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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024128000
(43)【公開日】2024-09-20
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 21/336 20060101AFI20240912BHJP
H01L 29/786 20060101ALI20240912BHJP
H01L 21/8234 20060101ALI20240912BHJP
【ＦＩ】
H01L29/78 617S
H01L29/78 618B
H01L29/78 617T
H01L29/78 619A
H01L27/06 102A
【審査請求】有
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024108289
(22)【出願日】2024-07-04
(62)【分割の表示】P 2020503103の分割
【原出願日】2019-02-21
(31)【優先権主張番号】P 2018037162
(32)【優先日】2018-03-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000153878
【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所
(72)【発明者】
【氏名】山崎 舜平
(72)【発明者】
【氏名】栃林 克明
(72)【発明者】
【氏名】岡本 悟
(57)【要約】
【課題】オン電流が大きい半導体装置を提供する。
【解決手段】第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物と、第１の酸化物上に互いに離間して設けられた第１の導電体、および第２の導電体と、第１の絶縁体、第１の酸化物、第１の導電体、および第２の導電体を覆う第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第１の導電体、第２の導電体の側面、第２の絶縁体の側面、および第３の絶縁体の側面に接する第４の絶縁体と、第１の酸化物上、かつ第４の絶縁体の内側に設けられた第５の絶縁体と、第５の絶縁体の内側に設けられた第３の導電体と、第４の絶縁体の上面に接し、かつ第３の絶縁体、第５の絶縁体、および第３の導電体上に設けられた第６の絶縁体を有し、第４の絶縁体は、第１の酸化物上で、互いに離間している半導体装置。
【選択図】図１
【解決手段】第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物と、第１の酸化物上に互いに離間して設けられた第１の導電体、および第２の導電体と、第１の絶縁体、第１の酸化物、第１の導電体、および第２の導電体を覆う第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第１の導電体、第２の導電体の側面、第２の絶縁体の側面、および第３の絶縁体の側面に接する第４の絶縁体と、第１の酸化物上、かつ第４の絶縁体の内側に設けられた第５の絶縁体と、第５の絶縁体の内側に設けられた第３の導電体と、第４の絶縁体の上面に接し、かつ第３の絶縁体、第５の絶縁体、および第３の導電体上に設けられた第６の絶縁体を有し、第４の絶縁体は、第１の酸化物上で、互いに離間している半導体装置。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体上の第１の酸化物と、
前記第１の酸化物上に互いに離間して設けられた第１の導電体、および第２の導電体と、
前記第１の絶縁体、前記第１の酸化物、前記第１の導電体および前記第２の導電体を覆う第２の絶縁体と、
前記第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、
前記第１の導電体の側面の一部、前記第２の導電体の側面の一部、前記第２の絶縁体の側面および前記第３の絶縁体の側面に接する第４の絶縁体と、
前記第１の酸化物と接し、前記第４の絶縁体の内側、前記第１の導電体の側面の一部および前記第２の導電体の側面の一部と接する第２の酸化物と、
前記第２の酸化物の内側に設けられた第５の絶縁体と、
前記第５の絶縁体の内側に設けられた第３の導電体と、
前記第４の絶縁体の上面に接し、かつ前記第３の絶縁体、前記第２の酸化物、前記第５の絶縁体および前記第３の導電体上に設けられた第６の絶縁体と、
前記第３の絶縁体および前記第６の絶縁体に設けられた第１の開口部において、前記第３の絶縁体の側面および前記第６の絶縁体の側面に接する第７の絶縁体と、
前記第３の絶縁体および前記第６の絶縁体に設けられた第２の開口部において、前記第３の絶縁体の側面および前記第６の絶縁体の側面に接する第８の絶縁体と、
前記第７の絶縁体の内側に設けられた第４の導電体と、
前記第８の絶縁体の内側に設けられた第５の導電体と、を有し、
前記第４の絶縁体は第３の開口部を有し、
前記第３の開口部は、前記第１の導電体および前記第２の導電体と重ならず、
前記第３の導電体は、前記第１の導電体および前記第２の導電体と重ならず、
前記第４の導電体は、前記第７の絶縁体の第４の開口部において前記第１の導電体と電気的に接続され、
前記第５の導電体は、前記第８の絶縁体の第５の開口部において前記第２の導電体と電気的に接続される、半導体装置。
前記第１の絶縁体上の第１の酸化物と、
前記第１の酸化物上に互いに離間して設けられた第１の導電体、および第２の導電体と、
前記第１の絶縁体、前記第１の酸化物、前記第１の導電体および前記第２の導電体を覆う第２の絶縁体と、
前記第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、
前記第１の導電体の側面の一部、前記第２の導電体の側面の一部、前記第２の絶縁体の側面および前記第３の絶縁体の側面に接する第４の絶縁体と、
前記第１の酸化物と接し、前記第４の絶縁体の内側、前記第１の導電体の側面の一部および前記第２の導電体の側面の一部と接する第２の酸化物と、
前記第２の酸化物の内側に設けられた第５の絶縁体と、
前記第５の絶縁体の内側に設けられた第３の導電体と、
前記第４の絶縁体の上面に接し、かつ前記第３の絶縁体、前記第２の酸化物、前記第５の絶縁体および前記第３の導電体上に設けられた第６の絶縁体と、
前記第３の絶縁体および前記第６の絶縁体に設けられた第１の開口部において、前記第３の絶縁体の側面および前記第６の絶縁体の側面に接する第７の絶縁体と、
前記第３の絶縁体および前記第６の絶縁体に設けられた第２の開口部において、前記第３の絶縁体の側面および前記第６の絶縁体の側面に接する第８の絶縁体と、
前記第７の絶縁体の内側に設けられた第４の導電体と、
前記第８の絶縁体の内側に設けられた第５の導電体と、を有し、
前記第４の絶縁体は第３の開口部を有し、
前記第３の開口部は、前記第１の導電体および前記第２の導電体と重ならず、
前記第３の導電体は、前記第１の導電体および前記第２の導電体と重ならず、
前記第４の導電体は、前記第７の絶縁体の第４の開口部において前記第１の導電体と電気的に接続され、
前記第５の導電体は、前記第８の絶縁体の第５の開口部において前記第２の導電体と電気的に接続される、半導体装置。
【請求項2】
請求項１において、
前記第１の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する、半導体装置。
前記第１の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する、半導体装置。
【請求項3】
請求項１または請求項２において、
前記第４の絶縁体は、ハフニウム、およびアルミニウムの一方、または両方を含む、半導体装置。
前記第４の絶縁体は、ハフニウム、およびアルミニウムの一方、または両方を含む、半導体装置。
【請求項4】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記第７の絶縁体および前記第８の絶縁体は、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムを含む、半導体装置。
前記第７の絶縁体および前記第８の絶縁体は、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムを含む、半導体装置。
【請求項5】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記第２の絶縁体は、第１の層、および第２の層を含む積層構造を有し、
前記第１の層は、前記第１の絶縁体と接し、
前記第２の層は、前記第３の絶縁体と接する、半導体装置。
前記第２の絶縁体は、第１の層、および第２の層を含む積層構造を有し、
前記第１の層は、前記第１の絶縁体と接し、
前記第２の層は、前記第３の絶縁体と接する、半導体装置。
【請求項6】
請求項５において、
前記第１の層は、窒化シリコンを含み、
前記第２の層は、酸化アルミニウムを含む、半導体装置。
前記第１の層は、窒化シリコンを含み、
前記第２の層は、酸化アルミニウムを含む、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュール、および電子機器に関する。
【0002】
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能し得る装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置、および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。
【0003】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
【背景技術】
【0004】
トランジスタに適用可能な半導体薄膜として、シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯとも呼ぶ。）に関する研究が盛んに行われている。
【0005】
ＩＧＺＯに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（非特許文献１乃至非特許文献３参照。）。非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献４および非特許文献５に示されている。
【0006】
さらに、ＩＧＺＯを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち（非特許文献６参照。）、その特性を利用したＬＳＩおよびディスプレイが報告されている（非特許文献７および非特許文献８参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．， “ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”， ２０１２， ｖｏｌｕｍｅ ４３， ｉｓｓｕｅ １， ｐ．１８３－１８６
【非特許文献2】Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．， “Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ”， ２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ５３， Ｎｕｍｂｅｒ ４Ｓ， ｐ．０４ＥＤ１８－１－０４ＥＤ１８－１０
【非特許文献3】Ｓ． Ｉｔｏ ｅｔ ａｌ．， “Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＭ－ＦＰＤ’１３ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”， ２０１３， ｐ．１５１－１５４
【非特許文献4】Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．， “ＥＣＳ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”， ２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ３， ｉｓｓｕｅ ９， ｐ．Ｑ３０１２－Ｑ３０２２
【非特許文献5】Ｓ． Ｙａｍａｚａｋｉ， “ＥＣＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ”，２０１４， ｖｏｌｕｍｅ ６４， ｉｓｓｕｅ １０， ｐ．１５５－１６４
【非特許文献6】Ｋ． Ｋａｔｏ ｅｔ ａｌ．， “Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ”， ２０１２， ｖｏｌｕｍｅ ５１， ｐ．０２１２０１－１－０２１２０１－７
【非特許文献7】Ｓ． Ｍａｔｓｕｄａ ｅｔ ａｌ．， “２０１５ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”， ２０１５， ｐ．Ｔ２１６－Ｔ２１７
【非特許文献8】Ｓ． Ａｍａｎｏ ｅｔ ａｌ．， “ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”， ２０１０， ｖｏｌｕｍｅ ４１， ｉｓｓｕｅ １， ｐ．６２６－６２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の一態様は、オン電流が大きい半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、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、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。
【0009】
本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。
【0010】
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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物と、第１の酸化物上に互いに離間して設けられた第１の導電体、および第２の導電体と、第１の絶縁体、第１の酸化物、第１の導電体、および第２の導電体を覆う第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第１の導電体、第２の導電体の側面、第２の絶縁体の側面、および第３の絶縁体の側面に接する第４の絶縁体と、第１の酸化物上、かつ第４の絶縁体の内側に設けられた第５の絶縁体と、第５の絶縁体の内側に設けられた第３の導電体と、第４の絶縁体の上面に接し、かつ第３の絶縁体、第５の絶縁体、および第３の導電体上に設けられた第６の絶縁体を有し、第４の絶縁体は、第１の酸化物上で、互いに離間している半導体装置である。
【0012】
本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の第１の酸化物と、第１の酸化物上に互いに離間して設けられた第１の導電体、および第２の導電体と、第１の絶縁体、第１の酸化物、第１の導電体、および第２の導電体を覆う第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第３の絶縁体と、第１の導電体、第２の導電体の側面、第２の絶縁体の側面、および第３の絶縁体の側面に接する第４の絶縁体と、第１の酸化物と接し、かつ第４の絶縁体の内側と接する第２の酸化物と、第２の酸化物の内側に設けられた第５の絶縁体と、第５の絶縁体の内側に設けられた第３の導電体と、第４の絶縁体の上面に接し、かつ第３の絶縁体、第２の酸化物、第５の絶縁体、および第３の導電体上に設けられた第６の絶縁体を有する半導体装置である。
【0013】
上記において、第４の絶縁体は、第１の導電体の側面、および第２の導電体の側面と接することが好ましい。
【0014】
上記において、第４の絶縁体は、第１の酸化物と接することが好ましい。
【0015】
上記において、第１の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有することが好ましい。
【0016】
上記において、第４の絶縁体は、ハフニウム、およびアルミニウムの一方、または両方を含むことが好ましい。
【0017】
上記において、第６の絶縁体は、第３の導電体と接することが好ましい。
【0018】
上記において、第２の絶縁体は、第１の層、および第２の層を含む積層構造を有し、第１の層は、第１の絶縁体と接し、第２の層は、第３の絶縁体と接することが好ましい。
【0019】
上記において、第１の層は、窒化シリコンを含み、第２の層は、酸化アルミニウムを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【0020】
本発明の一態様により、オン電流が大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
【0021】
または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。
【0022】
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。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
【図2】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
【図3】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
【図4】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図5】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図6】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図7】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図8】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図9】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図10】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図11】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図12】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図13】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図14】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図15】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図16】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図17】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図18】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図19】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図20】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図21】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図22】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図23】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図24】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す図。
【図25】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。
【図26】本発明の一態様に係る電子部品の一例を説明する図。
【図27】本発明の一態様に係る電子機器の一例を説明する図。
【図28】本発明の一態様に係る記憶装置の応用例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【0024】
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。
【0025】
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするため、図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【0026】
また、特に上面図（「平面図」ともいう。）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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とが直接的に接続されている場合と、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。
【0030】
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。
【0031】
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
なお、本明細書において、バリア膜とは、水、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、当該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。
【0040】
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む。）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう。）などに分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ ＦＥＴあるいはＯＳトランジスタと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
【0041】
また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりの電流が、室温において１×１０－２０Ａ以下、８５℃において１×１０－１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０－１６Ａ以下であることをいう。
【0042】
（実施の形態１）
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
【0043】
【0044】
図１（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、および図１（Ｄ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図１（Ｄ）は、図１（Ａ）にＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００の導電体２４０ｂとの接続部における断面図でもある。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【0045】
