side surface of the oxide 230 in the channel width direction.
  • the channel forming region of the oxide 230 is electrically surrounded by the electric field of the conductor 260 that functions as the first gate electrode and the electric field of the conductor 205 that functions as the second gate electrode. Can be done.
  • the structure of the transistor that electrically surrounds the channel formation region by the electric fields of the first gate and the second gate is referred to as a surroundd channel (S-channel) structure.
  • the transistor having the S-channel structure represents the structure of the transistor that electrically surrounds the channel formation region by the electric fields of one and the other of the pair of gate electrodes.
  • the S-channel structure disclosed in the present specification and the like is different from the Fin type structure and the planar type structure.
  • the conductor 205 is stretched to function as wiring.
  • the present invention is not limited to this, and a conductor that functions as wiring may be provided under the conductor 205. Further, it is not always necessary to provide one conductor 205 for each transistor. For example, the conductor 205 may be shared by a plurality of transistors.
  • the conductor 205 shows a configuration in which the conductor 205a and the conductor 205b are laminated, but the present invention is not limited to this.
  • the conductor 205 may be provided as a single layer or a laminated structure having three or more layers.
  • the insulator 222 and the insulator 224 function as a gate insulator.
  • the insulator 222 preferably has a function of suppressing the diffusion of hydrogen (for example, at least one hydrogen atom, hydrogen molecule, etc.). Further, the insulator 222 preferably has a function of suppressing the diffusion of oxygen (for example, at least one oxygen atom, oxygen molecule, etc.). For example, the insulator 222 preferably has a function of suppressing the diffusion of one or both of hydrogen and oxygen more than the insulator 224.
  • the insulator 222 it is preferable to use an insulator containing oxides of one or both of aluminum and hafnium, which are insulating materials.
  • the insulator it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate) and the like.
  • the insulator 222 releases oxygen from the oxide 230 to the substrate side and diffuses impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 200 to the oxide 230. Functions as a layer that suppresses.
  • the insulator 222 impurities such as hydrogen can be suppressed from diffusing into the inside of the transistor 200, and the generation of oxygen deficiency in the oxide 230 can be suppressed. Further, it is possible to suppress the conductor 205 from reacting with the oxygen contained in the insulator 224 and the oxide 230.
  • aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to the insulator.
  • these insulators may be nitrided.
  • the insulator 222 may be used by laminating silicon oxide, silicon oxide or silicon nitride on these insulators.
  • the insulator 222 includes, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), (Ba, Sr) TiO 3 (BST) and the like. Insulators containing so-called high-k materials may be used in single layers or in layers. As transistors become finer and more integrated, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulator. By using a high-k material for an insulator that functions as a gate insulator, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.
  • silicon oxide, silicon oxide nitride, or the like may be appropriately used.
  • the heat treatment may be performed, for example, at 100 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, more preferably 350 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.
  • the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas.
  • the heat treatment is preferably performed in an oxygen atmosphere.
  • oxygen can be supplied to the oxide 230 to reduce oxygen deficiency (VO ).
  • the heat treatment may be performed in a reduced pressure state.
  • the heat treatment may be carried out in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas. good.
  • the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of the oxidizing gas, and then the heat treatment may be continuously performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas.
  • the insulator 222 and the insulator 224 may have a laminated structure of two or more layers.
  • the laminated structure is not limited to the same material, and may be a laminated structure made of different materials.
  • the insulator 224 may be formed in an island shape by superimposing on the oxide 230a. In this case, the insulator 275 is in contact with the side surface of the insulator 224 and the upper surface of the insulator 222.
  • the conductor 242a and the conductor 242b are provided in contact with the upper surface of the oxide 230b.
  • the conductor 242a and the conductor 242b function as a source electrode or a drain electrode of the transistor 200, respectively.
  • Examples of the conductor 242 include a nitride containing tantalum, a nitride containing titanium, a nitride containing molybdenum, a nitride containing tungsten, and a nitride containing tantalum and aluminum. It is preferable to use a nitride containing titanium and aluminum. In one aspect of the invention, tantalum-containing nitrides are particularly preferred. Further, for example, ruthenium oxide, ruthenium nitride, an oxide containing strontium and ruthenium, an oxide containing lanthanum and nickel, and the like may be used. These materials are preferable because they are conductive materials that are difficult to oxidize or materials that maintain conductivity even when oxygen is absorbed.
  • hydrogen contained in the oxide 230b or the like may diffuse into the conductor 242a or the conductor 242b.
  • hydrogen contained in the oxide 230b or the like is easily diffused to the conductor 242a or the conductor 242b, and the diffused hydrogen is the conductor. It may combine with the nitrogen contained in the 242a or the conductor 242b. That is, hydrogen contained in the oxide 230b or the like may be absorbed by the conductor 242a or the conductor 242b.
  • an oxide may be provided between the oxide 230b and the conductor 242. Specifically, the oxide is provided so as to be in contact with the oxide 230b, and the conductor 242 is provided so as to be in contact with the upper surface of the oxide.
  • the oxide preferably has a function of suppressing the permeation of oxygen.
  • the electrical resistance between the conductor 242 and the oxide 230b Is preferable because With such a configuration, the electrical characteristics of the transistor 200 and the reliability of the transistor 200 may be improved.
  • a metal oxide having an element M may be used.
  • the element M aluminum, gallium, yttrium, or tin may be used.
  • the oxide preferably has a higher concentration of element M than the oxide 230b.
  • gallium oxide may be used as the oxide.
  • a metal oxide such as In—M—Zn oxide may be used.
  • the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230b.
  • the film thickness of the oxide is preferably 0.5 nm or more and 5 nm or less, more preferably 1 nm or more and 3 nm or less, and further preferably 1 nm or more and 2 nm or less.
  • the oxide has crystallinity.
  • the release of oxygen in the oxide 230 can be suitably suppressed.
  • the oxide has a crystal structure such as a hexagonal crystal, the release of oxygen in the oxide 230 may be suppressed.
  • the conductor 242 it is preferable that no curved surface is formed between the side surface of the conductor 242 and the upper surface of the conductor 242.
  • the cross-sectional area of the conductor 242 in the cross section in the channel width direction as shown in FIG. 1D can be increased.
  • the conductivity of the conductor 242 can be increased, and the on-current of the transistor 200 can be increased.
  • the insulator 271a is provided in contact with the upper surface of the conductor 242a, and the insulator 271b is provided in contact with the upper surface of the conductor 242b.
  • the insulator 271 preferably functions as a barrier insulating film against at least oxygen. Therefore, the insulator 271 preferably has a function of suppressing the diffusion of oxygen.
  • the insulator 271 preferably has a function of suppressing the diffusion of oxygen more than the insulator 280.
  • the insulator 271 for example, a nitride containing silicon such as silicon nitride may be used. Further, the insulator 271 preferably has a function of capturing impurities such as hydrogen.
  • a metal oxide having an amorphous structure for example, an insulator such as aluminum oxide or magnesium oxide may be used.
  • aluminum oxide having an amorphous structure or aluminum oxide having an amorphous structure as the insulator 271 because hydrogen may be captured or fixed more effectively. Thereby, the transistor 200 having good characteristics and high reliability and the semiconductor device can be manufactured.
  • the insulator 275 is provided so as to cover the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 242, and the insulator 271.
  • the insulator 275 preferably has a function of capturing hydrogen and fixing hydrogen.
  • the insulator 275 preferably contains an insulator such as silicon nitride or a metal oxide having an amorphous structure, for example, aluminum oxide or magnesium oxide.
  • the conductor 242 can be wrapped with the insulator having a barrier property against oxygen. That is, it is possible to prevent oxygen contained in the insulator 224 and the insulator 280 from diffusing into the conductor 242. As a result, it is possible to prevent the conductor 242 from being directly oxidized by the oxygen contained in the insulator 224 and the insulator 280 to increase the resistivity and reduce the on-current.
  • the insulator 252 and the insulator 250 function as gate insulators.
  • the insulator 252 is preferably a barrier insulating film having a function of suppressing the diffusion of oxygen. Therefore, as the insulator 252, it is preferable to use an insulator containing oxides of one or both of aluminum and hafnium.
  • aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), an oxide containing hafnium and silicon (hafnium silicate), and the like can be used.
  • aluminum oxide is used as the insulator 252.
  • the insulator 250 is preferably arranged in contact with the upper surface of the insulator 252.
  • the insulator 250 includes silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, silicon oxide having pores, and the like. Can be used. In particular, silicon oxide and silicon nitride nitride are preferable because they are stable against heat.
  • the insulator 250 (insulator 250a and insulator 250b) has a reduced concentration of impurities such as water and hydrogen in the insulator 250, similarly to the insulator 224.
  • the film thickness of the insulator 250 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.
  • the film thickness of the insulator 250a is preferably 0.5 nm or more and 15.0 nm or less.
  • the lower insulator 250a is formed by using an insulator that easily allows oxygen to pass through, and the upper insulator 250b. Is preferably formed using an insulator having a function of suppressing the diffusion of oxygen. With such a configuration, oxygen contained in the insulator 250a can be suppressed from diffusing into the conductor 260. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 230. Further, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 260 by the oxygen contained in the insulator 250a.
  • the insulator 250a may be provided by using a material that can be used for the above-mentioned insulator 250, and the insulator 250b may be an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium.
  • the insulator aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), an oxide containing hafnium and silicon (hafnium silicate), and the like can be used.
  • hafnium oxide is used as the insulator 250b.
  • the film thickness of the insulator 250b is 0.5 nm or more and 5.0 nm or less, preferably 1.0 nm or more and 5.0 nm or less, and more preferably 1.0 nm or more and 3.0 nm or less.
  • the insulator 250a can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, etc. It is preferably formed by the PEALD (Plasma Enhanced ALD) method using a reactorant) and a diluting gas 405.
  • PEALD Pulsma Enhanced ALD
  • the ALD method includes a thermal ALD (Thermal ALD) method in which the reaction of the precursor and the reactor is performed only by thermal energy, and a PEALD method using a plasma-excited reactor.
  • thermal ALD Thermal ALD
  • the ALD method utilizes the self-regulating properties of atoms to deposit atoms layer by layer, so ultra-thin film formation is possible, film formation into structures with a high aspect ratio is possible, and pins. It has the effects of being able to form a film with few defects such as holes, being able to form a film with excellent coverage, and being able to form a film at a low temperature.
  • the PEALD method it may be preferable to use plasma because it is possible to form a film at a lower temperature.
  • Some precursors used in the ALD method contain carbon and the like. Therefore, the film provided by the ALD method may contain a large amount of impurities such as carbon as compared with the film provided by other film forming methods.
  • the quantification of impurities can be performed by using secondary ion mass spectrometry (SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry) or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy).
  • SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry
  • XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy
  • the PEALD method is used.
  • the gas containing silicon and not containing hydrocarbons SiH 4 , Si 2 H 6 , SiF 4 , SiCl 4 , SiBr 4 , SiH 2 Cl 2 , SiH 2 I 2 and the like can be used.
  • the oxidizing gas O 2 , O 3 , N 2 O, NO 2 , H 2 O and the like can be used.
  • SiH 4 is used as the gas 401 containing silicon and not containing hydrocarbons
  • N 2 O is used as the oxidizing gas 402
  • N 2 is used as the diluting gas 405.
  • SiH 4 as a gas 401 containing silicon and not containing a hydrocarbon
  • N 2 O as an oxidizing gas 402
  • N 2 as a diluting gas 405.
  • the flow is shown in FIG.
  • the film formation sequence is shown in FIG. 6A.
  • SiH 4 , N 2 O, and N 2 are introduced (ON) into the reaction chamber to keep the pressure in the reaction chamber constant (step S01).
  • the flow rate of SiH 4 a flow rate plus the flow rate of N 2 to the flow rate of N 2 O, when the flow rate ratio is 1 the flow rate of SiH 4 flow rate plus the flow rate of N 2 to the flow rate of N 2 O is It is 10 or more and 3000 or less, preferably 10 or more and 800 or less, and more preferably 50 or more and 400 or less.
  • the flow rate of N 2 O, and N 2 flow, the flow rate ratio of, equal to 1 the flow rate of N 2 O, the flow rate of N 2 is 0.1 to 10, preferably, 0.5 or higher 8 or less, more preferably 1 or more and 5 or less.
  • the pressure in the reaction chamber is 200 Pa or more and 1200 Pa or less, preferably 400 Pa or more and 1000 Pa or less, and more preferably 600 Pa or more and 800 Pa or less.
  • the substrate temperature is 100 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. Further, the substrate does not have to be heated, and a film may be formed at room temperature.
  • step S02 the introduction of SiH 4 is stopped (OFF), the gases to be introduced are N 2 O and N 2 , and the SiH 4 remaining in the reaction chamber is purged.
  • a high frequency power 403 is applied to the reaction chamber (ON), generating a plasma by N 2 O and N 2.
  • the high frequency is preferably 13.56 MHz or more and 60 MHz or less.
  • step S04 the application of the high frequency power 403 is stopped (OFF) (step S04).
  • step S02 silicon oxide to be the insulator 250a can be formed.
  • the number of cycles is 1 cycle or more and 800 cycles or less.
  • step S02 the introduction of SiH 4, N 2 O, and N 2 is stopped (OFF), and the SiH 4, N 2 O, and N 2 remaining in the reaction chamber are evacuated. Steps may be inserted.
  • the introduction of the SiH 4, to the introduction of N 2 O and N 2 may be stopped at the same time, after stopping the introduction of SiH 4, it may cease the introduction of N 2 O and N 2. Further, it is preferable that the introduction of N 2 O and N 2 is restarted (ON) before the start of step S03.
  • SiH 4, and N PECVD method using 2 O is, SiH 4, and N 2 because O by applying a high frequency power in a state of being introduced to generate plasma, are decomposed SiH 4 is in the plasma, a large amount of Hydrogen radicals are generated, and hydrogen is mixed in the silicon oxide that becomes the insulator 250a.
  • step S01 high frequency power is applied during the introduction of SiH 4, N 2 O and N 2 in step S01 described above.
  • step S02 the remaining SiH 4 is purged, and then in step S03, with N 2 O and N 2 introduced, high-frequency power is applied to generate plasma, so that hydrogen radicals are generated. Can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the mixing of hydrogen into the silicon oxide that becomes the insulator 250a.
  • SiH 4 is used as a precursor, and a precursor containing impurities such as carbon, for example, an organic precursor containing a hydrocarbon is not used, so that the insulator is used. It is possible to prevent impurities such as carbon and hydrocarbons from being mixed into the silicon oxide of 250a. Since the silicon oxide thus formed has a reduced impurity concentration and is a denser film, it is possible to prevent the diffusion of In from the region 230bc of the oxide 230b to the silicon oxide serving as the insulator 250a.
  • the diluent gas N 2 can be added to the oxidizing gas N 2 O to oxidize the precursor SiH 4 to form silicon oxide.
  • the addition of diluent gas N 2 to the oxidizing gas N 2 O it is possible to reduce the amount of oxidizing gas N 2 O, it is possible to reduce the manufacturing costs preferable.
  • the plasma due to the oxidizing gas at the time of forming the insulator 250a is not directly exposed to the side surface of the conductor 242, so that the side surface of the conductor 242 is oxidized. It can be suppressed.
  • the concentration of impurities in the silicon oxide serving as the insulator 250a is reduced as much as possible, but a lower limit value may be set depending on the measurement accuracy of SIMS analysis or the like.
  • the hydrogen concentration in the silicon oxide serving as the insulator 250a is preferably 1 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or more and 3 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or less, more preferably 3 ⁇ 10 18 atoms / cm, as analyzed by SIMS. It is cm 3 or more and 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or less.
  • the carbon concentration in the silicon oxide serving as the insulator 250a is preferably 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or more and 5 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 ⁇ 10 18 as analyzed by SIMS. Atoms / cm 3 or more and 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or less. Further, the silicon oxide serving as the insulator 250a has nitrogen, and the nitrogen concentration thereof is preferably 3 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or more and 1 ⁇ 10 21 atoms / cm 3 or less, more preferably 3 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or less in SIMS analysis.
  • the In concentration contained in the silicon oxide serving as the insulator 250a is preferably 1.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1.0 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less in the SIMS analysis. , More preferably 1.0 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • the carbon concentration, the nitrogen concentration, and the In concentration in the insulator are the concentrations in the region 1 nm or more away from the interface with the insulator 252. In some cases.
  • oxidation of an insulator 250a by the PEALD method using a gas containing silicon and not containing a hydrocarbon (transistor), an oxidizing gas (reactant) and a diluting gas which is one aspect of the present invention.
  • an insulating material which is a high-k material having a high relative permittivity may be used for the insulator 250b.
  • the gate insulator By forming the gate insulator into a laminated structure of the insulator 250a and the insulator 250b, it is possible to obtain a laminated structure that is stable against heat and has a high relative permittivity. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during transistor operation while maintaining the physical film thickness of the gate insulator.
  • the equivalent oxide film thickness (EOT) of an insulator that functions as a gate insulator can be thinned.
  • the insulator 250 may have a single layer or a laminated structure of three or more layers.
  • the insulator 250c may be provided between the insulator 250b and the conductor 260a.
  • an insulator that can be used for the above-mentioned insulator 250b may be used.
  • the insulator 250c it is preferable to use a barrier insulating film against hydrogen. This makes it possible to prevent impurities such as hydrogen contained in the conductor 260 from diffusing into the insulator 250b, the insulator 250a, and the oxide 230b.
  • silicon nitride formed by the PEALD method may be used as the insulator 250c.
  • a metal oxide may be provided between the insulator 250 and the conductor 260.
  • the metal oxide preferably suppresses the diffusion of oxygen from the insulator 250 to the conductor 260.
  • the diffusion of oxygen from the insulator 250 to the conductor 260 is suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 230.
  • the oxidation of the conductor 260 by oxygen of the insulator 250 can be suppressed.
  • the metal oxide may be configured to function as a part of the first gate electrode.
  • a metal oxide that can be used as the oxide 230 can be used as the metal oxide.
  • the electric resistance value of the metal oxide can be lowered to form a conductor. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.
  • the above metal oxide it is possible to improve the on-current of the transistor 200 without weakening the influence of the electric field from the conductor 260. Further, by keeping the distance between the conductor 260 and the oxide 230 due to the physical thickness of the insulator 250 and the metal oxide, the leakage current between the conductor 260 and the oxide 230 is maintained. Can be suppressed. Further, by providing the insulator 250 and the laminated structure with the metal oxide, the physical distance between the conductor 260 and the oxide 230 and the electric field strength applied from the conductor 260 to the oxide 230 can be determined. It can be easily adjusted as appropriate.
  • the conductor 260 functions as the first gate electrode of the transistor 200.
  • the conductor 260 preferably has a conductor 260a and a conductor 260b arranged on the conductor 260a.
  • the conductor 260a is preferably arranged so as to wrap the bottom surface and the side surface of the conductor 260b.
  • the upper surface of the conductor 260 substantially coincides with the uppermost surface of the insulator 250.
  • the conductor 260 is shown as a two-layer structure of the conductor 260a and the conductor 260b in FIGS. 1B and 1C, it may have a single-layer structure or a laminated structure of three or more layers.
  • the conductor 260a it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atom, hydrogen molecule, water molecule, nitrogen atom, nitrogen molecule, nitrogen oxide molecule and copper atom.
  • impurities such as hydrogen atom, hydrogen molecule, water molecule, nitrogen atom, nitrogen molecule, nitrogen oxide molecule and copper atom.
  • a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one oxygen atom, oxygen molecule, etc.
  • the conductor 260a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 260b from being oxidized by the oxygen contained in the insulator 250 and the conductivity from being lowered.
  • the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, titanium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used.
  • the conductor 260 also functions as wiring, it is preferable to use a conductor having high conductivity.
  • a conductor having high conductivity for example, as the conductor 260b, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used.
  • the conductor 260b may have a laminated structure, for example, titanium or a laminated structure of titanium nitride and the conductive material.
  • the conductor 260 is self-aligned so as to fill the opening formed in the insulator 280 or the like.
  • the conductor 260 can be reliably arranged in the region between the conductor 242a and the conductor 242b without aligning the conductor 260.
  • the height is preferably lower than the height of the bottom surface of the oxide 230b.
  • the conductor 260 which functions as a gate electrode, covers the side surface and the upper surface of the channel forming region of the oxide 230b via an insulator 250 or the like, so that the electric field of the conductor 260 is covered with the channel forming region of the oxide 230b. It becomes easier to act on the whole. Therefore, the on-current of the transistor 200 can be increased and the frequency characteristics can be improved.
  • the difference is 0 nm or more and 100 nm or less, preferably 3 nm or more and 50 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 20 nm or less.
  • the insulator 280 is provided on the insulator 275, and an opening is formed in a region where the insulator 250 and the conductor 260 are provided. Further, the upper surface of the insulator 280 may be flattened.
  • the insulator 280 that functions as an interlayer film preferably has a low dielectric constant.
  • a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
  • the insulator 280 is provided, for example, by using the same material as the insulator 216.
  • silicon oxide and silicon oxide nitride are preferable because they are thermally stable.
  • materials such as silicon oxide, silicon oxide nitride, and silicon oxide having pores are preferable because a region containing oxygen desorbed by heating can be easily formed.
  • the concentration of impurities such as water and hydrogen in the insulator 280 is reduced.
  • an oxide containing silicon such as silicon oxide and silicon oxide nitride may be appropriately used.
  • the insulator 282 and the insulator 285 preferably function as a barrier insulating film that suppresses impurities such as water and hydrogen from diffusing into the insulator 280 from above, and have a function of capturing impurities such as hydrogen. Is preferable. Further, the insulator 282 and the insulator 285 preferably function as a barrier insulating film that suppresses the permeation of oxygen. As the insulator 282 and the insulator 285, a metal oxide having an amorphous structure, for example, an insulator such as aluminum oxide may be used.
  • the insulator 282 having a function of capturing impurities such as hydrogen in contact with the insulator 280, hydrogen and the like contained in the insulator 280 and the like can be removed. Impurities can be captured and the amount of hydrogen in the region can be kept constant.
  • the insulator 283 functions as a barrier insulating film that suppresses impurities such as water and hydrogen from diffusing into the insulator 280 from above.
  • the insulator 283 is placed on top of the insulator 282.
  • a nitride containing silicon such as silicon nitride or silicon nitride oxide.
  • silicon nitride formed by a sputtering method may be used as the insulator 283.
  • silicon nitride formed by the PEALD method or the CVD method may be further laminated on the silicon nitride formed by the sputtering method.
  • the conductor 240a and the conductor 240b it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, the conductor 240a and the conductor 240b may have a laminated structure.
  • the conductor in contact with the insulator 285, the insulator 283, the insulator 282, the insulator 280, the insulator 275, and the insulator 271 contains impurities such as water and hydrogen.
  • a conductive material having a function of suppressing permeation For example, tantalum, tantalum nitride, titanium, titanium nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used.
  • the conductive material having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen may be used in a single layer or in a laminated state. Further, it is possible to prevent impurities such as water and hydrogen contained in the layer above the insulator 283 from being mixed into the oxide 230 through the conductor 240a and the conductor 240b.
  • a barrier insulating film that can be used for the insulator 275 or the like may be used.
  • an insulator such as silicon nitride, aluminum oxide, or silicon nitride may be used. Since the insulator 241a and the insulator 241b are provided in contact with the insulator 283, the insulator 282, and the insulator 271, impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 280 and the like are removed from the conductor 240a and the conductor 240b. It is possible to prevent the oxide 230 from being mixed with the oxide 230. In particular, silicon nitride is suitable because it has a high blocking property against hydrogen. Further, it is possible to prevent oxygen contained in the insulator 280 from being absorbed by the conductor 240a and the conductor 240b.
  • the first insulator in contact with the inner wall of the opening such as the insulator 280 and the second insulator inside the insulator are against oxygen. It is preferable to use a barrier insulating film and a barrier insulating film against hydrogen in combination.
  • aluminum oxide formed by the ALD method may be used as the first insulator, and silicon nitride formed by the PEALD method may be used as the second insulator.
  • silicon nitride formed by the PEALD method may be used as the second insulator.
  • the conductor 246 (conductor 246a and conductor 246b) which is in contact with the upper surface of the conductor 240a and the upper surface of the conductor 240b and functions as wiring may be arranged.
  • the conductor 246 it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • the conductor may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.
  • the conductor may be formed so as to be embedded in an opening provided in the insulator.
  • an insulator substrate for example, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used.
  • the insulator substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (yttria-stabilized zirconia substrate, etc.), a resin substrate, and the like.
  • the semiconductor substrate include a semiconductor substrate made of silicon and germanium, and a compound semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide, and gallium oxide.
  • the conductor substrate includes a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate.
  • a substrate having a metal nitride a substrate having a metal oxide, and the like.
  • a substrate in which a conductor or a semiconductor is provided in an insulator substrate a substrate in which a conductor or an insulator is provided in a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided in a conductor substrate, and the like.
  • those on which an element is provided may be used.
  • Elements provided on the substrate include a capacitance element, a resistance element, a switch element, a light emitting element, a storage element, and the like.
  • Insulator examples include oxides, nitrides, oxide nitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxide nitrides, metal nitride oxides and the like having insulating properties.
  • the material may be selected according to the function of the insulator.
  • Examples of the insulator having a high specific dielectric constant include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides having aluminum and hafnium, nitride oxides having aluminum and hafnium, oxides having silicon and hafnium, silicon and hafnium. There are oxide nitrides having, or nitrides having silicon and hafnium.
  • Examples of insulators having a low relative permittivity include silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, and empty. There are silicon oxide having holes, resin, and the like.
  • the electric characteristics of the transistor can be stabilized by surrounding the transistor using the metal oxide with an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen.
  • the insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, tantalum, and zirconium. Insulators containing, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used in single layers or in layers.
  • an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen
  • Metal oxides such as tantalum oxide and metal nitrides such as aluminum nitride, silicon nitride and silicon nitride can be used.
  • the insulator that functions as a gate insulator is preferably an insulator having a region containing oxygen that is desorbed by heating.
  • the oxygen deficiency of the oxide 230 can be compensated.
  • Conductors include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, and lanthanum. It is preferable to use a metal element selected from the above, an alloy containing the above-mentioned metal element as a component, an alloy in which the above-mentioned metal element is combined, or the like.
  • tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, oxides containing lanthanum and nickel, etc. are used. Is preferable.
  • tantalum nitride, titanium nitride, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, and oxides containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize.
  • a plurality of conductive layers formed of the above materials may be laminated and used.
  • a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined.
  • a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing nitrogen are combined.
  • a laminated structure may be formed in which the above-mentioned material containing a metal element, a conductive material containing oxygen, and a conductive material containing nitrogen are combined.
  • the conductor functioning as the gate electrode shall have a laminated structure in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined. Is preferable.
  • a conductive material containing oxygen may be provided on the channel forming region side.
  • the conductor that functions as the gate electrode it is preferable to use a conductive material containing a metal element and oxygen contained in the metal oxide in which the channel is formed.
  • the above-mentioned conductive material containing a metal element and nitrogen may be used.
  • a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride and tantalum nitride may be used.
  • indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, and silicon were added.
  • Indium tin oxide may be used.
  • indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used.
  • Metal Oxide As the oxide 230, it is preferable to use a metal oxide (oxide semiconductor) that functions as a semiconductor.
  • a metal oxide oxide semiconductor
  • the metal oxide applicable to the oxide 230 according to the present invention will be described.
  • the metal oxide preferably contains at least indium or zinc. In particular, it preferably contains indium and zinc. In addition to them, it is preferable that aluminum, gallium, yttrium, tin and the like are contained. Further, one or more selected from boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, cobalt and the like may be contained.
  • the metal oxide is an In-M-Zn oxide having indium, the element M, and zinc.
  • the element M is aluminum, gallium, yttrium, or tin.
  • Other elements applicable to the element M include boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, cobalt and the like.
  • the element M a plurality of the above-mentioned elements may be combined in some cases.
  • a metal oxide having nitrogen may also be collectively referred to as a metal oxide. Further, a metal oxide having nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.
  • FIG. 4A 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”, “Crystalline”, and “Crystal”.
  • Amorphous includes complete amorphous.
  • Crystalline includes CAAC (c-axis-aligned cristalline), nc (nanocrystalline), and CAC (crowd-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. 4A 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 Diffraction) spectrum.
  • XRD X-ray diffraction
  • FIG. 4B the XRD spectrum obtained by GIXD (Glazing-Incidence XRD) measurement of a CAAC-IGZO film classified as "Crystalline" is shown in FIG. 4B.
  • 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. 4B will be simply referred to as an XRD spectrum.
  • the thickness of the CAAC-IGZO film shown in FIG. 4B is 500 nm.
  • a peak showing clear crystallinity is detected in the XRD spectrum of the CAAC-IGZO film.
  • the crystal structure of the film or substrate can be evaluated by a diffraction pattern (also referred to as a microelectron diffraction pattern) observed by a micro electron diffraction method (NBED: Nano Beam Electron Diffraction).
  • the diffraction pattern of the CAAC-IGZO film is shown in FIG. 4C.
  • FIG. 4C 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. 4A.
  • 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, and the plurality of crystal regions are oriented in a specific direction on the c-axis.
  • 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. That is, CAAC-OS is an oxide semiconductor that is c-axis oriented and not clearly oriented in the ab plane direction.
  • Each of the plurality of crystal regions is composed of one or a plurality of minute crystals (crystals having a maximum diameter of less than 10 nm).
  • the maximum diameter of the crystal region is less than 10 nm.
  • the size of the crystal region may be about several tens of nm.
  • CAAC-OS has indium (In) and oxygen. It tends to have a layered crystal structure (also referred to as a layered structure) in which a layer (hereinafter, In layer) and a layer having elements M, zinc (Zn), and oxygen (hereinafter, (M, Zn) layer) are laminated. There is. Indium and element M can be replaced with each other. Therefore, the (M, Zn) layer may contain indium. In addition, the In layer may contain the element M. The In layer may contain Zn.
  • 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.
  • 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 due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction, the bond distance between atoms changes due to the replacement of metal atoms, and the like. It is thought that this is the reason.
  • CAAC-OS for which no clear crystal grain boundary is confirmed, is one of the crystalline oxides having a crystal structure suitable for the semiconductor layer of the transistor.
  • a configuration having Zn is preferable.
  • In-Zn oxide and In-Ga-Zn oxide are more suitable than In oxide because they can suppress the generation of grain boundaries.
  • CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity and no clear grain boundaries can be confirmed. Therefore, it can be said that CAAC-OS is unlikely to cause a decrease in electron mobility due to grain boundaries. Further, since the crystallinity of the oxide semiconductor may be lowered due to the mixing of impurities, the generation of defects, etc., 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 (so-called 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.
  • nc-OS may be indistinguishable from a-like OS or amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.
  • a structural analysis is performed on an nc-OS film using an XRD apparatus, 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 selected area electron diffraction
  • a probe diameter for example, 50 nm or more
  • 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, a-like OS has lower crystallinity than nc-OS and CAAC-OS. In addition, 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 film (hereinafter, also referred to as a cloud shape). It says.). That is, CAC-OS is a composite metal oxide having a structure in which the first region and the second region are mixed.
  • the atomic number ratios of In, Ga, and Zn with respect 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 acquired by using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX: Energy Dispersive X-ray spectroscopy). It can be confirmed that the region (1 region) and the region containing Ga as a main component (second region) have a structure in which they are unevenly distributed and mixed.
  • EDX Energy Dispersive X-ray spectroscopy
  • CAC-OS When CAC-OS is used for a transistor, the conductivity caused by the first region and the insulating property caused by the second region act in a complementary manner to switch the switching function (On / Off function). Can be added to the 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 of one aspect of the present invention has two or more of amorphous oxide semiconductor, polycrystalline oxide semiconductor, a-like OS, CAC-OS, nc-OS, and CAAC-OS. You may.
  • the oxide semiconductor as a transistor, a transistor with high field effect mobility can be realized. Moreover, a highly reliable transistor can be realized.
  • the carrier concentration in the channel formation region 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, more preferably 1 ⁇ . It is 10 11 cm -3 or less, more preferably 1 ⁇ 10 10 cm -3 or less, and 1 ⁇ 10 -9 cm -3 or more.
  • 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 formation 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 or carbon in the channel formation region of the oxide semiconductor and the concentration of silicon or carbon near the interface with the channel formation region of the oxide semiconductor are set to 2 ⁇ 10 18 atoms /. It is cm 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • the oxide semiconductor contains an alkali metal or an alkaline earth metal
  • defect levels may be formed and carriers may be generated. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing an alkali metal or an alkaline earth metal tends to have a normally-on characteristic. Therefore, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal in the channel formation region of 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 channel formation region of the oxide semiconductor obtained by SIMS is less than 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 ⁇ 10 18 atoms. / Cm 3 or less, more preferably 5 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • hydrogen contained in an oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency.
  • oxygen deficiency When hydrogen enters the oxygen deficiency, electrons that are carriers may be generated.
  • a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor using an oxide semiconductor containing hydrogen tends to have a normally-on characteristic. Therefore, it is preferable that hydrogen in the channel forming region of 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 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 1 ⁇ 10. It should be less than 19 atoms / cm 3 , more preferably less than 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 , and even more preferably less than 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
  • the semiconductor material that can be used for the oxide 230 is not limited to the above-mentioned metal oxide.
  • a semiconductor material having a bandgap (a semiconductor material that is not a zero-gap semiconductor) may be used.
  • a single element semiconductor such as silicon, a compound semiconductor such as gallium arsenide, and a layered material (also referred to as an atomic layer material or a two-dimensional material) that functions as a semiconductor as a semiconductor material.
  • a layered substance that functions as a semiconductor as a semiconductor material it is preferable to use a layered substance that functions as a semiconductor as a semiconductor material.
  • 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 or ionic bonds are laminated via bonds that are weaker than covalent 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.
  • Chalcogenides are compounds containing chalcogens.
  • chalcogen is a general term for elements belonging to Group 16, and includes oxygen, sulfur, selenium, tellurium, polonium, and livermorium.
  • Examples of chalcogenides include transition metal chalcogenides and group 13 chalcogenides.
  • oxide 230 for example, it is preferable to use a transition metal chalcogenide that functions as a semiconductor.
  • Specific transition metal chalcogenides applicable as oxide 230 include molybdenum sulfide (typically MoS 2 ), molybdenum selenate (typically MoSe 2 ), and molybdenum tellurium (typically MoTe 2 ).
  • Tungsten disulfide typically WS 2
  • Tungsten disulfide typically WSe 2
  • Tungsten tellurium typically WTe 2
  • Hafnium sulfide typically HfS 2
  • Hafnium selenium typically HfS 2
  • Typical examples include HfSe 2 ), zirconium sulfide (typically ZrS 2 ), and zirconium selenium (typically ZrSe 2 ).
  • FIGS. 1A to 1D ⁇ Method of manufacturing semiconductor devices> Next, a method of manufacturing the semiconductor device according to one aspect of the present invention shown in FIGS. 1A to 1D will be described with reference to FIGS. 7A to 18D.
  • a in each figure shows a top view.
  • B in each figure is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line of A1-A2 shown in A in each figure, and is also a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 200.
  • C in each figure is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line in A3 to A4 in each figure, and is also a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200.
  • D in each figure is a cross-sectional view of a portion indicated by a alternate long and short dash line in A5 to A6 in each figure.
  • some elements are omitted for the purpose of clarifying the figure.
  • the insulating material for forming an insulator, the conductive material for forming a conductor, or the semiconductor material for forming a semiconductor is a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, or an ALD method. Etc. can be used as appropriate to form a film.
  • the sputtering method includes an RF sputtering method that uses a high-frequency power source as a sputtering power source, a DC sputtering method that uses a DC power source, and a pulse DC sputtering method that changes the voltage applied to the electrodes in a pulsed manner.
  • the RF sputtering method is mainly used when forming an insulating film
  • the DC sputtering method is mainly used when forming a metal conductive film.
  • the pulse DC sputtering method is mainly used when a compound such as an oxide, a nitride, or a carbide is formed into a film by the reactive sputtering method.
  • the CVD method can be classified into a plasma CVD (PECVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD: Thermal CVD) method using heat, an optical CVD (Photo CVD) method using light, and the like. Further, it can be divided into a metal CVD (MCVD: Metal CVD) method and an organometallic CVD (MOCVD: Metal Organic CVD) method depending on the raw material gas used.
  • PECVD plasma CVD
  • TCVD Thermal CVD
  • Photo CVD Photo CVD
  • MCVD Metal CVD
  • MOCVD Metal Organic CVD
  • the plasma CVD method can obtain a high quality film at a relatively low temperature. Further, since the thermal CVD method does not use plasma, it is a film forming method capable of reducing plasma damage to the object to be processed. For example, wiring, electrodes, elements (transistors, capacitive elements, etc.) and the like included in a semiconductor device may be charged up by receiving electric charges from plasma. At this time, the accumulated electric charge may destroy the wiring, electrodes, elements, and the like included in the semiconductor device. On the other hand, in the case of the thermal CVD method that does not use plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of the semiconductor device can be increased. Further, in the thermal CVD method, plasma damage during film formation does not occur, so that a film having few defects can be obtained.
  • the ALD method a thermal ALD method in which the reaction of the precursor and the reactor is performed only by thermal energy, a PEALD method using a plasma-excited reactor, or the like can be used.
  • the CVD method and the ALD method are different from the film forming method in which particles emitted from a target or the like are deposited, and are film forming methods in which a film is formed by a vapor phase reaction on the surface of an object to be treated. Therefore, it is a film forming method that is not easily affected by the shape of the object to be treated and has good step coverage.
  • the ALD method has excellent step covering property and excellent thickness uniformity, and is therefore suitable for covering the surface of an opening having a high aspect ratio.
  • the ALD method since the ALD method has a relatively slow film forming rate, it may be preferable to use it in combination with another film forming method such as a CVD method having a high film forming rate.
  • a film having an arbitrary composition can be formed depending on the flow rate ratio of the raw material gas.
  • a film having a continuously changed composition can be formed by changing the flow rate ratio of the raw material gas while forming the film.
  • the time required for the film formation is shortened because the time required for transport and pressure adjustment is not required as compared with the case where the film is formed using a plurality of film forming chambers. can do. Therefore, it may be possible to increase the productivity of the semiconductor device.
  • a plurality of precursors having different compositions are introduced at the same time, or a film having an arbitrary composition is formed by controlling the number of introductions of a plurality of precursors having different compositions in one cycle of each precursor. Can be done.
  • a substrate (not shown) is prepared, and an insulator 212 is formed on the substrate (see FIGS. 7A to 7D).
  • the film formation of the insulator 212 is preferably performed by using a sputtering method.
  • a sputtering method that does not require hydrogen to be used as the film forming gas, the hydrogen concentration in the insulator 212 can be reduced.
  • the film formation of the insulator 212 is not limited to the sputtering method, and a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like may be appropriately used.
  • silicon nitride is formed as the insulator 212 by a pulse DC sputtering method using a silicon target in an atmosphere containing nitrogen gas.
  • a pulse DC sputtering method it is possible to suppress the generation of particles due to the arcing of the target surface, so that the film thickness distribution can be made more uniform.
  • the pulse voltage the rise and fall of the discharge can be made steeper than the high frequency voltage. As a result, electric power can be supplied to the electrodes more efficiently to improve the sputtering rate and film quality.
  • an insulator such as silicon nitride that is difficult for impurities such as water and hydrogen to permeate it is possible to suppress the diffusion of impurities such as water and hydrogen contained in the layer below the insulator 212. Further, by using an insulator such as silicon nitride that does not easily allow copper to permeate as the insulator 212, even if a metal such as copper that easily diffuses is used for the conductor in the lower layer (not shown) of the insulator 212, the metal is used. Can be suppressed from diffusing upward through the insulator 212.
  • the insulator 214 is formed on the insulator 212 (see FIGS. 7A to 7D).
  • the film formation of the insulator 214 is preferably performed by using a sputtering method.
  • a sputtering method that does not require hydrogen to be used as the film forming gas, the hydrogen concentration in the insulator 214 can be reduced.
  • the film formation of the insulator 214 is not limited to the sputtering method, and a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like may be appropriately used.
  • aluminum oxide is formed as the insulator 214 by a pulse DC sputtering method using an aluminum target in an atmosphere containing oxygen gas.
  • the pulse DC sputtering method By using the pulse DC sputtering method, the film thickness distribution can be made more uniform, and the sputtering rate and the film quality can be improved.
  • RF (Radio Frequency) power may be applied to the substrate.
  • the amount of oxygen injected into the layer below the insulator 214 can be controlled by the magnitude of the RF power applied to the substrate.
  • the RF power 0 W / cm 2 or more, and 1.86W / cm 2 or less. That is, the amount of oxygen suitable for the characteristics of the transistor can be changed and injected by the RF power at the time of forming the insulator 214. Therefore, it is possible to inject an amount of oxygen suitable for improving the reliability of the transistor.
  • the RF frequency is preferably 10 MHz or higher. Typically, it is 13.56 MHz. The higher the RF frequency, the smaller
  • the insulator 214 it is preferable to use a metal oxide having an amorphous structure, for example, aluminum oxide, which has a high function of capturing hydrogen and fixing hydrogen. As a result, hydrogen contained in the insulator 216 or the like can be captured or fixed, and the hydrogen can be prevented from diffusing into the oxide 230.
  • a metal oxide having an amorphous structure or aluminum oxide having an amorphous structure as the insulator 214 because hydrogen may be captured or fixed more effectively. Thereby, the transistor 200 having good characteristics and high reliability and the semiconductor device can be manufactured.
  • the insulator 216 is formed on the insulator 214.
  • the film formation of the insulator 216 is preferably performed by using a sputtering method.
  • a sputtering method that does not require hydrogen to be used as the film forming gas, the hydrogen concentration in the insulator 216 can be reduced.
  • the film formation of the insulator 216 is not limited to the sputtering method, and a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like may be appropriately used.
  • silicon oxide is formed as the insulator 216 by a pulse DC sputtering method using a silicon target in an atmosphere containing oxygen gas.
