JP2014232870A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細化しても容易に作製することのできる構造を有し、微細化に伴う電気特性の低下を抑制できる半導体装置を提供する。
【解決手段】酸化物半導体層と、酸化物半導体層に接して設けられた第１の導電物と、第１の導電物に接して設けられた絶縁物と、を有し、酸化物半導体層、第１の導電物および絶縁物に開口部が設けられ、開口部において、酸化物半導体層、第１の導電物および絶縁物の側面が連なり、酸化物半導体層および第１の導電物は第２の導電物とサイドコンタクトによって電気的に接続されている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、物、方法、または製造方法に関する。または、本発明は、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。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、記憶装置、演算装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの作製方法に関する。

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、表示装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）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（表示装置）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。

例えば、トランジスタの活性層として、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物半導体を用いたトランジスタが特許文献１に開示されている。

特開２００６−１６５５２８号公報

集積化回路の高密度化においてトランジスタの微細化は必須技術である。一方、トランジスタの微細化によって作製工程の難度が上昇するとともに、オン電流、しきい値電圧、Ｓ値（サブスレッショルド値）などのトランジスタの電気特性が悪化することが知られている。すなわち、トランジスタの微細化によって集積化回路の歩留まりは低下しやすくなる。

したがって、本発明の一態様は、微細化しても簡易な工程にて作製することのできる構造を有する半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、微細化に伴う歩留まりの低下を抑えることのできる構造を有する半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、微細化に伴い顕著となる電気特性の低下を抑制できる構成の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、集積度の高い半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、オン電流の悪化を低減した半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、低消費電力の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、電源が遮断されてもデータが保持される半導体装置を提供することを目的の一つとする。

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

本発明の一態様は、酸化物半導体層、ゲート電極層、ソース電極層、またはドレイン電極層がサイドコンタクトによって配線層と電気的に接続された半導体装置に関する。

なお、本明細書においてサイドコンタクトとは、一方の要素に形成された開口部における側壁が、当該開口部に形成される他方の要素の一部と接触することによって、一方の要素と他方の要素との電気的な接続が得られる状態を指す。

本発明の一態様は、絶縁面上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層に接して設けられた第１の導電物と、第１の導電物に接して設けられた絶縁物と、を有し、酸化物半導体層、第１の導電物および絶縁物に開口部が設けられ、開口部において、酸化物半導体層、第１の導電物および絶縁物の側面が連なり、酸化物半導体層および第１の導電物は第２の導電物と電気的に接続され、第２の導電物は絶縁面に接することを特徴とする半導体装置である。なお、開口部は、底に向かって径が小さくなる円錐台形状を有する。

なお、本明細書等における「第１」、「第２」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。

上記絶縁物は酸化アルミニウムを含むことが好ましい。

また、本発明の他の一態様は、絶縁表面上に第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層の順で形成された積層と、積層の一部と接するソース電極層およびドレイン電極層と、絶縁表面および積層と接して形成され、ソース電極層およびドレイン電極層のそれぞれと一部が接する第３の酸化物半導体層と、第３の酸化物半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極層と、ソース電極層、ドレイン電極層、およびゲート電極層上に形成された絶縁層を有し、積層、ソース電極層および絶縁層に第１の開口部が設けられ、積層、ドレイン電極層および絶縁層に第２の開口部が設けられ、ゲート電極層および絶縁層に第３の開口部が設けられ、第１の開口部において、積層、ソース電極層および絶縁層の側面が連なり、第２の酸化物半導体層およびソース電極層は第１の配線と電気的に接続され、第２の開口部において、積層、ドレイン電極層および絶縁層の側面が連なり、第２の酸化物半導体層およびドレイン電極層は第２の配線と電気的に接続され、第３の開口部において、ゲート電極層および絶縁層の側面が連なり、ゲート電極層は第３の配線と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置である。また、第１の開口部、第２の開口部、および第３の開口部のそれぞれは底に向かって径が小さくなる円錐台形状を有してもよい。

上記第２の酸化物半導体層の上面面積は、第１の酸化物半導体層の上面面積よりも小さくしてもよい。

また、第１の酸化物半導体層の第２の酸化物半導体層と重ならない領域、ソース電極層と重ならない領域、およびドレイン電極層と重ならない領域は、第３の酸化物半導体層と接している構造とすることが好ましい。

また、第１の酸化物半導体層および第３の酸化物半導体層は、第２の酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが０．０５ｅＶ以上２ｅＶ以下の範囲で真空準位に近いことが好ましい。

また、第１の酸化物半導体層乃至第３の酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物層（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）であり、第１の酸化物半導体層および第３の酸化物半導体層は、Ｉｎに対するＭの原子数比が第２の酸化物半導体層よりも大きいことが好ましい。

また、第１の酸化物半導体層乃至第３の酸化物半導体層は、ｃ軸に配向する結晶を有することが好ましい。

また、上記絶縁層は酸化アルミニウムを含むことが好ましい。

本発明の一態様を用いることにより、微細化しても簡易な工程にて作製することのできる構造を有する半導体装置を提供することができる。または、微細化に伴う歩留まりの低下を抑えることのできる構造を有する半導体装置を提供することができる。または、微細化に伴い顕著となる電気特性の低下を抑制できる構成の半導体装置を提供することができる。または、集積度の高い半導体装置を提供することができる。または、オン電流の悪化を低減した半導体装置を提供することができる。または、低消費電力の半導体装置を提供することができる。または、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、電源が遮断されてもデータが保持される半導体装置を提供することができる。

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、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。

トランジスタの上面図および断面図。 トランジスタの断面図。 トランジスタの断面図。 トランジスタの上面図および断面図。 酸化物半導体層のバンド構造を説明する図。 トランジスタの拡大断面図。 トランジスタの断面図。 トランジスタの断面図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 トランジスタの作製方法を説明する図。 半導体装置の断面図および回路図。 半導体装置の回路図。 半導体装置を適用することができる電子機器を説明する図。 トランジスタの断面図。 トランジスタの上面図および断面図。

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の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、本発明は以下に示す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。なお、以下に説明する発明の構成において、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ことがある。

なお、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載する場合は、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とが直接接続されている場合とを含むものとする。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。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含むものとする。

ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。

ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。

なお、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載する場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子または別の回路を挟んで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（つまり、ＸとＹとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子または別の回路を挟まずに接続されている場合）とを含むものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同じであるとする。

なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。

なお、本明細書等において、様々な基板を用いて、トランジスタを形成することが出来る。基板の種類は、特定のものに限定されることはない。その基板の一例としては、半導体基板（例えば単結晶基板またはシリコン基板）、ＳＯＩ基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィルムなどがある。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、またはソーダライムガラスなどがある。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）に代表されるプラスチック、またはアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り合わせフィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、またはポリ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、無機蒸着フィルム、または紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、またはＳＯＩ基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、または形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、または回路の高集積化を図ることができる。

なお、ある基板を用いてトランジスタを形成し、その後、別の基板にトランジスタを転置し、別の基板上にトランジスタを配置してもよい。トランジスタが転置される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、石材基板、木材基板、布基板（天然繊維（絹、綿、麻）、合成繊維（ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル）若しくは再生繊維（アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル）などを含む）、皮革基板、またはゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、または薄型化を図ることができる。

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置について図面を用いて説明する。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図１（Ａ）は上面図であり、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２の断面が図１（Ｂ）に相当する。また、図２は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４の断面図である。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、一点鎖線Ａ１−Ａ２方向をチャネル長方向、一点鎖線Ａ３−Ａ４方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。

図１（Ａ）、（Ｂ）および図２に示すトランジスタ１００は、基板１１０上に形成された下地絶縁膜１２０と、当該下地絶縁膜上に形成された、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２の順で形成された積層と、当該積層の一部と接するように形成されたソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０と、下地絶縁膜１２０および当該積層上に形成され、ソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０のそれぞれと一部が接する第３の酸化物半導体層１３３と、当該第３の酸化物半導体層上に形成されたゲート絶縁膜１６０と、当該ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極層１７０と、ソース電極層１４０、ドレイン電極層１５０、およびゲート電極層１７０上に形成された絶縁層１８０を有する。

また、絶縁層１８０上に酸化物で形成された絶縁層１８５が形成されていてもよい。当該絶縁層１８５は必要に応じて設ければよく、さらにその上部に他の絶縁層を形成してもよい。また、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、および第３の酸化物半導体層１３３を総称して酸化物半導体層１３０と呼称する。