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、トランジスタ２００上の絶縁体２７４、および絶縁体２８１を有する。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）とを有する。
【0046】
また、導電体２４０は、絶縁体２５６（絶縁体２５６ａ、および絶縁体２５６ｂ）、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２８１の開口の内壁に接して導電体２４０の第１の導電体が形成され、さらに内側に導電体２４０の第２の導電体が形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８１の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２４０の第１の導電体および導電体２４０の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
【0047】
［トランジスタ２００］
図１に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示しない。）の上に配置された絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された絶縁体２１６と、絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａの上に配置された酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂの上に配置された導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）と、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２を覆う絶縁体２５６と、絶縁体２５６の上に配置され、開口を有する絶縁体２８０と、該開口内で酸化物２３０ｂと、導電体２４２の側面と、絶縁体２５６の側面と、絶縁体２８０の側面と、に接するように設けられた絶縁体２７３と、酸化物２３０ｂと接し、かつ絶縁体２７３の内側に設けられた酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｃの内側に設けられた絶縁体２５０と、絶縁体２５０の内側に設けられた導電体２６０ａと、導電体２６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体２６０ｂと、を有する。また、絶縁体２８０と、絶縁体２７３と、酸化物２３０ｃと、絶縁体２５０と、導電体２６０ａと、導電体２６０ｂの上には、絶縁体２７４が設けられ、絶縁体２７４の上には、絶縁体２８１が設けられる。
図１に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示しない。）の上に配置された絶縁体２１４と、絶縁体２１４の上に配置された絶縁体２１６と、絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａの上に配置された酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂの上に配置された導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）と、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２を覆う絶縁体２５６と、絶縁体２５６の上に配置され、開口を有する絶縁体２８０と、該開口内で酸化物２３０ｂと、導電体２４２の側面と、絶縁体２５６の側面と、絶縁体２８０の側面と、に接するように設けられた絶縁体２７３と、酸化物２３０ｂと接し、かつ絶縁体２７３の内側に設けられた酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｃの内側に設けられた絶縁体２５０と、絶縁体２５０の内側に設けられた導電体２６０ａと、導電体２６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体２６０ｂと、を有する。また、絶縁体２８０と、絶縁体２７３と、酸化物２３０ｃと、絶縁体２５０と、導電体２６０ａと、導電体２６０ｂの上には、絶縁体２７４が設けられ、絶縁体２７４の上には、絶縁体２８１が設けられる。
【0048】
なお、絶縁体２５６は、絶縁体２２４、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、導電体２４２の上面および側面を覆うように設けられることが好ましい。また、絶縁体２５６と絶縁体２７３が接していることが好ましい。また、絶縁体２７３と絶縁体２７４が接していることが好ましい。このような構造とすることで、絶縁体２８０は、絶縁体２５６、絶縁体２７３、および絶縁体２７４に囲まれるため、絶縁体２８０に含まれる水素や水などの不純物の、酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）や、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体２２４、および絶縁体２５０への拡散を抑制することができる。
【0049】
また、トランジスタ２００が有する絶縁体２２４、酸化物２３０、および絶縁体２５０は、絶縁体２２２、絶縁体２５６、絶縁体２７３、および絶縁体２７４に囲まれているため、絶縁体２２４、酸化物２３０、および絶縁体２５０が有する酸素の、絶縁体２１６、絶縁体２８０、絶縁体２８１、およびトランジスタ２００より外方への拡散を抑制することができる。
【0050】
なお、トランジスタ２００では、チャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう。）と、その近傍において、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂの単層構造、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの２層構造、または４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ２００では、導電体２６０を２層構造として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２６０が、単層構造でも、３層以上の積層構造であってもよい。
【0051】
ここで、導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体２６０は、絶縁体２８０の開口、および導電体２４２ａと導電体２４２ｂに挟まれた領域に、絶縁体２７３、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０を介して、埋め込まれるように形成される。ここで、導電体２６０、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂの配置は、絶縁体２８０の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ２００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体２６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ２００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。
【0052】
さらに、導電体２６０が、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体２６０は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体２６０と導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ２００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。
【0053】
また、トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。
【0054】
チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ２００は、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ２００に用いることができる。
【0055】
例えば、酸化物２３０として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズ、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酸化物を用いてもよい。
【0056】
ここで、酸化物２３０は、水素、窒素、または金属元素などの不純物が存在すると、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。また、酸化物２３０に含まれる酸素濃度が低下すると、キャリア密度が増大し、低抵抗化する場合がある。
【0057】
酸化物２３０上に接するように設けられ、ソース電極や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）が、酸化物２３０の酸素を吸収する機能を有する場合、または酸化物２３０に水素、窒素、または金属元素などの不純物を供給する機能を有する場合、酸化物２３０には、部分的に低抵抗領域が形成される場合がある。
【0058】
また、導電体２４２の、チャネル形成領域側の側面を絶縁体２７３で覆うことにより、導電体２４２の該側面の酸化を抑制することが可能となり好ましい。導電体２４２の酸化により、その抵抗値が増加すると、導電体２４２の内、ソース電極、またはドレイン電極として機能する領域は縮小してしまう。すなわち、ソース電極とドレイン電極の間の距離が、意図した距離よりも長くなってしまう場合がある。しかしながら、導電体２４２の側壁に絶縁体２７３を設けることで、導電体２４２の酸化は抑制され、導電体２４２の、ソース電極、またはドレイン電極として機能する領域の縮小を抑制することができる。
【0059】
また、絶縁体２７３を設けることにより、酸化物２３０ｂと、導電体２６０の間の距離に対して、導電体２４２と、導電体２６０の間の距離を大きくすることができる。このような構造とすることで、導電体２６０と導電体２４２の間の寄生容量をさらに低減し、より高い周波数特性を有するトランジスタ２００を提供することができる。さらに、酸化物２３０ｂと、導電体２６０の間の距離が短いので、ゲート電極からの電界が弱まることもないので、良好な電気特性を有するトランジスタ２００を提供することができる。
【0060】
絶縁体２５６は、酸化物２３０の側面が絶縁体２８０と直接触れないように設けられている。また、導電体２４２の酸化を抑制するために設けられている。ただし、導電体２４２が、耐酸化性材料、または酸素を吸収しても導電性が著しく低下することがない場合は、絶縁体２５６が導電体２４２の酸化を抑制する効果を有する必要はない。
【0061】
絶縁体２５６を設けることで、絶縁体２８０が有する酸素が酸化物２３０の側面から注入されるのを抑制することができる。
【0062】
【0063】
図４に示すように、酸化物２３０上に接するように導電体２４２が設けられ、酸化物２３０の、導電体２４２との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域２５３（領域２５３ａ、および領域２５３ｂ）が形成されている。酸化物２３０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２３４と、領域２５３を含み、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１（領域２３１ａ、および領域２３１ｂ）と、領域２３４と領域２３１の間の領域２３２（領域２３２ａ、および領域２３２ｂ）と、を有する。
【0064】
ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１において、特に領域２５３は、酸素濃度が低い、または水素や、窒素や、金属元素などの不純物を含む、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２３１は、領域２３４と比較して、キャリア密度が高く、低抵抗な領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域２３４は、領域２３１のうち、特に領域２５３よりも、酸素濃度が高い、または不純物濃度が低いため、キャリア密度が低い高抵抗領域である。また、領域２３２の酸素濃度は、領域２３１の酸素濃度と同等、またはそれよりも高く、領域２３４の酸素濃度と同等、またはそれよりも低いことが好ましい。または、領域２３２の不純物濃度は、領域２３１の不純物濃度と同等、またはそれよりも低く、領域２３４の不純物濃度と同等、またはそれよりも高いことが好ましい。
【0065】
すなわち、領域２３２は、そこに含まれる酸素の濃度や、不純物の濃度により、領域２３１と同程度の抵抗値を有する低抵抗領域、領域２３４と同程度の抵抗値を有するオフセット領域、あるいは、領域２３１より高抵抗であり、かつ領域２３４より低抵抗である、低抵抗領域として機能する場合がある。特に、酸化物２３０の一部が、後述するＣＡＡＣ－ＯＳを有する場合、領域２３１に含まれる不純物は、ａ－ｂ面方向に拡散しやすく、領域２３２は低抵抗化する場合がある。
【0066】
なお、低抵抗領域である領域２５３が金属元素を含む場合、領域２５３は、酸化物２３０の他に、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、ランタンなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。
【0067】
また、図４では、領域２５３が、酸化物２３０ｂの膜厚方向において、酸化物２３０ｂの導電体２４２との界面近傍に形成されているが、これに限られない。例えば、領域２５３は、酸化物２３０ｂの膜厚と概略同じ厚さを有していてもよいし、酸化物２３０ａにも、形成されていてもよい。また、図４では、領域２５３が領域２３１のみに形成されているが、本実施の形態は、これに限らない。上述の通り、不純物がａ－ｂ面方向に拡散する場合、領域２５３は、領域２３１、および領域２３２に形成されていてもよいし、領域２３１と、領域２３２の一部と、に形成されていてもよいし、領域２３１と、領域２３２と、領域２３４の一部と、に形成されていてもよい。
【0068】
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（グラデーションともいう。）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。
【0069】
酸化物２３０を、選択的に低抵抗化するには、導電体２４２として、例えば、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、ランタンなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を含む材料を用いることが好ましい。または、導電体２４２となる導電膜２４２Ａの形成において、酸化物２３０に、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などの不純物が注入される材料や成膜方法などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、希ガス等が挙げられる。また、希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。
【0070】
ここで、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となりやすい。したがって、チャネルが形成される領域２３４中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
【0071】
トランジスタのノーマリーオン化を抑制するには、酸化物２３０と近接する絶縁体２５０が、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素（過剰酸素ともいう。）を含むことが好ましい。絶縁体２５０が有する酸素は、酸化物２３０へと拡散し、酸化物２３０の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。
【0072】
つまり、絶縁体２５０が有する酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと拡散することで、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減することができる。このとき、少なくとも絶縁体２８０の側面、好ましくは絶縁体２８０の側面、および導電体２４２の側面に絶縁体２７３を設けることで、絶縁体２５０が有する酸素が、絶縁体２８０、あるいは導電体２４２に拡散することを抑制でき、酸化物２３０の領域２３４へ酸素を効率よく供給することができる。
【0073】
以上のような構造とすることで、酸化物２３０への酸素の供給量を制御でき、信頼性が高く、ノーマリーオン化が抑制されたトランジスタが得られる。
【0074】
また、酸化物２３０、絶縁体２５０、および絶縁体２２４が有する酸素の、トランジスタ２００より外方への拡散を抑制するために、絶縁体２２２、絶縁体２５６、絶縁体２７３、および絶縁体２７４などが設けられることが好ましい。これら絶縁体として、酸素が透過しにくい材料を用いることが好ましい。例えば、アルミニウム、およびハフニウムの一方を含む酸化物や、シリコンの窒化物などを用いることができる。さらに、これら絶縁膜は、水素、水、窒素、金属元素などの不純物が透過しにくい材料であることが好ましい。このような材料を用いることで、トランジスタ２００の外方から、トランジスタ２００への不純物の混入を抑制することができる。
【0075】
また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に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（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。
【0076】
以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
【0077】
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
【0078】
導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能する場合がある。また、導電体２０５は、第２のゲート（ボトムゲートともいう。）電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００のＶｔｈを制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００のＶｔｈを０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体２０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
【0079】
なお、導電体２０５は、図１（Ａ）に示すように、酸化物２３０、および導電体２６０と重なるように配置する。また、導電体２０５は、絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。また、導電体２０５は、酸化物２３０における領域２３４よりも、大きく設けるとよい。特に、図１（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向において、導電体２０５は、酸化物２３０の領域２３４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。
【0080】
上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
【0081】
つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４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のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
【0082】
また、導電体２０５は、絶縁体２１６の開口の内壁、および絶縁体２１４に接して導電体２０５ａが形成され、さらに内側に導電体２０５ｂが形成され、さらに内側に導電体２０５ｃが形成されている。ここで、導電体２０５ａ、導電体２０５ｂ、および導電体２０５ｃの上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２０５ａ、導電体２０５ｂ、および導電体２０５ｃ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、単層構造としてもよいし、２層、または４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。
【0083】
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（上記不純物が透過しにくい）導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一またはすべての拡散を抑制する機能とする。
【0084】
導電体２０５ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５ｃが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。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。これにより、絶縁体２１６や、絶縁体２１４より下層に含まれる水素や水などの不純物が、導電体２０５を通じて、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。
【0085】
また、導電体２０５ｂは、チタン、または窒化チタンを主成分とする導電性材料を用いることが好ましく、導電体２０５ｃ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。
【0086】
絶縁体２１４は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料を用いることが好ましい。
【0087】
例えば、絶縁体２１４として、酸化アルミニウムや窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体２１４よりも基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が、絶縁体２１４よりも基板側に、拡散するのを抑制することができる。
