特許 7603005 半導体装置の作製方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-11

(45)【発行日】2024-12-19

(54)【発明の名称】半導体装置の作製方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/336 20060101AFI20241212BHJP

   H01L 29/786 20060101ALI20241212BHJP

   H01L 21/477 20060101ALI20241212BHJP

   H01L 21/8234 20060101ALI20241212BHJP

   H01L 27/088 20060101ALI20241212BHJP

   H01L 29/788 20060101ALI20241212BHJP

   H01L 29/792 20060101ALI20241212BHJP

   H10B 12/00 20230101ALI20241212BHJP

   H10B 41/70 20230101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 617V

H01L21/477

H01L27/088 E

H01L27/088 H

H01L29/78 371

H01L29/78 627F

H10B12/00 621C

H10B12/00 621Z

H10B12/00 671C

H10B12/00 671Z

H10B12/00 801

H10B41/70

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021519022

(86)(22)【出願日】2020-04-27

(86)【国際出願番号】 IB2020053913

(87)【国際公開番号】W WO2020229915

(87)【国際公開日】2020-11-19

【審査請求日】2023-03-21

(31)【優先権主張番号】P 2019089717

(32)【優先日】2019-05-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2019093481

(32)【優先日】2019-05-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【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】村川 努

(72)【発明者】

【氏名】笹川 慎也

(72)【発明者】

【氏名】山出 直人

(72)【発明者】

【氏名】浜田 崇

(72)【発明者】

【氏名】駒形 大樹

【審査官】岩本 勉

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／０２５９１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０４７０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０５０５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０２１５５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２１／４７７

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３４

Ｈ０１Ｌ ２７／０８８

Ｈ０１Ｌ ２９／７８６

Ｈ０１Ｌ ２９／７８８

Ｈ０１Ｌ ２９／７９２

Ｈ１０Ｂ １２／００

Ｈ１０Ｂ ４１／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の絶縁体を成膜し、
前記第１の絶縁体上に、第１の酸化物、第２の酸化物、第１の導電体を順に積層した、島状の積層体を形成し、
前記第１の絶縁体、および前記積層体上に、第２の絶縁体を形成し、
前記第２の絶縁体に、前記積層体を露出する開口部を形成し、
前記第１の導電体の前記開口部内に露出した領域を除去することで、前記第２の酸化物の上面を露出し、かつ前記第２の酸化物上に配置された、第２の導電体、および第３の導電体を形成した後、
洗浄処理を行い、
前記開口部内に露出した、前記第１の酸化物の側面、および前記第２の酸化物の上面及び側面に接して、第１の酸化膜を成膜し、
前記第１の酸化膜を介して、前記第２の酸化物および前記第１の酸化膜の界面近傍に、酸素を添加する処理を行った後、加熱処理を行い、
前記第１の酸化膜上に、第１の絶縁膜、および第１の導電膜を成膜した後、化学研磨処理により、
前記第１の導電膜、前記第１の絶縁膜、前記第１の酸化膜、および前記第２の絶縁体の一部を除去することで、前記第２の絶縁体を露出し、かつ、前記第２の絶縁体に設けた開口部内に、第４の導電体、第３の絶縁体、および第３の酸化物を形成する、半導体装置の作製方法。

【請求項2】

第１の絶縁体を成膜し、
前記第１の絶縁体上に、第１の酸化物、第２の酸化物、第１の導電体を順に積層した、島状の積層体を形成し、
前記第１の絶縁体、および前記積層体上に、第２の絶縁体を形成し、
前記第２の絶縁体に、前記積層体を露出する開口部を形成し、
前記第１の導電体の前記開口部内に露出した領域を除去することで、前記第２の酸化物の上面を露出し、かつ前記第２の酸化物上に配置された、第２の導電体、および第３の導電体を形成した後、
洗浄処理を行い、
前記開口部内に露出した、前記第１の酸化物の側面、および前記第２の酸化物の上面及び側面に接して、第１の酸化膜を成膜し、
前記第１の酸化膜を介して、前記第２の酸化物および前記第１の酸化膜の界面近傍に、酸素を添加する処理を行った後、加熱処理を行い、
前記第１の酸化膜上に、第１の絶縁膜、および第１の導電膜を成膜した後、化学研磨処理により、
前記第１の導電膜、前記第１の絶縁膜、前記第１の酸化膜、および前記第２の絶縁体の一部を除去することで、前記第２の絶縁体を露出し、かつ、前記第２の絶縁体に設けた開口部内に、第４の導電体、第３の絶縁体、および第３の酸化物を形成し、
前記第１の酸化物がインジウム酸化物である、半導体装置の作製方法。

【請求項3】

請求項１または請求項２において、
前記酸素を添加する処理は、イオン注入法を用いる半導体装置の作製方法。

【請求項4】

請求項３において、
前記イオン注入法において、第２の酸化物の短辺方向において、酸素イオンが、第２の酸化物の上面に対する接線に対し、角度θ（４５°＜θ＜１３５°）にて入射する、半導体装置の作製方法。

【請求項5】

請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記加熱処理は、３５０℃以上４００℃以下で行う、半導体装置の作製方法。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
前記加熱処理は、酸化性ガスが１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う、半導体装置の作製方法。

【請求項7】

請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
前記第１の酸化物、および前記第３の酸化物は、前記第２の酸化物よりも、酸素の拡散を抑制する、半導体装置の作製方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一態様は、トランジスタ、半導体装置、および電子機器に関する。また、本発明の一態様は、半導体装置の作製方法に関する。また、本発明の一態様は、半導体ウエハ、およびモジュールに関する。

【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、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、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】

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する。）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。

【0005】

酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出されている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。

【0006】

非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【文献】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，“ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ”，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ ４３，ｉｓｓｕｅ １，ｐ．１８３－１８６

【文献】Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ”，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ５３，Ｎｕｍｂｅｒ ４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８－１－０４ＥＤ１８－１０

【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、トランジスタ特性のばらつきが少ない半導体装置を提供することを課題の一とする。また、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、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、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、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、本発明の一態様は、低消費電力の半導体装置を提供することを課題の一つとする。

【0009】

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】

【0010】

本発明の一態様は、第１の絶縁体を成膜し、第１の絶縁体上に、第１の酸化物、第２の酸化物、第１の導電体を順に積層した、島状の積層体を形成し、第１の絶縁体、および積層体上に、第２の絶縁体を形成し、第２の絶縁体に、積層体を露出する開口部を形成し、第１の導電体の開口部内に露出した領域を除去することで、第２の酸化物の上面を露出し、かつ第２の酸化物上に配置された、第２の導電体、および第３の導電体を形成した後、洗浄処理を行い、開口部内に露出した、第１の酸化物の側面、および第２の酸化物の上面及び側面に接して、第１の酸化膜を成膜し、第１の酸化膜を介して、第２の酸化物および第１の酸化膜の界面近傍に、酸素を添加する処理を行った後、加熱処理を行い、第１の酸化膜上に、第１の絶縁膜、および第１の導電膜を成膜した後、化学研磨処理により、第１の導電膜、第１の絶縁膜、第１の酸化膜、および第２の絶縁体の一部を除去することで、第２の絶縁体を露出し、かつ、第２の絶縁体に設けた開口部内に、第４の導電体、第３の絶縁体、および第３の酸化物を形成する。

【0011】

本発明の一態様は、第１の絶縁体を成膜し、第１の絶縁体上に、第１の酸化物、第２の酸化物、第１の導電体を順に積層した、島状の積層体を形成し、第１の絶縁体、および積層体上に、第２の絶縁体を形成し、第２の絶縁体に、積層体を露出する開口部を形成し、第１の導電体の開口部内に露出した領域を除去することで、第２の酸化物の上面を露出し、かつ第２の酸化物上に配置された、第２の導電体、および第３の導電体を形成した後、洗浄処理を行い、開口部内に露出した、第１の酸化物の側面、および第２の酸化物の上面及び側面に接して、第１の酸化膜を成膜し、第１の酸化膜を介して、第２の酸化物および第１の酸化膜の界面近傍に、酸素を添加する処理を行い、第１の酸化膜上に、第２の酸化膜を成膜し、加熱処理を行い、第２の酸化膜上に、第１の絶縁膜、および第１の導電膜を成膜した後、化学研磨処理により、第１の導電膜、第２の酸化膜、第１の絶縁膜、第１の酸化膜、および第２の絶縁体の一部を除去することで、第２の絶縁体を露出し、かつ、第２の絶縁体に設けた開口部内に、第４の導電体、第３の絶縁体、第３の酸化物、および第４の酸化物を形成する。

【0012】

上記において、酸素添加処理は、イオン注入法を用いることが好ましい。

【0013】

上記において、請求項１または請求項２において、イオン注入法において、第２の酸化物の短辺方向において、酸素イオンが、第２の酸化物の上面に対する接線に対し、角度θ（４５°＜θ＜１３５°）にて入射することが好ましい。

【0014】

上記において、加熱処理は、３５０℃以上４００℃以下で行うことが好ましい。

【0015】

上記において、加熱処理は、酸化性ガスを１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行うことが好ましい。

【0016】

上記において、第１の酸化物、および第３の酸化物は、第２の酸化物よりも、酸素の拡散を抑制することが好ましい。

【発明の効果】

【0017】

本発明の一態様により、トランジスタ特性のばらつきが少ない半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、オン電流が大きい半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、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、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置を提供することができる。

【0018】

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】

【0019】

図１Ａは本発明の一態様である半導体装置の上面図である。図１Ｂおよび図１Ｃは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図２Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２Ｂおよび図２Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図３Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図３Ｂおよび図３Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図４Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図４Ｂおよび図４Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図５Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図５Ｂおよび図５Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図６Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図６Ｂおよび図６Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図７Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図７Ｂおよび図７Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図８Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図８Ｂおよび図８Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図９Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図９Ｂおよび図９Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１０Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１０Ｂおよび図１０Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１１Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１１Ｂおよび図１１Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１２Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１３Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１３Ｂおよび図１３Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１４ＡはＩＧＺＯの結晶構造の分類を説明する図である。図１４Ｂは石英ガラスのＸＲＤスペクトルを説明する図である。図１４Ｃは結晶性ＩＧＺＯのＸＲＤスペクトルを説明する図である。図１４Ｄは結晶性ＩＧＺＯの極微電子線回折パターンを説明する図である。
図１５Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１５Ｂおよび図１５Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１６Ａおよび図１６Ｂは本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図１７Ａは本発明の一態様である半導体装置の上面図である。図１７Ｂおよび図１７Ｃは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図１８Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１８Ｂおよび図１８Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１９Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１９Ｂおよび図１９Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２０Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２０Ｂおよび図２０Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２１Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２１Ｂおよび図２１Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２２Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２２Ｂおよび図２２Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２３Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２３Ｂおよび図２３Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２４Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２４Ｂおよび図２４Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２５Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２５Ｂおよび図２５Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２６Ａ、図２６Ｂおよび図２６Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２７Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２７Ｂおよび図２７Ｃは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２８Ａおよび図２８Ｂは本発明の一態様に係る半導体装置の断面図である。
図２９は本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図３０は本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図３１は本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図３２は本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図である。
図３３は、本発明の一態様の半導体装置を作製するための装置を説明する上面図である。
図３４Ａおよび図３４Ｂは本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図、および斜視図である。
図３５Ａ乃至図３５Ｈは本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図である。
図３６は各種の記憶装置を階層ごとに示す図である。
図３７Ａおよび図３７Ｂは本発明の一態様に係る半導体装置の模式図である。
図３８Ａおよび図３８Ｂは電子部品の一例を説明する図である。
図３９Ａ乃至図３９Ｅは本発明の一態様に係る記憶装置の模式図である。
図４０Ａ乃至図４０Ｈは本発明の一態様に係る電子機器を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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。

【0021】

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、本発明の一態様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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に開示されているものとする。ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。

【0026】

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう。）を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。

【0027】

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。

【0028】

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネル形成領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネル形成領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。

【0029】

チャネル幅とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネル形成領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向のチャネル形成領域の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネル形成領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体の欠陥準位密度が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。なお、水も不純物として機能する場合がある。また、例えば不純物の混入によって、酸化物半導体に酸素欠損（Ｖ_Ｏ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）が形成される場合がある。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む。）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう。）などに分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳトランジスタと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。

【0038】

また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりのドレイン電流が、室温において１×１０^－２０Ａ以下、８５℃において１×１０^－１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０^－１６Ａ以下であることをいう。

【0039】

（実施の形態１）
本実施の形態では、図１乃至図１２を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例、およびその作製方法について説明する。

【0040】

＜半導体装置の構成例１＞
図１を用いて、トランジスタ２００を有する半導体装置の構成を説明する。図１Ａ乃至図１Ｃは、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図および断面図である。図１Ａは、当該半導体装置の上面図である。また、図１Ｂ乃至図１Ｃは、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１Ｂは、図１ＡにＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１Ｃは、図１ＡにＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図１Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

【0041】

本発明の一態様の半導体装置は、基板（図示せず）上の絶縁体２１２と、絶縁体２１２上の絶縁体２１４と、絶縁体２１４上のトランジスタ２００と、トランジスタ２００上の絶縁体２８０と、絶縁体２８０上の絶縁体２８２と、絶縁体２８２上の絶縁体２８３と、を有する。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３は層間膜として機能する。

【0042】

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２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）を有する。なお、プラグとして機能する導電体２４６の側面に接して絶縁体２７６（絶縁体２７６ａ、および絶縁体２７６ｂ）が設けられる。また、絶縁体２８３上、および導電体２４６上には、導電体２４６と電気的に接続し、配線として機能する導電体２４８（導電体２４８ａ、および導電体２４８ｂ）が設けられる。また、導電体２４８上、および絶縁体２８３上には、絶縁体２８６が設けられる。

【0043】

具体的には、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の開口の内壁に接して絶縁体２７６ａが設けられ、絶縁体２７６ａの側面に接して導電体２４６ａの第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４６ａの第２の導電体が設けられている。また、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の開口の内壁に接して絶縁体２７６ｂが設けられ、絶縁体２７６ｂの側面に接して導電体２４６ｂの第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４６ｂの第２の導電体が設けられている。

【0044】

ここで、図１Ｂに示すように導電体２４６の上面の高さと、導電体２４８と重なる領域の、絶縁体２８３の上面の高さと、は同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２４６の第１の導電体および導電体２４６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２４６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。

【0045】

［トランジスタ２００］
図１Ａ乃至図１Ｃに示すように、トランジスタ２００は、絶縁体２１４上の絶縁体２１６と、絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５（導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂ）と、絶縁体２１６上、および導電体２０５上の絶縁体２２２と、絶縁体２２２上の絶縁体２２４と、絶縁体２２４上の酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の、酸化物２４１（酸化物２４１ａ、および酸化物２４１ｂ）および酸化物２３０ｃと、酸化物２４１ａ上の導電体２４０ａと、導電体２４０ａ上の絶縁体２７１ａと、酸化物２４１ｂ上の導電体２４０ｂと、導電体２４０ｂ上の絶縁体２７１ｂと、酸化物２３０ｃ上の絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に位置し、酸化物２３０ｃの一部と重なる導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、を有する。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２４１ａの側面、酸化物２４１ｂの側面、導電体２４０ａの側面、および導電体２４０ｂの側面、絶縁体２７１ａの側面、および絶縁体２７１ｂの側面とそれぞれ接する。

【0046】

ここで、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０の上面、および酸化物２３０ｃの上面と概略一致して配置される。また、絶縁体２８２は、導電体２６０、絶縁体２５０、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２８０のそれぞれの上面と接する。

【0047】

なお、以下において、絶縁体２７１ａと絶縁体２７１ｂをまとめて絶縁体２７１と呼ぶ場合がある。

【0048】

絶縁体２８０には、酸化物２３０ｂに達する開口が設けられる。当該開口内に、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０が配置されている。また、トランジスタ２００のチャネル長方向において、導電体２４０ａおよび酸化物２４１ａと、導電体２４０ｂおよび酸化物２４１ｂと、の間に導電体２６０、絶縁体２５０および酸化物２３０ｃが設けられている。絶縁体２５０は、導電体２６０の側面と接する領域と、導電体２６０の底面と接する領域と、を有する。また、酸化物２３０ｂと重なる領域において、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂと接する領域と、絶縁体２５０を介して導電体２６０の側面と重なる領域と、絶縁体２５０を介して導電体２６０の底面と重なる領域と、を有する。

【0049】

酸化物２３０は、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａの上に配置された酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂの上に配置され、少なくとも一部が酸化物２３０ｂに接する酸化物２３０ｃと、を有することが好ましい。

【0050】

なお、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、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。

【0051】

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が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。一方、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動し、ノーマリーオン特性（ゲート電極に電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れる特性）となりやすい。

【0052】

従って、トランジスタのチャネル形成領域に用いる酸化物半導体は、不純物および酸素欠損が低減された高純度真性な酸化物半導体を用いることが好ましい。なお、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。

【0053】

しかしながら、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、トランジスタを構成する導電体、またはトランジスタと接続するプラグや配線に用いられる導電体に、酸化物半導体の酸素が徐々に吸収され、継時的変化の一つとして、酸素欠損を生じる場合がある。

【0054】

そこで、酸化物２３０ｂを実質的に高純度真性とした後、酸化物２３０ｂのチャネルが形成される領域を、酸化物２３０ｂよりも、酸素の拡散を抑制する酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃにより、覆うことが好ましい。

【0055】

具体的には、図に示すように、酸化物２３０ｂの下に、酸化物２３０ａを配置することで、酸化物２３０ｂから、酸素が引き抜かれることを抑制することができる。また、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物からの、酸化物２３０ｂに対する酸素および不純物の拡散を抑制することができる。

【0056】

また、酸化物２３０ｂの上に、酸化物２３０ｃを配置することで、酸化物２３０ｂから、酸素が引き抜かれることを抑制することができる。また、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物からの、酸化物２３０ｂに対する不純物の拡散を抑制することができる。

【0057】

なお、半導体として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

【0058】

酸化物２３０として、例えば、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物２３０として、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、インジウム酸化物を用いてもよい。

【0059】

ここで、酸化物２３０は、化学組成が異なる複数の酸化物層の積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物は、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａ、または酸化物２３０ｃに用いる金属酸化物の元素Ｍに対するＩｎの原子数比よりも、大きいことが好ましい。

【0060】

つまり、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃに用いる金属酸化物において、主成分である他の金属元素に対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａ、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。

【0061】

酸化物２３０ａ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、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃのそれぞれの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂ、またはその近傍、例えば、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面になる。酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。

【0062】

例えば、酸化物２３０ｂとして、具体的には、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１０：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物、インジウム酸化物などを用いるとよい。

【0063】

また、酸化物２３０ｂは、結晶性を有することが好ましい。特に、酸化物２３０ｂには、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることが好ましい。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

なお、明確な結晶粒界（グレインバウンダリー）が確認される結晶構造は、いわゆる多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれる。結晶粒界は、再結合中心となり、キャリアが捕獲されトランジスタのオン電流の低下、または電界効果移動度の低下を引き起こす可能性が高い。よって、明確な結晶粒界が確認されないＣＡＡＣ－ＯＳは、トランジスタの半導体層に好適な結晶構造を有する結晶性の酸化物の一つである。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳを構成するには、Ｚｎを有する構成が好ましい。例えば、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、及びＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物は、Ｉｎ酸化物よりも結晶粒界の発生を抑制できるため好適である。

【0067】

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。

【0068】

上記のように、ＣＡＡＣ－ＯＳは、結晶性の高い、緻密な構造を有しており、不純物や欠陥（酸素欠損Ｖｏなど）が少ない金属酸化物である。特に、金属酸化物の形成後に、金属酸化物が多結晶化しない程度の温度（例えば、４００℃以上６００℃以下）で加熱処理することで、ＣＡＡＣ－ＯＳをより結晶性の高い、緻密な構造にすることができる。このようにして、ＣＡＡＣ－ＯＳの密度をより高めることで、当該ＣＡＡＣ－ＯＳ中の不純物または酸素の拡散をより低減することができる。

【0069】

一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。したがって、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。

【0070】

また、酸化物２３０ｂのチャネルが形成される領域は、酸化物２３０ｂのソース領域、またはドレイン領域として機能する領域よりも、Ｗ幅方向の断面積が小さくてもよい。つまり、絶縁体２８０に開口部を設ける加工工程、または加工工程後の洗浄工程において、開口部の底部に露出した酸化物２３０ｂの表面の一部が除去され、酸化物２３０ｂに、溝部（以下、ザグリともいう）が形成されていてもよい。

【0071】

また、酸化物２３０ｂにおいて、上記溝部に、酸化物２３０ｃを埋め込むことが好ましい。このとき、酸化物２３０ｃは、当該溝部の内壁（側壁、および底面）を覆うように配置される。また、酸化物２３０ｃの膜厚は、当該溝部の深さと同程度としてもよい。

【0072】

上記構成とすることで、導電体２６０などを埋め込むための開口部を形成する際に、開口の底部にあたる酸化物２３０ｂの表面に損傷領域が形成されても、当該損傷領域を補填することができる。これにより、損傷領域に起因するトランジスタ２００の電気特性の不良を抑制することができる。

