WO2020225641A1 - 半導体装置 - Google Patents

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WO2020225641A1
WO2020225641A1 PCT/IB2020/053916 IB2020053916W WO2020225641A1 WO 2020225641 A1 WO2020225641 A1 WO 2020225641A1 IB 2020053916 W IB2020053916 W IB 2020053916W WO 2020225641 A1 WO2020225641 A1 WO 2020225641A1
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oxide
insulator
transistor
conductor
oxygen
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國武寛司
大嶋和晃
津田一樹
熱海知昭
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株式会社半導体エネルギー研究所
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    • H01L29/7869—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film having a semiconductor body comprising an oxide semiconductor material, e.g. zinc oxide, copper aluminium oxide, cadmium stannate
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/027—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of logic circuits, with internal or external positive feedback
    • H03K3/03—Astable circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00—Dynamic random access memory [DRAM] devices

Definitions

  • Non-Patent Document 1 In oxide semiconductors, CAAC (c-axis aligned crystalline) structures and nc (nanocrystalline) structures that are neither single crystal nor amorphous have been found (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).
  • the gate of the second transistor is electrically connected to the input terminal in, one of the source or drain of the second transistor is electrically connected to the output terminal out, and the other of the source or drain of the second transistor has a low power potential. Be supplied.
  • the first transistor and the second transistor include an oxide semiconductor in the semiconductor layer. The first transistor and the second transistor each have a back gate.
  • Another aspect of the present invention is a semiconductor device including an n-stage (n is an odd number of 3 or more) inverter circuits, and the output of the i-stage (i is a natural number of 2 or more and n-1 or less) inverter circuit. Is electrically connected to the input of the i + 1th stage inverter circuit, and the output of the i-1st stage inverter circuit is electrically connected to the input of the ith stage inverter circuit.
  • the semiconductor device described above preferably has a function of adjusting the voltage supplied to the second back gate according to the operating temperature.
  • the present invention it is possible to provide a semiconductor device having little variation in transistor characteristics. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a large on-current. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having good electrical characteristics. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having good reliability. Further, according to one aspect of the present invention, a semiconductor device having low power consumption can be provided. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device that operates stably even if the operating temperature changes.
  • FIG. 1A is a top view of the semiconductor device.
  • 1B to 1D are cross-sectional views of a semiconductor device.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device.
  • 3A and 3B are perspective views of the semiconductor device.
  • 4A to 4D are views showing a method of manufacturing a semiconductor device.
  • 5A to 5D are diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device.
  • 6A to 6D are diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device.
  • 7A to 7D are diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device.
  • 8A to 8D are diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device.
  • 9A to 9D are diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device.
  • 10A to 10D are diagrams showing a method for manufacturing a semiconductor device.
  • FIG. 11A to 11D are diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device.
  • FIG. 12A is a top view of the semiconductor device.
  • 12B to 12D are cross-sectional views of the semiconductor device.
  • 13A and 13B are cross-sectional views of the semiconductor device.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the semiconductor device.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the semiconductor device.
  • FIG. 16A is a block diagram showing a configuration example of the storage device.
  • FIG. 16B is a perspective view of the storage device.
  • 17A to 17H are circuit diagrams showing a configuration example of a memory cell.
  • 18A to 18D are diagrams showing circuit symbols of transistors.
  • 19A and 19B are schematic views of a semiconductor device.
  • first and second ordinal numbers are used for convenience and do not indicate the process order or the stacking order. Therefore, for example, the "first” can be appropriately replaced with the “second” or “third” for explanation.
  • the ordinal numbers described in the present specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one aspect of the present invention.
  • a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. It also has a region (hereinafter, also referred to as a channel forming region) in which a channel is formed between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and the source (source terminal, source region or source electrode). A current can flow between the source and the drain through the channel formation region.
  • the channel formation region means a region in which a current mainly flows.
  • the channel length is, for example, the source in the top view of the transistor, the region where the semiconductor (or the portion where the current flows in the semiconductor when the transistor is on) and the gate electrode overlap each other, or the channel formation region.
  • the channel length does not always take the same value in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in the present specification, the channel length is set to any one value, the maximum value, the minimum value, or the average value in the channel formation region.
  • the channel width is, for example, the channel length direction in the region where the semiconductor (or the portion where the current flows in the semiconductor when the transistor is on) and the gate electrode overlap each other in the top view of the transistor, or the channel formation region. Refers to the length of the channel formation region in the vertical direction with reference to. In one transistor, the channel width does not always take the same value in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be fixed to one value. Therefore, in the present specification, the channel width is set to any one value, the maximum value, the minimum value, or the average value in the channel formation region.
  • the channel width in the region where the channel is actually formed (hereinafter, also referred to as “effective channel width”) and the channel width shown in the top view of the transistor. (Hereinafter, also referred to as “apparent channel width”) and may be different.
  • the effective channel width may be larger than the apparent channel width, and the influence thereof may not be negligible.
  • the proportion of the channel forming region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width is larger than the apparent channel width.
  • channel width may refer to an apparent channel width.
  • channel width may refer to an effective channel width.
  • the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, and the like can be determined by analyzing a cross-sectional TEM image or the like.
  • the semiconductor impurities are, for example, other than the main components constituting the semiconductor.
  • an element having a concentration of less than 0.1 atomic% can be said to be an impurity. Due to the inclusion of impurities, for example, the defect level density of the semiconductor may increase or the crystallinity may decrease.
  • the impurities that change the characteristics of the semiconductor include, for example, Group 1 elements, Group 2 elements, Group 13 elements, Group 14 elements, Group 15 elements, and oxide semiconductors.
  • transition metals other than the main component such as hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, and nitrogen. Water may also function as an impurity.
  • the oxide semiconductor to an oxygen vacancy V O: also referred to as oxygen vacancy
  • normally off means that when a potential is not applied to the gate or a ground potential is applied to the gate, the drain current per 1 ⁇ m of the channel width flowing through the transistor is 1 ⁇ 10 ⁇ at room temperature. It means that it is 20 A or less, 1 ⁇ 10 -18 A or less at 85 ° C, or 1 ⁇ 10 -16 A or less at 125 ° C.
  • the high power potential Vdd (hereinafter, also simply referred to as “Vdd”, “H potential”, or “H”) refers to the low power potential Vss (hereinafter, simply “Vss”, “L potential”). , Or also referred to as “L”), indicating a power supply potential with a higher potential. Further, Vss indicates a power supply potential having a potential lower than Vdd.
  • the ground potential can also be used as Vdd or Vss. For example, when Vdd is the ground potential, Vss is a potential lower than the ground potential, and when V stability is the ground potential, Vdd is a potential higher than the ground potential.
  • conductor 240 (conductor 240a and conductor 240b) that is electrically connected to the transistor 200 and functions as a plug.
  • An insulator 241 (insulator 241a and insulator 241b) is provided in contact with the side surface of the conductor 240 that functions as a plug.
  • a conductor 246 (conductor 246a and a conductor 246b) that is electrically connected to the conductor 240 and functions as wiring is provided.
  • a first conductor of 240b is provided, and a second conductor of the conductor 240b is further provided inside.
  • the height of the upper surface of the conductor 240 and the height of the upper surface of the insulator 281 can be made about the same.
  • the transistor 200 shows a configuration in which the first conductor of the conductor 240 and the second conductor of the conductor 240 are laminated, but the present invention is not limited to this.
  • the conductor 240 may be provided as a single layer or a laminated structure having three or more layers. When the structure has a laminated structure, an ordinal number may be given in the order of formation to distinguish them.
  • the oxide 230c has a region in contact with the oxide 230b, a region overlapping with the side surface of the conductor 260 via the insulator 250, and a bottom surface of the conductor 260 via the insulator 250. Has a region that overlaps with.
  • an In-M-Zn oxide having indium, element M and zinc (element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium). , Zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. (one or more) and the like may be used. Further, as the oxide 230, an In—Ga oxide or an In—Zn oxide may be used.
  • the oxide 230a and the oxide 230b and the oxide 230b and the oxide 230c have a common element other than oxygen as a main component.
  • the defect level density at the interface between the oxide 230a and the oxide 230b and the interface between the oxide 230b and the oxide 230c can be lowered. Therefore, the influence of interfacial scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 200 can obtain a large on-current and high frequency characteristics.
  • the conductor 260 has a conductor 260a and a conductor 260b, and the conductor 260a is arranged so as to wrap the bottom surface and the side surface of the conductor 260b.
  • the conductor 260 functions as a first gate (also referred to as a top gate) electrode of the transistor 200.
  • the resistance of the oxide semiconductor may be lowered.
  • the electrical characteristics are liable to fluctuate, and reliability may deteriorate.
  • the impurities include aluminum (Al) and silicon (Si).
  • Aluminum and silicon have higher binding energies with oxygen than indium and zinc.
  • In-M-Zn oxide when aluminum is mixed in the oxide semiconductor, oxygen contained in the oxide semiconductor is deprived by aluminum, so that oxygen is absorbed in the vicinity of indium or zinc. Defects may form.
  • the oxide 230b has a region 231a (not shown in FIG. 3B) in contact with at least a part of the conductor 242a, a region 231b (not shown in FIG. 3B) in contact with at least a part of the conductor 242b, and a region. Between the 231a and the region 231b, there is a region 234 that functions as a channel forming region of the transistor 200.
  • the region 234 has a region in which the oxide 230b and the conductor 260 overlap with each other in the oxide 230b.
  • the region where the oxide 230b and the conductor 242a overlap can be rephrased as the region 231a, and the region where the oxide 230b and the conductor 242b overlap can be rephrased as the region 231b. ..
  • the end portion of the side surface and the end portion of the upper surface are curved (hereinafter, also referred to as a round shape).
  • the radius of curvature on the curved surface is La.
  • La is the height of the upper surface of the oxide 230b in the region where the oxide 230b and the conductor 260 overlap when the lower surface of the insulator 224 is used as a reference in the cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction.
  • the side surface of the oxide 230b it may be regarded as the difference from the height of the lower end portion of the region having the curved surface.
  • the transistor when impurities are mixed in the oxide semiconductor, a defect level or an oxygen defect may be formed. Therefore, when impurities are mixed in the channel formation region of the oxide semiconductor, the electrical characteristics of the transistor using the oxide semiconductor are liable to fluctuate, and the reliability may be deteriorated. Further, when the channel formation region contains oxygen deficiency, the transistor tends to have a normal-on characteristic (a characteristic that a channel exists even if a voltage is not applied to the gate electrode and a current flows through the transistor).
  • the upper surface of the oxide 230b in the region 234 is lower than the upper surface of the oxide 230b in the region overlapping the conductor 242.
  • Lc is preferably larger than 0 nm and smaller than the film thickness of the oxide 230b in the region overlapping the conductor 242.
  • Lc is larger than 0 nm and 15 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 10 nm or less, and more preferably 1 nm or more and 5 nm or less.
  • the effective channel length on the upper surface of the region 234 is L + 2 ⁇ Lc. Therefore, by reducing Lc, it is possible to suppress a decrease in the on-current of the transistor.
  • the amount of film loss on the side surface of the oxide 230b in the region where the oxide 230b and the conductor 260 overlap is defined as We.
  • We is calculated as, for example, the difference between the side surface of the oxide 230b in the region overlapping the conductor 242 and the side surface of the oxide 230b in the region having no curved surface in the cross-sectional view of the transistor 200 in the channel width direction. can do.
  • the difference between the length of the lower surface of the oxide 230b in the region overlapping the conductor 242 and the length of the lower surface of the oxide 230b in the region not overlapping the conductor 242. Can be calculated as half of.
  • x i is the value of Vsh of the i-th transistor (i is an integer of 1 or more and n or less), and ⁇ is the average value of Vsh of n transistors.
  • the standard deviation ⁇ of Vsh is specifically 60 mV or less, preferably 40 mV or less, and more preferably 20 mV or less.
  • the impurity concentration in the channel forming region of the oxide semiconductor and its vicinity can be reduced.
  • the concentration of impurities obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS) in the channel formation region of the oxide semiconductor and its vicinity is preferably 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less. Is 2 ⁇ 10 16 atoms / cm 3 or less.