  • the pulse DC sputtering method By using the pulse DC sputtering method, the film thickness distribution can be made more uniform, and the sputtering rate and the film quality can be improved.
  • the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 are continuously formed without being exposed to the atmosphere.
  • a multi-chamber type film forming apparatus may be used.
  • the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 are formed by reducing the amount of hydrogen in the film, and further, the amount of hydrogen mixed in the film between the film forming steps is reduced. Can be done.
  • an opening is formed in the insulator 216 to reach the insulator 214.
  • the opening also includes, for example, a groove, a slit, and the like. Further, the region where the opening is formed may be referred to as an opening. Although wet etching may be used to form the openings, it is preferable to use dry etching for microfabrication.
  • the insulator 214 it is preferable to select an insulator that functions as an etching stopper film when the insulator 216 is etched to form a groove. For example, when silicon oxide or silicon oxide nitride is used for the insulator 216 forming the groove, silicon nitride, aluminum oxide, or hafnium oxide may be used for the insulator 214.
  • a capacitively coupled plasma (CCP: Capacitively Coupled Plasma) etching apparatus having parallel plate type electrodes can be used.
  • the capacitive coupling type plasma etching apparatus having the parallel plate type electrode may be configured to apply a high frequency voltage to one of the parallel plate type electrodes.
  • a plurality of different high frequency voltages may be applied to one of the parallel plate type electrodes.
  • a high frequency voltage having the same frequency may be applied to each of the parallel plate type electrodes.
  • a high frequency voltage having a different frequency may be applied to each of the parallel plate type electrodes.
  • a dry etching apparatus having a high-density plasma source can be used.
  • an inductively coupled plasma (ICP: Inductively Coupled Plasma) etching apparatus or the like can be used.
  • the conductive film to be the conductor 205a preferably contains a conductor having a function of suppressing the permeation of oxygen.
  • a conductor having a function of suppressing the permeation of oxygen for example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride and the like can be used. Alternatively, it can be a laminated film of a conductor having a function of suppressing the permeation of oxygen and a tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper or molybdenum tungsten alloy.
  • the film formation of the conductive film to be the conductor 205a can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • titanium nitride is formed as a conductive film to be the conductor 205a.
  • a metal nitride as the lower layer of the conductor 205b, it is possible to prevent the conductor 205b from being oxidized by the insulator 216 or the like. Further, even if a metal that easily diffuses such as copper is used as the conductor 205b, it is possible to prevent the metal from diffusing out from the conductor 205a.
  • a conductive film to be the conductor 205b is formed.
  • the conductive film serving as the conductor 205b tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper, molybdenum-tungsten alloy and the like can be used.
  • the film formation of the conductive film can be performed by using a plating method, a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • tungsten is formed as a conductive film to be the conductor 205b.
  • a part of the conductive film to be the conductor 205a and a part of the conductive film to be the conductor 205b is removed, and the insulator 216 is exposed (see FIGS. 7A to 7D).
  • the conductor 205a and the conductor 205b remain only in the opening.
  • a part of the insulator 216 may be removed by the CMP treatment.
  • the insulator 222 is formed on the insulator 216 and the conductor 205 (see FIGS. 8A to 8D).
  • an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be formed.
  • the insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), and the like. Insulators containing oxides of one or both of aluminum and hafnium have barrier properties against oxygen, hydrogen, and water.
  • the insulator 222 has a barrier property against hydrogen and water, hydrogen and water contained in the structure provided around the transistor 200 are suppressed from diffusing into the inside of the transistor 200 through the insulator 222. , The formation of oxygen deficiency in the oxide 230 can be suppressed.
  • the film formation of the insulator 222 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • hafnium oxide is formed as the insulator 222 by using the ALD method.
  • the heat treatment may be carried out at 250 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and more preferably 320 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.
  • the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas.
  • the oxygen gas may be about 20%.
  • the heat treatment may be performed in a reduced pressure state.
  • the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, and then in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas to supplement the desorbed oxygen. You may.
  • the gas used in the above heat treatment is highly purified.
  • the amount of water contained in the gas used in the heat treatment may be 1 ppb or less, preferably 0.1 ppb or less, and more preferably 0.05 ppb or less.
  • the flow rate ratio of nitrogen gas and oxygen gas is set to 4 slm: 1 slm, and the treatment is performed at a temperature of 400 ° C. for 1 hour.
  • impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 222 can be removed.
  • an oxide containing hafnium is used as the insulator 222, a part of the insulator 222 may be crystallized by the heat treatment.
  • the heat treatment can be performed at a timing such as after the film formation of the insulator 224 is performed.
  • an insulating film 224A is formed on the insulator 222 (see FIGS. 8A to 8D).
  • the insulating film 224A can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • silicon oxide is formed as the insulating film 224A by using a sputtering method.
  • a sputtering method that does not require hydrogen to be used as the film forming gas, the hydrogen concentration in the insulating film 224A can be reduced. Since the insulating film 224A comes into contact with the oxide 230a in a later step, it is preferable that the hydrogen concentration is reduced in this way.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B are formed in this order on the insulating film 224A (see FIGS. 8A to 8D). It is preferable that the oxide film 230A and the oxide film 230B are continuously formed without being exposed to the atmospheric environment. By forming the film without opening it to the atmosphere, it is possible to prevent impurities or moisture from the atmospheric environment from adhering to the oxide film 230A and the oxide film 230B, and the vicinity of the interface between the oxide film 230A and the oxide film 230B can be prevented. Can be kept clean.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B are preferably formed by using the ALD method because a film having a uniform thickness can be formed even in a groove or an opening having a large aspect ratio. Further, it is preferable to use the PEALD method because the oxide film 230A and the oxide film 230B can be formed at a lower temperature than the thermal ALD method.
  • a sputtering method is used to form the oxide film 230A and the oxide film 230B.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B are formed by a sputtering method
  • oxygen or a mixed gas of oxygen and a rare gas is used as the sputtering gas.
  • excess oxygen in the oxide film formed can be increased.
  • the above oxide film is formed by a sputtering method
  • the above In—M—Zn oxide target or the like can be used.
  • the proportion of oxygen contained in the sputtering gas may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%.
  • the oxide film 230B is formed by a sputtering method, if the ratio of oxygen contained in the sputtering gas is more than 30% and 100% or less, preferably 70% or more and 100% or less, the oxygen excess type oxidation A physical semiconductor is formed.
  • Transistors using oxygen-rich oxide semiconductors in the channel formation region can obtain relatively high reliability.
  • one aspect of the present invention is not limited to this.
  • the oxide film 230B is formed by a sputtering method and the ratio of oxygen contained in the sputtering gas is 1% or more and 30% or less, preferably 5% or more and 20% or less, an oxygen-deficient oxide semiconductor is formed.
  • NS Transistors using oxygen-deficient oxide semiconductors in the channel formation region can obtain relatively high field-effect mobilities. Further, the crystallinity of the oxide film can be improved by forming a film while heating the substrate.
  • the insulating film 224A, the oxide film 230A, and the oxide film 230B are formed by a sputtering method without being exposed to the atmosphere.
  • a multi-chamber type film forming apparatus may be used. As a result, it is possible to reduce the mixing of hydrogen into the insulating film 224A, the oxide film 230A, and the oxide film 230B between the film forming steps.
  • the heat treatment may be performed in a temperature range in which the oxide film 230A and the oxide film 230B do not crystallize, and may be performed at 250 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
  • the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas.
  • the oxygen gas may be about 20%.
  • the heat treatment may be performed in a reduced pressure state.
  • the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, and then in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas to supplement the desorbed oxygen. You may.
  • the gas used in the above heat treatment is highly purified.
  • the amount of water contained in the gas used in the heat treatment may be 1 ppb or less, preferably 0.1 ppb or less, and more preferably 0.05 ppb or less.
  • the flow rate ratio of nitrogen gas and oxygen gas is set to 4 slm: 1 slm, and the treatment is performed at a temperature of 450 ° C. for 1 hour.
  • impurities such as carbon, water, and hydrogen in the oxide film 230A and the oxide film 230B
  • the crystallinity of the oxide film 230B can be improved, and a denser and more dense structure can be obtained.
  • the crystal region in the oxide film 230A and the oxide film 230B can be increased, and the in-plane variation of the crystal region in the oxide film 230A and the oxide film 230B can be reduced. Therefore, in-plane variation in the electrical characteristics of the transistor 200 can be reduced.
  • a conductive film 242A is formed on the oxide film 230B (see FIGS. 8A to 8D).
  • the film formation of the conductive film 242A can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a sputtering method for example, as the conductive film 242A, tantalum nitride may be formed by using a sputtering method.
  • the heat treatment may be performed before the film formation of the conductive film 242A.
  • the heat treatment may be carried out under reduced pressure to continuously form a conductive film 242A without exposing it to the atmosphere.
  • the water and hydrogen adsorbed on the surface of the oxide film 230B can be removed, and the water concentration and the hydrogen concentration in the oxide film 230A and the oxide film 230B can be further reduced.
  • the temperature of the heat treatment is preferably 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. In this embodiment, the temperature of the heat treatment is set to 200 ° C.
  • an insulating film 271A is formed on the conductive film 242A (see FIGS. 8A to 8D).
  • the insulating film 271A can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • As the insulating film 271A it is preferable to use an insulating film having a function of suppressing the permeation of oxygen.
  • aluminum oxide or silicon nitride may be formed as the insulating film 271A by a sputtering method.
  • the conductive film 242A and the insulating film 271A are formed by a sputtering method without being exposed to the atmosphere.
  • a multi-chamber type film forming apparatus may be used.
  • the conductive film 242A and the insulating film 271A can be formed by reducing the amount of hydrogen in the film, and further, it is possible to reduce the mixing of hydrogen in the film between each film forming step.
  • the film serving as the hard mask may be continuously formed without being exposed to the atmosphere.
  • the insulating film 224A, the oxide film 230A, the oxide film 230B, the conductive film 242A, and the insulating film 271A are processed into an island shape to form an insulator 224, an oxide 230a, an oxide 230b, and a conductive film.
  • a layer 242B and an insulating layer 271B are formed (see FIGS. 9A to 9D).
  • the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the conductive layer 242B, and the insulating layer 271B are formed so that at least a part thereof overlaps with the conductor 205.
  • a dry etching method or a wet etching method can be used for the above processing.
  • Processing by the dry etching method is suitable for microfabrication. Further, the insulating film 224A, the oxide film 230A, the oxide film 230B, the conductive film 242A, and the insulating film 271A may be processed under different conditions.
  • the resist is first exposed through a mask. Next, the exposed region is removed or left with a developer to form a resist mask. Next, a conductor, a semiconductor, an insulator, or the like can be processed into a desired shape by etching through the resist mask.
  • a resist mask may be formed by exposing the resist using KrF excimer laser light, ArF excimer laser light, EUV (Extreme Ultraviolet) light, or the like. Further, an immersion technique may be used in which a liquid (for example, water) is filled between the substrate and the projection lens for exposure. Further, instead of the above-mentioned light, an electron beam or an ion beam may be used.
  • the resist mask can be removed by performing a dry etching process such as ashing, performing a wet etching process, performing a wet etching process after the dry etching process, or performing a dry etching process after the wet etching process.
  • a dry etching process such as ashing, performing a wet etching process, performing a wet etching process after the dry etching process, or performing a dry etching process after the wet etching process.
  • a hard mask made of an insulator or a conductor may be used under the resist mask.
  • a hard mask an insulating film or a conductive film to be a hard mask material is formed on the conductive film 242A, a resist mask is formed on the insulating film or a conductive film, and the hard mask material is etched to form a hard mask having a desired shape. can do.
  • Etching of the conductive film 242A or the like may be performed after removing the resist mask, or may be performed while leaving the resist mask. In the latter case, the resist mask may disappear during etching.
  • the hard mask may be removed by etching after etching the conductive film 242A or the like.
  • the material of the hard mask does not affect the post-process or can be used in the post-process, it is not always necessary to remove the hard mask.
  • the insulating layer 271B is used as a hard mask.
  • the conductive layer 242B does not have a curved surface between the side surface and the upper surface as shown in FIGS. 9B to 9D.
  • the conductor 242a and the conductor 242b shown in FIGS. 1B and 1D have a square end at the intersection of the side surface and the upper surface. Since the end portion where the side surface and the upper surface of the conductor 242 intersect is angular, the cross-sectional area of the conductor 242 becomes larger than that in the case where the end portion has a curved surface. As a result, the resistance of the conductor 242 is reduced, so that the on-current of the transistor 200 can be increased.
  • the cross sections of the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the conductive layer 242B, and the insulating layer 271B may be tapered.
  • the tapered shape refers to a shape in which at least a part of the side surface of the structure is provided so as to be inclined with respect to the substrate surface.
  • the angle formed by the inclined side surface and the substrate surface (hereinafter, may be referred to as a taper angle) is less than 90 °.
  • the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the conductive layer 242B, and the insulating layer 271B may have, for example, a taper angle of 60 ° or more and less than 90 °.
  • the present invention is not limited to the above, and the side surfaces of the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the conductive layer 242B, and the insulating layer 271B may be configured to be substantially perpendicular to the upper surface of the insulator 222. With such a configuration, when a plurality of transistors 200 are provided, the area can be reduced and the density can be increased.
  • the by-products generated in the etching step may be formed in layers on the side surfaces of the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the conductive layer 242B, and the insulating layer 271B.
  • the layered by-product will be formed between the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the conductive layer 242B, and the insulating layer 271B and the insulator 275. Therefore, it is preferable to remove the layered by-product formed in contact with the upper surface of the insulator 222.
  • the insulator 225, the oxide 230a, the oxide 230b, the conductive layer 242B, and the insulating layer 271B are covered to form an insulator 275 (see FIGS. 10A to 10D).
  • the insulator 275 is preferably in close contact with the upper surface of the insulator 222 and the side surface of the insulator 224.
  • the film formation of the insulator 275 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • As the insulator 275 it is preferable to use an insulating film having a function of suppressing the permeation of oxygen.
  • the insulator 275 aluminum oxide may be formed by a sputtering method, and silicon nitride may be formed on the aluminum oxide by a PEALD method.
  • the function of suppressing the diffusion of impurities such as water and hydrogen and oxygen may be improved.
  • the oxide 230a, the oxide 230b, and the conductive layer 242B can be covered with the insulator 275 and the insulating layer 271B having a function of suppressing the diffusion of oxygen.
  • an insulating film to be the insulator 280 is formed on the insulator 275.
  • the insulating film can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a silicon oxide film may be formed by using a sputtering method.
  • an insulator 280 containing excess oxygen can be formed.
  • the hydrogen concentration in the insulator 280 can be reduced.
  • heat treatment may be performed before the film formation of the insulating film.
  • the heat treatment may be performed under reduced pressure to continuously form the insulating film without exposing it to the atmosphere.
  • the water and hydrogen adsorbed on the surface of the insulator 275 and the like are removed, and the water concentration and the hydrogen concentration in the oxide 230a, the oxide 230b, and the insulator 224 are further increased. It can be reduced.
  • the above-mentioned heat treatment conditions can be used for the heat treatment.
  • the insulating film to be the insulator 280 is subjected to CMP treatment to form an insulator 280 having a flat upper surface (see FIGS. 10A to 10D).
  • silicon nitride may be formed on the insulator 280 by, for example, a sputtering method, and CMP treatment may be performed until the silicon nitride reaches the insulator 280.
  • a part of the insulator 280, a part of the insulator 275, a part of the insulating layer 271B, and a part of the conductive layer 242B are processed to form an opening reaching the oxide 230b.
  • the opening is preferably formed so as to overlap the conductor 205.
  • an insulator 271a, an insulator 271b, a conductor 242a, and a conductor 242b are formed (see FIGS. 11A to 11D).
  • the side surfaces of the insulator 280, the insulator 275, the insulator 271, and the conductor 242 may have a tapered shape.
  • the taper angle of the insulator 280 may be larger than the taper angle of the conductor 242.
  • the upper portion of the oxide 230b may be removed when the opening is formed.
  • a dry etching method or a wet etching method can be used for processing a part of the insulator 280, a part of the insulator 275, a part of the insulating layer 271B, and a part of the conductive layer 242B.
  • Processing by the dry etching method is suitable for microfabrication. Further, the processing may be performed under different conditions. For example, a part of the insulator 280 is processed by a dry etching method, a part of the insulator 275 and a part of the insulating layer 271B are processed by a wet etching method, and a part of the conductive layer 242B is processed by a dry etching method. You may.
  • impurities may adhere to the side surface of the oxide 230a, the upper surface and the side surface of the oxide 230b, the side surface of the conductor 242, the side surface of the insulator 280, etc., or the impurities may diffuse into the inside thereof. ..
  • a step of removing such impurities may be performed. Further, the dry etching may form a damaged region on the surface of the oxide 230b. Such damaged areas may be removed.
  • the impurities include an insulator 280, an insulator 275, a part of the insulating layer 271B, and a component contained in the conductive layer 242B, and a component contained in a member used in an apparatus used for forming the opening. Examples thereof include those caused by components contained in the gas or liquid used for etching.
  • the impurities include hafnium, aluminum, silicon, tantalum, fluorine, chlorine and the like.
  • impurities such as aluminum or silicon inhibit the conversion of oxide 230b to CAAC-OS. Therefore, it is preferable that impurity elements such as aluminum and silicon that hinder CAAC-OS conversion are reduced or removed.
  • the concentration of aluminum atoms in the oxide 230b and its vicinity may be 5.0 atomic% or less, preferably 2.0 atomic% or less, more preferably 1.5 atomic% or less, and 1.0. Atomic% or less is more preferable, and less than 0.3 atomic% is further preferable.
  • the region of the metal oxide that has become a pseudo-amorphous oxide semiconductor (a-like OS: amorphous-like oxide semiconductor) due to the inhibition of CAAC-OS by impurities such as aluminum or silicon is defined as the non-CAAC region. May be called.
  • the non CAAC region since the compactness of the crystal structure is reduced, V O H has a large amount of formation, the transistor tends to be normally on reduction. Therefore, the non-CAAC region of the oxide 230b is preferably reduced or removed.
  • the oxide 230b has a layered CAAC structure.
  • the conductor 242a or the conductor 242b and its vicinity function as a drain. That is, it is preferable that the oxide 230b near the lower end of the conductor 242a (conductor 242b) has a CAAC structure.
  • a cleaning process is performed in order to remove impurities and the like adhering to the surface of the oxide 230b in the above etching step.
  • the cleaning method include wet cleaning using a cleaning liquid (also referred to as wet etching treatment), plasma treatment using plasma, cleaning by heat treatment, and the like, and the above cleaning may be appropriately combined.
  • the cleaning process may deepen the groove.
  • Wet cleaning may be performed using aqueous ammonia, oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid or the like diluted with carbonated water or pure water, pure water, carbonated water or the like.
  • ultrasonic cleaning may be performed using these aqueous solutions, pure water, or carbonated water.
  • these washings may be appropriately combined.
  • an aqueous solution obtained by diluting hydrofluoric acid with pure water may be referred to as diluted hydrofluoric acid
  • an aqueous solution obtained by diluting ammonia water with pure water may be referred to as diluted ammonia water.
  • concentration, temperature, etc. of the aqueous solution may be appropriately adjusted depending on the impurities to be removed, the configuration of the semiconductor device to be washed, and the like.
  • the ammonia concentration of the diluted ammonia water may be 0.01% or more and 5% or less, preferably 0.1% or more and 0.5% or less.
  • the hydrogen fluoride concentration of the diluted hydrofluoric acid may be 0.01 ppm or more and 100 ppm or less, preferably 0.1 ppm or more and 10 ppm or less.
  • a frequency of 200 kHz or higher, preferably 900 kHz or higher is used. By using this frequency, damage to the oxide 230b and the like can be reduced.
  • the above cleaning treatment may be performed a plurality of times, and the cleaning liquid may be changed for each cleaning treatment.
  • a treatment using diluted hydrofluoric acid or diluted aqueous ammonia may be performed as the first cleaning treatment
  • a treatment using pure water or carbonated water may be performed as the second cleaning treatment.
  • wet cleaning is performed using diluted hydrofluoric acid.
  • impurities adhering to or diffused inside the surface such as oxide 230a and oxide 230b can be removed.
  • the crystallinity of the oxide 230b can be enhanced.
  • the heat treatment may be performed after the etching so far or after the above cleaning.
  • the heat treatment may be performed at 100 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, preferably 350 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
  • the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas.
  • the heat treatment is preferably performed in an oxygen atmosphere. Thereby, oxygen can be supplied to the oxide 230a and the oxide 230b to reduce the oxygen deficiency. Further, by performing such a heat treatment, the crystallinity of the oxide 230b can be improved. Further, the heat treatment may be performed in a reduced pressure state. Alternatively, after the heat treatment in an oxygen atmosphere, the heat treatment may be continuously performed in a nitrogen atmosphere without being exposed to the atmosphere.
  • an insulating film 252A is formed (see FIGS. 12A to 12D).
  • the insulating film 252A can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • aluminum oxide is formed as the insulating film 252A by the ALD method.
  • the insulating film 252A needs to be formed on the bottom surface and the side surface of the opening formed by the insulator 280 or the like with good coverage.
  • layers of atoms can be deposited layer by layer on the bottom surface and the side surface of the opening, so that the insulating film 252A can be formed with good coverage on the opening.
  • microwave processing refers to processing using, for example, a device having a power source that generates high-density plasma using microwaves.
  • microwave refers to an electromagnetic wave having a frequency of 300 MHz or more and 300 GHz or less.
  • the dotted lines shown in FIGS. 12B to 12D indicate high-frequency oxygen plasma such as microwaves and RF, oxygen radicals, and the like.
  • a microwave processing apparatus having a power source for generating high-density plasma using microwaves.
  • the frequency of the microwave processing apparatus may be 300 MHz or more and 300 GHz or less, preferably 2.4 GHz or more and 2.5 GHz or less, for example, 2.45 GHz.
  • the electric power of the power source to which the microwave of the microwave processing apparatus is applied may be 1000 W or more and 10000 W or less, preferably 2000 W or more and 5000 W or less.
  • the microwave processing apparatus may have a power source for applying RF to the substrate side.
  • high-density oxygen radicals can be generated.
  • oxygen ions generated by the high-density plasma can be efficiently guided into the oxide 230b.
  • the microwave treatment is preferably performed under reduced pressure, and the pressure may be 10 Pa or more and 1000 Pa or less, preferably 300 Pa or more and 700 Pa or less.
  • the treatment temperature may be 750 ° C. or lower, preferably 500 ° C. or lower, for example, about 400 ° C.
  • the heat treatment may be continuously performed without exposing to the outside air.
  • the temperature may be 100 ° C. or higher and 750 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.
  • the microwave treatment may be performed using oxygen gas and argon gas.
  • the oxygen flow rate ratio (O 2 / (O 2 + Ar)) may be larger than 0% and 100% or less.
  • the oxygen flow rate ratio (O 2 / (O 2 + Ar)) may be larger than 0% and 50% or less.
  • the oxygen flow rate ratio (O 2 / (O 2 + Ar)) may be 10% or more and 40% or less.
  • the oxygen flow rate ratio (O 2 / (O 2 + Ar)) may be 10% or more and 30% or less.
  • oxygen gas is turned into plasma using microwaves or high frequencies such as RF, and the oxygen plasma is converted into a conductor of oxide 230b. It can act on the region between the 242a and the conductor 242b.
  • the region 230 bc can be irradiated with a high frequency such as a microwave or RF. That is, a microwave, a high-frequency oxygen plasma such as RF, or the like can be applied to the region 230bc shown in FIG. 3A.
  • Plasma by the action such as a microwave, and divide the V O H region 230Bc, hydrogen H can be removed from the area 230Bc.
  • the carrier concentration can be decreased. Further, by supplying the oxygen radical generated by the oxygen plasma or the oxygen contained in the insulator 250 to the oxygen deficiency formed in the region 230 bc, the oxygen deficiency in the region 230 bc is further reduced and the carrier concentration is increased. Can be lowered.
  • the conductor 242a and the conductor 242b are provided on the region 230ba and the region 230bb shown in FIG. 3A.
  • the conductor 242 preferably functions as a shielding film against the action of microwaves, high frequencies such as RF, oxygen plasma, and the like when microwave treatment is performed in an atmosphere containing oxygen. Therefore, it is preferable that the conductor 242 has a function of shielding electromagnetic waves of 300 MHz or more and 300 GHz or less, for example, 2.4 GHz or more and 2.5 GHz or less.
  • the conductors 242a and 242b shield the action of microwaves, high frequency oxygen plasmas such as RF, and the like, so that these actions do not extend to the regions 230ba and 230bb. ..
  • the microwave treatment, the region 230ba and area 230Bb, reduction of V O H, and excessive amount of oxygen supply does not occur, it is possible to prevent a decrease in carrier concentration.
  • the oxide selectively oxygen deficiency in the semiconductor region 230Bc, a and V O H may be removed to an area 230Bc i-type or substantially i-type. Further, it is possible to suppress the supply of excess oxygen to the region 230ba and the region 230bb that function as the source region or the drain region, and to maintain the n-type. As a result, fluctuations in the electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed, and fluctuations in the electrical characteristics of the transistor 200 can be suppressed within the substrate surface.
  • thermal energy may be directly transferred to the oxide 230b due to the electromagnetic interaction between the microwave and the molecules in the oxide 230b.
  • the oxide 230b may be heated by this heat energy.
  • Such heat treatment may be called microwave annealing.
  • microwave annealing By performing the microwave treatment in an atmosphere containing oxygen, the same effect as oxygen annealing may be obtained.
  • hydrogen is contained in the oxide 230b, it is considered that this thermal energy is transmitted to the hydrogen in the oxide 230b, and the activated hydrogen is released from the oxide 230b.
  • an insulating film 250A is formed (see FIGS. 13A to 13D).
  • the heat treatment may be performed before the film formation of the insulating film 250A, and the heat treatment may be performed under reduced pressure to continuously form the insulating film 250A without exposure to the atmosphere. Further, the heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing oxygen. By performing such a treatment, the water and hydrogen adsorbed on the surface of the oxide 230b and the like can be removed, and the water concentration and the hydrogen concentration in the oxide 230a and the oxide 230b can be further reduced.
  • the temperature of the heat treatment is preferably 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
  • the insulating film 250A can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like. Further, the insulating film 250A is preferably formed by a film forming method using a gas in which hydrogen atoms have been reduced or removed. Thereby, the hydrogen concentration of the insulating film 250A can be reduced. Since the insulating film 250A becomes an insulator 250 in contact with the oxide 230b in a later step, it is preferable that the hydrogen concentration is reduced in this way.
  • the insulating film 250A is preferably formed by the PEALD method using a gas containing silicon and not containing a hydrocarbon (precursor), an oxidizing gas (reactant), and a diluting gas. It is necessary that the film thickness of the insulator 250 of the miniaturized transistor 200, which functions as the gate insulating film, is extremely thin (for example, about 5 nm or more and 30 nm or less) and the variation is small.
  • the PEALD method is a film-forming method in which a precursor, a reactor (oxidizing agent) and a diluting gas are alternately introduced, and the film thickness can be adjusted by the number of times this cycle is repeated. Precise film thickness adjustment is possible.
  • the accuracy of the gate insulating film required by the miniaturized transistor 200 can be achieved. Further, by using the PEALD method, a film can be formed at a relatively low substrate temperature. In the PEALD method, the introduction of the precursor and the application of high-frequency power with the reactor (oxidizing agent) and the diluting gas introduced may be alternately performed.
  • a gas containing silicon and not containing a hydrocarbon precursor
  • an oxidizing gas reactant
  • a diluting gas it is possible to suppress the mixing of hydrogen in the insulating film 250A and the oxide 230b. can.
  • a precursor containing impurities such as carbon for example, an organic precursor having a hydrocarbon is not used, it is possible to prevent impurities such as carbon and hydrocarbons from being mixed into the insulating film 250A. Since a more dense film containing no impurities or the like can be formed in this way, it is possible to prevent In from diffusing from the oxide 230b to the insulating film 250A via the insulating film 252A.
  • the film thickness of the insulating film 250A is repeatedly formed in steps S01 to S04 as one cycle until a desired film thickness is reached according to the process flow shown in FIG. 5 and the sequence shown in FIGS. 6A and 6B. ..
  • the insulating film 250B is formed (see FIGS. 13A to 13D).
  • the insulating film 250B can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the insulating film 250B is preferably formed by using an insulator having a function of suppressing the diffusion of oxygen. With such a configuration, oxygen contained in the insulator 250a can be suppressed from diffusing into the conductor 260. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 230. Further, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 260 by the oxygen contained in the insulator 250a.
  • the insulating film 250A can be provided using a material that can be used for the above-mentioned insulator 250, and the insulating film 250B can be provided using the same material as the insulator 222.
  • the insulating film 250B is specifically a metal oxide containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, magnesium and the like.
  • a metal oxide that can be used as the oxide 230 can be used.
  • hafnium oxide is deposited as the insulating film 250B by the thermal ALD method.
  • Microwave treatment may be performed after the insulating film 250B is formed (see FIGS. 13A to 13D).
  • the microwave treatment conditions performed after the film formation of the insulating film 250A described above may be used.
  • the microwave treatment may be performed after the film formation of the insulating film 250B without performing the microwave treatment performed after the film formation of the insulating film 250A.
  • the heat treatment may be performed while maintaining the reduced pressure state after each microwave treatment.
  • hydrogen in the insulating film 252A, the insulating film 250A, the insulating film 250B, the oxide 230b, and the oxide 230a can be efficiently removed.
  • a part of hydrogen may be gettered on the conductor 242 (conductor 242a and conductor 242b).
  • the step of performing the heat treatment may be repeated a plurality of times while maintaining the reduced pressure state after the microwave treatment.
  • the heat treatment temperature is preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.
  • the microwave treatment that is, microwave annealing may also serve as the heat treatment. When the oxide 230b or the like is sufficiently heated by microwave annealing, the heat treatment may not be performed.
  • the film quality of the insulating film 252A, the insulating film 250A, and the insulating film 250B by modifying the film quality of the insulating film 252A, the insulating film 250A, and the insulating film 250B by performing microwave treatment, diffusion of hydrogen, water, impurities, etc. can be suppressed. Therefore, hydrogen, water, impurities, etc. are diffused to the oxide 230b, the oxide 230a, etc. via the insulator 250 by a post-process such as a film formation of a conductive film to be a conductor 260 or a post-treatment such as a heat treatment. Can be suppressed.
  • a post-process such as a film formation of a conductive film to be a conductor 260 or a post-treatment such as a heat treatment.
  • a conductive film to be the conductor 260a and a conductive film to be the conductor 260b are formed in this order.
  • the film formation of the conductive film to be the conductor 260a and the conductive film to be the conductor 260b can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the ALD method is used to form a conductive film to be the conductor 260a
  • the CVD method is used to form the conductive film to be the conductor 260b.
  • the insulating film 252A, the insulating film 250A, the insulating film 250B, the conductive film to be the conductor 260a, and the conductive film to be the conductor 260b are polished until the insulator 280 is exposed.
  • insulator 250a, insulator 250b, and conductor 260 are formed (see FIGS. 14A-14D).
  • the insulator 252 is arranged so as to cover the opening reaching the oxide 230b.
  • the conductor 260 is arranged so as to embed the opening via the insulator 252 and the insulator 250.
  • the heat treatment may be performed under the same conditions as the above heat treatment.
  • the treatment is carried out in a nitrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 1 hour.
  • the heat treatment the water concentration and the hydrogen concentration in the insulator 250 and the insulator 280 can be reduced.
  • the insulator 282 may be continuously formed without being exposed to the atmosphere.
  • the insulator 282 is formed on the insulator 252, the insulator 250, the conductor 260, and the insulator 280 (see FIGS. 15A to 15D).
  • the film formation of the insulator 282 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the film formation of the insulator 282 is preferably performed by using a sputtering method. By using a sputtering method that does not require hydrogen to be used as the film forming gas, the hydrogen concentration in the insulator 282 can be reduced.
  • aluminum oxide is formed as the insulator 282 by the pulse DC sputtering method using an aluminum target in an atmosphere containing oxygen gas.
  • the pulse DC sputtering method By using the pulse DC sputtering method, the film thickness distribution can be made more uniform, and the sputtering rate and the film quality can be improved.
  • an etching mask is formed on the insulator 282 by a lithography method, and a part of the insulator 282, a part of the insulator 280, a part of the insulator 275, a part of the insulator 222, and the insulator 216 are formed. Is processed until it reaches the upper surface of the insulator 214 (see FIGS. 16A to 16D). Although wet etching may be used for the processing, it is preferable to use dry etching for fine processing.
  • heat treatment may be performed.
  • the heat treatment may be carried out at 250 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. Further, the heat treatment is preferably lower than the heat treatment temperature performed after the oxide film 230B is formed.
  • the heat treatment is performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas.
  • oxygen contained in the insulator 280 from the side surface of the insulator 280 formed by processing the insulator 282, the insulator 280, the insulator 275, the insulator 222, and the insulator 216.
  • the hydrogen combined with the oxygen can be released to the outside.
  • the oxygen contained in the insulator 280 and the hydrogen bonded to the oxygen can be released to the outside. Hydrogen combined with oxygen is released as water. Therefore, unnecessary oxygen and hydrogen contained in the insulator 280 can be reduced.
  • the insulator 283 is formed on the insulator 282 (see FIGS. 17A to 17D).
  • the film formation of the insulator 283 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the film formation of the insulator 283 is preferably performed by using a sputtering method.
  • a sputtering method that does not require hydrogen to be used as the film forming gas, the hydrogen concentration in the insulator 283 can be reduced.
  • the insulator 283 may have a multi-layer structure.
  • silicon nitride may be deposited by using a sputtering method, and silicon nitride may be deposited on the silicon nitride by using the ALD method.
  • the transistor 200 By wrapping the transistor 200 with the insulator 283 and the insulator 214 having a high barrier property, it is possible to prevent moisture and hydrogen from entering from the outside.
  • the insulator 274 is formed on the insulator 283.
  • the film formation of the insulator 274 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • silicon oxide is formed as the insulator 274 by the CVD method.
  • the upper surface of the insulator 274 is flattened by polishing the insulator 274 until the insulator 283 is exposed by CMP treatment (see FIGS. 17A to 17D). A part of the upper surface of the insulator 283 may be removed by the CMP treatment.
  • the insulator 285 is formed on the insulator 274 and the insulator 283 (see FIGS. 18A to 18D).
  • the film formation of the insulator 285 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the film formation of the insulator 285 is preferably performed by using a sputtering method. By using a sputtering method that does not require hydrogen to be used as the film forming gas, the hydrogen concentration in the insulator 285 can be reduced.
  • aluminum oxide is formed as the insulator 285 by the pulse DC sputtering method using an aluminum target in an atmosphere containing oxygen gas.
  • the pulse DC sputtering method By using the pulse DC sputtering method, the film thickness distribution can be made more uniform, and the sputtering rate and the film quality can be improved.
  • an opening reaching the conductor 242 is formed in the insulator 271, the insulator 275, the insulator 280, the insulator 282, the insulator 283, and the insulator 285 (see FIGS. 18A and 18B).
  • the opening may be formed by using a lithography method.
  • the shape of the opening is circular in the top view, but the shape is not limited to this.
  • the opening may have a substantially circular shape such as an ellipse, a polygonal shape such as a quadrangle, or a polygonal shape such as a quadrangle with rounded corners when viewed from above.
  • an insulating film to be the insulator 241 is formed, and the insulating film is anisotropically etched to form the insulator 241. (See FIG. 18B.).
  • the film formation of the insulating film to be the insulator 241 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the anisotropic etching of the insulating film to be the insulator 241 for example, a dry etching method or the like may be used.
  • a dry etching method or the like By providing the insulator 241 on the side wall portion of the opening, it is possible to suppress the permeation of oxygen from the outside and prevent the oxidation of the conductor 240a and the conductor 240b to be formed next. Further, it is possible to prevent impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 280 and the like from diffusing into the conductor 240a and the conductor 240b.
  • a conductive film to be a conductor 240a and a conductor 240b is formed. It is desirable that the conductive film has a laminated structure containing a conductor having a function of suppressing the permeation of impurities such as water and hydrogen.
  • impurities such as water and hydrogen.
  • tantalum nitride, titanium nitride and the like can be laminated with tungsten, molybdenum, copper and the like.
  • the film formation of the conductive film can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the conductor 240a and the conductor 240b having a flat upper surface can be formed by leaving the conductive film only in the opening (see FIGS. 18A to 18D).
  • a part of the upper surface of the insulator 285 may be removed by the CMP treatment.
  • a conductive film to be a conductor 246 is formed.
  • the film formation of the conductive film can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the conductive film to be the conductor 246 is processed by a lithography method to form a conductor 246a in contact with the upper surface of the conductor 240a and a conductor 246b in contact with the upper surface of the conductor 240b.
  • a part of the insulator 285 in the region where the conductors 246a and 246b and the insulator 285 do not overlap may be removed.
  • the semiconductor device having the transistor 200 shown in FIGS. 1A to 1D can be manufactured.
  • the transistor 200 can be manufactured by using the method for manufacturing the semiconductor device shown in the present embodiment.
  • microwave processing device that can be used in the method for manufacturing the semiconductor device will be described.
  • FIG. 19 schematically shows a top view of the single-wafer multi-chamber manufacturing apparatus 2700.
  • the manufacturing apparatus 2700 has an atmospheric side substrate supply chamber 2701 including a cassette port 2761 for accommodating the substrate and an alignment port 2762 for aligning the substrate, and an atmospheric side substrate transport for transporting the substrate from the atmospheric side substrate supply chamber 2701.
  • Room 2702 and load lock chamber 2703a that carries in the substrate and switches the pressure in the room from atmospheric pressure to atmospheric pressure, or from reduced pressure to atmospheric pressure, and carries out the substrate and reduces the pressure in the room from reduced pressure to atmospheric pressure, or It has an unload lock chamber 2703b for switching from atmospheric pressure to depressurization, a transport chamber 2704 for transporting a substrate in vacuum, a chamber 2706a, a chamber 2706b, a chamber 2706c, and a chamber 2706d.
  • the atmospheric side substrate transport chamber 2702 is connected to the load lock chamber 2703a and the unload lock chamber 2703b, the load lock chamber 2703a and the unload lock chamber 2703b are connected to the transport chamber 2704, and the transport chamber 2704 is connected to the chamber 2706a.
  • Chamber 2706b, chamber 2706c and chamber 2706d are connected to the atmospheric side substrate transport chamber 2702.
  • a gate valve GV is provided at the connection portion of each chamber, and each chamber can be independently held in a vacuum state except for the atmospheric side substrate supply chamber 2701 and the atmospheric side substrate transport chamber 2702. Further, a transfer robot 2763a is provided in the atmospheric side substrate transfer chamber 2702, and a transfer robot 2763b is provided in the transfer chamber 2704. The transfer robot 2763a and the transfer robot 2763b can transfer the substrate in the manufacturing apparatus 2700.
  • the back pressure (total pressure) of the transport chamber 2704 and each chamber is, for example, 1 ⁇ 10 -4 Pa or less, preferably 3 ⁇ 10 -5 Pa or less, and more preferably 1 ⁇ 10 -5 Pa or less.
  • the partial pressure of gas molecules (atoms) having a mass-to-charge ratio (m / z) of 18 in the transport chamber 2704 and each chamber is, for example, 3 ⁇ 10 -5 Pa or less, preferably 1 ⁇ 10 -5 Pa or less. , More preferably 3 ⁇ 10 -6 Pa or less.
  • the partial pressure of the gas molecules (atoms) having an m / z of 28 in the transport chamber 2704 and each chamber is, for example, 3 ⁇ 10 -5 Pa or less, preferably 1 ⁇ 10 -5 Pa or less, more preferably 3. ⁇ 10-6 Pa or less.
  • the partial pressure of the gas molecules (atoms) having an m / z of 44 in the transport chamber 2704 and each chamber is, for example, 3 ⁇ 10 -5 Pa or less, preferably 1 ⁇ 10 -5 Pa or less, more preferably 3. ⁇ 10-6 Pa or less.
  • the total pressure and partial pressure in the transport chamber 2704 and each chamber can be measured using a mass spectrometer.
  • a mass spectrometer for example, a quadrupole mass spectrometer (also referred to as Q-mass) Qulee CGM-051 manufactured by ULVAC, Inc. may be used.
  • the transport chamber 2704 and each chamber have a configuration in which there are few external leaks or internal leaks.
  • the leak rate of the transport chamber 2704 and each chamber is 3 ⁇ 10 -6 Pa ⁇ m 3 / s or less, preferably 1 ⁇ 10 -6 Pa ⁇ m 3 / s or less.
  • the leak rate of the gas molecule (atom) having m / z of 18 is set to 1 ⁇ 10 -7 Pa ⁇ m 3 / s or less, preferably 3 ⁇ 10 -8 Pa ⁇ m 3 / s or less.
  • the leak rate of the gas molecule (atom) having m / z of 28 is set to 1 ⁇ 10-5 Pa ⁇ m 3 / s or less, preferably 1 ⁇ 10-6 Pa ⁇ m 3 / s or less.
  • the leak rate of the gas molecule (atom) having m / z of 44 is set to 3 ⁇ 10 -6 Pa ⁇ m 3 / s or less, preferably 1 ⁇ 10 -6 Pa ⁇ m 3 / s or less.
  • the leak rate may be derived from the total pressure and partial pressure measured using the above-mentioned mass spectrometer.
  • the leak rate depends on external and internal leaks.
  • An external leak is a gas flowing in from outside the vacuum system due to a minute hole, a defective seal, or the like.
  • the internal leak is caused by a leak from a partition such as a valve in the vacuum system or a gas released from an internal member. In order to keep the leak rate below the above value, it is necessary to take measures from both the external leak and the internal leak.
  • the transport chamber 2704 and the opening and closing parts of each chamber may be sealed with a metal gasket.
  • a metal gasket it is preferable to use a metal coated with iron fluoride, aluminum oxide, or chromium oxide.
  • the metal gasket has higher adhesion than the O-ring and can reduce external leakage. Further, by using the passivation of the metal coated with iron fluoride, aluminum oxide, chromium oxide or the like, the released gas containing impurities released from the metal gasket can be suppressed, and the internal leak can be reduced.