上記積層、ソース電極層１４０および絶縁層１８０に第１の開口部１４７が設けられ、第１の開口部１４７において上記積層、ソース電極層１４０および絶縁層１８０の側面が連なる。また、上記積層、ドレイン電極層１５０および絶縁層１８０に第２の開口部１５７が設けられ、第２の開口部１５７において、上記積層、ドレイン電極層１５０および絶縁層１８０の側面が連なる。また、ゲート電極層１７０および絶縁層１８０に第３の開口部１７７が設けられ、第３の開口部１７７において、ゲート電極層１７０および絶縁層１８０の側面が連なる。第１の開口部１４７、第２の開口部１５７、第３の開口部１７７のそれぞれは、底に向かって径が小さくなる円錐台形状を有していてもよい。

そして、第１の開口部１４７において、第２の酸化物半導体層１３２およびソース電極層１４０は第１の配線１４５とサイドコンタクトによって電気的に接続される。また、第２の開口部１５７において、第２の酸化物半導体層１３２およびドレイン電極層１５０は第２の配線１５５とサイドコンタクトによって電気的に接続される。また、第３の開口部１７７において、ゲート電極層１７０は第３の配線１７５とサイドコンタクトによって電気的に接続される。

なお、トランジスタの「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ものとする。

上述したように、ソース電極層１４０などの電極層と第１の配線１４５などの配線はサイドコンタクトによって電気的に接続される。従来においては、電極層を貫通する開口部が設けられることはなく、電極層の上部に形成された絶縁層等に開口部を設け、当該開口部に形成される配線の一部と電極層の一部が接することにより電気的接続を得ていた。

しかしながら、トランジスタの微細化が進むにつれ製造工程の難度が上昇し、上記絶縁層等に設けられる開口部の開口不良や開口部の深さ方向のばらつきなどが生じていた。そのため、素子間において電極層と配線とのコンタクト抵抗にばらつきが生じやすくなっていた。つまり、トランジスタの微細化に伴う製造工程の難度上昇は、トランジスタの電気特性のばらつきの一要因となっていた。

一方、本発明の一態様では、電極層を貫通する開口部を設け、当該開口部における電極層の側壁と開口部に形成する配線の一部とを接触させて電気的接続を得るため、電極層と配線との接触面積にばらつきを生じにくくすることができる。つまり、素子間における電極層と配線とのコンタクト抵抗のばらつきを抑えることができるため、当該ばらつきに起因したトランジスタの電気特性のばらつきも抑えることができる。

また、電極層の上部に形成された絶縁層等に開口部を設ける際、エッチング条件を厳密に制御して電極層を貫通しないように開口部を形成するよりも、電極層を貫通するように開口部を形成するほうが製造工程の難度が低い。例えば、エッチング工程において、電極層のエッチングレートが絶縁層のエッチングレートよりも十分に小さい場合であっても、電極層の過度のエッチングを許容して開口部を形成する場合はエッチング条件の自由度を大きくすることができる。したがって、トランジスタの歩留まりを向上させることができる。

また、本発明の一態様では、図１（Ｂ）に示すように、電極層のみでなく第２の酸化物半導体層１３２および第１の酸化物半導体層１３１を貫通するように開口部を形成することが好ましい。詳細は後述するが、第２の酸化物半導体層１３２および第１の酸化物半導体層１３１を貫通する開口部に配線層の一部が形成されることにより、当該配線層が電極層の一部となり、第２の酸化物半導体層１３２におけるソースまたはドレインとして機能するｎ型化領域を拡大することができる。

また、ゲート電極層１７０と第３の配線１７５との接続においても、図２に示すようなサイドコンタクトとすることで、電極層と配線との接触面積にばらつきを生じにくくすることができ、コンタクト抵抗のばらつきを抑えることができる。

なお、第１の開口部１４７および第２の開口部１５７の構成は図１（Ｂ）に示した例に限らない。例えば、図３（Ａ）に示すように、第２の酸化物半導体層１３２を貫通しない構成であってもよい。また、図３（Ｂ）に示すように、第２の酸化物半導体層１３２を貫通し、第１の酸化物半導体層１３１を貫通しない構成であってもよい。また、第１の開口部１４７および第２の開口部１５７の底が第１の酸化物半導体層１３１中または第２の酸化物半導体層１３２中のいずれかに位置する構成であってもよい。また、図３（Ｃ）に示すように、第１の開口部１４７および第２の開口部１５７の底が下地絶縁膜１２０に達する構成であってもよい。また、第３の開口部１７７の底は図２に示した例に限らず、ゲート絶縁膜１６０中、第３の酸化物半導体層１３３中、または下地絶縁膜１２０中のいずれかに位置する構成であってもよい。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す構成であってもよい。図４（Ａ）は上面図であり、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ１−Ｂ２の断面が図４（Ｂ）に相当する。また、図４（Ａ）に示す一点鎖線Ｂ３−Ｂ４の断面が図４（Ｃ）に相当する。

図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すトランジスタ１０１は、基板１１０上に形成された下地絶縁膜１２０、当該下地絶縁膜上に形成された第１の酸化物半導体層１３１、当該第１の酸化物半導体層上に形成された上面面積が第１の酸化物半導体層１３１よりも小さく、全体が第１の酸化物半導体層１３１と重なる第２の酸化物半導体層１３２、第１の酸化物半導体層１３１および第２の酸化物半導体層１３２のそれぞれの一部と接するソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０、第１の酸化物半導体層１３１および第２の酸化物半導体層１３２上に形成され、ソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０と一部が接する第３の酸化物半導体層１３３、当該第３の酸化物半導体層上に形成されたゲート絶縁膜１６０、当該ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極層１７０を有する。

また、第１の酸化物半導体層１３１のソース電極層１４０と接する領域、およびドレイン電極層１５０と接する領域の膜厚が、第１の酸化物半導体層１３１の第２の酸化物半導体層１３２と重なる領域の膜厚よりも薄い構成とする。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図１６（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。図１６（Ａ）は上面図であり、図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２の断面が図１６（Ｂ）に相当する。図１に示すトランジスタでは、ゲート電極層１７０、ゲート絶縁膜１６０、第３の酸化物半導体層１３３のそれぞれの上面形状が略同じであるが、図１６に示すトランジスタでは、ゲート電極層１７０と、ゲート絶縁膜１６０および第３の酸化物半導体層１３３とでは上面形状が異なる。また、ゲート電極層１７０の上面面積は、ゲート絶縁膜１６０および第３の酸化物半導体層１３３の上面面積よりも小さい。このような構成にすることで、ゲートリーク電流を少なくすることができる。

トランジスタ１０１は、トランジスタ１００と第１の酸化物半導体層１３１の上面形状が異なり、その他の点では同じである。トランジスタ１０１では、ゲート電極層１７０の形成工程まで第１の酸化物半導体層１３１が基板全面に残るため、高温を要するトランジスタ１０１の製造工程中において下地絶縁膜１２０から酸素の不必要な放出を抑えることができる。したがって、下地絶縁膜１２０からチャネルが形成される第２の酸化物半導体層１３２に酸素を有効に供給することができ、トランジスタの電気特性を向上させることができる。

また、本発明の一態様のトランジスタは、酸化物半導体層（第１の酸化物半導体層１３１および第２の酸化物半導体層１３２）と重なるソース電極層１４０またはドレイン電極層１５０において、図１（Ａ）および図１６（Ａ）の上面図に示す酸化物半導体層の端部からソース電極層１４０またはドレイン電極層１５０の端部までの距離（ΔＷ）を５０ｎｍ以下、好ましくは２５ｎｍ以下とする。ΔＷを小さくすることで、下地絶縁膜１２０に含まれる酸素のソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０の構成材料である金属材料への拡散量を抑えることができる。したがって、下地絶縁膜１２０に含まれる酸素、特に過剰に含まれている酸素の不必要な放出を抑えることができ、酸化物半導体層に対して下地絶縁膜１２０から効率よく酸素を供給することができる。

次に本発明の一態様のトランジスタ１００の構成要素について詳細を説明する。なお、当該構成要素はトランジスタ１０１にも適用可能である。

基板１１０は、単なる支持材料に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタ１００のゲート電極層１７０、ソース電極層１４０、およびドレイン電極層１５０の少なくとも一つは、上記の他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。

下地絶縁膜１２０は、基板１１０からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半導体層１３０に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、下地絶縁膜１２０は酸素を含む絶縁膜であることが好ましく、化学量論組成よりも多い酸素を含む絶縁膜であることがより好ましい。また、上述のように基板１１０が他のデバイスが形成された基板である場合、下地絶縁膜１２０は、層間絶縁膜としての機能も有する。その場合は、表面が平坦になるようにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等で平坦化処理を行うことが好ましい。