  • the concentration of impurities obtained by elemental analysis using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) in the channel formation region of the oxide semiconductor and its vicinity is reduced to 1.0 atomic% or less. To do.
  • the concentration ratio of impurities to the element M is set to less than 0.10, preferably less than 0.05 in the channel formation region of the oxide semiconductor and its vicinity. ..
  • the concentration of the element M used when calculating the concentration ratio may be the concentration in the same region as the region in which the concentration of impurities is calculated, or may be the concentration in the oxide semiconductor.
  • the insulator 212, the insulator 214, the insulator 254, the insulator 282, the insulator 283 and the insulator 281 a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, nitric oxide molecule (N 2 O)
  • an insulating material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as NO, NO 2
  • copper atoms the above impurities are difficult to permeate
  • it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one oxygen atom, oxygen molecule, etc.) (the oxygen is difficult to permeate).
  • the transistor 200 is surrounded by an insulator 212, an insulator 214, an insulator 254, an insulator 282, and an insulator 283 having a function of suppressing the diffusion of impurities such as water and hydrogen, and oxygen. Is preferable.
  • the conductor 260 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode. Further, the conductor 205 may function as a second gate electrode. In that case, the threshold voltage (Vth) of the transistor 200 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 205 independently of the potential applied to the conductor 260 without interlocking with it. In particular, by applying a negative potential to the conductor 205, it is possible to increase the Vth of the transistor 200 and reduce the off-current. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 205, the drain current when the potential applied to the conductor 260 is 0 V can be made smaller than when it is not applied.
  • Vth threshold voltage
  • the conductor 205 may be provided larger than the size of the region that does not overlap with the conductor 242a and the conductor 242b of the oxide 230.
  • the conductor 205 is also stretched in a region outside the end portion intersecting the channel width direction of the oxide 230. That is, it is preferable that the conductor 205 and the conductor 260 are superimposed via an insulator on the outside of the side surface of the oxide 230 in the channel width direction.
  • the channel forming region of the oxide 230 is electrically surrounded by the electric field of the conductor 260 that functions as the first gate electrode and the electric field of the conductor 205 that functions as the second gate electrode. Can be done.
  • the structure of the transistor that electrically surrounds the channel forming region by the electric fields of the first gate and the second gate is referred to as a surroundd channel (S-channel) structure.
  • the transistor having the S-channel structure represents the structure of the transistor that electrically surrounds the channel forming region by the electric fields of one and the other of the pair of gate electrodes.
  • the side surface and the periphery of the oxide 230 in contact with the conductor 242a and the conductor 242b functioning as the source electrode and the drain electrode are said to be type I as in the channel forming region. It has characteristics. Further, since the side surface and the periphery of the oxide 230 in contact with the conductor 242a and the conductor 242b are in contact with the insulator 280, they can be type I as in the channel formation region.
  • type I can be treated as the same as high-purity authenticity described later.
  • the S-channel structure disclosed in the present specification and the like is different from the Fin type structure and the planar type structure. By adopting the S-channel structure, it is possible to increase the resistance to the short-channel effect, in other words, to make a transistor in which the short-channel effect is unlikely to occur.
  • the conductor 205 is stretched to function as wiring.
  • the present invention is not limited to this, and a conductor that functions as wiring may be provided under the conductor 205. Further, it is not always necessary to provide one conductor 205 for each transistor. For example, the conductor 205 may be shared by a plurality of transistors.
  • the conductor 205 shows a configuration in which the conductor 205a and the conductor 205b are laminated, but the present invention is not limited to this.
  • the conductor 205 may be provided as a single layer or a laminated structure having three or more layers. When the structure has a laminated structure, an ordinal number may be given in the order of formation to distinguish them.
  • the conductor 205a By using a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for the conductor 205a, it is possible to prevent the conductor 205b from being oxidized and the conductivity from being lowered.
  • the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used. Therefore, as the conductor 205a, the conductive material may be a single layer or a laminated material.
  • the conductor 205a may be a laminate of tantalum, tantalum nitride, ruthenium, or ruthenium oxide and titanium or titanium nitride.
  • the conductor 205b it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • the conductor 205b is shown as a single layer, it may have a laminated structure, for example, titanium or titanium nitride may be laminated with the conductive material.
  • the insulator 222 it is preferable to use an insulator containing oxides of one or both of aluminum and hafnium, which are insulating materials.
  • the insulator it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate) and the like.
  • the insulator 222 releases oxygen from the oxide 230 to the substrate side and diffuses impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 200 to the oxide 230. Functions as a layer that suppresses.
  • the insulator 222 it is possible to suppress the diffusion of impurities such as hydrogen into the inside of the transistor 200 and suppress the generation of oxygen deficiency in the oxide 230. Further, it is possible to suppress the conductor 205 from reacting with the oxygen contained in the insulator 224 and the oxide 230.
  • aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, and zirconium oxide may be added to the insulator.
  • these insulators may be nitrided.
  • the insulator 222 may be used by laminating silicon oxide, silicon oxide or silicon nitride on these insulators.
  • the insulator 222 includes, for example, aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTIO 3 ), (Ba, Sr) TiO 3 (BST) and the like. Insulators containing so-called high-k materials may be used in single layers or in layers. As the miniaturization and high integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to the thinning of the gate insulator. By using a high-k material for an insulator that functions as a gate insulator, it is possible to reduce the gate potential during transistor operation while maintaining the physical film thickness.
  • the insulator 224 in contact with the oxide 230 preferably desorbs oxygen by heating.
  • the insulator 224 silicon oxide, silicon oxide nitride, or the like may be appropriately used.
  • Oxygen that desorbs oxygen by heating is an oxide having a desorption amount of oxygen molecules of 1.0 ⁇ 10 18 molecules / cm 3 or more, preferably 1.0 ⁇ 10 19 molecules, as determined by TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) analysis. It is an oxide film having a / cm 3 or more, more preferably 2.0 ⁇ 10 19 molecules / cm 3 or more, or 3.0 ⁇ 10 20 molecules / cm 3 or more.
  • the surface temperature of the film during the TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, or 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
  • the insulator having the excess oxygen region and the oxide 230 may be brought into contact with each other to perform one or more of heat treatment, microwave treatment, or RF (Radio Frequency) treatment.
  • heat treatment microwave treatment
  • RF Radio Frequency
  • water or hydrogen in the oxide 230 can be removed.
  • a reaction bond defects that contains hydrogen to an oxygen vacancy (V O H) is cut occurs, a reaction occurs that when other words "V O H ⁇ V O + H", dehydrogenation Can be transformed into.
  • the hydrogen generated as oxygen combines with H 2 O, it may be removed from the oxide 230 or oxide 230 near the insulator.
  • a part of hydrogen may be diffused or captured (also referred to as gettering) in the conductor 242.
  • oxygen and argon are used as the gas to be introduced into the apparatus for performing microwave treatment, and the oxygen flow rate ratio (O 2 / (O 2 + Ar)) is 50% or less, preferably 10% or more and 30. It is recommended to use less than%.
  • the heat treatment may be performed, for example, at 100 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, more preferably 350 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
  • the heat treatment is carried out in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas, or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas.
  • the heat treatment is preferably performed in an oxygen atmosphere.
  • oxygen can be supplied to the oxide 230 to reduce oxygen deficiency ( VO ).
  • the heat treatment may be performed in a reduced pressure state.
  • the heat treatment may be carried out in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of oxidizing gas in order to supplement the desorbed oxygen after the heat treatment in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas.
  • the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of the oxidizing gas, and then the heat treatment may be continuously performed in an atmosphere of nitrogen gas or an inert gas.
  • the insulator 222 and the insulator 224 may have a laminated structure of two or more layers.
  • the laminated structure is not limited to the same material, and may be a laminated structure made of different materials.
  • the oxide 230 preferably has a laminated structure of a plurality of oxide layers having different chemical compositions.
  • the atomic number ratio of the element M to the metal element as the main component is the ratio of the element M to the metal element as the main component in the metal oxide used for the oxide 230b. It is preferably larger than the atomic number ratio.
  • the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230b.
  • the atomic number ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic number ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230a.
  • the oxide 230c a metal oxide that can be used for the oxide 230a or the oxide 230b can be used.
  • In-Zn oxide for the oxide 230.
  • In-Zn oxide for the oxide 230, for example, a laminated structure using In-Zn oxide for the oxide 230a and In-M-Zn oxide for the oxide 230b and the oxide 230c, or oxidation. Examples thereof include a laminated structure in which an In—M—Zn oxide is used for the object 230a and an In—Zn oxide is used for either the oxide 230b or the oxide 230c.
  • the lower end of the conduction band changes gently.
  • the lower end of the conduction band at the junction of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c is continuously changed or continuously bonded.
  • the oxide 230a and the oxide 230b and the oxide 230b and the oxide 230c have a common element as a main component other than oxygen, a mixed layer having a low defect level density can be formed. ..
  • the oxide 230b is an In-Ga-Zn oxide, In-Ga-Zn oxide, Ga-Zn oxide, gallium oxide or the like may be used as the oxide 230a and the oxide 230c.
  • the above atomic number ratio is not limited to the atomic number ratio of the formed metal oxide, but is the atomic number ratio of the sputtering target used for forming the metal oxide. It may be.
  • Examples of the conductors 242 include nitrides containing tantalum, nitrides containing titanium, nitrides containing molybdenum, nitrides containing tungsten, and nitrides containing tantalum and aluminum. It is preferable to use a nitride containing titanium and aluminum. In one aspect of the invention, tantalum-containing nitrides are particularly preferred. Further, for example, ruthenium oxide, ruthenium nitride, an oxide containing strontium and ruthenium, an oxide containing lantern and nickel, and the like may be used. These materials are preferable because they are conductive materials that are difficult to oxidize or materials that maintain conductivity even when oxygen is absorbed.
  • hydrogen contained in the oxide 230b or the like may diffuse into the conductor 242a or the conductor 242b.
  • hydrogen contained in the oxide 230b or the like may diffuse into the conductor 242a or the conductor 242b.
  • hydrogen contained in the oxide 230b or the like is easily diffused to the conductor 242a or the conductor 242b, and the diffused hydrogen is the conductor. It may bind to the nitrogen contained in the 242a or the conductor 242b. That is, hydrogen contained in the oxide 230b or the like may be absorbed by the conductor 242a or the conductor 242b.
  • the insulator 254 is preferably formed by a sputtering method.
  • oxygen can be added to the vicinity of the region of the insulator 224 in contact with the insulator 254.
  • oxygen can be supplied from the region into the oxide 230 via the insulator 224.
  • the insulator 254 has a function of suppressing the diffusion of oxygen upward, it is possible to prevent oxygen from diffusing from the oxide 230 to the insulator 280.
  • the insulator 222 has a function of suppressing the diffusion of oxygen downward, it is possible to prevent oxygen from diffusing from the oxide 230 toward the substrate side. In this way, oxygen is supplied to the channel forming region of the oxide 230. As a result, the oxygen deficiency of the oxide 230 can be reduced and the normalization of the transistor can be suppressed.
  • the insulator 254 for example, an insulator containing aluminum nitride may be used. As a result, a film having excellent insulating properties and excellent thermal conductivity can be formed, so that the heat dissipation of heat generated when the transistor 200 is driven can be enhanced. Further, silicon nitride, silicon nitride oxide and the like can also be used.
  • the insulator 254 can have a multi-layer structure having two or more layers.
  • the film formation of the lower layer and the upper layer of the insulator 254 can be performed by using the above method, and the film formation of the lower layer and the upper layer of the insulator 254 can be performed.
  • the same method may be used, or different methods may be used.
  • the lower layer of the insulator 254 may be formed by a sputtering method in an atmosphere containing oxygen, and then the upper layer of the insulator 254 may be formed by using the ALD method. Since the ALD method is a film forming method having good coverage, it is possible to prevent the formation of step breaks or the like due to the unevenness of the first layer.
  • the above materials can be used for the lower layer and the upper layer of the insulator 254, and the lower layer and the upper layer of the insulator 254 may be the same material or different materials.