  • a member constituting the manufacturing apparatus 2700 aluminum, chromium, titanium, zirconium, nickel or vanadium having a small amount of emission gas containing impurities is used. Further, the above-mentioned metal containing a small amount of emission gas containing impurities may be coated on an alloy containing iron, chromium, nickel and the like. Alloys containing iron, chromium, nickel, etc. are rigid, heat resistant and suitable for processing. Here, if the surface unevenness of the member is reduced by polishing or the like in order to reduce the surface area, the released gas can be reduced.
  • the members of the manufacturing apparatus 2700 described above may be coated with iron fluoride, aluminum oxide, chromium oxide, or the like.
  • the members of the manufacturing apparatus 2700 are preferably made of only metal as much as possible.
  • the surface thereof is made of iron fluoride, aluminum oxide, or oxide in order to suppress the released gas. It is recommended to cover it thinly with chrome or the like.
  • the adsorbents present in the transport chamber 2704 and each chamber do not affect the pressure of the transport chamber 2704 and each chamber because they are adsorbed on the inner wall, etc., but cause gas release when the transport chamber 2704 and each chamber are exhausted. It becomes. Therefore, although there is no correlation between the leak rate and the exhaust speed, it is important to use a pump having a high exhaust capacity to remove the adsorbents existing in the transport chamber 2704 and each chamber as much as possible and exhaust them in advance.
  • the transport chamber 2704 and each chamber may be baked in order to promote the desorption of adsorbed substances. By baking, the desorption rate of the adsorbent can be increased by about 10 times. Baking may be performed at 100 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.
  • the desorption rate of water or the like which is difficult to desorb only by exhausting, can be further increased.
  • the desorption rate of the adsorbent can be further increased.
  • an inert gas such as a heated rare gas or oxygen
  • the adsorbents in the transport chamber 2704 and each chamber can be desorbed, and the impurities present in the transport chamber 2704 and each chamber can be reduced. It is effective to repeat this treatment 2 times or more and 30 times or less, preferably 5 times or more and 15 times or less.
  • an inert gas or oxygen having a temperature of 40 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or higher and 200 ° C.
  • the pressure in the transport chamber 2704 and each chamber is 0.1 Pa or higher and 10 kPa or lower.
  • the pressure may be preferably 1 Pa or more and 1 kPa or less, more preferably 5 Pa or more and 100 Pa or less, and the pressure holding period may be 1 minute or more and 300 minutes or less, preferably 5 minutes or more and 120 minutes or less.
  • the transfer chamber 2704 and each chamber are exhausted for a period of 5 minutes or more and 300 minutes or less, preferably 10 minutes or more and 120 minutes or less.
  • Chambers 2706b and 2706c are, for example, chambers capable of performing microwave treatment on an object to be processed. It should be noted that the chamber 2706b and the chamber 2706c differ only in the atmosphere when microwave processing is performed. Since other configurations are common, they will be described together below.
  • the chamber 2706b and the chamber 2706c have a slot antenna plate 2808, a dielectric plate 2809, a substrate holder 2812, and an exhaust port 2819. Further, outside the chamber 2706b and the chamber 2706c, there are a gas supply source 2801, a valve 2802, a high frequency generator 2803, a waveguide 2804, a mode converter 2805, a gas tube 2806, and a waveguide 2807. A matching box 2815, a high frequency power supply 2816, a waveguide 2817, and a valve 2818 are provided.
  • the high frequency generator 2803 is connected to the mode converter 2805 via a waveguide 2804.
  • the mode converter 2805 is connected to the slot antenna plate 2808 via a waveguide 2807.
  • the slot antenna plate 2808 is arranged in contact with the dielectric plate 2809.
  • the gas supply source 2801 is connected to the mode converter 2805 via a valve 2802. Then, gas is sent to the chamber 2706b and the chamber 2706c by the mode converter 2805, the waveguide 2807, and the gas pipe 2806 passing through the dielectric plate 2809.
  • the vacuum pump 2817 has a function of exhausting gas or the like from the chamber 2706b and the chamber 2706c via the valve 2818 and the exhaust port 2819.
  • the high frequency power supply 2816 is connected to the substrate holder 2812 via the matching box 2815.
  • the board holder 2812 has a function of holding the board 2811. For example, it has a function of electrostatically chucking or mechanically chucking the substrate 2811. It also functions as an electrode to which power is supplied from the high frequency power supply 2816. Further, it has a heating mechanism 2813 inside and has a function of heating the substrate 2811.
  • the vacuum pump 2817 for example, a dry pump, a mechanical booster pump, an ion pump, a titanium sublimation pump, a cryopump, a turbo molecular pump, or the like can be used. Further, in addition to the vacuum pump 2817, a cryotrap may be used. It is particularly preferable to use a cryopump and a cryotrap because water can be efficiently exhausted.
  • the heating mechanism 2813 may be, for example, a heating mechanism that heats using a resistance heating element or the like. Alternatively, it may be a heating mechanism that heats by heat conduction or heat radiation from a medium such as a heated gas.
  • RTA Rapid Thermal Analing
  • GRTA Gas Rapid Thermal Annealing
  • LRTA Riv Rapid Thermal Annealing
  • GRTA is heat-treated using a high-temperature gas. As the gas, an inert gas is used.
  • the gas supply source 2801 may be connected to the refiner via a mass flow controller.
  • the gas it is preferable to use a gas having a dew point of ⁇ 80 ° C. or lower, preferably ⁇ 100 ° C. or lower.
  • oxygen gas, nitrogen gas, and noble gas argon gas, etc. may be used.
  • the dielectric plate 2809 for example, silicon oxide (quartz), aluminum oxide (alumina), yttrium oxide (itria), or the like may be used. Further, another protective layer may be formed on the surface of the dielectric plate 2809. As the protective layer, magnesium oxide, titanium oxide, chromium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, silicon oxide, aluminum oxide, yttrium oxide and the like may be used. Since the dielectric plate 2809 is exposed to a particularly high-density region of the high-density plasma 2810 described later, damage can be mitigated by providing a protective layer. As a result, it is possible to suppress an increase in particles during processing.
  • the high frequency generator 2803 has, for example, a function of generating microwaves of 0.3 GHz or more and 3.0 GHz or less, 0.7 GHz or more and 1.1 GHz or less, or 2.2 GHz or more and 2.8 GHz or less.
  • the microwave generated by the high frequency generator 2803 is transmitted to the mode converter 2805 via the waveguide 2804.
  • the microwave transmitted as the TE mode is converted into the TEM mode.
  • the microwave is transmitted to the slot antenna plate 2808 via the waveguide 2807.
  • the slot antenna plate 2808 is provided with a plurality of slot holes, and microwaves pass through the slot holes and the dielectric plate 2809. Then, an electric field can be generated below the dielectric plate 2809 to generate high-density plasma 2810.
  • ions and radicals corresponding to the gas type supplied from the gas supply source 2801 are present. For example, there are oxygen radicals and the like.
  • the substrate 2811 can modify the film and the like on the substrate 2811 by the ions and radicals generated by the high-density plasma 2810. It may be preferable to apply a bias to the substrate 2811 side by using the high frequency power supply 2816.
  • the high frequency power supply 2816 for example, an RF (Radio Frequency) power supply having a frequency such as 13.56 MHz or 27.12 MHz may be used.
  • the bias to the substrate side the ions in the high-density plasma 2810 can be efficiently reached to the depth of the opening such as the film on the substrate 2811.
  • oxygen radical treatment using the high-density plasma 2810 can be performed by introducing oxygen from the gas supply source 2801 in the chamber 2706b or the chamber 2706c.
  • Chambers 2706a and 2706d are chambers capable of irradiating an object to be processed with electromagnetic waves, for example. It should be noted that the chamber 2706a and the chamber 2706d differ only in the type of electromagnetic wave. Since there are many common parts about other configurations, they will be explained together below.
  • Chambers 2706a and 2706d have one or more lamps 2820, a substrate holder 2825, a gas inlet 2823, and an exhaust port 2830. Further, a gas supply source 2821, a valve 2822, a vacuum pump 2828, and a valve 2829 are provided outside the chamber 2706a and the chamber 2706d.
  • the gas supply source 2821 is connected to the gas introduction port 2823 via a valve 2822.
  • the vacuum pump 2828 is connected to the exhaust port 2830 via a valve 2829.
  • the lamp 2820 is arranged to face the substrate holder 2825.
  • the substrate holder 2825 has a function of holding the substrate 2824. Further, the substrate holder 2825 has a heating mechanism 2826 inside, and has a function of heating the substrate 2824.
  • a light source having a function of radiating electromagnetic waves such as visible light or ultraviolet light
  • a light source having a function of emitting an electromagnetic wave having a peak at a wavelength of 10 nm or more and 2500 nm or less, 500 nm or more and 2000 nm or less, or 40 nm or more and 340 nm or less may be used.
  • a light source such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high-pressure sodium lamp, or a high-pressure mercury lamp may be used.
  • the electromagnetic wave radiated from the lamp 2820 can be partially or completely absorbed by the substrate 2824 to modify the film or the like on the substrate 2824.
  • defects can be created or reduced, or impurities can be removed. If the substrate 2824 is heated, defects can be efficiently generated or reduced, or impurities can be removed.
  • the substrate holder 2825 may be heated by the electromagnetic waves radiated from the lamp 2820 to heat the substrate 2824. In that case, it is not necessary to have the heating mechanism 2826 inside the substrate holder 2825.
  • the vacuum pump 2828 refers to the description about the vacuum pump 2817.
  • the heating mechanism 2826 refers to the description about the heating mechanism 2813.
  • the gas supply source 2821 refers to the description about the gas supply source 2801.
  • the microwave processing device that can be used in this embodiment is not limited to the above.
  • the microwave processing apparatus 2900 shown in FIG. 22 can be used.
  • the microwave processing apparatus 2900 includes a quartz pipe 2901, an exhaust port 2819, a gas supply source 2801, a valve 2802, a high frequency generator 2803, a waveguide 2804, a gas pipe 2806, a vacuum pump 2817, and a valve 2818.
  • the microwave processing apparatus 2900 has a substrate holder 2902 that holds a plurality of substrates 2811 (2811_1 to 2811_n, n is an integer of 2 or more) in the quartz tube 2901.
  • the microwave processing apparatus 2900 may have the heating means 2903 on the outside of the quartz tube 2901.
  • the microwave generated by the high frequency generator 2803 is irradiated to the substrate provided in the quartz tube 2901 via the waveguide 2804.
  • the vacuum pump 2817 is connected to the exhaust port 2819 via a valve 2818, and the pressure inside the quartz tube 2901 can be adjusted.
  • the gas supply source 2801 is connected to the gas pipe 2806 via a valve 2802, and a desired gas can be introduced into the quartz pipe 2901.
  • the heating means 2903 can heat the substrate 2811 in the quartz tube 2901 to a desired temperature. Alternatively, the heating means 2903 may heat the gas supplied from the gas supply source 2801.
  • the microwave processing apparatus 2900 can simultaneously perform heat treatment and microwave treatment on the substrate 2811. Further, after heating the substrate 2811, microwave treatment can be performed. Further, the substrate 2811 can be heat-treated after being microwave-treated.
  • the substrates 2811_1 to 2811_n may all be processing substrates forming a semiconductor device or a storage device, or some of the substrates may be dummy substrates.
  • the substrate 2811_1 and the substrate 2811_n may be used as dummy substrates, and the substrates 2811_2 to 2811_n-1 may be used as processing substrates.
  • the substrate 2811_1, the substrate 2811_2, the substrate 2811_n-1, and the substrate 2811_n may be used as dummy substrates, and the substrates 2811_3 to 2811_n-2 may be used as processing substrates.
  • a dummy substrate it is preferable to use a dummy substrate because a plurality of treated substrates can be uniformly treated during microwave treatment or heat treatment, and variations between the treated substrates can be reduced. For example, by arranging the dummy substrate on the processing substrate closest to the high frequency generator 2803 and the waveguide 2804, it is possible to suppress the direct exposure of the processing substrate to microwaves, which is preferable.
  • FIG. 2A shows a top view of the semiconductor device.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line of A1-A2 shown in FIG. 2A.
  • FIG. 2C is a cross-sectional view corresponding to the portion shown by the alternate long and short dash line in A3-A4 in FIG. 2A.
  • FIG. 2D is a cross-sectional view corresponding to the portion shown by the alternate long and short dash line in FIG. 2A.
  • some elements are omitted for the sake of clarity of the figure.
  • the same reference numerals are added to the structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices shown in ⁇ Semiconductor device configuration example>.
  • the materials described in detail in ⁇ Semiconductor device configuration example> can be used as the constituent materials of the semiconductor device.
  • the semiconductor device shown in FIGS. 2A to 2D is a modification of the semiconductor device shown in FIGS. 1A to 1D.
  • the semiconductor device shown in FIGS. 2A to 2D is different from the semiconductor device shown in FIGS. 1A to 1D in that the insulator 283 is in contact with a part of the upper surface of the insulator 212. Therefore, the transistor 200 is arranged in the region sealed by the insulator 283 and the insulator 212. With the above configuration, it is possible to prevent hydrogen contained outside the sealed region from being mixed into the sealed region. Further, in the transistor 200 shown in FIGS.
  • the configuration in which the insulator 212 and the insulator 283 are provided as a single layer is shown, but the present invention is not limited thereto.
  • the insulator 212 and the insulator 283 may each be provided as a laminated structure having two or more layers.
  • FIG. 23A shows a top view of the semiconductor device 500.
  • the x-axis shown in FIG. 23A is parallel to the channel length direction of the transistor 200, and the y-axis is perpendicular to the x-axis.
  • FIG. 23B is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line of A1-A2 shown in FIG. 23A, and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction.
  • FIG. 23C is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line of A3-A4 shown in FIG. 23A, and is also a cross-sectional view of the opening region 400 and its vicinity.
  • some elements are omitted for the purpose of clarifying the figure.
  • the same reference numerals are added to the structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices shown in ⁇ Semiconductor device configuration example>.
  • the materials described in detail in ⁇ Semiconductor device configuration example> can be used as the constituent materials of the semiconductor device.
  • the semiconductor device 500 shown in FIGS. 23A to 23C is a modification of the semiconductor device shown in FIGS. 1A to 1D.
  • the semiconductor device 500 shown in FIGS. 23A to 23C is different from the semiconductor device shown in FIGS. 1A to 1D in that an opening region 400 is formed in the insulator 282 and the insulator 280. Further, it differs from the semiconductor device shown in FIGS. 1A to 1D in that the sealing portion 265 is formed so as to surround the plurality of transistors 200.
  • the semiconductor device 500 has a plurality of transistors 200 and a plurality of aperture regions 400 arranged in a matrix. Further, a plurality of conductors 260 that function as gate electrodes of the transistor 200 are provided so as to extend in the y-axis direction.
  • the opening region 400 is formed in a region that does not overlap with the oxide 230 and the conductor 260. Further, a sealing portion 265 is formed so as to surround the plurality of transistors 200, the plurality of conductors 260, and the plurality of opening regions 400.
  • the number, arrangement, and size of the transistor 200, the conductor 260, and the opening region 400 are not limited to the structure shown in FIG. 23, and may be appropriately set according to the design of the semiconductor device 500.
  • the sealing portion 265 is provided so as to surround the plurality of transistors 200, the insulator 216, the insulator 222, the insulator 275, the insulator 280, and the insulator 282.
  • the insulator 283 is provided so as to cover the insulator 216, the insulator 222, the insulator 275, the insulator 280, and the insulator 282.
  • the insulator 283 is in contact with the upper surface of the insulator 214.
  • an insulator 274 is provided between the insulator 283 and the insulator 285.
  • the height of the upper surface of the insulator 274 is substantially the same as that of the uppermost surface of the insulator 283.
  • the same insulator as the insulator 280 can be used.
  • a plurality of transistors 200 can be wrapped with the insulator 283, the insulator 214, and the insulator 212.
  • one or more of the insulator 283, the insulator 214, and the insulator 212 preferably functions as a barrier insulating film against hydrogen. As a result, it is possible to prevent hydrogen contained outside the region of the sealing portion 265 from being mixed into the region of the sealing portion 265.
  • the insulator 282 has an opening.
  • the insulator 280 may have a groove portion overlapping the opening of the insulator 282.
  • the depth of the groove portion of the insulator 280 may be set so that the upper surface of the insulator 275 is exposed at the deepest, and may be, for example, about 1/4 or more and 1/2 or less of the maximum film thickness of the insulator 280.
  • the insulator 283 is in contact with the side surface of the insulator 282, the side surface of the insulator 280, and the upper surface of the insulator 280 inside the opening region 400. Further, in the opening region 400, a part of the insulator 274 may be formed so as to embed the recess formed in the insulator 283. At this time, the height of the upper surface of the insulator 274 formed in the opening region 400 and the height of the uppermost surface of the insulator 283 may be substantially the same.
  • hydrogen contained in the insulator 280 can be combined with oxygen and released to the outside through the opening region 400. Hydrogen combined with oxygen is released as water. Therefore, it is possible to reduce the hydrogen contained in the insulator 280 and reduce the hydrogen contained in the insulator 280 from being mixed in the oxide 230.
  • the shape of the opening region 400 in the top view is substantially rectangular, but the present invention is not limited to this.
  • the shape of the opening region 400 in the top view may be a rectangle, an ellipse, a circle, a rhombus, or a combination thereof.
  • the area of the opening region 400 and the arrangement interval can be appropriately set according to the design of the semiconductor device including the transistor 200. For example, in a region where the density of the transistors 200 is low, the area of the opening region 400 may be increased or the arrangement interval of the opening regions 400 may be narrowed. Further, for example, in a region where the density of the transistor 200 is high, the area of the opening region 400 may be narrowed or the arrangement interval of the opening region may be widened.
  • a novel transistor can be provided. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a large on-current. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having high frequency characteristics. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having good reliability. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having good electrical characteristics.
  • FIG. 24 shows an example of a semiconductor device (storage device) according to one aspect of the present invention.
  • the transistor 200 is provided above the transistor 300, and the capacitive element 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.
  • the transistor 200 the transistor 200 described in the previous embodiment can be used.
  • the transistor 200 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer having an oxide semiconductor. Since the transistor 200 has a small off-current, it is possible to retain the stored contents for a long period of time by using the transistor 200 as a storage device. That is, since the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, the power consumption of the storage device can be sufficiently reduced.
  • the wiring 1001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 1002 is electrically connected to the drain of the transistor 300. Further, the wiring 1003 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 200, the wiring 1004 is electrically connected to the first gate of the transistor 200, and the wiring 1006 is electrically connected to the second gate of the transistor 200. It is connected to the. Then, the gate of the transistor 300 and the other of the source and drain of the transistor 200 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitive element 100, and the wiring 1005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitive element 100. ..
  • the storage devices shown in FIG. 24 can form a memory cell array by arranging them in a matrix.
  • the transistor 300 is provided on the substrate 311 and functions as a conductor 316 that functions as a gate, an insulator 315 that functions as a gate insulator, a semiconductor region 313 that is a part of the substrate 311 and a low that functions as a source region or a drain region. It has a resistance region 314a and a low resistance region 314b.
  • the transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.
  • the semiconductor region 313 (a part of the substrate 311) on which the channel is formed has a convex shape. Further, the side surface and the upper surface of the semiconductor region 313 are provided so as to be covered with the conductor 316 via the insulator 315.
  • the conductor 316 may be made of a material that adjusts the work function. Since such a transistor 300 utilizes a convex portion of a semiconductor substrate, it is also called a FIN type transistor. It should be noted that an insulator that is in contact with the upper portion of the convex portion and functions as a mask for forming the convex portion may be provided. Further, although the case where a part of the semiconductor substrate is processed to form a convex portion is shown here, the SOI substrate may be processed to form a semiconductor film having a convex shape.
  • the transistor 300 shown in FIG. 24 is an example, and the transistor 300 is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.
  • the capacitive element 100 is provided above the transistor 200.
  • the capacitive element 100 has a conductor 110 that functions as a first electrode, a conductor 120 that functions as a second electrode, and an insulator 130 that functions as a dielectric.
  • the insulator 130 it is preferable to use an insulator that can be used as the insulator 283 shown in the above embodiment.
  • the conductor 112 and the conductor 110 can be formed at the same time.
  • the conductor 112 has a function as a plug or wiring for electrically connecting the capacitance element 100, the transistor 200, or the transistor 300.
  • the conductor 112 and the conductor 110 have a single-layer structure, but the structure is not limited to this, and a laminated structure of two or more layers may be used.
  • a conductor having a barrier property and a conductor having a high adhesion to a conductor having a high conductivity may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.
  • the insulator 130 includes, for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, aluminum nitride, hafnium oxide, hafnium oxide, hafnium oxide, hafnium nitride. Etc. may be used, and it can be provided in a laminated manner or in a single layer.
  • the capacitive element 100 can secure a sufficient capacitance by having an insulator having a high dielectric constant (high-k), and by having an insulator having a large dielectric strength, the dielectric strength is improved and the capacitance is improved. Electrostatic destruction of the element 100 can be suppressed.
  • high-k materials materials having a high specific dielectric constant
  • examples of high-k materials include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides having aluminum and hafnium, nitride nitrides having aluminum and hafnium, silicon, and the like.
  • oxides having hafnium, oxides having silicon and hafnium, or nitrides having silicon and hafnium are examples of high-k materials.
  • silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide with fluorine added, silicon oxide with carbon added, carbon and nitrogen are used as materials with high dielectric strength (materials with low relative permittivity).
  • silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide with fluorine added, silicon oxide with carbon added, carbon and nitrogen are used as materials with high dielectric strength (materials with low relative permittivity).
  • silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide with fluorine added, silicon oxide with carbon added, carbon and nitrogen are used as materials with high dielectric strength (materials with low relative permittivity).
  • silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide with fluorine added, silicon oxide with carbon added, carbon and nitrogen are used as materials with high dielectric strength (materials with low relative permittivity).
  • a wiring layer provided with an interlayer film, wiring, a plug, or the like may be provided between the structures. Further, a plurality of wiring layers can be provided according to the design.
  • the conductor having a function as a plug or a wiring may collectively give a plurality of structures the same reference numerals.
  • the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be integrated. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.
  • an insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are laminated in this order on the transistor 300 as an interlayer film. Further, the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326 are embedded with a capacitance element 100, a conductor 328 electrically connected to the transistor 200, a conductor 330, and the like. The conductor 328 and the conductor 330 function as plugs or wirings.
  • the insulator that functions as an interlayer film may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator.
  • the upper surface of the insulator 322 may be flattened by a flattening treatment using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like in order to improve the flatness.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • a wiring layer may be provided on the insulator 326 and the conductor 330.
  • the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354 are laminated in this order.
  • a conductor 356 is formed on the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354. The conductor 356 functions as a plug or wiring.
  • the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216 are embedded with a conductor 218, a conductor (conductor 205) constituting the transistor 200, and the like.
  • the conductor 218 has a function as a plug or wiring for electrically connecting to the capacitance element 100 or the transistor 300.
  • an insulator 150 is provided on the conductor 120 and the insulator 130.
  • the insulator 217 is provided in contact with the side surface of the conductor 218 that functions as a plug.
  • the insulator 217 is provided in contact with the inner wall of the opening formed in the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216. That is, the insulator 217 is provided between the conductor 218 and the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 216. Since the conductor 205 can be formed in parallel with the conductor 218, the insulator 217 may be formed in contact with the side surface of the conductor 205.
  • an insulator such as silicon nitride, aluminum oxide, or silicon nitride may be used. Since the insulator 217 is provided in contact with the insulator 210, the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 222, impurities such as water or hydrogen from the insulator 210 or the insulator 216 or the like are oxidized through the conductor 218. It is possible to suppress mixing with the object 230. In particular, silicon nitride is suitable because it has a high blocking property against hydrogen. Further, it is possible to prevent oxygen contained in the insulator 210 or the insulator 216 from being absorbed by the conductor 218.
  • the insulator 217 can be formed in the same manner as the insulator 241.
  • the PEALD method may be used to form a film of silicon nitride, and anisotropic etching may be used to form an opening that reaches the conductor 356.
  • Examples of the insulator that can be used as the interlayer film include oxides, nitrides, oxide nitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxide nitrides, and metal nitride oxides having insulating properties.
  • the material may be selected according to the function of the insulator.
  • the insulator 150, the insulator 210, the insulator 352, the insulator 354, and the like have an insulator having a low relative permittivity.
  • the insulator preferably has silicon oxide to which fluorine has been added, silicon oxide to which carbon has been added, silicon oxide to which carbon and nitrogen have been added, silicon oxide having pores, or a resin.
  • the insulator may be silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, or silicon oxide having pores. And preferably have a laminated structure with a resin.
  • silicon oxide and silicon oxide nitride are thermally stable, they can be combined with a resin to form a laminated structure that is thermally stable and has a low relative permittivity.
  • the resin include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic, and the like.
  • a transistor using an oxide semiconductor can stabilize the electrical characteristics of the transistor by surrounding it with an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen. Therefore, as the insulator 214, the insulator 212, the insulator 350, and the like, an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen may be used.
  • Examples of the insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, tantalum, and zirconium. Insulators containing, lanthanum, neodymium, hafnium or tantalum may be used in single layers or in layers.
  • an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen aluminum oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide or Metal oxides such as tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride and the like can be used.
  • Conductors that can be used for wiring and plugs include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, and indium.
  • a material containing one or more metal elements selected from ruthenium and the like can be used.
  • a semiconductor having high electrical conductivity typified by polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, and SiO such as nickel silicide may be used.
  • the conductor 328, the conductor 330, the conductor 356, the conductor 218, the conductor 112, and the like include a metal material, an alloy material, a metal nitride material, a metal oxide material, and the like formed of the above materials.
  • a metal material such as tungsten or molybdenum that has both heat resistance and conductivity, and it is preferable to use tungsten.
  • it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be reduced by using a low resistance conductive material.
  • an insulator having an excess oxygen region may be provided in the vicinity of the oxide semiconductor. In that case, it is preferable to provide an insulator having a barrier property between the insulator having the excess oxygen region and the conductor provided in the insulator having the excess oxygen region.
  • an insulator 241 between the insulator 224 and the insulator 280 having excess oxygen and the conductor 240.
  • the insulator 241 is provided in contact with the insulator 222, the insulator 282, and the insulator 283, so that the insulator 224 and the transistor 200 are sealed by an insulator having a barrier property. Can be done.
  • the insulator 241 it is possible to suppress the excess oxygen contained in the insulator 280 from being absorbed by the conductor 240. Further, by having the insulator 241, it is possible to prevent hydrogen, which is an impurity, from diffusing into the transistor 200 via the conductor 240.
  • an insulating material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as water and hydrogen and oxygen it is preferable to use silicon nitride, silicon nitride oxide, aluminum oxide or hafnium oxide.
  • silicon nitride is preferable because it has a high blocking property against hydrogen.
  • metal oxides such as magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, and tantalum oxide can be used.
  • the transistor 200 may be configured to be sealed with an insulator 212, an insulator 214, an insulator 282, and an insulator 283. With such a configuration, it is possible to reduce the mixing of hydrogen contained in the insulator 274, the insulator 150 and the like into the insulator 280 and the like.
  • the conductor 240 penetrates the insulator 283 and the insulator 282, and the conductor 218 penetrates the insulator 214 and the insulator 212.
  • the insulator 241 is in contact with the conductor 240.
  • the insulator 217 is provided in contact with the conductor 218.
  • the transistor 200 is sealed with the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, the insulator 283, the insulator 241 and the insulator 217, and impurities such as hydrogen contained in the insulator 274 and the like are outside. It is possible to reduce contamination from.
  • a dicing line (sometimes referred to as a scribe line, a division line, or a cutting line) provided when a plurality of semiconductor devices are taken out in a chip shape by dividing a large-area substrate into semiconductor elements will be described. ..
  • a dividing method for example, there is a case where a groove (dicing line) for dividing a semiconductor element is first formed on a substrate, then the dicing line is cut, and the semiconductor device is divided (divided) into a plurality of semiconductor devices.
  • the region where the insulator 283 and the insulator 214 are in contact overlap with the dicing line it is preferable to design so that the region where the insulator 283 and the insulator 214 are in contact overlap with the dicing line. That is, in the vicinity of the region serving as the dicing line provided on the outer edge of the memory cell having the plurality of transistors 200, the insulator 282, the insulator 280, the insulator 275, the insulator 224, the insulator 222, and the insulator 216 are opened.
  • the insulator 214 and the insulator 283 come into contact with each other at the openings provided in the insulator 282, the insulator 280, the insulator 275, the insulator 222, and the insulator 216.
  • openings may be provided in the insulator 282, the insulator 280, the insulator 275, the insulator 222, the insulator 216, and the insulator 214.
  • the insulator 212 and the insulator 283 come into contact with each other at the openings provided in the insulator 282, the insulator 280, the insulator 275, the insulator 222, the insulator 216, and the insulator 214. ..
  • the insulator 212 and the insulator 283 may be formed by using the same material and the same method. By providing the insulator 212 and the insulator 283 with the same material and the same method, the adhesion can be improved. For example, it is preferable to use silicon nitride.
  • the transistor 200 can be wrapped by the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 283. Since at least one of the insulator 212, the insulator 214, the insulator 282, and the insulator 283 has a function of suppressing the diffusion of oxygen, hydrogen, and water, the semiconductor element shown in the present embodiment is formed. By dividing the substrate for each circuit region, even if it is processed into a plurality of chips, impurities such as hydrogen or water are prevented from being mixed in from the side surface direction of the divided substrate and diffused to the transistor 200. Can be done.
  • the structure can prevent the excess oxygen of the insulator 280 and the insulator 224 from diffusing to the outside. Therefore, the excess oxygen of the insulator 280 and the insulator 224 is efficiently supplied to the oxide in which the channel is formed in the transistor 200.
  • the oxygen can reduce the oxygen deficiency of the oxide in which the channel is formed in the transistor 200.
  • the oxide in which the channel is formed in the transistor 200 can be made into an oxide semiconductor having a low defect level density and stable characteristics. That is, it is possible to suppress fluctuations in the electrical characteristics of the transistor 200 and improve reliability.
  • the shape of the capacitance element 100 is a planar type, but the storage device shown in the present embodiment is not limited to this.
  • the shape of the capacitance element 100 may be a cylinder type.
  • the storage device shown in FIG. 25 has the same configuration as the semiconductor device shown in FIG. 24 in the configuration below the insulator 150.
  • the capacitive element 100 shown in FIG. 25 is an insulator 150 on the insulator 130, an insulator 142 on the insulator 150, and a conductor 115 arranged in an opening formed in the insulator 150 and the insulator 142.
  • the insulator 115 and the insulator 145 on the insulator 142, the insulator 125 on the insulator 145, and the insulator 152 on the insulator 125 and the insulator 145 are provided.
  • at least a part of the conductor 115, the insulator 145, and the conductor 125 is arranged in the openings formed in the insulator 150 and the insulator 142.
  • the conductor 115 functions as a lower electrode of the capacitance element 100
  • the conductor 125 functions as an upper electrode of the capacitance element 100
  • the insulator 145 functions as a dielectric of the capacitance element 100.
  • the capacitance element 100 has a configuration in which the upper electrode and the lower electrode face each other with a dielectric sandwiched not only on the bottom surface but also on the side surface at the openings of the insulator 150 and the insulator 142, and the capacitance per unit area.
  • the capacity can be increased. Therefore, the deeper the depth of the opening, the larger the capacitance of the capacitive element 100 can be.
  • an insulator that can be used for the insulator 280 may be used.
  • the insulator 142 preferably functions as an etching stopper when forming an opening of the insulator 150, and an insulator that can be used for the insulator 214 may be used.
  • the shape of the openings formed in the insulator 150 and the insulator 142 as viewed from above may be a quadrangle, a polygonal shape other than the quadrangle, or a polygonal shape with curved corners. , It may be a circular shape including an ellipse.
  • it is preferable that the area where the opening and the transistor 200 overlap is large. With such a configuration, the occupied area of the semiconductor device having the capacitance element 100 and the transistor 200 can be reduced.
  • the conductor 115 is arranged in contact with the insulator 142 and the opening formed in the insulator 150. It is preferable that the upper surface of the conductor 115 substantially coincides with the upper surface of the insulator 142. Further, the lower surface of the conductor 115 comes into contact with the conductor 110 through the opening of the insulator 130.
  • the conductor 115 is preferably formed by using an ALD method, a CVD method, or the like, and for example, a conductor that can be used for the conductor 205 may be used.
  • the insulator 145 is arranged so as to cover the conductor 115 and the insulator 142.
  • the insulator 145 is, for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, zirconium oxide, aluminum oxide, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, hafnium oxide, hafnium oxide, hafnium oxide, nitrided. Hafnium or the like may be used, and it can be provided in a laminated or single layer.
  • an insulating film in which zirconium oxide, aluminum oxide, and zirconium oxide are laminated in this order can be used.
  • a material having a large dielectric strength such as silicon oxide or a material having a high dielectric constant (high-k) as the insulator 145.
  • a laminated structure of a material having a large dielectric strength and a high dielectric constant (high-k) material may be used.
  • high-k materials materials having a high specific dielectric constant
  • examples of high-k materials include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides having aluminum and hafnium, nitride nitrides having aluminum and hafnium, silicon, and the like.
  • oxides having hafnium, oxides having silicon and hafnium, nitrides having silicon and hafnium, and the like By using such a high-k material, it is possible to sufficiently secure the capacitance of the capacitance element 100 even if the insulator 145 is thickened. By increasing the thickness of the insulator 145, the leakage current generated between the conductor 115 and the conductor 125 can be suppressed.
  • silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, and vacancies are used as materials having high dielectric strength.
  • silicon oxide, resin, etc. silicon nitride (SiN x ) formed using the PEALD method, silicon oxide (SiO x ) formed using the PEALD method, and silicon nitride (SiN x ) formed using the PEALD method are laminated in this order. An insulating film that has been formed can be used.
  • an insulating film laminated in the order of zirconium oxide, silicon oxide formed by using the ALD method, and zirconium oxide can be used.
  • an insulator having a large dielectric strength the dielectric strength can be improved and electrostatic breakdown of the capacitive element 100 can be suppressed.
  • the conductor 125 is arranged so as to fill the openings formed in the insulator 142 and the insulator 150. Further, the conductor 125 is electrically connected to the wiring 1005 via the conductor 140 and the conductor 153.
  • the conductor 125 is preferably formed by using an ALD method, a CVD method, or the like, and for example, a conductor that can be used for the conductor 205 may be used.
  • the conductor 153 is provided on the insulator 154 and is covered with the insulator 156.
  • a conductor that can be used for the conductor 112 may be used, and as the insulator 156, an insulator that can be used for the insulator 152 may be used.
  • the conductor 153 is in contact with the upper surface of the conductor 140, and functions as a terminal of the capacitive element 100, the transistor 200, or the transistor 300.
  • FIG. 26 shows an example of a semiconductor device (storage device) according to one aspect of the present invention.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a memory device 290.
  • the memory device 290 shown in FIG. 26 has a capacitive device 292 in addition to the transistors 200 shown in FIGS. 1A to 1D.
  • FIG. 26 corresponds to a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction.
  • the capacitive device 292 includes a conductor 242b, an insulator 271b provided on the conductor 242b, and an insulator 275 provided in contact with the upper surface of the insulator 271b, the side surface of the insulator 271b, and the side surface of the conductor 242b. , And a conductor 294 on the insulator 275. That is, the capacitance device 292 constitutes a MIM (Metal-Insulator-Metal) capacitance.
  • One of the pair of electrodes of the capacitive device 292, that is, the conductor 242b can also serve as the source electrode of the transistor.
  • the dielectric layer included in the capacitive device 292 can also serve as a protective layer provided on the transistor, that is, an insulator 271 and an insulator 275. Therefore, in the manufacturing process of the capacitive device 292, a part of the manufacturing process of the transistor can also be used, so that the semiconductor device can be highly productive. Further, since one of the pair of electrodes of the capacitive device 292, that is, the conductor 242b also serves as the source electrode of the transistor, it is possible to reduce the area where the transistor and the capacitive device are arranged.
  • the conductor 294 for example, a material that can be used for the conductor 242 may be used.
  • FIGS. 27A, 27B, and 28 a semiconductor having a transistor 200 and a capacitance device 292 according to an aspect of the present invention, which is different from the one shown in the above ⁇ configuration example of a memory device>.
  • An example of the device will be described.
  • the semiconductor devices shown in FIGS. 27A, 27B, and 28 a structure having the same function as the structure constituting the semiconductor device (see FIG. 26) shown in the previous embodiment and ⁇ configuration example of the memory device>.
  • the same reference numeral is added to.
  • the constituent materials of the transistor 200 and the capacitive device 292 the materials described in detail in the previous embodiment and ⁇ configuration example of the memory device> can be used.
  • FIGS. 27A, 27B, 28, and the like the memory device shown in FIG. 26 is used as the memory device, but the memory device is not limited to this.
  • Memory device modification 1 an example of a semiconductor device 600 having a transistor 200a, a transistor 200b, a capacitive device 292a, and a capacitive device 292b according to one aspect of the present invention will be described with reference to FIG. 27A.
  • FIG. 27A is a cross-sectional view of a semiconductor device 600 having a transistor 200a, a transistor 200b, a capacitive device 292a, and a capacitive device 292b in the channel length direction.
  • the capacitive device 292a includes a conductor 242a, an insulator 271a on the conductor 242a, an insulator 275 in contact with the upper surface of the insulator 271a, the side surface of the insulator 271a, and the side surface of the conductor 242a, and the insulator 275. It has the above conductor 294a.
  • the capacitive device 292b includes a conductor 242b, an insulator 271b on the conductor 242b, an insulator 275 in contact with the upper surface of the insulator 271b, the side surface of the insulator 271b, and the side surface of the conductor 242b, and the insulator 275. It has the above conductor 294b.
  • the semiconductor device 600 has a line-symmetrical configuration with the alternate long and short dash line of A3-A4 as the axis of symmetry.
  • One of the source electrode or the drain electrode of the transistor 200a and one of the source electrode or the drain electrode of the transistor 200b are configured so that the conductor 242c also serves.
  • An insulator 271c is provided on the conductor 242c.
  • the conductor 246 that functions as wiring and the conductor 240 that also functions as a plug for connecting the transistor 200a and the transistor 200b are configured.
  • the connection between the two transistors, the two capacitive devices, the wiring and the plug as described above, it is possible to provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration.
  • the configuration example of the semiconductor device shown in FIG. 27A can be referred to.
  • the transistor 200a, the transistor 200b, the capacitive device 292a, and the capacitive device 292b have been mentioned as configuration examples of the semiconductor device, but the semiconductor device shown in the present embodiment is not limited to this.
  • the semiconductor device 600 and the semiconductor device having the same configuration as the semiconductor device 600 may be connected via a capacitance portion.
  • a semiconductor device having a transistor 200a, a transistor 200b, a capacitive device 292a, and a capacitive device 292b is referred to as a cell.
  • the above-mentioned description relating to the transistor 200a, the transistor 200b, the capacitive device 292a, and the capacitive device 292b can be referred to.
  • FIG. 27B is a cross-sectional view in which a semiconductor device 600 having a transistor 200a, a transistor 200b, a capacitance device 292a, and a capacitance device 292b and a cell having the same configuration as the semiconductor device 600 are connected via a capacitance section.
  • the conductor 294b that functions as one electrode of the capacitance device 292b of the semiconductor device 600 also serves as one electrode of the capacitance device of the semiconductor device 601 having the same configuration as the semiconductor device 600. It has become. Further, although not shown, the conductor 294a, which functions as one electrode of the capacitance device 292a of the semiconductor device 600, is on the left side of the semiconductor device 600, that is, in FIG. 27B, one of the capacitance devices of the semiconductor device adjacent to the semiconductor device 600 in the A1 direction. Also serves as an electrode. Further, the cell on the right side of the semiconductor device 601, that is, in FIG. 27B, has the same configuration for the cell in the A2 direction.
  • a cell array (also referred to as a memory device layer) can be configured.
  • the spacing between adjacent cells can be reduced, so that the projected area of the cell array can be reduced, and high integration is possible.
  • a matrix-like cell array can be configured.
  • the cell area is reduced, and the semiconductor device having the cell array is miniaturized or increased. It can be integrated.
  • FIG. 28 shows a cross-sectional view of a configuration in which n layers of cell array 610 are laminated.
  • a plurality of cell cells (series cell array 610_1 to cell array 610_n) cells can be integrated and arranged without increasing the occupied area of the cell array. That is, a 3D cell array can be constructed.
  • a transistor using an oxide as a semiconductor (hereinafter, may be referred to as an OS transistor) according to one aspect of the present invention.
  • a storage device to which a capacitive element is applied (hereinafter, may be referred to as an OS memory device) will be described.
  • the OS memory device is a storage device having at least a capacitance element and an OS transistor that controls charging / discharging of the capacitance element. Since the off-current of the OS transistor is extremely small, the OS memory device has excellent holding characteristics and can function as a non-volatile memory.
  • FIG. 29A shows an example of the configuration of the OS memory device.
  • the storage device 1400 has a peripheral circuit 1411 and a memory cell array 1470.
  • the peripheral circuit 1411 includes a row circuit 1420, a column circuit 1430, an output circuit 1440, and a control logic circuit 1460.
  • the column circuit 1430 includes, for example, a column decoder, a precharge circuit, a sense amplifier, a writing circuit, and the like.
  • the precharge circuit has a function of precharging the wiring.
  • the sense amplifier has a function of amplifying a data signal read from a memory cell.
  • the wiring is the wiring connected to the memory cell of the memory cell array 1470, and will be described in detail later.
  • the amplified data signal is output to the outside of the storage device 1400 as a data signal RDATA via the output circuit 1440.
  • the row circuit 1420 has, for example, a row decoder, a word line driver circuit, and the like, and can select a row to be accessed.