【0073】

なお、図１Ｂでは、導電体２６０等を埋め込む開口の側面が、酸化物２３０ｂの溝部も含めて、酸化物２３０ｂの被形成面に対して概略垂直となっているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、当該開口の底部が緩やかな曲面を有する、Ｕ字型の形状となってもよい。また、例えば、当該開口の側面が酸化物２３０ｂの被形成面に対して傾斜していてもよい。

【0074】

また、図１Ｃに示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面視において、酸化物２３０ｂの側面と酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有してもよい。つまり、当該側面の端部と当該上面の端部は、湾曲してもよい（以下、ラウンド状ともいう。）。

【0075】

上記湾曲面での曲率半径は、０ｎｍより大きく、導電体２４０と重なる領域の酸化物２３０ｂの膜厚より小さい、または、酸化物２３０ｂの上記湾曲面を有さない領域の長さの半分より小さいことが好ましい。上記湾曲面での曲率半径は、具体的には、０ｎｍより大きく２０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上１５ｎｍ以下、さらに好ましくは２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。このような形状にすることで、後の工程で形成する絶縁体２５０および導電体２６０の、当該溝部への被覆性を高めることができる。また、上記湾曲面を有さない領域の長さの減少を防ぎ、トランジスタ２００のオン電流、移動度の低下を抑制することができる。したがって、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。

【0076】

導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能し、導電体２０５は、第２のゲート（バックゲートともいう。）電極として機能する。また、絶縁体２５０は、第１のゲート絶縁体として機能し、絶縁体２２４は、第２のゲート絶縁体として機能する。また、導電体２４０ａは、ソース電極またはドレイン電極の一方として機能し、導電体２４０ｂは、ソース電極またはドレイン電極の他方として機能する。また、酸化物２３０の導電体２６０と重畳する領域の少なくとも一部はチャネル形成領域として機能する。

【0077】

なお、導電体２６０、絶縁体２５０のそれぞれは、隣接するトランジスタ２００間で共通して用いられてもよい。つまり、トランジスタ２００の導電体２６０は、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００の導電体２６０と連続して設けられた領域を有する。また、トランジスタ２００の絶縁体２５０は、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００の絶縁体２５０と連続して設けられた領域を有する。

【0078】

絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６は、水、水素などの不純物が、基板側から、または、トランジスタ２００の上方からトランジスタ２００に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。

【0079】

なお、本明細書において、バリア絶縁膜とは、バリア性を有する絶縁膜のことを指す。本明細書において、バリア性とは、対応する物質の拡散を抑制する機能（透過性が低いともいう）とする。または、対応する物質を、捕獲、および固着する（ゲッタリングともいう）機能とする。

【0080】

従って、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２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。

【0081】

例えば、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６として、窒化シリコンなどを用い、絶縁体２１４、絶縁体２７１、および絶縁体２８２として、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、水、水素などの不純物が絶縁体２１２、および絶縁体２１４を介して、基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が絶縁体２１２、および絶縁体２１４を介して基板側に、拡散するのを抑制することができる。また、水、水素などの不純物が、絶縁体２８０、導電体２４８などから酸化物２３０に拡散するのを抑制することができる。この様に、トランジスタ２００を、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で取り囲む構造とすることが好ましい。

【0082】

また、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６の抵抗率を低くすることが好ましい場合がある。例えば、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６の抵抗率を概略１×１０^１３Ωｃｍとすることで、半導体装置作製工程のプラズマ等を用いる処理において、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６が、導電体２０５、導電体２４０、導電体２６０、または導電体２４８のチャージアップを緩和することができる場合がある。絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８６の抵抗率は、好ましくは、１×１０^１０Ωｃｍ以上１×１０^１５Ωｃｍ以下とする。

【0083】

また、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１６、および絶縁体２８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよい。

【0084】

なお、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法によって成膜された絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は、膜中の水素濃度が低いことが好ましい。また、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６の成膜は、大気環境に曝さずに連続して成膜することが好ましい。大気環境に曝さずに成膜することで、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、絶縁体２１２と絶縁体２１４との界面および界面近傍、絶縁体２１４と絶縁体２１６との界面および界面近傍を清浄に保つことができるので好ましい。

【0085】

導電体２０５は、第２のゲート電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００のＶｔｈをより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体２０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。

【0086】

導電体２０５は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。また、導電体２０５は、絶縁体２１４または絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。

【0087】

なお、導電体２０５は、図１Ａに示すように、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと重ならない領域の大きさよりも、大きく設けるとよい。特に、図１Ｃに示すように、導電体２０５は、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂのチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。つまり、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂのチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。当該構成を有することで、第１のゲート電極として機能する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極として機能する導電体２０５の電界によって、酸化物２３０のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート、および第２のゲートの電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。

【0088】

なお、本明細書等において、Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタとは、一対のゲート電極の一方および他方の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を表す。また、本明細書等で開示するＳ－ｃｈａｎｎｅｌ構造は、Ｆｉｎ型構造およびプレーナ型構造とは異なる。Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。

【0089】

また、図１Ｃに示すように、導電体２０５は延伸させて、配線としても機能させている。ただし、これに限られることなく、導電体２０５の下に、配線として機能する導電体を設ける構成にしてもよい。また、導電体２０５は、必ずしも各トランジスタに一個ずつ設ける必要はない。例えば、導電体２０５を複数のトランジスタで共有する構成にしてもよい。

【0090】

なお、トランジスタ２００では、導電体２０５は、導電体２０５ａと導電体２０５ｂとを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０５は、単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。

【0091】

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（Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２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。

【0092】

導電体２０５ａに、酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることにより、導電体２０５ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体２０５ａとしては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。例えば、導電体２０５ａは、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムと、チタンまたは窒化チタンとの積層としてもよい。

【0093】

また、導電体２０５ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体２０５ｂを単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと、当該導電性材料との積層としてもよい。

【0094】

絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体として機能する。

【0095】

絶縁体２２２は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。また、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４よりも水素および酸素の一方または双方の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。

【0096】

絶縁体２２２は、絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。当該絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０から基板側への酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の拡散を抑制する層として機能する。よって、絶縁体２２２を設けることで、水素等の不純物が、トランジスタ２００の内側へ拡散することを抑制し、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４や、酸化物２３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。

【0097】

または、上記絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。または、これらの絶縁体を窒化処理してもよい。また、絶縁体２２２は、これらの絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。

【0098】

また、絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電圧の低減が可能となる。

【0099】

また、絶縁体２２４は、絶縁体２２２よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１６、および絶縁体２８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを適宜用いればよい。

【0100】

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。

【0101】

酸化物２４１（酸化物２４１ａ、および酸化物２４１ｂ）を、酸化物２３０ｂ上に設けてもよい。

【0102】

酸化物２４１（酸化物２４１ａ、および酸化物２４１ｂ）は、酸素の透過を抑制する機能を有することが好ましい。ソース電極やドレイン電極として機能する導電体２４０と酸化物２３０ｂとの間に酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物２４１を配置することで、導電体２４０と、酸化物２３０ｂとの間の電気抵抗が低減されるため好ましい。このような構成とすることで、トランジスタ２００の電気特性およびトランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。なお、導電体２４０と酸化物２３０ｂの間の電気抵抗を十分低減できる場合、酸化物２４１を設けない構成にしてもよい。

【0103】

酸化物２４１として、元素Ｍを有する金属酸化物を用いてもよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫を用いるとよい。酸化物２４１は、酸化物２３０ｂよりも元素Ｍの濃度が高いことが好ましい。また、酸化物２４１として、酸化ガリウムを用いてもよい。また、酸化物２４１として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物等の金属酸化物を用いてもよい。具体的には、酸化物２４１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２４１の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下である。また、酸化物２４１は、結晶性を有すると好ましい。酸化物２４１が結晶性を有する場合、酸化物２３０中の酸素の放出を好適に抑制することが出来る。例えば、酸化物２４１としては、六方晶などの結晶構造であれば、酸化物２３０中の酸素の放出を抑制できる場合がある。

【0104】

なお、酸化物２３０ａとなる酸化膜、酸化物２３０ｂとなる酸化膜、および酸化物２４１となる酸化膜の成膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化物２３０ａとなる酸化膜、酸化物２３０ｂとなる酸化膜、および酸化物２４１となる酸化膜上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化物２３０ａとなる酸化膜と酸化物２３０ｂとなる酸化膜との界面および界面近傍、酸化物２３０ｂとなる酸化膜と酸化物２４１となる酸化膜との界面および界面近傍を清浄に保つことができるので好ましい。連続成膜することができる装置の説明は後述する。

【0105】

導電体２４０ａは酸化物２４１ａ上に設けられ、導電体２４０ｂは、酸化物２４１ｂ上に設けられる。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、それぞれトランジスタ２００のソース電極またはドレイン電極として機能する。

【0106】

導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）としては、例えば、タンタルを含む窒化物、チタンを含む窒化物、モリブデンを含む窒化物、タングステンを含む窒化物、タンタルおよびアルミニウムを含む窒化物、チタンおよびアルミニウムを含む窒化物などを用いることが好ましい。本発明の一態様においては、タンタルを含む窒化物が特に好ましい。また、例えば、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いてもよい。これらの材料は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。

【0107】

なお、酸化物２４１を設けない場合、導電体２４０と、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃとが接することで、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃ中の酸素が導電体２４０へ拡散し、導電体２４０が酸化することがある。導電体２４０が酸化することで、導電体２４０の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃ中の酸素が導電体２４０へ拡散することを、導電体２４０が酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃ中の酸素を吸収する、と言い換えることができる。

【0108】

また、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃ中の酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂへ拡散することで、導電体２４０ａと酸化物２３０ｂとの間、および、導電体２４０ｂと酸化物２３０ｂとの間、または、導電体２４０ａと酸化物２３０ｃとの間、および、導電体２４０ｂと酸化物２３０ｃとの間に層が形成される場合がある。当該層は、導電体２４０ａまたは導電体２４０ｂよりも酸素を多く含むため、当該層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体２４０ａまたは導電体２４０ｂと、当該層と、酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｃとの３層構造は、金属－絶縁体－半導体からなる３層構造とみなすことができ、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造、またはＭＩＳ構造を主としたダイオード接合構造とみることができる。

【0109】

なお、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃなどに含まれる水素が、導電体２４０ａまたは導電体２４０ｂに拡散する場合がある。特に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに、タンタルを含む窒化物を用いることで、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃなどに含まれる水素は、導電体２４０ａまたは導電体２４０ｂに拡散しやすく、拡散した水素は、導電体２４０ａまたは導電体２４０ｂが有する窒素と結合することがある。つまり、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃなどに含まれる水素は、導電体２４０ａまたは導電体２４０ｂに吸い取られる場合がある。

【0110】

また、導電体２４０の側面と導電体２４０の上面との間に、湾曲面を有する場合がある。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲している場合がある。湾曲面は、例えば、導電体２４０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。

【0111】

絶縁体２７１は、導電体２４０の上面に接して設けられており、少なくとも酸素に対するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２７１も、酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２７１は、絶縁体２８０よりも酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。絶縁体２７１としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。また、絶縁体２７１としては、例えば、窒化シリコンを含む絶縁体を用いればよい。

【0112】

また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２４１、導電体２４０、絶縁体２７１の側面を覆って、絶縁体を設けてもよい。当該絶縁体は、少なくとも酸素に対するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。つまり、当該絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、絶縁体２８０よりも酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。当該絶縁体としては、例えば、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。

【0113】

特に、絶縁体２７１は、スパッタリング法によって、酸素を含む雰囲気にて酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムを成膜することが好ましい。スパッタリング法は、水素雰囲気を含まないため、不純物となる水素の混入を抑制することができる。

【0114】

絶縁体２７１を設けることで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２４１、および導電体２４０を、絶縁体２８０から離隔することができる。よって、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２４１、および導電体２４０に、絶縁体２８０から酸素が直接拡散するのを抑制することができる。従って、酸化物２３０のソース領域およびドレイン領域に過剰な酸素が供給されて、ソース領域およびドレイン領域のキャリア密度が低減するのを防ぐことができる。また、導電体２４０が過剰に酸化されて抵抗率が増大し、オン電流が低減するのを抑制することができる。

【0115】

絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。

【0116】

絶縁体２５０は、絶縁体２２４と同様に、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給し、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の酸素欠損を低減することができる。したがって、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させたトランジスタを提供することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水、水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。

【0117】

なお、図１Ｂおよび図１Ｃでは、絶縁体２５０を単層で図示したが、２層以上の積層構造としてもよい。絶縁体２５０を２層の積層構造とする場合、絶縁体２５０の下層は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成し、絶縁体２５０の上層は、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体２５０の下層に含まれる酸素が、導電体２６０へ拡散するのを抑制することができる。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の下層に含まれる酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。例えば、絶縁体２５０の下層は、上述した絶縁体２５０に用いることができる材料を用いて設け、絶縁体２５０の上層は、絶縁体２２２と同様の材料を用いて設けることができる。

【0118】

なお、絶縁体２５０の下層に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、絶縁体２５０の上層は、比誘電率が高いｈｉｇｈ－ｋ材料である絶縁性材料を用いてもよい。ゲート絶縁体を、絶縁体２５０の下層と絶縁体２５０の上層との積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、ゲート絶縁体の物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電圧の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。

【0119】

絶縁体２５０の上層として、具体的には、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、マグネシウムなどから選ばれた一種、もしくは二種以上が含まれた金属酸化物、または酸化物２３０として用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることが好ましい。

【0120】

また、絶縁体２５０と導電体２６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。

【0121】

なお、上記金属酸化物は、第１のゲート電極の一部としての機能を有することが好ましい。例えば、酸化物２３０として用いることができる金属酸化物を、上記金属酸化物として用いることができる。その場合、導電体２６０ａをスパッタリング法で成膜することで、上記金属酸化物の電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。

【0122】

上記金属酸化物を有することで、導電体２６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ２００のオン電流の向上を図ることができる。また、絶縁体２５０と、上記金属酸化物との物理的な厚みにより、導電体２６０と、酸化物２３０との間の距離を保つことで、導電体２６０と酸化物２３０の間のリーク電流を抑制することができる。また、絶縁体２５０、および上記金属酸化物との積層構造を設けることで、導電体２６０と酸化物２３０との間の物理的な距離、および導電体２６０から酸化物２３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。

【0123】

導電体２６０は、トランジスタ２００の第１のゲート電極として機能する。導電体２６０は、導電体２６０ａと、導電体２６０ａの上に配置された導電体２６０ｂと、を有することが好ましい。例えば、導電体２６０ａは、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように配置されることが好ましい。また、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０の上面および酸化物２３０ｃの上面と略一致している。なお、図１Ｂおよび図１Ｃでは、導電体２６０は、導電体２６０ａと導電体２６０ｂの２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。

【0124】

導電体２６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。

【0125】

また、導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０に含まれる酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。

【0126】

また、導電体２６０は、配線としても機能するため、導電体２６０ｂに導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、または窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。

【0127】

また、トランジスタ２００では、導電体２６０は、絶縁体２８０などに形成されている開口を埋めるように自己整合的に形成される。導電体２６０をこのように形成することにより、導電体２４０ａと導電体２４０ｂとの間の領域に、導電体２６０を位置合わせすることなく確実に配置することができる。

【0128】

また、図１Ｃに示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向において、絶縁体２２２の底面を基準としたときの、導電体２６０の、導電体２６０と酸化物２３０ｂとが重ならない領域の底面の高さは、酸化物２３０ｂの底面の高さ以下であることが好ましい。ゲート電極として機能する導電体２６０が、絶縁体２５０などを介して、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の側面および上面を覆う構成とすることで、導電体２６０の電界を酸化物２３０ｂのチャネル形成領域全体に作用させやすくなる。よって、トランジスタ２００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。絶縁体２２２の底面を基準としたときの、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂと、導電体２６０とが、重ならない領域における導電体２６０の底面の高さと、酸化物２３０ｂの底面の高さと、の差は、０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。

【0129】

絶縁体２８０は、絶縁体２２４、酸化物２３０、導電体２４０、および絶縁体２７１上に設けられる。また、絶縁体２８０の上面は、平坦化されていてもよい。

【0130】

層間膜として機能する絶縁体２８０は、誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。絶縁体２８０は、例えば、絶縁体２１６と同様の材料を用いて設けることが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料は、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成することができるため好ましい。

【0131】

また、絶縁体２８０中の水、水素などの不純物濃度は低減されていることが好ましい。また、絶縁体２８０は、上述した材料が積層された構造でもよく、例えば、スパッタリング法で成膜した酸化シリコンと、その上に積層された化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で成膜された酸化窒化シリコンの積層構造とすればよい。また、さらに上に窒化シリコンを積層してもよい。

【0132】

絶縁体２８２または絶縁体２８３は、水、水素などの不純物が、上方から絶縁体２８０に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。また、絶縁体２８２または絶縁体２８３は、酸素の透過を抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。絶縁体２８２および絶縁体２８３としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。例えば、絶縁体２８２として、酸素に対してブロッキング性が高い酸化アルミニウムを用い、絶縁体２８３として、水素に対してブロッキング性が高い窒化シリコンを用いればよい。

【0133】

導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂ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２４６ａおよび導電体２４６ｂは積層構造としてもよい。

【0134】

また、導電体２４６を積層構造とする場合、絶縁体２８４、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７１と接する導電体には、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。また、絶縁体２８４より上層に含まれる水、水素などの不純物が、導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂ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。

【0135】

絶縁体２７６ａおよび絶縁体２７６ｂとしては、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２７６ａおよび絶縁体２７６ｂは、絶縁体２７１ａに接して設けられるため、絶縁体２８０などに含まれる水、水素などの不純物が、導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂを通じて酸化物２３０に混入することを抑制することができる。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いため好適である。また、絶縁体２８０に含まれる酸素が導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂに吸収されるのを防ぐことができる。

【0136】

また、導電体２４６ａの上面、および導電体２４６ｂの上面に接して配線として機能する導電体２４８（導電体２４８ａ、および導電体２４８ｂ）を配置してもよい。導電体２４８は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、または窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。

【0137】

絶縁体２８６は、導電体２４８上、および絶縁体２８３上に設けられる。これにより、導電体２４８の上面、および導電体２４８の側面は、絶縁体２８６と接し、導電体２４８の下面は、絶縁体２８３と接する。つまり、導電体２４８は、絶縁体２８３、および絶縁体２８６で包まれる構成とすることができる。この様な構成とすることで、外方からの酸素の透過を抑制し、導電体２４８の酸化を防止することができる。また、導電体２４８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ため好ましい。

【0138】

＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、半導体として機能する金属酸化物（酸化物半導体）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。

【0139】

金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫などが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウム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。

【0140】

ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫とする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。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。

【0141】

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。

【0142】

［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、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。

【0143】

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。

【0144】

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、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ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。

【0145】

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。

【0146】

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。

【0147】

また、上述の酸化物半導体以外として、ＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳを用いてもよい。

【0148】

ＣＡＣ－ＯＳとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ－ＯＳ又は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。

【0149】

また、ＣＡＣ－ＯＳ又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。

【0150】

また、ＣＡＣ－ＯＳ又は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。

【0151】

また、ＣＡＣ－ＯＳ又は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又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ、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又はＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。

【0152】

すなわち、ＣＡＣ－ＯＳ又は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。

【0153】

また、酸化物半導体は、結晶構造に着目した場合、上記とは異なる分類となる場合がある。ここで、酸化物半導体における、結晶構造の分類について、図１４Ａを用いて説明を行う。図１４Ａは、酸化物半導体、代表的にはＩＧＺＯ（Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を含む金属酸化物）の結晶構造の分類を説明する図である。

【0154】

図１４Ａに示すように、ＩＧＺＯは、大きく分けてＡｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）と、Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ（結晶性）と、Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）と、に分類される。また、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓの中には、ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓが含まれる。また、Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅの中には、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、ｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、及びＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）が含まれる。なお、Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅの分類には、ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ、ｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌ、及びｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓは除かれる。また、Ｃｒｙｓｔａｌの中には、ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ、及びｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌが含まれる。

【0155】

なお、図１４Ａに示す太枠内の構造は、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）と、Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）との間の中間状態であり、新しい境界領域（Ｎｅｗ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｈａｓｅ）に属する構造である。当該構造は、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓと、Ｃｒｙｓｔａｌとの間の境界領域にある。すなわち、当該構造は、エネルギー的に不安定なＡｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）や、Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）とは全く異なる構造と言い換えることができる。

【0156】

なお、膜または基板の結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）像を用いて評価することができる。ここで、石英ガラス、及びＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅに分類される結晶構造を有するＩＧＺＯ（結晶性ＩＧＺＯともいう。）のＸＲＤスペクトルを図１４Ｂ、図１４Ｃに示す。また、図１４Ｂが石英ガラス、図１４Ｃが結晶性ＩＧＺＯのＸＲＤスペクトルである。なお、図１４Ｃに示す結晶性ＩＧＺＯの組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、図１４Ｃに示す結晶性ＩＧＺＯの厚さは、５００ｎｍである。