  • it may be a laminated structure of silicon oxide, silicon oxide nitride, silicon nitride or silicon nitride, and an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen.
  • an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen for example, an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium can be used.
  • the insulator 250 functions as a gate insulator.
  • the insulator 250 is preferably arranged in contact with at least a part of the oxide 230c.
  • the insulator 250 includes silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide added with fluorine, silicon oxide added with carbon, silicon oxide added with carbon and nitrogen, silicon oxide having pores, and the like. Can be used. In particular, silicon oxide and silicon nitride nitride are preferable because they are stable against heat.
  • the insulator 250 is preferably formed by using an insulator that releases oxygen by heating.
  • an insulator that releases oxygen by heating as an insulator 250 in contact with at least a part of the oxide 230c, oxygen can be effectively supplied to the channel forming region of the oxide 230b, and the oxide 230b can be provided with oxygen. Oxygen deficiency in the channel formation region can be reduced. Therefore, it is possible to provide a transistor that suppresses fluctuations in electrical characteristics, has stable electrical characteristics, and has improved reliability.
  • the concentration of impurities such as water and hydrogen in the insulator 250 is reduced.
  • the film thickness of the insulator 250 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.
  • the insulator 250 is shown as a single layer in FIG. 1, it may have a laminated structure of two or more layers.
  • the lower layer of the insulator 250 is formed by using an insulator that releases oxygen by heating, and the upper layer of the insulator 250 has a function of suppressing the diffusion of oxygen. It is preferable to form using an insulator having. With such a configuration, oxygen contained in the lower layer of the insulator 250 can be suppressed from diffusing into the conductor 260. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 230. Further, it is possible to suppress the oxidation of the conductor 260 by oxygen contained in the lower layer of the insulator 250.
  • the lower layer of the insulator 250 can be provided by using a material that can be used for the insulator 250 described above, and the upper layer of the insulator 250 can be provided by using the same material as the insulator 222.
  • an insulating material which is a high-k material having a high relative permittivity may be used for the upper layer of the insulator 250.
  • the gate insulator By forming the gate insulator into a laminated structure of the lower layer of the insulator 250 and the upper layer of the insulator 250, it is possible to obtain a laminated structure that is stable against heat and has a high relative permittivity. Therefore, it is possible to reduce the gate potential applied during transistor operation while maintaining the physical film thickness of the gate insulator.
  • the equivalent oxide film thickness (EOT) of the insulator that functions as the gate insulator can be thinned.
  • a thing or a metal oxide that can be used as the oxide 230 can be used.
  • a metal oxide may be provided between the insulator 250 and the conductor 260.
  • the metal oxide preferably suppresses the diffusion of oxygen from the insulator 250 to the conductor 260.
  • the diffusion of oxygen from the insulator 250 to the conductor 260 is suppressed. That is, it is possible to suppress a decrease in the amount of oxygen supplied to the oxide 230.
  • the oxidation of the conductor 260 by oxygen of the insulator 250 can be suppressed.
  • the metal oxide preferably has a function as a part of the first gate electrode.
  • a metal oxide that can be used as the oxide 230 can be used as the metal oxide.
  • the conductor 260a into a film by a sputtering method, the electric resistance value of the metal oxide can be lowered to form a conductor.
  • This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.
  • it can be used as the metal oxide by lowering the resistance of the oxide semiconductor that can be used for the oxide 230.
  • the upper layer of the insulator 250 and / or the metal oxide By having the upper layer of the insulator 250 and / or the metal oxide, it is possible to improve the on-current of the transistor 200 without weakening the influence of the electric field from the conductor 260. Further, by keeping the distance between the conductor 260 and the oxide 230 due to the physical thickness of the insulator 250 and the metal oxide, the leakage current between the conductor 260 and the oxide 230 is maintained. Can be suppressed. Further, by providing the laminated structure of the insulator 250 and the metal oxide, the physical distance between the conductor 260 and the oxide 230 and the electric field strength applied from the conductor 260 to the oxide 230 can be determined. It can be easily adjusted as appropriate.
  • the conductor 260a it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as hydrogen atom, hydrogen molecule, water molecule, nitrogen atom, nitrogen molecule, nitrogen oxide molecule and copper atom.
  • impurities such as hydrogen atom, hydrogen molecule, water molecule, nitrogen atom, nitrogen molecule, nitrogen oxide molecule and copper atom.
  • a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one oxygen atom, oxygen molecule, etc.
  • the conductor 260a has a function of suppressing the diffusion of oxygen, it is possible to prevent the conductor 260b from being oxidized by the oxygen contained in the insulator 250 to reduce the conductivity.
  • the conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide and the like are preferably used.
  • the upper surface of the conductor 260 substantially coincides with the upper surface of the insulator 250 and the upper surface of the oxide 230c.
  • the height is preferably lower than the height of the bottom surface of the oxide 230b.
  • the conductor 260 which functions as a gate electrode, covers the side surface and the upper surface of the channel forming region of the oxide 230b via an insulator 250 or the like, so that the electric field of the conductor 260 is covered with the channel forming region of the oxide 230b. It becomes easier to act on the whole. Therefore, the on-current of the transistor 200 can be increased and the frequency characteristics can be improved.
  • the difference is 0 nm or more and 100 nm or less, preferably 3 nm or more and 50 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 20 nm or less.
  • the insulator 280 is provided on the insulator 224, the oxide 230a, the oxide 230b, the conductor 242, and the insulator 254. Further, the upper surface of the insulator 280 may be flattened.
  • the insulator 280 that functions as an interlayer film preferably has a low dielectric constant.
  • a material having a low dielectric constant as an interlayer film, it is possible to reduce the parasitic capacitance generated between the wirings.
  • the insulator 280 is provided by using the same material as the insulator 216, for example.
  • silicon oxide and silicon oxide nitride are preferable because they are thermally stable.
  • materials such as silicon oxide, silicon oxide nitride, and silicon oxide having pores are preferable because a region containing oxygen desorbed by heating can be easily formed.
  • the concentration of impurities such as water and hydrogen in the insulator 280 is reduced.
  • the insulator 280 preferably has a low hydrogen concentration and an excess oxygen region or an excess oxygen, and may be provided by using the same material as the insulator 216, for example.
  • the insulator 280 may have a structure in which the above materials are laminated, and is formed by, for example, silicon oxide formed by a sputtering method and a chemical vapor deposition (CVD) method laminated on the silicon oxide. It may be a laminated structure of filmed silicon oxide. Further, silicon nitride may be further laminated on top of it.
  • the insulator 274 that functions as an interlayer film on the insulator 282.
  • the insulator 274 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film.
  • the conductor 240a and the conductor 240b it is preferable to use a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component. Further, the conductor 240a and the conductor 240b may have a laminated structure.
  • the conductive material By using the conductive material, it is possible to prevent oxygen added to the insulator 280 from being absorbed by the conductor 240a and the conductor 240b. In addition, impurities such as water and hydrogen contained in the layer above the insulator 281 can be suppressed from being mixed into the oxide 230 through the conductor 240a and the conductor 240b.
  • an insulator such as silicon nitride, aluminum oxide, or silicon nitride may be used. Since the insulator 241a and the insulator 241b are provided in contact with the insulator 254, impurities such as water and hydrogen contained in the insulator 280 and the like are prevented from being mixed into the oxide 230 through the conductor 240a and the conductor 240b. It can be suppressed.
  • silicon nitride is suitable because it has a high blocking property against hydrogen. Further, it is possible to prevent oxygen contained in the insulator 280 from being absorbed by the conductor 240a and the conductor 240b.
  • an insulator substrate for example, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used.
  • the insulator substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (yttria-stabilized zirconia substrate, etc.), a resin substrate, and the like.
  • the semiconductor substrate include a semiconductor substrate made of silicon, germanium and the like, and a compound semiconductor substrate made of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide and gallium oxide.
  • the conductor substrate includes a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, and a conductive resin substrate.
  • a substrate having a metal nitride a substrate having a metal oxide, and the like.
  • a substrate in which a conductor or a semiconductor is provided in an insulator substrate a substrate in which a conductor or an insulator is provided in a semiconductor substrate, a substrate in which a semiconductor or an insulator is provided in a conductor substrate, and the like.
  • those substrates provided with elements may be used.
  • Elements provided on the substrate include capacitive elements, resistance elements, switch elements, light emitting elements, storage elements, and the like.
  • Insulator examples include oxides, nitrides, oxide nitrides, nitride oxides, metal oxides, metal oxide nitrides, and metal nitride oxides having insulating properties.
  • Examples of the insulator having a high specific dielectric constant include gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, oxides having aluminum and hafnium, nitrides having aluminum and hafnium, oxides having silicon and hafnium, silicon and hafnium. There are nitrides having oxides, or nitrides having silicon and hafnium.
  • Examples of insulators having a low relative permittivity include silicon oxide, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon oxide with fluorine added, silicon oxide with carbon added, silicon oxide with carbon and nitrogen added, and empty. There are silicon oxide having holes, resin, and the like.
  • the electric characteristics of the transistor can be stabilized by surrounding the transistor using the metal oxide with an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen.
  • the insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, and zirconium. Insulators containing, lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used in single layers or in layers.
  • an insulator having a function of suppressing the permeation of impurities such as hydrogen and oxygen
  • Metal oxides such as tantalum oxide and metal nitrides such as aluminum nitride, silicon nitride and silicon nitride can be used.
  • the insulator that functions as a gate insulator is preferably an insulator having a region containing oxygen that is desorbed by heating.
  • the oxygen deficiency of the oxide 230 can be compensated.
  • Conductors include aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium, iridium, strontium, and lanthanum. It is preferable to use a metal element selected from the above, an alloy containing the above-mentioned metal element as a component, an alloy in which the above-mentioned metal element is combined, or the like.
  • tantalum nitride, titanium nitride, tungsten, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, oxides containing lanthanum and nickel, etc. are used. Is preferable.
  • tantalum nitride, titanium nitride, nitrides containing titanium and aluminum, nitrides containing tantalum and aluminum, ruthenium oxide, ruthenium nitride, oxides containing strontium and ruthenium, and oxides containing lanthanum and nickel are difficult to oxidize.
  • the conductor functioning as the gate electrode shall have a laminated structure in which the above-mentioned material containing a metal element and a conductive material containing oxygen are combined. Is preferable.
  • a conductive material containing oxygen may be provided on the channel forming region side.
  • the conductor that functions as the gate electrode it is preferable to use a conductive material containing a metal element and oxygen contained in the metal oxide in which the channel is formed.
  • the above-mentioned conductive material containing a metal element and nitrogen may be used.
  • a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride and tantalum nitride may be used.
  • indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, and silicon were added.
  • Indium tin oxide may be used.
  • indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used.
  • the metal oxide is an In-M-Zn oxide having indium, the element M, and zinc.
  • the element M is aluminum, gallium, yttrium, or tin.
  • elements applicable to the other element M include boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, and magnesium.
  • the element M a plurality of the above-mentioned elements may be combined in some cases.
  • a metal oxide having nitrogen may also be generically referred to as a metal oxide. Further, a metal oxide having nitrogen may be referred to as a metal oxynitride.
  • CAAC-OS has a c-axis orientation and has a distorted crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction.
  • the strain refers to a region in which a plurality of nanocrystals are connected, in which the orientation of the lattice arrangement changes between a region in which the lattice arrangement is aligned and a region in which another lattice arrangement is aligned.
  • nanocrystals are basically hexagonal, they are not limited to regular hexagons and may have non-regular hexagons. Further, in distortion, it may have a lattice arrangement such as a pentagon or a heptagon.
  • CAAC-OS it is difficult to confirm a clear grain boundary even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the formation of grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because CAAC-OS can tolerate distortion because the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to substitution of metal elements. Because.
  • CAAC-OS is a layered crystal in which a layer having indium and oxygen (hereinafter, In layer) and a layer having elements M, zinc, and oxygen (hereinafter, (M, Zn) layer) are laminated. It tends to have a structure (also called a layered structure). Indium and the element M can be replaced with each other, and when the element M of the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can be expressed as the (In, M, Zn) layer. Further, when the indium of the In layer is replaced with the element M, it can be expressed as the (In, M) layer.