また、トランジスタ１００のチャネルが形成される領域において酸化物半導体層１３０は、基板１１０側から第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３が積層された構造を有している。また、第１の酸化物半導体層１３１の第２の酸化物半導体層１３２と重ならない領域、ソース電極層１４０と重ならない領域、およびドレイン電極層１５０と重ならない領域は、第３の酸化物半導体層１３３と接しているため、第２の酸化物半導体層１３２は第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３で取り囲まれている構造となっている。

ここで、一例としては、第２の酸化物半導体層１３２には、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３よりも電子親和力（真空準位から伝導帯下端までのエネルギー）が大きい酸化物半導体を用いる。電子親和力は、真空準位と価電子帯上端とのエネルギー差（イオン化ポテンシャル）から、伝導帯下端と価電子帯上端とのエネルギー差（エネルギーギャップ）を差し引いた値として求めることができる。

なお、本実施の形態では、酸化物半導体層１３０が三層の積層である場合について説明するが、酸化物半導体層１３０が一層、二層または四層以上であってもよい。図１５（Ａ）に示すような酸化物半導体層１３０が一層の場合は、例えば、第２の酸化物半導体層１３２に相当する層を用いればよい。また、図１５（Ｂ）に示すような酸化物半導体層１３０が二層の場合は、例えば、第３の酸化物半導体層１３３を設けない構成とすればよい。この構成の場合、第２の酸化物半導体層１３２と第１の酸化物半導体層１３１を入れ替えることもできる。また、図１５（Ｃ）に示すように酸化物半導体層１３０が三層の場合であっても、図１とは異なる構成とすることができる。また、四層以上である場合は、例えば、本実施の形態で説明する三層構造の積層に対して他の酸化物半導体層を積む構成や当該三層構造におけるいずれかの界面に他の酸化物半導体層を挿入する構成とすることができる。

第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３は、第２の酸化物半導体層１３２を構成する金属元素を一種以上含み、例えば、伝導帯下端のエネルギーが第２の酸化物半導体層１３２よりも、０．０５ｅＶ、０．０７ｅＶ、０．１ｅＶ、０．１５ｅＶのいずれか以上であって、２ｅＶ、１ｅＶ、０．５ｅＶ、０．４ｅＶのいずれか以下の範囲で真空準位に近い酸化物半導体で形成することが好ましい。

このような構造において、ゲート電極層１７０に電界を印加すると、酸化物半導体層１３０のうち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい第２の酸化物半導体層１３２にチャネルが形成される。すなわち、第２の酸化物半導体層１３２とゲート絶縁膜１６０との間に第３の酸化物半導体層１３３が形成されていることよって、トランジスタのチャネルがゲート絶縁膜と接しない構造となる。

また、第１の酸化物半導体層１３１は、第２の酸化物半導体層１３２を構成する金属元素を一種以上含んで構成されるため、第２の酸化物半導体層１３２と下地絶縁膜１２０が接した場合の界面と比較して、第２の酸化物半導体層１３２と第１の酸化物半導体層１３１の界面に界面準位を形成しにくくなる。該界面準位はチャネルを形成することがあるため、トランジスタのしきい値電圧が変動することがある。したがって、第１の酸化物半導体層１３１を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特性のばらつきを低減することができる。また、当該トランジスタの信頼性を向上させることができる。

また、第３の酸化物半導体層１３３は、第２の酸化物半導体層１３２を構成する金属元素を一種以上含んで構成されるため、第２の酸化物半導体層１３２とゲート絶縁膜１６０が接した場合の界面と比較して、第２の酸化物半導体層１３２と第３の酸化物半導体層１３３との界面ではキャリアの散乱が起こりにくくなる。したがって、第３の酸化物半導体層１３３を設けることにより、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。

第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３には、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆを第２の酸化物半導体層１３２よりも高い原子数比で含む材料を用いることができる。具体的には、当該原子数比を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物半導体層に生じることを抑制する機能を有する。すなわち、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３は、第２の酸化物半導体層１３２よりも酸素欠損が生じにくいということができる。

なお、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３が、少なくともインジウム、亜鉛およびＭ（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物層であるとき、第１の酸化物半導体層１３１をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_１：ｙ_１：ｚ_１［原子数比］、第２の酸化物半導体層１３２をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_２：ｙ_２：ｚ_２［原子数比］、第３の酸化物半導体層１３３をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ_３：ｙ_３：ｚ_３［原子数比］とすると、ｙ_１／ｘ_１およびｙ_３／ｘ_３がｙ_２／ｘ_２よりも大きくなることが好ましい。ｙ_１／ｘ_１およびｙ_３／ｘ_３はｙ_２／ｘ_２よりも１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。このとき、第２の酸化物半導体層１３２において、ｙ_２がｘ_２以上であるとトランジスタの電気特性を安定させることができる。ただし、ｙ_２がｘ_２の３倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ_２はｘ_２の３倍未満であることが好ましい。

なお、本明細書において酸化物半導体層の組成を説明する原子数比には、母材料の原子数比を示す意味も含まれる。酸化物半導体材料をターゲットとしてスパッタ法で成膜を行った場合、スパッタガス種やその比率、ターゲットの密度、および成膜条件によって、成膜される酸化物半導体膜の組成が母材料のターゲットとは異なってしまうことがある。したがって、本明細書では酸化物半導体層の組成を説明する原子数比には、母材料の原子数比を含めることとする。例えば、成膜方法にスパッタ法を用いた場合に、原子数比が１：１：１のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜とは、原子数比が１：１：１のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物材料をターゲットに用いて成膜したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物膜と言い換えることができる。

第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３におけるＺｎおよびＯを除いた場合のＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また、第２の酸化物半導体層１３２におけるＺｎおよびＯを除いた場合のＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。

第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３の厚さは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、第２の酸化物半導体層１３２の厚さは、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。

第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、および第３の酸化物半導体層１３３には、例えば、インジウム、亜鉛およびガリウムを含んだ酸化物半導体を用いることができる。特に、第２の酸化物半導体層１３２にインジウムを含ませると、キャリア移動度が高くなるため好ましい。

なお、酸化物半導体層をチャネルとするトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体層中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体層を真性または実質的に真性にすることが有効である。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体層のキャリア密度が、１×１０^１７／ｃｍ^３未満であること、好ましくは１×１０^１５／ｃｍ^３未満であること、さらに好ましくは１×１０^１３／ｃｍ^３未満であることを指す。

また、酸化物半導体層において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密度を増大させてしまう。また、シリコンは酸化物半導体層中で不純物準位の形成に寄与する。当該不純物準位はトラップとなり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。したがって、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２および第３の酸化物半導体層１３３の層中や、それぞれの界面において不純物濃度を低減させることが好ましい。

酸化物半導体層を真性または実質的に真性とするためには、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析において、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、シリコン濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、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未満とする部分を有していることが好ましい。また、水素濃度は、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする部分を有していることが好ましい。また、窒素濃度は、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする部分を有していることが好ましい。

また、酸化物半導体層が結晶を含む場合、シリコンや炭素が高濃度で含まれると、酸化物半導体層の結晶性を低下させることがある。酸化物半導体層の結晶性を低下させないためには、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、シリコン濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、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未満とする部分を有していればよい。また、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、炭素濃度を１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、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未満とする部分を有していればよい。

また、上述のように高純度化された酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を０．１Ｖ、５Ｖ、または、１０Ｖ程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流を数ｙＡ／μｍ乃至数ｚＡ／μｍにまで低減することが可能となる。

なお、トランジスタのゲート絶縁膜としては、シリコンを含む絶縁膜が多く用いられるため、上記理由により酸化物半導体層のチャネルとなる領域は、本発明の一態様のトランジスタのようにゲート絶縁膜と接しない構造が好ましいということができる。また、ゲート絶縁膜と酸化物半導体層との界面にチャネルが形成される場合、該界面でキャリアの散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなることがある。このような観点からも、酸化物半導体層のチャネルとなる領域はゲート絶縁膜から離すことが好ましいといえる。

したがって、酸化物半導体層１３０を第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３の積層構造とすることで、第２の酸化物半導体層１３２にチャネルを形成することができ、高い電界効果移動度および安定した電気特性を有したトランジスタを形成することができる。

次に、酸化物半導体層１３０のバンド構造を説明する。バンド構造の解析は、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３に相当する層としてエネルギーギャップが３．５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、第２の酸化物半導体層１３２に相当する層としてエネルギーギャップが３．１５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物半導体層１３０に相当する積層を作製して行っている。

第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３の膜厚はそれぞれ１０ｎｍとし、エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（ＨＯＲＩＢＡ ＪＯＢＩＮ ＹＶＯＮ社 ＵＴ−３００）を用いて測定した。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置（ＰＨＩ社 ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定した。