  • the storage device 1400 is supplied with a low power supply voltage (VSS), a high power supply voltage (VDD) for the peripheral circuit 1411, and a high power supply voltage (VIL) for the memory cell array 1470 as power supply voltages from the outside. Further, a control signal (CE, WE, RE), an address signal ADDR, and a data signal WDATA are input to the storage device 1400 from the outside.
  • the address signal ADDR is input to the row decoder and column decoder, and the data signal WDATA is input to the write circuit.
  • the control logic circuit 1460 processes the control signals (CE, WE, RE) input from the outside to generate the control signals of the row decoder and the column decoder.
  • the control signal CE is a chip enable signal
  • the control signal WE is a write enable signal
  • the control signal RE is a read enable signal.
  • the signal processed by the control logic circuit 1460 is not limited to this, and other control signals may be input as needed.
  • the memory cell array 1470 has a plurality of memory cells MC arranged in a matrix and a plurality of wirings.
  • the number of wires connecting the memory cell array 1470 and the row circuit 1420 is determined by the configuration of the memory cell MC, the number of memory cell MCs in a row, and the like.
  • the number of wires connecting the memory cell array 1470 and the column circuit 1430 is determined by the configuration of the memory cell MC, the number of memory cell MCs in one row, and the like.
  • FIG. 29A shows an example in which the peripheral circuit 1411 and the memory cell array 1470 are formed on the same plane
  • the present embodiment is not limited to this.
  • the memory cell array 1470 may be provided so as to overlap a part of the peripheral circuit 1411.
  • a sense amplifier may be provided so as to overlap under the memory cell array 1470.
  • 30A to 30H show an example of a memory cell configuration applicable to the above-mentioned memory cell MC.
  • [DOSRAM] 30A to 30C show an example of a circuit configuration of a DRAM memory cell.
  • a DRAM using a memory cell of a 1OS transistor and 1 capacitance element type may be referred to as a DOSRAM (Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory).
  • the memory cell 1471 shown in FIG. 30A includes a transistor M1 and a capacitive element CA.
  • the transistor M1 has a gate (sometimes called a top gate) and a back gate.
  • the first terminal of the transistor M1 is connected to the first terminal of the capacitive element CA, the second terminal of the transistor M1 is connected to the wiring BIL, the gate of the transistor M1 is connected to the wiring WOL, and the back gate of the transistor M1. Is connected to the wiring BGL.
  • the second terminal of the capacitive element CA is connected to the wiring LL.
  • the wiring BIL functions as a bit line
  • the wiring WOL functions as a word line.
  • the wiring LL functions as wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitive element CA. When writing and reading data, the wiring LL may have a ground potential or a low level potential.
  • the wiring BGL functions as wiring for applying an electric potential to the back gate of the transistor M1. The threshold voltage of the transistor M1 can be increased or decreased by applying an arbitrary potential to the wiring BGL.
  • the memory cell 1471 shown in FIG. 30A corresponds to the storage device shown in FIG. 26. That is, the transistor M1 corresponds to the transistor 200, and the capacitive element CA corresponds to the capacitive device 292.
  • the memory cell MC is not limited to the memory cell 1471, and the circuit configuration can be changed.
  • the memory cell MC may have a configuration in which the back gate of the transistor M1 is connected to the wiring WOL instead of the wiring BGL, as in the memory cell 1472 shown in FIG. 30B.
  • the memory cell MC may be a memory cell composed of a transistor having a single gate structure, that is, a transistor M1 having no back gate, as in the memory cell 1473 shown in FIG. 30C.
  • a transistor 200 can be used as the transistor M1 and a capacitance element 100 can be used as the capacitance element CA.
  • an OS transistor as the transistor M1
  • the leakage current of the transistor M1 can be made very small. That is, since the written data can be held by the transistor M1 for a long time, the frequency of refreshing the memory cells can be reduced. Alternatively, the memory cell refresh operation can be eliminated. Further, since the leak current is very small, multi-valued data or analog data can be held in the memory cell 1471, the memory cell 1472, and the memory cell 1473.
  • the sense amplifier is provided so as to overlap under the memory cell array 1470 as described above, the bit line can be shortened. As a result, the bit line capacity is reduced, and the holding capacity of the memory cell can be reduced.
  • [NOSRAM] 30D to 30G show an example of a circuit configuration of a gain cell type memory cell having a 2-transistor and 1-capacity element.
  • the memory cell 1474 shown in FIG. 30D includes a transistor M2, a transistor M3, and a capacitance element CB.
  • the transistor M2 has a top gate (sometimes referred to simply as a gate) and a back gate.
  • NOSRAM Nonvolatile Oxide Semiconductor RAM
  • the first terminal of the transistor M2 is connected to the first terminal of the capacitive element CB, the second terminal of the transistor M2 is connected to the wiring WBL, the gate of the transistor M2 is connected to the wiring WOL, and the back gate of the transistor M2. Is connected to the wiring BGL.
  • the second terminal of the capacitive element CB is connected to the wiring CAL.
  • the first terminal of the transistor M3 is connected to the wiring RBL, the second terminal of the transistor M3 is connected to the wiring SL, and the gate of the transistor M3 is connected to the first terminal of the capacitive element CB.
  • the wiring WBL functions as a write bit line
  • the wiring RBL functions as a read bit line
  • the wiring WOL functions as a word line.
  • the wiring CAL functions as wiring for applying a predetermined potential to the second terminal of the capacitance element CB.
  • the wiring BGL functions as wiring for applying an electric potential to the back gate of the transistor M2.
  • the threshold voltage of the transistor M2 can be increased or decreased by applying an arbitrary potential to the wiring BGL.
  • the memory cell 1474 shown in FIG. 30D corresponds to the storage device shown in FIGS. 24 and 25. That is, the transistor M2 is in the transistor 200, the capacitive element CB is in the capacitive element 100, the transistor M3 is in the transistor 300, the wiring WBL is in the wiring 1003, the wiring WOL is in the wiring 1004, the wiring BGL is in the wiring 1006, and the wiring CAL is in the wiring 1006.
  • the wiring RBL corresponds to the wiring 1002
  • the wiring SL corresponds to the wiring 1001.
  • the memory cell MC is not limited to the memory cell 1474, and the circuit configuration can be appropriately changed.
  • the memory cell MC may have a configuration in which the back gate of the transistor M2 is connected to the wiring WOL instead of the wiring BGL, as in the memory cell 1475 shown in FIG. 30E.
  • the memory cell MC may be a memory cell composed of a transistor having a single gate structure, that is, a transistor M2 having no back gate, as in the memory cell 1476 shown in FIG. 30F.
  • the memory cell MC may have a configuration in which the wiring WBL and the wiring RBL are combined as one wiring BIL, as in the memory cell 1477 shown in FIG. 30G.
  • a transistor 200 can be used as the transistor M2
  • a transistor 300 can be used as the transistor M3
  • a capacitance element 100 can be used as the capacitance element CB.
  • OS transistor an OS transistor
  • the leakage current of the transistor M2 can be made very small.
  • the written data can be held by the transistor M2 for a long time, so that the frequency of refreshing the memory cells can be reduced.
  • the memory cell refresh operation can be eliminated.
  • the leak current is very small, multi-valued data or analog data can be held in the memory cell 1474. The same applies to the memory cells 1475 to 1477.
  • the transistor M3 may be a transistor having silicon in the channel forming region (hereinafter, may be referred to as a Si transistor).
  • the conductive type of the Si transistor may be an n-channel type or a p-channel type.
  • the Si transistor may have higher field effect mobility than the OS transistor. Therefore, a Si transistor may be used as the transistor M3 that functions as a readout transistor. Further, by using a Si transistor for the transistor M3, the transistor M2 can be provided by stacking the transistor M3 on the transistor M3, so that the occupied area of the memory cell can be reduced and the storage device can be highly integrated.
  • the transistor M3 may be an OS transistor.
  • an OS transistor is used for the transistor M2 and the transistor M3, the circuit can be configured by using only the n-type transistor in the memory cell array 1470.
  • FIG. 30H shows an example of a gain cell type memory cell having a 3-transistor and 1-capacity element.
  • the memory cell 1478 shown in FIG. 30H includes transistors M4 to M6 and a capacitive element CC.
  • the capacitive element CC is appropriately provided.
  • the memory cell 1478 is electrically connected to the wiring BIL, the wiring RWL, the wiring WWL, the wiring BGL, and the wiring GNDL.
  • Wiring GNDL is a wiring that gives a low level potential.
  • the memory cell 1478 may be electrically connected to the wiring RBL and the wiring WBL instead of the wiring BIL.
  • the transistor M4 is an OS transistor having a back gate, and the back gate is electrically connected to the wiring BGL.
  • the back gate and the gate of the transistor M4 may be electrically connected to each other. Alternatively, the transistor M4 does not have to have a back gate.
  • the transistor M5 and the transistor M6 may be an n-channel Si transistor or a p-channel Si transistor, respectively.
  • the transistor M4 to the transistor M6 may be an OS transistor.
  • the memory cell array 1470 can be configured as a circuit using only n-type transistors.
  • the transistor 200 can be used as the transistor M4
  • the transistor 300 can be used as the transistor M5 and the transistor M6, and the capacitance element 100 can be used as the capacitance element CC.
  • the leakage current of the transistor M4 can be made very small.
  • the configurations of the peripheral circuit 1411, the memory cell array 1470, and the like shown in the present embodiment are not limited to the above.
  • the arrangement or function of these circuits and the wiring, circuit elements, etc. connected to the circuits may be changed, deleted, or added as necessary.
  • the storage device of one aspect of the present invention has a high operating speed and can retain data for a long period of time.
  • FIGS. 31A and 31B An example of a chip 1200 on which the semiconductor device of the present invention is mounted is shown with reference to FIGS. 31A and 31B.
  • a plurality of circuits (systems) are mounted on the chip 1200.
  • SoC system on chip
  • the chip 1200 has a CPU 1211, GPU 1212, one or more analog arithmetic units 1213, one or more memory controllers 1214, one or more interfaces 1215, one or more network circuits 1216, and the like.
  • the chip 1200 is provided with a bump (not shown) and is connected to the first surface of the package substrate 1201 as shown in FIG. 31B. Further, a plurality of bumps 1202 are provided on the back surface of the first surface of the package substrate 1201 and are connected to the motherboard 1203.
  • the motherboard 1203 may be provided with a storage device such as a DRAM 1221 and a flash memory 1222.
  • a storage device such as a DRAM 1221 and a flash memory 1222.
  • the DOSRAM shown in the previous embodiment can be used for the DRAM 1221.
  • the NO SRAM shown in the previous embodiment can be used for the flash memory 1222.
  • the CPU 1211 preferably has a plurality of CPU cores.
  • the GPU 1212 preferably has a plurality of GPU cores.
  • the CPU 1211 and the GPU 1212 may each have a memory for temporarily storing data.
  • a memory common to the CPU 1211 and the GPU 1212 may be provided on the chip 1200.
  • the above-mentioned NOSRAM or DOSRAM can be used.
  • GPU1212 is suitable for parallel calculation of a large amount of data, and can be used for image processing and product-sum calculation. By providing the GPU 1212 with an image processing circuit using the oxide semiconductor of the present invention and a product-sum calculation circuit, it becomes possible to execute image processing and product-sum calculation with low power consumption.
  • the wiring between the CPU 1211 and the GPU 1212 can be shortened, and the data transfer from the CPU 1211 to the GPU 1212, the data transfer between the memory of the CPU 1211 and the GPU 1212, And after the calculation on the GPU 1212, the calculation result can be transferred from the GPU 1212 to the CPU 1211 at high speed.
  • the analog arithmetic unit 1213 has one or both of an A / D (analog / digital) conversion circuit and a D / A (digital / analog) conversion circuit. Further, the product-sum calculation circuit may be provided in the analog calculation unit 1213.
  • the memory controller 1214 has a circuit that functions as a controller of the DRAM 1221 and a circuit that functions as an interface of the flash memory 1222.
  • the interface 1215 has an interface circuit with an externally connected device such as a display device, a speaker, a microphone, a camera, and a controller.
  • the controller includes a mouse, a keyboard, a game controller, and the like.
  • USB Universal Serial Bus
  • HDMI registered trademark
  • High-Definition Multimedia Interface High-Definition Multimedia Interface
  • the network circuit 1216 has a network circuit such as a LAN (Local Area Network). It may also have a circuit for network security.
  • LAN Local Area Network
  • the above circuit (system) can be formed on the chip 1200 by the same manufacturing process. Therefore, even if the number of circuits required for the chip 1200 increases, it is not necessary to increase the manufacturing process, and the chip 1200 can be manufactured at low cost.
  • the package board 1201 provided with the chip 1200 having the GPU 1212, the DRAM 1221, and the motherboard 1203 provided with the flash memory 1222 can be referred to as the GPU module 1204.
  • the GPU module 1204 Since the GPU module 1204 has a chip 1200 using SoC technology, its size can be reduced. Further, since it is excellent in image processing, it is suitable for use in portable electronic devices such as smartphones, tablet terminals, laptop PCs, and portable (take-out) game machines.
  • a deep neural network (DNN), a convolutional neural network (CNN), a recurrent neural network (RNN), a self-encoder, a deep Boltzmann machine (DBM), and a deep belief network (DEM) are provided by a product-sum calculation circuit using GPU1212. Since a method such as DBN) can be executed, the chip 1200 can be used as an AI chip, or the GPU module 1204 can be used as an AI system module.
  • FIG. 32A shows a perspective view of the electronic component 700 and the substrate on which the electronic component 700 is mounted (mounting substrate 704).
  • the electronic component 700 shown in FIG. 32A has a storage device 720 in the mold 711. In FIG. 32A, a part is omitted in order to show the inside of the electronic component 700.
  • the electronic component 700 has a land 712 on the outside of the mold 711. The land 712 is electrically connected to the electrode pad 713, and the electrode pad 713 is electrically connected to the storage device 720 by a wire 714.
  • the electronic component 700 is mounted on, for example, a printed circuit board 702. A plurality of such electronic components are combined and electrically connected to each other on the printed circuit board 702 to complete the mounting board 704.
  • the storage device 720 has a drive circuit layer 721 and a storage circuit layer 722.
  • FIG. 32B shows a perspective view of the electronic component 730.
  • the electronic component 730 is an example of SiP (System in package) or MCM (Multi Chip Module).
  • the electronic component 730 is provided with an interposer 731 on a package substrate 732 (printed circuit board), and a semiconductor device 735 and a plurality of storage devices 720 are provided on the interposer 731.
  • the electronic component 730 shows an example in which the storage device 720 is used as a wideband memory (HBM: High Bandwidth Memory). Further, as the semiconductor device 735, an integrated circuit (semiconductor device) such as a CPU, GPU, or FPGA can be used.
  • HBM High Bandwidth Memory
  • the package substrate 732 a ceramic substrate, a plastic substrate, a glass epoxy substrate, or the like can be used.
  • the interposer 731 a silicon interposer, a resin interposer, or the like can be used.
  • the interposer 731 has a plurality of wirings and has a function of electrically connecting a plurality of integrated circuits having different terminal pitches.
  • the plurality of wirings are provided in a single layer or multiple layers.
  • the interposer 731 has a function of electrically connecting the integrated circuit provided on the interposer 731 to the electrode provided on the package substrate 732.
  • the interposer may be referred to as a "rewiring board” or an "intermediate board”.
  • a through electrode may be provided on the interposer 731, and the integrated circuit and the package substrate 732 may be electrically connected using the through electrode.
  • a TSV Through Silicon Via
  • interposer 731 It is preferable to use a silicon interposer as the interposer 731. Since it is not necessary to provide an active element in the silicon interposer, it can be manufactured at a lower cost than an integrated circuit. On the other hand, since the wiring of the silicon interposer can be formed by a semiconductor process, it is easy to form fine wiring, which is difficult with a resin interposer.
  • the interposer on which the HBM is mounted is required to form fine and high-density wiring. Therefore, it is preferable to use a silicon interposer as the interposer on which the HBM is mounted.
  • the reliability is unlikely to decrease due to the difference in the expansion coefficient between the integrated circuit and the interposer. Further, since the surface of the silicon interposer is high, poor connection between the integrated circuit provided on the silicon interposer and the silicon interposer is unlikely to occur. In particular, in a 2.5D package (2.5-dimensional mounting) in which a plurality of integrated circuits are arranged side by side on an interposer, it is preferable to use a silicon interposer.
  • a heat sink may be provided so as to be overlapped with the electronic component 730.
  • the heat sink it is preferable that the heights of the integrated circuits provided on the interposer 731 are the same.
  • the heights of the storage device 720 and the semiconductor device 735 are the same.
  • an electrode 733 may be provided on the bottom of the package substrate 732.
  • FIG. 32B shows an example in which the electrode 733 is formed of solder balls. By providing solder balls in a matrix on the bottom of the package substrate 732, BGA (Ball Grid Array) mounting can be realized. Further, the electrode 733 may be formed of a conductive pin. By providing conductive pins in a matrix on the bottom of the package substrate 732, PGA (Pin Grid Array) mounting can be realized.
  • the electronic component 730 can be mounted on another substrate by using various mounting methods, not limited to BGA and PGA.
  • BGA Band-GPU
  • PGA Stimble Pin Grid Array
  • LGA Land Grid Array
  • QFP Quad Flat Package
  • QFJ Quad Flat J-leaded package
  • QFN QuadFNeged
  • the semiconductor device shown in the above embodiment is, for example, a storage device for various electronic devices (for example, information terminals, computers, smartphones, electronic book terminals, digital cameras (including video cameras), recording / playback devices, navigation systems, etc.).
  • the computer includes a tablet computer, a notebook computer, a desktop computer, and a large computer such as a server system.
  • the semiconductor device shown in the above embodiment is applied to various removable storage devices such as a memory card (for example, an SD card), a USB memory, and an SSD (solid state drive).
  • 33A to 33E schematically show some configuration examples of the removable storage device.
  • the semiconductor device shown in the above embodiment is processed into a packaged memory chip and used for various storage devices and removable memories.
  • FIG. 33A is a schematic diagram of the USB memory.
  • the USB memory 1100 has a housing 1101, a cap 1102, a USB connector 1103, and a board 1104.
  • the board 1104 is housed in the housing 1101.
  • a memory chip 1105 and a controller chip 1106 are attached to the substrate 1104.
  • the semiconductor device shown in the previous embodiment can be incorporated into the memory chip 1105 or the like.
  • FIG. 33B is a schematic view of the appearance of the SD card
  • FIG. 33C is a schematic view of the internal structure of the SD card.
  • the SD card 1110 has a housing 1111 and a connector 1112 and a substrate 1113.
  • the board 1113 is housed in the housing 1111.
  • a memory chip 1114 and a controller chip 1115 are attached to the substrate 1113.
  • the capacity of the SD card 1110 can be increased.
  • a wireless chip having a wireless communication function may be provided on the substrate 1113.
  • data on the memory chip 1114 can be read and written by wireless communication between the host device and the SD card 1110.
  • the semiconductor device shown in the previous embodiment can be incorporated into the memory chip 1114 or the like.
  • FIG. 33D is a schematic view of the appearance of the SSD
  • FIG. 33E is a schematic view of the internal structure of the SSD.
  • the SSD 1150 has a housing 1151, a connector 1152 and a substrate 1153.
  • the substrate 1153 is housed in the housing 1151.
  • a memory chip 1154, a memory chip 1155, and a controller chip 1156 are attached to the substrate 1153.
  • the memory chip 1155 is a work memory of the controller chip 1156, and for example, a DOSRAM chip may be used.
  • the capacity of the SSD 1150 can be increased.
  • the semiconductor device shown in the previous embodiment can be incorporated into the memory chip 1154 or the like.
  • the semiconductor device according to one aspect of the present invention can be used for a processor such as a CPU or GPU, or a chip.
  • 34A to 34H show specific examples of electronic devices including a processor such as a CPU or GPU, or a chip according to one aspect of the present invention.
  • the GPU or chip according to one aspect of the present invention can be mounted on various electronic devices.
  • electronic devices include relatively large screens such as television devices, monitors for desktop or notebook information terminals, digital signage (electronic signage), and large game machines such as pachinko machines.
  • digital cameras, digital video cameras, digital photo frames, electronic book readers, mobile phones, portable game machines, personal digital assistants, sound reproduction devices, and the like can be mentioned.
  • artificial intelligence can be mounted on the electronic device.
  • the electronic device of one aspect of the present invention may have an antenna.
  • the display unit can display images, information, and the like.
  • the antenna may be used for non-contact power transmission.
  • the electronic device of one aspect of the present invention includes sensors (force, displacement, position, speed, acceleration, angular velocity, rotation speed, distance, light, liquid, magnetism, temperature, chemical substance, voice, time, hardness, electric field, current, It may have the ability to measure voltage, power, radiation, flow rate, humidity, gradient, vibration, odor or infrared rays).
  • the electronic device of one aspect of the present invention can have various functions. For example, a function to display various information (still images, moving images, text images, etc.) on the display unit, a touch panel function, a function to display a calendar, date or time, a function to execute various software (programs), wireless communication. It can have a function, a function of reading a program or data recorded on a recording medium, and the like.
  • 34A to 34H show examples of electronic devices.
  • FIG. 34A illustrates a mobile phone (smartphone) which is a kind of information terminal.
  • the information terminal 5100 has a housing 5101 and a display unit 5102, and as an input interface, a touch panel is provided in the display unit 5102 and buttons are provided in the housing 5101.
  • the information terminal 5100 can execute an application using artificial intelligence by applying the chip of one aspect of the present invention.
  • Examples of the application using artificial intelligence include an application that recognizes a conversation and displays the conversation content on the display unit 5102, and recognizes characters and figures input by the user on the touch panel provided in the display unit 5102.
  • Examples include an application displayed on the display unit 5102, an application for performing biometric authentication such as a fingerprint and a voice print, and the like.
  • FIG. 34B illustrates the notebook type information terminal 5200.
  • the notebook type information terminal 5200 includes a main body 5201 of the information terminal, a display unit 5202, and a keyboard 5203.
  • the notebook-type information terminal 5200 can execute an application using artificial intelligence by applying the chip of one aspect of the present invention.
  • applications using artificial intelligence include design support software, text correction software, and menu automatic generation software. Further, by using the notebook type information terminal 5200, it is possible to develop a new artificial intelligence.
  • a smartphone and a notebook-type information terminal are taken as examples of electronic devices, respectively, as shown in FIGS. 34A and 34B, but information terminals other than the smartphone and the notebook-type information terminal can be applied.
  • information terminals other than smartphones and notebook-type information terminals include PDAs (Personal Digital Assistants), desktop-type information terminals, workstations, and the like.
  • FIG. 34C shows a portable game machine 5300, which is an example of a game machine.
  • the portable game machine 5300 has a housing 5301, a housing 5302, a housing 5303, a display unit 5304, a connection unit 5305, an operation key 5306, and the like.
  • the housing 5302 and the housing 5303 can be removed from the housing 5301.
  • the connection unit 5305 provided in the housing 5301 to another housing (not shown)
  • the video output to the display unit 5304 can be output to another video device (not shown). can.
  • the housing 5302 and the housing 5303 can each function as operation units.
  • a plurality of players can play the game at the same time.
  • the chips shown in the previous embodiment can be incorporated into the chips provided on the substrates of the housing 5301, the housing 5302, and the housing 5303.
  • FIG. 34D shows a stationary game machine 5400, which is an example of a game machine.
  • a controller 5402 is connected to the stationary game machine 5400 wirelessly or by wire.
  • a low power consumption game machine can be realized by applying the GPU or chip of one aspect of the present invention to a game machine such as a portable game machine 5300 or a stationary game machine 5400. Further, since the heat generation from the circuit can be reduced due to the low power consumption, the influence of the heat generation on the circuit itself, the peripheral circuit, and the module can be reduced.
  • the portable game machine 5300 having artificial intelligence can be realized.
  • expressions such as the progress of the game, the behavior of creatures appearing in the game, and the phenomena that occur in the game are defined by the program that the game has, but by applying artificial intelligence to the handheld game machine 5300.
  • Expressions that are not limited to game programs are possible. For example, it is possible to express what the player asks, the progress of the game, the time, and the behavior of the characters appearing in the game.
  • the game player can be constructed anthropomorphically by artificial intelligence. Therefore, by setting the opponent as a game player by artificial intelligence, even one player can play the game. You can play the game.
  • FIGS. 34C and 34D a portable game machine and a stationary game machine are illustrated as examples of the game machine, but the game machine to which the GPU or chip of one aspect of the present invention is applied is not limited to this.
  • Examples of the game machine to which the GPU or chip of one aspect of the present invention is applied include an arcade game machine installed in an entertainment facility (game center, amusement park, etc.), a pitching machine for batting practice installed in a sports facility, and the like. Can be mentioned.
  • the GPU or chip of one aspect of the present invention can be applied to a large computer.
  • FIG. 34E is a diagram showing a supercomputer 5500, which is an example of a large computer.
  • FIG. 34F is a diagram showing a rack-mounted computer 5502 included in the supercomputer 5500.
  • the supercomputer 5500 has a rack 5501 and a plurality of rack-mounted calculators 5502.
  • the plurality of computers 5502 are stored in the rack 5501. Further, the computer 5502 is provided with a plurality of substrates 5504, and the GPU or chip described in the above embodiment can be mounted on the substrate.
  • the supercomputer 5500 is a large computer mainly used for scientific and technological calculations. In scientific and technological calculations, it is necessary to process a huge amount of calculations at high speed, so power consumption is high and the heat generated by the chip is large.
  • the GPU or chip of one aspect of the present invention to the supercomputer 5500, a supercomputer having low power consumption can be realized. Further, since the heat generation from the circuit can be reduced due to the low power consumption, the influence of the heat generation on the circuit itself, the peripheral circuit, and the module can be reduced.
  • a supercomputer is illustrated as an example of a large computer, but the large computer to which the GPU or chip of one aspect of the present invention is applied is not limited to this.
  • Examples of the large-scale computer to which the GPU or chip of one aspect of the present invention is applied include a computer (server) that provides a service, a large-scale general-purpose computer (mainframe), and the like.
  • the GPU or chip of one aspect of the present invention can be applied to a moving vehicle and around the driver's seat of the vehicle.
  • FIG. 34G is a diagram showing the periphery of the windshield in the interior of an automobile, which is an example of a moving body.
  • the display panel 5701 attached to the dashboard, the display panel 5702, the display panel 5703, and the display panel 5704 attached to the pillar are shown.
  • the display panel 5701 to the display panel 5703 can provide various information by displaying a speedometer, a tachometer, a mileage, a fuel gauge, a gear status, an air conditioner setting, and the like.
  • the display items and layouts displayed on the display panel can be appropriately changed according to the user's preference, and the design can be improved.
  • the display panel 5701 to 5703 can also be used as a lighting device.
  • the display panel 5704 can supplement the field of view (blind spot) blocked by the pillars by projecting an image from an image pickup device (not shown) provided in the automobile. That is, by displaying the image from the image pickup device provided on the outside of the automobile, the blind spot can be supplemented and the safety can be enhanced. In addition, by projecting an image that complements the invisible part, safety confirmation can be performed more naturally and without discomfort.
  • the display panel 5704 can also be used as a lighting device.
  • the GPU or chip of one aspect of the present invention can be applied as a component of artificial intelligence
  • the chip can be used, for example, in an automatic driving system of an automobile.
  • the chip can be used in a system for road guidance, danger prediction, and the like.
  • the display panel 5701 to the display panel 5704 may be configured to display information such as road guidance and danger prediction.
  • moving objects include trains, monorails, ships, flying objects (helicopters, unmanned aerial vehicles (drones), airplanes, rockets), etc., and the chip of one aspect of the present invention is applied to these moving objects. Therefore, a system using artificial intelligence can be provided.
  • FIG. 34H shows an electric freezer / refrigerator 5800 which is an example of an electric appliance.
  • the electric freezer / refrigerator 5800 has a housing 5801, a refrigerator door 5802, a freezer door 5803, and the like.
  • the electric refrigerator-freezer 5800 having artificial intelligence can be realized.
  • the electric freezer / refrigerator 5800 has a function of automatically generating a menu based on the foodstuffs stored in the electric freezer / refrigerator 5800, the expiration date of the foodstuffs, etc., and is stored in the electric freezer / refrigerator 5800. It can have a function of automatically adjusting the temperature according to the food.
  • electric refrigerators and freezers have been described as an example of electric appliances
  • other electric appliances include, for example, vacuum cleaners, microwave ovens, microwave ovens, rice cookers, water heaters, IH cookers, water servers, air conditioners and air conditioners. Examples include washing machines, dryers, and audiovisual equipment.
  • the electronic device described in the present embodiment the function of the electronic device, the application example of artificial intelligence, the effect thereof, etc. can be appropriately combined with the description of other electronic devices.
  • Samples 1A to 1C having the structure shown in FIG. 35 were prepared, and SIMS analysis was performed on these samples.
  • the structure 910 shown in FIG. 35 has a substrate 911, an insulator 912 on the substrate 911, and an insulator 914 on the insulator 912.
  • a silicon wafer was prepared as the substrate 911.
  • silicon oxide having a thickness of 100 nm was formed on the substrate 911 as an insulator 912 by a thermal oxidation method.
  • silicon oxide was formed on the insulator 912 as the insulator 914.
  • the silicon oxide was formed on the samples 1A to 1C under different conditions.
  • Sample 1A is by PECVD technique, using SiH 4, and N 2 O, at a substrate temperature of 350 ° C., thereby forming a silicon oxide film thickness 30 nm.
  • the ratio of the flow rate of SiH 4 to the flow rate of N 2 O was set to 1: 800.
  • sample 1B is by PEALD method, the SiH 4 is used as precursor, using N 2 O as the oxidizing gas, the substrate temperature 350 ° C., thereby forming a silicon oxide film thickness 20 nm.
  • the ratio of the flow rate of SiH 4 to the flow rate of N 2 O was set to 1: 400.
  • sample 1C, depending PEALD method the SiH 4 is used as precursor, using N 2 O as the oxidizing gas, with N 2 as a diluent gas, the substrate temperature 350 ° C., forming a silicon oxide film thickness 20nm Filmed.
  • the film formation was performed by the flow shown in FIG. 5 and the sequence shown in FIG. 6B.
  • the flow rate of SiH 4 the ratio of the sum of the flow rates of N 2 O and N 2 (SiH 4: (N 2 O + N 2)) was 1: 400.
  • the ratio of the flow rate of N 2 O to the flow rate of N 2 was 1: 4.
  • Samples 1A to 1C were evaluated using a SIMS analyzer. Further, the quantitative layer was an insulator 914, and analysis was performed from the surface of the insulator 914 toward the substrate 911.
  • the results of SIMS analysis of Samples 1A to 1C are shown below.
  • the hydrogen concentration of sample 1A is shown in FIG. 36A
  • the hydrogen concentration of sample 1B is shown in FIG. 36B
  • the hydrogen concentration of sample 1C is shown in FIG. 36C.
  • the nitrogen concentration of sample 1A is shown in FIG. 37A
  • the nitrogen concentration of sample 1B is shown in FIG. 37B
  • the nitrogen concentration of sample 1C is shown in FIG. 37C.
  • the background (BG) level is shown by a solid line.
  • the hydrogen concentration in the insulator 914 of the sample 1A formed by the PECVD method is approximately 7.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or more and 4.5 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or less. there were.
  • the hydrogen concentration in the insulator 914 of the sample 1B formed by the PEALD method using SiH 4 as a precursor and N 2 O as an oxidizing gas is approximately 2.5 ⁇ 10. The range was 19 atoms / cm 3 or more and 2.0 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or less. Further, by PEALD method as shown in FIG.
  • the SiH 4 is used as precursor, using N 2 O as the oxidizing gas, the hydrogen concentration in the insulator 914 of the sample 1C, which was formed using the N 2 as a diluent gas was in the range of about 2.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or more and 7.0 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or less.
  • the nitrogen concentration in the insulator 914 of the sample 1A was deposited by PECVD method, by PEALD method, the SiH 4 is used as a precursor, in the insulator 914 of the sample 1B was formed by using N 2 O as the oxidizing gas nitrogen concentration, and by PEALD method, SiH 4 is used as precursor, using N 2 O as the oxidizing gas, the concentration of nitrogen in the insulator 914 of the sample 1C, which was formed using the N 2 as diluent gas, generally The range was 2.0 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or more and 5.0 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 or less, and no difference in nitrogen concentration was observed depending on the film forming method (see FIGS. 37A to 37C).
  • the SiH 4 is used as a precursor, hydrogen concentration in the film of silicon oxide was formed using the N 2 O as the oxidizing gas, the hydrogen in the film of silicon oxide was deposited by PECVD method It turned out to be lower than the concentration. Further, by PEALD method, the SiH 4 is used as precursor, using N 2 O as the oxidizing gas, the hydrogen concentration in the film of silicon oxide was formed by using N 2 as diluent gas, by PEALD method, as precursor It was found that the hydrogen concentration in the film of silicon oxide formed by using SiH 4 and N 2 O as an oxidizing gas was lower than that in the film.
  • the SiH 4 is used as precursor, using N 2 O as the oxidizing gas, a deposition method by N 2 as diluent gas, film hydrogen concentration is low quality Silicon oxide film can be produced. It was also found that the nitrogen concentration in the silicon oxide film was approximately the same as the nitrogen concentration in the silicon oxide film formed by the PECVD method.
  • FIG. 38 shows a period in which N 2 O is introduced (N 2 O ON), a period in which N 2 is introduced (N 2 ON), and a period in which high frequency power (RF Power) is applied (RF ON).
  • the plasma processing time (the period during which high-frequency power is applied) is fixed at 180 sec, the total flow rate of N 2 O and N 2 is 4000 sccm, and the flow rate ratio of the flow rate of N 2 O to the flow rate of N 2 ( N 2 O: N 2 ) was changed for each sample and evaluated.
  • Sample 2A is, N 2 O only N 2 without dilution
  • the flow rate ratio of the flow rate of the sample 2B is N 2 O flow and N 2: a (N 2 O N 2) 3: 1
  • the sample 2C is, N
  • the flow rate ratio (N 2 O: N 2 ) between the flow rate of 2 O and the flow rate of N 2 is 1: 1.
  • the flow rate ratio of the flow rate of N 2 O and the flow rate of N 2 was set to 1: 4.
  • the oxide film thickness of the silicon wafer was measured using a spectroscopic ellipsometer.
  • the energy was first obtained by changing the distance between the O atom and one H atom of SiH 4 , and the structure of the transition state was optimized starting from the position with the highest energy. At this time, in order to confirm whether or not the transition state is correct, vibration calculation was performed and it was confirmed that there was only one imaginary frequency. Next, structural optimization was performed from the structure obtained by the Industrial Reaction Coordinate (IRC) calculation and the IRC calculation, and the energy between the reactant-transition state-product was calculated.
  • FIG. 40A shows the structure of the reactant
  • FIG. 40B shows the transition state structure
  • FIG. 40C shows the structure of the product.
  • FIG. 41 shows the energy of each state in consideration of the zero-point vibration.