  • the nc-OS has periodicity in the atomic arrangement in a minute region (for example, a region of 1 nm or more and 10 nm or less, particularly a region of 1 nm or more and 3 nm or less).
  • nc-OS does not show regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, nc-OS may be indistinguishable from a-like OS and amorphous oxide semiconductors depending on the analysis method.
  • In-Ga-Zn oxide which is a kind of metal oxide having indium, gallium, and zinc, may have a stable structure by forming the above-mentioned nanocrystals. is there.
  • IGZO tends to have difficulty in crystal growth in the atmosphere, it is recommended to use smaller crystals (for example, the above-mentioned nanocrystals) than large crystals (here, a few mm crystal or a few cm crystal). However, it may be structurally stable.
  • the a-like OS is a metal oxide having a structure between the nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.
  • the a-like OS has a void or low density region. That is, the a-like OS has lower crystallinity than the nc-OS and CAAC-OS.
  • Oxide semiconductors have various structures, and each has different characteristics.
  • the oxide semiconductor of one aspect of the present invention may have two or more of amorphous oxide semiconductor, polycrystalline oxide semiconductor, a-like OS, nc-OS, and CAAC-OS.
  • a transistor using a metal oxide fluctuates its electrical characteristics due to impurities and oxygen deficiency in the metal oxide, and has normal-on characteristics (channels exist even if no voltage is applied to the gate electrode, and current is applied to the transistor. (Characteristics of flowing). Further, when the transistor is driven in a state where the metal oxide contains excess oxygen exceeding an appropriate amount value, the valence of the excess oxygen atom changes and the electrical characteristics of the transistor fluctuate. , May be unreliable.
  • the carrier concentration of the metal oxide in the channel formation region is preferably 1 ⁇ 10 18 cm -3 or less, more preferably 1 ⁇ 10 17 cm -3 or less, and 1 ⁇ 10 16 cm -3. It is more preferably less than 1 ⁇ 10 13 cm -3 , further preferably less than 1 ⁇ 10 12 cm -3 .
  • the lower limit of the carrier concentration of the metal oxide in the channel formation region is not particularly limited, but may be, for example, 1 ⁇ 10 -9 cm -3 .
  • impurities in the metal oxide include hydrogen, nitrogen, alkali metal, alkaline earth metal, iron, nickel, silicon and the like.
  • hydrogen contained in a metal oxide reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, which may form an oxygen deficiency in the metal oxide. If the channel forming region in the metal oxide contains oxygen deficiency, the transistor may have a normally-on characteristic.
  • oxygen vacancies and hydrogen combine to form a V O H. Defects containing hydrogen to an oxygen vacancy (V O H) serves as a donor, sometimes electrons serving as carriers are generated.
  • a part of hydrogen may be combined with oxygen that is bonded to a metal atom to generate an electron as a carrier. Therefore, a transistor using a metal oxide containing a large amount of hydrogen tends to have a normally-on characteristic. Further, since hydrogen in the metal oxide is easily moved by stress such as heat and electric field, if the metal oxide contains a large amount of hydrogen, the reliability of the transistor may be deteriorated.
  • the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 ⁇ 10 18 atoms / cm. Less than 3 , more preferably less than 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
  • the defect level may include a trap level.
  • the charge captured at the trap level of the metal oxide takes a long time to disappear and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor having a metal oxide having a high trap level density in the channel forming region may have unstable electrical characteristics.
  • the crystallinity of the channel forming region may be lowered, or the crystallinity of the oxide provided in contact with the channel forming region may be lowered. Poor crystallinity in the channel formation region tends to reduce the stability or reliability of the transistor. Further, if the crystallinity of the oxide provided in contact with the channel forming region is low, an interface state may be formed and the stability or reliability of the transistor may be deteriorated.
  • Impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like. Since the metal oxide having a reduced impurity concentration has a low defect level density, the trap level density may also be low.
  • the semiconductor material that can be used for the oxide 230 is not limited to the above-mentioned metal oxide.
  • a semiconductor material having a bandgap (a semiconductor material that is not a zero-gap semiconductor) may be used.
  • a semiconductor of a single element such as silicon, a compound semiconductor such as gallium arsenide, a layered substance (also referred to as an atomic layer substance, a two-dimensional material, or the like) that functions as a semiconductor as a semiconductor material.
  • a layered substance also referred to as an atomic layer substance, a two-dimensional material, or the like
  • the layered substance is a general term for a group of materials having a layered crystal structure.
  • a layered crystal structure is a structure in which layers formed by covalent bonds or ionic bonds are laminated via bonds weaker than covalent bonds or ionic bonds, such as van der Waals forces.
  • the layered material has high electrical conductivity in the unit layer, that is, high two-dimensional electrical conductivity.
  • Layered materials include graphene, silicene, chalcogenides and the like.
  • a chalcogenide is a compound containing a chalcogen.
  • chalcogen is a general term for elements belonging to Group 16, and includes oxygen, sulfur, selenium, tellurium, polonium, and livermorium.
  • Examples of chalcogenides include transition metal chalcogenides and group 13 chalcogenides.
  • oxide 230 for example, it is preferable to use a transition metal chalcogenide that functions as a semiconductor.
  • Specific transition metal chalcogenides applicable as oxide 230 include molybdenum sulfide (typically MoS 2 ), molybdenum selenate (typically MoSe 2 ), and molybdenum tellurium (typically MoTe 2 ).
  • Tungsten sulfide typically WS 2
  • Tungsten disulfide typically WSe 2
  • Tungsten tellurium typically WTe 2
  • Hafnium sulfide typically HfS 2
  • Hafnium serene typically typically
  • Typical examples include HfSe 2 ), zirconium sulfide (typically ZrS 2 ), and zirconium selenium (typically ZrSe 2 ).
  • a substrate (not shown) is prepared, and an insulator 212 is formed on the substrate.
  • the film of the insulator 212 can be formed by using a sputtering method, a CVD method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, a pulse laser deposition (PLD: Pulsed Laser Deposition) method, an ALD method, or the like.
  • the CVD method can be classified into a plasma CVD (PECVD: Plasma Enhanced CVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD: Thermal CVD) method using heat, an optical CVD (Photo CVD) method using light, and the like. .. Further, it can be divided into a metal CVD (MCVD: Metal CVD) method and an organic metal CVD (MOCVD: Metal organic CVD) method depending on the raw material gas used.
  • PECVD Plasma Enhanced CVD
  • TCVD Thermal CVD
  • Photo CVD Photo CVD
  • MCVD Metal CVD
  • MOCVD Metal organic CVD
  • the plasma CVD method can obtain a high quality film at a relatively low temperature. Further, since the thermal CVD method does not use plasma, it is a film forming method capable of reducing plasma damage to the object to be processed. For example, wiring, electrodes, elements (transistors, capacitive elements, etc.) and the like included in a semiconductor device may be charged up by receiving electric charges from plasma. At this time, the accumulated electric charge may destroy the wiring, electrodes, elements, and the like included in the semiconductor device. On the other hand, in the case of the thermal CVD method that does not use plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of the semiconductor device can be increased. Further, in the thermal CVD method, plasma damage does not occur during film formation, so that a film having few defects can be obtained.
  • the ALD method utilizes the self-regulating properties of atoms and allows atoms to be deposited layer by layer, so ultra-thin film formation is possible, and film formation into structures with a high aspect ratio is possible. It has the effects of being able to form a film with few defects such as holes, being able to form a film with excellent coverage, and being able to form a film at a low temperature.
  • the ALD method also includes a PEALD (Plasma Enhanced ALD) method using plasma. By using plasma, it is possible to form a film at a lower temperature, which may be preferable.
  • Some precursors used in the ALD method contain impurities such as carbon.
  • the film provided by the ALD method may contain a large amount of impurities such as carbon as compared with the film provided by other film forming methods.
  • the quantification of impurities can be performed by using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy).
  • the CVD method and the ALD method are different from the film forming method in which particles emitted from a target or the like are deposited, and are film forming methods in which a film is formed by a reaction on the surface of an object to be treated. Therefore, it is a film forming method that is not easily affected by the shape of the object to be treated and has good step coverage.
  • the ALD method has excellent step covering property and excellent thickness uniformity, and is therefore suitable for covering the surface of an opening having a high aspect ratio.
  • the ALD method since the ALD method has a relatively slow film forming rate, it may be preferable to use it in combination with another film forming method such as a CVD method having a high film forming rate.
  • the composition of the obtained film can be controlled by the flow rate ratio of the raw material gas.
  • a film having an arbitrary composition can be formed depending on the flow rate ratio of the raw material gas.
  • a film having a continuously changed composition can be formed by changing the flow rate ratio of the raw material gas while forming the film.
  • silicon nitride is formed as the insulator 212 by the CVD method.
  • an insulator such as silicon nitride that is difficult for copper to permeate as the insulator 212, even if a metal such as copper that easily diffuses is used for the conductor in the lower layer (not shown) of the insulator 212.
  • an insulator such as silicon nitride which is difficult for impurities such as water and hydrogen to permeate, diffusion of impurities such as water and hydrogen contained in the layer below the insulator 212 can be suppressed.
  • the insulator 216 is formed on the insulator 214.
  • the film formation of the insulator 216 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an opening is formed in the insulator 216 to reach the insulator 214.
  • the opening also includes, for example, a groove or a slit. Further, the region where the opening is formed may be referred to as an opening. Wet etching may be used to form the openings, but dry etching is preferable for microfabrication.
  • the insulator 214 it is preferable to select an insulator that functions as an etching stopper film when the insulator 216 is etched to form a groove. For example, when silicon oxide is used for the insulator 216 forming the groove, silicon nitride, aluminum oxide, or hafnium oxide may be used for the insulator 214.
  • a capacitively coupled plasma (CCP: Capacitively Coupled Plasma) etching apparatus having parallel plate type electrodes can be used.
  • the capacitively coupled plasma etching apparatus having the parallel plate type electrodes may be configured to apply a high frequency voltage to one of the parallel plate type electrodes.
  • a plurality of different high frequency voltages may be applied to one of the parallel plate type electrodes.
  • a high frequency voltage having the same frequency may be applied to each of the parallel plate type electrodes.
  • a high frequency voltage having a different frequency may be applied to each of the parallel plate type electrodes.
  • a dry etching apparatus having a high-density plasma source can be used.
  • an inductively coupled plasma (ICP: Inductively Coupled Plasma) etching apparatus or the like can be used.
  • a conductive film to be a conductor 205a is formed. It is desirable that the conductive film contains a conductor having a function of suppressing the permeation of oxygen.
  • a conductor having a function of suppressing the permeation of oxygen For example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride and the like can be used. Alternatively, it can be a laminated film of a conductor having a function of suppressing oxygen permeation and a tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper or molybdenum tungsten alloy.
  • the film formation of the conductive film can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the conductive film to be the conductor 205a has a multilayer structure.
  • tantalum nitride is formed into a film by a sputtering method, and titanium nitride is laminated on the tantalum nitride.
  • a metal nitride in the lower layer of the conductor 205b, even if a easily diffusible metal such as copper is used as the conductive film to be the conductor 205b described later, the metal diffuses out from the conductor 205a. Can be prevented.
  • a conductive film to be the conductor 205b is formed.
  • the film formation of the conductive film can be performed by using a plating method, a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a low resistance conductive material such as copper is formed as a conductive film to be the conductor 205b.
  • the CMP treatment is performed to remove a part of the conductive film to be the conductor 205a and a part of the conductive film to be the conductor 205b, and expose the insulator 216.
  • the conductor 205a and the conductor 205b remain only in the opening.
  • the conductor 205 having a flat upper surface can be formed (see FIG. 4).
  • a part of the insulator 216 may be removed by the CMP treatment.
  • the conductor 205 is formed so as to be embedded in the opening of the insulator 216, but the present embodiment is not limited to this.
  • a conductor 205 is formed on the insulator 214, an insulator 216 is formed on the insulator 205, and the insulator 216 is subjected to CMP treatment to remove a part of the insulator 216 and to remove the conductor.
  • the surface of 205 may be exposed.