【0088】
また、層間膜として機能する絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
【0089】
例えば、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコン、または窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【0090】
絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体２５０は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
【0091】
絶縁体２２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。このように酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の信頼性が低下することなく、ノーマリーオン化を抑制することができる。
【0092】
酸素を含む絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
【0093】
また、絶縁体２２４が、酸素を含む場合、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。
【0094】
絶縁体２２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物２３０が有する酸素は、絶縁体２１６側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体２０５が、絶縁体２２４や、酸化物２３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
【0095】
絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、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。
【0096】
特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
【0097】
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【0098】
また、絶縁体２２４は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、ｈｉｇｈ－ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体２２４を得ることができる。
【0099】
なお、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４として用いることができる材料と、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料との積層構造を有していてもよい。
【0100】
酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
【0101】
なお、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。例えば、酸化物２３０として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズ、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酸化物を用いてもよい。具体的には、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃ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、および酸化物２３０ｃに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。
【0102】
また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃの電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
【0103】
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃそれぞれの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの接合部、および酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
【0104】
具体的には、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする。）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
【0105】
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃ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、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高いオン電流を得られる。
【0106】
また、酸化物２３０は、領域２３１および領域２３４を有する。なお、領域２３１の少なくとも一部は、導電体２４２と接する領域を有する。
【0107】
なお、トランジスタ２００をオンさせると、領域２３１ａ、または領域２３１ｂは、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域２３４の少なくとも一部は、チャネルが形成される領域として機能する。
【0108】
酸化物２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。例えば、領域２３４となる金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【0109】
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ため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
【0110】
酸化物２３０ｂ上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）が設けられる。導電体２４２としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
【0111】
酸化物２３０と接するように上記導電体２４２を設けることで、領域２３１の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域２３１に導電体２４２に含まれる金属と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域２３１のキャリア密度が増加し、領域２３１は、低抵抗領域となる。
【0112】
ここで、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域は、絶縁体２８０の開口に重畳して形成される。これにより、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間に導電体２６０を自己整合的に配置することができる。
【0113】
絶縁体２５６は、導電体２４２および酸化物２３０を覆うように設けられ、酸化物２３０の側面が絶縁体２８０と接するのを防いでいる。また、絶縁体２５６は、導電体２４２の酸化を抑制する。このとき、絶縁体２５６は、絶縁体２２４と接するように設けられることが好ましい。
【0114】
絶縁体２５６として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、絶縁体２５６として、シリコンを含む窒化物や酸化物を用いることができる。
【0115】
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。絶縁体２５６により、絶縁体２８０に含まれる酸素が、酸化物２３０の側面から酸化物２３０内に拡散することを抑制している。なお、導電体２４２が耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体２５６は、導電体２４２の酸化を抑制する機能を必ずしも有する必要はない。
【0116】
絶縁体２５６は、絶縁体２５６ａ、および絶縁体２５６ｂを含む積層構造を有していてもよい。例えば、絶縁体２５６ａとして、窒化シリコンや酸化シリコンを用いることが好ましく、絶縁体２５６ｂとして、酸化アルミニウムや酸化ハフニウムを用いることが好ましい。
【0117】
酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、および上面、導電体２４２の側面、絶縁体２５６の側面、および絶縁体２８０の側面と接するように、絶縁体２７３が配置される。また、絶縁体２８０、絶縁体２５６、導電体２４２の加工において、絶縁体２２４も加工される場合がある。このとき、絶縁体２７３は、図１（Ｃ）に示すように、絶縁体２２４の側面と接する場合がある。また、絶縁体２７３は、絶縁体２２２と接する場合がある。絶縁体２７３は、酸素や、水素、水、および金属元素などの不純物の透過を抑制する機能を有する。絶縁体２７３として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。または、窒化シリコンや、窒化酸化シリコンなどのシリコン窒化物を用いることができる。
【0118】
特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。
【0119】
絶縁体２７３を、少なくとも導電体２４２の側面、絶縁体２５６の側面、および絶縁体２８０の側面と接するよう設けるには、絶縁体２８０、および絶縁体２５６に形成された開口内部、導電体２４２の側面、および絶縁体２８０上に絶縁膜を設け、該絶縁膜に対して異方性エッチングを行うことで、該開口の内壁、および導電体２４２の側面に絶縁体２７３を設けることができる。
【0120】
酸化物２３０ｃは、絶縁体２７３の内側に接して配置することが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａ、または酸化物２３０ｂに用いることができる材料を用いることができる。また、酸化物２３０ｃは、積層構造を有していてもよく、酸化物２３０ｂに用いることができる材料の上に、酸化物２３０ａに用いることができる材料を積層して酸化物２３０ｃを設けてもよい。
【0121】
絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの内側に接して配置することが好ましい。
【0122】
絶縁体２５０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン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。
【0123】
絶縁体２５０は、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
【0124】
第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、図１では２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。例えば、導電体２６０が、２層構造である場合、導電体２６０ａは、導電体２０５ａと同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する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。または、導電体２０５ｂと同様の導電性材料を用いることが好ましい。
【0125】
導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０に含まれる酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。または、チタンや、窒化チタンを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。
【0126】
また、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２６０は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。
【0127】
また、図１（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向において、導電体２０５が、酸化物２３０の端部よりも外側の領域において、延伸している場合、導電体２６０は、当該領域において、絶縁体２５０を介して、重畳していることが好ましい。つまり、酸化物２３０の側面の外側において、導電体２０５と、絶縁体２５０と、導電体２６０とは、積層構造を形成することが好ましい。
【0128】
上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
【0129】
つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
【0130】
絶縁体２８０は、絶縁体２５６を介して、導電体２４２上に設けられる。絶縁体２８０は、酸素を有することが好ましい。例えば、絶縁体２８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。なお、絶縁体２８０中は、水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
【0131】
また、絶縁体２８０の上に、絶縁体２７４を設けることが好ましい。絶縁体２７４は、絶縁体２２２や、絶縁体２５６などと同様に、酸素や不純物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２７４を、酸素を含む雰囲気で形成することで、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および絶縁体２８０の少なくとも一つに、酸素を供給できる場合がある。このような絶縁体の形成方法として、酸素を含む雰囲気下で行うスパッタリング法が挙げられる。例えば、絶縁体２７４として酸化アルミニウムを用いる場合、絶縁体２７４は、酸素を含む雰囲気下において、アルミニウムを含むターゲットを用いたスパッタリング法により形成することができる。
【0132】
また、絶縁体２７４の上に、層間膜として機能する絶縁体２８１を設けることが好ましい。絶縁体２８１は、絶縁体２２４や、絶縁体２８０などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
【0133】
また、図１（Ｂ）、および図１（Ｄ）に示すように、絶縁体２８１、絶縁体２８０、および絶縁体２５６に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂそれぞれと電気的に接続する。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面は、絶縁体２８１の上面と、同一平面上にしてもよい。
【0134】
なお、絶縁体２８１、絶縁体２８０、および絶縁体２５６の開口の内壁に接して、導電体２４０ａの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２４２ａが位置しており、導電体２４０ａが導電体２４２ａと接する。同様に、絶縁体２８１、絶縁体２８０、および絶縁体２５６の開口の内壁に接して、導電体２４０ｂの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には導電体２４２ｂが位置しており、導電体２４０ｂが導電体２４２ｂと接する。なお、絶縁体２８１、絶縁体２８０、および絶縁体２５６の開口の内壁に接して、絶縁体２４１（絶縁体２４１ａ、および絶縁体２４１ｂ）を設けてもよい。該絶縁体は、絶縁体２５６、または絶縁体２７３と同様の材料を用いることができる。絶縁体２４１は、該開口内部および絶縁体２８１上に絶縁膜を設け、該絶縁膜に対して異方性エッチングを行うことで、該開口の内壁のみに絶縁体２４１を設けることができる。絶縁体２４１を設けることで、絶縁体２８０、および絶縁体２８１に含まれる酸素が導電体２４０に吸収されることを抑制することができる。
【0135】
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。
【0136】
また、導電体２４０を積層構造とする場合、水または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と、上記導電性材料との積層構造を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどの導電性材料の上に、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設けた積層構造を用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の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。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８１より上層から水素、水などの不純物が、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。
【0137】
また、図示しないが、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、導電体２０５などと同様に、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。
【0138】
＜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。
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。
【0139】
＜＜基板＞＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
【0140】
また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可撓性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。すなわち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
【0141】
可撓性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。また、基板として、繊維を編み込んだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。可撓性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板である基板としては、例えば、線膨張率が１×１０－３／Ｋ以下、５×１０－５／Ｋ以下、または１×１０－５／Ｋ以下である材質を用いればよい。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、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板である基板として好適である。
【0142】
＜＜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。
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。
【0143】
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。
【0144】
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。
【0145】
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。
【0146】
また、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。そのため、例えば、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、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
【0147】
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。
【0148】
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。
【0149】
例えば、絶縁体２５６、または絶縁体２７３として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、シリコンの窒化物や、酸素を含むシリコンの窒化物、すなわち、窒化シリコンや、窒化酸化シリコンなどを用いることができる。
【0150】
特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めることができる。
【0151】
絶縁体２２４は、酸素を含む絶縁体であることが好ましい。例えば、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。
【0152】
また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２２において、アルミニウム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体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。
【0153】
絶縁体２２２は、絶縁体２２４が有する酸素が絶縁体２２０側に拡散するのを抑制する機能を有することが好ましい。
【0154】
上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域との間のリーク電流を抑制することができる。
【0155】
絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１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、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８１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。
【0156】
絶縁体２１４、絶縁体２５６、絶縁体２７３、および絶縁体２７４としては、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。絶縁体２１４、絶縁体２５６、絶縁体２７３、および絶縁体２７４、としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、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、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ればよい。