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Abstract

特性のばらつきが少ない半導体装置を提供する。 半導体装置は、酸化物と、酸化物上の第１の導電体、および第２の導電体と、第１の導電体上の第１の絶縁体と、第２の導電体上の第２の絶縁体と、第１の絶縁体上、および第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、酸化物上にあり、且つ第１の導電体と第２の導電体の間に配置される第５の絶縁体と、第５の絶縁体上の第６の絶縁体と、第６の絶縁体上の第７の絶縁体と、第７の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第３の導電体は、酸化物と重なる領域を有し、第５の絶縁体は、酸化物、第１の導電体、第２の導電体、および第１の絶縁体乃至第４の絶縁体とそれぞれ、接する領域を有し、第６の絶縁体は、水素、窒素、酸素、およびシリコンを含む。

Description

半導体装置、半導体装置の作製方法
　本発明の一態様は、トランジスタ、半導体装置、および電子機器に関する。また、本発明の一態様は、半導体装置の作製方法に関する。また、本発明の一態様は、半導体ウェハ、およびモジュールに関する。
　なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置、電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。
　なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。また、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
　近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩ、ＣＰＵ、メモリなどに主に用いられている。ＣＰＵは、半導体ウェハを加工し、チップ化された半導体集積回路（少なくともトランジスタ及びメモリ）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。
　ＬＳＩ、ＣＰＵ、メモリなどの半導体回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えばプリント配線基板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
　また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）、および画像表示装置（単に表示装置とも表記する）のような電子機器に広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
　また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、特許文献１には、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が小さいという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている。また、例えば、特許文献２には、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が小さいという特性を応用して、長期にわたり記憶内容を保持することができる記憶装置などが開示されている。
　また、非特許文献１では、トランジスタに用いる絶縁膜として、ＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＡＬＤ）を用いた酸化シリコン膜に関する技術が開示されている（非特許文献１参照）。
　また、近年では電子機器の小型化、および軽量化に伴い、集積回路のさらなる高密度化への要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。
特開２０１２−２５７１８７号公報 特開２０１１−１５１３８３号公報
Ｔａｔｓｕｎｏｒｉ　Ｍｕｒａｔａ　ｅｔ．ａｌ，Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｘｉｄｅ　Ｏｆｆｓｅｔ　Ｓｐａｃｅｒ　Ｕｓｉｎｇ　Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ−ｋ／Ｍｅｔａｌ　Ｇａｔｅ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　４９（２０１０）
　本発明の一態様は、トランジスタ特性のばらつきが少ない半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、信頼性が良好な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、オン電流が大きい半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、低消費電力の半導体装置を提供することを課題の一つとする。
　なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
　本発明の一態様は、第１の絶縁膜を成膜し、第１の絶縁膜上に、酸化膜を成膜し、第１の加熱処理を行い、酸化膜上に、第１の導電膜、および第２の絶縁膜を順に成膜し、第１の絶縁膜、酸化膜、第１の導電膜、および第２の絶縁膜を島状に加工して、第１の絶縁体、酸化物、導電層、および第１の絶縁層を形成し、第１の絶縁体、酸化物、導電層、および第１の絶縁層の上に第２の絶縁体を成膜し、第２の絶縁体上に、第３の絶縁体を成膜し、導電層、第１の絶縁層、第２の絶縁体、および第３の絶縁体に、酸化物に達する開口を形成し、当該開口の形成によって、導電層から第１の導電体、および第２の導電体が形成され、第１の絶縁層から第４の絶縁体、および第５の絶縁体が形成され、第２の加熱処理を行い、第３の絶縁体上、および開口上に第３の絶縁膜を成膜し、第３の絶縁膜上に第４の絶縁膜を成膜し、第４の絶縁膜上に第５の絶縁膜を成膜し、マイクロ波処理を行い、第５の絶縁膜上に第２の導電膜を成膜し、第３の絶縁膜、第４の絶縁膜、第５の絶縁膜、および第２の導電膜に、第３の絶縁体の上面が露出するまで、ＣＭＰ処理を行うことで、第６の絶縁体、第７の絶縁体、第８の絶縁体、および第３の導電体を形成し、第４の絶縁膜の成膜は、シリコンを含み、炭化水素を含まないプリカーサ、酸化性ガス、および希釈ガスを用いて、ＰＥＡＬＤ法によって成膜する、半導体装置の作製方法である。
　また、上記において、ＰＥＡＬＤ法による成膜は、シリコンを含み、炭化水素を含まないガス、酸化性ガス、および希釈ガスを反応室へ導入する、第１のステップと、シリコンを含み、炭化水素を含まないガスを止めて、反応室に残留するシリコンを含み、炭化水素を含まないガスをパージする、第２のステップと、高周波電力を印加して、酸化性ガス、および希釈ガスによるプラズマを発生させる、第３のステップと、高周波電力を止める、第４のステップと、を有し、第１のステップ乃至第４のステップを１つのサイクルとした場合、サイクルは１回以上８００回以下である、ことが好ましい。
　また、上記において、シリコンを含み、炭化水素を含まないガスは、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＦ４、ＳｉＣｌ４、ＳｉＢｒ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、およびＳｉＨ２Ｉ２の中から選ばれるいずれか一または複数を含み、酸化性ガスは、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、およびＣＯ２中から選ばれるいずれか一または複数を含み、希釈ガスは、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、およびＸｅの中から選ばれるいずれか一または複数を含む、ことが好ましい。
　また、上記において、シリコンを含み、炭化水素を含まないガスは、ＳｉＨ４であり、酸化性ガスは、Ｎ２Ｏであり、希釈ガスは、Ｎ２である、ことが好ましい。
　また、上記において、第１のステップの反応室内の圧力は、４００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下である、ことが好ましい。
　また、上記おいて、第１の加熱処理の温度は、第２の加熱処理の温度よりも高い、ことが好ましい。
　また、本発明の一態様は、酸化物と、酸化物上の第１の導電体、および第２の導電体と、第１の導電体上の第１の絶縁体と、第２の導電体上の第２の絶縁体と、第１の絶縁体上、および第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、酸化物上にあり、且つ第１の導電体と第２の導電体の間に配置される第５の絶縁体と、第５の絶縁体上の第６の絶縁体と、第６の絶縁体上の第７の絶縁体と、第７の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、第３の導電体は、酸化物と重なる領域を有し、第５の絶縁体は、酸化物、第１の導電体、第２の導電体、および第１の絶縁体乃至第４の絶縁体と、それぞれ接する領域を有し、第６の絶縁体は、水素、窒素、酸素、およびシリコンを含み、第６の絶縁体の膜中の水素濃度は、ＳＩＭＳ分析法にて、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、第６の絶縁体の膜中の窒素濃度は、ＳＩＭＳ分析法にて、３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、半導体装置である。
　また、上記において、第７の絶縁体は、ハフニウムを含む、ことが好ましい。
　また、上記において、第７の絶縁体の膜厚は、０．５ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下である、ことが好ましい。
　また、上記において、第６の絶縁体の膜厚は、０．５ｎｍ以上、１５．０ｎｍ以下である、ことが好ましい。
　また、上記において、酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、またはＺｎの中から選ばれるいずれか一または複数を含む酸化物半導体である、ことが好ましい。
　本発明の一態様により、トランジスタ特性のばらつきが少ない半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流が大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置を提供することができる。
　なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
図１Ａは本発明の一態様である半導体装置の上面図である。図１Ｂ乃至図１Ｄは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図２Ａは本発明の一態様である半導体装置の上面図である。図２Ｂ乃至図２Ｄは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図３Ａおよび図３Ｂは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図４ＡはＩＧＺＯの結晶構造の分類を説明する図である。図４ＢはＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルを説明する図である。図４Ｃ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５は本発明の一態様であるプロセスフローを説明する図である。
図６Ａおよび図６Ｂは本発明の一態様である成膜シーケンスを説明する図である。
図７Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図７Ｂ乃至図７Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図８Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図８Ｂ乃至図８Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図９Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図９Ｂ乃至図９Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１０Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１０Ｂ乃至図１０Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１１Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１１Ｂ乃至図１１Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１２Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１２Ｂ乃至図１２Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１３Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１３Ｂ乃至図１３Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１４Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１４Ｂ乃至図１４Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１５Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１５Ｂ乃至図１５Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１６Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１６Ｂ乃至図１６Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１７Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１７Ｂ乃至図１７Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１８Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１８Ｂ乃至図１８Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１９は本発明の一態様に係るマイクロ波処理装置を説明する上面図である。
図２０は本発明の一態様に係るマイクロ波処理装置を説明する断面図である。
図２１は本発明の一態様に係るマイクロ波処理装置を説明する断面図である。
図２２は本発明の一態様に係るマイクロ波処理装置を説明する断面図である。
図２３Ａは本発明の一態様に係る半導体装置の平面図である。図２３Ｂおよび図２３Ｃは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図２４は本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図２５は本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図２６は本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図２７Ａおよび図２７Ｂは本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図２８は本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図２９Ａは本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図である。図２９Ｂは本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す斜視図である。
図３０Ａ乃至図３０Ｈは本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図である。
図３１Ａおよび図３１Ｂは本発明の一態様に係る半導体装置の模式図である。
図３２Ａおよび図３２Ｂは電子部品の一例を説明する図である。
図３３Ａ乃至図３３Ｅは本発明の一態様に係る記憶装置の模式図である。
図３４Ａ乃至図３４Ｈは本発明の一態様に係る電子機器を示す図である。
図３５は本発明の一態様に係る実施例のサンプル構造を示す図である。
図３６Ａ乃至図３６Ｃは本発明の一態様に係る実施例のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
図３７Ａ乃至図３７Ｃは本発明の一態様に係る実施例のＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
図３８は本発明の一態様に係る実施例のシーケンスを説明する図である。
図３９は本発明の一態様に係る実施例の酸化膜厚を示す図である。
図４０Ａ乃至図４０Ｃは本発明の一態様に係る実施例の構造を示す模式図である。
図４１は本発明の一態様に係る実施例の各状態のエネルギーを示す図である。
　以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
　また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層、レジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするため、図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
　また、特に上面図（「平面図」ともいう。）、斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
　また、本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
　また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
　例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に開示されているものとする。ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
　また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう。）を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
　また、ソースおよびドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。
　なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネル形成領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネル形成領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
　チャネル幅とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネル形成領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向のチャネル形成領域の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネル形成領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
　なお、本明細書等において、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
　このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
　本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
　なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体の欠陥準位密度が高くなること、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。なお、水も不純物として機能する場合がある。また、例えば不純物の混入によって、酸化物半導体に酸素欠損（ＶＯ：ｏｘｙｇｅｎ　ｖａｃａｎｃｙともいう）が形成される場合がある。
　なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。同様に、酸化窒化アルミニウムとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。また、窒化酸化アルミニウムとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。同様に、酸化窒化ハフニウムとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。また、窒化酸化ハフニウムとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。
　また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
　また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０度以上１０度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５度以上５度以下の場合も含まれる。また、「概略平行」とは、二つの直線が−３０度以上３０度以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０度以上１００度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５度以上９５度以下の場合も含まれる。また、「概略垂直」とは、二つの直線が６０度以上１２０度以下の角度で配置されている状態をいう。
　本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む。）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう。）などに分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳトランジスタと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
　また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりのドレイン電流が、室温において１×１０−２０Ａ以下、８５℃において１×１０−１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０−１６Ａ以下であることをいう。
（実施の形態１）
　本実施の形態では、図１Ａ乃至図２２Ｄを用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例、およびその作製方法について説明する。
＜半導体装置の構成例＞
　図１を用いて、トランジスタ２００を有する半導体装置の構成を説明する。図１Ａ乃至図１Ｄは、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図および断面図である。図１Ａは、当該半導体装置の上面図である。また、図１Ｂ乃至図１Ｄは、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１Ｂは、図１ＡにＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１Ｃは、図１ＡにＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図１Ｄは、図１ＡにＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図１Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　本発明の一態様の半導体装置は、基板（図示せず）上の絶縁体２１２と、絶縁体２１２上の絶縁体２１４と、絶縁体２１４上のトランジスタ２００と、トランジスタ２００上の絶縁体２８０と、絶縁体２８０上の絶縁体２８２と、絶縁体２８２上の絶縁体２８３と、絶縁体２８３上の絶縁体２７４と、絶縁体２８３上、および絶縁体２７４上の絶縁体２８５と、を有する。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２８５、および絶縁体２７４は層間膜として機能する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）を有する。なお、プラグとして機能する導電体２４０の側面に接して絶縁体２４１（絶縁体２４１ａ、および絶縁体２４１ｂ）が設けられる。また、絶縁体２８５上、および導電体２４０上には、導電体２４０と電気的に接続し、配線として機能する導電体２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）が設けられる。また、絶縁体２８３は、絶縁体２１４の上面の一部、絶縁体２１６の側面、絶縁体２２２の側面、絶縁体２７５の側面、絶縁体２８０の側面、および絶縁体２８２の側面と接する。
　絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５の開口の内壁に接して絶縁体２４１ａが設けられ、絶縁体２４１ａの側面に接して導電体２４０ａが設けられている。また、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５の開口の内壁に接して絶縁体２４１ｂが設けられ、絶縁体２４１ｂの側面に接して導電体２４０ｂが設けられている。なお、絶縁体２４１は、第１の絶縁体が上記開口の内壁に接して設けられ、さらに内側に第２の絶縁体が設けられる構造になっている。また、導電体２４０は、第１の導電体が絶縁体２４１の側面に接して設けられ、さらに内側に第２の導電体が設けられる構造になっている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、導電体２４６と重なる領域の、絶縁体２８５の上面の高さと、は同程度にできる。
　なお、トランジスタ２００では、絶縁体２４１の第１の絶縁体および絶縁体２４１の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体２４１を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ２００では、導電体２４０の第１の導電体および導電体２４０の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
［トランジスタ２００］
　図１Ａ乃至図１Ｄに示すように、トランジスタ２００は、絶縁体２１４上の絶縁体２１６と、絶縁体２１４または絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５（導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂ）と、絶縁体２１６上、および導電体２０５上の絶縁体２２２と、絶縁体２２２上の絶縁体２２４と、絶縁体２２４上の酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の導電体２４２ａと、導電体２４２ａ上の絶縁体２７１ａと、酸化物２３０ｂ上の導電体２４２ｂと、導電体２４２ｂ上の絶縁体２７１ｂと、酸化物２３０ｂ上の絶縁体２５２と、絶縁体２５２上の絶縁体２５０（絶縁体２５０ａ、および絶縁体２５０ｂ）と、絶縁体２５０ｂ上に位置し、酸化物２３０ｂの一部と重なる導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、絶縁体２７１ａ、および絶縁体２７１ｂ上に配置される絶縁体２７５と、を有する。ここで、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、絶縁体２５２は、導電体２４２の側面、絶縁体２７１の側面、絶縁体２７５の側面、絶縁体２２２、絶縁体２２４の側面、絶縁体２５０ａ、酸化物２３０（酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ）の側面および絶縁体２８０と接する。また、導電体２６０の上面は、絶縁体２５２の最上面、絶縁体２５０の最上面、および絶縁体２８０の上面と略一致して配置される。また、絶縁体２８２は、導電体２６０、絶縁体２５０、および絶縁体２８０のそれぞれの上面と接する。
　なお、以下において、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂをまとめて酸化物２３０と呼ぶ場合がある。また、導電体２４２ａと導電体２４２ｂをまとめて導電体２４２と呼ぶ場合がある。また、絶縁体２７１ａと絶縁体２７１ｂをまとめて絶縁体２７１と呼ぶ場合がある。
　絶縁体２８０、および絶縁体２７５には、酸化物２３０ｂに達する開口が設けられる。当該開口内に、絶縁体２５２、絶縁体２５０、および導電体２６０が配置されている。また、トランジスタ２００のチャネル長方向において、絶縁体２７１ａ、および導電体２４２ａと、絶縁体２７１ｂ、および導電体２４２ｂと、の間に導電体２６０、絶縁体２５２、および絶縁体２５０が設けられている。絶縁体２５０は、導電体２６０の側面と接する領域と、導電体２６０の底面と接する領域と、を有する。
　酸化物２３０は、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａの上に配置された酸化物２３０ｂと、を有することが好ましい。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
　なお、トランジスタ２００では、酸化物２３０が、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの２層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂの単層、または３層以上の積層構造を設ける構成にしてもよいし、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂのそれぞれが積層構造を有していてもよい。
　導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能し、導電体２０５は、第２のゲート（バックゲートともいう。）電極として機能する。また、絶縁体２５２、および絶縁体２５０は、第１のゲート絶縁体として機能し、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、第２のゲート絶縁体として機能する。また、導電体２４２ａは、ソースまたはドレインの一方として機能し、導電体２４２ｂは、ソースまたはドレインの他方として機能する。また、酸化物２３０の導電体２６０と重畳する領域の少なくとも一部はチャネル形成領域として機能する。
　ここで、図１Ｂにおけるチャネル形成領域近傍の拡大図を図３Ａに示す。酸化物２３０ｂに酸素が供給されることで、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域にチャネル形成領域が形成される。よって、図３Ａに示すように、酸化物２３０ｂは、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する領域２３０ｂｃと、領域２３０ｂｃを挟むように設けられ、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂと、を有する。領域２３０ｂｃは、少なくとも一部が導電体２６０と重畳している。言い換えると、領域２３０ｂｃは、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域に設けられている。領域２３０ｂａは、導電体２４２ａに重畳して設けられており、領域２３０ｂｂは、導電体２４２ｂに重畳して設けられている。
　チャネル形成領域として機能する領域２３０ｂｃは、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂよりも、酸素欠損が少なく、または不純物濃度が低いため、キャリア濃度が低い高抵抗領域である。よって領域２３０ｂｃは、ｉ型（真性）または実質的にｉ型であるということができる。
　また、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂは、酸素欠損が多く、または水素、窒素、金属元素などの不純物濃度が高いことでキャリア濃度が増加し、低抵抗化した領域である。すなわち、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂは、領域２３０ｂｃと比較して、キャリア濃度が高く、低抵抗なｎ型の領域である。
　ここで、チャネル形成領域として機能する領域２３０ｂｃのキャリア濃度は、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、チャネル形成領域として機能する領域２３０ｂｃのキャリア濃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、領域２３０ｂｃと領域２３０ｂａまたは領域２３０ｂｂとの間に、キャリア濃度が、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂのキャリア濃度と同等、またはそれよりも低く、領域２３０ｂｃのキャリア濃度と同等、またはそれよりも高い、領域が形成されていてもよい。つまり、当該領域は、領域２３０ｂｃと領域２３０ｂａまたは領域２３０ｂｂとの接合領域として機能する。当該接合領域は、水素濃度が、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂの水素濃度と同等、またはそれよりも低く、領域２３０ｂｃの水素濃度と同等、またはそれよりも高くなる場合がある。また、当該接合領域は、酸素欠損が、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂの酸素欠損と同等、またはそれよりも少なく、領域２３０ｂｃの酸素欠損と同等、またはそれよりも多くなる場合がある。
　なお、図３Ａでは、領域２３０ｂａ、領域２３０ｂｂ、および領域２３０ｂｃが酸化物２３０ｂに形成される例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、上記の各領域が酸化物２３０ｂだけでなく、酸化物２３０ａまで形成されてもよい。
　また、酸化物２３０において、各領域の境界を明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、ならびに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、ならびに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
　トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ）に、半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。
　また、半導体として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上のものを用いることが好ましく、２．５ｅＶ以上のものを用いることがより好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
　酸化物２３０として、例えば、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、インジウム酸化物を用いてもよい。
　ここで、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。
　このように、酸化物２３０ｂの下に酸化物２３０ａを配置することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物からの、酸化物２３０ｂに対する、不純物および酸素の拡散を抑制することができる。
　また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂ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。酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
　酸化物２３０ｂは、結晶性を有することが好ましい。特に、酸化物２３０ｂとして、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることが好ましい。
　ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶性の高い、緻密な構造を有しており、不純物および欠陥（例えば、酸素欠損（ＶＯなど）が少ない金属酸化物である。特に、金属酸化物の形成後に、金属酸化物が多結晶化しない程度の温度（例えば、４００℃以上６００℃以下）で加熱処理することで、ＣＡＡＣ−ＯＳをより結晶性の高い、緻密な構造にすることができる。このようにして、ＣＡＡＣ−ＯＳの密度をより高めることで、当該ＣＡＡＣ−ＯＳ中の不純物または酸素の拡散をより低減することができる。
　一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
　酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸素欠損近傍の水素が、酸素欠損に水素が入った欠陥（以下、ＶＯＨと呼ぶ場合がある。）を形成し、キャリアとなる電子を生成する場合がある。このため、酸化物半導体中のチャネルが形成される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（ゲート電極に電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れる特性）となりやすい。したがって、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域では、不純物、酸素欠損、およびＶＯＨはできる限り低減されていることが好ましい。言い換えると、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域は、キャリア濃度が低減され、ｉ型（真性化）または実質的にｉ型であることが好ましい。
　これに対して、酸化物半導体の近傍に、加熱により脱離する酸素（以下、過剰酸素と呼ぶ場合がある。）を含む絶縁体を設け、熱処理を行うことで、当該絶縁体から酸化物半導体に酸素を供給し、酸素欠損、およびＶＯＨを低減することができる。ただし、ソース領域またはドレイン領域に過剰な量の酸素が供給されると、トランジスタ２００のオン電流の低下、または電界効果移動度の低下を引き起こすおそれがある。さらに、ソース領域またはドレイン領域に供給される酸素が基板面内でばらつくことで、トランジスタを有する半導体装置の特性にばらつきが出ることになる。
　よって、酸化物半導体中において、チャネル形成領域として機能する領域２３０ｂｃは、キャリア濃度が低減され、ｉ型または実質的にｉ型であることが好ましいが、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂは、キャリア濃度が高く、ｎ型であることが好ましい。つまり、酸化物半導体の領域２３０ｂｃの酸素欠損、およびＶＯＨを低減し、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂには過剰な量の酸素が供給されないようにすることが好ましい。
　そこで、本実施の形態では、酸化物２３０ｂ上に導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂを設けた状態で、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行い、領域２３０ｂｃの酸素欠損、およびＶＯＨの低減を図る。ここで、マイクロ波処理とは、例えばマイクロ波を用いて高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いた処理のことを指す。
　酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことで、マイクロ波、またはＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）等の高周波を用いて酸素ガスをプラズマ化し、当該酸素プラズマを作用させることができる。このとき、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波を領域２３０ｂｃに照射することもできる。プラズマ、マイクロ波などの作用により、領域２３０ｂｃのＶＯＨを分断し、水素（Ｈ）を領域２３０ｂｃから除去し、酸素欠損（ＶＯ）を酸素で補填することができる。つまり、領域２３０ｂｃにおいて、「ＶＯＨ→Ｈ＋ＶＯ」という反応が起きて、領域２３０ｂｃの水素濃度を低減することができる。よって、領域２３０ｂｃ中の酸素欠損、およびＶＯＨを低減し、キャリア濃度を低下させることができる。
　また、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行う際、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波、酸素プラズマなどの作用は、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに遮蔽され、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂには及ばない。さらに、酸素プラズマの作用は、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２を覆って設けられている、絶縁体２７１、および絶縁体２８０によって、低減することができる。これにより、マイクロ波処理の際に、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂで、ＶＯＨの低減、および過剰な量の酸素供給が発生しないので、キャリア濃度の低下を防ぐことができる。
　特に、絶縁体２５０ｂとなる絶縁膜の成膜後に酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うと上述の効果が大きい。また、絶縁体２５２となる絶縁膜の成膜後に酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行い、さらに絶縁体２５０ａとなる絶縁膜の成膜後に酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行い、さらに絶縁体２５０ｂとなる絶縁膜の成膜後に酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことが好ましい。このように絶縁体２５２、絶縁体２５０ａ、または絶縁体２５０ｂを介して、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことで、効率よく領域２３０ｂｃ中へ酸素を注入することができる。また、絶縁体２５２を導電体２４２の側面、および領域２３０ｂｃの表面と接するように配置することで、領域２３０ｂｃへ必要量以上の酸素の注入を抑制し、導電体２４２の側面の酸化を抑制することができる。また、絶縁体２５０ａとなる絶縁膜の成膜時に導電体２４２の側面の酸化を抑制することができる。
　また、領域２３０ｂｃ中に注入される酸素は、酸素原子、酸素分子、酸素ラジカル（Ｏラジカルともいう、不対電子をもつ原子または分子、あるいはイオン）など様々な形態がある。なお、領域２３０ｂｃ中に注入される酸素は、上述の形態のいずれか一または複数であればよく、特に酸素ラジカルであると好適である。また、絶縁体２５０ｂとなる絶縁膜の成膜後に酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことで、絶縁体２５２、絶縁体２５０ａ、および絶縁体２５０ｂの膜質を向上させることができるので、トランジスタ２００の信頼性が向上する。
　このようにして、チャネル形成領域として機能する領域２３０ｂｃで選択的に酸素欠損、およびＶＯＨを除去して、領域２３０ｂｃをｉ型または実質的にｉ型とすることができる。さらに、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂに過剰な酸素が供給されるのを抑制し、ｎ型を維持することができる。これにより、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制し、基板面内でトランジスタ２００の電気特性がばらつくのを抑制することができる。
　以上のような構成にすることで、トランジスタ特性のばらつきが少ない半導体装置を提供することができる。また、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。また、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。
　また、図１Ｃに示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面視において、酸化物２３０ｂの側面と酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有してもよい。つまり、当該側面の端部と当該上面の端部は、湾曲してもよい（以下、ラウンド状ともいう。）。
　上記湾曲面での曲率半径は、０ｎｍより大きく、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの膜厚より小さい、または、上記湾曲面を有さない領域の長さの半分より小さいことが好ましい。上記湾曲面での曲率半径は、具体的には、０ｎｍより大きく２０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上１５ｎｍ以下、さらに好ましくは２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。このような形状にすることで、絶縁体２５０および導電体２６０の、酸化物２３０ｂへの被覆性を高めることができる。
　酸化物２３０は、化学組成が異なる複数の酸化物層の積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。
　また、酸化物２３０ｂは、ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物であることが好ましい。ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物は、不純物および欠陥（酸素欠損など）が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物２３０ｂからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物２３０ｂから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ２００は、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対して安定である。
　ここで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂの接合部において、伝導帯下端はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂの接合部における伝導帯下端は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面に形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
　具体的には、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂが、酸素以外に共通の元素を主成分として有することで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物、Ｍ−Ｚｎ酸化物、元素Ｍの酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、インジウム酸化物などを用いてもよい。
　具体的には、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。なお、近傍の組成とは、所望の原子数比の±３０％の範囲を含む。また、元素Ｍとして、ガリウムを用いることが好ましい。
　なお、金属酸化物をスパッタリング法により成膜する場合、上記の原子数比は、成膜された金属酸化物の原子数比に限られず、金属酸化物の成膜に用いるスパッタリングターゲットの原子数比であってもよい。
　酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は大きいオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。
　絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５の少なくとも一は、水、水素などの不純物が、基板側から、または、トランジスタ２００の上方からトランジスタ２００に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５の少なくとも一は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。
　なお、本明細書において、バリア絶縁膜とは、バリア性を有する絶縁膜のことを指す。本明細書において、バリア性とは、対応する物質の拡散を抑制する機能（透過性が低いともいう）とする。または、対応する物質を、捕獲、および固着する（ゲッタリングともいう）機能とする。
　絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５としては、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、インジウムガリウム亜鉛酸化物、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンなどを用いることができる。例えば、絶縁体２１２、絶縁体２７５、および絶縁体２８３として、より水素バリア性が高い、窒化シリコンなどを用いることが好ましい。また、例えば、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２８２、および絶縁体２８５として、水素を捕獲および水素を固着する機能が高い、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムなどを用いることが好ましい。これにより、水、水素などの不純物が絶縁体２１２、および絶縁体２１４を介して、基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、水、水素などの不純物が絶縁体２８５よりも外側に配置されている層間絶縁膜などから、トランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が、絶縁体２１２、および絶縁体２１４を介して基板側に、拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２８０などに含まれる酸素が、絶縁体２８２などを介してトランジスタ２００より上方に、拡散するのを抑制することができる。この様に、トランジスタ２００を、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５で取り囲む構造とすることが好ましい。
　ここで、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５として、アモルファス構造を有する酸化物を用いることが好ましい。例えば、ＡｌＯｘ（ｘは０より大きい任意数）、またはＭｇＯｙ（ｙは０より大きい任意数）などの金属酸化物を用いることが好ましい。このようなアモルファス構造を有する金属酸化物では、酸素原子がダングリングボンドを有しており、当該ダングリングボンドで水素を捕獲または固着する性質を有する場合がある。このようなアモルファス構造を有する金属酸化物をトランジスタ２００の構成要素として用いる、またはトランジスタ２００の周囲に設けることで、トランジスタ２００に含まれる水素、またはトランジスタ２００の周囲に存在する水素を捕獲または固着することができる。特にトランジスタ２００のチャネル形成領域に含まれる水素を捕獲または固着することが好ましい。アモルファス構造を有する金属酸化物をトランジスタ２００の構成要素として用いる、またはトランジスタ２００の周囲に設けることで、良好な特性を有し、信頼性の高いトランジスタ２００、および半導体装置を作製することができる。
　また、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５は、アモルファス構造であることが好ましいが、一部に多結晶構造の領域が形成されていてもよい。また、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５は、アモルファス構造の層と、多結晶構造の層と、が積層された多層構造であってもよい。例えば、アモルファス構造の層の上に多結晶構造の層が形成された積層構造でもよい。
　絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５の成膜は、例えば、スパッタリング法を用いて行えばよい。スパッタリング法は、成膜ガスに水素を用いなくてよいので、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５の水素濃度を低減することができる。なお、成膜方法は、スパッタリング法に限られるものではなく、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを適宜用いてもよい。
　また、絶縁体２１２、絶縁体２７５、および絶縁体２８３の抵抗率を低くすることが好ましい場合がある。例えば、絶縁体２１２、絶縁体２７５、および絶縁体２８３の抵抗率を概略１×１０１３Ωｃｍとすることで、半導体装置作製工程のプラズマ等を用いる処理において、絶縁体２１２、絶縁体２７５、および絶縁体２８３が、導電体２０５、導電体２４２、導電体２６０、または導電体２４６のチャージアップを緩和することができる場合がある。絶縁体２１２、絶縁体２７５、および絶縁体２８３の抵抗率は、好ましくは、１×１０１０Ωｃｍ以上１×１０１５Ωｃｍ以下とする。
　また、絶縁体２１６、絶縁体２７４、および絶縁体２８０は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１６、絶縁体２７４、および絶縁体２８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよい。
　導電体２０５は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。ここで、導電体２０５は、絶縁体２１６に形成された開口に埋め込まれて設けることが好ましい。また、導電体２０５の一部が絶縁体２１４に埋め込まれる場合がある。
　導電体２０５は、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂを有する。導電体２０５ａは、当該開口の底面および側壁に接して設けられる。導電体２０５ｂは、導電体２０５ａに形成された凹部に埋め込まれるように設けられる。ここで、導電体２０５ｂの上面の高さは、導電体２０５ａの上面の高さおよび絶縁体２１６の上面の高さと略一致する。
　ここで、導電体２０５ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
　導電体２０５ａに、水素の拡散を低減する機能を有する導電性材料を用いることにより、導電体２０５ｂに含まれる水素などの不純物が、絶縁体２２４等を介して、酸化物２３０に拡散するのを防ぐことができる。また、導電体２０５ａに、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることにより、導電体２０５ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体２０５ａとしては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。例えば、導電体２０５ａは、窒化チタンを用いればよい。
　また、導電体２０５ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。例えば、導電体２０５ｂは、タングステンを用いればよい。
　導電体２０５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２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００のＶｔｈをより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体２０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
　また、導電体２０５の電気抵抗率は、上記の導電体２０５に印加する電位を考慮して設計され、導電体２０５の膜厚は当該電気抵抗率に合わせて設定される。また、絶縁体２１６の膜厚は、導電体２０５とほぼ同じになる。ここで、導電体２０５の設計が許す範囲で導電体２０５および絶縁体２１６の膜厚を薄くすることが好ましい。絶縁体２１６の膜厚を薄くすることで、絶縁体２１６中に含まれる水素などの不純物の絶対量を低減することができるので、当該不純物が酸化物２３０に拡散するのを低減することができる。
　なお、導電体２０５は、図１Ａに示すように、酸化物２３０の導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと重ならない領域の大きさよりも、大きく設けるとよい。特に、図１Ｃに示すように、導電体２０５は、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂのチャネル幅方向の端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物２３０のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。当該構成を有することで、第１のゲート電極として機能する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極として機能する導電体２０５の電界によって、酸化物２３０のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート、および第２のゲートの電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
　なお、本明細書等において、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタとは、一対のゲート電極の一方および他方の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を表す。また、本明細書等で開示するＳ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、Ｆｉｎ型構造およびプレーナ型構造とは異なる。Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。
　また、図１Ｃに示すように、導電体２０５は延伸させて、配線としても機能させている。ただし、これに限られることなく、導電体２０５の下に、配線として機能する導電体を設ける構成にしてもよい。また、導電体２０５は、必ずしも各トランジスタに一個ずつ設ける必要はない。例えば、導電体２０５を複数のトランジスタで共有する構成にしてもよい。
　なお、トランジスタ２００では、導電体２０５は、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０５は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
　絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体として機能する。
　絶縁体２２２は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。また、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４よりも水素および酸素の一方または双方の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。
　絶縁体２２２は、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。当該絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０から基板側への酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の拡散を抑制する層として機能する。よって、絶縁体２２２を設けることで、水素等の不純物が、トランジスタ２００の内側へ拡散することを抑制し、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４や、酸化物２３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
　または、上記絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、または酸化ジルコニウムを添加してもよい。または、これらの絶縁体を窒化処理してもよい。また、絶縁体２２２は、これらの絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
　また、絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
　酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。
　また、トランジスタ２００の作製工程中において、酸化物２３０の表面が露出した状態で、加熱処理を行うと好適である。当該加熱処理は、例えば、１００℃以上６００℃以下、より好ましくは３５０℃以上５５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物２３０に酸素を供給して、酸素欠損（ＶＯ）の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で行ってもよい。または、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理した後に、連続して窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理を行っても良い。
　なお、酸化物２３０に加酸素化処理を行うことで、酸化物２３０中の酸素欠損を、供給された酸素により修復させる、別言すると「ＶＯ＋Ｏ→ｎｕｌｌ」という反応を促進させることができる。さらに、酸化物２３０中に残存した水素に供給された酸素が反応することで、当該水素をＨ２Ｏとして除去する（脱水化する）ことができる。これにより、酸化物２３０中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してＶＯＨが形成されるのを抑制することができる。
　なお、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。また、絶縁体２２４は、酸化物２３０ａと重畳して島状に形成してもよい。この場合、絶縁体２７５が、絶縁体２２４の側面および絶縁体２２２の上面に接する構成になる。
　導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂは酸化物２３０ｂの上面に接して設けられる。導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、それぞれトランジスタ２００のソース電極またはドレイン電極として機能する。
　導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）としては、例えば、タンタルを含む窒化物、チタンを含む窒化物、モリブデンを含む窒化物、タングステンを含む窒化物、タンタルおよびアルミニウムを含む窒化物、チタンおよびアルミニウムを含む窒化物などを用いることが好ましい。本発明の一態様においては、タンタルを含む窒化物が特に好ましい。また、例えば、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いてもよい。これらの材料は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
　なお、酸化物２３０ｂなどに含まれる水素が、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに拡散する場合がある。特に、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに、タンタルを含む窒化物を用いることで、酸化物２３０ｂなどに含まれる水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに拡散しやすく、拡散した水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂが有する窒素と結合することがある。つまり、酸化物２３０ｂなどに含まれる水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに吸い取られる場合がある。
　また、酸化物２３０ｂと導電体２４２との間に酸化物を設けてもよい場合がある。具体的には、酸化物２３０ｂ上に接するように酸化物を設け、当該酸化物の上面に接するように導電体２４２を設ける。
　上記酸化物は、酸素の透過を抑制する機能を有することが好ましい。ソース電極またはドレイン電極として機能する導電体２４２と酸化物２３０ｂとの間に酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物を配置することで、導電体２４２と、酸化物２３０ｂとの間の電気抵抗が低減されるので好ましい。このような構成とすることで、トランジスタ２００の電気特性およびトランジスタ２００の信頼性を向上させることができる場合がある。
　また、上記酸化物として、元素Ｍを有する金属酸化物を用いてもよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。また、上記酸化物は、酸化物２３０ｂよりも元素Ｍの濃度が高いことが好ましい。また、上記酸化物として、酸化ガリウムを用いてもよい。また、上記酸化物として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物等の金属酸化物を用いてもよい。具体的には、酸化物に用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、上記酸化物の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下である。また、上記酸化物は、結晶性を有すると好ましい。上記酸化物が結晶性を有する場合、酸化物２３０中の酸素の放出を好適に抑制することが出来る。例えば、上記酸化物としては、六方晶などの結晶構造であれば、酸化物２３０中の酸素の放出を抑制できる場合がある。
　また、導電体２４２の側面と導電体２４２の上面との間に、湾曲面が形成されないことが好ましい。当該湾曲面が形成されない導電体２４２とすることで、図１Ｄに示すような、チャネル幅方向の断面における、導電体２４２の断面積を大きくすることができる。これにより、導電体２４２の導電率を大きくし、トランジスタ２００のオン電流を大きくすることができる。
　絶縁体２７１ａは、導電体２４２ａの上面に接して設けられており、絶縁体２７１ｂは、導電体２４２ｂの上面に接して設けられている。絶縁体２７１は、少なくとも酸素に対するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２７１は、酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２７１は、絶縁体２８０よりも酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体２７１としては、例えば、窒化シリコンなどのシリコンを含む窒化物を用いればよい。また、絶縁体２７１は、水素などの不純物を捕獲する機能を有することが好ましい。その場合、絶縁体２７１としては、アモルファス構造を有する金属酸化物、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムなどの絶縁体を用いればよい。特に、絶縁体２７１として、アモルファス構造を有する酸化アルミニウム、またはアモルファス構造の酸化アルミニウムを用いることで、より効果的に水素を捕獲または固着できる場合があるため好ましい。これにより、良好な特性を有し、信頼性の高いトランジスタ２００、および半導体装置を作製することができる。
　絶縁体２７５は、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２、および絶縁体２７１を覆うように設けられる。絶縁体２７５として、水素を捕獲および水素を固着する機能を有することが好ましい。その場合、絶縁体２７５としては、窒化シリコンまたは、アモルファス構造を有する金属酸化物、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムなどの絶縁体を含むことが好ましい。