  • the insulator 222 is formed on the insulator 216 and the conductor 205.
  • an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be formed.
  • the insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), and the like. Insulators containing oxides of one or both of aluminum and hafnium have barrier properties against oxygen, hydrogen, and water.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B are formed on the insulator 224 in this order (see FIG. 4). It is preferable that the oxide film 230A and the oxide film 230B are continuously formed without being exposed to the atmospheric environment. By forming the film without opening it to the atmosphere, it is possible to prevent impurities or moisture from the atmospheric environment from adhering to the oxide film 230A and the oxide film 230B, and the vicinity of the interface between the oxide film 230A and the oxide film 230B can be prevented. Can be kept clean.
  • the oxide film 230B is formed by a sputtering method, if the ratio of oxygen contained in the sputtering gas is more than 30% and 100% or less, preferably 70% or more and 100% or less, the oxygen excess type oxidation A physical semiconductor is formed. Transistors using oxygen-rich oxide semiconductors in the channel formation region can obtain relatively high reliability. However, one aspect of the present invention is not limited to this.
  • the oxide film 230B is formed by a sputtering method and the ratio of oxygen contained in the sputtering gas is 1% or more and 30% or less, preferably 5% or more and 20% or less, an oxygen-deficient oxide semiconductor is formed. To. A transistor using an oxygen-deficient oxide semiconductor in the channel formation region can obtain a relatively high field-effect mobility. Further, the crystallinity of the oxide film can be improved by forming a film while heating the substrate.
  • the resist mask can be removed by performing a dry etching process such as ashing, performing a wet etching process, performing a wet etching process after the dry etching process, or performing a dry etching process after the wet etching process.
  • a dry etching process such as ashing, performing a wet etching process, performing a wet etching process after the dry etching process, or performing a dry etching process after the wet etching process.
  • the oxide 230a, the oxide 230b, and the conductive layer 242B are formed so that at least a part thereof overlaps with the conductor 205. Further, it is preferable that the side surfaces of the oxide 230a, the oxide 230b, and the conductive layer 242B are substantially perpendicular to the upper surface of the insulator 222. Since the side surfaces of the oxide 230a, the oxide 230b, and the conductive layer 242B are substantially perpendicular to the upper surface of the insulator 222, it is possible to reduce the area and increase the density when a plurality of transistors 200 are provided. Become.
  • a curved surface is provided between the side surface of the conductive layer 242B and the upper surface of the conductive layer 242B. That is, it is preferable that the end portion of the side surface and the end portion of the upper surface are curved.
  • the curved surface has, for example, a radius of curvature of 3 nm or more and 10 nm or less, preferably 5 nm or more and 6 nm or less at the end of the conductive layer 242B.
  • the insulating film is subjected to CMP treatment to form an insulator 280 having a flat upper surface (see FIG. 6).
  • the heat treatment may be performed while maintaining the reduced pressure state after the microwave treatment.
  • hydrogen in the insulator 280, the oxide 230b, and the oxide 230a can be efficiently removed.
  • the heat treatment temperature is preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower.
  • the oxide 230b in the region overlapping the opening.
  • the amount of film loss in the region corresponds to Lc shown in FIG. 3B.
  • the oxide 230b it is preferable to remove a part of the side surface of the oxide 230b in the region overlapping the opening.
  • the amount of film loss in the region corresponds to We shown in FIG. 3B.
  • a part of the insulator 280, a part of the insulating film 254A, and a part of the conductive layer 242B may be processed under different conditions.
  • a part of the insulator 280 may be processed by a dry etching method
  • a part of the insulating film 254A may be processed by a wet etching method
  • a part of the conductive layer 242B may be processed by a dry etching method.
  • a cleaning treatment may be performed in order to remove the above impurities and the like.
  • the cleaning method include wet cleaning using a cleaning liquid, plasma treatment using plasma, cleaning by heat treatment, and the like, and the above cleanings may be appropriately combined.
  • the cleaning treatment may be performed using an aqueous solution obtained by diluting ammonia water, oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid or the like with carbonated water or pure water, pure water, carbonated water or the like. Further, ultrasonic cleaning may be performed using these aqueous solutions, pure water, or carbonated water. Moreover, you may perform these washings in combination as appropriate.
  • the oxide film 230C may be laminated.
  • a film may be formed using an oxide target having a [atomic number ratio].
  • a part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the oxide 230a and the oxide 230b.
  • a part of oxygen contained in the sputtering gas may be supplied to the insulator 280. Therefore, the proportion of oxygen contained in the sputtering gas of the oxide film 230C may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%.
  • heat treatment may be performed.
  • the heat treatment may be performed under reduced pressure to continuously form the insulating film 250A without exposing it to the atmosphere (see FIG. 8).
  • the temperature of the heat treatment is preferably 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
  • the insulating film 250A can be formed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • silicon oxide is formed as the insulating film 250A by the CVD method.
  • the film forming temperature when forming the insulating film 250A is preferably 350 ° C. or higher and lower than 450 ° C., particularly around 400 ° C. By forming the insulating film 250A at 400 ° C., an insulating film having few impurities can be formed.
  • the insulating film as the lower layer of the insulator 250 and the insulating film as the upper layer of the insulator 250 may be continuously formed without being exposed to the atmospheric environment. preferable.
  • the film without opening it to the atmosphere it is possible to prevent impurities or moisture from the atmospheric environment from adhering to the insulating film that is the lower layer of the insulator 250 and the insulating film that is the upper layer of the insulator 250.
  • the vicinity of the interface between the insulating film that is the lower layer of the insulator 250 and the insulating film that is the upper layer of the insulator 250 can be kept clean.
  • microwave treatment may be performed in an atmosphere containing oxygen and under reduced pressure.
  • an electric field due to microwaves is applied to the insulating film 250A, the oxide film 230C, the oxide 230b, the oxide 230a, and the like, and V in the oxide film 230C, the oxide 230b, and the oxide 230a.
  • the O H can be divided into the V O and hydrogen.
  • the hydrogen concentration in the insulating film 250A, the oxide film 230C, the oxide 230b, and the oxide 230a can be reduced. Further, repair or compensate the oxide 230a, in the oxide 230b, and the V O by oxygen is supplied to the V O which may be present after the V O H in the oxide film 230C was divided into the V O and hydrogen can do.
  • the conductive film 260A and the conductive film 260B are formed in this order (see FIG. 9).
  • the film formation of the conductive film 260A and the conductive film 260B can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the conductive film 260A is formed by using the ALD method
  • the conductive film 260B is formed by using the CVD method.
  • the oxide film 230C, the insulating film 250A, the conductive film 260A, and the conductive film 260B are polished until the insulator 280 is exposed, thereby causing the oxide 230c, the insulator 250, and the conductor 260 (conductive).
  • the body 260a and the conductor 260b) are formed (see FIG. 10).
  • the oxide 230c is arranged so as to cover the inner wall (side wall and bottom surface) of the opening reaching the oxide 230b.
  • the insulator 250 is arranged so as to cover the inner wall of the opening via the oxide 230c.
  • the conductor 260 is arranged so as to embed the opening via the oxide 230c and the insulator 250.
  • the insulator 282 is formed on the oxide 230c, the insulator 250, the conductor 260, and the insulator 280 (see FIG. 11).
  • the film formation of the insulator 282 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • oxygen can be added to the insulator 280 while forming the film. At this time, it is preferable to form the insulator 282 while heating the substrate.
  • the insulator 282 in contact with the upper surface of the conductor 260, it is possible to suppress the oxygen contained in the insulator 280 from being absorbed by the conductor 260 in the subsequent heat treatment, which is preferable. ..
  • heat treatment may be performed.
  • the treatment is carried out in a nitrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 1 hour.
  • oxygen added by the film formation of the insulator 282 can be diffused to the insulator 280, and further supplied to the oxide 230a and the oxide 230b via the oxide 230c.
  • the heat treatment is not limited to the film formation of the insulator 283, but may be performed after the film formation of the insulator 282.
  • the insulator 274 may be formed on the insulator 283.
  • the film formation of the insulator 274 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the insulator 281 may be formed on the insulator 274.
  • the film formation of the insulator 281 can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an insulating film to be the insulator 241 (insulator 241a and insulator 241b) is formed, and the insulating film is anisotropically etched to form the insulator 241.
  • the film formation of the insulating film can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the insulating film to be the insulator 241 it is preferable to use an insulating film having a function of suppressing the permeation of oxygen.
  • silicon nitride by using the PEALD method. Silicon nitride is preferable because it has a high blocking property against hydrogen.
  • the anisotropic etching of the insulating film to be the insulator 241 for example, a dry etching method or the like may be used.
  • a dry etching method or the like By providing the insulator 241 on the side wall portion of the opening, it is possible to suppress the permeation of oxygen from the outside and prevent the oxidation of the conductor 240a and the conductor 240b to be formed next. Further, it is possible to prevent impurities such as water and hydrogen from diffusing from the conductor 240a and the conductor 240b to the outside.
  • a conductive film to be a conductor 246 is formed.
  • the film formation of the conductive film can be performed by using a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • FIG. 12A shows a top view of the semiconductor device.
  • FIG. 12B is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line of A1-A2 shown in FIG. 12A.
  • FIG. 12C is a cross-sectional view corresponding to the portion shown by the alternate long and short dash line of A3-A4 in FIG. 12A.
  • FIG. 12D is a cross-sectional view corresponding to the portion shown by the alternate long and short dash line in FIG. 12A of A5-A6.
  • FIG. 12A shows a top view of the semiconductor device.
  • FIG. 12B is a cross-sectional view corresponding to the portion indicated by the alternate long and short dash line of A1-A2 shown in FIG. 12A.
  • FIG. 12C is a cross-sectional view corresponding to the portion shown by the alternate long and short dash line of A3-A4 in FIG. 12A.
  • FIG. 12D is a cross-sectional view corresponding to
  • the same reference numerals are added to the structures having the same functions as the structures constituting the semiconductor devices shown in ⁇ Semiconductor device configuration example>.
  • the constituent material of the semiconductor device the material described in detail in ⁇ Semiconductor device configuration example> can be used.
  • the semiconductor device shown in FIG. 12 is a modification of the semiconductor device shown in FIG.
  • the semiconductor device shown in FIG. 12 has a different shape of the insulator 283 from the semiconductor device shown in FIG. It also differs in that it has oxides 243 (oxides 243a and oxides 243b). Further, the configuration in which each of the oxide 230c and the insulator 254 is provided as a two-layer laminated structure is shown.
  • the insulator 214, the insulator 216, the insulator 222, the insulator 224, the insulator 254, the insulator 280, and the insulator 282 are patterned, and the insulator 283 covers them. It has become. That is, the insulator 283 includes the upper surface and the side surface of the insulator 282, the side surface of the insulator 280, the side surface of the insulator 254, the side surface of the insulator 224, the side surface of the insulator 222, and the side surface of the insulator 216. , In contact with the side surface of the insulator 214 and the upper surface of the insulator 212.
  • the insulator 212 and the insulator 283 have a high function of suppressing the diffusion of hydrogen (for example, at least one hydrogen atom, hydrogen molecule, etc.) or water molecule.
  • hydrogen for example, at least one hydrogen atom, hydrogen molecule, etc.
  • water molecule for example, water molecule.
  • the insulator 212 and the insulator 283 it is preferable to use silicon nitride or silicon nitride oxide having a higher hydrogen barrier property.
  • the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 283 are provided as a single layer, but the present invention is not limited to this.
  • the insulator 212, the insulator 214, and the insulator 283 may be provided as a laminated structure of two or more layers.
  • the transistor 200 shown in FIG. 12 has an oxide 243 (oxide 243a, which has a function of suppressing oxygen permeation between the conductor 242 (conductor 242a and the conductor 242b) and the oxide 230). And oxide 243b).
  • oxide 243a oxide 243 having a function of suppressing the permeation of oxygen between the conductor 242 functioning as a source electrode or a drain electrode and the oxide 230b.
  • electricity between the conductor 242 and the oxide 230b can be obtained. This is preferable because the resistance is reduced. With such a configuration, the electrical characteristics of the transistor 200 and the reliability of the transistor 200 can be improved.