【0157】
＜＜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。
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。
【0158】
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。
【0159】
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。
【0160】
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。
【0161】
導電体２６０、導電体２０５、導電体２４２、および導電体２４０としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、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。
【0162】
＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
【0163】
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、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
【0164】
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、またはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
【0165】
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。
【0166】
［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳの構成について説明する。
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳの構成について説明する。
【0167】
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、およびＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
【0168】
ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの半導体層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（または正孔）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
【0169】
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、および絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
【0170】
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
【0171】
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、および高い電界効果移動度を得ることができる。
【0172】
すなわち、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
【0173】
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、および非晶質酸化物半導体などがある。
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、および非晶質酸化物半導体などがある。
【0174】
ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ－ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
【0175】
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
【0176】
また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
【0177】
ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。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。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ－ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損（ＶＯ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう。）など）の少ない金属酸化物ともいえる。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。
【0178】
ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
【0179】
なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム－ガリウム－亜鉛酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。特に、ＩＧＺＯは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍの結晶、または数ｃｍの結晶）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。
【0180】
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金属酸化物である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。
【0181】
酸化物半導体（金属酸化物）は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
【0182】
［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
【0183】
なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、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。
【0184】
ここで、金属酸化物の電気伝導の仮説の一例について説明する。
【0185】
固体中の電気伝導は、散乱中心と呼ばれる散乱源によって阻害される。例えば、単結晶シリコンの場合、格子散乱とイオン化不純物散乱が、主な散乱中心であることが知られている。換言すると、格子欠陥および不純物の少ない本質的な状態のとき、固体中の電気伝導の阻害要因がなく、キャリアの移動度は高い。
【0186】
上記のことは、金属酸化物に対しても、あてはまると推測される。例えば、化学量論的組成よりも酸素の量が少ない金属酸化物では、酸素欠損が多く存在すると考えられる。この酸素欠損周りに存在する原子は、本質的な状態よりも、歪んだ場所に位置する。この酸素欠損による歪みが散乱中心となっている可能性がある。
【0187】
また、例えば、化学量論的組成よりも酸素の量が少ない金属酸化物では、過剰酸素が存在する。金属酸化物中で遊離した状態で存在する過剰酸素は、電子を受け取ることで、Ｏ－やＯ２－になる。Ｏ－やＯ２－となった過剰酸素が散乱中心になる可能性がある。
【0188】
以上のことから、金属酸化物が、化学量論的組成を満たす酸素を含む本質的な状態を有する場合、キャリアの移動度は高いと考えられる。
【0189】
インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム－ガリウム－亜鉛酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、とくに、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍの結晶、または数ｃｍの結晶）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。これは、大きな結晶を形成するよりも、小さな結晶同士が連結する方が、歪みエネルギーが緩和されるためと考えられる。
【0190】
なお、小さな結晶同士が連結する領域においては、該領域の歪みエネルギーを緩和するために、欠陥が形成される場合がある。したがって、該領域に欠陥を形成することなく、歪みエネルギーを緩和させることで、キャリアの移動度を高くすることができる。
【0191】
また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０－９／ｃｍ３以上とすればよい。
【0192】
また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、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。
【0193】
また、金属酸化物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金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【0194】
したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物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。
【0195】
［不純物］
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
【0196】
金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【0197】
また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域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。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【0198】
また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域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。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、金属酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【0199】
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。当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。したがって、水素が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。
【0200】
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属酸化物中に浅い欠陥準位（ｓＤＯＳ：ｓｈａｌｌｏｗ ｌｅｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）を形成する場合がある。浅い欠陥準位とは、伝導帯下端の近くに位置する界面準位を指す。浅い欠陥準位は、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍に存在することが推定される。ここでは、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域は、領域に含まれる水素の量で区別する。すなわち、低密度領域と比較して、高密度領域は、水素をより多く含む領域とする。金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍は、両領域間の応力歪によって、微小なクラックが生じやすく、当該クラック近傍に酸素欠損およびインジウムのダングリングボンドが発生し、ここに、水素または水などの不純物が局在することで、浅い欠陥準位が形成されるものと推定される。
【0201】
また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも結晶性が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも膜密度が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物が、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、有する組成の場合、高密度領域は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、低密度領域は、インジウムと、亜鉛と、を有する場合がある。別言すると、低密度領域は、高密度領域よりもガリウムの割合が少ない場合がある。
【0202】
なお、上記浅い欠陥準位は、酸素欠損に起因すると推定される。金属酸化物中の酸素欠損が増えると、浅い欠陥準位密度とともに深い欠陥準位密度（ｄＤＯＳ：ｄｅｅｐ ｌｅｖｅｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）も増えると推定される。これは、深い欠陥準位も酸素欠損によるものだと考えられるためである。なお、深い欠陥準位とは、バンドギャップの中央付近に位置する欠陥準位を指す。
【0203】
したがって、金属酸化物中の酸素欠損を抑制することで、浅い欠陥準位及び深い欠陥準位の双方の準位密度を低減させることが可能となる。また、浅い欠陥準位については、金属酸化物の成膜時の温度を調整することで、ある程度制御できる可能性がある。具体的には、金属酸化物の成膜時の温度を、１７０℃またはその近傍、好ましくは１３０℃またはその近傍、さらに好ましくは室温とすることで、浅い欠陥準位密度を低減することができる。
【0204】
また、金属酸化物の浅い欠陥準位は、金属酸化物を半導体層に用いたトランジスタの電気特性に影響を与える。すなわち、浅い欠陥準位によって、トランジスタのドレイン電流－ゲート電圧（Ｉｄ－Ｖｇ）特性において、ゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄの変化が緩やかとなり、トランジスタのオフ状態からオン状態への立ち上がり特性の良し悪しの目安の１つである、Ｓ値（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ、ＳＳとも言う。）が悪化する。これは浅い欠陥準位に電子がトラップされたためと考えられる。
【0205】
このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
【0206】
不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
【0207】
［真空ベークの効果］
ここでは、金属酸化物に含まれる、弱いＺｎ－Ｏ結合について説明し、該結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一例について示す。
ここでは、金属酸化物に含まれる、弱いＺｎ－Ｏ結合について説明し、該結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一例について示す。
【0208】
金属酸化物を用いたトランジスタにおいて、トランジスタの電気特性の不良に繋がる欠陥の一例として酸素欠損がある。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。これは、金属酸化物に含まれる酸素欠損に起因したドナーが生成され、キャリア濃度が増加するためである。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に動作不良が発生しやすくなる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題が生じる。
【0209】
また、モジュールを作製するための接続配線を形成する工程における熱履歴（サーマルバジェット）により、しきい値電圧の変動、寄生抵抗の増大、などのトランジスタの電気特性の劣化、該電気特性の劣化に伴う電気特性のばらつきの増大、などの問題がある。これらの問題は、製造歩留りの低下に直結するため、対策の検討は重要である。また、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化（経年変化）を短時間で評価することができるストレス試験でも電気特性の劣化が生じる。該電気特性の劣化は、製造の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって金属酸化物中の酸素が欠損することに起因すると推測される。
【0210】
金属酸化物中には、金属原子との結合が弱く、酸素欠損となりやすい酸素原子が存在する。特に、金属酸化物がＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物である場合は、亜鉛原子と酸素原子とが弱い結合（弱いＺｎ－Ｏ結合、ともいう）を形成しやすい。ここで、弱いＺｎ－Ｏ結合とは、製造の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって切断される程度の強さで結合した、亜鉛原子と酸素原子の間に生じる結合である。弱いＺｎ－Ｏ結合が金属酸化物中に存在すると、該金属酸化物にかかる熱または電流ストレスによって、該結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸素欠損が形成されることにより、熱履歴に対する耐性、ストレス試験における耐性などといった、トランジスタの安定性が低下する。
【0211】
亜鉛原子と多く結合している酸素原子と、該亜鉛原子との間に生じる結合は、弱いＺｎ－Ｏ結合である場合がある。ガリウム原子と比べて、亜鉛原子は、酸素原子との結合が弱い。したがって、亜鉛原子と多く結合している酸素原子は欠損しやすい。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、その他の金属との結合よりも弱いと推測される。
【0212】
また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、弱いＺｎ－Ｏ結合が形成されやすいと推測される。金属酸化物中の不純物としては、例えば、水分子や水素がある。金属酸化物中に水分子や水素が存在することで、水素原子が、金属酸化物を構成する酸素原子と結合する（ＯＨ結合ともいう。）場合がある。金属酸化物を構成する酸素原子は、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物が単結晶である場合、金属酸化物を構成する金属原子４つと結合している。しかしながら、水素原子と結合した酸素原子は、２つまたは３つの金属原子と結合している場合がある。酸素原子に結合している金属原子の数が減少することで、該酸素原子は欠損しやすくなる。なお、ＯＨ結合を形成している酸素原子に亜鉛原子が結合している場合、該酸素原子と該亜鉛原子との結合は弱いと推測される。
【0213】
また、弱いＺｎ－Ｏ結合は、複数のナノ結晶が連結する領域に存在する歪みに形成される場合がある。ナノ結晶は六角形を基本とするが、該歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する。該歪みでは、原子間の結合距離が一様でないため、弱いＺｎ－Ｏ結合が形成されていると推測される。
【0214】
また、弱いＺｎ－Ｏ結合は、金属酸化物の結晶性が低い場合に形成されやすいと推測される。金属酸化物の結晶性が高い場合、金属酸化物を構成する亜鉛原子は、酸素原子４つまたは５つと結合している。しかし、金属酸化物の結晶性が低くなると、亜鉛原子と結合する酸素原子の数が減少する傾向がある。亜鉛原子に結合する酸素原子の数が減少すると、該亜鉛原子は欠損しやすくなる。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、単結晶で生じる結合よりも弱いと推測される。
【0215】
上記の弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することで、熱処理または電流ストレスによる酸素欠損の形成を抑制し、トランジスタの安定性を向上させることができる。なお、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子のみを低減し、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する亜鉛原子が減少しない場合、該亜鉛原子近傍に酸素原子を供給すると、弱いＺｎ－Ｏ結合が再形成される場合がある。したがって、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する亜鉛原子および酸素原子を低減することが好ましい。
【0216】
弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一つとして、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施する方法が挙げられる。真空ベークとは、真空雰囲気下で行う加熱処理のことである。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。なお、処理室の圧力は、１×１０－２Ｐａ以下、好ましくは１×１０－３Ｐａ以下とすればよい。また、加熱処理時の基板の温度は、３００℃以上、好ましくは４００℃以上とすればよい。
【0217】
真空ベークを実施することで、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。また、真空ベークによって金属酸化物に熱が与えられるため、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減した後、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減するとともに、弱いＺｎ－Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
【0218】
また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、真空ベークを実施することで、金属酸化物中の水分子または水素を放出し、ＯＨ結合を低減することができる。金属酸化物中のＯＨ結合が減少することで、４つの金属原子と結合している酸素原子の割合が増える。また、水分子または水素が放出される際、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ－Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
【0219】