【0157】

図１４Ｂの矢印に示すように、石英ガラスは、ＸＲＤスペクトルのピークの形状がほぼ左右対称である。一方で、図１４Ｃの矢印に示すように、結晶性ＩＧＺＯは、ＸＲＤスペクトルのピークの形状が左右非対称である。ＸＲＤスペクトルのピークの形状が左右非対称であることは、結晶の存在を明示している。別言すると、ＸＲＤスペクトルのピークの形状で左右対称でないと、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓであるとは言えない。なお、図１４Ｃには、２θ＝３１°、またはその近傍に結晶相（ＩＧＺＯ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｈａｓｅ）を明記してある。ＸＲＤスペクトルのピークにおいて、形状が左右非対称となる由来は当該結晶相（微結晶）に起因すると推定される。

【0158】

具体的には、図１４Ｃに示す、結晶性ＩＧＺＯのＸＲＤスペクトルにおいて、２θ＝３４°またはその近傍にピークを有する。また、微結晶は、２θ＝３１°またはその近傍にピークを有する。酸化物半導体膜をＸ線回折像を用いて評価する場合、図１４Ｃに示すように、２θ＝３４°またはその近傍のピークよりも低角度側のスペクトルの幅が広くなる。これは、酸化物半導体膜中に、２θ＝３１°またはその近傍にピークを有する微結晶が内在することを示唆している。

【0159】

また、膜の結晶構造は、極微電子線回折法（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって観察される回折パターン（極微電子線回折パターンともいう。）にて評価することができる。基板温度を室温として成膜したＩＧＺＯ膜の回折パターンを図１４Ｄに示す。なお、図１４Ｄに示すＩＧＺＯ膜は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］である酸化物ターゲットを用いて、スパッタリング法によって成膜される。また、極微電子線回折法では、プローブ径を１ｎｍとして電子線回折が行われた。

【0160】

図１４Ｃに示すように、室温成膜したＩＧＺＯ膜の回折パターンでは、ハローではなく、スポット状のパターンが観察される。このため、室温成膜したＩＧＺＯ膜は、結晶状態でもなく、非晶質状態でもない、中間状態であり、非晶質状態であると結論することはできないと推定される。

【0161】

［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。

【0162】

酸化物半導体に不純物が混入すると、欠陥準位または酸素欠損が形成される場合がある。よって、酸化物半導体のチャネル形成領域に不純物が混入することで、酸化物半導体を用いたトランジスタの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、チャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性（ゲート電極に電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れる特性）となりやすい。

【0163】

金属酸化物を用いたトランジスタは、金属酸化物中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動し、ノーマリーオン特性となりやすい。また、金属酸化物中に、適量値を超えた過剰な酸素を有した状態で、該トランジスタを駆動した場合、過剰な酸素原子の価数が変化し、該トランジスタの電気特性が変動することで、信頼性が悪くなる場合がある。

【0164】

したがって、トランジスタには、キャリア濃度の低い金属酸化物をチャネル形成領域に用いることが好ましい。金属酸化物のキャリア濃度を低くする場合においては、金属酸化物中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。なお、本明細書等においては、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３以下の場合を実質的に高純度真性として定義する。

【0165】

また、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３以下であることが好ましく、１×１０^１７ｃｍ^－３以下であることがより好ましく、１×１０^１６ｃｍ^－３以下であることがさらに好ましく、１×１０^１３ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１２ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、１×１０^－９ｃｍ^－３とすることができる。

【0166】

なお、金属酸化物中の不純物としては、例えば、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。特に、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、金属酸化物中に酸素欠損を形成する場合がある。金属酸化物中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となる場合がある。さらに、金属酸化物中の酸素欠損に水素が入った場合、酸素欠損と水素とが結合しＶ_ＯＨを形成する場合がある。酸素欠損に水素が入った欠陥（Ｖ_ＯＨ）はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が多く含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。また、金属酸化物中の水素は、熱、電界などのストレスによって動きやすいため、金属酸化物に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化する恐れもある。

【0167】

本発明の一態様においては、酸化物２３０中のＶ_ＯＨをできる限り低減し、高純度真性または実質的に高純度真性にすることが好ましい。このように、Ｖ_ＯＨが十分低減された金属酸化物を得るには、金属酸化物中の水分、水素などの不純物を除去すること（脱水、脱水素化処理と記載する場合がある。）と、金属酸化物に酸素を供給して酸素欠損を補填すること（加酸素化処理と記載する場合がある。）が重要である。Ｖ_ＯＨなどの不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。

【0168】

酸素欠損に水素が入った欠陥（Ｖ_ＯＨ）は、金属酸化物のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、金属酸化物においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、金属酸化物のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。また、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「キャリア密度」と言い換えることができる。

【0169】

よって、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。水素などの不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。

【0170】

また、上記欠陥準位には、トラップ準位が含まれる場合がある。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。

【0171】

また、酸化物半導体のチャネル形成領域に不純物が存在すると、チャネル形成領域の結晶性が低くなる場合がある、また、チャネル形成領域に接して設けられる酸化物の結晶性が低くなる場合がある。チャネル形成領域の結晶性が低いと、トランジスタの安定性または信頼性が悪化する傾向がある。また、チャネル形成領域に接して設けられる酸化物の結晶性が低いと、界面準位が形成され、トランジスタの安定性または信頼性が悪化する場合がある。

【0172】

したがって、トランジスタの安定性または信頼性を向上させるには、酸化物半導体のチャネル形成領域およびその近傍の不純物濃度を低減することが有効である。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。

【0173】

具体的には、当該酸化物半導体のチャネル形成領域およびその近傍において、ＳＩＭＳにより得られる上記不純物の濃度を、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にする。または、当該酸化物半導体のチャネル形成領域およびその近傍において、ＥＤＸを用いた元素分析により得られる上記不純物の濃度を、１．０ａｔｏｍｉｃ％以下にする。なお、当該酸化物半導体として元素Ｍを含む酸化物を用いる場合、当該酸化物半導体のチャネル形成領域およびその近傍において、元素Ｍに対する上記不純物の濃度比を、０．１０未満、好ましくは０．０５未満にする。ここで、上記濃度比を算出する際に用いる元素Ｍの濃度は、上記不純物の濃度を算出した領域と同じ領域の濃度でもよいし、当該酸化物半導体中の濃度でもよい。

【0174】

また、不純物濃度を低減した金属酸化物は、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。

【0175】

また、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形成領域に不純物および酸素欠損が存在すると、当該酸化物半導体が低抵抗化する場合がある。また、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。

【0176】

例えば、シリコンは、酸素との結合エネルギーが、インジウムおよび亜鉛よりも大きい。例えば、酸化物半導体としてＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を用いる場合、当該酸化物半導体にシリコンが混入すると、当該酸化物半導体に含まれる酸素がシリコンに奪われることによって、インジウムまたは亜鉛の近傍に酸素欠損が形成される場合がある。

【0177】

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においては、チャネル形成領域に低抵抗領域が形成されると、当該低抵抗領域にトランジスタのソース電極とドレイン電極との間のリーク電流（寄生チャネル）が発生しやすい。また、当該寄生チャネルによって、トランジスタのノーマリーオン化、リーク電流の増大、ストレス印加によるしきい値電圧の変動（シフト）など、トランジスタの特性不良が起こりやすくなる。また、トランジスタの加工精度が低いと、当該寄生チャネルがトランジスタ毎にばらつくことで、トランジスタ特性にばらつきが生じてしまう。

【0178】

したがって、酸化物半導体のチャネル形成領域およびその近傍において、当該不純物および酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。

【0179】

＜半導体装置の作製方法＞
次に、図１Ａ乃至図１Ｃに示す、本発明の一態様である半導体装置の作製方法を、図２Ａ乃至図１１Ａ、図２Ｂ乃至図１１Ｂ、図２Ｃ乃至図１１Ｃ、および図１２Ａ乃至図１２Ｃを用いて説明する。

【0180】

図２Ａ乃至図１１Ａは上面図を示す。また、図２Ｂ乃至図１１Ｂは、図２Ａ乃至図１１Ａに示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図２Ｃ乃至図１１Ｃは、図２Ａ乃至図１１ＡにＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図２Ａ乃至図１１Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

【0181】

まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１２を成膜する。絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。

【0182】

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。

【0183】

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。

【0184】

また、ＡＬＤ法としては、プリカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーのみで行う熱ＡＬＤ（Ｔｈｅｒｍａｌ ＡＬＤ）法、プラズマ励起されたリアクタントを用いるＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）法などを用いることができる。

【0185】

また、ＡＬＤ法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるため、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、低温での成膜が可能、などの効果がある。ＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）法では、プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。

【0186】

ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。

【0187】

ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間を要さない分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。

【0188】

本実施の形態では、絶縁体２１２として、スパッタリング法によって窒化シリコンを成膜する。

【0189】

このように、絶縁体２１２として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体２１２より下層（図示せず。）の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体２１２を介して上方に拡散するのを抑制することができる。また、窒化シリコンのように水、水素などの不純物が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体２１２より下層に含まれる水、水素などの不純物の拡散を抑制することができる。

【0190】

次に、絶縁体２１２上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１４として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。

【0191】

絶縁体２１４の水素濃度は、絶縁体２１２の水素濃度より低いことが好ましい。絶縁体２１２としてスパッタリング法によって窒化シリコンを成膜することで、水素濃度が低い窒化シリコンを形成することができる。また、絶縁体２１４を酸化アルミニウムとすることで、絶縁体２１２よりも水素濃度を低くすることができる。

【0192】

この後の工程にて絶縁体２１４上に、トランジスタ２００を形成するが、トランジスタ２００に近接する膜は、水素濃度が比較的低いことが好ましく、水素濃度が比較的高い膜は、トランジスタ２００から遠隔して配置することが好ましい。

【0193】

次に、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６として、スパッタリング法によって酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを成膜する。

【0194】

なお、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は、大気環境に曝さずに減圧下で連続して成膜することが好ましい。大気環境に曝すことなく成膜することで、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、絶縁体２１２と絶縁体２１４との界面および界面近傍、絶縁体２１４と絶縁体２１６との界面および界面近傍を清浄に保つことができるため好ましい。連続成膜は、例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。連続成膜することで、半導体装置の作製工程時間の短縮が可能となり好ましい。

【0195】

次に、絶縁体２１６に絶縁体２１４に達する開口を形成する。開口には、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。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１４は、絶縁体２１６をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体２１６に酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いた場合は、絶縁体２１４は窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムを用いるとよい。

【0196】

ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電圧を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。

【0197】

開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。または、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体と、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0198】

本実施の形態では、導電体２０５ａとなる導電膜を多層構造とする。まず、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜し、当該窒化タンタルの上に窒化チタンを積層する。このような金属窒化物を導電体２０５ｂの下層に用いることにより、後述する導電体２０５ｂとなる導電膜として銅などの拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０５ａから外に拡散するのを防ぐことができる。

【0199】

次に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体２０５ｂとなる導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。

【0200】

次に、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理を行うことで、導電体２０５ａとなる導電膜、および導電体２０５ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂが残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５を形成することができる（図２Ａ乃至図２Ｃ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。

【0201】

なお、上記においては、導電体２０５を絶縁体２１６の開口に埋め込むように形成したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体２１４上に導電体２０５を形成し、導電体２０５上に絶縁体２１６を成膜し、絶縁体２１６にＣＭＰ処理を行うことで、絶縁体２１６の一部を除去し、導電体２０５の表面を露出させればよい。

【0202】

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。

【0203】

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。

【0204】

絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0205】

続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、窒素ガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理をする場合、酸素ガスを２０％程度にすればよい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。

【0206】

また、上記加熱処理で用いるガスは、高純度化されていることが好ましい。例えば、上記加熱処理で用いるガスに含まれる水分量が１ｐｐｂ以下、好ましくは０．１ｐｐｂ以下、より好ましくは０．０５ｐｐｂ以下にすればよい。高純度化されたガスを用いて加熱処理を行うことで、絶縁体２２２などに水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

【0207】

本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２２の成膜後に、窒素ガスと酸素ガスの流量比を４ｓｌｍ：１ｓｌｍとして、４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体２２２に含まれる水、水素などの不純物を除去することなどができる。また、絶縁体２２２として、ハフニウムを含む酸化物を用いる場合、当該加熱処理によって、絶縁体２２２の結晶性を向上させることができる。また、加熱処理は、絶縁体２２４の成膜後などのタイミングで行うこともできる。

【0208】

次に、絶縁体２２２上に絶縁体２２４を成膜する。絶縁体２２４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２２４として、ＡＬＤ法によって酸化シリコンまたは酸化窒化シリコン膜を成膜する。絶縁体２２４は、水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁体２２４の水素濃度を低減することができる。絶縁体２２４は、後の工程で酸化物２３０ａと接する絶縁体２２４となるため、このように水素濃度が低減されていることが好適である。

【0209】

また、絶縁体２２４に、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体２２４に含まれる水、水素などの不純物を除去することができる。

【0210】

ここで、絶縁体２２４上に、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜した後、絶縁体２２４に達するまで、ＣＭＰ処理を行ってもよい。当該ＣＭＰ処理を行うことで絶縁体２２４表面の平坦化および平滑化を行うことができる。当該酸化アルミニウムを絶縁体２２４上に配置してＣＭＰ処理を行うことで、ＣＭＰ処理の終点検出が容易となる。また、ＣＭＰ処理によって、絶縁体２２４の一部が研磨されて、絶縁体２２４の膜厚が薄くなることがあるが、絶縁体２２４の成膜時に膜厚を調整すればよい。絶縁体２２４表面の平坦化および平滑化を行うことで、後に成膜する酸化物の被覆率の悪化を防止し、半導体装置の歩留りの低下を防ぐことができる場合がある。

【0211】

次に、絶縁体２２４上に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図２Ａ乃至図２Ｃ参照。）。

【0212】

酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0213】

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。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物ターゲットなどを用いることができる。

【0214】

本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに求める特性に合わせて形成するとよい。

【0215】

次に、酸化膜２３０Ｂ上に酸化膜２４１Ａを成膜する（図２Ａ乃至図２Ｃ参照）。酸化膜２４１Ａの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２４１Ａは、Ｉｎに対するＧａの原子数比が、酸化膜２３０ＢのＩｎに対するＧａの原子数比より大きいことが好ましい。本実施の形態では、酸化膜２４１Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。

【0216】

なお、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４１Ａは、大気環境に曝さずに減圧下で連続して成膜することが好ましい。大気環境に曝さずに成膜することで、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４１Ａ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂとの界面および界面近傍、酸化膜２３０Ｂと酸化膜２４１Ａとの界面および界面近傍を清浄に保つことができるため好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。連続成膜することで、半導体装置の作製工程時間の短縮が可能となり好ましい。

【0217】

次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４１Ａが多結晶化しない温度範囲で行えばよく、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは４００℃以上６００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、窒素ガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理をする場合、酸素ガスを２０％程度にすればよい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。

【0218】

また、上記加熱処理で用いるガスは、高純度化されていることが好ましい。例えば、上記加熱処理で用いるガスに含まれる水分量が１ｐｐｂ以下、好ましくは０．１ｐｐｂ以下、より好ましくは０．０５ｐｐｂ以下にすればよい。高純度化されたガスを用いて加熱処理を行うことで、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４１Ａなどに水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。

【0219】

本実施の形態では、加熱処理として、窒素雰囲気にて５５０℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて５５０℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４１Ａ中の水、水素などの不純物を除去することなどができる。さらに、当該加熱処理によって、酸化膜２３０Ｂの結晶性を向上させ、より密度の高い、緻密な構造にすることができる。これにより、酸化膜２３０Ｂ中における、酸素または不純物の拡散を低減することができる。

【0220】

次に、酸化膜２４１Ａ上に導電膜２４０Ａを成膜する（図２Ａ乃至図２Ｃ参照。）。導電膜２４０Ａの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、導電膜２４０Ａとして、スパッタリング法を用いて窒化タンタルを成膜すればよい。なお、導電膜２４０Ａの成膜前に、加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して導電膜２４０Ａを成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化膜２４１Ａの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４１Ａ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とする。

【0221】

次に、導電膜２４０Ａ上に絶縁膜２７１Ａを成膜する（図２Ａ乃至図２Ｃ参照。）。絶縁膜２７１Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁膜２７１Ａは、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、絶縁膜２７１Ａとして、スパッタリング法またはＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または窒化シリコンなどを成膜すればよい。

【0222】

次に、絶縁膜２７１Ａ上に導電膜２９１Ａを成膜する（図２Ａ乃至図２Ｃ参照）。導電膜２９１Ａの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。導電膜２９１Ａは、例えば、導電膜２４０Ａと同様の導電膜を用いればよい。

【0223】

本実施の形態では、導電膜２４０Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２９１Ａとして、スパッタリング法によって、導電膜２４０Ａは、窒化タンタル、絶縁膜２７１Ａは、酸化アルミニウム、導電膜２９１Ａは、窒化タンタルをそれぞれ成膜する。

【0224】

なお、導電膜２４０Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２９１Ａは、大気環境に曝さずに減圧下で連続して成膜することが好ましい。大気環境に曝すことなく成膜することで、導電膜２４０Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２９１Ａ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、導電膜２４０Ａと絶縁膜２７１Ａとの界面および界面近傍、絶縁膜２７１Ａと導電膜２９１Ａとの界面および界面近傍を清浄に保つことができるため好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。連続成膜することで、半導体装置の作製工程時間の短縮が可能となり好ましい。

【0225】

次に、リソグラフィー法を用いて、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、酸化膜２４１Ａ、導電膜２４０Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２９１Ａを島状に加工して、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４１Ｂ、導電層２４０Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２９１Ｂを形成する（図３Ａ乃至図３Ｃ参照。）。また、当該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。また、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、酸化膜２４１Ａ、導電膜２４０Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２９１Ａの加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。なお、当該工程において、絶縁体２２４の酸化物２３０ａと重ならない領域の膜厚が薄くなることがある。

【0226】

なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体、または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことで、除去することができる。

【0227】

さらに、レジストマスクの下に絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電膜２４０Ａ上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。導電膜２４０Ａなどのエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、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。導電膜２４０Ａなどのエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去してもよい。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。本実施の形態では、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２９１Ｂをハードマスクとして用いる。

【0228】

また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４１Ｂ、導電層２４０Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２９１Ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４１Ｂ、導電層２４０Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２９１Ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４１Ｂ、導電層２４０Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２９１Ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。または、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４１Ｂ、導電層２４０Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２９１Ｂの側面と、絶縁体２２２の上面とのなす角が低い角度になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４１Ｂ、導電層２４０Ｂ、絶縁層２７１Ｂ、および導電層２９１Ｂの側面と、絶縁体２２２の上面とのなす角は６０度以上７０度未満が好ましい。この様な形状とすることで、これより後の工程において、絶縁膜２８０Ａなどの被覆性が向上し、鬆などの欠陥を低減することができる。

【0229】

次に、導電層２９１Ｂを除去する。導電層２９１Ｂの除去は、ドライエッチング法を用いる（図４Ａ乃至図４Ｃ参照。）。

【0230】

次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４１Ｂ、導電層２４０Ｂ、および絶縁層２７１Ｂの上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を形成する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0231】

例えば、当該絶縁膜として、スパッタリング法を用いて酸化シリコン膜を成膜し、その上にＰＥＡＬＤ法または熱ＡＬＤ法を用いて酸化シリコン膜を成膜すればよい。また、当該絶縁膜は、水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁体２８０の水素濃度を低減することができる。なお、当該絶縁膜の成膜前に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して当該絶縁膜を成膜してもよい。このような処理を行うことによって、絶縁体２２４、被成膜物の表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４１Ｂ、および絶縁体２２４中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。当該加熱処理には、上述した加熱処理条件を用いることができる。

【0232】

次に、上記絶縁膜にＣＭＰ処理を行い、上面が平坦な絶縁体２８０を形成する（図５Ａ乃至図５Ｃ参照。）。なお、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２８０上に、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウムを絶縁体２８０に達するまで、ＣＭＰ処理を行ってもよい。

【0233】

ここで、マイクロ波処理を行ってもよい。マイクロ波処理は、酸素を含む雰囲気下、および減圧下にて行うことが好ましい。マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行ってもよい。なお、加熱処理温度は、３００℃以上、５００℃以下とすることが好ましい。

【0234】

また、マイクロ波処理を行うことにより、絶縁体２８０の膜質を改質することで、絶縁体２８０から酸化物２３０への水素、水、不純物などの拡散を抑制することができる。したがって、絶縁体２８０形成以降の後工程、または熱処理などにより、絶縁体２８０を介して、水素、水、不純物などが、酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる。なお、本実施の形態においては、絶縁体２８０上からマイクロ波処理を行う形態について例示したが、これに限定されない。例えば、マイクロ波処理の他、プラズマ処理、またはマイクロ波励起プラズマ処理などを行ってもよい。