  • a metal oxide having an element M may be used.
  • the element M aluminum, gallium, yttrium, or tin may be used.
  • Oxide 243 preferably has a higher concentration of element M than oxide 230b.
  • gallium oxide may be used as the oxide 243.
  • a metal oxide such as In—M—Zn oxide may be used.
  • the atomic number ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic number ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230b.
  • the film thickness of the oxide 243 is preferably 0.5 nm or more and 5 nm or less, more preferably 1 nm or more and 3 nm or less, and further preferably 1 nm or more and 2 nm or less. Further, the oxide 243 is preferably crystalline. When the oxide 243 has crystallinity, the release of oxygen in the oxide 230 can be suitably suppressed. For example, as the oxide 243, if it has a crystal structure such as a hexagonal crystal, the release of oxygen in the oxide 230 may be suppressed.
  • the lower surface of the oxide 230c in the region overlapping the conductor 260 is about the same as the lower surface of the oxide 243 (oxide 243a and oxide 243b), or the oxide. It is preferably lower than the lower surface of 243 (oxides 243a and 243b). With such a shape, impurities near the interface between the oxide 230b and the oxide 230c can be removed, and the low resistance region formed near the upper surface of the region 234 can be reduced.
  • the height of the lower surface of the oxide 243 and the height of the lower surface of the oxide 230c in the region overlapping the conductor 260 is 0 nm or more and 10 nm or less, preferably 0 nm or more and 5 nm or less, and more preferably 0 nm or more and 3 nm or less.
  • the oxide 230c shows a configuration in which the oxide 230c1 and the oxide 230c2 are laminated.
  • the oxide 230c2 preferably contains at least one of the metal elements constituting the metal oxide used in the oxide 230c1, and more preferably contains all the metal elements.
  • In-Ga-Zn oxide or In-Zn oxide may be used as the oxide 230c1
  • In-Ga-Zn oxide, Ga-Zn oxide, or gallium oxide may be used as the oxide 230c2.
  • the defect level density at the interface between the oxide 230c1 and the oxide 230c2 can be lowered.
  • the lower end of the conduction band of the oxide 230a and 230c2 is closer to the vacuum level than the lower end of the conduction band of the oxide 230b and the oxide 230c1.
  • the electron affinity of the oxide 230a and the oxide 230c2 is preferably smaller than the electron affinity of the oxide 230b and the oxide 230c1.
  • the oxide 230c2 uses a metal oxide that can be used for the oxide 230a
  • the oxide 230c1 uses a metal oxide that can be used for the oxide 230b.
  • the main path of the carrier may be not only the oxide 230b but also the oxide 230c1 as the main path of the carrier.
  • the oxide 230c2 is more preferably a metal oxide that suppresses the diffusion or permeation of oxygen than the oxide 230c1.
  • oxygen contained in the insulator 280 can be suppressed from diffusing into the insulator 250. Therefore, the oxygen can be efficiently supplied to the oxide 230b via the oxide 230c1.
  • the oxide 230c1 may be provided for each transistor 200. That is, the oxide 230c1 of the transistor 200 and the oxide 230c1 of the transistor 200 adjacent to the transistor 200 do not have to be in contact with each other. Further, the oxide 230c1 of the transistor 200 and the oxide 230c1 of the transistor 200 adjacent to the transistor 200 may be separated from each other. In other words, the oxide 230c1 may not be arranged between the transistor 200 and the transistor 200 adjacent to the transistor 200.
  • the oxide 230c is independently provided on the transistors 200 by the above configuration. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of a parasitic transistor between the transistor 200 and the transistor 200 adjacent to the transistor 200, and to suppress the occurrence of the leak path. Therefore, it is possible to provide a semiconductor device having good electrical characteristics and capable of miniaturization or high integration.
  • L 1 is made larger than 0 nm.
  • the value of the ratio of L 1 (L 1 / L 2) for L 2 is preferably greater than 0 less than 1, more preferably 0.1 to 0.9, more preferably 0.2 to 0.8 Is.
  • L 2 may be the distance between the side ends of the oxide 230b of the transistor 200 facing each other and the side ends of the oxide 230b of the transistor 200 adjacent to the transistor 200.
  • oxides 230c1 is a transistor 200, the positional deviation of the arrangement that are not regions between the transistors 200 adjacent to the transistor 200 Even if it occurs, the oxide 230c1 of the transistor 200 and the oxide 230c1 of the transistor 200 adjacent to the transistor 200 can be separated from each other.
  • the transistor 200 by increasing the ratio of L 1 to the above L 2 (L 1 / L 2 ), the transistor 200, even by narrowing the interval between the transistor 200 adjacent to the transistor 200, the width of the minimum feature size It can be secured, and the semiconductor device can be further miniaturized or highly integrated.
  • the oxide 230c2 has a region in contact with the insulator 224 between the transistor 200 and the transistor 200 adjacent to the transistor 200.
  • the oxide 230c2 of the transistor 200 and the oxide 230c2 of the transistor 200 adjacent to the transistor 200 may be separated from each other.
  • the insulator 250 has a region in contact with the insulator 224 between the transistor 200 and the transistor 200 adjacent to the transistor 200.
  • the insulator 254 shows a configuration in which the insulator 254a and the insulator 254b are laminated.
  • the explanations of the lower layer of the insulator 254 and the upper layer of the insulator 254 described in ⁇ Detailed configuration of semiconductor device> can be referred to, respectively.
  • the insulator 254 may not be provided, and an insulator functioning as a barrier layer may be provided between the upper surface of the conductor 242 and the insulator 280.
  • an insulator functioning as a barrier layer may be provided between the upper surface of the conductor 242 and the insulator 280.
  • the insulator has a function of suppressing the diffusion of oxygen.
  • the insulator preferably has a function of suppressing the diffusion of oxygen more than the insulator 280.
  • an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be formed.
  • the ALD method By forming by using the ALD method, it is possible to form a film having a dense, reduced defects such as cracks and pinholes, or a uniform thickness.
  • an insulator containing aluminum nitride may be used as the insulator.
  • [Modification 2 of semiconductor device] 13A and 13B show a configuration in which a plurality of transistors (transistors 200_1 to 200_n) are comprehensively sealed with an insulator 283 and an insulator 212. Note that, in FIGS. 13A and 13B, the transistors 200_1 to 200_n appear to be arranged in the channel length direction, but the transistor 200_1 to the transistor 200_n are not limited to this.
  • the transistors 200_1 to 200_n may be arranged in the channel width direction, may be arranged in a matrix, or may be arranged without regularity.
  • a portion where the insulator 283 and the insulator 212 are in contact with each other (hereinafter, may be referred to as a sealing portion 265) is formed outside the plurality of transistors (transistors 200_1 to 200_n). ..
  • the sealing portion 265 is formed so as to surround the plurality of transistors (also referred to as transistor groups).
  • a plurality of transistors can be wrapped with the insulator 283 and the insulator 212. That is, the insulator 283 and the insulator 281 can wrap the side surfaces and the upper side of the plurality of transistors, and the insulator 212 can wrap the lower side thereof. In this way, a plurality of transistor groups surrounded by the sealing portion 265 are provided on the substrate.
  • the distance between the sealing portion 265 and the oxide 230 closest to the sealing portion 265 is short.
  • the distance between the sealing portion 265 and the oxide 230 closest to the sealing portion 265 is preferably 1 ⁇ m or less, more preferably 500 nm or less.
  • a dicing line (sometimes referred to as a scribe line, a dividing line, or a cutting line) may be provided on the sealing portion 265. Since the substrate is divided at the dicing line, the transistor group surrounded by the sealing portion 265 is taken out as one chip.
  • FIG. 13A shows an example in which a plurality of transistors (transistors 200_1 to 200_n) are surrounded by one sealing portion 265, but the present invention is not limited to this.
  • a plurality of transistors may be surrounded by a plurality of sealing portions.
  • the plurality of transistors are surrounded by the sealing portion 265a, and further surrounded by the outer sealing portion 265b.
  • the portion where the insulator 283 and the insulator 212 are in contact with each other increases, so that the adhesion between the insulator 283 and the insulator 212 can be further improved. Can be done. As a result, the plurality of transistors can be more reliably sealed.
  • a dicing line may be provided on the sealing portion 265a or the sealing portion 265b, or a dicing line may be provided between the sealing portion 265a and the sealing portion 265b.
  • the insulator 212 shows a configuration in which a lower layer of the insulator 212 and an upper layer of the insulator 212 are laminated.
  • silicon nitride is formed as a lower layer of the insulator 212 by a PECVD method
  • silicon nitride is formed as an upper layer of the insulator 212 by a sputtering method.
  • the lower layer of the insulator 212 can be formed at a higher rate than the upper layer of the insulator 212, so that the productivity can be improved.
  • the hydrogen concentration in the upper layer of the insulator 212 arranged closer to the oxide 230 than the lower layer of the insulator 212 can be reduced as compared with the lower layer of the insulator 212.
  • an insulator such as silicon nitride, which is difficult for impurities such as water and hydrogen to permeate, as the insulator 212, impurities such as water and hydrogen are diffused from the layer below the insulator 212 (not shown). Can be suppressed.
  • the metal can be used as the insulator 212. It can be suppressed from spreading upward through.
  • the structure is not limited to the above, and a single-layer structure may be provided in which either the lower layer of the insulator 212 or the upper layer of the insulator 212 is provided. Further, although the structure is such that the insulator 214 is provided in FIGS. 13 and (B), the structure is not limited to this, and the structure may not include the insulator 214.
  • a semiconductor device having little variation in transistor characteristics it is possible to provide a semiconductor device having a large on-current. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having good electrical characteristics. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device capable of miniaturization or high integration. Further, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having good reliability. Further, according to one aspect of the present invention, a semiconductor device having low power consumption can be provided.
  • FIG. 14 shows an example of a semiconductor device (storage device) which is one aspect of the present invention.
  • the transistor 200 is provided above the transistor 300, and the capacitive element 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.
  • the transistor 200 the transistor 200 described in the previous embodiment can be used. Therefore, for the transistor 200 and the layer including the transistor 200, the description of the previous embodiment can be taken into consideration.
  • the wiring 1001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 1002 is electrically connected to the drain of the transistor 300. Further, the wiring 1003 is electrically connected to one of the source and drain of the transistor 200, the wiring 1004 is electrically connected to the first gate of the transistor 200, and the wiring 1006 is electrically connected to the second gate of the transistor 200. It is connected to the. The gate of the transistor 300 and the other of the source and drain of the transistor 200 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitive element 100, and the wiring 1005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitive element 100. ..
  • the storage devices shown in FIG. 14 can form a memory cell array by arranging them in a matrix.
  • the transistor 300 is provided on the substrate 311 and functions as a conductor 316 that functions as a gate, an insulator 315 that functions as a gate insulator, a semiconductor region 313 that is a part of the substrate 311 and a low that functions as a source region or a drain region. It has a resistance region 314a and a low resistance region 314b.
  • the transistor 300 may be either a p-channel type or an n-channel type.
  • the semiconductor region 313 (a part of the substrate 311) on which the channel is formed has a convex shape. Further, the side surface and the upper surface of the semiconductor region 313 are provided so as to be covered with the conductor 316 via the insulator 315.
  • the conductor 316 may be made of a material that adjusts the work function. Since such a transistor 300 utilizes a convex portion of a semiconductor substrate, it is also called a FIN type transistor. It should be noted that an insulator that is in contact with the upper portion of the convex portion and functions as a mask for forming the convex portion may be provided. Further, although the case where a part of the semiconductor substrate is processed to form a convex portion is shown here, the SOI substrate may be processed to form a semiconductor film having a convex shape.
  • the transistor 300 shown in FIG. 14 is an example, and the transistor 300 is not limited to the structure thereof, and an appropriate transistor may be used according to the circuit configuration and the driving method.
  • the capacitive element 100 is provided above the transistor 200.
  • the capacitive element 100 has a conductor 110 that functions as a first electrode, a conductor 120 that functions as a second electrode, and an insulator 130 that functions as a dielectric.
  • the conductor 112 provided on the conductor 240 and the conductor 110 can be formed at the same time.