以上のように、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施することで、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。したがって、該工程により、トランジスタの安定性を向上することができる。また、トランジスタの安定性が向上することで、材料や形成方法の選択の自由度が高くなる。
【0220】
＜半導体装置の作製方法＞
次に、本発明に係るトランジスタ２００を有する半導体装置について、作製方法を図５乃至図１４を用いて説明する。また、図５乃至図１４において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。各図の（Ｄ）は、（Ａ）にＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００の導電体２４０ｂとの接続部における断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
次に、本発明に係るトランジスタ２００を有する半導体装置について、作製方法を図５乃至図１４を用いて説明する。また、図５乃至図１４において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。各図の（Ｄ）は、（Ａ）にＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００の導電体２４０ｂとの接続部における断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【0221】
まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
【0222】
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。
【0223】
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。
【0224】
また、ＡＬＤ法も、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。また、ＡＬＤ法は、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。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
【0225】
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口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。
【0226】
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整にかかる時間を要さない分、成膜にか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。
【0227】
本実施の形態では、絶縁体２１４として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体２１４は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
【0228】
次に絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【0229】
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、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成にはウェットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法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をエッチングして開口を形成する際のエッチングストッパ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、開口を形成する絶縁体２１６に酸化シリコンを用いた場合は、絶縁体２１４は、エッチングストッパとして機能する絶縁体として、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。
【0230】
開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。当該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが好ましい。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、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【0231】
本実施の形態では、導電体２０５ａとなる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。導電体２０５ａとしてこのような金属窒化物を用いることにより、後述する導電体２０５ｃで銅など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抑制することができる。
【0232】
次に、導電体２０５ａとなる導電膜上に、導電体２０５ｂ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。本実施の形態では、導電体２０５ｂとなる導電膜として、チタンや窒化チタンなどの導電性材料を成膜する。
【0233】
次に、導電体２０５ｂとなる導電膜上に、導電体２０５ｃ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。本実施の形態では、導電体２０５ｃとなる導電膜として、タングステン、アルミニウム、または銅など、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂより低抵抗な導電性材料を成膜する。
【0234】
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０５ａとなる導電膜、導電体２０５ｂとなる導電膜、ならびに導電体２０５ｃとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０５ａとなる導電膜、導電体２０５ｂとなる導電膜、ならびに導電体２０５ｃとなる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５ａ、導電体２０５ｂ、および導電体２０５ｃを含む導電体２０５を形成することができる（図５参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１６の一部が除去される場合がある。
【0235】
次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２２が、酸素に対するバリア性を有することで、絶縁体２２４、およびその上方に含まれる酸素が絶縁体２１６側に拡散することが抑制され、酸化物２３０に効率よく酸素を供給することができる。また、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。
【0236】
絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【0237】
次に、絶縁体２２２上に絶縁体２２４を成膜する。絶縁体２２４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、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２２４として、ＣＶＤ法によって酸化窒化シリコンを成膜する。
【0238】
続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。
【0239】
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２４の成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体２２４に含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。
【0240】
また、加熱処理は、絶縁体２２２の成膜後に行ってもよい。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。
【0241】
ここで、絶縁体２２４に酸素を添加するために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えば、マイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率良く絶縁体２２４内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体２２４に含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
【0242】
次に、絶縁体２２４上に、酸化物２３０ａとなる酸化膜２３０Ａと、酸化物２３０ｂとなる酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図５参照。）。なお、上記酸化膜は、大気環境に晒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。
【0243】
酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【0244】
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、例えば、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。
【0245】
特に、酸化膜２３０Ａの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
【0246】
また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。
【0247】
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］、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］（２：２：１［原子数比］）のターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：２［原子数比］、４：２：１［原子数比］、あるいは４：２：０［原子数比］（Ｉｎ：Ｇａ＝４：２［原子数比］）のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
【0248】
次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
【0249】
次に、酸化膜２３０Ｂ上に導電膜２４２Ａを形成する（図５参照。）。導電膜２４２Ａは、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。なお、導電膜２４２Ａの形成は、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。
【0250】
次に、導電膜２４２Ａを加工して、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを加工するためのハードマスクを形成する。
【0251】
なお、導電膜２４２Ａの加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
【0252】
リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、レジスト上に直接描画を行うため、上述のレジスト露光用の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、などで、除去することができる。
【0253】
次に、レジストマスクを用いて、導電膜２４２Ａをエッチングすることでハードマスクとして機能する導電体２４２Ｂを形成する（図６参照。）。導電体２４２Ｂ形成後は、レジストマスクを除去してから酸化膜の加工を行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。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。上記酸化膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去してもよいが、本実施の形態では、導電体２４２Ｂをさらに加工して、ソース電極、およびドレイン電極を形成するため、導電体２４２Ｂは除去しない。
【0254】
ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
【0255】
次に、導電体２４２Ｂをハードマスクとして用い、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを島状に加工して、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成する（図６参照。）。なお、当該加工処理にて、絶縁体２２４の一部が除去される場合がある。
【0256】
ここで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面は、絶縁体２２２の上面、または基板の上面に対し、テーパー形状を有することが好ましい。酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面が、絶縁体２２２の上面、または基板の上面に対し、テーパー形状を有することで、後工程において酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面に形成される膜の被覆性が向上する。一方、後工程で酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面に形成される膜を被覆性が優れたＡＬＤ法や、ＣＶＤ法等を用いる場合、該側面は垂直形状でもよい。
【0257】
また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２Ｂの側面と、導電体２４２Ｂの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、導電体２４２Ｂの端部において、曲率半径が、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以上６ｎｍ以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。
【0258】
なお、当該酸化膜の加工は、導電体２４２Ｂをハードマスクに用い、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。
【0259】
また、上記ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの側面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
【0260】
上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
【0261】
ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、過酸化水素水、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。
【0262】
続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。ただし、該加熱処理により、導電体２４２Ｂの酸化が懸念される場合、該加熱処理は、酸素を含まない雰囲気で行われることが好ましい。一方、導電体２４２Ｂが、耐酸化性材料を含む場合、該加熱処理を、酸素を含む雰囲気で行ってもよい。
【0263】
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２Ｂ上に絶縁体２５６Ａ、および絶縁体２５６Ｂを順次成膜する（図７参照。）。なお、絶縁体２５６Ａ、および絶縁体２５６Ｂは、絶縁性バリアとして機能することが好ましく、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。または、絶縁性バリアとして機能する絶縁体として、窒化シリコンや、窒化酸化シリコンを用いることができる。バリア性を有する絶縁体２５６Ａ、および絶縁体２５６Ｂにより、酸化物２３０の側面を覆うことで、酸化物２３０側面からの酸素や、水素および水などの不純物の侵入を抑制することができる。また、絶縁体２５６Ａ、および絶縁体２５６Ｂにより、導電体２４２Ｂの酸化を抑制することができ、導電体２４２に用いることができる材料の選択肢が拡がる。また、絶縁体２５６Ａとして酸化シリコンを用いることができる。絶縁体２５６Ａ、および絶縁体２５６Ｂ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。
【0264】
なお、絶縁体２５６Ａ、および絶縁体２５６Ｂは、大気環境に晒さずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、絶縁体２５６Ａ、および絶縁体２５６Ｂ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、絶縁体２５６Ａと絶縁体２５６Ｂとの界面近傍を清浄に保つことができる。本実施の形態では、絶縁体２５６Ａとして、ＡＬＤ法を用いて窒化シリコンを形成し、絶縁体２５６Ｂとして、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを形成する。あるいは、絶縁体２５６Ａとして、スパッタリング法を用いて窒化シリコンを形成し、絶縁体２５６Ｂとして、スパッタリング法を用いて酸化アルミニウムを形成する。また、絶縁体２５６Ａとして、上記の方法を用いて、酸化シリコンを形成してもよい。
【0265】
次に、絶縁体２５６Ｂの上に、絶縁体２８０を成膜する（図７参照。）。絶縁体２８０は、酸素を有することが好ましい。また、絶縁体２８０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、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体２８０に用いると、後の工程で絶縁体２８０中に容易に酸素を添加できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。絶縁体２８０の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。または、スピンコート法、ディップ法、液滴吐出法（インクジェット法など）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷など）、ドクターナイフ法、ロールコーター法、またはカーテンコーター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２８０として、ＣＶＤ法によって酸化窒化シリコンを成膜する。
【0266】
なお、絶縁体２８０は、上面が平坦性を有するように形成することが好ましい。例えば、絶縁体２８０は、成膜した直後に上面が平坦性を有していてもよい。または、例えば、絶縁体２８０は、成膜後に基板裏面などの基準面と平行になるよう絶縁体などを上面から除去していくことで平坦性を有してもよい。このような処理を、平坦化処理と呼ぶ。平坦化処理としては、ＣＭＰ処理、ドライエッチング処理などがある。本実施の形態では、平坦化処理として、ＣＭＰ処理を用いる。ただし、絶縁体２８０の上面は必ずしも平坦性を有さなくてもよい。
【0267】
次に、リソグラフィー法を用いて、少なくとも導電体２０５と重なる領域を有するように、絶縁体２８０、絶縁体２５６Ａ、および絶縁体２５６Ｂに対して加工処理を行い、開口２６３、絶縁体２５６ａ、および絶縁体２５６ｂを形成する（図８参照。）。絶縁体２８０の加工にはウェットエッチング法を用いてもよいが、微細加工が可能な点、また絶縁体２８０の側面を概略垂直に加工できる点からドライエッチング法を用いるほうが好ましい。
【0268】
絶縁体２８０の加工において、絶縁体２５６Ｂは、エッチングストッパとして機能することが好ましい。すなわち、絶縁体２８０のエッチングレートに対して、絶縁体２５６Ｂのエッチングレートが十分低い条件にて絶縁体２８０を加工することが好ましい。このようにすることで、絶縁体２８０に対するオーバーエッチングによる絶縁体２５６Ｂの消失を抑制することができる。さらに、絶縁体２５６Ｂの加工において、絶縁体２５６Ａは、エッチングストッパとして機能することが好ましい。絶縁体２５６Ｂの加工には、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。あるいはこれらを組み合わせてもよい。絶縁体２５６Ａの加工には、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。あるいはこれらを組み合わせてもよい。
【0269】
次に、開口２６３内部で露出した導電体２４２Ｂを加工し、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂを形成する（図９参照。）。導電体２４２Ｂの加工には、ドライエッチングを用いることが好ましい。また、上記加工により露出する導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂの側面の酸化を抑制するため、上記加工には、酸素を含まない条件を用いることが好ましい。さらに、加工前後においてもエッチング処理室（エッチングチャンバ）内に酸素を導入しないことが好ましい。例えば、静電チャックを用いて基板を処理室のステージに吸着する場合、加工後の基板に対する除電ステップにおいても、酸素を含むガスや、酸素を含むプラズマなどを用いないことが好ましい。例えば、窒素を主成分とするプラズマにより除電ステップを行い、ステージから基板を取り除けばよい。
【0270】
ここで、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。一方、導電体２４２が耐酸化性を有する導電体の場合、該加熱処理を、酸素を含む雰囲気で行ってもよい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。また、加熱処理は、処理室の圧力を１×１０－２Ｐａ以下に減圧した真空状態で加熱処理を行う、真空ベークでもよい。真空ベークを行うことで、弱いＺｎ－Ｏ結合を構成する亜鉛原子および酸素原子を低減することができ、トランジスタの電気特性、特にトランジスタ作製時、およびモジュール作製時における熱履歴による劣化を低減することができる。真空ベークは、絶縁体２７３Ａを形成する処理室にて行ってもよい。この場合、真空ベーク後に該処理室にて絶縁体２７３Ａを形成することができる。例えば、加熱処理として、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
【0271】