【0235】

次に、絶縁体２８０の一部、絶縁層２７１Ｂの一部、導電層２４０Ｂの一部、酸化物層２４１Ｂの一部、酸化物２３０ｂの一部を加工して、酸化物２３０ｂに達する開口を形成する。当該開口は、導電体２０５と重なるように形成することが好ましい。当該開口の形成によって、絶縁体２７１ａ、絶縁体２７１ｂ、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、酸化物２４１ａ、および酸化物２４１ｂを形成する（図６Ａ乃至図６Ｃ参照。）。

【0236】

ここで、上記開口を形成する工程で、酸化物２３０ｂの上部が除去されていてもよい。酸化物２３０ｂの一部が除去されることで、酸化物２３０ｂに溝部が形成される。

【0237】

なお、絶縁体２８０の一部、絶縁層２７１Ｂの一部、導電層２４０Ｂの一部、酸化物層２４１Ｂの一部、および酸化物２３０ｂの一部の加工は、ドライエッチング法、またはウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。また、当該加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。例えば、絶縁体２８０の一部をドライエッチング法で加工し、絶縁層２７１Ｂの一部をウェットエッチング法で加工し、酸化物層２４１Ｂの一部、導電層２４０Ｂの一部、および酸化物２３０ｂの一部をドライエッチング法で加工してもよい。また、酸化物層２４１Ｂの一部および導電層２４０Ｂの一部の加工と、酸化物２３０ｂの一部の加工とは、異なる条件で行ってもよい。

【0238】

なお、ドライエッチング法を用いて、酸化物２３０ｂの一部を除去して、溝部を形成する際に、バイアス電力を高くして処理することが好ましい。例えば、バイアス電力の電力密度を、０．０２Ｗ／ｃｍ^２以上にすればよく、０．０３Ｗ／ｃｍ^２以上にするのが好ましく、０．０６Ｗ／ｃｍ^２以上にするのがより好ましい。また、ドライエッチング処理時間は、溝部の深さに合わせて適宜設定すればよい。

【0239】

ここで、上記開口の工程にて、開口の内部に不純物、または酸化物２３０ｂの表面に損傷領域が生じる場合がある。当該不純物、および当該損傷領域は、洗浄工程により除去することが好ましい。

【0240】

当該不純物は、例えば、絶縁体２８０、絶縁層２７１Ｂの一部、および導電層２４０Ｂに含まれる成分、上記開口を形成する際に用いられる装置に使われている部材に含まれる成分、エッチングに使用するガスまたは液体に含まれる成分などに起因したものが挙げられる。具体的には、当該不純物として、例えば、アルミニウム、シリコン、タンタル、フッ素、塩素などがある。

【0241】

特に、アルミニウム、またはシリコンなどの不純物は、後の工程で形成する酸化物２３０ｃのＣＡＡＣ－ＯＳ化を阻害する場合がある。

【0242】

金属酸化物において、アルミニウム、またはシリコンなどの不純物によりＣＡＡＣ－ＯＳ化が阻害され、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）となった領域を、非ＣＡＡＣ領域と呼ぶ場合がある。非ＣＡＡＣ領域では、結晶構造の緻密さが低下しているため、Ｖ_ＯＨが多量に形成され、トランジスタがノーマリーオン化しやすくなる。よって、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの非ＣＡＡＣ領域は、低減または除去されていることが好ましい。

【0243】

従って、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの表面に付着したアルミニウム、またはシリコンなどの、ＣＡＡＣ－ＯＳ化を阻害する不純物元素は、低減または除去されていることが好ましい。例えば、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの界面、およびその近傍における、アルミニウム原子の濃度が、５．０原子％以下とすればよく、２．０原子％以下が好ましく、１．５原子％以下がより好ましく、１．０原子％以下がさらに好ましく、０．３原子％未満がさらに好ましい。

【0244】

また、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃは、層状のＣＡＡＣ構造を有していることが好ましい。特に、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃのドレイン下端部までＣＡＡＣ構造が形成されることが好ましい。ここで、トランジスタ２００において、導電体２４０ａまたは導電体２４０ｂ、およびその近傍がドレインとして機能する。つまり、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）の下端部近傍の、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃのいずれか一方または双方が、ＣＡＡＣ構造を有することが好ましい。このように、ドレイン耐圧に顕著に影響するドレイン端部においても、酸化物２３０ｂの損傷領域が除去され、ＣＡＡＣ構造を有することで、トランジスタ２００の電気特性の変動をさらに抑制することができる。また、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。

【0245】

洗浄処理としては、洗浄液など用いたウェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄処理を適宜組み合わせて行ってもよい。なお、当該洗浄処理によって、上記溝部が深くなる場合がある。

【0246】

ウェット洗浄としては、アンモニア水、シュウ酸、リン酸、フッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液、純水、炭酸水などを用いて洗浄処理を行ってもよい。また、これらの水溶液、純水、または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。また、これらの洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。

【0247】

なお、本明細書等では、市販のフッ化水素酸を純水で希釈した水溶液を希釈フッ化水素酸と呼び、市販のアンモニア水を純水で希釈した水溶液を希釈アンモニア水と呼ぶ場合がある。また、当該水溶液の濃度、温度などは、除去したい不純物、洗浄される半導体装置の構成などによって、適宜調整すればよい。希釈アンモニア水のアンモニア濃度は０．０１％以上５％以下、好ましくは０．１％以上０．５％以下とすればよい。また、希釈フッ化水素酸のフッ化水素濃度は０．０１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下とすればよい。

【0248】

なお、超音波洗浄には、２００ｋＨｚ以上、好ましくは９００ｋＨｚ以上の周波数を用いることが好ましい。当該周波数を用いることで、酸化物２３０ｂなどへのダメージを低減することができる。

【0249】

また、上記洗浄処理を複数回行ってもよく、洗浄処理毎に洗浄液を変更してもよい。例えば、第１の洗浄処理として希釈フッ化水素酸、または希釈アンモニア水を用いた処理を行い、第２の洗浄処理として純水、または炭酸水を用いた処理を行ってもよい。

【0250】

上記洗浄処理として、本実施の形態では、希釈フッ化水素酸を用いてウェット洗浄を行い、続いて純水、または炭酸水を用いてウェット洗浄を行う。当該洗浄処理を行うことで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂなどの表面に付着または内部に拡散した不純物を除去することができる。さらに、酸化物２３０ｂ上に形成される酸化物２３０ｃの結晶性を高めることができる。

【0251】

また、上記ドライエッチングなどの加工、または上記洗浄処理によって、上記開口と重なり、かつ酸化物２３０ｂと重ならない領域の、絶縁体２２４の膜厚が、酸化物２３０ｂと重なる領域の、絶縁体２２４の膜厚より薄くなる場合がある。

【0252】

また、上記エッチング後、または上記洗浄後に加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、１００℃以上４５０℃以下、好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに酸素を供給して、酸素欠損の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、酸素雰囲気で加熱処理した後に、大気に露出せずに連続して窒素雰囲気で加熱処理を行ってもよい。

【0253】

次に、酸化膜２３０Ｃを成膜する（図７Ａ乃至図７Ｃ参照）。酸化膜２３０Ｃの成膜前に加熱処理を行ってもよく、当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して酸化膜２３０Ｃを成膜することが好ましい。また、当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気で行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化物２３０ｂの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とする。

【0254】

ここで、酸化膜２３０Ｃは、少なくとも酸化物２３０ｂに形成された溝部の内壁、酸化物２４１の側面の一部、導電体２４０の側面の一部、絶縁体２７１の側面の一部、および絶縁体２８０の側面の一部と接するように設けられることが好ましい。導電体２４０は、酸化物２４１、絶縁体２７１および酸化膜２３０Ｃに囲まれることで、以降の工程において導電体２４０の酸化による導電率の低下を抑制することができる。

【0255】

酸化膜２３０Ｃの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２３０Ｃは、酸化膜２３０Ａと同様の成膜方法を用いて、成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。

【0256】

ここで、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃが有する酸素欠損を低減し、酸化物２３０ｂを実質的に高純度真性とするために、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃに対し、酸素を添加する処理（以下、酸素イオン注入処理、または酸素ドープ処理ともいう）を行う（図８Ａ乃至図８Ｃ、および図１２Ａ参照。なお、図１２Ａは、図８Ｃの一部を拡大して示した図である。）。

【0257】

酸化膜２３０Ｃを介して、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域に、酸素添加処理を行うことで、チャネル形成領域の表面に不純物が拡散、または損傷領域が生じることを抑制することができる。特に、酸化膜２３０Ｃは、酸化物２３０ｂと同じ元素から成るため、添加処理により、酸化膜２３０Ｃの一部が、酸化物２３０ｂへと拡散しても、不純物起因の問題は生じない。

【0258】

図８Ｂ、図８Ｃ、および図１２Ａに示すように、酸素インプラ処理により、酸化膜２３０Ｃ、酸化物２３０ｂの表面、絶縁体２８０の表面、および絶縁体２２４の表面に、酸素が添加された領域２９２を形成する。特に、領域２９２は、酸化膜２３０Ｃおよび酸化物２３０ｂの界面近傍に設けることが好ましい。酸化物２３０ｂの表面に酸素が添加されることで、後の加熱処理で、効率的に酸化物２３０ｂの酸素欠損を低減することができる。

【0259】

具体的に、酸素インプラ処理として、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法などを用いることで、酸化膜２３０Ｃ、および酸化物２３０ｂに酸素を添加することができる。また、酸素を添加する処理に用いるガスとして、^１６Ｏ_２もしくは^１８Ｏ_２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガス、オゾンガスなどの酸素を含むガスが挙げられる。なお、当該酸素を添加する処理は、基板を加熱しながら行なってもよい。

【0260】

例えば、イオンドーピング処理における加速電圧は、０．５ｋＶ以上１００ｋＶ以下、好ましくは１ｋＶ以上５０ｋＶ以下、さらに好ましくは１ｋＶ以上３０ｋＶ以下、より好ましくは１ｋＶ以上１０ｋＶ以下とする。また、イオンの注入濃度は、１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上、好ましくは２×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上、さらに好ましくは５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上、より好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上、より好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上とする。

【0261】

また、イオンドーピング処理によるイオンの添加は、試料面に対して概略垂直に行ってもよい。また、イオンドーピング処理によるイオンの添加は、試料面に対して角度を有していてもよい。

【0262】

ここで、図８Ｂおよび図８Ｃにおいて、矢印２９０は、酸素イオンの進行方向を模式的に示している。矢印２９０が示すように、酸化物２３０ｂのチャネル幅方向において、１つのイオンが、酸化物２３０ｂの上面に対する接線に対し、角度θ（４５°＜θ＜１３５°）にて入射することが好ましい。また、酸化物２３０ｂのＬ長方向においては、１つのイオンが、酸化物２３０ｂの上面に対し、概略垂直にて入射することが好ましい。角度θを適宜調節することで、酸化物２３０ｂの側面、および酸化物２３０ｂの側面に成膜された酸化膜２３０Ｃにも酸素を添加することができる。

【0263】

なお、酸化膜２３０Ｃを成膜する前に、酸素を添加する処理を行ってもよい。酸化膜２３０Ｃを成膜する前に酸素を添加する場合、図１３に示すように、酸化物層２４１Ｂが、開口部内に残存していることが好ましい。なお、酸化物層２４１Ｂが、開口部底面に残存する場合、酸化物層２４１Ｂと、酸化膜２３０Ｃとは、同じ材質、かつ同じ原子数比からなることが好ましい。

【0264】

酸化物層２４１Ｂを介して、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域に、酸素添加処理を行うことで、チャネル形成領域の表面に不純物が拡散、または損傷領域が生じることを抑制することができる。特に、酸化物層２４１Ｂは、酸化物２３０ｂと同じ元素から成るため、添加処理により、酸化物層２４１Ｂの一部が、酸化物２３０ｂへと拡散しても、不純物起因の問題は生じない。

【0265】

続いて、加熱処理を行う（図９Ａ乃至図９Ｃ、図１２Ｂ、および図１２Ｃ参照。なお、図１２Ｂ、および図１２Ｃは、図９Ｃの一部を拡大して示した図である。）。

【0266】

当該加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物２３０ｂに酸素を供給して、酸素欠損の低減を図ることができる。なお、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、酸素雰囲気で加熱処理した後に、大気に露出せずに連続して窒素雰囲気で加熱処理を行ってもよい。

【0267】

具体的に、加熱処理は、１００℃以上４５０℃以下、好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行うとよい。なお、加熱処理は、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とよい。

【0268】

当該加熱処理による効果を、図１２を用いて説明する。図１２Ｂに示すように、当該加熱により、酸素インプラ処理により領域２９２へと添加された酸素は、酸化物２３０ｂの内部、絶縁体２２４の内部、絶縁体２８０の内部へと拡散する。また、同時に、図１２Ｃに示すように、拡散した酸素は、当該加熱により、酸化膜２３０Ｃおよび、酸化物２３０ｂが有する酸素欠損Ｖｏへ供給され、酸素欠損を補填することで、酸化膜２３０Ｃおよび酸化物２３０ｂの一部となる。一方、絶縁体２２４、および絶縁体２８０に拡散した酸素は、過剰酸素として、絶縁体２２４、および絶縁体２８０に留まる。

【0269】

チャネル形成領域の欠陥準位または酸素欠損を低減することで、電気特性の変動が少なく、信頼性の高いトランジスタを提供することができる。また、ノーマリーオフ特性のトランジスタを提供することができる。

【0270】

一方、金属酸化物中に、適量値を超えた過剰な酸素を有した状態で、該トランジスタを駆動した場合、過剰な酸素原子の価数が変化し、該トランジスタの電気特性が変動することで、信頼性が悪くなる場合がある。

【0271】

そこで、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域を、バリア性を有する酸化物２３０ａ、およびバリア性を有する酸化物２３０ｃで覆うことにより、絶縁体２２４が有する過剰酸素が、酸化物２３０ｂへ、過剰に供給されることを抑制することができる。

【0272】

次に絶縁膜２５０Ａを成膜する（図１０Ａ乃至図１０Ｃ参照）。絶縁膜２５０Ａの成膜前に加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理を減圧下で行った後、大気に暴露することなく、連続して絶縁膜２５０Ａを成膜することが好ましい。また、当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気で行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化膜２３０Ｃの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。

【0273】

絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。また、絶縁膜２５０Ａは、水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁膜２５０Ａの水素濃度を低減することができる。絶縁膜２５０Ａは、後の工程で酸化物２３０ｃと接する絶縁体２５０となるため、このように水素濃度が低減されていることが好適である。

【0274】

なお、絶縁体２５０を２層の積層構造とする場合、絶縁体２５０の下層となる絶縁膜および絶縁体２５０の上層となる絶縁膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、絶縁体２５０の下層となる絶縁膜、および絶縁体２５０の上層となる絶縁膜上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、絶縁体２５０の下層となる絶縁膜と絶縁体２５０の上層となる絶縁膜との界面近傍を清浄に保つことができる。

【0275】

ここで、絶縁膜２５０Ａを成膜後に、酸素を含む雰囲気下、および減圧下にて、マイクロ波処理を行ってもよい。なお、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行ってもよい。マイクロ波処理を行うことにより、絶縁膜２５０Ａなどの膜質を改質することで、水素、水、不純物等の拡散を抑制することができる。従って、導電体２６０となる導電膜の成膜などの後工程、または熱処理などの後処理により、絶縁体２５０を介して、水素、水、不純物等が、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａなどへ拡散することを抑制することができる。

【0276】

次に、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂを順に成膜する（図１０Ａ乃至図１０Ｃ参照。）。導電膜２６０Ａおよび導電膜２６０Ｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａを成膜し、大気解放せずに減圧下にて、連続してＣＶＤ法を用いて導電膜２６０Ｂを成膜する。

【0277】

次に、ＣＭＰ処理によって、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）を形成する（図１１Ａ乃至図１１Ｃ参照。）。

【0278】

上記ＣＭＰ処理により、絶縁体２８０の領域２９２を含む一部を除去してもよい。当該領域を除去することで、絶縁体２８０が有する過剰酸素の量を低減することができる。

【0279】

上記加工により、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂに達する開口および酸化物２３０ｂの溝部の内壁（側壁、および底面）を覆うように配置される。また、絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃを介して、上記開口および上記溝部の内壁を覆うように配置される。また、導電体２６０は、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０を介して、上記開口および上記溝部を埋め込むように配置される。

【0280】

次に、上記の加熱処理と同様の条件で加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。該加熱処理によって、絶縁体２５０および絶縁体２８０中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。なお、上記加熱処理後、大気に曝すことなく連続して、絶縁体２８２の成膜を行ってもよい。

【0281】

次に、酸化物２３０ｂ上、酸化物２３０ｃ上、絶縁体２５０上、導電体２６０上、および絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成する。絶縁体２８２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８２としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜することが好ましい。また、基板加熱を行いながら、絶縁体２８２を成膜することが好ましい。また、導電体２６０の上面に接して、絶縁体２８２を形成することで、この後の加熱処理において、絶縁体２８０が有する酸素が導電体２６０へ吸収されることを抑制することができるため好ましい。

【0282】

次に、絶縁体２８２上に、絶縁体２８３を形成する。絶縁体２８３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、スパッタリング法を用いて、窒化シリコンを成膜する。

【0283】

次に、絶縁体２７１、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３に、導電体２４０に達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、図１Ａで当該開口の形状は、上面視において円形状にしているが、これに限られるものではない。例えば、当該開口が、上面視において、楕円などの略円形状、四角形などの多角形状、四角形等の多角形の角部を丸めた形状になっていてもよい。

【0284】

次に、絶縁体２７６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２７６（絶縁体２７６ａ、および絶縁体２７６ｂ）を形成する。絶縁体２７６となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２７６となる絶縁膜としては、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ＡＬＤ法を用いて、酸化アルミニウムを成膜することが好ましい。または、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜することが好ましい。窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いため好ましい。

【0285】

また、絶縁体２７６となる絶縁膜の異方性エッチングとしては、例えばドライエッチング法などを用いればよい。開口の側壁部に絶縁体２７６を設けることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂ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。

【0286】

次に、導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂとなる導電膜は、水、水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体２４６となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0287】

次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８３および絶縁体２７６の上面を露出する。その結果、開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂを形成することができる。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８３の上面の一部および絶縁体２７６の上面の一部が除去される場合がある。

【0288】

次に、導電体２４８となる導電膜を成膜する。導電体２４８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。

【0289】

次に、導電体２４８となる導電膜をリソグラフィー法によって加工し、導電体２４６ａの上面と接する導電体２４８ａ、および導電体２４６ｂの上面と接する導電体２４８ｂを形成する。この時、図示しないが、導電体２４８ａおよび導電体２４８ｂと、絶縁体２８３とが重ならない領域の絶縁体２８３の一部が除去されることがある。

【0290】

次に、導電体２４８上、および絶縁体２８３上に、絶縁体２８６を成膜する（図１Ａ乃至図１Ｃ参照。）。絶縁体２８６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。また、絶縁体２８６は、多層としてもよい。例えば、スパッタリング法を用いて、窒化シリコンを成膜し、当該窒化シリコン上に、ＣＶＤ法を用いて窒化シリコンを成膜してもよい。

【0291】

以上により、図１Ａ乃至図１Ｃ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。

【0292】

＜半導体装置の変形例１＞
以下では、図１５Ａ乃至図１５Ｃを用いて、本発明の一態様である半導体装置の一例について説明する。

【0293】

図１５Ａは半導体装置の上面図を示す。また、図１５Ｂは、図１５Ａに示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、図１５Ｃは、図１５ＡにＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。図１５Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

【0294】

なお、図１５Ａ乃至図１５Ｃに示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例１＞に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目においても、半導体装置の構成材料については＜半導体装置の構成例１＞で詳細に説明した材料を用いることができる。

【0295】

図１５Ａ乃至図１５Ｃに示す半導体装置は、図１Ａ乃至図１Ｃに示した半導体装置の変形例である。図１５Ａ乃至図１５Ｃに示す半導体装置は、図１Ａ乃至図１Ｃに示した半導体装置とは、絶縁体２１４、絶縁体２８２、絶縁体２８３の形状が異なる。また、絶縁体２８４を有することが異なる。

【0296】

図１５Ａ乃至図１５Ｃに示す半導体装置では、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２８０、および絶縁体２８２がパターニングされている。また、絶縁体２８３は、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２８０、および絶縁体２８２を覆う構造になっている。つまり、絶縁体２８３は、絶縁体２８２の上面および側面と、絶縁体２１２の上面に接する。これにより、酸化物２３０などを含む、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２８０、および絶縁体２８２は、絶縁体２８３と、絶縁体２１２とによって、外部から隔離される。別言すると、トランジスタ２００は、絶縁体２８３と絶縁体２１２とで封止された領域内に配置される。

【0297】

例えば、絶縁体２１４、および絶縁体２８２を、水素を捕獲および水素を固着する機能を有する材料を用いて形成し、絶縁体２１２、および絶縁体２８３を水素および酸素に対する拡散を抑制する機能を有する材料を用いて形成すると好ましい。代表的には、絶縁体２１４、および絶縁体２８２としては、酸化アルミニウムを用いることができる。また、代表的には、絶縁体２１２、および絶縁体２８３としては、窒化シリコンを用いることができる。