図５（Ａ）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差と、各層のエネルギーギャップとの差分として算出される真空準位と伝導帯下端のエネルギー差（電子親和力）から模式的に示されるバンド構造の一部である。図５（Ａ）は、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３と接して、酸化シリコン膜を設けた場合のバンド図である。ここで、Ｅｖａｃは真空準位のエネルギー、ＥｃＩ１およびＥｃＩ２は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ１は第１の酸化物半導体層１３１の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ２は第２の酸化物半導体層１３２の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ３は第３の酸化物半導体層１３３の伝導帯下端のエネルギーである。

図５（Ａ）に示すように、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３において、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３の組成が近似することにより、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。したがって、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３は組成が異なる層の積層体ではあるが、物性的に連続であるということもでき、図面において、当該積層体のそれぞれの界面は点線で表している。

主成分を共通として積層された酸化物半導体層１３０は、各層を単に積層するのではなく連続接合（ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するＵ字型の井戸構造（Ｕ Ｓｈａｐｅ Ｗｅｌｌ））が形成されるように作製する。すなわち、各層の界面にトラップ中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないように積層構造を形成する。仮に、積層された酸化物半導体層の層間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップあるいは再結合により消滅してしまう。

なお、図５（Ａ）では、ＥｃＳ１とＥｃＳ３が同様である場合について示したが、それぞれが異なっていてもよい。例えば、ＥｃＳ３よりもＥｃＳ１が高いエネルギーを有する場合、バンド構造の一部は、図５（Ｂ）のように示される。

例えば、ＥｃＳ１＝ＥｃＳ３である場合は、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：３、１：３：４、１：３：６、１：６：４または１：９：６（原子数比）、第２の酸化物半導体層１３２にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、５：５：６、または３：１：２（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物などを用いることができる。また、ＥｃＳ１＞ＥｃＳ３である場合は、第１の酸化物半導体層１３１にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４または１：９：６（原子数比）、第２の酸化物半導体層１３２にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、５：５：６、または３：１：２（原子数比）、第３の酸化物半導体層１３３にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：３、１：３：４または１：３：６（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物などを用いることができる。

図５（Ａ）、（Ｂ）より、酸化物半導体層１３０における第２の酸化物半導体層１３２がウェル（井戸）となり、酸化物半導体層１３０を用いたトランジスタにおいて、チャネルが第２の酸化物半導体層１３２に形成されることがわかる。なお、酸化物半導体層１３０は伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、Ｕ字型井戸とも呼ぶことができる。また、このような構成で形成されたチャネルを埋め込みチャネルということもできる。

なお、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３と、酸化シリコン膜などの絶縁膜との界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得る。第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３があることにより、第２の酸化物半導体層１３２と当該トラップ準位とを遠ざけることができる。ただし、ＥｃＳ１またはＥｃＳ３と、ＥｃＳ２とのエネルギー差が小さい場合、第２の酸化物半導体層１３２の電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。電子がトラップ準位に捕獲されることで、絶縁膜界面にマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。

したがって、トランジスタのしきい値電圧の変動を低減するには、ＥｃＳ１およびＥｃＳ３と、ＥｃＳ２との間にエネルギー差を設けることが必要となる。それぞれの当該エネルギー差は、０．１ｅＶ以上が好ましく、０．１５ｅＶ以上がより好ましい。

なお、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２および第３の酸化物半導体層１３３には、結晶部が含まれることが好ましい。特にｃ軸に配向した結晶を用いることでトランジスタに安定した電気特性を付与することができる。

なお、酸化物半導体層１３０にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる場合は、Ｉｎのゲート絶縁膜への拡散を防ぐために、第３の酸化物半導体層１３３は第２の酸化物半導体層１３２よりもＩｎが少ない組成とすることが好ましい。

ソース電極層１４０、ドレイン電極層１５０、第１の配線１４５、第２の配線１５５、および第３の配線１７５には、酸素と結合し易い導電材料を用いることが好ましい。例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどを用いることができる。上記材料において、特に酸素と結合しやすいＴｉや、後のプロセス温度が比較的高くできることなどから、融点の高いＷを用いることがより好ましい。なお、酸素と結合しやすい導電材料には、酸素が拡散しやすい材料も含まれる。なお、第１の配線１４５、第２の配線１５５、および第３の配線１７５はＴｉ／Ａｌ／Ｔｉのような積層であってもよい。

酸素と結合しやすい導電材料と酸化物半導体層を接触させると、酸化物半導体層中の酸素が、酸素と結合しやすい導電材料側に拡散する現象が起こる。当該現象は、温度が高いほど顕著に起こる。トランジスタの作製工程には、いくつかの加熱工程があることから、上記現象により、酸化物半導体層のソース電極層またはドレイン電極層と接触した近傍の領域に酸素欠損が発生し、膜中に僅かに含まれる水素と当該酸素欠損が結合することにより当該領域はｎ型化する。したがって、ｎ型化した当該領域はトランジスタのソースまたはドレインとして作用させることができる。

上記ｎ型化した領域は、図６のトランジスタの拡大断面図（チャネル長方向の断面の一部、ソース電極層１４０近傍）に示される。第１の酸化物半導体層１３１中および第２の酸化物半導体層１３２中に点線で示される境界１３５は、真性半導体領域とｎ型半導体領域の境界である。第１の酸化物半導体層１３１および第２の酸化物半導体層１３２において、ソース電極層１４０および第１の配線１４５に接触した近傍の領域がｎ型化した領域となる。なお、境界１３５は模式的に示したものであり、実際には明瞭ではない場合がある。また、図６では、境界１３５の一部が第２の酸化物半導体層１３２中で横方向に延びているように位置している状態を示したが、第１の酸化物半導体層１３１および第２の酸化物半導体層１３２のソース電極層１４０と下地絶縁膜１２０で挟まれた領域の膜厚方向全体がｎ型化することもある。

また、本発明の一態様では、第１の配線１４５および第２の配線１５５が第１の酸化物半導体層１３１中および第２の酸化物半導体層１３２中に埋設されているような構成であるため、第１の酸化物半導体層１３１中および第２の酸化物半導体層１３２中に形成されるｎ型化領域を拡大させることができる。当該ｎ型化領域はトランジスタのソース（またはドレイン）として機能する領域であり、当該ｎ型化領域を拡大させることで、チャネル形成領域とソース電極（またはドレイン電極）、またはチャネル形成領域と第１の配線１４５（または第２の配線１５５）の間における直列抵抗成分を低減させることができ、トランジスタの電気特性を向上させることができる。

なお、チャネル長が極短いトランジスタを形成する場合、上記酸素欠損の発生によってｎ型化した領域がトランジスタのチャネル長方向に延在してしまうことがある。この場合、トランジスタの電気特性には、しきい値電圧のシフトやゲート電圧でオンオフの制御が困難な場合（導通状態）が現れる。そのため、チャネル長が極短いトランジスタを形成する場合は、ソース電極層およびドレイン電極層に酸素と結合しやすい導電材料を用いることが必ずしも好ましいとはいえない。

このような場合にはソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０には、上述した材料よりも酸素と結合しにくい導電材料を用いることもできる。当該導電材料としては、例えば、窒化タンタル、窒化チタン、金、白金、パラジウムまたはルテニウムを含む材料などを用いることができる。なお、当該導電材料が第２の酸化物半導体層１３２と接触する場合は、ソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０を、当該導電材料と前述した酸素と結合しやすい導電材料を積層する構成としてもよい。

ゲート絶縁膜１６０には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、ゲート絶縁膜１６０は上記材料の積層であってもよい。

ゲート電極層１７０には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａおよびＷなどの導電膜を用いることができる。また、当該ゲート電極層は、上記材料の積層であってもよい。また、当該ゲート電極層には、窒素を含んだ導電膜を用いてもよい。

ゲート絶縁膜１６０、およびゲート電極層１７０上には絶縁層１８０が形成されていることが好ましい。当該絶縁層には、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウム膜は、トランジスタの作製工程中および作製後において、トランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層１３０への混入防止、酸化物半導体層１３０を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出防止、下地絶縁膜１２０からの酸素の不必要な放出防止の効果を有する保護膜として用いることに適している。また、酸化アルミニウム膜に含まれる酸素を酸化物半導体層中に拡散させることもできる。

また、絶縁層１８０上には絶縁層１８５が形成されていることが好ましい。当該絶縁層１８５には、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁膜を用いることができる。また、当該絶縁層１８５は上記材料の積層であってもよい。

ここで、絶縁層１８５は過剰酸素を有することが好ましい。過剰酸素を含む絶縁層とは、加熱処理などによって酸素を放出することができる絶縁層をいう。好ましくは、昇温脱離ガス分光法分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である膜とする。当該絶縁層から放出される酸素はゲート絶縁膜１６０を経由して酸化物半導体層１３０のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に酸素欠損が形成された場合においても酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。