該加熱処理により、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。また、上記加工におけるドライエッチングにて酸化物２３０ａ、または酸化物２３０ｂに生じたダメージを回復することができる。また、酸素を含む雰囲気で加熱処理を行った場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに酸素を添加することができる。
【0272】
また、上記加熱処理により、導電体２４２に含まれる金属元素が酸化物２３０へ拡散し、酸化物２３０に金属元素が添加される場合がある。また、酸化物２３０の酸素が導電体２４２に吸収される場合がある。その結果、酸化物２３０の導電体２４２との近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その際、酸化物２３０の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。なお、図９（Ｂ）では、酸化物２３０の上記低抵抗化領域の一例として、点線にて領域２５３（領域２５３ａ、および領域２５３ｂ）を示している。
【0273】
領域２５３ａ、および領域２５３ｂは、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａにおいて、導電体２４２から深さ方向に拡散するように設けられる例を示しているが、本発明はこれに限らない。領域２５３ａ、および領域２５３ｂは、深さ方向において、酸化物２３０ｂの導電体２４２近傍のみに形成されていてもよいし、酸化物２３０ｂ全体に形成されていてもよいし、酸化物２３０ｂだけでなく、酸化物２３０ａの少なくとも一部にも形成されていてもよい。また、領域２５３ａ、および領域２５３ｂは、水平方向において、導電体２４２と重なる領域のみに形成される例を示しているが、本発明はこれに限らない。領域２５３ａ、および領域２５３ｂは、水平方向に拡散してもよく、それぞれ図４に示す領域２３２ａ、および領域２３２ｂに拡散するように形成されてもよいし、後工程で形成される導電体２６０の一部と重なる領域にも形成されてもよい。
【0274】
また、酸化物２３０中の水素は、領域２５３に拡散し、領域２５３に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、図４に示す領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２５３に拡散し、領域２５３に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。したがって、熱処理によって、領域２５３は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【0275】
また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、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。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。該加熱処理により、酸化物２３０中の領域２３４に酸素が添加されることが好ましい。
【0276】
なお、導電膜２４２Ａの成膜後、または、導電体２４２の形成後の加熱処理において、導電膜２４２Ａまたは導電体２４２に、酸化物２３０の領域２５３の酸素が吸収されることで、領域２５３に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２５３のキャリア密度は、増加する。したがって、酸化物２３０の領域２５３は、ｎ型となり、低抵抗化される。
【0277】
領域２５３の酸素濃度は、領域２３４の酸素濃度より低い場合がある。また、領域２５３の水素濃度は、領域２３４の酸素濃度より高い場合がある。
【0278】
次に、開口２６３内部、および絶縁体２８０上に絶縁体２７３Ａを形成する（図１０参照。）。絶縁体２７３Ａは、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、シリコンの窒化物や、酸素を含むシリコンの窒化物、すなわち、窒化シリコンや、窒化酸化シリコンなどを用い、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて形成することができる。
【0279】
ここで、酸化物２３０、および絶縁体２８０に酸素を添加してもよい。酸素の添加には、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理、およびプラズマイマージョンイオンインプランテーション法から選ばれた一、または複数の方法を用いることができる。特に、イオン化された原料ガスを質量分離して添加するイオン注入法を用いることで、酸化物２３０、および絶縁体２８０に制御よく酸素を供給できるため、好ましい。酸化物２３０に酸素を添加することで、領域２３４の酸素濃度が増加し、酸素欠損が低減するため、領域２３４はより高抵抗化する。また、絶縁体２８０に酸素を添加することで、絶縁体２８０に含まれる水素は、添加された酸素により捕獲され、水分子を形成し、後工程で行われる加熱処理により絶縁体２８０から放出される場合がある。このため、絶縁体２８０に含まれる水素濃度が低減し、不純物の少ない良好な絶縁体２８０が得られる。
【0280】
酸素の添加において、酸素（酸素原子、酸素分子、酸素を含む分子、およびこれらのイオン、またはラジカル）の衝突により、酸化物２３０の結晶性が崩れる恐れがある。このため、酸化物２３０への酸素の添加は、絶縁体２７３Ａの形成後に行われることが好ましい。この場合、酸素は、絶縁体２７３Ａを通り抜けて酸化物２３０、および絶縁体２８０に添加される。一方、酸化物２３０の結晶性、またはトランジスタの特性に影響を及ぼさない場合は、絶縁体２７３Ａの形成前に酸素の添加を行ってもよい。
【0281】
続いて、絶縁体２７３Ａを異方性エッチングし、開口２６３底部の絶縁体２７３Ａ、および絶縁体２８０上の絶縁体２７３Ａなどを除去し、絶縁体２７３を形成する（図１１参照。）。絶縁体２７３は、酸化物２３０ｂの上面に接し、かつ絶縁体２８０の側面、絶縁体２５６の側面、および導電体２４２の側面を覆うように設けられる。また、図１１（Ａ）に示すように、絶縁体２７３は、開口２６３の側面に沿って形成されるため、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂのＡ３側、およびＡ４側の側面の一部に接するように設けられる。
【0282】
絶縁体２７３の形成後に、前述した、酸化物２３０、および絶縁体２８０へ酸素の添加を行ってもよい。
【0283】
また、絶縁体２７３の形成後に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁体２８０の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
【0284】
次に、絶縁体２７３を介して開口２６３の内部、および絶縁体２８０上に酸化膜２３０Ｃ、絶縁体２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを形成する（図１２参照。）。
【0285】
酸化膜２３０Ｃは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法により、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ｃは、積層構造を有していてもよく、スパッタリング法により、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて形成した酸化膜上に、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて酸化膜を形成してもよい。
【0286】
絶縁体２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁体２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁体２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３５０℃以上４５０℃未満、特に４００℃前後とすることが好ましい。絶縁体２５０Ａを、４００℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁体を成膜することができる。
【0287】
導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。導電膜２６０Ａとして、窒化チタンを成膜し、導電膜２６０Ｂとして、タングステンを成膜してもよい。
【0288】
導電膜２６０Ａとして、ＣＶＤ法、またはスパッタリング法により、金属窒化物を形成するとよい。導電膜２６０Ａに金属窒化物を用いることにより、絶縁体２５０Ａが有する酸素により、導電膜２６０Ｂが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。
【0289】
また、導電膜２６０Ｂとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。
【0290】
続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。また、酸化膜２３０Ｃ、および絶縁体２５０Ａの一方、または両方の形成後に加熱処理を行ってもよい。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理により、酸化物２３０ｂに低抵抗領域（領域２５３）が形成される場合がある。
【0291】
次に、導電膜２６０Ｂ、導電膜２６０Ａ、絶縁体２５０Ａ、および酸化膜２３０Ｃを加工して、それぞれから、導電体２６０ｂ、導電体２６０ａ、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃを形成する（図１３参照。）。該加工には、ＣＭＰ法や、エッチバック法を用いることができる。
【0292】
このとき、導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）は、少なくとも一部が、導電体２０５、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂと重なるように形成される。導電体２６０のチャネル長方向の幅は、絶縁体２８０に設けられる開口２６３の幅と、絶縁体２７３の厚さと、酸化物２３０ｃの厚さと、絶縁体２５０の厚さにより、決定される。トランジスタ２００、または半導体装置に要求される性能に応じて、上記の幅や厚さを調整し、所望の幅を有する導電体２６０を形成することができる。
【0293】
このようにして、導電体２６０は、絶縁体２８０の開口、および導電体２４２ａと導電体２４２ｂに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。導電体２６０の形成は、リソグラフィー法を用いることなく自己整合的に行われるので、導電体２６０の位置合わせのマージンを設ける必要がない。よって、トランジスタ２００の占有面積の縮小を図り、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。また、リソグラフィー工程が不要となるので工程簡略化による生産性の向上が見込まれる。
【0294】
また、半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体２６０の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体２６０の膜厚を大きくすると、導電体２６０はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体２６０を絶縁体２８０の開口に埋め込むように設けるため、導電体２６０をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体２６０を倒壊させることなく、形成することができる。
【0295】
ここで、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁体２７３、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、または導電体２６０の形成による酸化物２３０ｂのダメージを回復することができる。また、本加熱処理により、酸化物２３０に低抵抗領域（領域２５３）が形成される場合がある。
【0296】
次に、絶縁体２８０、絶縁体２７３、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂを覆うように絶縁体２７４を形成する（図１４参照。）。絶縁体２７４の形成により絶縁体２８０に酸素が供給されることが好ましく、本実施の形態では、絶縁体２７４として、スパッタリング法にて酸化アルミニウムを形成する。絶縁体２７４を、酸素を含むガスを用いて、あるいは酸素を含むターゲットを用いて形成することで、絶縁体２８０に酸素を供給することができる。また、絶縁体２７４形成後に加熱処理を行うことで、絶縁体２７４に含まれる酸素を絶縁体２８０に供給してもよい。加熱処理は、絶縁体２７４形成後に行われればよく、絶縁体２８１形成後に行ってもよい。
【0297】
次に、絶縁体２７４上に、絶縁体２８１を形成する（図１４参照。）。絶縁体２８１は、絶縁体２８０と同様の装置を用い、同様の材料を用いて形成することができる。例えば、ＣＶＤ法を用いて、酸化窒化シリコンを含む絶縁体２８１を形成する。
【0298】
次に、図示しないが、絶縁体２５６、絶縁体２８０、絶縁体２７４および絶縁体２８１に、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに達する開口を形成する。該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。
【0299】
次に、図１に示す絶縁体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。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。絶縁体２４１となる絶縁膜としては、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。また、ＡＬＤ法やＣＶＤ法を用いて、窒化シリコン膜を成膜してもよい。ＡＬＤ法を用いて窒化シリコン膜を成膜する場合、シリコンおよびハロゲンを含むプリカーサや、アミノシラン類のプリカーサを用いることができる。シリコンおよびハロゲンを含むプリカーサとして、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｓｉ２Ｃｌ６、Ｓｉ３Ｃｌ８等を用いることができる。また、アミノシラン類のプリカーサとして、１価、２価、または３価のアミノシラン類を用いることができる。また、窒化ガスとしてアンモニアや、ヒドラジンを用いることができる。また、異方性エッチングは、例えばドライエッチング法などを行えばよい。開口の側壁部をこのような構成とすることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。
【0300】
次に、図１に示す導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。該導電膜は、水、水素など不純物の拡散を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。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。
【0301】
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、該導電膜の一部を除去し、絶縁体２８１を露出する。その結果、上記開口内部のみに、該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（図１参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８１の一部が除去される場合がある。
【0302】
以上により、図１に示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。図５乃至図１４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。
【0303】
本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、高い周波数特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
【0304】
＜半導体装置の変形例１＞
以下では、図２を用いて、先の＜半導体装置の構成例＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
以下では、図２を用いて、先の＜半導体装置の構成例＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
【0305】
図２（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、および図２（Ｄ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図２（Ｄ）は、図２（Ａ）にＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００の導電体２４０ｂとの接続部における断面図でもある。なお、図２（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【0306】
【0307】
以下、トランジスタ２００の構成について、それぞれ図２を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ２００の構成材料については＜半導体装置の構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
【0308】
図２に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置（図１参照。）とは、絶縁体２５６、および絶縁体２８０の側面に接するように設けられる絶縁体２７３が、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂの上面に接するように設けられている点が異なる。
【0309】
なお、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、および図２（Ｃ）に示すように、絶縁体２７３は、絶縁体２８０に形成される開口の側面に沿って形成されるため、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２のＡ３側、およびＡ４側の側面の一部に接するように設けられる。
【0310】
絶縁体２７３は、少なくとも絶縁体２５６、および絶縁体２７４と接するように設けられる。このため、絶縁体２５６、絶縁体２７３、および絶縁体２７４により絶縁体２８０を囲うことができ、絶縁体２８０に含まれる水素や水などの不純物の、酸化物２３０や、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体２２４、および絶縁体２５０への拡散を抑制することができる。
【0311】
次に図２に示すトランジスタ２００の作製方法について説明する。なお、先の＜半導体装置の作製方法＞と重複する説明は省略する。
【0312】
図８に示したように、絶縁体２８０、絶縁体２５６Ａ、および絶縁体２５６Ｂに対して加工処理を行い、開口２６３を形成するまでは、先の＜半導体装置の作製方法＞を参照することができ、その説明は省略する。
【0313】
次に、開口２６３内部、および絶縁体２８０上に絶縁体２７３Ａを形成する（図１５参照。）。なお、絶縁体２７３Ａに用いることができる材料、およびその作製方法は、先の＜半導体装置の作製方法＞を参照することができる。
【0314】
続いて、絶縁体２７３Ａを異方性エッチングし、開口２６３底部の絶縁体２７３Ａ、および絶縁体２８０上の絶縁体２７３Ａなどを除去し、絶縁体２７３を形成する（図１６参照。）。絶縁体２７３は、導電体２４２Ｂの上面に接し、かつ絶縁体２８０の側面、および絶縁体２５６の側面を覆うように設けられる。また、図１６（Ａ）に示すように、絶縁体２７３は、開口２６３の側面に沿って形成されるため、導電体２４２Ｂ、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂのＡ３側、およびＡ４側の側面の一部に接するように設けられる。
【0315】
次に、開口２６３内部で絶縁体２７３から露出した導電体２４２Ｂを加工し、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂを形成する（図１７参照。）。導電体２４２Ｂの加工方法は、先の＜半導体装置の作製方法＞を参照することができる。また、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂの形成後に、領域２５３（領域２５３ａ、および領域２５３ｂ）が形成される場合がある。
【0316】
次に、絶縁体２７３を介して開口２６３の内部、および絶縁体２８０上に酸化膜２３０Ｃ、絶縁体２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを形成する。以降の工程は、図１２乃至図１４、および先の＜半導体装置の作製方法＞を参照することができる。また、酸化物２３０、および絶縁体２８０への酸素の添加を適宜行ってもよい。
【0317】
＜半導体装置の変形例２＞
以下では、図３を用いて、先の＜半導体装置の構成例＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
以下では、図３を用いて、先の＜半導体装置の構成例＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
【0318】
図３（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、および図３（Ｄ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）にＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）にＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図３（Ｄ）は、図３（Ａ）にＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００の導電体２４０ｂとの接続部における断面図でもある。なお、図３（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【0319】
【0320】
以下、トランジスタ２００の構成について、それぞれ図３を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ２００の構成材料については＜半導体装置の構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
【0321】