【0298】

上記構成にすることで、上記封止された領域外に含まれる水素が、上記封止された領域内に混入することを抑制することができる。

【0299】

また、図１５Ａ乃至図１５Ｃに示すトランジスタ２００では、絶縁体２１２、および絶縁体２８３を、単層として設ける構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２８３のそれぞれを２層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。

【0300】

絶縁体２８４は、層間膜として機能する。絶縁体２８４は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。絶縁体２８４は、例えば、絶縁体２８０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0301】

＜半導体装置の応用例１＞
以下では、図１６Ａおよび図１６Ｂを用いて、先の＜半導体装置の構成例１＞および先の＜半導体装置の変形例１＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。なお、図１６Ａおよび図１６Ｂに示す半導体装置において、＜半導体装置の変形例１＞に示した半導体装置（図１Ａ乃至図１Ｃ参照。）を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目において、トランジスタ２００の構成材料については＜半導体装置の構成例１＞および＜半導体装置の変形例１＞で詳細に説明した材料を用いることができる。

【0302】

図１６Ａおよび図１６Ｂに、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを、絶縁体２８３と絶縁体２１２で、包括して封止した構成について示す。なお、図１６Ａおよび図１６Ｂにおいて、トランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎは、チャネル長方向に並んでいるように見えるが、これにかぎられるものではない。トランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎは、チャネル幅方向に並んでいてもよいし、マトリクス状に配置されていてもよい。また、設計に応じて、規則性を持たずに配置されていてもよい。

【0303】

図１６Ａに示すように、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎの外側において、絶縁体２８３と絶縁体２１２が接する部分（以下、封止部２６５と呼ぶ場合がある。）が形成されている。封止部２６５は、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを囲むように形成されている。このような構造にすることで、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを絶縁体２８３と絶縁体２１２で包み込むことができる。よって封止部２６５に囲まれたトランジスタ群が、基板上に複数設けられることになる。

【0304】

また、封止部２６５に重ねてダイシングライン（スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある）を設けてもよい。上記基板はダイシングラインにおいて分断されるため、封止部２６５に囲まれたトランジスタ群が１チップとして取り出されることになる。

【0305】

また、図１６Ａでは、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを一つの封止部２６５で囲む例について示したが、これに限られるものではない。図１６Ｂに示すように、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを複数の封止部で囲む構成にしてもよい。図１６Ｂでは、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを封止部２６５ａで囲み、さらに外側の封止部２６５ｂでも囲む構成にしている。

【0306】

このように、複数の封止部で複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを囲む構成にすることで、絶縁体２８３と絶縁体２１２が接する部分が増えるため、絶縁体２８３と絶縁体２１２の密着性をより向上させることができる。これにより、より確実に複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを封止することができる。

【0307】

この場合、封止部２６５ａまたは封止部２６５ｂに重ねてダイシングラインを設けてもよいし、封止部２６５ａと封止部２６５ｂの間にダイシングラインを設けてもよい。

【0308】

本発明の一態様により、トランジスタ特性のばらつきが少ない半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、オン電流が大きい半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、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、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置を提供することができる。

【0309】

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態または実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

【0310】

（実施の形態２）
本実施の形態では、図１７乃至図２６を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例、およびその作製方法について説明する。

【0311】

なお、先の実施の形態で示した半導体装置と同様の機能を有する構造体には同符号を付与している。従って、同符号を付した構造体については、先の実施の形態を参酌することができる。

【0312】

＜半導体装置の構成例２＞
図１７を用いて、トランジスタ２００を有する半導体装置の構成を説明する。図１７Ａ乃至図１７Ｃは、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図および断面図である。図１７Ａは、当該半導体装置の上面図である。また、図１７Ｂ乃至図１７Ｃは、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１７Ｂは、図１７Ａ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１７Ｃは、図１７ＡにＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図１７Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

【0313】

本発明の一態様の半導体装置は、基板（図示せず）上の絶縁体２１２と、絶縁体２１２上の絶縁体２１４と、絶縁体２１４上のトランジスタ２００と、トランジスタ２００上の絶縁体２７４と、絶縁体２７４上の絶縁体２８０と、絶縁体２８０上の絶縁体２８２と、絶縁体２８２上の絶縁体２８３と、を有する。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３は層間膜として機能する。

【0314】

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２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）を有する。なお、プラグとして機能する導電体２４６の側面に接して絶縁体２７６（絶縁体２７６ａ、および絶縁体２７６ｂ）が設けられる。また、絶縁体２８３上、および導電体２４６上には、導電体２４６と電気的に接続し、配線として機能する導電体２４８（導電体２４８ａ、および導電体２４８ｂ）が設けられる。また、導電体２４８上、および絶縁体２８４上には、絶縁体２８６が設けられる。

【0315】

具体的には、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の開口の内壁に接して絶縁体２７６ａが設けられ、絶縁体２７６ａの側面に接して導電体２４６ａの第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４６ａの第２の導電体が設けられている。また、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の開口の内壁に接して絶縁体２７６ｂが設けられ、絶縁体２７６ｂの側面に接して導電体２４６ｂの第１の導電体が設けられ、さらに、内側に導電体２４６ｂの第２の導電体が設けられている。

【0316】

ここで、図１７Ｂに示すように導電体２４６の上面の高さと、導電体２４８と重なる領域の、絶縁体２８３の上面の高さと、は同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２４６の第１の導電体および導電体２４６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２４６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。

【0317】

［トランジスタ２００］
図１７Ａ乃至図１７Ｃに示すように、トランジスタ２００は、絶縁体２１４上の絶縁体２１６と、絶縁体２１４または絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５（導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂ）と、絶縁体２１６上、および導電体２０５上の絶縁体２２２と、絶縁体２２２上の絶縁体２２４と、絶縁体２２４上の酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の、酸化物２４１（酸化物２４１ａ、および酸化物２４１ｂ）および酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｃ上の酸化物２３０ｄと、酸化物２４１ａ上の導電体２４０ａと、導電体２４０ａ上の絶縁体２７１ａと、酸化物２４１ｂ上の導電体２４０ｂと、導電体２４０ｂ上の絶縁体２７１ｂと、酸化物２３０ｄ上の絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に位置し、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄの一部と重なる導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、を有する。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２４１ａの側面、酸化物２４１ｂの側面、導電体２４０ａの側面、および導電体２４０ｂの側面、絶縁体２７１ａの側面、および絶縁体２７１ｂの側面とそれぞれ接する。

【0318】

ここで、図１７Ｂおよび図１７Ｃに示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０の上面、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄの上面と略一致して配置される。また、絶縁体２８２は、導電体２６０、絶縁体２５０、酸化物２３０ｃ、酸化物２３０ｄ、および絶縁体２８０のそれぞれの上面と接する。

【0319】

なお、以下において、絶縁体２７１ａと絶縁体２７１ｂをまとめて絶縁体２７１と呼ぶ場合がある。

【0320】

絶縁体２８０には、酸化物２３０ｂに達する開口が設けられる。当該開口内に、酸化物２３０ｃ、酸化物２３０ｄ、絶縁体２５０、および導電体２６０が配置されている。また、トランジスタ２００のチャネル長方向において、導電体２４０ａおよび酸化物２４１ａと、導電体２４０ｂおよび酸化物２４１ｂと、の間に導電体２６０、絶縁体２５０、酸化物２３０ｄ、および酸化物２３０ｃが設けられている。絶縁体２５０は、導電体２６０の側面と接する領域と、導電体２６０の底面と接する領域と、を有する。酸化物２３０ｄ、は酸化物２３０ｃと絶縁体２５０との間に、設けられている。また、酸化物２３０ｂと重なる領域において、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂと接する領域と、酸化物２３０ｄ、および絶縁体２５０を介して導電体２６０の側面と重なる領域と、絶縁体２５０を介して導電体２６０の底面と重なる領域と、を有する。

【0321】

酸化物２３０は、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａの上に配置された酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂの上に配置され、少なくとも一部が酸化物２３０ｂに接する酸化物２３０ｃ、酸化物２３０ｃ上に配置された酸化物２３０ｄと、を有することが好ましい。

【0322】

なお、トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｄ）に、半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。

【0323】

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が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。一方、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動し、ノーマリーオン特性（ゲート電極に電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れる特性）となりやすい。

【0324】

従って、トランジスタのチャネル形成領域に用いる酸化物半導体は、不純物および酸素欠損が低減された高純度真性な酸化物半導体を用いることが好ましい。なお、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。

【0325】

しかしながら、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、トランジスタを構成する導電体、またはトランジスタと接続するプラグや配線に用いられる導電体に、酸化物半導体の酸素が徐々に吸収され、継時的変化の一つとして、酸素欠損を生じる場合がある。

【0326】

そこで、酸化物２３０ｂを実質的に高純度真性とすることが好ましい。酸化物２３０ｂを高純度真性とするために、酸化物２３０ｂに対し、酸素を添加する処理（以下、酸素インプラ処理、または酸素ドープ処理ともいう）を行うとよい。具体的に、酸素インプラ処理として、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法などを用いることができる。

【0327】

一方、イオン注入法などを用いて酸素を添加する処理を行う際に、酸化物２３０ｂの表面に、物理的な損傷が生じる場合がある。そのため、酸化膜２３０Ｃを介して、酸化物２３０ｂに、酸素を添加する処理を行うことが好ましい。従って、酸化膜２３０Ｃは、酸化物２３０ｂと同じ材料を用いるとよい。

【0328】

酸化物２３０ｃを介して、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域に、酸素添加処理を行うことで、チャネル形成領域の表面に不純物が拡散、または損傷領域が生じることを抑制することができる。また、酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｃとに、同じ材料を用いるため、添加処理により、酸化膜２３０Ｃの一部が、酸化物２３０ｂへと拡散しても、不純物起因の問題は生じない。

【0329】

また、酸化物２３０ｂを実質的に高純度真性とした後、酸化物２３０ｂのチャネルが形成される領域を、酸化物２３０ｂよりも、酸素の拡散を抑制する酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｄにより、覆うことが好ましい。

【0330】

具体的には、図に示すように、酸化物２３０ｂの下に、酸化物２３０ａを配置することで、酸化物２３０ｂから、酸素が引き抜かれることを抑制することができる。また、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物からの、酸化物２３０ｂに対する酸素および不純物の拡散を抑制することができる。

【0331】

また、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの上に、酸化物２３０ｄを配置することで、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃから、酸素が引き抜かれることを抑制することができる。また、酸化物２３０ｄよりも上方に形成された構造物からの、酸化物２３０ｂに対する不純物の拡散を抑制することができる。

【0332】

なお、半導体として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

【0333】

酸化物２３０として、例えば、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。また、酸化物２３０として、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、インジウム酸化物を用いてもよい。

【0334】

ここで、酸化物２３０は、化学組成が異なる複数の酸化物層により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物は、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａ、または酸化物２３０ｄに用いる金属酸化物の元素Ｍに対するＩｎの原子数比よりも、大きいことが好ましい。

【0335】

つまり、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｄに用いる金属酸化物において、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｄに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。

【0336】

酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｄが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｄのそれぞれの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂ、またはその近傍、例えば、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面になる。酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。

【0337】

例えば、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃとして、具体的には、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１０：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物、インジウム酸化物などを用いるとよい。

【0338】

また、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃは、結晶性を有することが好ましい。特に、酸化物２３０ｂには、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることが好ましい。

【0339】

また、本発明の一態様において、例えば、絶縁体２１２、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２７４、および絶縁体２８６として、窒化シリコンなどを用い、絶縁体２１４、および絶縁体２７１として、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、水、水素などの不純物が絶縁体２１２、および絶縁体２１４を介して、基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が絶縁体２１２、および絶縁体２１４を介して基板側に、拡散するのを抑制することができる。また、水、水素などの不純物が、絶縁体２８０、導電体２４８などから酸化物２３０に拡散するのを抑制することができる。この様に、トランジスタ２００を、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で取り囲む構造とすることが好ましい。

【0340】

例えば、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２４１、導電体２４０、絶縁体２７１の側面を覆って、絶縁体２７４を設ける。絶縁体２７４は、絶縁体２８０よりも、少なくとも酸素に対するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。つまり、当該絶縁体は、酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２７４は、絶縁体２８０よりも酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。

【0341】

また、絶縁体２７４は、酸素を含まない雰囲気、特に不活性雰囲気下で成膜することが好ましい。酸素を含む雰囲気で成膜する場合、被成膜面に酸素が添加される場合がある。絶縁体２２４に酸素が添加された場合、当該酸素は酸化物２３０ｃを介して、チャネル形成領域へと拡散する蓋然性が高い。過剰な酸素がチャネル形成領域へと拡散した場合、トランジスタの電気特性の劣化の一因となる場合がある。従って、絶縁体２７４としては、例えば、窒化シリコンなどの窒化物などを成膜するとよい。

【0342】

特に、絶縁体２７４は、スパッタリング法によって、成膜することが好ましい。スパッタリング法は、水素雰囲気を含まないため、不純物となる水素の混入を抑制することができる。

【0343】

絶縁体２７１、および絶縁体２７４を設けることで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２４１、および導電体２４０を、絶縁体２８０から離隔することができる。よって、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２４１、および導電体２４０に、絶縁体２８０から酸素が直接拡散するのを抑制することができる。従って、酸化物２３０のソース領域およびドレイン領域に過剰な酸素が供給されて、ソース領域およびドレイン領域のキャリア密度が低減するのを防ぐことができる。また、導電体２４０が過剰に酸化されて抵抗率が増大し、オン電流が低減するのを抑制することができる。

【0344】

また、導電体２４６を積層構造とする場合、絶縁体２８４、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２７１と接する導電体には、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水、水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。また、絶縁体２８４より上層に含まれる水、水素などの不純物が、導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂ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。

【0345】

特に、絶縁体２８２は、絶縁体２７４と同様に、酸素を含まない雰囲気、および不活性雰囲気下で成膜することが好ましい。酸素を含む雰囲気で成膜する場合、被成膜面に酸素が添加される場合がある。絶縁体２８０に酸素が添加された場合、当該酸素は酸化物２３０ｃを介して、チャネル形成領域へと拡散する蓋然性が高い。過剰な酸素がチャネル形成領域へと拡散した場合、トランジスタの電気特性の劣化の一因となる場合がある。従って、絶縁体２８２としては、例えば、窒化シリコンなどの窒化物などを成膜するとよい。

【0346】

なお、絶縁体２８２に、酸化アルミニウムなどのバリア性が高い酸化膜を用いたい場合、被成膜面に酸素が注入されない条件で成膜するとよい。

【0347】

また、絶縁体２８２は、スパッタリング法によって、成膜することが好ましい。スパッタリング法は、水素雰囲気を含まないため、不純物となる水素の混入を抑制することができる。

【0348】

＜半導体装置の作製方法＞
次に、図１７Ａ乃至図１７Ｃに示す、本発明の一態様である半導体装置の作製方法を、図１８Ａ乃至図２５Ａ、図１８Ｂ乃至図２５Ｂ、図１８Ｃ乃至図２５Ｃ、および図２６Ａ乃至図２６Ｃを用いて説明する。

【0349】

図１８Ａ乃至図２５Ａは上面図を示す。また、図１８Ｂ乃至図２５Ｂは、図１８Ａ乃至図２５Ａに示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１８Ｃ乃至図２５Ｃは、図１８Ａ乃至図２５ＡにＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図１８Ａ乃至図２５Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

【0350】

まず、本実施の形態において、先の実施の形態の図２乃至図４を用いて説明した作成方法を参酌することができる。

【0351】

次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物層２４１Ｂ、導電層２４０Ｂ、および絶縁層２７１Ｂの上に、絶縁体２７４を成膜する。

【0352】

絶縁体２７４は、少なくとも酸素を含まない雰囲気下で成膜する。例えば、希ガス、窒素などの不活性雰囲気下で、成膜することが好ましい。具体的に、絶縁体２７４としては、窒化シリコンなどの窒化物などを成膜するとよい。

【0353】

酸素を含む雰囲気で成膜する場合、被成膜面に酸素が添加される場合がある。絶縁体２２４に酸素が添加された場合、当該酸素は酸化物２３０ｃを介して、チャネル形成領域へと拡散する蓋然性が高い。過剰な酸素がチャネル形成領域へと拡散した場合、トランジスタの電気特性の劣化の一因となる場合がある。

【0354】

続いて、絶縁体２７４上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を形成する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0355】

次に、上記絶縁膜にＣＭＰ処理を行い、上面が平坦な絶縁体２８０を形成する（図１８Ａ乃至図１８Ｃ参照。）。なお、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２８０上に、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜し、該酸化アルミニウムを絶縁体２８０に達するまで、ＣＭＰ処理を行ってもよい。

【0356】

ここで、マイクロ波処理を行ってもよい。マイクロ波処理は、酸素を含む雰囲気下、および減圧下にて行うことが好ましい。マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行ってもよい。なお、加熱処理温度は、３００℃以上、５００℃以下とすることが好ましい。

【0357】

また、マイクロ波処理を行うことにより、絶縁体２８０の膜質を改質することで、水素、水、不純物などの拡散を抑制することができる。したがって、絶縁体２８０形成以降の後工程、または熱処理などにより、絶縁体２８０を介して、水素、水、不純物などが、酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる。なお、本実施の形態においては、絶縁体２８０上からマイクロ波処理を行う形態について例示したが、これに限定されない。例えば、マイクロ波処理の他、プラズマ処理、またはマイクロ波励起プラズマ処理などを行ってもよい。

【0358】

次に、絶縁体２８０の一部、絶縁体２７４の一部、絶縁層２７１Ｂの一部、導電層２４０Ｂの一部、酸化物層２４１Ｂの一部、酸化物２３０ｂの一部を加工して、酸化物２３０ｂに達する開口を形成する。当該開口は、導電体２０５と重なるように形成することが好ましい。当該開口の形成によって、絶縁体２７１ａ、絶縁体２７１ｂ、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、酸化物２４１ａ、および酸化物２４１ｂを形成する（図１９Ａ乃至図１９Ｃ参照。）。

【0359】

ここで、上記開口を形成する工程で、酸化物２３０ｂの上部が除去されていてもよい。酸化物２３０ｂの一部が除去されることで、酸化物２３０ｂに溝部が形成される。

【0360】

なお、絶縁体２８０の一部、絶縁体２７４の一部、絶縁層２７１Ｂの一部、導電層２４０Ｂの一部、酸化物層２４１Ｂの一部、および酸化物２３０ｂの一部の加工は、ドライエッチング法、またはウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。また、当該加工は、それぞれ異なる条件で加工してもよい。例えば、絶縁体２８０の一部、および絶縁体２７４の一部をドライエッチング法で加工し、絶縁層２７１Ｂの一部をウェットエッチング法で加工し、酸化物層２４１Ｂの一部、導電層２４０Ｂの一部、および酸化物２３０ｂの一部をドライエッチング法で加工してもよい。また、酸化物層２４１Ｂの一部および導電層２４０Ｂの一部の加工と、酸化物２３０ｂの一部の加工とは、異なる条件で行ってもよい。

【0361】

なお、ドライエッチング法を用いて、酸化物２３０ｂの一部を除去して、溝部を形成する際に、バイアス電力を強くして処理することが好ましい。例えば、バイアス電力の電力密度を、０．０２Ｗ／ｃｍ^２以上にすればよく、０．０３Ｗ／ｃｍ^２以上にするのが好ましく、０．０６Ｗ／ｃｍ^２以上にするのがより好ましい。また、ドライエッチング処理時間は、溝部の深さに合わせて適宜設定すればよい。

【0362】

ここで、上記開口の工程にて、開口の内部に不純物、または酸化物２３０ｂの表面に損傷領域が生じる場合がある。当該不純物、および当該損傷領域は、洗浄工程により除去することが好ましい。

【0363】

次に、酸化膜２３０Ｃを成膜する（図２０Ａ乃至図２０Ｃ参照）。酸化膜２３０Ｃの成膜前に加熱処理を行ってもよく、当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して酸化膜２３０Ｃを成膜することが好ましい。また、当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気で行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化物２３０ｂの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とする。

【0364】

ここで、酸化膜２３０Ｃは、少なくとも酸化物２３０ｂに形成された溝部の内壁、酸化物２４１の側面の一部、導電体２４０の側面の一部、絶縁体２７１の側面の一部、および絶縁体２８０の側面の一部と接するように設けられることが好ましい。導電体２４０は、酸化物２４１、絶縁体２７１および酸化膜２３０Ｃに囲まれることで、以降の工程において導電体２４０の酸化による導電率の低下を抑制することができる。

【0365】

酸化膜２３０Ｃの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化膜２３０Ｃは、酸化膜２３０Ａと同様の成膜方法を用いて、成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。