　上記のような絶縁体２７１および絶縁体２７５を設けることで、酸素に対するバリア性を有する絶縁体で導電体２４２を包み込むことができる。つまり、絶縁体２２４、および絶縁体２８０に含まれる酸素が、導電体２４２に拡散するのを防ぐことができる。これにより、絶縁体２２４、および絶縁体２８０に含まれる酸素によって、導電体２４２が直接酸化されて抵抗率が増大し、オン電流が低減するのを抑制することができる。
　絶縁体２５２、および絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５２は、酸素の拡散を抑制する機能を有するバリア絶縁膜であることが好ましい。従って、絶縁体２５２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。当該絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、ハフニウムおよびシリコンを含む酸化物（ハフニウムシリケート）などを用いることができる。本実施の形態では、絶縁体２５２として、酸化アルミニウムを用いる。絶縁体２５０は、絶縁体２５２の上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
　絶縁体２５０（絶縁体２５０ａ、および絶縁体２５０ｂ）は、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水、水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。特に、絶縁体２５０ａの膜厚は、０．５ｎｍ以上１５．０ｎｍ以下とするのが好ましい。
　なお、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、絶縁体２５０を２層の積層構造とする場合、下層の絶縁体２５０ａは、酸素を透過しやすい絶縁体を用いて形成し、上層の絶縁体２５０ｂは、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体２５０ａに含まれる酸素が、導電体２６０へ拡散するのを抑制することができる。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０ａに含まれる酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。例えば、絶縁体２５０ａは、上述した絶縁体２５０に用いることができる材料を用いて設け、絶縁体２５０ｂは、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。当該絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、ハフニウムおよびシリコンを含む酸化物（ハフニウムシリケート）などを用いることができる。本実施の形態では、絶縁体２５０ｂとして、酸化ハフニウムを用いる。また、絶縁体２５０ｂの膜厚は、０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下、好ましくは、１．０ｎｍ以上５．０ｎｍ以下、より好ましくは、１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とする。
　絶縁体２５０ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて形成することができるが、シリコンを含み、炭化水素を含まないガス４０１（プリカーサ）、酸化性ガス４０２（リアクタント）、および希釈ガス４０５を用いて、ＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＡＬＤ）法によって形成することが好ましい。
　ＡＬＤ法は、プリカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーのみで行う熱ＡＬＤ（Ｔｈｅｒｍａｌ　ＡＬＤ）法、プラズマ励起されたリアクタントを用いるＰＥＡＬＤ法などがある。
　また、ＡＬＤ法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、低温での成膜が可能、などの効果がある。ＰＥＡＬＤ法では、プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などを含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）、またはＸ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
　本実施の形態では、ＰＥＡＬＤ法を用いる。また、シリコンを含み、炭化水素を含まないガスとしては、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＦ４、ＳｉＣｌ４、ＳｉＢｒ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨ２Ｉ２などを用いることができる。また、酸化性ガスとしては、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、Ｈ２Ｏなどを用いることができる。また、希釈ガスとして、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどから選ばれるいずれか一または複数を用いることができる。本実施の形態では、シリコンを含み、炭化水素を含まないガス４０１としてＳｉＨ４を、酸化性ガス４０２としてＮ２Ｏを、希釈ガス４０５としてＮ２をそれぞれ用いる。
　シリコンを含み、炭化水素を含まないガス４０１としてＳｉＨ４、酸化性ガス４０２としてＮ２Ｏ、および希釈ガス４０５としてＮ２を用いて、ＰＥＡＬＤ法によって、絶縁体２５０ａとなる酸化シリコンを形成するプロセスフローを図５に示す。また、成膜シーケンスを図６Ａに示す。
　まず、反応室内にＳｉＨ４、Ｎ２Ｏ、およびＮ２を導入し（ＯＮ）、反応室内の圧力を一定に保つ（ステップＳ０１）。ＳｉＨ４の流量と、Ｎ２Ｏの流量にＮ２の流量を加えた流量と、の流量比はＳｉＨ４流量を１とすると、Ｎ２Ｏの流量にＮ２の流量を加えた流量は、１０以上３０００以下、好ましくは、１０以上８００以下、より好ましくは、５０以上４００以下とする。また、Ｎ２Ｏの流量と、Ｎ２の流量と、の流量比は、Ｎ２Ｏの流量を１とすると、Ｎ２の流量は、０．１以上１０以下、好ましくは、０．５以上８以下、より好ましくは、１以上５以下とする。また、反応室内の圧力は、２００Ｐａ以上１２００Ｐａ以下、好ましくは、４００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、さらに好ましくは、６００Ｐａ以上８００Ｐａ以下とする。また、基板温度は、１００℃以上５００℃以下、好ましくは、２００℃以上４００℃以下である。また、基板は加熱しなくてもよく、室温で成膜してもよい。
　次に、ＳｉＨ４の導入を止めて（ＯＦＦ）、導入するガスをＮ２ＯおよびＮ２として、反応室内に残留するＳｉＨ４のパージを行う（ステップＳ０２）。
　次に、反応室に高周波電力４０３を印加し（ＯＮ）、Ｎ２ＯおよびＮ２によるプラズマを発生させる。また、高周波の周波数は、１３．５６ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下が好ましい。Ｎ２ＯおよびＮ２プラズマによって、ステップＳ０１にて、被形成面に吸着したＳｉＨｘを酸化することによって、凡そ一分子層の酸化シリコンを形成することができる（ステップＳ０３：成膜ステップ）。尚、当該酸化シリコン中に、Ｎ２ＯおよびＮ２プラズマによって注入された窒素が含まれることがある。また、窒素が含まれる酸化シリコンを酸化窒化シリコンと呼ぶ場合がある。
　次に、高周波電力４０３の印加を止める（ＯＦＦ）（ステップＳ０４）。
　上述のステップＳ０１乃至ステップＳ０４を１サイクルとして所望の膜厚に達するまで繰り返し行うことで、絶縁体２５０ａとなる酸化シリコンを形成することができる。また、サイクル数は、１サイクル以上、８００サイクル以下とする。また図６Ｂに示すように、ステップＳ０２において、ＳｉＨ４、Ｎ２Ｏ、およびＮ２の導入を止めて（ＯＦＦ）反応室内に残留するＳｉＨ４、Ｎ２Ｏ、およびＮ２を排気する真空引きのステップを挿入してもよい。このとき、ＳｉＨ４の導入、Ｎ２ＯおよびＮ２の導入を同時に止めてもよいし、ＳｉＨ４の導入を止めた後に、Ｎ２ＯおよびＮ２の導入を止めてもよい。また、ステップＳ０３の開始前にＮ２ＯおよびＮ２の導入を再開する（ＯＮ）ことが好ましい。
　上述のように形成した絶縁体２５０ａとなる酸化シリコンは、ＳｉＨ４、およびＮ２Ｏを用いて、ＰＥＣＶＤ法によって形成する酸化シリコンよりも、水素濃度、および炭素濃度の低減された良好な絶縁体を形成することができる。
　ＳｉＨ４、およびＮ２Ｏを用いたＰＥＣＶＤ法は、ＳｉＨ４、およびＮ２Ｏを導入した状態で高周波電力を印加してプラズマを発生させるので、ＳｉＨ４がプラズマ中で分解されて、大量の水素ラジカルが発生し、水素が絶縁体２５０ａとなる酸化シリコン中に混入してしまう。
　一方で、本発明の一態様であるＳｉＨ４、Ｎ２ＯおよびＮ２を用いたＰＥＡＬＤ法では、上述のステップＳ０１のＳｉＨ４、Ｎ２ＯおよびＮ２の導入中は、高周波電力を印加せず、ステップＳ０２にて、残留しているＳｉＨ４をパージしたのち、ステップＳ０３にてＮ２ＯおよびＮ２を導入した状態で、高周波電力を印加してプラズマを発生させるので、水素ラジカルの発生を抑制できる。従って、絶縁体２５０ａとなる酸化シリコン中への水素の混入を抑制することができる。また、ＳｉＨ４、Ｎ２ＯおよびＮ２を用いたＰＥＡＬＤ法では、プリカーサとしてＳｉＨ４を用いており、炭素等の不純物を含むプリカーサ、例えば炭化水素を含む有機プリカーサを用いていないので、絶縁体２５０ａとなる酸化シリコン中に炭素等の不純物、炭化水素などが混入することを抑制できる。このように形成された酸化シリコンは、不純物濃度が低減され、より緻密な膜であるため、酸化物２３０ｂの領域２３０ｂｃから絶縁体２５０ａとなる酸化シリコンへのＩｎの拡散を防止することができる。
　以上のように、本発明の一態様は、酸化性ガスＮ２Ｏに希釈ガスＮ２を加えて、プリカーサＳｉＨ４を酸化させて、酸化シリコンを形成することができる。酸化性ガスＮ２Ｏに希釈ガスＮ２を加えることで、酸化性ガスＮ２Ｏの使用量を低減できるので、製造コストを削減することができるので好ましい。
　また、絶縁体２５２を導電体２４２の側面に接するように配置することで、絶縁体２５０ａ形成時の酸化性ガスによるプラズマが導電体２４２の側面に直接さらされないので導電体２４２の側面の酸化を抑制することができる。
　絶縁体２５０ａとなる酸化シリコン中の不純物濃度はできる限り低減されていることが好ましいが、ＳＩＭＳ分析の測定精度などにより下限値を設ける場合がある。絶縁体２５０ａとなる酸化シリコン中の水素濃度はＳＩＭＳによる分析にて、好ましくは、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。また、絶縁体２５０ａとなる酸化シリコン中の炭素濃度はＳＩＭＳによる分析にて、好ましくは、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。また、絶縁体２５０ａとなる酸化シリコンは窒素を有し、その窒素濃度はＳＩＭＳ分析にて、好ましくは、３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。また、絶縁体２５０ａとなる酸化シリコンに含まれるＩｎ濃度はＳＩＭＳ分析にて、好ましくは、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、１．０×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、である。
　なお、絶縁体２５０ａとなる酸化シリコンが、絶縁体２５２と接する場合、上記絶縁体中の炭素濃度、窒素濃度、およびＩｎ濃度は、絶縁体２５２との界面から１ｎｍ以上離れた領域の濃度とする場合がある。
　以上のように、本発明の一態様である、シリコンを含み、炭化水素を含まないガス（プリカーサ）、酸化性ガス（リアクタント）および希釈ガスを用いて、ＰＥＡＬＤ法によって、絶縁体２５０ａとなる酸化シリコンを形成することで、優れた電気特性、および高い信頼性を有するトランジスタとすることができる。
　なお、絶縁体２５０ａに酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを用いる場合、絶縁体２５０ｂは、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である絶縁性材料を用いてもよい。ゲート絶縁体を、絶縁体２５０ａと絶縁体２５０ｂとの積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、ゲート絶縁体の物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
　また、絶縁体２５０を単層、または３層以上の積層構造としてもよい。例えば図３Ｂに示すように、絶縁体２５０ｂと導電体２６０ａの間に絶縁体２５０ｃを設ける構成にしてもよい。絶縁体２５０ｃとしては、上述の絶縁体２５０ｂに用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体２５０ｃとしては、水素に対するバリア絶縁膜を用いることが好ましい。これにより、導電体２６０に含まれる水素などの不純物が、絶縁体２５０ｂ、絶縁体２５０ａ、および酸化物２３０ｂに拡散するのを防ぐことができる。例えば、絶縁体２５０ｃとしてＰＥＡＬＤ法で成膜した窒化シリコンを用いればよい。
　また、絶縁体２５０と導電体２６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
　なお、上記金属酸化物は、第１のゲート電極の一部としての機能を有する構成にしてもよい。例えば、酸化物２３０として用いることができる金属酸化物を、上記金属酸化物として用いることができる。その場合、導電体２６０ａをスパッタリング法で成膜することで、上記金属酸化物の電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。
　上記金属酸化物を有することで、導電体２６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ２００のオン電流の向上を図ることができる。また、絶縁体２５０と、上記金属酸化物との物理的な厚みにより、導電体２６０と、酸化物２３０との間の距離を保つことで、導電体２６０と酸化物２３０との間のリーク電流を抑制することができる。また、絶縁体２５０、および上記金属酸化物との積層構造を設けることで、導電体２６０と酸化物２３０との間の物理的な距離、および導電体２６０から酸化物２３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
　導電体２６０は、トランジスタ２００の第１のゲート電極として機能する。導電体２６０は、導電体２６０ａと、導電体２６０ａの上に配置された導電体２６０ｂと、を有することが好ましい。例えば、導電体２６０ａは、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように配置されることが好ましい。また、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０の最上面と略一致している。なお、図１Ｂおよび図１Ｃでは、導電体２６０は、導電体２６０ａと導電体２６０ｂの２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。
　導電体２６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
　また、導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０に含まれる酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
　また、導電体２６０は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、または窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。
　また、トランジスタ２００では、導電体２６０は、絶縁体２８０などに形成されている開口を埋めるように自己整合的に形成される。導電体２６０をこのように形成することにより、導電体２４２ａと導電体２４２ｂとの間の領域に、導電体２６０を位置合わせすることなく確実に配置することができる。
　また、図１Ｃに示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向において、絶縁体２２２の底面を基準としたときの、導電体２６０の、導電体２６０と酸化物２３０ｂとが重ならない領域の底面の高さは、酸化物２３０ｂの底面の高さより低いことが好ましい。ゲート電極として機能する導電体２６０が、絶縁体２５０などを介して、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の側面および上面を覆う構成とすることで、導電体２６０の電界を酸化物２３０ｂのチャネル形成領域全体に作用させやすくなる。よって、トランジスタ２００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。絶縁体２２２の底面を基準としたときの、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂと、導電体２６０とが、重ならない領域における導電体２６０の底面の高さと、酸化物２３０ｂの底面の高さと、の差は、０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。
　絶縁体２８０は、絶縁体２７５上に設けられ、絶縁体２５０、および導電体２６０が設けられる領域に開口が形成されている。また、絶縁体２８０の上面は、平坦化されていてもよい。
　層間膜として機能する絶縁体２８０は、誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。絶縁体２８０は、例えば、絶縁体２１６と同様の材料を用いて設けることが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料は、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成することができるため好ましい。
　絶縁体２８０中の水、水素などの不純物濃度は低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体２８０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコンなどのシリコンを含む酸化物を適宜用いればよい。
　絶縁体２８２、および絶縁体２８５は、水、水素などの不純物が、上方から絶縁体２８０に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましく、水素などの不純物を捕獲する機能を有することが好ましい。また、絶縁体２８２、および絶縁体２８５は、酸素の透過を抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体２８２、および絶縁体２８５としては、アモルファス構造を有する金属酸化物、例えば、酸化アルミニウムなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２１２と絶縁体２８３に挟まれた領域内で、絶縁体２８０に接して、水素などの不純物を捕獲する機能を有する絶縁体２８２を設けることで、絶縁体２８０などに含まれる水素などの不純物を捕獲し、当該領域内における、水素の量を一定値にすることができる。特に、絶縁体２８２、および絶縁体２８５として、アモルファス構造を有する酸化アルミニウム、またはアモルファス構造の酸化アルミニウムを用いることで、より効果的に水素を捕獲または固着できる場合があるため好ましい。これにより、良好な特性を有し、信頼性の高いトランジスタ２００、および半導体装置を作製することができる。
　絶縁体２８３は、水、水素などの不純物が、上方から絶縁体２８０に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能する。絶縁体２８３は、絶縁体２８２の上に配置される。絶縁体２８３としては、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、シリコンを含む窒化物を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２８３としてスパッタリング法で成膜された窒化シリコンを用いればよい。絶縁体２８３をスパッタリング法で成膜することで、密度が高く、鬆などが形成されにくい窒化シリコンを形成することができる。また、絶縁体２８３として、スパッタリング法で成膜された窒化シリコンの上に、さらに、ＰＥＡＬＤ法または、ＣＶＤ法で成膜された窒化シリコンを積層してもよい。
　導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは積層構造としてもよい。
　また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８５、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７５、および絶縁体２７１と接する導電体には、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。また、絶縁体２８３より上層に含まれる水、水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
　絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂとしては、絶縁体２７５などに用いることができるバリア絶縁膜を用いればよい。例えば、絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂとして、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂは、絶縁体２８３、絶縁体２８２、および絶縁体２７１に接して設けられるので、絶縁体２８０などに含まれる水、水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好適である。また、絶縁体２８０に含まれる酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。
　絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂを、図１Ｂに示すように積層構造にする場合、絶縁体２８０などの開口の内壁に接する第１の絶縁体と、その内側の第２の絶縁体は、酸素に対するバリア絶縁膜と、水素に対するバリア絶縁膜を組み合わせて用いることが好ましい。
　例えば、第１の絶縁体として、ＡＬＤ法で成膜された酸化アルミニウムを用い、第２の絶縁体として、ＰＥＡＬＤ法で成膜された窒化シリコンを用いればよい。このような構成にすることで、導電体２４０の酸化を抑制し、さらに、導電体２４０に水素が混入するのを低減することができる。
　また、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配線として機能する導電体２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）を配置してもよい。導電体２４６は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、または窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
＜半導体装置の構成材料＞
　以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
＜＜基板＞＞
　トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムを材料とした半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
＜＜絶縁体＞＞
　絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
　例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
　また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
　また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。
　また、金属酸化物を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、またはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。
　また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が有する酸素欠損を補償することができる。
＜＜導電体＞＞
　導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
　また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
　なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
　特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
＜＜金属酸化物＞＞
　酸化物２３０として、半導体として機能する金属酸化物（酸化物半導体）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
　金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫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。
　ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫とする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、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、コバルトなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
　なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
＜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４Ａを用いて説明を行う。図４Ａ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４Ａ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４Ａ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４Ｂに示す。なお、ＧＩＸＤ法は、薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ−Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。以降、図４Ｂ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４Ｂ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４Ｂに示すＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ膜の厚さは、５００ｎｍである。
　図４Ｂ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４Ｂ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４Ｃに示す。図４Ｃ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４Ｃ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４Ｃ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４Ａ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、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、欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物および欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対しても安定である。したがって、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または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。
　トランジスタのチャネル形成領域には、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、酸化物半導体のチャネル形成領域のキャリア濃度は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族元素であるシリコンまたは炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体のチャネル形成領域におけるシリコンまたは炭素の濃度と、酸化物半導体のチャネル形成領域との界面近傍のシリコンまたは炭素の濃度（ＳＩＭＳ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のチャネル形成領域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半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。または、酸化物半導体において、窒素が含まれると、トラップ準位が形成される場合がある。この結果、トランジスタの電気特性が不安定となる場合がある。このため、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体のチャネル形成領域中の窒素濃度を、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、酸化物半導体のチャネル形成領域における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、酸化物半導体のチャネル形成領域において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満にする。
　不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
＜＜その他の半導体材料＞＞
　酸化物２３０に用いることができる半導体材料は、上述の金属酸化物に限られない。酸化物２３０として、バンドギャップを有する半導体材料（ゼロギャップ半導体ではない半導体材料）を用いてもよい。例えば、シリコンなどの単体元素の半導体、ヒ化ガリウムなどの化合物半導体、半導体として機能する層状物質（原子層物質、２次元材料などともいう。）などを半導体材料に用いることが好ましい。特に、半導体として機能する層状物質を半導体材料に用いると好適である。
　ここで、本明細書等において、層状物質とは、層状の結晶構造を有する材料群の総称である。層状の結晶構造は、共有結合または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、共有結合またはイオン結合よりも弱い結合を介して積層している構造である。層状物質は、単位層内における電気伝導性が高く、つまり、２次元電気伝導性が高い。半導体として機能し、かつ、２次元電気伝導性の高い材料をチャネル形成領域に用いることで、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。
　層状物質として、グラフェン、シリセン、カルコゲン化物などがある。カルコゲン化物は、カルコゲンを含む化合物である。また、カルコゲンは、第１６族に属する元素の総称であり、酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム、リバモリウムが含まれる。また、カルコゲン化物として、遷移金属カルコゲナイド、１３族カルコゲナイドなどが挙げられる。
　酸化物２３０として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いることが好ましい。酸化物２３０として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的には、硫化モリブデン（代表的にはＭｏＳ２）、セレン化モリブデン（代表的にはＭｏＳｅ２）、モリブデンテルル（代表的にはＭｏＴｅ２）、硫化タングステン（代表的にはＷＳ２）、セレン化タングステン（代表的にはＷＳｅ２）、タングステンテルル（代表的にはＷＴｅ２）、硫化ハフニウム（代表的にはＨｆＳ２）、セレン化ハフニウム（代表的にはＨｆＳｅ２）、硫化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳ２）、セレン化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳｅ２）などが挙げられる。
＜半導体装置の作製方法＞
　次に、図１Ａ乃至図１Ｄに示す、本発明の一態様である半導体装置の作製方法を、図７Ａ乃至図１８Ｄを用いて説明する。
　各図のＡは、上面図を示す。また、各図のＢは、各図のＡに示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図のＣは、各図のＡにＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、各図のＤは、各図のＡにＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、各図のＡ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。
　以下において、絶縁体を形成するための絶縁性材料、導電体を形成するための導電性材料、または半導体を形成するための半導体材料は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを適宜用いて成膜することができる。
　なお、スパッタリング法にはスパッタリング用電源に高周波電源を用いるＲＦスパッタリング法、直流電源を用いるＤＣスパッタリング法、さらにパルス的に電極に印加する電圧を変化させるパルスＤＣスパッタリング法がある。ＲＦスパッタリング法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、ＤＣスパッタリング法は主に金属導電膜を成膜する場合に用いられる。また、パルスＤＣスパッタリング法は、主に、酸化物、窒化物、炭化物などの化合物をリアクティブスパッタリング法で成膜する際に用いられる。
　なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ　ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ　ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　ＣＶＤ）法に分けることができる。
　プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
　また、ＡＬＤ法としては、プリカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーのみで行う熱ＡＬＤ法、プラズマ励起されたリアクタントを用いるＰＥＡＬＤ法などを用いることができる。
　ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における気相反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
　また、ＣＶＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。例えば、ＣＶＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送および圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
　また、ＡＬＤ法では、異なる組成の複数のプリカーサを同時に導入する、または、異なる組成の複数のプリカーサを各プリカーサの１サイクル中の導入回数を制御することで任意の組成の膜を成膜することができる。
　まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１２を成膜する（図７Ａ乃至図７Ｄ参照。）。絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましい。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２１２中の水素濃度を低減することができる。ただし、絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法に限られるものではなく、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを適宜用いてもよい。
　本実施の形態では、絶縁体２１２として、窒素ガスを含む雰囲気でシリコンターゲットを用いて、パルスＤＣスパッタリング法で窒化シリコンを成膜する。パルスＤＣスパッタリング法を用いることで、ターゲット表面のアーキングによるパーティクルの発生を抑制することができるので、膜厚分布をより均一にすることができる。また、パルス電圧を用いることで、高周波電圧より、放電の立ち上がり、立ち下がりを急峻にすることができる。これにより、電極に、電力をより効率的に供給しスパッタレート、および膜質を向上することができる。
　窒化シリコンのように水、水素などの不純物が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体２１２より下層に含まれる水、水素などの不純物の拡散を抑制することができる。また、絶縁体２１２として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体２１２より下層（図示しない。）の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体２１２を介して上方に拡散するのを抑制することができる。
　次に、絶縁体２１２上に絶縁体２１４を成膜する（図７Ａ乃至図７Ｄ参照。）。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましい。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２１４中の水素濃度を低減することができる。ただし、絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法に限られるものではなく、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを適宜用いてもよい。
　本実施の形態では、絶縁体２１４として、酸素ガスを含む雰囲気でアルミニウムターゲットを用いて、パルスＤＣスパッタリング法で酸化アルミニウムを成膜する。パルスＤＣスパッタリング法を用いることで、膜厚分布をより均一にし、スパッタレート、および膜質を向上することができる。ここで、基板にＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力を印加してもよい。基板に印加するＲＦ電力の大きさによって、絶縁体２１４より下層へ注入する酸素量を制御することができる。ＲＦ電力としては、０Ｗ／ｃｍ２以上、１．８６Ｗ／ｃｍ２以下とする。つまり、絶縁体２１４の形成の際のＲＦ電力によって、トランジスタの特性に適する酸素量を変化させて注入することができる。従って、トランジスタの信頼性向上に適する酸素量を注入することができる。また、ＲＦの周波数は、１０ＭＨｚ以上が好ましい。代表的には、１３．５６ＭＨｚである。ＲＦの周波数が高いほど基板へ与えるダメージを小さくすることができる。
　絶縁体２１４として、水素を捕獲および水素を固着する機能が高い、アモルファス構造を有する金属酸化物、例えば酸化アルミニウムを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２１６などに含まれる水素を捕獲または固着し、当該水素が酸化物２３０に拡散するのを防ぐことができる。特に、絶縁体２１４として、アモルファス構造を有する酸化アルミニウム、またはアモルファス構造の酸化アルミニウムを用いることで、より効果的に水素を捕獲または固着できる場合があるため好ましい。これにより、良好な特性を有し、信頼性の高いトランジスタ２００、および半導体装置を作製することができる。
　次に、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましい。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２１６中の水素濃度を低減することができる。ただし、絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法に限られるものではなく、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを適宜用いてもよい。
　本実施の形態では、絶縁体２１６として、酸素ガスを含む雰囲気でシリコンターゲットを用いて、パルスＤＣスパッタリング法で酸化シリコンを成膜する。パルスＤＣスパッタリング法を用いることで、膜厚分布をより均一にし、スパッタレート、および膜質を向上することができる。
　絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は、大気に暴露することなく連続して成膜することが好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。これにより、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６を、膜中の水素を低減して成膜し、さらに、各成膜工程の合間に膜中に水素が混入するのを低減することができる。
　次に、絶縁体２１６に絶縁体２１４に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝、スリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１４は、絶縁体２１６をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体２１６に酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いた場合は、絶縁体２１４は窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムを用いるとよい。
　ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電圧を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
　開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。導電体２０５ａとなる導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。または、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体と、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０５ａとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　本実施の形態では、導電体２０５ａとなる導電膜として窒化チタンを成膜する。このような金属窒化物を導電体２０５ｂの下層に用いることにより、絶縁体２１６などによって、導電体２０５ｂが酸化されるのを抑制することができる。また、導電体２０５ｂとして銅などの拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０５ａから外に拡散するのを防ぐことができる。
　次に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２０５ｂとなる導電膜としては、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金などを用いることができる。該導電膜の成膜は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体２０５ｂとなる導電膜として、タングステンを成膜する。
　次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０５ａとなる導電膜および導電体２０５ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する（図７Ａ乃至図７Ｄ参照。）。その結果、開口部のみに、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂが残存する。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１６の一部が除去される場合がある。
　次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２２を成膜する（図８Ａ乃至図８Ｄ参照。）。絶縁体２２２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２２が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体２２２を通じてトランジスタ２００の内側へ拡散することが抑制され、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
　絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２２２として、ＡＬＤ法を用いて、酸化ハフニウムを成膜する。
　続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、窒素ガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理をする場合、酸素ガスを２０％程度にすればよい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
　また、上記加熱処理で用いるガスは、高純度化されていることが好ましい。例えば、上記加熱処理で用いるガスに含まれる水分量が１ｐｐｂ以下、好ましくは０．１ｐｐｂ以下、より好ましくは０．０５ｐｐｂ以下にすればよい。高純度化されたガスを用いて加熱処理を行うことで、絶縁体２２２などに水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
　本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２２の成膜後に、窒素ガスと酸素ガスの流量比を４ｓｌｍ：１ｓｌｍとして、４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体２２２に含まれる水、水素などの不純物を除去することなどができる。また、絶縁体２２２として、ハフニウムを含む酸化物を用いる場合、当該加熱処理によって、絶縁体２２２の一部が結晶化する場合がある。また、加熱処理は、絶縁体２２４の成膜後などのタイミングで行うこともできる。
　次に、絶縁体２２２上に絶縁膜２２４Ａを成膜する（図８Ａ乃至図８Ｄ参照。）。絶縁膜２２４Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁膜２２４Ａとして、スパッタリング法を用いて、酸化シリコンを成膜する。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁膜２２４Ａ中の水素濃度を低減することができる。絶縁膜２２４Ａは、後の工程で酸化物２３０ａと接するので、このように水素濃度が低減されていることが好適である。
　次に、絶縁膜２２４Ａ上に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図８Ａ乃至図８Ｄ参照。）。なお、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂは、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂとの界面近傍を清浄に保つことができる。
　酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂの成膜は、ＡＬＤ法を用いることで、アスペクト比の大きい溝や開口部に対しても、厚さの均一な膜を形成することができるため、好ましい。また、ＰＥＡＬＤ法を用いることで、熱ＡＬＤ法に比べて低温で酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂを形成することができるため、好ましい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法を用いる。
　例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットなどを用いることができる。
　特に、酸化膜２３０Ａの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。したがって、当該スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
　また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を、３０％を超えて１００％以下、好ましくは７０％以上１００％以下として成膜すると、酸素過剰型の酸化物半導体が形成される。酸素過剰型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い信頼性が得られる。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。また、基板を加熱しながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。
　本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の酸化物ターゲット、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の酸化物ターゲット、または、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに求める特性に合わせて形成するとよい。
　なお、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを、大気に暴露することなく、スパッタリング法で成膜することが好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。これにより、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂについて、各成膜工程の合間に膜中に水素が混入するのを低減することができる。
　次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂが多結晶化しない温度範囲で行えばよく、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは４００℃以上６００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、窒素ガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理をする場合、酸素ガスを２０％程度にすればよい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
　また、上記加熱処理で用いるガスは、高純度化されていることが好ましい。例えば、上記加熱処理で用いるガスに含まれる水分量が１ｐｐｂ以下、好ましくは０．１ｐｐｂ以下、より好ましくは０．０５ｐｐｂ以下にすればよい。高純度化されたガスを用いて加熱処理を行うことで、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂなどに水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
　本実施の形態では、加熱処理として、窒素ガスと酸素ガスの流量比を４ｓｌｍ：１ｓｌｍとして、４５０℃の温度で１時間の処理を行う。このような酸素ガスを含む加熱処理によって、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂ中の炭素、水、水素などの不純物を低減することなどができる。このように膜中の不純物を低減することで、酸化膜２３０Ｂの結晶性を向上させ、より密度の高い、緻密な構造にすることができる。これにより、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂ中の結晶領域を増大させ、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂ中における、結晶領域の面内ばらつきを低減することができる。よって、トランジスタ２００の電気特性の面内ばらつきを低減することができる。
　次に、酸化膜２３０Ｂ上に導電膜２４２Ａを成膜する（図８Ａ乃至図８Ｄ参照。）。導電膜２４２Ａの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、導電膜２４２Ａとして、スパッタリング法を用いて窒化タンタルを成膜すればよい。なお、導電膜２４２Ａの成膜前に、加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して導電膜２４２Ａを成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化膜２３０Ｂの表面に吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とする。
　次に、導電膜２４２Ａ上に絶縁膜２７１Ａを成膜する（図８Ａ乃至図８Ｄ参照。）。絶縁膜２７１Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁膜２７１Ａは、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、絶縁膜２７１Ａとして、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム、または窒化シリコンを成膜すればよい。
　なお、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７１Ａを、大気に暴露することなく、スパッタリング法で成膜することが好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。これにより、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７１Ａを、膜中の水素を低減して成膜し、さらに、各成膜工程の合間に膜中に水素が混入するのを低減することができる。また、絶縁膜２７１Ａ上にハードマスクを設ける場合、当該ハードマスクとなる膜も大気に暴露することなく連続して成膜すればよい。
　次に、リソグラフィー法を用いて、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７１Ａを島状に加工して、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂを形成する（図９Ａ乃至図９Ｄ参照。）。ここで、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。上記加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。また、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７１Ａの加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。
　なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体、または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ　Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームまたはイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームまたはイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことで、除去することができる。
　さらに、レジストマスクの下に絶縁体または導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電膜２４２Ａ上にハードマスク材料となる絶縁膜または導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。導電膜２４２Ａなどのエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。導電膜２４２Ａなどのエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。本実施の形態では、絶縁層２７１Ｂをハードマスクとして用いている。
　ここで、絶縁層２７１Ｂが導電層２４２Ｂのマスクとして機能するので、図９Ｂ乃至図９Ｄに示すように、導電層２４２Ｂは側面と上面の間に湾曲面を有さない。これにより、図１Ｂおよび図１Ｄに示す導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、側面と上面が交わる端部が角状になる。導電体２４２の側面と上面が交わる端部が角状になることで、当該端部が曲面を有する場合に比べて、導電体２４２の断面積が大きくなる。これにより、導電体２４２の抵抗が低減されるので、トランジスタ２００のオン電流を大きくすることができる。
　また、図９Ｂ乃至図９Ｄに示すように、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂの断面がテーパー形状になっていてもよい。なお、本明細書等において、テーパー形状とは、構造の側面の少なくとも一部が、基板面に対して傾斜して設けられている形状のことを指す。例えば、傾斜した側面と基板面とがなす角（以下、テーパー角と呼ぶ場合がある。）が９０°未満であることが好ましい。絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂは、例えば、テーパー角が６０°以上９０°未満になるようにすればよい。このように断面をテーパー形状にすることで、これより後の工程において、絶縁体２７５などの被覆性が向上し、鬆などの欠陥を低減することができる。
　ただし、上記に限られず、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直になる構成にしてもよい。このような構成にすることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。
　また、上記エッチング工程で発生した副生成物が、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂの側面に層状に形成される場合がある。この場合、当該層状の副生成物が、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂと絶縁体２７５の間に形成されることになる。よって、絶縁体２２２の上面に接して形成された当該層状の副生成物は、除去することが好ましい。
　次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂを覆って、絶縁体２７５を成膜する（図１０Ａ乃至図１０Ｄ参照。）。ここで、絶縁体２７５は、絶縁体２２２の上面および絶縁体２２４の側面に密接することが好ましい。絶縁体２７５の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２７５は、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２７５として、スパッタリング法を用いて、酸化アルミニウムを成膜し、その上にＰＥＡＬＤ法を用いて窒化シリコンを成膜すればよい。絶縁体２７５をこのような積層構造とすることで、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能が向上することがある。
　このようにして、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂを、酸素の拡散を抑制する機能を有する、絶縁体２７５、および絶縁層２７１Ｂで覆うことができる。これにより、のちの工程で、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂに、絶縁体２８０などから酸素が直接拡散するのを低減することができる。
　次に、絶縁体２７５上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、当該絶縁膜として、スパッタリング法を用いて酸化シリコン膜を成膜すればよい。当該絶縁膜を、酸素を含む雰囲気で、スパッタリング法で成膜することで、過剰酸素を含む絶縁体２８０を形成することができる。また、成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２８０中の水素濃度を低減することができる。なお、当該絶縁膜の成膜前に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して当該絶縁膜を成膜してもよい。このような処理を行うことによって、絶縁体２７５の表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ中、酸化物２３０ｂ中、および絶縁体２２４中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。当該加熱処理には、上述した加熱処理条件を用いることができる。
　次に、上記絶縁体２８０となる絶縁膜にＣＭＰ処理を行い、上面が平坦な絶縁体２８０を形成する（図１０Ａ乃至図１０Ｄ参照。）。なお、絶縁体２８０上に、例えば、スパッタリング法によって窒化シリコンを成膜し、該窒化シリコンを絶縁体２８０に達するまで、ＣＭＰ処理を行ってもよい。
　次に、絶縁体２８０の一部、絶縁体２７５の一部、絶縁層２７１Ｂの一部、導電層２４２Ｂの一部を加工して、酸化物２３０ｂに達する開口を形成する。当該開口は、導電体２０５と重なるように形成することが好ましい。当該開口の形成によって、絶縁体２７１ａ、絶縁体２７１ｂ、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂを形成する（図１１Ａ乃至図１１Ｄ参照。）。
　ここで、図１１Ｂおよび図１１Ｃに示すように、絶縁体２８０、絶縁体２７５、絶縁体２７１、および導電体２４２の側面がテーパー形状となる場合がある。また、絶縁体２８０のテーパー角が、導電体２４２のテーパー角より大きくなる場合がある。また、図１１Ａ乃至図１１Ｃには図示していないが、上記開口を形成する際に、酸化物２３０ｂの上部が除去される場合がある。
　また、絶縁体２８０の一部、絶縁体２７５の一部、絶縁層２７１Ｂの一部、および導電層２４２Ｂの一部の加工は、ドライエッチング法、またはウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。また、当該加工は、それぞれ異なる条件で行ってもよい。例えば、絶縁体２８０の一部をドライエッチング法で加工し、絶縁体２７５の一部、および絶縁層２７１Ｂの一部をウェットエッチング法で加工し、導電層２４２Ｂの一部をドライエッチング法で加工してもよい。
　ここで、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの上面および側面、導電体２４２の側面、絶縁体２８０の側面などへの不純物の付着や、これらの内部への該不純物の拡散が生じる場合がある。このような不純物を除去する工程を行ってもよい。また、上記ドライエッチングで酸化物２３０ｂ表面に損傷領域が形成される場合がある。このような損傷領域を除去してもよい。当該不純物としては、絶縁体２８０、絶縁体２７５、絶縁層２７１Ｂの一部、および導電層２４２Ｂに含まれる成分、上記開口を形成する際に用いられる装置に使われている部材に含まれる成分、エッチングに使用するガスまたは液体に含まれる成分などに起因したものが挙げられる。当該不純物としては、例えば、ハフニウム、アルミニウム、シリコン、タンタル、フッ素、塩素などがある。
　特に、アルミニウム、またはシリコンなどの不純物は、酸化物２３０ｂのＣＡＡＣ−ＯＳ化を阻害する。よって、アルミニウム、またはシリコンなどの、ＣＡＡＣ−ＯＳ化を阻害する不純物元素が、低減または除去されていることが好ましい。例えば、酸化物２３０ｂ、およびその近傍における、アルミニウム原子の濃度が、５．０原子％以下とすればよく、２．０原子％以下が好ましく、１．５原子％以下がより好ましく、１．０原子％以下がさらに好ましく、０．３原子％未満がさらに好ましい。
　なお、アルミニウム、またはシリコンなどの不純物によりＣＡＡＣ−ＯＳ化が阻害され、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）となった金属酸化物の領域を、非ＣＡＡＣ領域と呼ぶ場合がある。非ＣＡＡＣ領域では、結晶構造の緻密さが低下しているため、ＶＯＨが多量に形成され、トランジスタがノーマリーオン化しやすくなる。よって、酸化物２３０ｂの非ＣＡＡＣ領域は、低減または除去されていることが好ましい。
　これに対して、酸化物２３０ｂに層状のＣＡＡＣ構造を有していることが好ましい。特に、酸化物２３０ｂのドレイン下端部までＣＡＡＣ構造を有することが好ましい。ここで、トランジスタ２００において、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂ、およびその近傍がドレインとして機能する。つまり、導電体２４２ａ（導電体２４２ｂ）の下端部近傍の、酸化物２３０ｂが、ＣＡＡＣ構造を有することが好ましい。このように、ドレイン耐圧に顕著に影響するドレイン端部においても、酸化物２３０ｂの損傷領域が除去され、ＣＡＡＣ構造を有することで、トランジスタ２００の電気特性の変動をさらに抑制することができる。また、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
　上記エッチング工程で酸化物２３０ｂ表面に付着した不純物などを除去するために、洗浄処理を行う。洗浄方法としては、洗浄液などを用いたウェット洗浄（ウェットエッチング処理ということもできる。）、プラズマを用いたプラズマ処理、熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。なお、当該洗浄処理によって、上記溝部が深くなる場合がある。
　ウェット洗浄は、アンモニア水、シュウ酸、リン酸、フッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液、純水、炭酸水などを用いて行ってもよい。または、これらの水溶液、純水、または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。または、これらの洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
　なお、本明細書等では、フッ化水素酸を純水で希釈した水溶液を希釈フッ化水素酸と呼び、アンモニア水を純水で希釈した水溶液を希釈アンモニア水と呼ぶ場合がある。また、当該水溶液の濃度、温度などは、除去したい不純物、洗浄される半導体装置の構成などによって、適宜調整すればよい。希釈アンモニア水のアンモニア濃度は０．０１％以上５％以下、好ましくは０．１％以上０．５％以下とすればよい。また、希釈フッ化水素酸のフッ化水素濃度は０．０１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下とすればよい。
　なお、超音波洗浄には、２００ｋＨｚ以上、好ましくは９００ｋＨｚ以上の周波数を用いる。当該周波数を用いることで、酸化物２３０ｂなどへのダメージを低減することができる。
　また、上記洗浄処理を複数回行ってもよく、洗浄処理毎に洗浄液を変更してもよい。例えば、第１の洗浄処理として希釈フッ化水素酸、または希釈アンモニア水を用いた処理を行い、第２の洗浄処理として純水、または炭酸水を用いた処理を行ってもよい。
　上記洗浄処理として、本実施の形態では、希釈フッ化水素酸を用いてウェット洗浄を行う。当該洗浄処理を行うことで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂなどの表面に付着または内部に拡散した不純物を除去することができる。さらに、酸化物２３０ｂの結晶性を高めることができる。
　これまでのエッチング後、または上記洗浄後に加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、１００℃以上４５０℃以下、好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに酸素を供給して、酸素欠損の低減を図ることができる。また、このような熱処理を行うことで、酸化物２３０ｂの結晶性を向上させることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、酸素雰囲気で加熱処理した後に、大気に露出せずに連続して窒素雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