図３に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置（図１参照。）とは、絶縁体２５６、および絶縁体２８０の側面に接するように設けられる絶縁体２７３が、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂの上面、および側面の一部に接するように設けられている点が異なる。このとき、導電体２４２ａは、導電体２４２ｂと向かい合う側面に段差部を有している。導電体２４２ａは、絶縁体２５６と重畳する第１の領域において第１の膜厚を有し、絶縁体２５６と重畳しない第２の領域において第２の膜厚を有している。ここで、第２の膜厚は、第１の膜厚より小さい。絶縁体２７３は、第２の領域の上面、および第１の領域の導電体２４２ｂ側の側面と接する。また、導電体２４２ｂは、導電体２４２ａと向かい合う側面に段差部を有している。導電体２４２ｂは、絶縁体２５６と重畳する第３の領域において第１の膜厚を有し、絶縁体２５６よりも導電体２４２ａ側の第４の領域において第２の膜厚を有している。絶縁体２７３は、第４の領域の上面、および第３の領域の導電体２４２ａ側の側面と接する。
【0322】
なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、および図３（Ｃ）に示すように、絶縁体２７３は、絶縁体２８０に形成される開口の側面に沿って形成されるため、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２のＡ３側、およびＡ４側の側面の一部に接するように設けられる。
【0323】
絶縁体２７３は、少なくとも絶縁体２５６、および絶縁体２７４と接するように設けられる。このため、絶縁体２５６、絶縁体２７３、および絶縁体２７４により絶縁体２８０を囲うことができ、絶縁体２８０に含まれる水素や水などの不純物の、酸化物２３０や、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体２２４、および絶縁体２５０への拡散を抑制することができる。
【0324】
次に図３に示すトランジスタ２００の作製方法について説明する。なお、先の＜半導体装置の作製方法＞と重複する説明は省略する。
【0325】
図７に示したように、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電体２４２Ｂ上に絶縁体２５６Ａ、絶縁体２５６Ｂ、および絶縁体２８０を形成するまでは、先の＜半導体装置の作製方法＞を参照することができ、その説明は省略する。
【0326】
次に、リソグラフィー法を用いて、少なくとも導電体２０５と重なる領域を有するように、絶縁体２８０、絶縁体２５６Ａ、および絶縁体２５６Ｂに対して加工処理を行い、開口２６３を形成する。このとき、開口内部において導電体２４２Ｂの一部もエッチングされる場合がある（図１８参照。）。導電体２４２Ｂの一部は、絶縁体２５６Ａの加工中、あるいは絶縁体２５６Ａ加工後のオーバーエッチングによりエッチングされると考えられる。
【0327】
次に、開口２６３内部、および絶縁体２８０上に絶縁体２７３Ａを形成する（図１９参照。）。なお、絶縁体２７３Ａに用いることができる材料、およびその作製方法は、先の＜半導体装置の作製方法＞を参照することができる。
【0328】
続いて、絶縁体２７３Ａを異方性エッチングし、開口２６３底部の絶縁体２７３Ａ、および絶縁体２８０上の絶縁体２７３Ａなどを除去し、絶縁体２７３を形成する（図２０参照。）。絶縁体２７３は、導電体２４２Ｂの上面に接し、かつ絶縁体２８０の側面、および絶縁体２５６の側面を覆うように設けられる。また、図２０（Ａ）に示すように、絶縁体２７３は、開口２６３の側面に沿って形成されるため、導電体２４２Ｂ、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂのＡ３側、およびＡ４側の側面の一部に接するように設けられる。
【0329】
次に、開口２６３内部で絶縁体２７３から露出した導電体２４２Ｂを加工し、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂを形成する（図２１参照。）。導電体２４２Ｂの加工方法は、先の＜半導体装置の作製方法＞を参照することができる。また、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂの形成後に、領域２５３（領域２５３ａ、および領域２５３ｂ）が形成される場合がある。
【0330】
次に、絶縁体２７３を介して開口２６３の内部、および絶縁体２８０上に酸化膜２３０Ｃ、絶縁体２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを形成する。以降の工程は、図１２乃至図１４、および先の＜半導体装置の作製方法＞を参照することができる。また、酸化物２３０、および絶縁体２８０への酸素の添加を適宜行ってもよい。
【0331】
以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【0332】
【0333】
［記憶装置１］
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置（記憶装置）の一例を図２２に示す。本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００がトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００がトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００などを用いることができる。
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置（記憶装置）の一例を図２２に示す。本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００がトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００がトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００などを用いることができる。
【0334】
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。
【0335】
図２２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。
【0336】
また、図２２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。
【0337】
＜トランジスタ３００＞
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、およびドレイン領域として機能する低抵抗領域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。
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲート電極として機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、およびドレイン領域として機能する低抵抗領域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。
【0338】
ここで、図２２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。
【0339】
なお、図２２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。
【0340】
＜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。
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。
【0341】
また、例えば、導電体２４０上に設けた導電体１１２と、導電体１１０は、同時に形成することができる。なお、導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。
【0342】
図２２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。
【0343】
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。
【0344】
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。
【0345】
なお、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料（高い比誘電率の材料）の絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
【0346】
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。
【0347】
＜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。
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。
【0348】
例えば、基板３１１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。なお、絶縁体３１５、および導電体３１６は、絶縁体３２０に埋め込まれるように設けられている。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。
【0349】
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。
【0350】
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２２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。
【0351】
絶縁体３５４、および導電体３５６上には、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６が順に積層して設けられている。また、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。
【0352】
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。
【0353】
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。
【0354】
例えば、絶縁体２１２、絶縁体３５２、および絶縁体３５４等には、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、当該絶縁体は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
【0355】
また、導電体１１２、または導電体１２０上に設けられる絶縁体１３０、および絶縁体１５０の一方、または両方を抵抗率が１．０×１０１２Ωｃｍ以上１．０×１０１５Ωｃｍ以下、好ましくは５．０×１０１２Ωｃｍ以上１．０×１０１４Ωｃｍ以下、より好ましくは１．０×１０１３Ωｃｍ以上５．０×１０１３Ωｃｍ以下の絶縁体とすることが好ましい。絶縁体１３０、および絶縁体１５０の一方、または両方を上記のような抵抗率を有する絶縁体とすることで、当該絶縁体は、絶縁性を維持しつつ、トランジスタ２００、トランジスタ３００、容量素子１００、および導電体１１２や導電体１２０等の配線間に蓄積される電荷を分散し、該電荷によるトランジスタ、該トランジスタを有する記憶装置の特性不良や静電破壊を抑制することができ、好ましい。このような絶縁体として、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンを用いることができる。
【0356】
また、上記のような抵抗率を有する絶縁体として、絶縁体１４０を導電体１１２の下層に設けてもよい。この場合、絶縁体２８１上に絶縁体１４０を形成し、絶縁体１４０、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８０、および絶縁体２５６などに開口部を形成し、当該開口部内に絶縁体２４１の形成や、トランジスタ２００、導電体２１８などと電気的に接続する導電体２４０の形成を行えばよい。絶縁体１４０は、絶縁体１３０、または絶縁体１５０と同様の材料を用いることができる。
【0357】
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。従って、絶縁体２１０、および絶縁体３５０等には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。
【0358】
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。
【0359】
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。
【0360】
例えば、導電体３２８、導電体３３０、導電体３５６、導電体２１８、導電体１１２、導電体１１０、および導電体１２０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。
【0361】
＜＜酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ＞＞
なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けられることがある。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。
なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体が設けられることがある。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。
【0362】
例えば、図２２では、絶縁体２２４と、導電体２４０との間に、絶縁体２４１を設けるとよい。特に、絶縁体２４１は、過剰酸素領域を有する絶縁体２２４を挟む絶縁体２２２と、絶縁体２５６に接して設けられることが好ましい。絶縁体２４１と、絶縁体２２２、および絶縁体２５６とが接して設けられることで、絶縁体２２４は、バリア性を有する絶縁体により、封止する構造とすることができる。さらに、絶縁体２４１は、絶縁体２８０、および絶縁体２８１の一部とも接することが好ましい。絶縁体２４１が、絶縁体２８０、および絶縁体２８１まで延在していることで、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。
【0363】
つまり、絶縁体２４１を設けることで、絶縁体２２４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。
【0364】
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、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
【0365】
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
【0366】
［記憶装置２］
本発明の一態様である半導体装置を使用した、記憶装置の一例を図２３に示す。図２３に示す記憶装置は、図２２で示したトランジスタ２００、トランジスタ３００、および容量素子１００を有する半導体装置に加え、トランジスタ４００を有している。
本発明の一態様である半導体装置を使用した、記憶装置の一例を図２３に示す。図２３に示す記憶装置は、図２２で示したトランジスタ２００、トランジスタ３００、および容量素子１００を有する半導体装置に加え、トランジスタ４００を有している。
【0367】
トランジスタ４００は、トランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。例えば、トランジスタ４００の第１のゲート及び第２のゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ４００のソースと、トランジスタ２００の第２のゲートを接続する構成とする。当該構成でトランジスタ２００の第２のゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ４００の第１のゲート－ソース間の電圧および、第２のゲート－ソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ４００において、第２のゲート電圧及び第１のゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流が非常に小さいため、トランジスタ２００およびトランジスタ４００に電源供給をしなくても、トランジスタ２００の第２のゲートの負電位を長時間維持することができる。これにより、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置は、長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。
【0368】
図２３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のゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のバック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。配線１００７はトランジスタ４００のソースと電気的に接続され、配線１００８はトランジスタ４００のゲートと電気的に接続され、配線１００９はトランジスタ４００のバックゲートと電気的に接続され、配線１０１０はトランジスタ４００のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線１００６、配線１００７、配線１００８、及び配線１００９が電気的に接続されている。
【0369】
また、図２３に示す記憶装置は、図２２に示す記憶装置と同様に、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。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ４００は、トランジスタ２００よりも、少ない個数を設けるとよい。
【0370】
＜トランジスタ４００＞
トランジスタ４００は、トランジスタ２００と、同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ４００は、第１のゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電体４０５と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、絶縁体４７３と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体４４２ａ、領域４５３ａ、酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体４４２ｂ、領域４５３ｂ、酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、導電体４４０（導電体４４０ａ、および導電体４４０ｂ）と、を有する。
トランジスタ４００は、トランジスタ２００と、同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ４００は、第１のゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電体４０５と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、絶縁体４７３と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体４４２ａ、領域４５３ａ、酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体４４２ｂ、領域４５３ｂ、酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、導電体４４０（導電体４４０ａ、および導電体４４０ｂ）と、を有する。
【0371】
トランジスタ４００において、導電体４０５は、導電体２０５と、同じ層である。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａは、酸化物２３０ａと、同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂは、酸化物２３０ｂと、同じ層である。導電体４４２ａ、および導電体４４２ｂは、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂと、同じ層である。領域４５３ａおよび領域４５３ｂは、領域２５３ａおよび領域２５３ｂと同じ工程で形成される層である。酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃと同じ層である。絶縁体４５０は、絶縁体２５０と、同じ層である。絶縁体４７３は、絶縁体２７３と、同じ層である。導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂは、それぞれ導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂと、同じ層である。
【0372】
なお、同じ層に形成された構造体は、同時に形成することができる。例えば、酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃとなる酸化膜を加工することで、形成することができる。
【0373】
トランジスタ４００の活性層として機能する酸化物４３０ｃは、酸化物２３０などと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、第２のゲート電圧及び第１のゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流を非常に小さくすることができる。
【0374】
＜＜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。
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。
【0375】
ここで、例えば、図２３に示すように、絶縁体２５６（絶縁体２５６ａ）と、絶縁体２２２とが接する領域をダイシングラインと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、およびトランジスタ４００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２２４に開口を設ける。また、絶縁体２２４の側面を覆うように、絶縁体２５６を設ける。
【0376】
つまり、上記絶縁体２２４に設けた開口において、絶縁体２２２と、絶縁体２５６とが接する。例えば、このとき、絶縁体２２２と、絶縁体２５６とを同材料及び同方法を用いて形成してもよい。絶縁体２２２、および絶縁体２５６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、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムを用いることが好ましい。
【0377】