【0366】

ここで、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃが有する酸素欠損を低減し、酸化物２３０ｂを実質的に高純度真性とするために、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃに対し、酸素を添加する処理（以下、酸素インプラ処理、または酸素ドープ処理ともいう）を行う（図２１Ａ乃至図２１Ｃ、および図２６Ａ参照。なお、図２６Ａは、図２１Ｃの一部を拡大して示した図である。）。

【0367】

酸化膜２３０Ｃを介して、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域に、酸素添加処理を行うことで、チャネル形成領域の表面に不純物が拡散、または損傷領域が生じることを抑制することができる。特に、酸化膜２３０Ｃは、酸化物２３０ｂと同じ材料を用いているため、添加処理により、酸化膜２３０Ｃの一部が、酸化物２３０ｂへと拡散しても、不純物起因の問題は生じない。

【0368】

図２１Ｂ、図２１Ｃ、および図２６Ａに示すように、酸素インプラ処理により、酸化膜２３０Ｃ、酸化物２３０ｂの表面、絶縁体２８０の表面、および絶縁体２２４の表面に、酸素が添加された領域２９２を形成する。特に、領域２９２は、酸化膜２３０Ｃおよび酸化物２３０ｂの界面近傍に設けることが好ましい。酸化物２３０ｂの表面に酸素が添加されることで、後の加熱処理で、効率的に酸化物２３０ｂの酸素欠損を低減することができる。

【0369】

具体的に、酸素インプラ処理として、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオン注入法などを用いることで、酸化膜２３０Ｃ、および酸化物２３０ｂに酸素を添加することができる。また、酸素を添加する処理に用いるガスとして、^１６Ｏ_２もしくは^１８Ｏ_２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガス、オゾンガスなどの酸素を含むガスが挙げられる。なお、当該酸素を添加する処理は、基板を加熱しながら行なってもよい。

【0370】

例えば、イオンドーピング処理における加速電圧は、０．５ｋＶ以上１００ｋＶ以下、好ましくは１ｋＶ以上５０ｋＶ以下、さらに好ましくは１ｋＶ以上３０ｋＶ以下、より好ましくは１ｋＶ以上１０ｋＶ以下とする。また、イオンの注入濃度は、１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上、好ましくは２×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上、さらに好ましくは５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上、より好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上、より好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上とする。

【0371】

また、イオンドーピング処理によるイオンの添加は、試料面に対して概略垂直に行ってもよい。また、イオンドーピング処理によるイオンの添加は、試料面に対して角度を有していてもよい。

【0372】

ここで、図２１Ｂおよび図２１Ｃにおいて、矢印２９０は、酸素イオンの進行方向を模式的に示している。矢印２９０が示すように、酸化物２３０ｂのチャネル幅方向において、１つのイオンが、酸化物２３０ｂの上面に対する接線に対し、角度θ（４５°＜θ＜１３５°）にて入射することが好ましい。また、酸化物２３０ｂのＬ長方向においては、１つのイオンが、酸化物２３０ｂの上面に対し、概略垂直にて入射することが好ましい。角度θを適宜調節することで、酸化物２３０ｂの側面、および酸化物２３０ｂの側面に成膜された酸化膜２３０Ｃにも酸素を添加することができる。

【0373】

次に、酸化膜２３０Ｃ上に、酸化膜２３０Ｄを成膜する（図２２Ａ乃至図２２Ｃ参照）。酸化膜２３０Ｄは、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃよりも、酸素、および不純物に対するバリア性を有することが好ましい。

【0374】

酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃの上に、酸化膜２３０Ｄを配置することで、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｃから、酸素が引き抜かれることを抑制することができる。また、酸化膜２３０Ｄよりも上方に形成された構造物からの、酸化物２３０ｂに対する不純物の拡散を抑制することができる。

【0375】

続いて、加熱処理を行う（図２３Ａ乃至図２３Ｃ、図２６Ｂ、および図２６Ｃ参照。なお、図２６Ｂ、および図２６Ｃは、図２３Ｃの一部を拡大して示した図である。）。

【0376】

当該加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物２３０ｂに酸素を供給して、酸素欠損の低減を図ることができる。なお、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、酸素雰囲気で加熱処理した後に、大気に露出せずに連続して窒素雰囲気で加熱処理を行ってもよい。

【0377】

具体的に、加熱処理は、１００℃以上４５０℃以下、好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行うとよい。なお、加熱処理は、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とよい。

【0378】

当該加熱処理による効果を、図２６を用いて説明する。図２６Ｂに示すように、当該加熱により、酸素インプラ処理により領域２９２へと添加された酸素は、酸化物２３０ｂの内部、絶縁体２２４の内部、絶縁体２８０の内部へと拡散する。また、同時に、図２６Ｃに示すように、拡散した酸素は、当該加熱により、酸化膜２３０Ｃおよび、酸化物２３０ｂが有する酸素欠損Ｖｏへ供給され、酸素欠損を補填することで、酸化膜２３０Ｃおよび酸化物２３０ｂの一部となる。一方、絶縁体２２４、および絶縁体２８０に拡散した酸素は、過剰酸素として、絶縁体２２４、および絶縁体２８０に留まる。

【0379】

チャネル形成領域の欠陥準位または酸素欠損を低減することで、電気特性の変動が少なく、信頼性の高いトランジスタを提供することができる。また、トランジスタはノーマリーオフ特性のトランジスタを提供することができる。

【0380】

一方、金属酸化物中に、適量値を超えた過剰な酸素を有した状態で、該トランジスタを駆動した場合、過剰な酸素原子の価数が変化し、該トランジスタの電気特性が変動することで、信頼性が悪くなる場合がある。

【0381】

そこで、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域を、バリア性を有する酸化物２３０ａ、およびバリア性を有する酸化物２３０ｄで覆うことにより、絶縁体２２４が有する過剰酸素が、酸化物２３０ｂへ、過剰に供給されることを抑制することができる。

【0382】

次に絶縁膜２５０Ａを成膜する（図２４Ａ乃至図２４Ｃ参照）。絶縁膜２５０Ａの成膜前に加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理を減圧下で行った後、大気に暴露することなく、連続して絶縁膜２５０Ａを成膜することが好ましい。また、当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気で行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化膜２３０Ｄの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化膜２３０Ｄ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。

【0383】

次に、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂを順に成膜する（図２４Ａ乃至図２４Ｃ参照。）。導電膜２６０Ａおよび導電膜２６０Ｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａを成膜し、大気解放せずに減圧下にて、連続してＣＶＤ法を用いて導電膜２６０Ｂを成膜する。

【0384】

次に、ＣＭＰ処理によって、酸化膜２３０Ｃ、酸化膜２３０Ｄ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、酸化物２３０ｃ、酸化物２３０ｄ、絶縁体２５０、および導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）を形成する（図２５Ａ乃至図２５Ｃ参照。）。

【0385】

上記ＣＭＰ処理により、絶縁体２８０の領域２９２を含む一部を除去してもよい。当該領域を除去することで、絶縁体２８０が有する過剰酸素の量を低減することができる。

【0386】

上記加工により、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂに達する開口および酸化物２３０ｂの溝部の内壁（側壁、および底面）を覆うように配置される。また、絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃを介して、上記開口および上記溝部の内壁を覆うように配置される。また、導電体２６０は、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０を介して、上記開口および上記溝部を埋め込むように配置される。

【0387】

次に、上記の加熱処理と同様の条件で加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。該加熱処理によって、絶縁体２５０および絶縁体２８０中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。なお、上記加熱処理後、大気に曝すことなく連続して、絶縁体２８２の成膜を行ってもよい。

【0388】

次に、酸化物２３０ｄ上、酸化物２３０ｃ上、絶縁体２５０上、導電体２６０上、および絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成する。絶縁体２８２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

【0389】

絶縁体２８２は、少なくとも酸素を含まない雰囲気下で成膜する。例えば、希ガス、窒素などの不活性雰囲気下で、成膜することが好ましい。具体的に、絶縁体２８２としては、窒化シリコンなどの窒化物などを成膜するとよい。

【0390】

酸素を含む雰囲気で成膜する場合、被成膜面に酸素が添加される場合がある。絶縁体２８０に酸素が添加された場合、当該酸素は酸化物２３０ｃを介して、チャネル形成領域へと拡散する蓋然性が高い。過剰な酸素がチャネル形成領域へと拡散した場合、トランジスタの電気特性の劣化の一因となる場合がある。

【0391】

次に、絶縁体２８２上に、絶縁体２８３を形成する。

【0392】

次に、絶縁体２７１、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３に、導電体２４０に達する開口を形成する。

【0393】

次に、絶縁体２７６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２７６（絶縁体２７６ａ、および絶縁体２７６ｂ）を形成する。

【0394】

次に、導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂとなる導電膜は、水、水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。

【0395】

次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８３および絶縁体２７６の上面を露出する。その結果、開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂを形成することができる。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８３の上面の一部および絶縁体２７６の上面の一部が除去される場合がある。

【0396】

次に、導電体２４８となる導電膜を成膜する。

【0397】

次に、導電体２４８となる導電膜をリソグラフィー法によって加工し、導電体２４６ａの上面と接する導電体２４８ａ、および導電体２４６ｂの上面と接する導電体２４８ｂを形成する。

【0398】

次に、導電体２４８上、および絶縁体２８３上に、絶縁体２８６を成膜する（図１７Ａ乃至図１７Ｃ参照。）。

【0399】

以上により、図１７Ａ乃至図１７Ｃ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。

【0400】

＜半導体装置の変形例２＞
以下では、図２７Ａ乃至図２７Ｃを用いて、本発明の一態様である半導体装置の一例について説明する。

【0401】

図２７Ａは半導体装置の上面図を示す。また、図２７Ｂは、図２７Ａに示すＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、図２７Ｃは、図２７ＡにＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。図２７Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。

【0402】

なお、図２７Ａ乃至図２７Ｃに示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例２＞に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目においても、半導体装置の構成材料については＜半導体装置の構成例２＞で詳細に説明した材料を用いることができる。

【0403】

図２７Ａ乃至図２７Ｃに示す半導体装置は、図１７Ａ乃至図１７Ｃに示した半導体装置の変形例である。図２７Ａ乃至図２７Ｃに示す半導体装置は、図１７Ａ乃至図１７Ｃに示した半導体装置とは、絶縁体２１４、絶縁体２８２、絶縁体２８３の形状が異なる。また、絶縁体２８４を有することが異なる。

【0404】

図２７Ａ乃至図２７Ｃに示す半導体装置では、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２８０、および絶縁体２８２がパターニングされている。また、絶縁体２８３は、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２８０、および絶縁体２８２を覆う構造になっている。つまり、絶縁体２８３は、絶縁体２８２の上面および側面と、絶縁体２１２の上面に接する。これにより、酸化物２３０などを含む、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２８０、および絶縁体２８２は、絶縁体２８３と、絶縁体２１２とによって、外部から隔離される。別言すると、トランジスタ２００は、絶縁体２８３と絶縁体２１２とで封止された領域内に配置される。

【0405】

例えば、絶縁体２１４を、水素を捕獲および水素を固着する機能を有する材料を用いて形成し、絶縁体２１２、絶縁体２８２、および絶縁体２８３を水素および酸素に対する拡散を抑制する機能を有する材料を用いて形成すると好ましい。代表的には、絶縁体２１４としては、酸化アルミニウムを用いることができる。また、代表的には、絶縁体２１２、絶縁体２８２、および絶縁体２８３としては、窒化シリコンを用いることができる。

【0406】

上記構成にすることで、上記封止された領域外に含まれる水素が、上記封止された領域内に混入することを抑制することができる。

【0407】

また、図２７Ａ乃至図２７Ｃに示すトランジスタ２００では、絶縁体２１２、および絶縁体２８３を、単層として設ける構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２８３のそれぞれを２層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。

【0408】

絶縁体２８４は、層間膜として機能する。絶縁体２８４は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。絶縁体２８４は、例えば、絶縁体２８０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0409】

＜半導体装置の応用例２＞
以下では、図２８Ａおよび図２８Ｂを用いて、先の＜半導体装置の構成例２＞および先の＜半導体装置の変形例２＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。なお、図２８Ａおよび図２８Ｂに示す半導体装置において、＜半導体装置の変形例２＞に示した半導体装置（図１７Ａ乃至図１７Ｃ参照。）を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目において、トランジスタ２００の構成材料については＜半導体装置の構成例２＞および＜半導体装置の変形例２＞で詳細に説明した材料を用いることができる。

【0410】

図２８Ａおよび図２８Ｂに、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを、絶縁体２８３と絶縁体２１２で、包括して封止した構成について示す。なお、図２８Ａおよび図２８Ｂにおいて、トランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎは、チャネル長方向に並んでいるように見えるが、これにかぎられるものではない。トランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎは、チャネル幅方向に並んでいてもよいし、マトリクス状に配置されていてもよい。また、設計に応じて、規則性を持たずに配置されていてもよい。

【0411】

図２８Ａに示すように、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎの外側において、絶縁体２８３と絶縁体２１２が接する部分（以下、封止部２６５と呼ぶ場合がある。）が形成されている。封止部２６５は、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを囲むように形成されている。このような構造にすることで、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを絶縁体２８３と絶縁体２１２で包み込むことができる。よって封止部２６５に囲まれたトランジスタ群が、基板上に複数設けられることになる。

【0412】

また、封止部２６５に重ねてダイシングライン（スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある）を設けてもよい。上記基板はダイシングラインにおいて分断されるため、封止部２６５に囲まれたトランジスタ群が１チップとして取り出されることになる。

【0413】

また、図２８Ａでは、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを一つの封止部２６５で囲む例について示したが、これに限られるものではない。図２８Ｂに示すように、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを複数の封止部で囲む構成にしてもよい。図２８Ｂでは、複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを封止部２６５ａで囲み、さらに外側の封止部２６５ｂでも囲む構成にしている。

【0414】

このように、複数の封止部で複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを囲む構成にすることで、絶縁体２８３と絶縁体２１２が接する部分が増えるため、絶縁体２８３と絶縁体２１２の密着性をより向上させることができる。これにより、より確実に複数のトランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎを封止することができる。

【0415】

この場合、封止部２６５ａまたは封止部２６５ｂに重ねてダイシングラインを設けてもよいし、封止部２６５ａと封止部２６５ｂの間にダイシングラインを設けてもよい。

【0416】

本発明の一態様により、トランジスタ特性のばらつきが少ない半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、オン電流が大きい半導体装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、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、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置を提供することができる。

【0417】

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態または実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

【0418】

（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図２９乃至図３２を用いて説明する。

【0419】

［記憶装置１］
本発明の一態様に係る半導体装置（記憶装置）の一例を図２９、および図３０に示す。本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００、トランジスタ３００、および容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００を用いることができる。

【0420】

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。

【0421】

図２９、および図３０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。

【0422】

また、図２９、および図３０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。

【0423】

＜トランジスタ３００＞
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲートとして機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。

【0424】

ここで、図２９、および図３０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。

【0425】

なお、図２９、および図３０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。

【0426】

＜容量素子１００＞
容量素子１００は、トランジスタ２００の上方に設けられる。容量素子１００は、第１の電極として機能する導電体１１０と、第２の電極として機能する導電体１２０、および誘電体として機能する絶縁体１３０とを有する。ここで、絶縁体１３０は、上記実施の形態に示す絶縁体２８６として用いることができる絶縁体を用いることが好ましい。

【0427】

また、例えば、導電体２４６上に設けた導電体１１２と、導電体１１０は、同時に形成することができる。なお、導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。

【0428】

図２９、および図３０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。

【0429】

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。

【0430】

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。

【0431】

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。

【0432】

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。

【0433】

＜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。

【0434】

例えば、トランジスタ３００上には、層間膜として、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能する。

【0435】

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。

【0436】

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２９、および図３０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。

【0437】

同様に、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。さらに、導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。

【0438】

ここで、上記実施の形態に示す絶縁体２７１と同様に、プラグとして機能する導電体２１８の側面に接して絶縁体２１７が設けられる。絶縁体２１７は、絶縁体２１０、絶縁体２１１、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６に形成された開口の内壁に接して設けられている。つまり、絶縁体２１７は、導電体２１８と、絶縁体２１０、絶縁体２１１、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６と、の間に設けられている。なお、導電体２０５は導電体２１８と並行して形成することができるため、導電体２０５の側面に接して絶縁体２１７が形成される場合もある。

【0439】

絶縁体２１７としては、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２１７は、絶縁体２１１、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２２２に接して設けられるため、絶縁体２１０または絶縁体２１６などから水または水素などの不純物が、導電体２１８を通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いため好適である。また、絶縁体２１０または絶縁体２１６に含まれる酸素が導電体２１８に吸収されるのを防ぐことができる。

【0440】

絶縁体２１７は、絶縁体２７１と同様の方法で形成することができる。例えば、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜し、異方性エッチングを用いて導電体３５６に達する開口を形成すればよい。

【0441】

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。

【0442】

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。

【0443】

例えば、絶縁体１５０、絶縁体２１０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４等には、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、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。

【0444】

また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。従って、絶縁体２１４、絶縁体２１２および絶縁体３５０等には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。

【0445】

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。

【0446】

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。

【0447】

例えば、導電体３２８、導電体３３０、導電体３５６、導電体２１８、および導電体１１２等としては、上記の材料で形成される金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。

【0448】

＜酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ＞
なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。

【0449】

例えば、図２９、および図３０では、過剰酸素を有する絶縁体２２４および絶縁体２８０と、導電体２４６との間に、絶縁体２７１を設けるとよい。絶縁体２７１と、絶縁体２２２、絶縁体２８２、および絶縁体２８３とが接して設けられることで、絶縁体２２４、およびトランジスタ２００は、バリア性を有する絶縁体により、封止する構造とすることができる。

【0450】

つまり、絶縁体２７１を設けることで、絶縁体２２４および絶縁体２８０が有する過剰酸素が、導電体２４６に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体２７１を有することで、不純物である水素が、導電体２４６を介して、トランジスタ２００へ拡散することを抑制することができる。

【0451】

なお、絶縁体２７１としては、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いため好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物などを用いることができる。

【0452】

また、上記実施の形態と同様に、トランジスタ２００は、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で封止されることが好ましい。このような構成とすることで、絶縁体２８４、絶縁体１５０などに含まれる水素が絶縁体２８０などに混入するのを低減することができる。

【0453】

ここで、絶縁体２８３、および絶縁体２８２には導電体２４６が、絶縁体２１４、絶縁体２１２、および絶縁体２１１には導電体２１８が貫通しているが、上記の通り、絶縁体２７１が導電体２４６に接して設けられ、絶縁体２１７が導電体２１８に接して設けられている。これにより、導電体２４６および導電体２１８を介して、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の内側に混入する水素を低減することができる。このようにして、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２７１、および絶縁体２１７でトランジスタ２００をより確実に封止し、絶縁体２８４等に含まれる水素などの不純物が外側から混入するのを低減することができる。

【0454】

また、絶縁体２１６、絶縁体２２４、絶縁体２８０、絶縁体２５０、および絶縁体２８４は、先の実施の形態に示すように、水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で形成されることが好ましい。これにより、絶縁体２１６、絶縁体２２４、絶縁体２８０、絶縁体２５０、および絶縁体２８４の水素濃度を低減することができる。

【0455】

このようにして、トランジスタ２００近傍のシリコン系絶縁膜の水素濃度を低減し、酸化物２３０の水素濃度を低減することができる。

【0456】

＜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。

【0457】

ここで、例えば、図２９、および図３０に示すように、絶縁体２８３と、絶縁体２１２とが接する領域がダイシングラインと重なるように設計することが好ましい。つまり、複数のトランジスタ２００を有するメモリセルの外縁に設けられるダイシングラインとなる領域近傍において、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２２４、絶縁体２２２、絶縁体２１６、および絶縁体２１４に開口を設ける。

【0458】

つまり、上記絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２２４、絶縁体２２２、絶縁体２１６、および絶縁体２１４に設けた開口において、絶縁体２１２と、絶縁体２８３とが接する。絶縁体２１２、および絶縁体２８３を、同材料、および同方法で設けることで、密着性を高めることができる。例えば、窒化シリコンを用いることが好ましい。

【0459】

当該構造により、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で、トランジスタ２００を包み込むことができる。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の少なくとも一は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体素子が形成された回路領域ごとに、基板を分断することにより、複数のチップに加工しても、分断した基板の側面方向から、水素又は水などの不純物が混入し、トランジスタ２００に拡散することを防ぐことができる。

【0460】

また、当該構造により、絶縁体２８０、および絶縁体２２４の過剰酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２８０、および絶縁体２２４の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。

【0461】

なお、図２９、および図３０に示す記憶装置では、容量素子１００の形状をプレーナ型としたが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。たとえば、図３１、および図３２に示すように、容量素子１００の形状をシリンダ型にしてもよい。なお、図３２に示す記憶装置は、絶縁体１５０より下の構成は、図３１に示す半導体装置と同様である。