半導体装置を高集積化するにはトランジスタの微細化が必須である。一方、トランジスタの微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、特にチャネル幅の縮小に直接起因するオン電流は著しく低下する。

しかしながら、本発明の一態様のトランジスタでは、前述したように、チャネルが形成される第２の酸化物半導体層１３２とゲート絶縁膜１６０との間に第３の酸化物半導体層１３３が形成された構造を有している。そのため、チャネル形成層とゲート絶縁膜との界面で生じるキャリアの散乱を抑えることができ、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。

また、本発明の一態様のトランジスタでは、チャネルが形成される第２の酸化物半導体層１３２を覆うように第３の酸化物半導体層１３３が形成されているため、第２の酸化物半導体層１３２の側面においても上面と同様にキャリアの散乱を抑えることができる。

したがって、本発明の一態様のトランジスタは、図７のチャネル幅方向の断面図に示すような、チャネル幅方向における第２の酸化物半導体層１３２の上面の長さ（Ｗ_Ｔ）が当該酸化物半導体層の膜厚と同じ程度、またはそれ以下にまで縮小された構造において、顕著に電気特性が向上する。

例えば、図７に示すようなトランジスタにおいて、Ｗ_Ｔが上記のように十分に小さい場合、ゲート電極層１７０から第２の酸化物半導体層１３２の側面に印加される電界は第２の酸化物半導体層１３２の全体に及ぶため、第２の酸化物半導体層１３２の側面にも上面に形成されるチャネルと同等のチャネルが形成される。すなわち、本発明の一態様のトランジスタは、従来のトランジスタよりもオン電流を高くすることができる。

図７に示すようなチャネル領域１３７がトランジスタに形成される場合、チャネル幅はＷ_Ｔとチャネル幅方向における第２の酸化物半導体層１３２の側面の長さ（Ｗ_Ｓ１、Ｗ_Ｓ２）の和（Ｗ_Ｔ＋Ｗ_Ｓ１＋Ｗ_Ｓ２）と定義することができ、当該トランジスタには当該チャネル幅に応じたオン電流が流れる。また、Ｗ_Ｔが十分に小さい場合は第２の酸化物半導体層１３２全体に電流が流れるようになる。

なお、Ｗ_Ｓ１＝Ｗ_Ｓ２＝Ｗ_Ｓとするとき、トランジスタのオン電流を効率よく向上させるには０．３Ｗ_Ｓ≦Ｗ_Ｔ≦３Ｗ_Ｓ（Ｗ_Ｔは０．３Ｗ_Ｓ以上３Ｗ_Ｓ以下）とする。また、好ましくはＷ_Ｔ／Ｗ_Ｓ＝０．５以上１．５以下とし、より好ましくはＷ_Ｔ／Ｗ_Ｓ＝０．７以上１．３以下とする。Ｗ_Ｔ／Ｗ_Ｓ＞３の場合は、Ｓ値やオフ電流が増加することがある。

したがって、本発明の一態様のトランジスタは、トランジスタが微細化された場合においても十分に高いオン電流を得ることができる。

また、本発明の一態様のトランジスタは、第２の酸化物半導体層１３２を第１の酸化物半導体層１３１上に形成することで界面準位を形成しにくくする効果や、第２の酸化物半導体層１３２を三層構造の中間層とすることで上下からの不純物混入の影響を排除できる効果などを併せて有する。そのため、第２の酸化物半導体層１３２は第１の酸化物半導体層１３１と第３の酸化物半導体層１３３で取り囲まれた構造となり、上述したトランジスタのオン電流の向上に加えて、しきい値電圧の安定化や、Ｓ値を小さくすることができる。したがって、Ｉｃｕｔ（ゲート電圧ＶＧが０Ｖ時の電流）を下げることができ、消費電力を低減させることができる。また、トランジスタのしきい値電圧が安定化することから、半導体装置の長期信頼性を向上させることができる。

また、本発明の一態様のトランジスタは、図８に示すように、酸化物半導体層１３０と基板１１０との間に導電膜１７２を備えていてもよい。当該導電膜を第２のゲート電極として用いることで、更なるオン電流の増加や、しきい値電圧の制御を行うことができる。オン電流を増加させるには、例えば、ゲート電極層１７０と導電膜１７２を同電位とし、デュアルゲートトランジスタとして駆動させればよい。また、しきい値電圧の制御を行うには、ゲート電極層１７０とは異なる定電位を導電膜１７２に供給すればよい。

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した図１に示すトランジスタ１００の作製方法について、図９乃至図１１を用いて説明する。

基板１１０には、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いることも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを用いてもよい。

下地絶縁膜１２０は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはスパッタ法等により、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどの酸化物絶縁膜、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの窒化物絶縁膜、または上記材料を混合した膜を用いて形成することができる。また、上記材料の積層であってもよく、少なくとも酸化物半導体層１３０と接する上層は酸化物半導体層１３０への酸素の供給源となりえる過剰な酸素を含む材料で形成することが好ましい。

また、下地絶縁膜１２０にイオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加することによって、下地絶縁膜１２０から酸化物半導体層１３０への酸素の供給をさらに容易にすることができる。

なお、基板１１０の表面が絶縁体であり、後に設ける酸化物半導体層１３０への不純物拡散の影響が無い場合は、下地絶縁膜１２０を設けない構成とすることができる。

次に、下地絶縁膜１２０上に第１の酸化物半導体層１３１となる第１の酸化物半導体膜３３１および第２の酸化物半導体層１３２となる第２の酸化物半導体膜３３２をスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＰＬＤ法を用いて成膜する（図９（Ａ）参照）。

次に、第１の酸化物半導体膜３３１および第２の酸化物半導体膜３３２を選択的にエッチングすることで第１の酸化物半導体層１３１および第２の酸化物半導体層１３２を形成する（図９（Ｂ）参照）。

第１の酸化物半導体層１３１および第２の酸化物半導体層１３２の積層において連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（例えばスパッタ装置）を用いて各層を大気に触れさせることなく連続して積層することが好ましい。スパッタ装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべく、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０^−７Ｐａ乃至１×１０^−４Ｐａ程度まで）できること、かつ、成膜される基板を１００℃以上、好ましくは５００℃以上に加熱できることが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に炭素成分や水分等を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。

高純度真性酸化物半導体を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパッタガスの高純度化も必要である。スパッタガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体層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。

第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、および後の工程で形成される第３の酸化物半導体層１３３には、実施の形態１で説明した材料を用いることができる。例えば、第１の酸化物半導体層１３１にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６、１：３：４、１：３：３または１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、第２の酸化物半導体層１３２にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、または５：５：６［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、第３の酸化物半導体層１３３にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６、１：３：４、１：３：３または１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。

また、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、および第３の酸化物半導体層１３３として用いることのできる酸化物半導体は、少なくともインジウム（Ｉｎ）もしくは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。または、ＩｎとＺｎの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。

スタビライザーとしては、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）等がある。

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。

なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味である。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。また、本明細書においては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物で構成した膜をＩＧＺＯ膜とも呼ぶ。

また、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄから選ばれた一つの金属元素または複数の金属元素を示す。また、Ｉｎ_２ＳｎＯ_５（ＺｎＯ）_ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。

ただし、実施の形態１に詳細を記したように、第２の酸化物半導体層１３２は、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３よりも電子親和力が大きくなるように形成する。

なお、酸化物半導体層の成膜には、スパッタ法を用いることが好ましい。スパッタ法としては、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法、ＡＣスパッタ法等を用いることができる。

第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、第３の酸化物半導体層１３３としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比としては、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：５：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：３、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：３、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：９：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２のいずれかの材料を用いることができる。

なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）^２＋（ｂ−Ｂ）^２＋（ｃ−Ｃ）^２≦ｒ^２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。

また、第２の酸化物半導体層１３２は、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３よりもインジウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、Ｉｎの含有率を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるため、ＩｎがＧａよりも多い組成となる酸化物はＩｎがＧａと同等または少ない組成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、第２の酸化物半導体層１３２にインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、高い移動度のトランジスタを実現することができる。

以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。

なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。

酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。

まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つであり、ほとんどの結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。

断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ_４の単結晶酸化物半導体膜であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。

以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。したがって、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。

なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。したがって、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。

不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、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、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出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、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。

次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。

微結晶酸化物半導体膜は、ＴＥＭによる観察像では、明確に結晶部を確認することができない場合がある。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、例えば、ＴＥＭによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。

ｎｃ−ＯＳ膜は、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膜は、異なる結晶部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膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折（制限視野電子線回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の電子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子線回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。

ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタ用ターゲットを用い、スパッタ法によって成膜することができる。当該スパッタ用ターゲットにイオンが衝突すると、スパッタ用ターゲットに含まれる結晶領域がａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状またはペレット状のスパッタ粒子は帯電しているためプラズマ中で凝集せず、結晶状態を維持したまま基板に到達し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。

第２の酸化物半導体層１３２がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）で形成される場合、第２の酸化物半導体層１３２を成膜するために用いるスパッタ用ターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ａ_１：ｂ_１：ｃ_１とすると_、ａ_１／ｂ_１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であって、ｃ_１／ｂ_１は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｃ_１／ｂ_１を１以上６以下とすることで、第２の酸化物半導体層１３２としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：５：６等がある。

第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｍは、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、またはＮｄ）で形成される場合、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３を成膜するために用いるスパッタ用ターゲットにおいて、金属元素の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ａ_２：ｂ_２：ｃ_２とすると_、ａ_２／ｂ_２＜ａ_１／ｂ_１であって、ｃ_２／ｂ_２は、１／３以上６以下、さらには１以上６以下であることが好ましい。なお、ｃ_２／ｂ_２を１以上６以下とすることで、第１の酸化物半導体層１３１および第３の酸化物半導体層１３３としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：６等がある。

第２の酸化物半導体層１３２の形成後に、第１の加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。第１の加熱処理によって、第２の酸化物半導体層１３２の結晶性を高め、さらに下地絶縁膜１２０、第１の酸化物半導体層１３１から水素や水などの不純物を除去することができる。なお、第２の酸化物半導体層１３２を形成するエッチングの前に第１の加熱工程を行ってもよい。

次に、第１の酸化物半導体層１３１および第２の酸化物半導体層１３２上にソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０となる第１の導電膜を形成する。第１の導電膜としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。例えば、スパッタ法などにより１００ｎｍのチタン膜を形成する。またＣＶＤ法によりタングステン膜を形成してもよい。

次に、第１の導電膜を第２の酸化物半導体層１３２上で分断するようにエッチングし、ソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０を形成する（図９（Ｃ）参照）。このとき、第１の導電膜のオーバーエッチングによって、第２の酸化物半導体層１３２の一部がエッチングされた形状となってもよい。

次に、第１の酸化物半導体層１３１、第２の酸化物半導体層１３２、ソース電極層１４０およびドレイン電極層１５０上に、第３の酸化物半導体層１３３となる第３の酸化物半導体膜３３３を形成する。

なお、第３の酸化物半導体膜３３３の形成後に第２の加熱処理を行ってもよい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第２の加熱処理により、第３の酸化物半導体膜３３３から水素や水などの不純物を除去することができる。また、第１の酸化物半導体層１３１および第２の酸化物半導体層１３２から、さらに水素や水などの不純物を除去することができる。

次に、第３の酸化物半導体膜３３３上にゲート絶縁膜１６０となる絶縁膜３６０を形成する。絶縁膜３６０には、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルなどを用いることができる。なお、絶縁膜３６０は、上記材料の積層であってもよい。絶縁膜３６０は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法またはＰＬＤ法などを用いて形成することができる。

次に、絶縁膜３６０上にゲート電極層１７０となる第２の導電膜３７０を形成する（図１０（Ａ）参照）。第２の導電膜３７０としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。第２の導電膜３７０は、スパッタ法やＣＶＤ法などにより形成することができる。また、第２の導電膜３７０としては、窒素を含んだ導電膜を用いてもよく、上記材料を含む導電膜と窒素を含んだ導電膜の積層を用いてもよい。

次に、ゲート電極層１７０を形成するためのレジストマスクを用いて、第２の導電膜３７０を選択的にエッチングし、ゲート電極層１７０を形成する。

続いて、上記レジストマスクまたはゲート電極層１７０をマスクとして絶縁膜３６０を選択的にエッチングし、ゲート絶縁膜１６０を形成する。

続いて、上記レジストマスクまたはゲート電極層１７０をマスクとして第３の酸化物半導体膜３３３をエッチングし、第３の酸化物半導体層１３３を形成する（図１０（Ｂ）参照）。

上記、第２の導電膜３７０、絶縁膜３６０、および第３の酸化物半導体膜３３３のエッチングは各層毎に行ってもよいし、連続で行ってもよい。

次に、ソース電極層１４０、ドレイン電極層１５０、およびゲート電極層１７０上に絶縁層１８０および絶縁層１８５を形成する（図１０（Ｃ）参照）。絶縁層１８０および絶縁層１８５は、下地絶縁膜１２０と同様の材料、方法を用いて形成することができる。なお、絶縁層１８０には酸化アルミニウムを用いることが特に好ましい。

また、絶縁層１８０にイオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加することによって、絶縁層１８０から酸化物半導体層１３０への酸素の供給をさらに容易にすることができる。

次に、第３の加熱処理を行ってもよい。第３の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第３の加熱処理により、下地絶縁膜１２０、ゲート絶縁膜１６０、絶縁層１８０から過剰酸素が放出されやすくなり、酸化物半導体層１３０の酸素欠損を低減することができる。

次に、開口部を有するレジストマスクを用い、絶縁層１８５、絶縁層１８０、ソース電極層１４０、ドレイン電極層１５０、第２の酸化物半導体層１３２、および第１の酸化物半導体層１３１を選択的にエッチングし、開口部１４７、開口部１５７を形成する（図１１（Ａ）参照）。このとき、図２に示す開口部１７７も同様に形成する。

なお、絶縁層１８５、絶縁層１８０、ソース電極層１４０、ドレイン電極層１５０、第２の酸化物半導体層１３２、および第１の酸化物半導体層１３１のエッチングは各層毎に行ってもよいし、連続で行ってもよい。また、エッチング方法はドライエッチング、ウエットエッチングのどちらを用いてもよく、各層毎に異なるエッチング方法を用いてもよい。

そして、開口部１４７、開口部１５７を覆うように第１の配線１４５、第２の配線１５５を形成し、第１の配線１４５に第２の酸化物半導体層１３２とソース電極層１４０とを電気的に接続し、第２の配線１５５に第２の酸化物半導体層１３２とドレイン電極層１５０とを電気的に接続する（図１１（Ｂ）参照）。また、このとき、図２に示す開口部１７７を覆うように第３の配線１７５を形成し、第３の配線１７５とゲート電極層１７０を電気的に接続する。

なお、第１の配線１４５、第２の配線１５５、および第３の配線１７５は、ソース電極層１４０、ドレイン電極層１５０、またはゲート電極層１７０と同様の材料、方法を用いて形成することができる。

以上の工程で、図１に示すトランジスタ１００を作製することができる。

また、本実施の形態で説明した金属膜などは、代表的にはスパッタ法やプラズマＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としては、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ法などがある。

熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。

また、熱ＣＶＤ法では、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。

ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の層が第１の層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なＦＥＴを作製する場合に適している。

例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ_６ガスとＢ_２Ｈ_６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ_６ガスとＨ_２ガスを同時に導入してタングステン膜を形成する。なお、Ｂ_２Ｈ_６ガスに代えてＳｉＨ_４ガスを用いてもよい。

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を、図面を用いて説明する。

図１２（Ａ）に半導体装置の断面図、図１２（Ｂ）に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。

図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ３２００を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。なお、トランジスタ３３００としては、実施の形態１で説明したトランジスタ１０１を用いることができる。

また、容量素子３４００は、一方の電極をトランジスタ３３００のソース電極層またはドレイン電極層と電気的に接続する配線層、他方の電極をトランジスタ３３００のゲート電極層、誘電体をトランジスタ３３００の絶縁層１８０および絶縁層１８５と同じ材料を用いる構造とすることで、トランジスタ３３００と同時に形成することができる。

ここで、第１の半導体材料と第２の半導体材料は異なるエネルギーギャップを持つ材料とすることが望ましい。例えば、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料（シリコンなど）とし、第２の半導体材料を実施の形態１で説明した酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が低い電気特性により長時間の電荷保持を可能とする。

なお、上記トランジスタは、いずれもｎチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、ｐチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、情報を保持するために酸化物半導体を用いた実施の形態１に示すようなトランジスタを用いる他は、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。

図１２（Ａ）におけるトランジスタ３２００は、半導体材料（例えば、結晶性シリコンなど）を含む基板３０００に設けられたチャネル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように設けられた不純物領域と、不純物領域に接する金属間化合物領域と、チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極層と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極層やドレイン電極層を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極層やドレイン電極層と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極層との記載には、ソース領域が含まれうる。

基板３０００上にはトランジスタ３２００を囲むように素子分離絶縁層３１００が設けられており、トランジスタ３２００を覆うように絶縁層３１５０が設けられている。なお、素子分離絶縁層３１００は、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）や、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）などの素子分離技術を用いて形成することができる。