当該構造により、絶縁体２２２、絶縁体２５６、絶縁体２７３、絶縁体４７３、および絶縁体２７４で、絶縁体２２４、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を包み込むことができる。絶縁体２２２、絶縁体２５６、絶縁体２７３、絶縁体４７３、および絶縁体２７４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、およびトランジスタ４００に拡散することを防ぐことができる。
【0378】
また、当該構造により、絶縁体２２４の過剰酸素が絶縁体２５６、および絶縁体２２２の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２２４の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００、またはトランジスタ４００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、またはトランジスタ４００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、またはトランジスタ４００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、またはトランジスタ４００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。
【0379】
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【0380】
（実施の形態３）
本実施の形態では、図２４および図２５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。
本実施の形態では、図２４および図２５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。
【0381】
＜記憶装置の構成例＞
図２４（Ａ）にＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、コントロールロジック回路１４６０を有する。
図２４（Ａ）にＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、コントロールロジック回路１４６０を有する。
【0382】
列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、および書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
【0383】
記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。
【0384】
コントロールロジック回路１４６０は、外部からの入力信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。ＣＥは、チップイネーブル信号であり、ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
【0385】
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。
【0386】
なお、図２４（Ａ）において、周辺回路１４１１とメモリセルアレイ１４７０を同一平面上に形成する例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図２４（Ｂ）に示すように、周辺回路１４１１の一部の上に、メモリセルアレイ１４７０が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。
【0387】
図２５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。
【0388】
［ＤＯＳＲＡＭ］
図２５（Ａ）乃至（Ｃ）に、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、１ＯＳトランジスタ１容量素子型のメモリセルを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ場合がある。図２５（Ａ）に示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（フロントゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
図２５（Ａ）乃至（Ｃ）に、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、１ＯＳトランジスタ１容量素子型のメモリセルを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ場合がある。図２５（Ａ）に示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（フロントゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
【0389】
トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
【0390】
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
【0391】
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２５（Ｂ）に示すメモリセル１４７２のように、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図２５（Ｃ）に示すメモリセル１４７３ように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ１で構成されたメモリセルとしてもよい。
【0392】
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７１等に用いる場合、トランジスタＭ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＡとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に低くすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
【0393】
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。
【0394】
［ＮＯＳＲＡＭ］
図２５（Ｄ）乃至（Ｈ）に、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図２５（Ｄ）に示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
図２５（Ｄ）乃至（Ｈ）に、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図２５（Ｄ）に示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、フロントゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
【0395】
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。
【0396】
配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、データ保持の最中、データの読み出し時において、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
【0397】
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２５（Ｅ）に示すメモリセル１４７５のように、トランジスタＭ２のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図２５（Ｆ）に示すメモリセル１４７６のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ２で構成されたメモリセルとしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図２５（Ｇ）に示すメモリセル１４７７のように、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。
【0398】
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ３としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＢとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に低くすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に低いため、メモリセル１４７４に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至１４７７も同様である。
【0399】
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。
【0400】
また、トランジスタＭ３はＯＳトランジスタであってもよい。トランジスタＭ２、Ｍ３にＯＳトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
【0401】
また、図２５（Ｈ）に３トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの一例を示す。図２５（Ｈ）に示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至Ｍ６、および容量素子ＣＣを有する。容量素子ＣＣは適宜設けられる。メモリセル１４７８は、配線ＢＩＬ、ＲＷＬ、ＷＷＬ、ＢＧＬ、およびＧＮＤＬに電気的に接続されている。配線ＧＮＤＬは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル１４７８を、配線ＢＩＬに代えて、配線ＲＢＬ、ＷＢＬに電気的に接続してもよい。
【0402】
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。
【0403】
なお、トランジスタＭ５、Ｍ６はそれぞれ、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはｐチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、トランジスタＭ４乃至Ｍ６がＯＳトランジスタでもよい、この場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
【0404】
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７８に用いる場合、トランジスタＭ４としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ５、Ｍ６としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＣとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４のリーク電流を非常に低くすることができる。
【0405】
なお、本実施の形態に示す、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。
【0406】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【0407】
（実施の形態４）
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。
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。
【0408】
＜電子部品＞
まず、上記実施の形態に示す記憶装置が組み込まれた電子部品の例を、図２６（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明を行う。
まず、上記実施の形態に示す記憶装置が組み込まれた電子部品の例を、図２６（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明を行う。
【0409】
図２６（Ａ）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２６（Ａ）に示す電子部品７００はＩＣチップであり、リードおよび回路部７１０を有する。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ＩＣチップ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。
【0410】
回路部７１０には、上記実施の形態で示した各種の回路が１のダイに設けられている。回路部７１０は、先の実施の形態に示すように、積層構造をもち、Ｓｉトランジスタ層７１２、配線層７１４、ＯＳトランジスタ層７１６に大別される。ＯＳトランジスタ層７１６をＳｉトランジスタ層７１２に積層して設けることができるため、電子部品７００の小型化が容易である。
【0411】
電子部品７００の回路部７１０として、上記実施の形態に示した記憶装置が設けられている。図２６（Ａ）では、電子部品７００のパッケージにＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。
【0412】
図２６（Ｂ）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、および複数の回路部７１０が設けられている。
【0413】
電子部品７３０では、回路部７１０として、上記実施の形態に示す記憶装置を広帯域メモリ（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。
【0414】
パッケージ基板７３２は、セラミック基板、プラスチック基板、または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。
【0415】
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。
【0416】
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。
【0417】
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。
【0418】
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。
【0419】
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、回路部７１０と半導体装置７３５の高さを揃えることが好ましい。
【0420】
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２６（Ｂ）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。
【0421】
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。
【0422】
＜電子機器＞
次に、上記電子部品を備えた電子機器の例について図２７を用いて説明を行う。
次に、上記電子部品を備えた電子機器の例について図２７を用いて説明を行う。
【0423】
ロボット７１００は、照度センサ、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、ディスプレイ、各種センサ（赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなど）、および移動機構などを備える。電子部品７３０はプロセッサなどを有し、これら周辺機器を制御する機能を有する。例えば、電子部品７００はセンサで取得されたデータを記憶する機能を有する。
【0424】
マイクロフォンは、使用者の音声および環境音などの音響信号を検知する機能を有する。また、スピーカは、音声および警告音などのオーディオ信号を発する機能を有する。ロボット７１００は、マイクロフォンを介して入力されたオーディオ信号を解析し、必要なオーディオ信号をスピーカから発することができる。ロボット７１００において、は、マイクロフォン、およびスピーカを用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。
【0425】
カメラは、ロボット７１００の周囲を撮像する機能を有する。また、ロボット７１００は、移動機構を用いて移動する機能を有する。ロボット７１００は、カメラを用いて周囲の画像を撮像し、画像を解析して移動する際の障害物の有無などを察知することができる。
【0426】
飛行体７１２０は、プロペラ、カメラ、およびバッテリなどを有し、自律して飛行する機能を有する。電子部品７３０はこれら周辺機器を制御する機能を有する。
【0427】
例えば、カメラで撮影した画像データは、電子部品７００に記憶される。電子部品７３０は、画像データを解析し、移動する際の障害物の有無などを察知することができる。また、電子部品７３０によってバッテリの蓄電容量の変化から、バッテリ残量を推定することができる。
【0428】
掃除ロボット７１４０は、上面に配置されたディスプレイ、側面に配置された複数のカメラ、ブラシ、操作ボタン、各種センサなどを有する。図示されていないが、掃除ロボット７３００には、タイヤ、吸い込み口等が備えられている。掃除ロボット７３００は自走し、ゴミを検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。
【0429】
例えば、電子部品７３０は、カメラが撮影した画像を解析し、壁、家具または段差などの障害物の有無を判断することができる。また、画像解析により、配線などブラシに絡まりそうな物体を検知した場合は、ブラシの回転を止めることができる。
【0430】
自動車７１６０は、エンジン、タイヤ、ブレーキ、操舵装置、カメラなどを有する。例えば、電子部品７３０は、ナビゲーション情報、速度、エンジンの状態、ギアの選択状態、ブレーキの使用頻度などのデータに基づいて、自動車７１６０の走行状態を最適化するための制御を行う。例えば、カメラで撮影した画像データは電子部品７００に記憶される。
【0431】
電子部品７００および／または電子部品７３０は、ＴＶ装置７２００（テレビジョン受像装置）、スマートフォン７２１０、ＰＣ７２２０（パーソナルコンピュータ）、７２３０、ゲーム機７２４０、ゲーム機７２６０等に組み込むことができる。
【0432】
例えば、ＴＶ装置７２００に内蔵された電子部品７３０は画像エンジンとして機能させることができる。例えば、電子部品７３０は、ノイズ除去、解像度アップコンバージョンなどの画像処理を行う。
【0433】
スマートフォン７２１０は、携帯情報端末の一例である。スマートフォン７２１０は、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、各種センサ、および表示部を有する。電子部品７３０によってこれら周辺機器が制御される。
【0434】
ＰＣ７２２０、ＰＣ７２３０はそれぞれノート型ＰＣ、据え置き型ＰＣの例である。ＰＣ７２３０には、キーボード７２３２、およびモニタ装置７２３３が無線または有線により接続可能である。ゲーム機７２４０は携帯型ゲーム機の例である。ゲーム機７２６０は据え置き型ゲーム機の例である。ゲーム機７２６０には、無線または有線でコントローラ７２６２が接続されている。コントローラ７２６２に、電子部品７００および／または電子部品７３０を組み込むこともできる。
【0435】
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【0436】
（実施の形態５）
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図２８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。
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図２８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。
【0437】
図２８（Ａ）はＵＳＢメモリの模式図である。ＵＳＢメモリ１１００は、筐体１１０１、キャップ１１０２、ＵＳＢコネクタ１１０３および基板１１０４を有する。基板１１０４は、筐体１１０１に収納されている。例えば、基板１１０４には、メモリチップ１１０５、コントローラチップ１１０６が取り付けられている。基板１１０４のメモリチップ１１０５などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
【0438】
図２８（Ｂ）はＳＤカードの外観の模式図であり、図２８（Ｃ）は、ＳＤカードの内部構造の模式図である。ＳＤカード１１１０は、筐体１１１１、コネクタ１１１２および基板１１１３を有する。基板１１１３は筐体１１１１に収納されている。例えば、基板１１１３には、メモリチップ１１１４、コントローラチップ１１１５が取り付けられている。基板１１１３の裏面側にもメモリチップ１１１４を設けることで、ＳＤカード１１１０の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板１１１３に設けてもよい。これによって、ホスト装置とＳＤカード１１１０間の無線通信によって、メモリチップ１１１４のデータの読み出し、書き込みが可能となる。基板１１１３のメモリチップ１１１４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
【0439】
図２８（Ｄ）はＳＳＤの外観の模式図であり、図２８（Ｅ）は、ＳＳＤの内部構造の模式図である。ＳＳＤ１１５０は、筐体１１５１、コネクタ１１５２および基板１１５３を有する。基板１１５３は筐体１１５１に収納されている。例えば、基板１１５３には、メモリチップ１１５４、メモリチップ１１５５、コントローラチップ１１５６が取り付けられている。メモリチップ１１５５はコントローラチップ１１５６のワークメモリであり、例えばＤＯＳＲＡＭチップを用いればよい。基板１１５３の裏面側にもメモリチップ１１５４を設けることで、ＳＳＤ１１５０の容量を増やすことができる。基板１１５３のメモリチップ１１５４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
【0440】
本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【0441】
２００：トランジスタ、２０５：導電体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１８：導電体、２２０：絶縁体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２３０：酸化物、２３１：領域、２３２：領域、２３４：領域、２４０：導電体、２４１：絶縁体、２４２：導電体、２５０：絶縁体、２５３：領域、２５６：絶縁体、２６０：導電体、２６３：開口、２７３：絶縁体、２７４：絶縁体、２８０：絶縁体、２８１：絶縁体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】