【0462】

図３１、および図３２に示す容量素子１００は、絶縁体１３０上の絶縁体１５０と、絶縁体１５０上の絶縁体１４２と、絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口の中に配置された導電体１１５と、導電体１１５および絶縁体１４２上の絶縁体１４５と、絶縁体１４５上の導電体１２５と、導電体１２５および絶縁体１４５上の絶縁体１５２と、を有する。ここで、絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口の中に導電体１１５、絶縁体１４５、および導電体１２５の少なくとも一部が配置される。

【0463】

導電体１１５は容量素子１００の下部電極として機能し、導電体１２５は容量素子１００の上部電極として機能し、絶縁体１４５は、容量素子１００の誘電体として機能する。容量素子１００は、絶縁体１５０および絶縁体１４２の開口において、底面だけでなく、側面においても上部電極と下部電極とが誘電体を挟んで対向する構成となっており、単位面積当たりの静電容量を大きくすることができる。よって、当該開口の深さを深くするほど、容量素子１００の静電容量を大きくすることができる。このように容量素子１００の単位面積当たりの静電容量を大きくすることにより、半導体装置の微細化または高集積化を推し進めることができる。

【0464】

絶縁体１５２は、絶縁体２８０に用いることができる絶縁体を用いればよい。また、絶縁体１４２は、絶縁体１５０の開口を形成するときのエッチングストッパとして機能することが好ましく、絶縁体２１４に用いることができる絶縁体を用いればよい。

【0465】

絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口を上面から見た形状は、四角形としてもよいし、四角形以外の多角形状としてもよいし、多角形状において角部を湾曲させた形状としてもよいし、楕円を含む円形状としてもよい。ここで、上面視において、当該開口とトランジスタ２００の重なる面積が多い方が好ましい。このような構成にすることにより、容量素子１００とトランジスタ２００を有する半導体装置の占有面積を低減することができる。

【0466】

導電体１１５は、絶縁体１４２、および絶縁体１５０に形成された開口に接して配置される。導電体１１５の上面は、絶縁体１４２の上面と略一致することが好ましい。また、導電体１１５の下面は、絶縁体１３０の開口を介して導電体１１０に接する。導電体１１５は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することが好ましく、例えば、導電体２０５に用いることができる導電体を用いればよい。

【0467】

絶縁体１４５は、導電体１１５および絶縁体１４２を覆うように配置される。例えば、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて絶縁体１４５を成膜することが好ましい。絶縁体１４５は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。例えば、絶縁体１４５として、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムの順番で積層された絶縁膜を用いることができる。

【0468】

また、絶縁体１４５には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料、または高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料を用いることが好ましい。または、絶縁耐力が大きい材料と高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料の積層構造を用いてもよい。

【0469】

なお、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料（高い比誘電率の材料）の絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。このようなｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、絶縁体１４５を厚くしても容量素子１００の静電容量を十分確保することができる。絶縁体１４５を厚くすることにより、導電体１１５と導電体１２５の間に生じるリーク電流を抑制することができる。

【0470】

一方、絶縁耐力が大きい材料としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、樹脂などがある。例えば、ＡＬＤ法を用いて成膜した窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、ＰＥＡＬＤ法を用いて成膜した酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、ＡＬＤ法を用いて成膜した窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）の順番で積層された絶縁膜を用いることができる。このような、絶縁耐力が大きい絶縁体を用いることで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。

【0471】

導電体１２５は、絶縁体１４２および絶縁体１５０に形成された開口を埋めるように配置される。また、導電体１２５は、導電体１４０、および導電体１５３を介して配線１００５と電気的に接続している。導電体１２５は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することが好ましく、例えば、導電体２０５に用いることができる導電体を用いればよい。

【0472】

また、導電体１５３は、絶縁体１５４上に設けられており、絶縁体１５６に覆われている。導電体１５３は、導電体１１２に用いることができる導電体を用いればよく、絶縁体１５６は、絶縁体１５２に用いることができる絶縁体を用いればよい。ここで、導電体１５３は導電体１４０の上面に接しており、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００の端子として機能する。

【0473】

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態または実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

【0474】

（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置を作製する際に用いることができる装置について、図３３を参照して説明する。

【0475】

本発明の一態様の半導体装置を作製する際には、異なる膜種が連続成膜可能となる複数の処理室を有する、所謂マルチチャンバー装置を用いることが好ましい。各処理室では、それぞれ、スパッタリング、ＣＶＤ、及びＡＬＤなどの成膜処理を行うことができる。例えば、１つの処理室をスパッタリング室とした場合、当該スパッタリング室には、ガス供給装置、当該ガス供給装置に接続されるガス精製装置、真空ポンプ、ターゲットなどを接続することができる。

【0476】

また、各処理室では、基板のクリーニング処理、プラズマ処理、逆スパッタリング処理、エッチング処理、アッシング処理、加熱処理などを行ってもよい。各処理室において、適宜異なる処理を行うことで、絶縁体、導電体、および半導体膜を、大気開放を行わずに成膜することができる。

【0477】

本発明の一態様に用いる半導体膜としては、代表的には酸化物半導体膜が挙げられる。特に、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）酸化物半導体膜は、優れた電気特性を有するトランジスタを作製することができる。ここでは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性とよぶ。

【0478】

高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、該酸化物半導体膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、オフ電流が著しく小さく、チャネル幅が１×１０^６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０^－１３Ａ以下という特性を得ることができる。

【0479】

なお、酸化物半導体膜中の不純物としては、代表的には水、水素などが挙げられる。また、本明細書等において、酸化物半導体膜中から水および水素を低減または除去することを、脱水化、脱水素化と表す場合がある。また、酸化物半導体膜に酸素を添加することを、加酸素化と表す場合があり、加酸素化され且つ化学量論的組成よりも過剰の酸素を有する状態を過剰酸素状態と表す場合がある。

【0480】

ここで、酸化物半導体と、酸化物半導体の下層に位置する絶縁体、または導電体と、酸化物半導体の上層に位置する絶縁体、または導電体とを、大気開放を行わずに、異なる膜種を連続成膜することで、不純物（特に、水素、水）の濃度が低減された、実質的に高純度真性である酸化物半導体膜を成膜することができる。

【0481】

まず、本発明の一態様の半導体装置を作製する際に用いることができる装置の構成例の詳細について、図３３を用いて説明する。図３３に示す装置を用いることで、半導体膜と、半導体膜の下層に位置する絶縁体、または導電体と、半導体膜の上層に位置する絶縁体、または導電体とを連続成膜することができる。従って、半導体膜中に入り込みうる不純物（特に水素、水）を抑制することができる。

【0482】

図３３は、枚葉式のマルチチャンバーの装置４０００の上面図を模式的に示している。

【0483】

装置４０００は、大気側基板供給室４０１０と、大気側基板供給室４０１０から、基板を搬送する大気側基板搬送室４０１２と、基板の搬入を行い、且つ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室４０２０ａと、基板の搬出を行い、且つ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロードロック室４０２０ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室４０２９、および搬送室４０３９と、搬送室４０２９と搬送室４０３９とを接続する移送室４０３０ａ、および移送室４０３０ｂと、成膜、または加熱を行う処理室４０２４ａ、処理室４０２４ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅと、を有する。

【0484】

なお、複数の処理室は、それぞれ、並列して異なる処理を行うことができる。従って、異なる膜種の積層構造を容易に作製することができる。なお、並列処理は、最大で処理室の数だけ行うことができる。例えば、図３３に示す装置４０００は、７つの処理室を有する装置である。従って、１つの装置を用いて（本明細書ではｉｎ－ｓｉｔｕともいう）、７つの成膜処理を、大気解放せずに連続して行うことができる。

【0485】

一方、積層構造において、大気開放せずに作製できる積層数は、必ずしも処理室の数と同じにはならない。例えば、求める積層構造において、同材料の層を複数有する場合、当該層は１つの処理室で設けることができるため、設置された処理室の数よりも、多い積層数の積層構造を作製することができる。

【0486】

また、大気側基板供給室４０１０は、基板を収容するカセットポート４０１４と、基板のアライメントを行うアライメントポート４０１６と、を備える。なお、カセットポート４０１４は、複数（例えば、図３３においては、３つ）有する構成としてもよい。

【0487】

また、大気側基板搬送室４０１２は、ロードロック室４０２０ａおよびアンロードロック室４０２０ｂと接続される。搬送室４０２９は、ロードロック室４０２０ａ、アンロードロック室４０２０ｂ、移送室４０３０ａ、移送室４０３０ｂ、処理室４０２４ａ、および処理室４０２４ｂと接続される。移送室４０３０ａ、および移送室４０３０ｂは、搬送室４０２９、および搬送室４０３９と接続される。また、搬送室４０３９は、移送室４０３０ａ、移送室４０３０ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅと接続される。

【0488】

なお、各室の接続部にはゲートバルブ４０２８、またはゲートバルブ４０３８が設けられており、大気側基板供給室４０１０と、大気側基板搬送室４０１２を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板搬送室４０１２は、搬送ロボット４０１８を有する。搬送室４０２９は、搬送ロボット４０２６を有し、搬送室４０３９は、搬送ロボット４０３６を有する。搬送ロボット４０１８、搬送ロボット４０２６、および搬送ロボット４０３６は、複数の可動部と、基板を保持するアームと、を有し、各室へ基板を搬送することができる。

【0489】

なお、搬送室、処理室、ロードロック室、アンロードロック室および移送室は、上述の数に限定されず、設置スペースやプロセス条件に合わせて、適宜最適な数を設けることができる。

【0490】

特に、搬送室を複数有する場合、一つの搬送室と、他の搬送室との間には、２以上の移送室を有することが好ましい。例えば、図３３に示すように、搬送室４０２９、および搬送室４０３９を有する場合、搬送室４０２９と搬送室４０３９との間に、移送室４０３０ａおよび移送室４０３０ｂが並列して配置されることが好ましい。

【0491】

移送室４０３０ａおよび移送室４０３０ｂを並列して配置することで、例えば、搬送ロボット４０２６が移送室４０３０ａに基板を搬入する工程と、搬送ロボット４０３６が移送室４０３０ｂに基板を搬入する工程と、を同時に行うことができる。また、搬送ロボット４０２６が移送室４０３０ｂから基板を搬出する工程と、搬送ロボット４０３６が移送室４０３０ａから基板を搬出する工程と、を同時に行うことができる。つまり、複数の搬送ロボットを同時に駆動することで、生産効率が向上する。

【0492】

また、図３３では、１室の搬送室が、１つの搬送ロボットを有し、かつ複数の処理と接続する例を示したが、本構造に限定されない。１室の搬送室につき、複数の搬送ロボットを有していてもよい。

【0493】

また、搬送室４０２９、および搬送室４０３９の一方、または両方は、バルブを介して真空ポンプと、クライオポンプと、に接続している。従って、搬送室４０２９、および搬送室４０３９は、真空ポンプを用いて、大気圧から低真空または中真空（数１００Ｐａから０．１Ｐａ程度）まで排気した後、バルブを切り替え、クライオポンプを用いて、中真空から高真空または超高真空（０．１Ｐａから１×１０^－７Ｐａ程度）まで排気することができる。

【0494】

また、例えば、クライオポンプは、１室の搬送室に対し、２台以上並列に接続してもよい。複数のクライオポンプを有することで、１台のクライオポンプがリジェネ中であっても、他のクライオポンプを使って排気することが可能となる。なお、リジェネとは、クライオポンプ内にため込まれた分子（または原子）を放出する処理とする。クライオポンプは、分子（または原子）をため込みすぎると排気能力が低下してくるため、定期的にリジェネを行うとよい。

【0495】

処理室４０２４ａ、処理室４０２４ｂ、処理室４０３４ａ、処理室４０３４ｂ、処理室４０３４ｃ、処理室４０３４ｄ、および処理室４０３４ｅは、それぞれ、異なる処理を並列して行うことができる。つまり、処理室毎に、設置された基板に対し、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、およびＡＬＤ法などによる成膜処理、加熱処理、またはプラズマ処理を行うことができる。また、処理室では、加熱処理、またはプラズマ処理を行った後、成膜処理を行ってもよい。

【0496】

装置４０００は、複数の処理室を有することで、処理と処理の間で基板を大気暴露することなく搬送することが可能なため、基板に不純物が吸着することを抑制できる。また、処理室毎に、異なる膜種の成膜処理、加熱処理、または、プラズマ処理を行うことができるため、成膜や加熱処理などの順番を自由に構築することができる。

【0497】

なお、各処理室は、バルブを介して真空ポンプと接続してもよい。真空ポンプとしては、例えば、ドライポンプ、およびメカニカルブースターポンプ等を用いることができる。

【0498】

また、各処理室は、プラズマを発生させることができる電源と接続してもよい。当該電源としては、ＤＣ電源、ＡＣ電源、高周波（ＲＦ、マイクロ波など）電源を設ければよい。また、ＤＣ電源にパルス発生装置を接続してもよい。

【0499】

また、処理室は、ガス供給装置を介して、ガス精製装置と接続してもよい。なお、ガス供給装置およびガス精製装置は、ガス種の数だけ設けるとよい。

【0500】

例えば、処理室で、スパッタリングによる成膜処理を行う場合、処理室は、ターゲットと、ターゲットに接続されたバッキングプレートと、バッキングプレートを介して、ターゲットと対向して配置されたカソードと、防着板と、基板ステージなどを備えてもよい。また、例えば、基板ステージは、基板を保持する基板保持機構や、基板を裏面から加熱する裏面ヒーター等を備えていてもよい。

【0501】

なお、基板ステージは、成膜時に床面に対して概略垂直状態に保持され、基板受け渡し時には床面に対して概略水平状態に保持される。ここで、基板ステージを床面に対して概略垂直とすることで、成膜時に混入しうるゴミまたはパーティクルが基板に付着する確率を、水平状態に保持するよりも抑制することができる。ただし、基板ステージを床面に対して垂直（９０°）状態に保持すると、基板が落下する可能性があるため、基板ステージの床面に対する角度は、８０°以上９０°未満とすることが好ましい。

【0502】

なお、基板ステージの構成としては、上記構成に限定されない。例えば、基板ステージを床面に対して概略水平とする構成としてもよい。当該構成の場合、基板ステージよりも下方にターゲットを配置し、ターゲットと、基板ステージとの間に基板を配置すればよい。また、基板ステージは、基板が落下しないような基板を固定する治具、または基板を固定する機構を備えていてもよい。

【0503】

また、処理室に防着板を備えることで、ターゲットからスパッタリングされる粒子が不要な領域に堆積することを抑制することができる。また、防着板は、累積されたスパッタリング粒子が剥離しないように、加工することが望ましい。例えば、表面粗さを増加させるブラスト処理、または防着板の表面に凹凸を設けてもよい。

【0504】

バッキングプレートは、ターゲットを保持する機能を有し、カソードは、ターゲットに電圧（例えば、負電圧）を印加する機能を有する。

【0505】

なお、ターゲットは、導電体、絶縁体、または半導体を用いることができる。例えば、ターゲットが金属酸化物などの酸化物半導体の場合、処理室にて酸化物半導体膜を成膜することができる。また、ターゲットが金属酸化物の場合においても、成膜ガスとして、窒素ガスを用いると酸化窒化物半導体膜を形成することもできる。

【0506】

また、各処理室は、ガス加熱機構を介してガス供給装置と接続してもよい。ガス加熱機構はガス供給装置を介してガス精製装置と接続される。処理室に導入されるガスは、露点が－８０℃以下、好ましくは－１００℃以下、さらに好ましくは－１２０℃以下であるガスを用いることができ、例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス（アルゴンガスなど）を用いることができる。また、ガス加熱機構により、処理室に導入されるガスを４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下に加熱することができる。なお、ガス加熱機構、ガス供給装置、およびガス精製装置は、ガス種の数だけ設けるとよい。

【0507】

また、各処理室は、バルブを介してターボ分子ポンプおよび真空ポンプと接続してもよい。また、各処理室には、クライオトラップを設けてもよい。

【0508】

なお、クライオトラップは、水などの比較的融点の高い分子（または原子）を吸着することができる機構である。ターボ分子ポンプは大きいサイズの分子（または原子）を安定して排気し、かつメンテナンスの頻度が低いため、生産性に優れる一方、水素や水の排気能力が低い。そこで、水などに対する排気能力を高めるため、クライオトラップを用いることができる。クライオトラップの冷凍機の温度は１００Ｋ以下、好ましくは８０Ｋ以下とする。また、クライオトラップが複数の冷凍機を有する場合、冷凍機ごとに温度を変えると、効率的に排気することが可能となるため好ましい。例えば、１段目の冷凍機の温度を１００Ｋ以下とし、２段目の冷凍機の温度を２０Ｋ以下とすればよい。

【0509】

なお、処理室の排気方法は、これに限定されず、接続する搬送室に示す排気方法（クライオポンプと真空ポンプとの排気方法）と同様の構成としてもよい。なお、搬送室の排気方法を処理室と同様の構成（ターボ分子ポンプと真空ポンプとの排気方法）としてもよい。

【0510】

特に、酸化物半導体膜を成膜する処理室の排気方法としては、真空ポンプとクライオトラップとを組み合わせる構成としてもよい。酸化物半導体膜を成膜する処理室に設けられる排気方法としては、少なくとも水分子を吸着することができる機能を有すると好ましい。

【0511】

また、酸化物半導体膜を成膜する処理室は、水素分子の分圧が１×１０^－２Ｐａ以下であり、且つ水分子の分圧が１×１０^－４Ｐａ以下である、と好ましい。また、酸化物半導体膜を成膜する処理室の待機状態における圧力が８．０×１０^－５Ｐａ以下、好ましくは５．０×１０^－５Ｐａ以下、さらに好ましくは１．０×１０^－５Ｐａ以下である。また、上記の水素分子の分圧、および水分子の分圧の数値については、スパッタリングを行う処理室が待機状態のとき、および成膜状態（プラズマが放電状態）のときの双方の数値である。

【0512】

なお、処理室の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製、四重極形質量分析計（Ｑ－ｍａｓｓともいう。）Ｑｕｌｅｅ ＣＧＭ－０５１を用いればよい。

【0513】

処理室の水素分子の分圧、水分子の分圧、および待機状態における圧力を上記の範囲とすることで、形成される、酸化物半導体膜の膜中の不純物の濃度を低くすることができる。

【0514】

特に、各処理室を、それぞれ、スパッタリングによる成膜処理に用いることで、先の実施の形態で示したトランジスタ２００の構成の一部を、ｉｎ－ｓｉｔｕで連続成膜した積層構造により作製することができる。

【0515】

トランジスタ２００の作製方法においては、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６を、装置４０００を用いて連続成膜する。また、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４３Ａを、装置４０００を用いて連続成膜する。また、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２４８Ａを、装置４０００を用いて連続成膜する。

【0516】

つまり、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６を、大気解放を行わず、連続して成膜することができる。また、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２４３Ａを、大気解放を行わず、連続して成膜することができる。また、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および導電膜２４８Ａを、大気解放を行わず、連続して成膜することができる。

【0517】

上記構成とすることで、不純物（代表的には、水、水素など）を徹底的に排除した積層膜を形成することが可能となる。また、上記積層膜の各界面は、大気に曝されないため、不純物濃度が低減される。

【0518】

また、例えば、処理室で、加熱処理を行う場合、処理室は、基板を格納することができる複数の加熱ステージを備えてもよい。なお、加熱ステージは、多段の構成としてもよい。加熱ステージの段数を増やすことで複数の基板を同時に加熱処理できるため、生産性を向上させることができる。

【0519】

処理室に用いることのできる加熱機構としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構としてもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を用いることができる。ＬＲＴＡは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。

【0520】

ロードロック室４０２０ａは、基板受け渡しステージや、基板を裏面から加熱する裏面ヒーター等を備えていてもよい。ロードロック室４０２０ａは、減圧状態から大気まで圧力を上昇させ、ロードロック室４０２０ａの圧力が大気圧になった時に、大気側基板搬送室４０１２に設けられている搬送ロボット４０１８から基板受け渡しステージが基板を受け取る。その後、ロードロック室４０２０ａを真空引きし、減圧状態としたのち、搬送室４０２９に設けられている搬送ロボット４０２６が基板受け渡しステージから基板を受け取る。

【0521】

また、ロードロック室４０２０ａは、バルブを介して真空ポンプ、およびクライオポンプと接続されている。なお、アンロードロック室４０２０ｂは、ロードロック室４０２０ａと同様の構成とすればよい。

【0522】

大気側基板搬送室４０１２は、搬送ロボット４０１８を有するため、搬送ロボット４０１８により、カセットポート４０１４とロードロック室４０２０ａとの基板の受け渡しを行うことができる。また、大気側基板搬送室４０１２、および大気側基板供給室４０１０の上方にＨＥＰＡフィルター（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ Ｆｉｌｔｅｒ）等のゴミまたはパーティクルの混入を抑制するための機構を設けてもよい。また、カセットポート４０１４は、複数の基板を格納することができる。