  • the conductor 112 has a function as a plug or wiring that electrically connects to the capacitance element 100, the transistor 200, or the transistor 300.
  • the conductor 112 and the conductor 110 have a single-layer structure, but the structure is not limited to this, and a laminated structure of two or more layers may be used.
  • a conductor having a barrier property and a conductor having a high adhesion to a conductor having a high conductivity may be formed between a conductor having a barrier property and a conductor having a high conductivity.
  • the insulator 130 includes, for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, aluminum nitride, aluminum nitride, hafnium oxide, hafnium oxide, hafnium nitride, hafnium nitride. Etc. may be used, and it can be provided in a laminated or single layer.
  • the capacitance element 100 can secure a sufficient capacitance by having an insulator having a high dielectric constant (high-k), and by having an insulator having a large dielectric strength, the dielectric strength is improved and the capacitance is improved.
  • the electrostatic breakdown of the element 100 can be suppressed.
  • the insulator of the high dielectric constant (high-k) material material having a high specific dielectric constant
  • the insulator that functions as an interlayer film may function as a flattening film that covers the uneven shape below the insulator.
  • the upper surface of the insulator 322 may be flattened by a flattening treatment using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like in order to improve the flatness.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the motherboard 1203 may be provided with a storage device such as a DRAM 1221 and a flash memory 1222.
  • a storage device such as a DRAM 1221 and a flash memory 1222.
  • the DOSRAM shown in the previous embodiment can be used for the DRAM 1221.
  • the NO SRAM shown in the above embodiment can be used for the flash memory 1222.
  • FIG. 20A is a schematic view of the USB memory.
  • the USB memory 1100 has a housing 1101, a cap 1102, a USB connector 1103, and a board 1104.
  • the substrate 1104 is housed in the housing 1101.
  • a memory chip 1105 and a controller chip 1106 are attached to the substrate 1104.
  • the semiconductor device shown in the previous embodiment can be incorporated into the memory chip 1105 or the like.
  • FIG. 21A illustrates a mobile phone (smartphone) which is a kind of information terminal.
  • the information terminal 5100 has a housing 5101 and a display unit 5102, and as an input interface, a touch panel is provided in the display unit 5102 and buttons are provided in the housing 5101.
  • FIG. 21B illustrates a notebook information terminal 5200.
  • the notebook-type information terminal 5200 includes a main body 5201 of the information terminal, a display unit 5202, and a keyboard 5203.
  • a smartphone and a notebook-type information terminal are taken as examples of electronic devices, which are shown in FIGS. 21A and 21B, respectively, but information terminals other than the smartphone and the notebook-type information terminal can be applied.
  • information terminals other than smartphones and notebook-type information terminals include PDAs (Personal Digital Assistants), desktop-type information terminals, workstations, and the like.
  • the GPU or chip of one aspect of the present invention can be applied to a large computer.
  • the supercomputer 5500 has a rack 5501 and a plurality of rack-mounted computers 5502.
  • the plurality of computers 5502 are stored in the rack 5501. Further, the computer 5502 is provided with a plurality of substrates 5504, and the GPU or chip described in the above embodiment can be mounted on the substrate.
  • the GPU or chip of one aspect of the present invention can be applied to a moving vehicle and around the driver's seat of the vehicle.
  • FIG. 21G is a diagram showing the periphery of the windshield in the interior of an automobile, which is an example of a moving body.
  • a display panel 5701 attached to the dashboard a display panel 5702, a display panel 5703, and a display panel 5704 attached to the pillar are shown.
  • the display panel 5701 to the display panel 5703 can provide various other information by displaying a speedometer, a tachometer, a mileage, a fuel gauge, a gear state, an air conditioner setting, and the like.
  • the display items and layout displayed on the display panel can be appropriately changed according to the user's preference, and the design can be improved.
  • the display panel 5701 to 5703 can also be used as a lighting device.
  • electric refrigerators and freezers have been described as an example of electric appliances
  • other electric appliances include, for example, vacuum cleaners, microwave ovens, microwave ovens, rice cookers, water heaters, IH cookers, water servers, air conditioners and air conditioners. Examples include washing machines, dryers, and audiovisual equipment.
  • a transistor 800 having a structure equivalent to that of the transistor 200 disclosed in the above embodiment was manufactured.
  • the channel length and channel width were set to 60 nm, respectively, and the thickness of the gate insulating layer (TGI) was set to 6 nm in terms of EOT (Equivalent Oxide Pickness).
  • TGI gate insulating layer
  • CAAC-IGZO was used for the semiconductor layer in which a channel is formed.
  • the transistor 800 is a field effect transistor (also referred to as "CAAC-IGZO FET") using CAAC-IGZO in the semiconductor layer.
  • FIG. 22A and 22B show cross-sectional TEM photographs of the transistor 800.
  • FIG. 22A is a cross-sectional TEM photograph of the transistor 800 in the gate length direction
  • FIG. 22B is a cross-sectional TEM photograph of the transistor 800 in the gate width direction.
  • 22A and 22B show the gate electrode (TGE), gate insulating layer (TGI), source electrode and drain electrode (SDE), semiconductor layer (CAAC-IGZO), back gate insulating layer (BGI), and the back gate insulating layer (BGI) of the transistor 800.
  • a backgate electrode (BGE) is shown. Since FIG. 22B is a cross-sectional TEM photograph in the gate width direction passing through the gate electrode and the back gate electrode, the SDE is not shown.
  • the Id-Vg characteristic of the transistor 800 was measured. Specifically, the voltage between the source and drain of the transistor 800 (also referred to as “drain voltage” or “Vds”) is set to 1.3V, and the voltage supplied to the back gate (also referred to as “Vbg”) is set to 0V. Then, the current (also referred to as “drain current” or “Id”) flowing between the source and the drain when the gate voltage (also referred to as "Vg”) was changed from -3V to 3V was measured. The Id-Vg characteristics were measured at four temperatures of ⁇ 40 ° C., room temperature (27 ° C.), 85 ° C., and 125 ° C.
  • FIG. 23 shows the measurement results of the Id-Vg characteristic of the transistor 800.
  • the horizontal axis of FIG. 23 is Vg, and the vertical axis shows Id on a log scale.
  • the lower limit of measurement (ML) of the measuring instrument is 1 ⁇ 10 -13 A. ML is shown by a broken line in FIG. 23.
  • the threshold voltage of the transistor M1 can be changed by the voltage (Vbg1) supplied to the terminal bg1.
  • the threshold voltage of the transistor M2 can be changed by the voltage (Vbg2) supplied to the terminal bg2.
  • the logic threshold value of the inverter circuit 810 can be adjusted by changing the voltage supplied to the back gate.
  • FIG. 26A shows a circuit diagram of the ring oscillator 820.
  • the ring oscillator 820 is composed of a core 811 and an output buffer 812.
  • the core 811 has an odd-numbered stage inverter circuit 810 connected in a ring shape.
  • the first stage inverter circuit 810 is referred to as an inverter circuit 810_1
  • the second stage inverter circuit 810 is referred to as an inverter circuit 810_2
  • the nth stage inverter circuit 810 is referred to as an inverter circuit 810_n (n is an odd number of 3 or more). .) Is shown.
  • the output of the inverter circuit 810 of the i-th stage (i is a natural number of 2 or more and n-1 or less) is electrically connected to the input of the inverter circuit 810 of the i + 1 stage. Further, the output of the inverter circuit 810 of the i-1st stage is electrically connected to the input of the inverter circuit 810 of the i-1st stage. Further, the output of the nth stage inverter circuit 810 is electrically connected to the input of the first stage inverter circuit 810. In the core 811 the inverter circuit 810 is connected in an annular shape.
  • the input of the output buffer 812 is electrically connected to the output of any inverter circuit 810 among the odd number of inverter circuits 810 included in the core 811.
  • the output of the i-stage inverter circuit 810 is electrically connected to the input of the output buffer 812.
  • the output of the output buffer 812 is electrically connected to the terminal Rout.
  • a ring oscillator 820 having a core 811 having a 151-stage inverter circuit 810 was manufactured.
  • FIG. 26B shows a die photograph of the produced ring oscillator 820.
  • the size of the core 811 is 100 ⁇ m ⁇ 350 ⁇ m.
  • the delay time changes with the operating temperature. However, by adjusting Vbg2, the delay time can be adjusted to the same time as when operating at room temperature even in a high temperature environment.
  • FIG. 28 shows the temperature dependence of the delay time, which is standardized by the delay time at room temperature.
  • FIG. 28 shows the delay time when the operating temperature is room temperature (RT: 27 ° C.), 85 ° C., 125 ° C., and 150 ° C. Further, the horizontal axis of FIG. 28 indicates the temperature, and the vertical axis on the left side indicates the delay time specified by the delay time at room temperature as a percentage. The vertical axis on the right side shows the value of Vbg2.
  • the delay time measurement at room temperature was performed with Vbg1 set to 0V and Vbg2 set to 2V.
  • X shown in FIG. 28 indicates the result of measuring the delay time with Vbg2 set to 2V at all operating temperatures. It can be seen that the delay time becomes shorter as the operating temperature rises. At an operating temperature of 150 ° C., the delay time is about 35% shorter than that at room temperature. This is because the temperature causes a decrease in the threshold voltage and an increase in the field effect mobility.
  • “ ⁇ ” shown in FIG. 28 indicates the result of measuring the delay time by adjusting Vbg2 according to the operating temperature.
  • “ ⁇ ” shown in FIG. 28 indicates the value of Vbg2 set for each operating temperature.
  • “ ⁇ ” shown in FIG. 28 indicates the delay time calculation result of the CMOS inverter using the SPICE simulation.
  • the transistor constituting the CMOS inverter a general bulk Si transistor having a channel length of 60 nm is assumed. From FIG. 28, it can be seen that in the CMOS inverter, the delay time becomes longer as the operating temperature rises. At an operating temperature of 150 ° C., the delay time is about 14% longer than that at room temperature. This is because the temperature rise causes the threshold voltage to rise and the field effect mobility to decrease. It is difficult to provide a back gate with a general bulk Si transistor. Therefore, it is difficult to adjust the delay time for each operating temperature.
  • CAAC-IGZO FET By using the CAAC-IGZO FET, it is possible to increase the operating speed by increasing the temperature and to keep the speed constant by a simple correction circuit.