例えば、結晶性シリコン基板を用いた場合、トランジスタ３２００は高速動作が可能となる。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。

絶縁層３１５０上にはトランジスタ３３００が設けられ、そのソース電極層またはドレイン電極層と電気的に接続する配線は、容量素子３４００の一方の電極として作用する。また、当該電極は、トランジスタ３２００のゲート電極層と電気的に接続される。

図１２（Ａ）に示すトランジスタ３３００は、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトップゲート型トランジスタである。トランジスタ３３００は、オフ電流が小さいため、これを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、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。

また、トランジスタ３３００と重畳するように絶縁層３１５０を介して電極３２５０が設けられている。当該電極を第２のゲート電極として適切な電位を供給することで、トランジスタ３３００のしきい値電圧を制御することができる。また、トランジスタ３３００の長期信頼性を高めることができる。また、当該電極をトランジスタ３３００のゲート電極と同電位として動作させることでオン電流を増加させることができる。なお、電極３２５０を設けない構成とすることもできる。

図１２（Ａ）に示すように、トランジスタ３２００を形成する基板上にトランジスタ３３００および容量素子３４００を形成することができるため、半導体装置の集積度を高めることができる。

図１２（Ａ）に対応する回路構成の一例を図１２（Ｂ）に示す。

図１２（Ｂ）において、第１の配線３００１はトランジスタ３２００のソース電極層と電気的に接続され、第２の配線３００２はトランジスタ３２００のドレイン電極層と電気的に接続されている。また、第３の配線３００３はトランジスタ３３００のソース電極層またはドレイン電極層の一方と電気的に接続され、第４の配線３００４はトランジスタ３３００のゲート電極層と電気的に接続されている。そして、トランジスタ３２００のゲート電極層、およびトランジスタ３３００のソース電極層またはドレイン電極層の他方は、容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線３００５は容量素子３４００の電極の他方と電気的に接続されている。なお、電極３２５０に相当する要素は図示していない。

図１２（Ｂ）に示す半導体装置では、トランジスタ３２００のゲート電極層の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００がオン状態となる電位にして、トランジスタ３３００をオン状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３２００のゲート電極層、および容量素子３４００に与えられる。すなわち、トランジスタ３２００のゲート電極層には、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ３３００がオフ状態となる電位にして、トランジスタ３３００をオフ状態とすることにより、トランジスタ３２００のゲート電極層に与えられた電荷が保持される（保持）。

トランジスタ３３００のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ３２００のゲート電極層の電荷は長時間にわたって保持される。

次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、トランジスタ３２００のゲート電極層に保持された電荷量に応じて、第２の配線３００２は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲート電極層にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値電圧Ｖ_ｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００のゲート電極層にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値電圧Ｖ_ｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を「オン状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位をＶ_ｔｈ＿ＨとＶ_ｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ_０とすることにより、トランジスタ３２００のゲート電極層に与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ_０（＞Ｖ_ｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ_０（＜Ｖ_ｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「オフ状態」のままである。このため、第２の配線３００２の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極層の状態にかかわらずトランジスタ３２００が「オフ状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｈより小さい電位を第５の配線３００５に与えればよい。または、ゲート電極層の状態にかかわらずトランジスタ３２００が「オン状態」となるような電位、つまり、Ｖ_ｔｈ＿Ｌより大きい電位を第５の配線３００５に与えればよい。

本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて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、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。

また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が生じにくい。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。

以上のように、微細化および高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置を提供することができる。

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態３に示した構成と異なる半導体装置の説明を行う。

図１３は、半導体装置の回路構成の一例である。当該半導体装置において、第１の配線４５００とトランジスタ４３００のソース電極層とは電気的に接続され、第２の配線４６００とトランジスタ４３００のゲート電極層とは電気的に接続され、トランジスタ４３００のドレイン電極層と容量素子４４００の第１の端子とは電気的に接続されている。なお、当該半導体装置に含まれるトランジスタ４３００としては、実施の形態１で説明したトランジスタ１００を用いることができる。なお、第１の配線４５００はビット線、第２の配線４６００はワード線としての機能を有することができる。

当該半導体装置（メモリセル４２５０）は、図１２に示すトランジスタ３３００および容量素子３４００と同様の接続形態とすることができる。したがって、容量素子４４００は、実施の形態３で説明した容量素子３４００と同様に、トランジスタ４３００の作製工程にて同時に作製することができる。

次に、図１３に示す半導体装置（メモリセル４２５０）に、情報の書き込みおよび保持を行う場合について説明する。

まず、第２の配線４６００にトランジスタ４３００がオン状態となる電位を供給し、トランジスタ４３００をオン状態とする。これにより、第１の配線４５００の電位が、容量素子４４００の第１の端子に与えられる（書き込み）。その後、第２の配線４６００の電位を、トランジスタ４３００がオフ状態となる電位として、トランジスタ４３００をオフ状態とすることにより、容量素子４４００の第１の端子の電位が保持される（保持）。

酸化物半導体を用いたトランジスタ４３００は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ４３００をオフ状態とすることで、容量素子４４００の第１の端子の電位（あるいは、容量素子４４００に蓄積された電荷）を極めて長時間にわたって保持することが可能である。

次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ４３００がオン状態となると、浮遊状態である第１の配線４５００と容量素子４４００とが導通し、第１の配線４５００と容量素子４４００の間で電荷が再分配される。その結果、第１の配線４５００の電位が変化する。第１の配線４５００の電位の変化量は、容量素子４４００の第１の端子の電位（あるいは容量素子４４００に蓄積された電荷）によって、異なる値をとる。

例えば、容量素子４４００の第１の端子の電位をＶ、容量素子４４００の容量をＣ、第１の配線４５００が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第１の配線４５００の電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第１の配線４５００の電位は、（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセル４２５０の状態として、容量素子４４００の第１の端子の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２状態をとるとすると、電位Ｖ１を保持している場合の第１の配線４５００の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ１）／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第１の配線４５００の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋Ｃ×Ｖ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。

そして、第１の配線４５００の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。

このように、図１３に示す半導体装置（メモリセル４２５０）は、トランジスタ４３００のオフ電流が極めて小さいという特徴から、容量素子４４００に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。

図１３に示したメモリセル４２５０は、メモリセル４２５０を駆動させるための駆動回路が形成された基板を積層することが好ましい。メモリセル４２５０と駆動回路を積層することで、半導体装置の小型化を図ることができる。なお、積層するメモリセル４２５０および駆動回路の数は限定しない。

駆動回路に含まれるトランジスタは、トランジスタ４３００とは異なる半導体材料を用いることが好ましい。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることがより好ましい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジスタよりも高速動作が可能であり、メモリセル４２５０の駆動回路の構成に用いることが適している。

以上のように、微細化および高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置を提供することができる。

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。

（実施の形態５）
実施の形態１で説明したトランジスタは、表示装置、記憶装置、ＣＰＵ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）などの半導体装置に応用することができる。本実施の形態では、上記半導体装置を有する電子機器の例について説明する。

上記半導体装置を有する電子機器としては、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、画像再生装置、ポータブルオーディオプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ステレオ、電話、コードレス電話、携帯電話、自動車電話、トランシーバ、無線機、ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、ＩＣチップ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、エアコンディショナーなどの空調設備、食器洗い機、食器乾燥機、衣類乾燥機、布団乾燥機、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、放射線測定器、透析装置、Ｘ線診断装置等の医療機器、などが挙げられる。また、煙感知器、熱感知器、ガス警報装置、防犯警報装置などの警報装置も挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム等の産業機器も挙げられる。また、燃料を用いたエンジンや、非水系二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電子機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型または大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船が挙げられる。これらの電子機器の一部の具体例を図１４に示す。

図１４（Ａ）に示すテレビジョン装置８０００は、筐体８００１に表示部８００２が組み込まれており、表示部８００２により映像を表示し、スピーカ部８００３から音声を出力することが可能である。本発明の一態様のトランジスタを有する記憶装置は、表示部８００２を動作するための駆動回路に用いることが可能である。

また、テレビジョン装置８０００は、情報通信を行うためのＣＰＵ８００４や、メモリを備えていてもよい。ＣＰＵ８００４やメモリに、本発明の一態様のトランジスタを有するＣＰＵ、記憶装置を用いることができる。

図１４（Ａ）に示す警報装置８１００は、住宅用火災警報器であり、煙または熱の検出部８１０２と、マイクロコンピュータ８１０１を用いた電子機器の一例である。マイクロコンピュータ８１０１は、本発明の一態様のトランジスタを有する記憶装置、ＣＰＵを含む。