【0523】

上記の装置４０００を用いて、絶縁膜、半導体膜、および導電膜を、大気開放を行わず連続成膜することで、半導体膜への不純物の入り込みを好適に抑制できる。

【0524】

上記より、本発明の一態様の装置を用いることで、半導体膜を有する積層構造を連続成膜により、作製することができる。従って、半導体膜中に取り込まれる水素、水などの不純物を抑制し、且つ欠陥準位密度の低い半導体膜を作製することができる。

【0525】

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態または実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

【0526】

（実施の形態５）
本実施の形態では、図３４Ａ、図３４Ｂおよび図３５Ａ乃至図３５Ｈ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ため、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。

【0527】

＜記憶装置の構成例＞
図３４ＡにＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、およびコントロールロジック回路１４６０を有する。

【0528】

列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。

【0529】

記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、データ信号ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。

【0530】

コントロールロジック回路１４６０は、外部から入力される制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。制御信号ＣＥは、チップイネーブル信号であり、制御信号ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、制御信号ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。

【0531】

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。

【0532】

なお、図３４Ａ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３４Ｂ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。

【0533】

図３５Ａ乃至図３５Ｈ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。

【0534】

［ＤＯＳＲＡＭ］
図３５Ａ乃至図３５Ｃ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３５Ａに示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（トップゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。

【0535】

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。

【0536】

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。

【0537】

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３５Ｂ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３５Ｃ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。

【0538】

上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７１等に用いる場合、トランジスタＭ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＡとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に小さくすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に小さいため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。

【0539】

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。

【0540】

［ＮＯＳＲＡＭ］
図３５Ｄ乃至図３５Ｇ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３５Ｄに示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、トップゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。

【0541】

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。

【0542】

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。

【0543】

ここで、図３５Ｄに示すメモリセル１４７４は、図３７に示す記憶装置に対応している。つまり、トランジスタＭ２はトランジスタ２００に、容量素子ＣＢは容量素子１００に、トランジスタＭ３はトランジスタ３００に、配線ＷＢＬは配線１００３に、配線ＷＯＬは配線１００４に、配線ＢＧＬは配線１００６に、配線ＣＡＬは配線１００５に、配線ＲＢＬは配線１００２に、配線ＳＬは配線１００１に対応している。

【0544】

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３５Ｅ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３５Ｆ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３５Ｇ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。

【0545】

上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ３としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＢとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に小さくすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に小さいため、メモリセル１４７４に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至メモリセル１４７７も同様である。

【0546】

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ため、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。

【0547】

また、トランジスタＭ３はＯＳトランジスタであってもよい。トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３にＯＳトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。

【0548】

また、図３５Ｈ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３５Ｈに示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６、および容量素子ＣＣを有する。容量素子ＣＣは適宜設けられる。メモリセル１４７８は、配線ＢＩＬ、配線ＲＷＬ、配線ＷＷＬ、配線ＢＧＬ、および配線ＧＮＤＬに電気的に接続されている。配線ＧＮＤＬは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル１４７８を、配線ＢＩＬに代えて、配線ＲＢＬ、配線ＷＢＬに電気的に接続してもよい。

【0549】

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。

【0550】

なお、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６はそれぞれ、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはｐチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６がＯＳトランジスタでもよい。この場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。

【0551】

上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７８に用いる場合、トランジスタＭ４としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＣとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４のリーク電流を非常に小さくすることができる。

【0552】

なお、本実施の形態に示す、周辺回路１４１１、メモリセルアレイ１４７０等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。

【0553】

一般に、コンピュータなどの半導体装置では、用途に応じて様々な記憶装置（メモリ）が用いられる。図３６に、各種の記憶装置を階層ごとに示す。上層に位置する記憶装置ほど速いアクセス速度が求められ、下層に位置する記憶装置ほど大きな記憶容量と高い記録密度が求められる。図３６では、最上層から順に、ＣＰＵなどの演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリ、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、３Ｄ ＮＡＮＤメモリを示している。

【0554】

ＣＰＵなどの演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリは、演算結果の一時保存などに用いられるため、演算処理装置からのアクセス頻度が高い。よって、記憶容量よりも速い動作速度が求められる。また、レジスタは演算処理装置の設定情報などを保持する機能も有する。

【0555】

ＳＲＡＭは、例えばキャッシュに用いられる。キャッシュは、メインメモリに保持されている情報の一部を複製して保持する機能を有する。使用頻繁が高いデータをキャッシュに複製しておくことで、データへのアクセス速度を高めることができる。

【0556】

ＤＲＡＭは、例えばメインメモリに用いられる。メインメモリは、ストレージから読み出されたプログラムやデータを保持する機能を有する。ＤＲＡＭの記録密度は、おおよそ０．１乃至０．３Ｇｂｉｔ／ｍｍ^２である。

【0557】

３Ｄ ＮＡＮＤメモリは、例えばストレージに用いられる。ストレージは、長期保存が必要なデータや、演算処理装置で使用する各種のプログラムなどを保持する機能を有する。よって、ストレージには動作速度よりも大きな記憶容量と高い記録密度が求められる。ストレージに用いられる記憶装置の記録密度は、おおよそ０．６乃至６．０Ｇｂｉｔ／ｍｍ^２である。

【0558】

本発明の一態様の記憶装置は、動作速度が速く、長期間のデータ保持が可能である。本発明の一態様の記憶装置は、キャッシュが位置する階層とメインメモリが位置する階層の双方を含む境界領域９０１に位置する記憶装置として好適に用いることができる。また、本発明の一態様の記憶装置は、メインメモリが位置する階層とストレージが位置する階層の双方を含む境界領域９０２に位置する記憶装置として好適に用いることができる。

【0559】

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態または実施例に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。

【0560】

（実施の形態６）
本実施の形態では、図３７Ａおよび図３７Ｂを用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ１２００の一例を示す。チップ１２００には、複数の回路（システム）が実装されている。このように、複数の回路（システム）を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）と呼ぶ場合がある。

【0561】

図３７Ａに示すように、チップ１２００は、ＣＰＵ１２１１、ＧＰＵ１２１２、一または複数のアナログ演算部１２１３、一または複数のメモリコントローラ１２１４、一または複数のインターフェース１２１５、一または複数のネットワーク回路１２１６等を有する。

【0562】

チップ１２００には、バンプ（図示しない）が設けられ、図３７Ｂに示すように、プリント基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）１２０１の第１の面と接続する。また、ＰＣＢ１２０１の第１の面の裏面には、複数のバンプ１２０２が設けられており、マザーボード１２０３と接続する。

【0563】

マザーボード１２０３には、ＤＲＡＭ１２２１、フラッシュメモリ１２２２等の記憶装置が設けられていてもよい。例えば、ＤＲＡＭ１２２１に先の実施の形態に示すＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ１２２２に先の実施の形態に示すＮＯＳＲＡＭを用いることができる。

【0564】

ＣＰＵ１２１１は、複数のＣＰＵコアを有することが好ましい。また、ＧＰＵ１２１２は、複数のＧＰＵコアを有することが好ましい。また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２に共通のメモリが、チップ１２００に設けられていてもよい。該メモリには、前述したＮＯＳＲＡＭや、ＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、ＧＰＵ１２１２は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理や積和演算に用いることができる。ＧＰＵ１２１２に、本発明の酸化物半導体を用いた画像処理回路や、積和演算回路を設けることで、画像処理、および積和演算を低消費電力で実行することが可能になる。

【0565】

また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が同一チップに設けられていることで、ＣＰＵ１２１１およびＧＰＵ１２１２間の配線を短くすることができ、ＣＰＵ１２１１からＧＰＵ１２１２へのデータ転送、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が有するメモリ間のデータ転送、およびＧＰＵ１２１２での演算後に、ＧＰＵ１２１２からＣＰＵ１２１１への演算結果の転送を高速に行うことができる。

【0566】

アナログ演算部１２１３はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路の一、または両方を有する。また、アナログ演算部１２１３に上記積和演算回路を設けてもよい。

【0567】

メモリコントローラ１２１４は、ＤＲＡＭ１２２１のコントローラとして機能する回路、およびフラッシュメモリ１２２２のインターフェースとして機能する回路を有する。

【0568】

インターフェース１２１５は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コントローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとして、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ－Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などを用いることができる。

【0569】

ネットワーク回路１２１６は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワーク回路を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよい。

【0570】

チップ１２００には、上記回路（システム）を同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、チップ１２００に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増やす必要が無く、チップ１２００を低コストで作製することができる。

【0571】

ＧＰＵ１２１２を有するチップ１２００が設けられたＰＣＢ１２０１、ＤＲＡＭ１２２１、およびフラッシュメモリ１２２２が設けられたマザーボード１２０３は、ＧＰＵモジュール１２０４と呼ぶことができる。

【0572】

ＧＰＵモジュール１２０４は、ＳｏＣ技術を用いたチップ１２００を有しているため、そのサイズを小さくすることができる。また、画像処理に優れていることから、スマートフォン、タブレット端末、ラップトップＰＣ、携帯型（持ち出し可能な）ゲーム機などの携帯型電子機器に用いることが好適である。また、ＧＰＵ１２１２を用いた積和演算回路により、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの手法を実行することができるため、チップ１２００をＡＩチップ、またはＧＰＵモジュール１２０４をＡＩシステムモジュールとして用いることができる。

【0573】

本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態または実施例に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。

【0574】

（実施の形態７）
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。

【0575】

＜電子部品＞
まず、記憶装置７２０が組み込まれた電子部品の例を、図３８Ａおよび図３８Ｂを用いて説明を行う。

【0576】

図３８Ａ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３８Ａに示す電子部品７００は、モールド７１１内に記憶装置７２０を有している。図３８Ａは、電子部品７００の内部を示すために、一部を省略している。電子部品７００は、モールド７１１の外側にランド７１２を有する。ランド７１２は電極パッド７１３と電気的に接続され、電極パッド７１３は記憶装置７２０とワイヤ７１４によって電気的に接続されている。電子部品７００は、例えばプリント基板７０２に実装される。このような電子部品が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７０２上で電気的に接続されることで実装基板７０４が完成する。

【0577】

記憶装置７２０は、駆動回路層７２１と、記憶回路層７２２と、を有する。

【0578】

図３８Ｂに電子部品７３０の斜視図を示す。電子部品７３０は、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｐａｃｋａｇｅ）またはＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）の一例である。電子部品７３０は、パッケージ基板７３２（プリント基板）上にインターポーザ７３１が設けられ、インターポーザ７３１上に半導体装置７３５、および複数の記憶装置７２０が設けられている。

【0579】

電子部品７３０では、記憶装置７２０を広帯域メモリ（ＨＢＭ：Ｈｉｇｈ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｍｅｍｏｒｙ）として用いる例を示している。また、半導体装置７３５は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＦＰＧＡなどの集積回路（半導体装置）を用いることができる。

【0580】

パッケージ基板７３２は、セラミック基板、プラスチック基板、ガラスエポキシ基板などを用いることができる。インターポーザ７３１は、シリコンインターポーザ、樹脂インターポーザなどを用いることができる。

【0581】

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。

【0582】

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。

【0583】

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。

【0584】

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。

【0585】

また、電子部品７３０と重ねてヒートシンク（放熱板）を設けてもよい。ヒートシンクを設ける場合は、インターポーザ７３１上に設ける集積回路の高さを揃えることが好ましい。例えば、本実施の形態に示す電子部品７３０では、記憶装置７２０と半導体装置７３５の高さを揃えることが好ましい。

【0586】

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３８Ｂ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。

【0587】

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。

【0588】

本実施の形態は、他の実施の形態または実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0589】

（実施の形態８）
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータ、ノート型のコンピュータ、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図３９Ａ乃至図３９Ｅ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。

【0590】

図３９ＡはＵＳＢメモリの模式図である。ＵＳＢメモリ１１００は、筐体１１０１、キャップ１１０２、ＵＳＢコネクタ１１０３および基板１１０４を有する。基板１１０４は、筐体１１０１に収納されている。例えば、基板１１０４には、メモリチップ１１０５、コントローラチップ１１０６が取り付けられている。メモリチップ１１０５などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。

【0591】

図３９ＢはＳＤカードの外観の模式図であり、図３９Ｃは、ＳＤカードの内部構造の模式図である。ＳＤカード１１１０は、筐体１１１１、コネクタ１１１２および基板１１１３を有する。基板１１１３は筐体１１１１に収納されている。例えば、基板１１１３には、メモリチップ１１１４、コントローラチップ１１１５が取り付けられている。基板１１１３の裏面側にもメモリチップ１１１４を設けることで、ＳＤカード１１１０の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板１１１３に設けてもよい。これによって、ホスト装置とＳＤカード１１１０間の無線通信によって、メモリチップ１１１４のデータの読み出し、書き込みが可能となる。メモリチップ１１１４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。

【0592】

図３９ＤはＳＳＤの外観の模式図であり、図３９Ｅは、ＳＳＤの内部構造の模式図である。ＳＳＤ１１５０は、筐体１１５１、コネクタ１１５２および基板１１５３を有する。基板１１５３は筐体１１５１に収納されている。例えば、基板１１５３には、メモリチップ１１５４、メモリチップ１１５５、コントローラチップ１１５６が取り付けられている。メモリチップ１１５５はコントローラチップ１１５６のワークメモリであり、例えばＤＯＳＲＡＭチップを用いればよい。基板１１５３の裏面側にもメモリチップ１１５４を設けることで、ＳＳＤ１１５０の容量を増やすことができる。メモリチップ１１５４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。

【0593】

本実施の形態は、他の実施の形態または実施例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。

【0594】

（実施の形態９）
本発明の一態様に係る半導体装置は、ＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図４０Ａ乃至図４０Ｈに、本発明の一態様に係るＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。

【0595】

＜電子機器・システム＞
本発明の一態様に係るＧＰＵまたはチップは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型またはノート型の情報端末用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機、などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、電子ブックリーダー、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係るＧＰＵまたはチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。

【0596】

本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。

【0597】

本発明の一態様の電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。

【0598】

本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図４０Ａ乃至図４０Ｈに、電子機器の例を示す。

【0599】

［情報端末］
図４０Ａには、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）が図示されている。情報端末５１００は、筐体５１０１と、表示部５１０２と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５１０２に備えられ、ボタンが筐体５１０１に備えられている。

【0600】

情報端末５１００は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部５１０２に表示するアプリケーション、表示部５１０２に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部５１０２に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。

【0601】

図４０Ｂには、ノート型情報端末５２００が図示されている。ノート型情報端末５２００は、情報端末の本体５２０１と、表示部５２０２と、キーボード５２０３と、を有する。

【0602】

ノート型情報端末５２００は、先述した情報端末５１００と同様に、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、ノート型情報端末５２００を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。

【0603】

なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、およびノート型情報端末を例として、それぞれ図４０Ａ、図４０Ｂに図示したが、スマートフォン、およびノート型情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、およびノート型情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、デスクトップ型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。

【0604】

［ゲーム機］
図４０Ｃは、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５３００を示している。携帯ゲーム機５３００は、筐体５３０１、筐体５３０２、筐体５３０３、表示部５３０４、接続部５３０５、操作キー５３０６等を有する。筐体５３０２、および筐体５３０３は、筐体５３０１から取り外すことが可能である。筐体５３０１に設けられている接続部５３０５を別の筐体（図示せず）に取り付けることで、表示部５３０４に出力される映像を、別の映像機器（図示せず）に出力することができる。このとき、筐体５３０２、および筐体５３０３は、それぞれ操作部として機能することができる。これにより、複数のプレイヤーが同時にゲームを行うことができる。筐体５３０１、筐体５３０２、および筐体５３０３の基板に設けられているチップなどに先の実施の形態に示すチップを組み込むことができる。

【0605】

また、図４０Ｄは、ゲーム機の一例である据え置き型ゲーム機５４００を示している。据え置き型ゲーム機５４００には、無線または有線でコントローラ５４０２が接続されている。

【0606】

携帯ゲーム機５３００、据え置き型ゲーム機５４００などのゲーム機に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のゲーム機を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。

【0607】

更に、携帯ゲーム機５３００に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機５３００を実現することができる。

【0608】

本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機５３００に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、時刻、ゲーム上に登場する人物の言動が変化するといった表現が可能となる。

【0609】

また、携帯ゲーム機５３００で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、１人でもゲームを行うことができる。

【0610】

図４０Ｃ、図４０Ｄでは、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機、および据え置き型ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用するゲーム機としては、例えば、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。

【0611】

［大型コンピュータ］
本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、大型コンピュータに適用することができる。

【0612】

図４０Ｅは、大型コンピュータの一例である、スーパーコンピュータ５５００を示す図である。図４０Ｆは、スーパーコンピュータ５５００が有するラックマウント型の計算機５５０２を示す図である。

【0613】

スーパーコンピュータ５５００は、ラック５５０１と、複数のラックマウント型の計算機５５０２と、を有する。なお、複数の計算機５５０２は、ラック５５０１に格納されている。また、計算機５５０２には、複数の基板５５０４が設けられ、当該基板上に上記実施の形態で説明したＧＰＵまたはチップを搭載することができる。

【0614】

スーパーコンピュータ５５００は、主に科学技術計算に利用される大型コンピュータである。科学技術計算では、膨大な演算を高速に処理する必要があるため、消費電力が高く、チップの発熱が大きい。スーパーコンピュータ５５００に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のスーパーコンピュータを実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。

【0615】

図４０Ｅ、図４０Ｆでは、大型コンピュータの一例としてスーパーコンピュータを図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータはこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータとしては、例えば、サービスを提供するコンピュータ（サーバー）、大型汎用コンピュータ（メインフレーム）などが挙げられる。

【0616】

［移動体］
本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、移動体である自動車、および自動車の運転席周辺に適用することができる。

【0617】

図４０Ｇは、移動体の一例である自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図４０Ｇでは、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。

【0618】

表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、燃料計、ギア状態、エアコンの設定などを表示することで、その他様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。

【0619】

表示パネル５７０４には、自動車に設けられた撮像装置（図示しない。）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。

【0620】

本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該チップを自動車の自動運転システムに用いることができる。また、当該チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０４には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。

【0621】

なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。

【0622】

［電化製品］
図４０Ｈは、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。

【0623】

電気冷凍冷蔵庫５８００に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫５８００は、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。

【0624】

電化製品の一例として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。

【0625】

本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。

【0626】

本実施の形態は、他の実施の形態または実施例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】

【0627】

１００：容量素子、１１０：導電体、１１２：導電体、１１５：導電体、１２０：導電体、１２５：導電体、１３０：絶縁体、１４０：導電体、１４２：絶縁体、１４５：絶縁体、１５０：絶縁体、１５２：絶縁体、１５３：導電体、１５４：絶縁体、１５６：絶縁体、２００：トランジスタ、２００＿ｎ：トランジスタ、２００＿１：トランジスタ、２０５：導電体、２０５ａ：導電体、２０５ｂ：導電体、２１０：絶縁体、２１１：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１７：絶縁体、２１８：導電体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０Ａ：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｃ：酸化物、２３０Ｃ：酸化膜、２４０：導電体、２４０ａ：導電体、２４０Ａ：導電膜、２４０ｂ：導電体、２４０Ｂ：導電層、２４１：酸化物、２４１ａ：酸化物、２４１Ａ：酸化膜、２４１ｂ：酸化物、２４１Ｂ：酸化物層、２４２Ａ：導電膜、２４３Ａ：酸化膜、２４６：導電体、２４６ａ：導電体、２４６ｂ：導電体、２４８：導電体、２４８ａ：導電体、２４８Ａ：導電膜、２４８ｂ：導電体、２５０：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０Ａ：導電膜、２６０ｂ：導電体、２６０Ｂ：導電膜、２６５：封止部、２６５ａ：封止部、２６５ｂ：封止部、２７１：絶縁体、２７１ａ：絶縁体、２７１Ａ：絶縁膜、２７１ｂ：絶縁体、２７１Ｂ：絶縁層、２７４：絶縁体、２７６：絶縁体、２７６ａ：絶縁体、２７６ｂ：絶縁体、２８０：絶縁体、２８０Ａ：絶縁膜、２８２：絶縁体、２８３：絶縁体、２８４：絶縁体、２８６：絶縁体、２９０：矢印、２９１Ａ：導電膜、２９１Ｂ：導電層、２９２：領域、３００：トランジスタ、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

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【図5C】

【図6A】

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【図6C】

【図7A】

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【図7C】

【図8A】

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【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10A】

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【図10C】

【図11A】

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【図13A】

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【図13C】

【図14A】

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【図14D】

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【図16A】

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【図17A】

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【図17C】

【図18A】

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【図19A】

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【図20A】

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【図21A】

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【図23A】

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【図23C】

【図24A】

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【図24C】

【図25A】

【図25B】

【図25C】

【図26A】

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【図26C】

【図27A】

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【図27C】

【図28A】

【図28B】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34A】

【図34B】

【図35A】

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【図35E】

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【図35H】

【図36】

【図37A】

【図37B】

【図38A】

【図38B】

【図39A】

【図39B】

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【図40H】