　次に絶縁膜２５２Ａを成膜する（図１２Ａ乃至図１２Ｄ参照）。絶縁膜２５２Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。本実施の形態では、絶縁膜２５２Ａとして、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウムを成膜する。絶縁膜２５２Ａは、絶縁体２８０等によって形成される開口の底面および側面に、被覆性良く成膜される必要がある。ＡＬＤ法による成膜は、当該開口の底面および側面において、原子の層を一層ずつ堆積させることができるので、絶縁膜２５２Ａを当該開口に対して良好な被覆性で成膜することができる。
　次に、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことが好ましい（図１２Ａ乃至図１２Ｄ参照）。ここで、マイクロ波処理とは、例えばマイクロ波を用いて高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いた処理のことを指す。また、本明細書などにおいて、マイクロ波とは、３００ＭＨｚ以上３００ＧＨｚ以下の周波数を有する電磁波を指すものとする。
　図１２Ｂ乃至図１２Ｄに示す点線は、マイクロ波、ＲＦなどの高周波酸素プラズマ、または酸素ラジカルなどを示す。マイクロ波処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する、マイクロ波処理装置を用いることが好ましい。ここで、マイクロ波処理装置の周波数は、３００ＭＨｚ以上３００ＧＨｚ以下、好ましくは２．４ＧＨｚ以上２．５ＧＨｚ以下、例えば、２．４５ＧＨｚにすればよい。また、マイクロ波処理装置のマイクロ波を印加する電源の電力は、１０００Ｗ以上１００００Ｗ以下、好ましくは２０００Ｗ以上５０００Ｗ以下にすればよい。また、マイクロ波処理装置は基板側にＲＦを印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができる。また、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素イオンを、効率よく酸化物２３０ｂ中に導くことができる。
　また、上記マイクロ波処理は、減圧下で行うことが好ましく、圧力は、１０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、好ましくは３００Ｐａ以上７００Ｐａ以下にすればよい。また、処理温度は、７５０℃以下、好ましくは５００℃以下、例えば４００℃程度で行えばよい。また、酸素プラズマ処理を行った後に、外気に曝すことなく、連続して熱処理を行ってもよい。例えば、１００℃以上７５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下にすればよい。
　また、例えば、上記マイクロ波処理は、酸素ガスとアルゴンガスを用いて行えばよい。ここで、酸素流量比（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））は、０％より大きく、１００％以下にすればよい。好ましくは、酸素流量比（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））を、０％より大きく、５０％以下にすればよい。より好ましくは、酸素流量比（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））を、１０％以上、４０％以下にすればよい。さらに好ましくは、酸素流量比（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））を、１０％以上、３０％以下にすればよい。このように、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことで、領域２３０ｂｃ中のキャリア濃度を低下させることができる。また、マイクロ波処理において、チャンバーに過剰な量の酸素が導入されないようにすることで、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂでキャリア濃度が過剰に低下するのを防ぐことができる。
　図１２Ｂ乃至図１２Ｄに示すように、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことで、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波を用いて酸素ガスをプラズマ化し、当該酸素プラズマを酸化物２３０ｂの導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域に作用させることができる。このとき、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波を領域２３０ｂｃに照射することもできる。つまり、図３Ａに示す領域２３０ｂｃに、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波酸素プラズマなどを作用させることができる。プラズマ、マイクロ波などの作用により、領域２３０ｂｃのＶＯＨを分断し、水素Ｈを領域２３０ｂｃから除去することができる。つまり、領域２３０ｂｃにおいて、「ＶＯＨ→Ｈ＋ＶＯ」という反応が起きて、領域２３０ｂｃに含まれるＶＯＨを低減することができる。よって、領域２３０ｂｃ中の酸素欠損、およびＶＯＨを低減し、キャリア濃度を低下させることができる。また、領域２３０ｂｃで形成された酸素欠損に、上記酸素プラズマで発生した酸素ラジカル、または絶縁体２５０に含まれる酸素を供給することで、さらに、領域２３０ｂｃ中の酸素欠損を低減し、キャリア濃度を低下させることができる。
　一方、図３Ａに示す領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂ上には、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂが設けられている。ここで、導電体２４２は、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行う際、マイクロ波、ＲＦ等の高周波、酸素プラズマなどの作用に対する遮蔽膜として機能することが好ましい。このため、導電体２４２は、３００ＭＨｚ以上３００ＧＨｚ以下、例えば、２．４ＧＨｚ以上２．５ＧＨｚ以下の電磁波を遮蔽する機能を有することが好ましい。
　図１２Ｂ乃至図１２Ｄに示すように、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波酸素プラズマなどの作用を遮蔽するので、これらの作用は領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂには及ばない。これにより、マイクロ波処理によって、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂで、ＶＯＨの低減、および過剰な量の酸素供給が発生しないので、キャリア濃度の低下を防ぐことができる。
　このようにして、酸化物半導体の領域２３０ｂｃで選択的に酸素欠損、およびＶＯＨを除去して、領域２３０ｂｃをｉ型または実質的にｉ型とすることができる。さらに、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂに過剰な酸素が供給されるのを抑制し、ｎ型化を維持することができる。これにより、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制し、基板面内でトランジスタ２００の電気特性がばらつくのを抑制することができる。
　なお、マイクロ波処理では、マイクロ波と酸化物２３０ｂ中の分子の電磁気的な相互作用により、酸化物２３０ｂに直接的に熱エネルギーを伝達する場合がある。この熱エネルギーにより、酸化物２３０ｂが加熱される場合がある。このような加熱処理をマイクロ波アニールと呼ぶ場合がある。マイクロ波処理を、酸素を含む雰囲気中で行うことで、酸素アニールと同等の効果が得られる場合がある。また、酸化物２３０ｂに水素が含まれる場合、この熱エネルギーが酸化物２３０ｂ中の水素に伝わり、これにより活性化した水素が酸化物２３０ｂから放出されることが考えられる。
　次に絶縁膜２５０Ａを成膜する（図１３Ａ乃至図１３Ｄ参照）。絶縁膜２５０Ａの成膜前に加熱処理を行ってもよく、当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して絶縁膜２５０Ａを成膜してもよい。また、当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気で行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化物２３０ｂの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。
　絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。また、絶縁膜２５０Ａは、水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁膜２５０Ａの水素濃度を低減することができる。絶縁膜２５０Ａは、後の工程で酸化物２３０ｂと接する絶縁体２５０となるので、このように水素濃度が低減されていることが好適である。
　また、絶縁膜２５０Ａは、シリコンを含み、炭化水素を含まないガス（プリカーサ）、酸化性ガス（リアクタント）、および希釈ガスを用いて、ＰＥＡＬＤ法によって成膜することが好ましい。微細化されたトランジスタ２００の、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体２５０の膜厚は、極めて薄く（例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下程度。）、且つバラつきが小さくなるようにする必要がある。これに対して、ＰＥＡＬＤ法は、プリカーサと、リアクタント（酸化剤）および希釈ガスとを交互に導入して行う成膜方法であり、このサイクルを繰り返す回数によって膜厚を調節することができるため、精密な膜厚調節が可能である。よって、微細化されたトランジスタ２００が要求するゲート絶縁膜の精度を達成することができる。また、ＰＥＡＬＤ法を用いることで、比較的低い基板温度で成膜することができる。なお、ＰＥＡＬＤ法では、プリカーサの導入と、リアクタント（酸化剤）および希釈ガスを導入した状態での高周波電力の印加と、を交互に行う場合がある。
　また、シリコンを含み、炭化水素を含まないガス（プリカーサ）、酸化性ガス（リアクタント）、および希釈ガスを用いることで、絶縁膜２５０Ａ中、および酸化物２３０ｂへの水素の混入を抑制することができる。また、炭素等の不純物を含むプリカーサ、例えば炭化水素を有する有機プリカーサを用いていないので、絶縁膜２５０Ａ中に炭素等の不純物、炭化水素などが混入することを抑制できる。このように不純物などを含まない、より緻密な膜を形成できるため、酸化物２３０ｂから絶縁膜２５２Ａを介して、絶縁膜２５０ＡにＩｎが拡散することを防止することができる。
　本実施の形態では、絶縁膜２５０Ａの成膜は、図５に示すプロセスフロー、図６Ａ、および図６Ｂに示すシーケンスに従って、ステップＳ０１乃至ステップＳ０４を１サイクルとして所望の膜厚に達するまで繰り返し行う。
　次に、絶縁膜２５０Ｂを成膜する（図１３Ａ乃至図１３Ｄ参照）。絶縁膜２５０Ｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２５０Ｂは、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体２５０ａに含まれる酸素が、導電体２６０へ拡散するのを抑制することができる。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０ａに含まれる酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。例えば、絶縁膜２５０Ａは、上述した絶縁体２５０に用いることができる材料を用いて設け、絶縁膜２５０Ｂは、絶縁体２２２と同様の材料を用いて設けることができる。
　絶縁膜２５０Ｂとして、具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、マグネシウムなどから選ばれた一種、もしくは二種以上が含まれた金属酸化物、または酸化物２３０として用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることが好ましい。
　本実施の形態では、絶縁膜２５０Ｂとして酸化ハフニウムを熱ＡＬＤ法で成膜する。
　絶縁膜２５０Ｂの成膜後にマイクロ波処理を行ってもよい（図１３Ａ乃至図１３Ｄ参照）。当該マイクロ波処理は、前述の絶縁膜２５０Ａの成膜後に行うマイクロ波処理条件を用いてもよい。また、絶縁膜２５０Ａの成膜後に行うマイクロ波処理は行わずに、絶縁膜２５０Ｂの成膜後にマイクロ波処理を行ってもよい。
　また、絶縁膜２５２Ａ、絶縁膜２５０Ａの成膜後、および絶縁膜２５０Ｂの成膜後それぞれのマイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行ってもよい。このような処理を行うことで、絶縁膜２５２Ａ中、絶縁膜２５０Ａ中、絶縁膜２５０Ｂ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素を効率よく除去することができる。また、水素の一部は、導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）にゲッタリングされる場合がある。または、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行うステップを複数回繰り返して行ってもよい。加熱処理を繰り返し行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素をさらに効率よく除去することができる。なお、加熱処理温度は、３００℃以上５００℃以下とすることが好ましい。また、上記マイクロ波処理、すなわちマイクロ波アニールが該加熱処理を兼ねてもよい。マイクロ波アニールにより、酸化物２３０ｂなどが十分加熱される場合、該加熱処理を行わなくてもよい。
　また、マイクロ波処理を行って絶縁膜２５２Ａ、絶縁膜２５０Ａ、および絶縁膜２５０Ｂの膜質を改質することで、水素、水、不純物等の拡散を抑制することができる。従って、導電体２６０となる導電膜の成膜などの後工程、または熱処理などの後処理により、絶縁体２５０を介して、水素、水、不純物等が、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａなどへ拡散することを抑制することができる。
　次に、導電体２６０ａとなる導電膜、導電体２６０ｂとなる導電膜を順に成膜する。導電体２６０ａとなる導電膜および導電体２６０ｂとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電体２６０ａとなる導電膜を成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電体２６０ｂとなる導電膜を成膜する。
　次に、ＣＭＰ処理によって、絶縁膜２５２Ａ、絶縁膜２５０Ａ、絶縁膜２５０Ｂ、導電体２６０ａとなる導電膜、および導電体２６０ｂとなる導電膜を絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、絶縁体２５２、絶縁体２５０ａ、絶縁体２５０ｂ、および導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）を形成する（図１４Ａ乃至図１４Ｄ参照。）。これにより、絶縁体２５２は、酸化物２３０ｂに達する開口を覆うように配置される。また、導電体２６０は、絶縁体２５２、および絶縁体２５０を介して、上記開口を埋め込むように配置される。
　次に、上記の加熱処理と同様の条件で加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。該加熱処理によって、絶縁体２５０および絶縁体２８０中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。なお、上記加熱処理後、大気に曝すことなく連続して、絶縁体２８２の成膜を行ってもよい。
　次に、絶縁体２５２上、絶縁体２５０上、導電体２６０上、および絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成する（図１５Ａ乃至図１５Ｄ参照。）。絶縁体２８２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８２の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましい。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２８２中の水素濃度を低減することができる。
　本実施の形態では、絶縁体２８２として、酸素ガスを含む雰囲気でアルミニウムターゲットを用いて、パルスＤＣスパッタリング法で酸化アルミニウムを成膜する。パルスＤＣスパッタリング法を用いることで、膜厚分布をより均一にし、スパッタレート、および膜質を向上することができる。
　次に、リソグラフィー法によって、絶縁体２８２上にエッチングマスクを形成し、絶縁体２８２の一部、絶縁体２８０の一部、絶縁体２７５の一部、絶縁体２２２の一部、および絶縁体２１６の一部を絶縁体２１４の上面に到達するまで加工する（図１６Ａ乃至図１６Ｄ参照。）。当該加工は、ウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。
　次に加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは４００℃以上６００℃以下で行えばよい。また、当該加熱処理は、酸化膜２３０Ｂ成膜後に行う加熱処理温度よりも低いことが好ましい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で行う。当該加熱処理を行うことで、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７５、絶縁体２２２、および絶縁体２１６の加工により、形成された絶縁体２８０の側面から、絶縁体２８０に含まれる酸素、および当該酸素と結合した水素を外部に放出することができる。ならびに、絶縁体２８０に含まれる酸素、および当該酸素と結合した水素を、外部に放出することができる。尚、酸素と結合した水素は、水として放出される。従って、絶縁体２８０に含まれる、不要な酸素、および水素を低減することができる。
　次に、絶縁体２８２上に、絶縁体２８３を形成する（図１７Ａ乃至図１７Ｄ参照。）。絶縁体２８３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８３の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましい。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２８３中の水素濃度を低減することができる。また、絶縁体２８３は、多層としてもよい。例えば、スパッタリング法を用いて、窒化シリコンを成膜し、当該窒化シリコン上に、ＡＬＤ法を用いて窒化シリコンを成膜してもよい。バリア性の高い絶縁体２８３および絶縁体２１４でトランジスタ２００を包み込むことで、外部から水分、および水素が侵入するのを防止することができる。
　次に、絶縁体２８３上に、絶縁体２７４を形成する。絶縁体２７４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２７４として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
　次に、ＣＭＰ処理によって、絶縁体２７４を絶縁体２８３が露出するまで研磨することによって、絶縁体２７４の上面を平坦化する（図１７Ａ乃至図１７Ｄ参照。）。当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８３の上面の一部が除去される場合がある。
　次に、絶縁体２７４上、および絶縁体２８３上に、絶縁体２８５を形成する（図１８Ａ乃至図１８Ｄ参照。）。絶縁体２８５の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８５の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましい。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２８５中の水素濃度を低減することができる。
　本実施の形態では、絶縁体２８５として、酸素ガスを含む雰囲気でアルミニウムターゲットを用いて、パルスＤＣスパッタリング法で酸化アルミニウムを成膜する。パルスＤＣスパッタリング法を用いることで、膜厚分布をより均一にし、スパッタレート、および膜質を向上することができる。
　次に、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５に、導電体２４２に達する開口を形成する（図１８Ａおよび図１８Ｂ参照。）。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、図１８Ａで当該開口の形状は、上面視において円形状にしているが、これに限られるものではない。例えば、当該開口が、上面視において、楕円などの略円形状、四角形などの多角形状、四角形等の多角形の角部を丸めた形状になっていてもよい。
　次に、絶縁体２４１となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして絶縁体２４１を形成する。（図１８Ｂ参照。）。絶縁体２４１となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２４１となる絶縁膜としては、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ＡＬＤ法を用いて、酸化アルミニウムを成膜し、その上に、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜することが好ましい。窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好ましい。
　また、絶縁体２４１となる絶縁膜の異方性エッチングとしては、例えばドライエッチング法などを用いればよい。開口の側壁部に絶縁体２４１を設けることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに、絶縁体２８０などに含まれる、水、水素などの不純物が拡散することを防ぐことができる。
　次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。当該導電膜は、水、水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅などとの積層とすることができる。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８５の上面を露出する。その結果、開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（図１８Ａ乃至図１８Ｄ参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８５の上面の一部が除去される場合がある。
　次に、導電体２４６となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　次に、導電体２４６となる導電膜をリソグラフィー法によって加工し、導電体２４０ａの上面と接する導電体２４６ａ、および導電体２４０ｂの上面と接する導電体２４６ｂを形成する。この時、導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂと、絶縁体２８５とが重ならない領域の絶縁体２８５の一部が除去されることがある。
　以上により、図１Ａ乃至図１Ｄに示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。図７Ａ乃至図１８Ｄに示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ２００を作製することができる。
＜マイクロ波処理装置＞
　以下では、上記半導体装置の作製方法に用いることができる、マイクロ波処理装置について説明する。
　まずは、半導体装置などの製造時に不純物の混入が少ない製造装置の構成について図１９乃至図２２を用いて説明する。
　図１９は、枚葉式マルチチャンバーの製造装置２７００の上面図を模式的に示している。製造装置２７００は、基板を収容するカセットポート２７６１と、基板のアライメントを行うアライメントポート２７６２と、を備える大気側基板供給室２７０１と、大気側基板供給室２７０１から、基板を搬送する大気側基板搬送室２７０２と、基板の搬入を行い、かつ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室２７０３ａと、基板の搬出を行い、かつ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロードロック室２７０３ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室２７０４と、チャンバー２７０６ａと、チャンバー２７０６ｂと、チャンバー２７０６ｃと、チャンバー２７０６ｄと、を有する。
　また、大気側基板搬送室２７０２は、ロードロック室２７０３ａおよびアンロードロック室２７０３ｂと接続され、ロードロック室２７０３ａおよびアンロードロック室２７０３ｂは、搬送室２７０４と接続され、搬送室２７０４は、チャンバー２７０６ａ、チャンバー２７０６ｂ、チャンバー２７０６ｃおよびチャンバー２７０６ｄと接続する。
　なお、各室の接続部にはゲートバルブＧＶが設けられており、大気側基板供給室２７０１と、大気側基板搬送室２７０２を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板搬送室２７０２には搬送ロボット２７６３ａが設けられており、搬送室２７０４には搬送ロボット２７６３ｂが設けられている。搬送ロボット２７６３ａおよび搬送ロボット２７６３ｂによって、製造装置２７００内で基板を搬送することができる。
　搬送室２７０４および各チャンバーの背圧（全圧）は、例えば、１×１０−４Ｐａ以下、好ましくは３×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０−５Ｐａ以下とする。また、搬送室２７０４および各チャンバーの質量電荷比（ｍ／ｚ）が１８である気体分子（原子）の分圧は、例えば、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下とする。また、搬送室２７０４および各チャンバーのｍ／ｚが２８である気体分子（原子）の分圧は、例えば、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下とする。また、搬送室２７０４および各チャンバーのｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の分圧は、例えば、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下とする。
　なお、搬送室２７０４および各チャンバー内の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極形質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓともいう。）Ｑｕｌｅｅ　ＣＧＭ−０５１を用いればよい。
　また、搬送室２７０４および各チャンバーは、外部リークまたは内部リークが少ない構成とすることが望ましい。例えば、搬送室２７０４および各チャンバーのリークレートは、３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。また、例えば、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−７Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは３×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。また、例えば、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−５Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。また、例えば、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）のリークレートが３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。
　なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧および分圧から導出すればよい。リークレートは、外部リークおよび内部リークに依存する。外部リークは、微小な穴、シール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れまたは内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リークおよび内部リークの両面から対策をとる必要がある。
　例えば、搬送室２７０４および各チャンバーの開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。
　また、製造装置２７００を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の不純物を含む放出ガスの少ない金属を鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低減できる。
　または、前述の製造装置２７００の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで被覆してもよい。
　製造装置２７００の部材は、極力金属のみで構成することが好ましく、例えば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。
　搬送室２７０４および各チャンバーに存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために搬送室２７０４および各チャンバーの圧力に影響しないが、搬送室２７０４および各チャンバーを排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、搬送室２７０４および各チャンバーに存在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、搬送室２７０４および各チャンバーをベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくすることができる。ベーキングは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを搬送室２７０４および各チャンバーに導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。なお、導入する不活性ガスをベーキングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。
　または、加熱した希ガスなどの不活性ガスまたは酸素などを導入することで搬送室２７０４および各チャンバー内の圧力を高め、一定時間経過後に再び搬送室２７０４および各チャンバーを排気する処理を行うと好ましい。加熱したガスの導入により搬送室２７０４および各チャンバー内の吸着物を脱離させることができ、搬送室２７０４および各チャンバー内に存在する不純物を低減することができる。なお、この処理は２回以上３０回以下、好ましくは５回以上１５回以下の範囲で繰り返し行うと効果的である。具体的には、温度が４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下である不活性ガスまたは酸素などを導入することで搬送室２７０４および各チャンバー内の圧力を０．１Ｐａ以上１０ｋＰａ以下、好ましくは１Ｐａ以上１ｋＰａ以下、さらに好ましくは５Ｐａ以上１００Ｐａ以下とし、圧力を保つ期間を１分以上３００分以下、好ましくは５分以上１２０分以下とすればよい。その後、搬送室２７０４および各チャンバーを５分以上３００分以下、好ましくは１０分以上１２０分以下の期間排気する。
　次に、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃについて図２０に示す断面模式図を用いて説明する。
　チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃは、例えば、被処理物にマイクロ波処理を行うことが可能なチャンバーである。なお、チャンバー２７０６ｂと、チャンバー２７０６ｃと、はマイクロ波処理を行う際の雰囲気が異なるのみである。そのほかの構成については共通するため、以下ではまとめて説明を行う。
　チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃは、スロットアンテナ板２８０８と、誘電体板２８０９と、基板ホルダ２８１２と、排気口２８１９と、を有する。また、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃの外などには、ガス供給源２８０１と、バルブ２８０２と、高周波発生器２８０３と、導波管２８０４と、モード変換器２８０５と、ガス管２８０６と、導波管２８０７と、マッチングボックス２８１５と、高周波電源２８１６と、真空ポンプ２８１７と、バルブ２８１８と、が設けられる。
　高周波発生器２８０３は、導波管２８０４を介してモード変換器２８０５と接続している。モード変換器２８０５は、導波管２８０７を介してスロットアンテナ板２８０８に接続している。スロットアンテナ板２８０８は、誘電体板２８０９と接して配置される。また、ガス供給源２８０１は、バルブ２８０２を介してモード変換器２８０５に接続している。そして、モード変換器２８０５、導波管２８０７および誘電体板２８０９を通るガス管２８０６によって、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃにガスが送られる。また、真空ポンプ２８１７は、バルブ２８１８および排気口２８１９を介して、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃからガスなどを排気する機能を有する。また、高周波電源２８１６は、マッチングボックス２８１５を介して基板ホルダ２８１２に接続している。
　基板ホルダ２８１２は、基板２８１１を保持する機能を有する。例えば、基板２８１１を静電チャックまたは機械的にチャックする機能を有する。また、高周波電源２８１６から電力を供給される電極としての機能を有する。また、内部に加熱機構２８１３を有し、基板２８１１を加熱する機能を有する。
　真空ポンプ２８１７としては、例えば、ドライポンプ、メカニカルブースターポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプ、クライオポンプまたはターボ分子ポンプなどを用いることができる。また、真空ポンプ２８１７に加えて、クライオトラップを用いてもよい。クライオポンプおよびクライオトラップを用いると、水を効率よく排気できて特に好ましい。
　また、加熱機構２８１３としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構とすればよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ　Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）またはＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ　Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を用いることができる。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて加熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。
　また、ガス供給源２８０１は、マスフローコントローラを介して、精製機と接続されていてもよい。ガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いることが好ましい。例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス（アルゴンガスなど）を用いればよい。
　誘電体板２８０９としては、例えば、酸化シリコン（石英）、酸化アルミニウム（アルミナ）または酸化イットリウム（イットリア）などを用いればよい。また、誘電体板２８０９の表面に、さらに別の保護層が形成されていてもよい。保護層としては、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化クロム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化アルミニウムまたは酸化イットリウムなどを用いればよい。誘電体板２８０９は、後述する高密度プラズマ２８１０の特に高密度領域に曝されることになるため、保護層を設けることで損傷を緩和することができる。その結果、処理時のパーティクルの増加などを抑制することができる。
　高周波発生器２８０３では、例えば、０．３ＧＨｚ以上３．０ＧＨｚ以下、０．７ＧＨｚ以上１．１ＧＨｚ以下、または２．２ＧＨｚ以上２．８ＧＨｚ以下のマイクロ波を発生させる機能を有する。高周波発生器２８０３で発生させたマイクロ波は、導波管２８０４を介してモード変換器２８０５に伝わる。モード変換器２８０５では、ＴＥモードとして伝わったマイクロ波がＴＥＭモードに変換される。そして、マイクロ波は、導波管２８０７を介してスロットアンテナ板２８０８に伝わる。スロットアンテナ板２８０８は、複数のスロット孔が設けられており、マイクロ波は該スロット孔および誘電体板２８０９を通過する。そして、誘電体板２８０９の下方に電界を生じさせ、高密度プラズマ２８１０を生成することができる。高密度プラズマ２８１０には、ガス供給源２８０１から供給されたガス種に応じたイオンおよびラジカルが存在する。例えば、酸素ラジカルなどが存在する。
　このとき、基板２８１１が高密度プラズマ２８１０で生成されたイオンおよびラジカルによって、基板２８１１上の膜などを改質することができる。なお、高周波電源２８１６を用いて、基板２８１１側にバイアスを印加すると好ましい場合がある。高周波電源２８１６には、例えば、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚなどの周波数のＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電源を用いればよい。基板側にバイアスを印加することで、高密度プラズマ２８１０中のイオンを基板２８１１上の膜などの開口部の奥まで効率よく到達させることができる。
　例えば、チャンバー２７０６ｂまたはチャンバー２７０６ｃで、ガス供給源２８０１から酸素を導入することで高密度プラズマ２８１０を用いた酸素ラジカル処理を行うことができる。
　次に、チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄについて図２１に示す断面模式図を用いて説明する。
　チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄは、例えば、被処理物に電磁波の照射を行うことが可能なチャンバーである。なお、チャンバー２７０６ａと、チャンバー２７０６ｄと、は電磁波の種類が異なるのみである。そのほかの構成については共通する部分が多いため、以下ではまとめて説明を行う。
　チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄは、一または複数のランプ２８２０と、基板ホルダ２８２５と、ガス導入口２８２３と、排気口２８３０と、を有する。また、チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄの外などには、ガス供給源２８２１と、バルブ２８２２と、真空ポンプ２８２８と、バルブ２８２９と、が設けられる。
　ガス供給源２８２１は、バルブ２８２２を介してガス導入口２８２３に接続している。真空ポンプ２８２８は、バルブ２８２９を介して排気口２８３０に接続している。ランプ２８２０は、基板ホルダ２８２５と向かい合って配置されている。基板ホルダ２８２５は、基板２８２４を保持する機能を有する。また、基板ホルダ２８２５は、内部に加熱機構２８２６を有し、基板２８２４を加熱する機能を有する。
　ランプ２８２０としては、例えば、可視光または紫外光などの電磁波を放射する機能を有する光源を用いればよい。例えば、波長１０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、または４０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下にピークを有する電磁波を放射する機能を有する光源を用いればよい。
　例えば、ランプ２８２０としては、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプまたは高圧水銀ランプなどの光源を用いればよい。
　例えば、ランプ２８２０から放射される電磁波は、その一部または全部が基板２８２４に吸収されることで基板２８２４上の膜などを改質することができる。例えば、欠陥の生成もしくは低減、または不純物の除去などができる。なお、基板２８２４を加熱しながら行うと、効率よく、欠陥の生成もしくは低減、または不純物の除去などができる。
　または、例えば、ランプ２８２０から放射される電磁波によって、基板ホルダ２８２５を発熱させ、基板２８２４を加熱してもよい。その場合、基板ホルダ２８２５の内部に加熱機構２８２６を有さなくてもよい。
　真空ポンプ２８２８は、真空ポンプ２８１７についての記載を参照する。また、加熱機構２８２６は、加熱機構２８１３についての記載を参照する。また、ガス供給源２８２１は、ガス供給源２８０１についての記載を参照する。
　本実施の形態に用いることができるマイクロ波処理装置は、上記に限らない。図２２に示すマイクロ波処理装置２９００を用いることができる。マイクロ波処理装置２９００は、石英管２９０１、排気口２８１９、ガス供給源２８０１、バルブ２８０２、高周波発生器２８０３、導波管２８０４、ガス管２８０６、真空ポンプ２８１７、およびバルブ２８１８を有する。また、マイクロ波処理装置２９００は、石英管２９０１内に、複数の基板２８１１（２８１１＿１乃至２８１１＿ｎ、ｎは２以上の整数）を保持する基板ホルダ２９０２を有する。また、マイクロ波処理装置２９００は、石英管２９０１の外側に、加熱手段２９０３を有していてもよい。
　高周波発生器２８０３で発生させたマイクロ波は、導波管２８０４を介して、石英管２９０１内に設けられた基板に照射される。真空ポンプ２８１７は、バルブ２８１８を介して排気口２８１９と接続されており、石英管２９０１内部の圧力を調整することができる。また、ガス供給源２８０１は、バルブ２８０２を介して、ガス管２８０６に接続されており、石英管２９０１内に所望のガスを導入することができる。また、加熱手段２９０３により、石英管２９０１内の基板２８１１を、所望の温度に加熱することができる。または、加熱手段２９０３により、ガス供給源２８０１から供給されるガスを加熱してもよい。マイクロ波処理装置２９００により、基板２８１１に対して、加熱処理と、マイクロ波処理を同時に行うことができる。また、基板２８１１を加熱した後に、マイクロ波処理を行うことができる。また、基板２８１１に対してマイクロ波処理を行った後に、加熱処理を行うことができる。
　基板２８１１＿１乃至基板２８１１＿ｎは、全て半導体装置、または記憶装置を形成する処理基板でもよいし、一部の基板をダミー基板としてもよい。例えば、基板２８１１＿１、および基板２８１１＿ｎをダミー基板とし、基板２８１１＿２乃至基板２８１１＿ｎ−１を処理基板としてもよい。また、基板２８１１＿１、基板２８１１＿２、基板２８１１＿ｎ−１、および基板２８１１＿ｎをダミー基板とし、基板２８１１＿３乃至基板２８１１＿ｎ−２を処理基板としてもよい。ダミー基板を用いることで、マイクロ波処理、または加熱処理の際、複数の処理基板が均一に処理され、処理基板間のばらつきを低減できるため好ましい。例えば、高周波発生器２８０３、および導波管２８０４に最も近い処理基板上にダミー基板を配置することで、該処理基板が直接マイクロ波に曝されることを抑制できるため、好ましい。
　以上の製造装置を用いることで、被処理物への不純物の混入を抑制しつつ、膜の改質などが可能となる。
＜半導体装置の変形例１＞
　以下では、図２Ａ乃至図２Ｄを用いて、本発明の一態様である半導体装置の一例について説明する。
　図２Ａは半導体装置の上面図を示す。また、図２Ｂは、図２Ａに示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、図２Ｃは、図２ＡにＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、図２Ｄは、図２ＡにＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。図２Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　なお、図２Ａ乃至図２Ｄに示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目においても、半導体装置の構成材料については＜半導体装置の構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
　図２Ａ乃至図２Ｄに示す半導体装置は、図１Ａ乃至図１Ｄに示した半導体装置の変形例である。図２Ａ乃至図２Ｄに示す半導体装置は、図１Ａ乃至図１Ｄに示した半導体装置とは、絶縁体２８３が、絶縁体２１２の上面の一部と接する構造となっているところが異なる。従って、トランジスタ２００は、絶縁体２８３、および絶縁体２１２で封止された領域内に配置される。上記構成にすることで、上記封止された領域外に含まれる水素が、上記封止された領域内に混入することを抑制することができる。また、図２Ａ乃至図２Ｄに示すトランジスタ２００では、絶縁体２１２、および絶縁体２８３を、単層として設ける構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２８３のそれぞれを２層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
＜半導体装置の変形例２＞
　以下では、図２３を用いて、本発明の一態様である半導体装置の一例について説明する。
　図２３Ａは半導体装置５００の上面図を示す。図２３Ａに示すｘ軸は、トランジスタ２００のチャネル長方向に平行にとっており、ｙ軸はｘ軸に垂直にとっている。また、図２３Ｂは、図２３Ａに示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。図２３Ｃは、図２３Ａに示すＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、開口領域４００およびその近傍の断面図でもある。なお、図２３Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　なお、図２３Ａ乃至図２３Ｃに示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目においても、半導体装置の構成材料については＜半導体装置の構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
　図２３Ａ乃至図２３Ｃに示す半導体装置５００は、図１Ａ乃至図１Ｄに示した半導体装置の変形例である。図２３Ａ乃至図２３Ｃに示す半導体装置５００は、絶縁体２８２および絶縁体２８０に開口領域４００が形成されている点が、図１Ａ乃至図１Ｄに示す半導体装置と異なる。また、複数のトランジスタ２００を取り囲むように封止部２６５が形成されている点が、図１Ａ乃至図１Ｄに示す半導体装置と異なる。
　半導体装置５００は、マトリクス状に配列された、複数のトランジスタ２００、および複数の開口領域４００を有している。また、トランジスタ２００のゲート電極として機能する、複数の導電体２６０が、ｙ軸方向に延伸して設けられている。開口領域４００は、酸化物２３０、および導電体２６０と重畳しない領域に形成されている。また、複数のトランジスタ２００、複数の導電体２６０、および複数の開口領域４００を取り囲むように封止部２６５が形成されている。なお、トランジスタ２００、導電体２６０、および開口領域４００の個数、配置、および大きさは、図２３に示す構造に限られることなく、半導体装置５００の設計に合わせて適宜設定すればよい。
　図２３Ｂおよび図２３Ｃに示すように、封止部２６５は、複数のトランジスタ２００、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２７５、絶縁体２８０、および絶縁体２８２を取り囲むように設けられている。言い換えると、絶縁体２８３は、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２７５、絶縁体２８０、および絶縁体２８２を覆うように設けられている。また、封止部２６５では、絶縁体２８３が絶縁体２１４の上面に接している。また、封止部２６５では、絶縁体２８３と絶縁体２８５の間に絶縁体２７４が設けられている。絶縁体２７４の上面は、絶縁体２８３の最上面と高さが概略一致している。また、絶縁体２７４としては、絶縁体２８０と同様の絶縁体を用いることができる。
　このような構造にすることで、複数のトランジスタ２００を、絶縁体２８３と絶縁体２１４および絶縁体２１２で包み込むことができる。ここで、絶縁体２８３、絶縁体２１４、および絶縁体２１２の一または複数は、水素に対するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。これにより、封止部２６５の領域外に含まれる水素が、封止部２６５の領域内に混入することを抑制することができる。
　図２３Ｃに示すように、開口領域４００において、絶縁体２８２は開口部を有する。また、開口領域４００において、絶縁体２８０は、絶縁体２８２の開口部に重なって、溝部を有していてもよい。絶縁体２８０の溝部の深さは、深くとも絶縁体２７５の上面が露出するまでにすればよく、例えば、絶縁体２８０の最大膜厚の１／４以上１／２以下程度にすればよい。
　また、図２３Ｃに示すように、絶縁体２８３は、開口領域４００の内側で、絶縁体２８２の側面、絶縁体２８０の側面、および絶縁体２８０の上面に接する。また、開口領域４００内で、絶縁体２８３に形成された凹部を埋め込むように、絶縁体２７４の一部が形成される場合がある。このとき、開口領域４００内に形成された絶縁体２７４の上面と、絶縁体２８３の最上面の高さが、概略一致する場合がある。
　このような開口領域４００が形成され、絶縁体２８２の開口部から絶縁体２８０が露出した状態で、加熱処理を行うことにより、酸化物２３０に酸素を供給しながら、絶縁体２８０に含まれる酸素の一部を開口領域４００から外方拡散させることができる。これにより、加熱により脱離する酸素を含む絶縁体２８０から、酸化物半導体層中の、チャネル形成領域として機能する領域、およびその近傍に、十分な酸素を供給し、かつ過剰な量の酸素が供給されないようにすることができる。
　このとき、絶縁体２８０に含まれる水素を、酸素と結合させて、開口領域４００を介して外部に放出することができる。酸素と結合した水素は、水として放出される。よって、絶縁体２８０に含まれる水素を低減し、絶縁体２８０中に含まれる水素が酸化物２３０に混入するのを低減することができる。
　また、図２３Ａにおいて、開口領域４００の上面視における形状は、略長方形状にしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、開口領域４００の上面視における形状は、長方形、楕円形、円形、菱形、またはこれらを組み合わせた形状としてもよい。また、開口領域４００の面積、および配置間隔は、トランジスタ２００を含む半導体装置の設計に合わせて適宜設定することができる。例えば、トランジスタ２００の密度が小さい領域では、開口領域４００の面積を広げる、または、開口領域４００の配置間隔を狭めればよい。また、例えば、トランジスタ２００の密度が大きい領域では、開口領域４００の面積を狭める、または開口領域の配置間隔を広げればよい。
　本発明の一態様により、新規のトランジスタを提供することができる。また、本発明の一態様により、オン電流が大きい半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。
　以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、少なくともその一部を、本明細書中に記載する他の実施の形態、他の実施例など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、半導体装置の一形態を、図２４乃至図２８を用いて説明する。
［記憶装置１］
　本発明の一態様に係る半導体装置（記憶装置）の一例を図２４に示す。本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００を用いることができる。
　トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
　図２４に示す半導体装置において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００の第１のゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００の第２のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
　また、図２４に示す記憶装置は、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
＜トランジスタ３００＞
　トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲートとして機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
　ここで、図２４に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
　なお、図２４に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
＜容量素子１００＞
　容量素子１００は、トランジスタ２００の上方に設けられる。容量素子１００は、第１の電極として機能する導電体１１０と、第２の電極として機能する導電体１２０、および誘電体として機能する絶縁体１３０とを有する。ここで、絶縁体１３０は、上記実施の形態に示す絶縁体２８３として用いることができる絶縁体を用いることが好ましい。
　また、例えば、導電体１１２と、導電体１１０とは、同時に形成することができる。なお、導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。
　図２４では、導電体１１２、および導電体１１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
　また、絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
　例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料と、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料との積層構造を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子１００は、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
　なお、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料（高い比誘電率の材料）としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
　一方、絶縁耐力が大きい材料（低い比誘電率の材料）としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。
＜配線層＞
　各構造体の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
　例えば、トランジスタ３００上には、層間膜として、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能する。
　また、層間膜として機能する絶縁体は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
　絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図２４において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能する。
　同様に、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。さらに、導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。
　ここで、上記実施の形態に示す絶縁体２４１と同様に、プラグとして機能する導電体２１８の側面に接して絶縁体２１７が設けられる。絶縁体２１７は、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６に形成された開口の内壁に接して設けられている。つまり、絶縁体２１７は、導電体２１８と、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６と、の間に設けられている。なお、導電体２０５は導電体２１８と並行して形成することができるので、導電体２０５の側面に接して絶縁体２１７が形成される場合もある。
　絶縁体２１７としては、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２１７は、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２２２に接して設けられるので、絶縁体２１０または絶縁体２１６などから水または水素などの不純物が、導電体２１８を通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好適である。また、絶縁体２１０または絶縁体２１６に含まれる酸素が導電体２１８に吸収されるのを防ぐことができる。
　絶縁体２１７は、絶縁体２４１と同様の方法で形成することができる。例えば、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜し、異方性エッチングを用いて導電体３５６に達する開口を形成すればよい。
　層間膜として用いることができる絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
　例えば、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
　例えば、絶縁体１５０、絶縁体２１０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４等には、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂との積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
　また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。従って、絶縁体２１４、絶縁体２１２および絶縁体３５０等には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。
　水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
　配線、プラグに用いることができる導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
　例えば、導電体３２８、導電体３３０、導電体３５６、導電体２１８、および導電体１１２等としては、上記の材料で形成される金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
＜酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ＞
　なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
　例えば、図２４では、過剰酸素を有する絶縁体２２４および絶縁体２８０と、導電体２４０との間に、絶縁体２４１を設けるとよい。絶縁体２４１と、絶縁体２２２、絶縁体２８２、および絶縁体２８３とが接して設けられることで、絶縁体２２４、およびトランジスタ２００は、バリア性を有する絶縁体により、封止する構造とすることができる。
　つまり、絶縁体２４１を設けることで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、導電体２４０に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体２４１を有することで、不純物である水素が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００へ拡散することを抑制することができる。
　なお、絶縁体２４１としては、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いため好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物などを用いることができる。
　また、上記実施の形態で示したように、トランジスタ２００は、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で封止される構成にしてもよい。このような構成とすることで、絶縁体２７４、絶縁体１５０などに含まれる水素が絶縁体２８０などに混入するのを低減することができる。
　ここで絶縁体２８３、および絶縁体２８２には導電体２４０が、絶縁体２１４、および絶縁体２１２には導電体２１８が貫通しているが、上記の通り、絶縁体２４１が導電体２４０に接して設けられ、絶縁体２１７が導電体２１８に接して設けられている。これにより、導電体２４０および導電体２１８を介して、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の内側に混入する水素を低減することができる。このようにして、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２４１、および絶縁体２１７でトランジスタ２００を封止し、絶縁体２７４等に含まれる水素などの不純物が外側から混入するのを低減することができる。
＜ダイシングライン＞
　以下では、大面積基板を半導体素子ごとに分断することによって、複数の半導体装置をチップ状で取り出す場合に設けられるダイシングライン（スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある）について説明する。分断方法としては、例えば、まず、基板に半導体素子を分断するための溝（ダイシングライン）を形成した後、ダイシングラインにおいて切断し、複数の半導体装置に分断（分割）する場合がある。
　ここで、例えば、図２４に示すように、絶縁体２８３と、絶縁体２１４とが接する領域がダイシングラインと重なるように設計することが好ましい。つまり、複数のトランジスタ２００を有するメモリセルの外縁に設けられるダイシングラインとなる領域近傍において、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７５、絶縁体２２４、絶縁体２２２、および絶縁体２１６に開口を設ける。
　つまり、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７５、絶縁体２２２、および絶縁体２１６に設けた開口において、絶縁体２１４と、絶縁体２８３とが接する。
　また、例えば、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７５、絶縁体２２２、絶縁体２１６、および絶縁体２１４に開口を設けてもよい。このような構成とすることで、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７５、絶縁体２２２、絶縁体２１６、および絶縁体２１４に設けた開口において、絶縁体２１２と、絶縁体２８３とが接する。このとき、絶縁体２１２と、絶縁体２８３とを同材料及び同方法を用いて形成してもよい。絶縁体２１２、および絶縁体２８３を、同材料、および同方法で設けることで、密着性を高めることができる。例えば、窒化シリコンを用いることが好ましい。
　当該構造により、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で、トランジスタ２００を包み込むことができる。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の少なくとも一は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体素子が形成された回路領域ごとに、基板を分断することにより、複数のチップに加工しても、分断した基板の側面方向から、水素又は水などの不純物が混入し、トランジスタ２００に拡散することを防ぐことができる。
　また、当該構造により、絶縁体２８０、および絶縁体２２４の過剰酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２８０、および絶縁体２２４の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
　なお、図２４に示す記憶装置では、容量素子１００の形状をプレーナ型としたが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。たとえば、図２５に示すように、容量素子１００の形状をシリンダ型にしてもよい。なお、図２５に示す記憶装置は、絶縁体１５０より下の構成は、図２４に示す半導体装置と同様である。
　図２５に示す容量素子１００は、絶縁体１３０上の絶縁体１５０と、絶縁体１５０上の絶縁体１４２と、絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口の中に配置された導電体１１５と、導電体１１５および絶縁体１４２上の絶縁体１４５と、絶縁体１４５上の導電体１２５と、導電体１２５および絶縁体１４５上の絶縁体１５２と、を有する。ここで、絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口の中に導電体１１５、絶縁体１４５、および導電体１２５の少なくとも一部が配置される。
　導電体１１５は容量素子１００の下部電極として機能し、導電体１２５は容量素子１００の上部電極として機能し、絶縁体１４５は、容量素子１００の誘電体として機能する。容量素子１００は、絶縁体１５０および絶縁体１４２の開口において、底面だけでなく、側面においても上部電極と下部電極とが誘電体を挟んで対向する構成となっており、単位面積当たりの静電容量を大きくすることができる。よって、当該開口の深さを深くするほど、容量素子１００の静電容量を大きくすることができる。このように容量素子１００の単位面積当たりの静電容量を大きくすることにより、半導体装置の微細化または高集積化を推し進めることができる。
　絶縁体１５２は、絶縁体２８０に用いることができる絶縁体を用いればよい。また、絶縁体１４２は、絶縁体１５０の開口を形成するときのエッチングストッパとして機能することが好ましく、絶縁体２１４に用いることができる絶縁体を用いればよい。
　絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口を上面から見た形状は、四角形としてもよいし、四角形以外の多角形状としてもよいし、多角形状において角部を湾曲させた形状としてもよいし、楕円を含む円形状としてもよい。ここで、上面視において、当該開口とトランジスタ２００の重なる面積が多い方が好ましい。このような構成にすることにより、容量素子１００とトランジスタ２００を有する半導体装置の占有面積を低減することができる。
　導電体１１５は、絶縁体１４２、および絶縁体１５０に形成された開口に接して配置される。導電体１１５の上面は、絶縁体１４２の上面と略一致することが好ましい。また、導電体１１５の下面は、絶縁体１３０の開口を介して導電体１１０に接する。導電体１１５は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することが好ましく、例えば、導電体２０５に用いることができる導電体を用いればよい。
　絶縁体１４５は、導電体１１５および絶縁体１４２を覆うように配置される。例えば、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて絶縁体１４５を成膜することが好ましい。絶縁体１４５は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。例えば、絶縁体１４５として、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムの順番で積層された絶縁膜を用いることができる。
　また、絶縁体１４５には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料、または高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いることが好ましい。または、絶縁耐力が大きい材料と高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料の積層構造を用いてもよい。