また、図１４（Ａ）に示す室内機８２００および室外機８２０４を有するエアコンディショナーは、先の実施の形態に示したトランジスタ、記憶装置、またはＣＰＵ等を含む電子機器の一例である。具体的に、室内機８２００は、筐体８２０１、送風口８２０２、ＣＰＵ８２０３等を有する。図１４（Ａ）においては、ＣＰＵ８２０３が、室内機８２００に設けられている場合を例示しているが、ＣＰＵ８２０３は室外機８２０４に設けられていてもよい。または、室内機８２００と室外機８２０４の両方に、ＣＰＵ８２０３が設けられていてもよい。本発明の一態様のトランジスタをエアコンディショナーのＣＰＵに用いることによって省電力化を図ることができる。

また、図１４（Ａ）に示す電気冷凍冷蔵庫８３００は、先の実施の形態に示したトランジスタ、記憶装置、またはＣＰＵ等を含む電子機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫８３００は、筐体８３０１、冷蔵室用扉８３０２、冷凍室用扉８３０３、ＣＰＵ８３０４等を有する。図１４（Ａ）では、ＣＰＵ８３０４が、筐体８３０１の内部に設けられている。本発明の一態様のトランジスタを電気冷凍冷蔵庫８３００のＣＰＵ８３０４に用いることによって省電力化が図れる。

図１４（Ｂ）、（Ｃ）には、電子機器の一例である電気自動車の例を示す。電気自動車９７００には、二次電池９７０１が搭載されている。二次電池９７０１の電力は、回路９７０２により出力が調整されて、駆動装置９７０３に供給される。回路９７０２は、図示しないＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等を有する処理装置９７０４によって制御される。本発明の一態様のトランジスタを電気自動車９７００のＣＰＵに用いることによって省電力化が図れる。

駆動装置９７０３は、直流電動機もしくは交流電動機単体、または電動機と内燃機関と、を組み合わせて構成される。処理装置９７０４は、電気自動車９７００の運転者の操作情報（加速、減速、停止など）や走行時の情報（上り坂や下り坂等の情報、駆動輪にかかる負荷情報など）の入力情報に基づき、回路９７０２に制御信号を出力する。回路９７０２は、処理装置９７０４の制御信号により、二次電池９７０１から供給される電気エネルギーを調整して駆動装置９７０３の出力を制御する。交流電動機を搭載している場合は、図示していないが、直流を交流に変換するインバータも内蔵される。

なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。

１００ トランジスタ
１０１ トランジスタ
１１０ 基板
１２０ 下地絶縁膜
１３０ 酸化物半導体層
１３１ 第１の酸化物半導体層
１３２ 第２の酸化物半導体層
１３３ 第３の酸化物半導体層
１３５ 境界
１３７ チャネル領域
１４０ ソース電極層
１４５ 第１の配線
１４７ 開口部
１５０ ドレイン電極層
１５５ 第２の配線
１５７ 開口部
１６０ ゲート絶縁膜
１７０ ゲート電極層
１７２ 導電膜
１７５ 第３の配線
１７７ 開口部
１８０ 絶縁層
１８５ 絶縁層
３３１ 第１の酸化物半導体膜
３３２ 第２の酸化物半導体膜
３３３ 第３の酸化物半導体膜
３６０ 絶縁膜
３７０ 第２の導電膜
３０００ 基板
３００１ 第１の配線
３００２ 第２の配線
３００３ 第３の配線
３００４ 第４の配線
３００５ 第５の配線
３１００ 素子分離絶縁層
３１５０ 絶縁層
３２００ トランジスタ
３２５０ 電極
３３００ トランジスタ
３４００ 容量素子
４２５０ メモリセル
４３００ トランジスタ
４４００ 容量素子
４５００ 第１の配線
４６００ 第２の配線
８０００ テレビジョン装置
８００１ 筐体
８００２ 表示部
８００３ スピーカ部
８００４ ＣＰＵ
８１００ 警報装置
８１０１ マイクロコンピュータ
８１０２ 検出部
８２００ 室内機
８２０１ 筐体
８２０２ 送風口
８２０３ ＣＰＵ
８２０４ 室外機
８３００ 電気冷凍冷蔵庫
８３０１ 筐体
８３０２ 冷蔵室用扉
８３０３ 冷凍室用扉
８３０４ ＣＰＵ
９７００ 電気自動車
９７０１ 二次電池
９７０２ 回路
９７０３ 駆動装置
９７０４ 処理装置

Claims (9)

1. 絶縁面上の酸化物半導体層と、
   前記酸化物半導体層に接して設けられた第１の導電物と、
   前記第１の導電物に接して設けられた絶縁物と、
   を有し、
   前記酸化物半導体層、前記第１の導電物および前記絶縁物に開口部が設けられ、
   前記開口部において、前記酸化物半導体層、前記第１の導電物および前記絶縁物の側面が連なり、前記酸化物半導体層および前記第１の導電物は第２の導電物と電気的に接続され、前記第２の導電物は、前記絶縁面に接することを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１において、前記絶縁物は酸化アルミニウムを含むことを特徴とする半導体装置。
3. 絶縁表面上に第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層の順で形成された積層と、
   前記積層の一部と接するソース電極層およびドレイン電極層と、
   前記絶縁表面および前記積層と接して形成され、前記ソース電極層および前記ドレイン電極層のそれぞれと一部が接する第３の酸化物半導体層と、
   前記第３の酸化物半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極層と、
   前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、および前記ゲート電極層上に形成された絶縁層と、
   を有し、
   前記積層、前記ソース電極層および前記絶縁層に第１の開口部が設けられ、
   前記積層、前記ドレイン電極層および前記絶縁層に第２の開口部が設けられ、
   前記ゲート電極層および前記絶縁層に第３の開口部が設けられ、
   前記第１の開口部において、前記積層、前記ソース電極層および前記絶縁層の側面が連なり、前記第２の酸化物半導体層および前記ソース電極層は第１の配線と電気的に接続され、
   前記第２の開口部において、前記積層、前記ドレイン電極層および前記絶縁層の側面が連なり、前記第２の酸化物半導体層および前記ドレイン電極層は第２の配線と電気的に接続され、
   前記第３の開口部において、前記ゲート電極層および前記絶縁層の側面が連なり、前記ゲート電極層は第３の配線と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
4. 絶縁表面上に第１の酸化物半導体層、第２の酸化物半導体層の順で形成された積層と、
   前記積層の一部と接するソース電極層およびドレイン電極層と、
   前記絶縁表面および前記積層と接して形成され、前記ソース電極層および前記ドレイン電極層のそれぞれと一部が接する第３の酸化物半導体層と、
   前記第３の酸化物半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極層と、
   前記ソース電極層、前記ドレイン電極層、および前記ゲート電極層上に形成された絶縁層と、
   を有し、
   前記第２の酸化物半導体層は、上面面積が前記第１の酸化物半導体層よりも小さく、
   前記積層、前記ソース電極層および前記絶縁層に第１の開口部が設けられ、
   前記積層、前記ドレイン電極層および前記絶縁層に第２の開口部が設けられ、
   前記ゲート電極層および前記絶縁層に第３の開口部が設けられ、
   前記第１の開口部において、前記積層、前記ソース電極層および前記絶縁層の側面が連なり、前記第２の酸化物半導体層および前記ソース電極層は第１の配線と電気的に接続され、
   前記第２の開口部において、前記積層、前記ドレイン電極層および前記絶縁層の側面が連なり、前記第２の酸化物半導体層および前記ドレイン電極層は第２の配線と電気的に接続され、
   前記第３の開口部において、前記ゲート電極層および前記絶縁層の側面が連なり、前記ゲート電極層は第３の配線と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項４において、前記第１の酸化物半導体層の前記第２の酸化物半導体層と重ならない領域、前記ソース電極層と重ならない領域、および前記ドレイン電極層と重ならない領域は、前記第３の酸化物半導体層と接していることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項３乃至５のいずれか一項において、前記第１の酸化物半導体層および前記第３の酸化物半導体層は、前記第２の酸化物半導体層よりも伝導帯下端のエネルギーが０．０５ｅＶ以上２ｅＶ以下の範囲で真空準位に近いことを特徴とする半導体装置。
7. 請求項３乃至６のいずれか一項において、前記第１の酸化物半導体層乃至前記第３の酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）であり、前記第１の酸化物半導体層および前記第３の酸化物半導体層は、Ｉｎに対するＭの原子数比が前記第２の酸化物半導体層よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
8. 請求項３乃至７のいずれか一項において、前記第１の酸化物半導体層乃至前記第３の酸化物半導体層は、ｃ軸に配向する結晶を有することを特徴とする半導体装置。
9. 請求項３乃至８のいずれか一項において、前記絶縁層は酸化アルミニウムを含むことを特徴とする半導体装置。

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