　なお、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料（高い比誘電率の材料）としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。このようなｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、絶縁体１４５を厚くしても容量素子１００の静電容量を十分確保することができる。絶縁体１４５を厚くすることにより、導電体１１５と導電体１２５の間に生じるリーク電流を抑制することができる。
　一方、絶縁耐力が大きい材料としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、樹脂などがある。例えば、ＰＥＡＬＤ法を用いて成膜した窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、ＰＥＡＬＤ法を用いて成膜した酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、ＰＥＡＬＤ法を用いて成膜した窒化シリコン（ＳｉＮｘ）の順番で積層された絶縁膜を用いることができる。または、酸化ジルコニウム、ＡＬＤ法を用いて成膜した酸化シリコン、酸化ジルコニウムの順番で積層された絶縁膜を用いることができる。このような、絶縁耐力が大きい絶縁体を用いることで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
　導電体１２５は、絶縁体１４２および絶縁体１５０に形成された開口を埋めるように配置される。また、導電体１２５は、導電体１４０、および導電体１５３を介して配線１００５と電気的に接続している。導電体１２５は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することが好ましく、例えば、導電体２０５に用いることができる導電体を用いればよい。
　また、導電体１５３は、絶縁体１５４上に設けられており、絶縁体１５６に覆われている。導電体１５３は、導電体１１２に用いることができる導電体を用いればよく、絶縁体１５６は、絶縁体１５２に用いることができる絶縁体を用いればよい。ここで、導電体１５３は導電体１４０の上面に接しており、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００の端子として機能する。
［記憶装置２］
　本発明の一態様に係る半導体装置（記憶装置）の一例を図２６に示す。
＜メモリデバイスの構成例＞
　図２６は、メモリデバイス２９０を有する半導体装置の断面図である。図２６に示すメモリデバイス２９０は、図１Ａ乃至図１Ｄに示すトランジスタ２００に加えて、容量デバイス２９２を有する。図２６は、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図に相当する。
　容量デバイス２９２は、導電体２４２ｂと、導電体２４２ｂ上に設けられた絶縁体２７１ｂと、絶縁体２７１ｂの上面、絶縁体２７１ｂの側面、導電体２４２ｂの側面に接して設けられた絶縁体２７５と、絶縁体２７５上の導電体２９４と、を有する。すなわち、容量デバイス２９２は、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）容量を構成している。なお、容量デバイス２９２が有する一対の電極の一方、すなわち導電体２４２ｂは、トランジスタのソース電極を兼ねることができる。また、容量デバイス２９２が有する誘電体層は、トランジスタに設けられる保護層、すなわち絶縁体２７１、および絶縁体２７５を兼ねることができる。したがって、容量デバイス２９２の作製工程において、トランジスタの作製工程の一部を兼用することができるため、生産性の高い半導体装置とすることができる。また、容量デバイス２９２が有する一対の電極の一方、すなわち導電体２４２ｂは、トランジスタのソース電極と兼ねているため、トランジスタと、容量デバイスとが配置される面積を低減させることが可能となる。
　なお、導電体２９４としては、例えば、導電体２４２に用いることのできる材料を用いればよい。
＜メモリデバイスの変形例＞
　以下では、図２７Ａ、図２７Ｂ、および図２８を用いて、先の＜メモリデバイスの構成例＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、および容量デバイス２９２を有する半導体装置の一例について説明する。なお図２７Ａ、図２７Ｂ、および図２８に示す半導体装置において、先の実施の形態および＜メモリデバイスの構成例＞に示した半導体装置（図２６参照。）を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目において、トランジスタ２００、および容量デバイス２９２の構成材料については、先の実施の形態および＜メモリデバイスの構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。また、図２７Ａ、図２７Ｂ、および図２８などでは、メモリデバイスとして、図２６に示すメモリデバイスを用いているが、これに限られるものではない。
＜＜メモリデバイスの変形例１＞＞
　以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置６００の一例について図２７Ａを用いて説明する。
　図２７Ａは、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置６００のチャネル長方向の断面図である。ここで、容量デバイス２９２ａは、導電体２４２ａと、導電体２４２ａ上の絶縁体２７１ａと、絶縁体２７１ａ上面、絶縁体２７１ａの側面、および導電体２４２ａの側面と接する絶縁体２７５と、絶縁体２７５上の導電体２９４ａと、を有する。また、容量デバイス２９２ｂは、導電体２４２ｂと、導電体２４２ｂ上の絶縁体２７１ｂと、絶縁体２７１ｂの上面、絶縁体２７１ｂの側面、および導電体２４２ｂの側面に接する絶縁体２７５と、絶縁体２７５上の導電体２９４ｂと、を有する。
　半導体装置６００は、図２７Ａに示すように、Ａ３−Ａ４の一点鎖線を対称軸とした線対称の構成となっている。トランジスタ２００ａのソース電極またはドレイン電極の一方と、トランジスタ２００ｂのソース電極またはドレイン電極の一方は、導電体２４２ｃが兼ねる構成となっている。なお、導電体２４２ｃ上には絶縁体２７１ｃが設けられる。また、配線として機能する導電体２４６と、トランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂとの接続もプラグとして機能する導電体２４０が、兼ねる構成となっている。このように、２つのトランジスタと、２つの容量デバイスと、配線とプラグとの接続を上述の構成とすることで、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。
　トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂのそれぞれの構成および効果については、図２７Ａに示す半導体装置の構成例を参酌することができる。
＜＜メモリデバイスの変形例２＞＞
　上記においては、半導体装置の構成例としてトランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂを挙げたが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図２７Ｂに示すように半導体装置６００と、半導体装置６００と同様の構成を有する半導体装置が容量部を介して接続されている構成としてもよい。本明細書では、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置をセルと称する。トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂの構成については、上述のトランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂに係る記載を参酌することができる。
　図２７Ｂは、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置６００と、半導体装置６００と同様の構成を有するセルが容量部を介して接続されている断面図である。
　図２７Ｂに示すように、半導体装置６００が有する容量デバイス２９２ｂの一方の電極として機能する導電体２９４ｂは、半導体装置６００と同様の構成を有する半導体装置６０１が有する容量デバイスの一方の電極を兼ねる構成となっている。また、図示しないが、半導体装置６００が有する容量デバイス２９２ａの一方の電極として機能する導電体２９４ａが、半導体装置６００の左側、つまり図２７Ｂにおいて、Ａ１方向に隣接する半導体装置の容量デバイスの一方の電極を兼ねている。また、半導体装置６０１の右側、つまり、図２７Ｂにおいて、Ａ２方向のセルについても同様の構成となっている。つまりセルアレイ（メモリデバイス層ともいう。）を構成することができる。この様なセルアレイの構成とすることで、隣り合うセルの間隔を小さくすることができるので、セルアレイの投影面積を小さくすることができ、高集積化が可能となる。また、図２７Ｂに示すセルアレイの構成を、マトリクス状に配置することで、マトリクス状のセルアレイを構成することができる。
　上述のように、本実施の形態に示す構成で、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂを形成することにより、セルの面積を低減し、セルアレイを有する半導体装置の微細化または高集積化を図ることができる。
　また、上記セルアレイを平面のみでなく積層する構成としてもよい。図２８にセルアレイ６１０をｎ層積層する構成の断面図を示す。図２８に示すように、複数のセルアレイ（セルアレイ６１０＿１乃至セルアレイ６１０＿ｎ）を積層することにより、セルアレイの占有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、３Ｄセルアレイを構成することができる。
　以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、少なくともその一部を、本明細書中に記載する他の実施の形態、他の実施例など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、図２９Ａ、図２９Ｂおよび図３０Ａ乃至図３０Ｈを用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ場合がある。）、および容量素子が適用されている記憶装置（以下、ＯＳメモリ装置と呼ぶ場合がある。）について説明する。ＯＳメモリ装置は、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有する記憶装置である。ＯＳトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、ＯＳメモリ装置は優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
＜記憶装置の構成例＞
　図２９ＡにＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、およびコントロールロジック回路１４６０を有する。
　列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
　記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、データ信号ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。
　コントロールロジック回路１４６０は、外部から入力される制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。制御信号ＣＥは、チップイネーブル信号であり、制御信号ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、制御信号ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
　メモリセルアレイ１４７０は、行列状に配置された、複数個のメモリセルＭＣと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ１４７０と行回路１４２０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一列に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ１４７０と列回路１４３０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一行に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。
　なお、図２９Ａにおいて、周辺回路１４１１とメモリセルアレイ１４７０を同一平面上に形成する例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図２９Ｂに示すように、周辺回路１４１１の一部の上に、メモリセルアレイ１４７０が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。
　図３０Ａ乃至図３０Ｈに上述のメモリセルＭＣに適用できるメモリセルの構成例について説明する。
［ＤＯＳＲＡＭ］
　図３０Ａ乃至図３０Ｃに、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、１ＯＳトランジスタ１容量素子型のメモリセルを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ場合がある。図３０Ａに示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（トップゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
　トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＬＬと接続されている。
　配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＬＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線ＬＬは、接地電位でも、低レベル電位としてもよい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
　ここで、図３０Ａに示すメモリセル１４７１は、図２６に示す記憶装置に対応している。つまり、トランジスタＭ１はトランジスタ２００に、容量素子ＣＡは容量デバイス２９２に対応している。
　また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７１に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセルＭＣは、図３０Ｂに示すメモリセル１４７２のように、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図３０Ｃに示すメモリセル１４７３のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ１で構成されたメモリセルとしてもよい。
　上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７１等に用いる場合、トランジスタＭ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＡとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に小さくすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。または、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に小さいため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
　また、ＤＯＳＲＡＭにおいて、上記のように、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
［ＮＯＳＲＡＭ］
　図３０Ｄ乃至図３０Ｇに、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図３０Ｄに示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、トップゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
　トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
　配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、およびデータの読み出し時においては、配線ＣＡＬには、高レベル電位を印加するのが好ましい。また、データ保持中においては、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
　ここで、図３０Ｄに示すメモリセル１４７４は、図２４および図２５に示す記憶装置に対応している。つまり、トランジスタＭ２はトランジスタ２００に、容量素子ＣＢは容量素子１００に、トランジスタＭ３はトランジスタ３００に、配線ＷＢＬは配線１００３に、配線ＷＯＬは配線１００４に、配線ＢＧＬは配線１００６に、配線ＣＡＬは配線１００５に、配線ＲＢＬは配線１００２に、配線ＳＬは配線１００１に対応している。
　また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７４に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、メモリセルＭＣは、図３０Ｅに示すメモリセル１４７５のように、トランジスタＭ２のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図３０Ｆに示すメモリセル１４７６のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ２で構成されたメモリセルとしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図３０Ｇに示すメモリセル１４７７のように、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。
　上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ３としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＢとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に小さくすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。または、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に小さいため、メモリセル１４７４に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至メモリセル１４７７も同様である。
　なお、トランジスタＭ３は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタと呼ぶ場合がある）であってもよい。Ｓｉトランジスタの導電型は、ｎチャネル型としてもよいし、ｐチャネル型としてもよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタＭ３として、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタＭ３にＳｉトランジスタを用いることで、トランジスタＭ３の上に積層してトランジスタＭ２を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。
　また、トランジスタＭ３はＯＳトランジスタであってもよい。トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３にＯＳトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
　また、図３０Ｈに３トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの一例を示す。図３０Ｈに示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６、および容量素子ＣＣを有する。容量素子ＣＣは適宜設けられる。メモリセル１４７８は、配線ＢＩＬ、配線ＲＷＬ、配線ＷＷＬ、配線ＢＧＬ、および配線ＧＮＤＬに電気的に接続されている。配線ＧＮＤＬは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル１４７８を、配線ＢＩＬに代えて、配線ＲＢＬ、配線ＷＢＬに電気的に接続してもよい。
　トランジスタＭ４は、バックゲートを有するＯＳトランジスタであり、バックゲートは配線ＢＧＬに電気的に接続されている。なお、トランジスタＭ４のバックゲートとゲートとを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭ４はバックゲートを有さなくてもよい。
　なお、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６はそれぞれ、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはｐチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６がＯＳトランジスタでもよい。この場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
　上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７８に用いる場合、トランジスタＭ４としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＣとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４のリーク電流を非常に小さくすることができる。
　なお、本実施の形態に示す、周辺回路１４１１、メモリセルアレイ１４７０等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。
　本発明の一態様の記憶装置は、動作速度が速く、長期間のデータ保持が可能である。
　以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、本実施の形態に示す他の構成、方法、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態４）
　本実施の形態では、図３１Ａおよび図３１Ｂを用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ１２００の一例を示す。チップ１２００には、複数の回路（システム）が実装されている。このように、複数の回路（システム）を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）と呼ぶ場合がある。
　図３１Ａに示すように、チップ１２００は、ＣＰＵ１２１１、ＧＰＵ１２１２、一または複数のアナログ演算部１２１３、一または複数のメモリコントローラ１２１４、一または複数のインターフェース１２１５、一または複数のネットワーク回路１２１６等を有する。
　チップ１２００には、バンプ（図示しない）が設けられ、図３１Ｂに示すように、パッケージ基板１２０１の第１の面と接続する。また、パッケージ基板１２０１の第１の面の裏面には、複数のバンプ１２０２が設けられており、マザーボード１２０３と接続する。
　マザーボード１２０３には、ＤＲＡＭ１２２１、フラッシュメモリ１２２２等の記憶装置が設けられていてもよい。例えば、ＤＲＡＭ１２２１に先の実施の形態に示すＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ１２２２に先の実施の形態に示すＮＯＳＲＡＭを用いることができる。
　ＣＰＵ１２１１は、複数のＣＰＵコアを有することが好ましい。また、ＧＰＵ１２１２は、複数のＧＰＵコアを有することが好ましい。また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２に共通のメモリが、チップ１２００に設けられていてもよい。該メモリには、前述したＮＯＳＲＡＭや、ＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、ＧＰＵ１２１２は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理や積和演算に用いることができる。ＧＰＵ１２１２に、本発明の酸化物半導体を用いた画像処理回路や、積和演算回路を設けることで、画像処理、および積和演算を低消費電力で実行することが可能になる。
　また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が同一チップに設けられていることで、ＣＰＵ１２１１およびＧＰＵ１２１２間の配線を短くすることができ、ＣＰＵ１２１１からＧＰＵ１２１２へのデータ転送、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が有するメモリ間のデータ転送、およびＧＰＵ１２１２での演算後に、ＧＰＵ１２１２からＣＰＵ１２１１への演算結果の転送を高速に行うことができる。
　アナログ演算部１２１３はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路の一、または両方を有する。また、アナログ演算部１２１３に上記積和演算回路を設けてもよい。
　メモリコントローラ１２１４は、ＤＲＡＭ１２２１のコントローラとして機能する回路、およびフラッシュメモリ１２２２のインターフェースとして機能する回路を有する。
　インターフェース１２１５は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コントローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとして、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などを用いることができる。
　ネットワーク回路１２１６は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワーク回路を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよい。
　チップ１２００には、上記回路（システム）を同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、チップ１２００に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増やす必要が無く、チップ１２００を低コストで作製することができる。
　ＧＰＵ１２１２を有するチップ１２００が設けられたパッケージ基板１２０１、ＤＲＡＭ１２２１、およびフラッシュメモリ１２２２が設けられたマザーボード１２０３は、ＧＰＵモジュール１２０４と呼ぶことができる。
　ＧＰＵモジュール１２０４は、ＳｏＣ技術を用いたチップ１２００を有しているため、そのサイズを小さくすることができる。また、画像処理に優れていることから、スマートフォン、タブレット端末、ラップトップＰＣ、携帯型（持ち出し可能な）ゲーム機などの携帯型電子機器に用いることが好適である。また、ＧＰＵ１２１２を用いた積和演算回路により、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの手法を実行することができるため、チップ１２００をＡＩチップ、またはＧＰＵモジュール１２０４をＡＩシステムモジュールとして用いることができる。
　以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、少なくともその一部を、本明細書中に記載する他の実施の形態、他の実施例などと適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態５）
　本実施の形態は、上記実施の形態に示す記憶装置などが組み込まれた電子部品および電子機器の一例を示す。
＜電子部品＞
　まず、記憶装置７２０が組み込まれた電子部品の例を、図３２Ａおよび図３２Ｂを用いて説明を行う。
　図３２Ａに電子部品７００および電子部品７００が実装された基板（実装基板７０４）の斜視図を示す。図３２Ａに示す電子部品７００は、モールド７１１内に記憶装置７２０を有している。図３２Ａは、電子部品７００の内部を示すために、一部を省略している。電子部品７００は、モールド７１１の外側にランド７１２を有する。ランド７１２は電極パッド７１３と電気的に接続され、電極パッド７１３は記憶装置７２０とワイヤ７１４によって電気的に接続されている。電子部品７００は、例えばプリント基板７０２に実装される。このような電子部品が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７０２上で電気的に接続されることで実装基板７０４が完成する。
　記憶装置７２０は、駆動回路層７２１と、記憶回路層７２２と、を有する。
　図３２Ｂに電子部品７３０の斜視図を示す。電子部品７３０は、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｐａｃｋａｇｅ）またはＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ　Ｃｈｉｐ　Ｍｏｄｕｌｅ）の一例である。電子部品７３０は、パッケージ基板７３２（プリント基板）上にインターポーザ７３１が設けられ、インターポーザ７３１上に半導体装置７３５、および複数の記憶装置７２０が設けられている。
　電子部品７３０では、記憶装置７２０を広帯域メモリ（ＨＢＭ：Ｈｉｇｈ　Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　Ｍｅｍｏｒｙ）として用いる例を示している。また、半導体装置７３５は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＦＰＧＡなどの集積回路（半導体装置）を用いることができる。
　パッケージ基板７３２は、セラミック基板、プラスチック基板、ガラスエポキシ基板などを用いることができる。インターポーザ７３１は、シリコンインターポーザ、樹脂インターポーザなどを用いることができる。
　インターポーザ７３１は、複数の配線を有し、端子ピッチの異なる複数の集積回路を電気的に接続する機能を有する。複数の配線は、単層または多層で設けられる。また、インターポーザ７３１は、インターポーザ７３１上に設けられた集積回路をパッケージ基板７３２に設けられた電極と電気的に接続する機能を有する。これらのことから、インターポーザを「再配線基板」または「中間基板」と呼ぶ場合がある。また、インターポーザ７３１に貫通電極を設けて、当該貫通電極を用いて集積回路とパッケージ基板７３２を電気的に接続する場合もある。また、シリコンインターポーザでは、貫通電極として、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｖｉａ）を用いることも出来る。
　インターポーザ７３１としてシリコンインターポーザを用いることが好ましい。シリコンインターポーザでは能動素子を設ける必要が無いため、集積回路よりも低コストで作製することができる。一方で、シリコンインターポーザの配線形成は半導体プロセスで行なうことができるため、樹脂インターポーザでは難しい微細配線の形成が容易である。
　ＨＢＭでは、広いメモリバンド幅を実現するために多くの配線を接続する必要がある。このため、ＨＢＭを実装するインターポーザには、微細かつ高密度の配線形成が求められる。よって、ＨＢＭを実装するインターポーザには、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。
　また、シリコンインターポーザを用いたＳｉＰやＭＣＭなどでは、集積回路とインターポーザ間の膨張係数の違いによる信頼性の低下が生じにくい。また、シリコンインターポーザは表面の平坦性が高いため、シリコンインターポーザ上に設ける集積回路とシリコンインターポーザ間の接続不良が生じにくい。特に、インターポーザ上に複数の集積回路を横に並べて配置する２．５Ｄパッケージ（２．５次元実装）では、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。
　また、電子部品７３０と重ねてヒートシンク（放熱板）を設けてもよい。ヒートシンクを設ける場合は、インターポーザ７３１上に設ける集積回路の高さを揃えることが好ましい。例えば、本実施の形態に示す電子部品７３０では、記憶装置７２０と半導体装置７３５の高さを揃えることが好ましい。
　電子部品７３０を他の基板に実装するため、パッケージ基板７３２の底部に電極７３３を設けてもよい。図３２Ｂでは、電極７３３を半田ボールで形成する例を示している。パッケージ基板７３２の底部に半田ボールをマトリクス状に設けることで、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）実装を実現できる。また、電極７３３を導電性のピンで形成してもよい。パッケージ基板７３２の底部に導電性のピンをマトリクス状に設けることで、ＰＧＡ（Ｐｉｎ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）実装を実現できる。
　電子部品７３０は、ＢＧＡおよびＰＧＡに限らず様々な実装方法を用いて他の基板に実装することができる。例えば、ＳＰＧＡ（Ｓｔａｇｇｅｒｅｄ　Ｐｉｎ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｐａｃｋａｇｅ）、ＱＦＪ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｊ−ｌｅａｄｅｄ　ｐａｃｋａｇｅ）、またはＱＦＮ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｎｏｎ−ｌｅａｄｅｄ　ｐａｃｋａｇｅ）などの実装方法を用いることができる。
　以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、本実施の形態に示す他の構成、方法、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
　本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータ、ノート型のコンピュータ、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図３３Ａ乃至図３３Ｅにリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
　図３３ＡはＵＳＢメモリの模式図である。ＵＳＢメモリ１１００は、筐体１１０１、キャップ１１０２、ＵＳＢコネクタ１１０３および基板１１０４を有する。基板１１０４は、筐体１１０１に収納されている。例えば、基板１１０４には、メモリチップ１１０５、コントローラチップ１１０６が取り付けられている。メモリチップ１１０５などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
　図３３ＢはＳＤカードの外観の模式図であり、図３３Ｃは、ＳＤカードの内部構造の模式図である。ＳＤカード１１１０は、筐体１１１１、コネクタ１１１２および基板１１１３を有する。基板１１１３は筐体１１１１に収納されている。例えば、基板１１１３には、メモリチップ１１１４、コントローラチップ１１１５が取り付けられている。基板１１１３の裏面側にもメモリチップ１１１４を設けることで、ＳＤカード１１１０の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板１１１３に設けてもよい。これによって、ホスト装置とＳＤカード１１１０間の無線通信によって、メモリチップ１１１４のデータの読み出し、書き込みが可能となる。メモリチップ１１１４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
　図３３ＤはＳＳＤの外観の模式図であり、図３３Ｅは、ＳＳＤの内部構造の模式図である。ＳＳＤ１１５０は、筐体１１５１、コネクタ１１５２および基板１１５３を有する。基板１１５３は筐体１１５１に収納されている。例えば、基板１１５３には、メモリチップ１１５４、メモリチップ１１５５、コントローラチップ１１５６が取り付けられている。メモリチップ１１５５はコントローラチップ１１５６のワークメモリであり、例えばＤＯＳＲＡＭチップを用いればよい。基板１１５３の裏面側にもメモリチップ１１５４を設けることで、ＳＳＤ１１５０の容量を増やすことができる。メモリチップ１１５４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
　以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、少なくともその一部を、本明細書中に記載する他の実施の形態、他の実施例などと適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態７）
　本発明の一態様に係る半導体装置は、ＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図３４Ａ乃至図３４Ｈに、本発明の一態様に係るＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。
＜電子機器・システム＞
　本発明の一態様に係るＧＰＵまたはチップは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型またはノート型の情報端末用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機、などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、電子ブックリーダー、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係るＧＰＵまたはチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
　本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
　本発明の一態様の電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。
　本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図３４Ａ乃至図３４Ｈに、電子機器の例を示す。
［情報端末］
　図３４Ａには、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）が図示されている。情報端末５１００は、筐体５１０１と、表示部５１０２と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５１０２に備えられ、ボタンが筐体５１０１に備えられている。
　情報端末５１００は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部５１０２に表示するアプリケーション、表示部５１０２に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部５１０２に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。
　図３４Ｂには、ノート型情報端末５２００が図示されている。ノート型情報端末５２００は、情報端末の本体５２０１と、表示部５２０２と、キーボード５２０３と、を有する。
　ノート型情報端末５２００は、先述した情報端末５１００と同様に、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、ノート型情報端末５２００を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。
　なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、およびノート型情報端末を例として、それぞれ図３４Ａ、図３４Ｂに図示したが、スマートフォン、およびノート型情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、およびノート型情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、デスクトップ型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
［ゲーム機］
　図３４Ｃは、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５３００を示している。携帯ゲーム機５３００は、筐体５３０１、筐体５３０２、筐体５３０３、表示部５３０４、接続部５３０５、操作キー５３０６等を有する。筐体５３０２、および筐体５３０３は、筐体５３０１から取り外すことが可能である。筐体５３０１に設けられている接続部５３０５を別の筐体（図示せず）に取り付けることで、表示部５３０４に出力される映像を、別の映像機器（図示せず）に出力することができる。このとき、筐体５３０２、および筐体５３０３は、それぞれ操作部として機能することができる。これにより、複数のプレイヤーが同時にゲームを行うことができる。筐体５３０１、筐体５３０２、および筐体５３０３の基板に設けられているチップなどに先の実施の形態に示すチップを組み込むことができる。
　また、図３４Ｄは、ゲーム機の一例である据え置き型ゲーム機５４００を示している。据え置き型ゲーム機５４００には、無線または有線でコントローラ５４０２が接続されている。
　携帯ゲーム機５３００、据え置き型ゲーム機５４００などのゲーム機に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のゲーム機を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。
　更に、携帯ゲーム機５３００に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機５３００を実現することができる。
　本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機５３００に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、時刻、ゲーム上に登場する人物の言動が変化するといった表現が可能となる。
　また、携帯ゲーム機５３００で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、１人でもゲームを行うことができる。
　図３４Ｃ、図３４Ｄでは、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機、および据え置き型ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用するゲーム機としては、例えば、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
［大型コンピュータ］
　本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、大型コンピュータに適用することができる。
　図３４Ｅは、大型コンピュータの一例である、スーパーコンピュータ５５００を示す図である。図３４Ｆは、スーパーコンピュータ５５００が有するラックマウント型の計算機５５０２を示す図である。
　スーパーコンピュータ５５００は、ラック５５０１と、複数のラックマウント型の計算機５５０２と、を有する。なお、複数の計算機５５０２は、ラック５５０１に格納されている。また、計算機５５０２には、複数の基板５５０４が設けられ、当該基板上に上記実施の形態で説明したＧＰＵまたはチップを搭載することができる。
　スーパーコンピュータ５５００は、主に科学技術計算に利用される大型コンピュータである。科学技術計算では、膨大な演算を高速に処理する必要があるため、消費電力が高く、チップの発熱が大きい。スーパーコンピュータ５５００に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のスーパーコンピュータを実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。
　図３４Ｅ、図３４Ｆでは、大型コンピュータの一例としてスーパーコンピュータを図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータはこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータとしては、例えば、サービスを提供するコンピュータ（サーバー）、大型汎用コンピュータ（メインフレーム）などが挙げられる。
［移動体］
　本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、移動体である自動車、および自動車の運転席周辺に適用することができる。
　図３４Ｇは、移動体の一例である自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図３４Ｇでは、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。
　表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、燃料計、ギア状態、エアコンの設定などを表示することで、様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。
　表示パネル５７０４には、自動車に設けられた撮像装置（図示しない。）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
　本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該チップを自動車の自動運転システムに用いることができる。また、当該チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０４には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。
　なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。
［電化製品］
　図３４Ｈは、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。
　電気冷凍冷蔵庫５８００に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫５８００は、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。
　電化製品の一例として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。
　本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
　以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、少なくともその一部を、本明細書中に記載する他の実施の形態、他の実施例など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、図３５に示す構造を有するサンプル１Ａ乃至サンプル１Ｃを作製し、これらのサンプルについて、ＳＩＭＳ分析を行った。
　図３５に示す構造９１０は、基板９１１と、基板９１１上の絶縁体９１２と、絶縁体９１２上の絶縁体９１４と、を有する。
　次に、各試料の作製方法について、説明する。まず、基板９１１として、シリコンウェハを準備した。続いて、基板９１１上に、絶縁体９１２として、熱酸化法にて厚さ１００ｎｍの酸化シリコンを形成した。
　次に、絶縁体９１２上に、絶縁体９１４として、酸化シリコンを成膜した。サンプル１Ａ乃至１Ｃは、それぞれ異なる条件にて該酸化シリコンを成膜した。サンプル１Ａは、ＰＥＣＶＤ法によって、ＳｉＨ４、およびＮ２Ｏを用いて、基板温度３５０℃にて、膜厚３０ｎｍの酸化シリコンを成膜した。ここで、ＳｉＨ４の流量と、Ｎ２Ｏの流量との比（ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ）は、１：８００とした。また、サンプル１Ｂは、ＰＥＡＬＤ法によって、プリカーサとしてＳｉＨ４を用い、酸化性ガスとしてＮ２Ｏを用いて、基板温度３５０℃によって、膜厚２０ｎｍの酸化シリコンを成膜した。ここで、ＳｉＨ４の流量と、Ｎ２Ｏの流量との比（ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ）は、１：４００とした。また、サンプル１Ｃは、ＰＥＡＬＤ法によって、プリカーサとしてＳｉＨ４を用い、酸化性ガスとしてＮ２Ｏを用い、希釈ガスとしてＮ２を用いて、基板温度３５０℃によって、膜厚２０ｎｍの酸化シリコンを成膜した。成膜は、図５に示すフロー、および図６Ｂに示すシーケンスで行った。ここで、ＳｉＨ４の流量と、Ｎ２ＯとＮ２の流量の合計の流量との比（ＳｉＨ４：（Ｎ２Ｏ＋Ｎ２））は、１：４００とした。また、Ｎ２Ｏの流量とＮ２の流量との比（Ｎ２Ｏ：Ｎ２）は、１：４とした。
　サンプル１Ａ乃至サンプル１ＣについてＳＩＭＳ分析装置を用いて、水素濃度、および窒素濃度の評価を行った。また、定量層を絶縁体９１４とし、絶縁体９１４の表面から基板９１１方向へ分析した。
　サンプル１Ａ乃至サンプル１ＣのＳＩＭＳ分析の結果を以下に示す。サンプル１Ａの水素濃度は、図３６Ａに、サンプル１Ｂの水素濃度は、図３６Ｂに、サンプル１Ｃの水素濃度は、図３６Ｃに、それぞれ示す。また、サンプル１Ａの窒素濃度は、図３７Ａに、サンプル１Ｂの窒素濃度は、図３７Ｂに、サンプル１Ｃの窒素濃度は、図３７Ｃに、それぞれ示す。なお、各図には、バックグラウンド（ＢＧ）レベルを実線で示している。
　図３６Ａに示すようにＰＥＣＶＤ法によって成膜したサンプル１Ａの絶縁体９１４中の水素濃度は、概ね７．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上４．５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の範囲であった。また、図３６Ｂに示すようにＰＥＡＬＤ法によって、プリカーサとしてＳｉＨ４を用い、酸化性ガスとしてＮ２Ｏを用いて成膜したサンプル１Ｂの絶縁体９１４中の水素濃度は、概ね２．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の範囲であった。また、図３６Ｃに示すようにＰＥＡＬＤ法によって、プリカーサとしてＳｉＨ４を用い、酸化性ガスとしてＮ２Ｏを用い、希釈ガスとしてＮ２を用いて成膜したサンプル１Ｃの絶縁体９１４中の水素濃度は、概ね２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上７．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の範囲であった。
　また、ＰＥＣＶＤ法によって成膜したサンプル１Ａの絶縁体９１４中の窒素濃度、ＰＥＡＬＤ法によって、プリカーサとしてＳｉＨ４を用い、酸化性ガスとしてＮ２Ｏを用いて成膜したサンプル１Ｂの絶縁体９１４中の窒素濃度、およびＰＥＡＬＤ法によって、プリカーサとしてＳｉＨ４を用い、酸化性ガスとしてＮ２Ｏを用い、希釈ガスとしてＮ２を用いて成膜したサンプル１Ｃの絶縁体９１４中の窒素濃度は、概ね２．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の範囲であり、成膜方法による窒素濃度の違いは見られなかった（図３７Ａ乃至図３７Ｃ参照。）。
　以上により、ＰＥＡＬＤ法によって、プリカーサとしてＳｉＨ４を用い、酸化性ガスとしてＮ２Ｏを用いて成膜した酸化シリコンの膜中の水素濃度は、ＰＥＣＶＤ法によって成膜した酸化シリコンの膜中の水素濃度よりも低いことが解った。また、ＰＥＡＬＤ法によって、プリカーサとしてＳｉＨ４を用い、酸化性ガスとしてＮ２Ｏを用い、希釈ガスとしてＮ２を用いて成膜した酸化シリコンの膜中の水素濃度は、ＰＥＡＬＤ法によって、プリカーサとしてＳｉＨ４を用い、酸化性ガスとしてＮ２Ｏを用いて成膜した酸化シリコンの膜中の水素濃度よりも低いことが解った。従って、本発明の一態様である、ＰＥＡＬＤ法によって、プリカーサとしてＳｉＨ４を用い、酸化性ガスとしてＮ２Ｏを用い、希釈ガスとしてＮ２を用いる成膜方法は、膜中水素濃度が低い良質なシリコン酸化膜を製造することができる。また、酸化シリコン膜中の窒素濃度は、ＰＥＣＶＤ法によって成膜した酸化シリコンの膜中の窒素濃度と概ね同程度であることが解った。
　本実施例に示す構成、方法などは、少なくともその一部を、本明細書中に記載する他の実施の形態、他の実施例など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、図５に示すプロセスフローのステップＳ０３に相当する、プラズマを印加するステップでの酸化能力を評価するため、図３８に示すプラズマステップのレシピを作成して、シリコンウェハ上に直接酸化をさせて、酸化能力の比較を行った。図３８には、Ｎ２Ｏを導入する（Ｎ２Ｏ　ＯＮ）期間、Ｎ２を導入する（Ｎ２　ＯＮ）期間、高周波電力（ＲＦ　Ｐｏｗｅｒ）を印加する（ＲＦ　ＯＮ）期間を示している。本実施例では、プラズマ処理時間（高周波電力を印加する期間）を１８０ｓｅｃと固定し、Ｎ２ＯとＮ２の総流量を４０００ｓｃｃｍとし、Ｎ２Ｏの流量とＮ２の流量との流量比（Ｎ２Ｏ：Ｎ２）をサンプル毎に変えて評価した。サンプル２Ａは、Ｎ２ＯのみでＮ２希釈なし、サンプル２ＢはＮ２Ｏの流量とＮ２の流量との流量比（Ｎ２Ｏ：Ｎ２）を３：１とし、サンプル２Ｃは、Ｎ２Ｏの流量とＮ２の流量との流量比（Ｎ２Ｏ：Ｎ２）を１：１とし、サンプル２Ｄは、Ｎ２Ｏの流量とＮ２の流量との流量比（Ｎ２Ｏ：Ｎ２）を１：４とした。シリコンウェハの酸化膜厚は、分光エリプソメーターを用いて測定した。
　図３９に結果を示す。この結果、Ｎ２Ｏの流量とＮ２の流量との流量比（Ｎ２Ｏ：Ｎ２）を小さくするほど、つまりＮ２Ｏの流量と比較して、Ｎ２の流量の比率を大きくするほど、シリコンウェハの酸化膜厚が厚くなることが解った。サンプル２ＡのＮ２Ｏのみの条件とサンプル２Ｄの（Ｎ２Ｏ：Ｎ２）＝１：４の条件との酸化膜厚の比較では、サンプル２Ｄの（Ｎ２Ｏ：Ｎ２）＝１：４の条件が約１．１５倍の酸化膜厚となった。以上により、Ｎ２ＯにＮ２を添加して希釈することよってプラズマを印加するステップの酸化能力は強くなったと考えられる結果となった。このことから、Ｎ２ＯにＮ２を添加して希釈することよってＯラジカルなどのラジカル種が多くなっていることが示唆される結果が得られた。
　本実施例に示す構成、方法などは、少なくともその一部を、本明細書中に記載する他の実施の形態、他の実施例など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、Ｏラジカルがシリコン（Ｓｉ）と結合する水素（Ｈ）を奪う反応がどの程度起きやすいのか、について計算を行った。また、計算には量子化学計算ソフト（Ｇａｕｓｓｉａｎ）を用いた。主な計算条件を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　計算は最初にＯ原子とＳｉＨ４の１つのＨ原子との間の距離を変化させてエネルギーを求め、最もエネルギーの高い位置を出発点として遷移状態の構造最適化を行った。この際、正しい遷移状態になっているかどうかを確認するため、振動計算を行い虚の振動数が１つしかないことを確認した。次に、Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　Ｒｅａｃｔｉｏｎ　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ（ＩＲＣ）計算及び、ＩＲＣ計算で得られた構造から構造最適化を行い、反応物−遷移状態−生成物間のエネルギーを計算した。図４０Ａに反応物（Ｒｅａｃｔａｎｔ）の構造を示し、図４０Ｂに遷移状態（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　Ｓｔａｔｅ）構造を示し、図４０Ｃに生成物（Ｐｒｏｄｕｃｔ）の構造を示す。また、図４１に零点振動を考慮した各状態のエネルギーを示す。
　図４１に示すように、反応物のエネルギーより遷移状態のエネルギーが低く、遷移状態のエネルギーより生成物のエネルギーが低いので、ＯがＳｉＨ４のＨを奪う際は、活性化障壁がないと見積もられる。よって、この反応は容易に起こりうると考えられる。従って、Ｏラジカルが多い環境下ではＨの脱離が多く起きるために、Ｎ２ＯにＮ２を添加して希釈してＰＥＡＬＤ法によって成膜した膜は水素濃度が低くなった可能性が示唆される。
　本実施例に示す構成、方法などは、少なくともその一部を、本明細書中に記載する他の実施の形態、他の実施例などと適宜組み合わせて実施することができる。
Ｍ１：トランジスタ、Ｍ２：トランジスタ、Ｍ３：トランジスタ、Ｍ４：トランジスタ、Ｍ５：トランジスタ、Ｍ６：トランジスタ、１００：容量素子、１１０：導電体、１１２：導電体、１１５：導電体、１２０：導電体、１２５：導電体、１３０：絶縁体、１４０：導電体、１４２：絶縁体、１４５：絶縁体、１５０：絶縁体、１５２：絶縁体、１５３：導電体、１５４：絶縁体、１５６：絶縁体、２００：トランジスタ、２００ａ：トランジスタ、２００ｂ：トランジスタ、２０５：導電体、２０５ａ：導電体、２０５ｂ：導電体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１７：絶縁体、２１８：導電体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２２４Ａ：絶縁膜、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０Ａ：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｂａ：領域、２３０ｂｂ：領域、２３０ｂｃ：領域、２４０：導電体、２４０ａ：導電体、２４０ｂ：導電体、２４１：絶縁体、２４１ａ：絶縁体、２４１ｂ：絶縁体、２４２：導電体、２４２ａ：導電体、２４２Ａ：導電膜、２４２ｂ：導電体、２４２Ｂ：導電層、２４２ｃ：導電体、２４６：導電体、２４６ａ：導電体、２４６ｂ：導電体、２５０：絶縁体、２５０ａ：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２５０ｂ：絶縁体、２５０Ｂ：絶縁膜、２５０ｃ：絶縁体、２５２：絶縁体、２５２Ａ：絶縁膜、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０ｂ：導電体、２６５：封止部、２７１：絶縁体、２７１ａ：絶縁体、２７１Ａ：絶縁膜、２７１ｂ：絶縁体、２７１Ｂ：絶縁層、２７１ｃ：絶縁体、２７４：絶縁体、２７５：絶縁体、２８０：絶縁体、２８２：絶縁体、２８３：絶縁体、２８５：絶縁体、２９０：メモリデバイス、２９２：容量デバイス、２９２ａ：容量デバイス、２９２ｂ：容量デバイス、２９４：導電体、２９４ａ：導電体、２９４ｂ：導電体、３００：トランジスタ、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体、４００：開口領域、４０１：ガス、４０２：酸化性ガス、４０３：高周波電力、４０５：希釈ガス、５００：半導体装置、６００：半導体装置、６０１：半導体装置、６１０：セルアレイ、６１０＿ｎ：セルアレイ、６１０＿１：セルアレイ、７００：電子部品、７０２：プリント基板、７０４：実装基板、７１１：モールド、７１２：ランド、７１３：電極パッド、７１４：ワイヤ、７２０：記憶装置、７２１：駆動回路層、７２２：記憶回路層、７３０：電子部品、７３１：インターポーザ、７３２：パッケージ基板、７３３：電極、７３５：半導体装置、９１０：構造、９１１：基板、９１２：絶縁体、９１４：絶縁体、１００１：配線、１００２：配線、１００３：配線、１００４：配線、１００５：配線、１００６：配線、１１００：ＵＳＢメモリ、１１０１：筐体、１１０２：キャップ、１１０３：ＵＳＢコネクタ、１１０４：基板、１１０５：メモリチップ、１１０６：コントローラチップ、１１１０：ＳＤカード、１１１１：筐体、１１１２：コネクタ、１１１３：基板、１１１４：メモリチップ、１１１５：コントローラチップ、１１５０：ＳＳＤ、１１５１：筐体、１１５２：コネクタ、１１５３：基板、１１５４：メモリチップ、１１５５：メモリチップ、１１５６：コントローラチップ、１２００：チップ、１２０１：パッケージ基板、１２０２：バンプ、１２０３：マザーボード、１２０４：ＧＰＵモジュール、１２１１：ＣＰＵ、１２１２：ＧＰＵ、１２１３：アナログ演算部、１２１４：メモリコントローラ、１２１５：インターフェース、１２１６：ネットワーク回路、１２２１：ＤＲＡＭ、１２２２：フラッシュメモリ、１４００：記憶装置、１４１１：周辺回路、１４２０：行回路、１４３０：列回路、１４４０：出力回路、１４６０：コントロールロジック回路、１４７０：メモリセルアレイ、１４７１：メモリセル、１４７２：メモリセル、１４７３：メモリセル、１４７４：メモリセル、１４７５：メモリセル、１４７６：メモリセル、１４７７：メモリセル、１４７８：メモリセル、２７００：製造装置、２７０１：大気側基板供給室、２７０２：大気側基板搬送室、２７０３ａ：ロードロック室、２７０３ｂ：アンロードロック室、２７０４：搬送室、２７０６ａ：チャンバー、２７０６ｂ：チャンバー、２７０６ｃ：チャンバー、２７０６ｄ：チャンバー、２７６１：カセットポート、２７６２：アライメントポート、２７６３ａ：搬送ロボット、２７６３ｂ：搬送ロボット、２８０１：ガス供給源、２８０２：バルブ、２８０３：高周波発生器、２８０４：導波管、２８０５：モード変換器、２８０６：ガス管、２８０７：導波管、２８０８：スロットアンテナ板、２８０９：誘電体板、２８１０：高密度プラズマ、２８１１：基板、２８１１＿ｎ：基板、２８１１＿ｎ−１：基板、２８１１＿ｎ−２：基板、２８１１＿１：基板、２８１１＿２：基板、２８１１＿３：基板、２８１２：基板ホルダ、２８１３：加熱機構、２８１５：マッチングボックス、２８１６：高周波電源、２８１７：真空ポンプ、２８１８：バルブ、２８１９：排気口、２８２０：ランプ、２８２１：ガス供給源、２８２２：バルブ、２８２３：ガス導入口、２８２４：基板、２８２５：基板ホルダ、２８２６：加熱機構、２８２８：真空ポンプ、２８２９：バルブ、２８３０：排気口、２９００：マイクロ波処理装置、２９０１：石英管、２９０２：基板ホルダ、２９０３：加熱手段、５１００：情報端末、５１０１：筐体、５１０２：表示部、５２００：ノート型情報端末、５２０１：本体、５２０２：表示部、５２０３：キーボード、５３００：携帯ゲーム機、５３０１：筐体、５３０２：筐体、５３０３：筐体、５３０４：表示部、５３０５：接続部、５３０６：操作キー、５４００：型ゲーム機、５４０２：コントローラ、５５００：スーパーコンピュータ、５５０１：ラック、５５０２：計算機、５５０４：基板、５７０１：表示パネル、５７０２：表示パネル、５７０３：表示パネル、５７０４：表示パネル、５８００：電気冷凍冷蔵庫、５８０１：筐体、５８０２：冷蔵室用扉、５８０３：冷凍室用扉

Claims (11)

  1. 　第１の絶縁膜を成膜し、
    　前記第１の絶縁膜上に、酸化膜を成膜し、
    　第１の加熱処理を行い、
    　前記酸化膜上に、第１の導電膜、および第２の絶縁膜を順に成膜し、
    　前記第１の絶縁膜、前記酸化膜、前記第１の導電膜、および前記第２の絶縁膜を島状に加工して、第１の絶縁体、酸化物、導電層、および第１の絶縁層を形成し、
    　前記第１の絶縁体、前記酸化物、前記導電層、および前記第１の絶縁層の上に第２の絶縁体を成膜し、
    　前記第２の絶縁体上に、第３の絶縁体を成膜し、
    　前記導電層、前記第１の絶縁層、前記第２の絶縁体、および前記第３の絶縁体に、前記酸化物に達する開口を形成し、
    　当該開口の形成によって、前記導電層から第１の導電体、および第２の導電体が形成され、前記第１の絶縁層から第４の絶縁体、および第５の絶縁体が形成され、
    　第２の加熱処理を行い、
    　前記第３の絶縁体上、および前記開口上に第３の絶縁膜を成膜し、
    　前記第３の絶縁膜上に第４の絶縁膜を成膜し、
    　前記第４の絶縁膜上に第５の絶縁膜を成膜し、
    　マイクロ波処理を行い、
    　前記第５の絶縁膜上に第２の導電膜を成膜し、
    　前記第３の絶縁膜、前記第４の絶縁膜、前記第５の絶縁膜、および前記第２の導電膜に、前記第３の絶縁体の上面が露出するまで、ＣＭＰ処理を行うことで、第６の絶縁体、第７の絶縁体、第８の絶縁体、および第３の導電体を形成し、
    　前記第４の絶縁膜の成膜は、シリコンを含み、炭化水素を含まないプリカーサ、酸化性ガス、および希釈ガスを用いて、ＰＥＡＬＤ法によって成膜する、
    　半導体装置の作製方法。
  2. 　請求項１において、
    　前記ＰＥＡＬＤ法による成膜は、
    　前記シリコンを含み、前記炭化水素を含まないガス、前記酸化性ガス、および前記希釈ガスを反応室へ導入する、第１のステップと、
    　前記シリコンを含み、前記炭化水素を含まないガスを止めて、前記反応室に残留する前記シリコンを含み、前記炭化水素を含まないガスをパージする、第２のステップと、
    　高周波電力を印加して、前記酸化性ガス、および前記希釈ガスによるプラズマを発生させる、第３のステップと、
    　前記高周波電力を止める、第４のステップと、を有し、
    　前記第１のステップ乃至前記第４のステップを１つのサイクルとした場合、
    　前記サイクルは１回以上８００回以下である半導体装置の作製方法。
  3. 　請求項１または請求項２において、
    　前記シリコンを含み、前記炭化水素を含まないガスは、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＦ４、ＳｉＣｌ４、ＳｉＢｒ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、およびＳｉＨ２Ｉ２の中から選ばれるいずれか一または複数を含み、
    　前記酸化性ガスは、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、ＮＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、およびＣＯ２中から選ばれるいずれか一または複数を含み、
    　前記希釈ガスは、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、およびＸｅの中から選ばれるいずれか一または複数を含む、
    　半導体装置の作製方法。
  4. 　請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
    　前記シリコンを含み、前記炭化水素を含まないガスは、ＳｉＨ４であり、前記酸化性ガスは、Ｎ２Ｏであり、前記希釈ガスは、Ｎ２である、
    　半導体装置の作製方法。
  5. 　請求項２において、
    　前記第１のステップの反応室内の圧力は、４００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下である、
    　半導体装置の作製方法。
  6. 　請求項１において、
    　前記第１の加熱処理の温度は、前記第２の加熱処理の温度よりも高い、
    　半導体装置の作製方法。
  7. 　酸化物と、
    　前記酸化物上の第１の導電体、および第２の導電体と、
    　前記第１の導電体上の第１の絶縁体と、
    　前記第２の導電体上の第２の絶縁体と、
    　前記第１の絶縁体上、および前記第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、
    　前記第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、
    　前記酸化物上にあり、且つ前記第１の導電体と前記第２の導電体の間に配置される第５の絶縁体と、
    　前記第５の絶縁体上の第６の絶縁体と、
    　前記第６の絶縁体上の第７の絶縁体と、
    　前記第７の絶縁体上の第３の導電体と、を有し、
    　前記第３の導電体は、前記酸化物と重なる領域を有し、
    　前記第５の絶縁体は、前記酸化物、前記第１の導電体、前記第２の導電体、および前記第１の絶縁体乃至前記第４の絶縁体と、それぞれ接する領域を有し、
    　前記第６の絶縁体は、水素、窒素、酸素、およびシリコンを含み、
    　前記第６の絶縁体の膜中の水素濃度は、ＳＩＭＳ分析法にて、
    　１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、
    　前記第６の絶縁体の膜中の窒素濃度は、ＳＩＭＳ分析法にて、
    　３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、
    　半導体装置。
  8. 　請求項７において、
    　前記第７の絶縁体は、ハフニウムを含む、半導体装置。
  9. 　請求項７または請求項８において、
    　前記第７の絶縁体の膜厚は、０．５ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下である、半導体装置。
  10. 　請求項７において、
    　前記第６の絶縁体の膜厚は、０．５ｎｍ以上、１５．０ｎｍ以下である、半導体装置。
  11. 　請求項７において、
    　前記酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、またはＺｎの中から選ばれるいずれか一または複数を含む酸化物半導体である、半導体装置。
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