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Abstract

動作温度による特性ばらつきが少ない半導体装置を提供する。 奇数段のインバータ回路が環状に接続された半導体装置であって、インバータ回路は第１トランジ スタと、第２トランジスタと、を有し、第１トランジスタのゲートは、第１トランジスタのソース またはドレインの一方と電気的に接続され、第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は高 電源電位が供給され、第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、出力端子ｏｕｔと電気 的に接続される。第２トランジスタのゲートは入力端子ｉｎと電気的に接続され、第２トランジス タのソースまたはドレインの一方は出力端子ｏｕｔと電気的に接続され、第２トランジスタのソー スまたはドレインの他方は低電源電位が供給される。第１トランジスタおよび第２トランジスタは、 半導体層に酸化物半導体を含む。第１トランジスタおよび第２トランジスタは、それぞれバックゲ ートを有する。

Description

半導体装置
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。
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技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、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。
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。また、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、撮像装置、および電子機器などは、半導体素子や半導体回路を含む場合がある。よって、表示装置、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、および電子機器なども、半導体装置と呼ばれる場合がある。
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。
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）。
非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術が開示されている。
Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，"ＳＩＤ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ　４３，ｉｓｓｕｅ　１，ｐ．１８３−１８６ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ　５３，Ｎｕｍｂｅｒ　４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８−１−０４ＥＤ１８−１０
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、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、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、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、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、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。また、本発明の一態様は、動作温度が変化しても安定して動作する半導体装置を提供することを課題の一つとする。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明の一態様は、奇数段のインバータ回路が環状に接続された半導体装置であって、１つのインバータ回路の出力は次段のインバータ回路の入力と電気的に接続される。また、１つのインバータ回路の入力は前段のインバータ回路の出力と電気的に接続される。インバータ回路は第１トランジスタと、第２トランジスタと、を有し、第１トランジスタのゲートは、第１トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は高電源電位が供給され、第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、出力端子ｏｕｔと電気的に接続される。第２トランジスタのゲートは入力端子ｉｎと電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は出力端子ｏｕｔと電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は低電源電位が供給される。第１トランジスタおよび第２トランジスタは、半導体層に酸化物半導体を含む。第１トランジスタおよび第２トランジスタは、それぞれバックゲートを有する。
本発明の他の一態様は、ｎ段（ｎは３以上の奇数）のインバータ回路を含む半導体装置であって、ｉ段目（ｉは２以上ｎ−１以下の自然数）のインバータ回路の出力は、ｉ＋１段目のインバータ回路の入力と電気的に接続され、ｉ−１段目のインバータ回路の出力は、ｉ段目のインバータ回路の入力と電気的に接続され、ｎ段目のインバータ回路の出力は、１段目の前記インバータ回路の入力と電気的に接続され、ｎ段のインバータ回路のそれぞれは、第１トランジスタと、第２トランジスタと、を有し、第１トランジスタのゲートは、第１トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１端子と電気的に接続され、第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、出力端子と電気的に接続され、第２トランジスタのゲートは入力端子と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は出力端子と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は第２端子と電気的に接続され、第１トランジスタは、第１バックゲートを有し、第２トランジスタは、第２バックゲートを有し、第１トランジスタおよび第２トランジスタは、それぞれの半導体層に酸化物半導体を含む、半導体装置である。
酸化物半導体は、ＩｎおよびＺｎのうち、少なくとも一方を含むことが好ましい。酸化物半導体は、ＣＡＡＣ構造を有することが好ましい。
第２トランジスタのチャネル幅は、第１トランジスタのチャネル幅よりも大きいことが好ましい。
前述の半導体装置は、動作温度に応じて第２バックゲートに供給する電圧を調整する機能を有することが好ましい。
本発明の一態様により、トランジスタ特性のばらつきが少ない半導体装置を提供できる。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できる。また、本発明の一態様により、動作温度が変化しても安定して動作する半導体装置を提供できる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
図１Ａは、半導体装置の上面図である。図１Ｂ乃至図１Ｄは、半導体装置の断面図である。
図２は、半導体装置の断面図である。
図３Ａおよび図３Ｂは、半導体装置の斜視図である。
図４Ａ乃至図４Ｄは、半導体装置の作製方法を示す図である。
図５Ａ乃至図５Ｄは、半導体装置の作製方法を示す図である。
図６Ａ乃至図６Ｄは、半導体装置の作製方法を示す図である。
図７Ａ乃至図７Ｄは、半導体装置の作製方法を示す図である。
図８Ａ乃至図８Ｄは、半導体装置の作製方法を示す図である。
図９Ａ乃至図９Ｄは、半導体装置の作製方法を示す図である。
図１０Ａ乃至図１０Ｄは、半導体装置の作製方法を示す図である。
図１１Ａ乃至図１１Ｄは、半導体装置の作製方法を示す図である。
図１２Ａは、半導体装置の上面図である。図１２Ｂ乃至図１２Ｄは、半導体装置の断面図である。
図１３Ａおよび図１３Ｂは、半導体装置の断面図である。
図１４は、半導体装置の断面図である。
図１５は、半導体装置の断面図である。
図１６Ａは、記憶装置の構成例を示すブロック図である。図１６Ｂは、記憶装置の斜視図である。
図１７Ａ乃至図１７Ｈは、メモリセルの構成例を示す回路図である。
図１８Ａ乃至図１８Ｄは、トランジスタの回路記号を示す図である。
図１９Ａおよび図１９Ｂは、半導体装置の模式図である。
図２０Ａ乃至図２０Ｅは、記憶装置の模式図である。
図２１Ａ乃至図２１Ｈは、電子機器を示す図である。
図２２Ａおよび図２２Ｂは、トランジスタの断面ＴＥＭ写真である。
図２３は、トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性の測定結果である。
図２４Ａは、トランジスタのゲート耐圧の測定結果である。図２４Ｂは、トランジスタのドレイン耐圧の測定結果である。
図２５Ａは、インバータ回路の回路図である。図２５Ｂは、インバータ回路のＤＣ特性の測定結果である。
図２６Ａは、リングオシュレータの回路図である。図２６Ｂは、リングオシュレータのダイ写真である。
図２７は、リングオシュレータの出力波形である。
図２８は、遅延時間の温度依存性を示す図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお、図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層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。
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。
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
また、本明細書等において、電気回路における「端子」とは、電流の入力または出力、電圧の入力または出力、もしくは、信号の受信または送信が行なわれる部位を言う。よって、配線または電極の一部が端子として機能する場合がある。
また、本明細書等において、第１、第２などの序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成要素同士の位置関係を説明するために便宜上用いるものであり、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。また、構成要素同士の位置関係は、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。
また、例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接的に接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に開示されているものとする。ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう。）を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
また、ソース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。
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネル形成領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネル形成領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
チャネル幅とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネル形成領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向のチャネル形成領域の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネル形成領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
なお、本明細書等において、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体の欠陥準位密度が高くなることや、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（ＶＯ：ｏｘｙｇｅｎ　ｖａｃａｎｃｙともいう）が形成される場合がある。
なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。
また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０度以上１０度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５度以上５度以下の場合も含まれる。また、「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、「略垂直」とは、二つの直線が６０度以上１２０度以下の角度で配置されている状態をいう。
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む。）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう。）などに分類される。例えば、トランジスタの半導体層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳトランジスタと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりのドレイン電流が、室温において１×１０−２０Ａ以下、８５℃において１×１０−１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０−１６Ａ以下であることをいう。
また、本明細書等において、高電源電位Ｖｄｄ（以下、単に「Ｖｄｄ」、「Ｈ電位」、または「Ｈ」ともいう）とは、低電源電位Ｖｓｓ（以下、単に「Ｖｓｓ」、「Ｌ電位」、または「Ｌ」ともいう）よりも高い電位の電源電位を示す。また、Ｖｓｓとは、Ｖｄｄよりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位をＶｄｄまたはＶｓｓとして用いることもできる。例えばＶｄｄが接地電位の場合には、Ｖｓｓは接地電位より低い電位であり、Ｖ安定が接地電位の場合には、Ｖｄｄは接地電位より高い電位である。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図１は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図および断面図である。図１Ａは、当該半導体装置の上面図である。また、図１Ｂ乃至図１Ｄは、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１Ｂは、図１ＡにＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１Ｃは、図１ＡにＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、図１Ｄは、図１ＡにＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図１Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
本発明の一態様の半導体装置は、基板（図示せず）上の絶縁体２１２と、絶縁体２１２上の絶縁体２１４と、絶縁体２１４上のトランジスタ２００と、トランジスタ２００上の絶縁体２８０と、絶縁体２８０上の絶縁体２８２と、絶縁体２８２上の絶縁体２８３と、絶縁体２８３上の絶縁体２７４と、絶縁体２７４上の絶縁体２８１と、を有する。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２７４、および絶縁体２８１は層間膜として機能する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）を有する。なお、プラグとして機能する導電体２４０の側面に接して絶縁体２４１（絶縁体２４１ａ、および絶縁体２４１ｂ）が設けられる。また、絶縁体２８１上、および導電体２４０上には、導電体２４０と電気的に接続し、配線として機能する導電体２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）が設けられる。
また、絶縁体２５４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２７４、および絶縁体２８１の開口の内壁に接して絶縁体２４１ａが設けられ、絶縁体２４１ａの側面に接して導電体２４０ａの第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４０ａの第２の導電体が設けられている。また、絶縁体２５４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２７４、および絶縁体２８１の開口の内壁に接して絶縁体２４１ｂが設けられ、絶縁体２４１ｂの側面に接して導電体２４０ｂの第１の導電体が設けられ、さらに内側に導電体２４０ｂの第２の導電体が設けられている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８１の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２４０の第１の導電体および導電体２４０の第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
［トランジスタ２００］
図１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上の導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、および酸化物２３０ｃ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と重なる導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、絶縁体２２４の上面の一部、酸化物２３０ａの側面の一部、酸化物２３０ｂの側面の一部、導電体２４２ａの側面、導電体２４２ａの上面、導電体２４２ｂの側面、および導電体２４２ｂの上面と接する絶縁体２５４と、を有する。また、酸化物２３０ｃは、絶縁体２５４の側面、導電体２４２ａの側面および導電体２４２ｂの側面とそれぞれ接する。ここで、図１Ｂ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。
絶縁体２８０および絶縁体２５４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２４２ａおよび導電体２４２ｂ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の側面と重なる領域と、導電体２６０の底面と重なる領域と、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。
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。
また、半導体として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、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。
チャネル形成領域に金属酸化物を用いたトランジスタは、非導通状態においてリーク電流が極めて小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、金属酸化物は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
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酸化物を用いてもよい。
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の上面に接する酸化物２３０ｃと、を有することが好ましい。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
なお、トランジスタ２００では、酸化物２３０が、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂの単層、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂの２層構造、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの２層構造、または４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよいし、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｃのそれぞれが積層構造を有していてもよい。
また、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃが、酸素以外に共通の元素を主成分として有することが好ましい。これにより、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は大きいオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。
酸化物２３０ｂ上には、導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）が設けられる。導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、それぞれトランジスタ２００のソース電極またはドレイン電極として機能する。
導電体２６０は、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを有し、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように導電体２６０ａが配置される。導電体２６０は、トランジスタ２００の第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能する。
図１Ｂに示すトランジスタ２００の一部の領域を拡大した断面図を、図２に示す。図２に示すように、酸化物２３０は、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する領域２３４と、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１（領域２３１ａ、および領域２３１ｂ）と、を有する。領域２３１は、キャリア密度が高い、低抵抗化した領域である。また、領域２３４は、領域２３１よりも、キャリア密度が低い領域である。なお、領域２３１ａの少なくとも一部、および領域２３１ｂの少なくとも一部は、ぞれぞれ、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂと接する領域を有する。
なお、図２では、領域２３１、および領域２３４が、酸化物２３０ｂに形成されている構成を示しているが、これに限られることなく、例えば、領域２３１、または領域２３４は、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに形成されてもよいし、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃに形成されてもよいし、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃに形成されてもよい。
また、図２では、領域２３１と領域２３４との境界を、酸化物２３０ｂの下面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域２３４が、酸化物２３０ｂの表面近傍では、導電体２４０側に広がり、酸化物２３０ｂの下面近傍では、狭まった形状になる場合がある。
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。
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。当該不純物として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）などがある。チャネル形成領域に当該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。
アルミニウムおよびシリコンは、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アルミニウムが混入すると、当該酸化物半導体に含まれる酸素がアルミニウム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。
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ＶＯＨを形成する場合がある。酸素欠損に水素が入った欠陥（ＶＯＨ）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。
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。
そこで、トランジスタのチャネル形成領域およびその近傍の構造体を、後述する形状にすることが好ましい。トランジスタを構成する構造体を後述する形状とすることで、チャネル形成領域に形成される低抵抗領域を低減し、寄生チャネルの発生を抑制することができる。よって、寄生チャネルに起因するトランジスタ特性のばらつきを抑制することができる。ここで、トランジスタ特性とは、オン状態における電流値（オン電流値）、オフ状態における電流値（オフ電流値）、しきい値電圧、サブスレッショルドスイング値（Ｓ値）、電界効果移動度などである。また、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し、トランジスタの信頼性向上を図ることができる。
＜チャネル形成領域およびその近傍の構造体の、好ましい形状＞
以下では、チャネル形成領域およびその近傍の構造体の、好ましい形状について説明する。なお、説明を容易にするため、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する領域は、酸化物２３０ｂに形成されるとする。
図３Ａは、図１に示すトランジスタ２００の斜視図である。また、図３Ａに示すトランジスタ２００の一部の領域を拡大した斜視図を図３Ｂに示す。なお、図３Ａおよび図３Ｂの斜視図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
酸化物２３０ｂは、導電体２４２ａの少なくとも一部と接する領域２３１ａ（図３Ｂに図示せず。）と、導電体２４２ｂの少なくとも一部と接する領域２３１ｂ（図３Ｂに図示せず。）と、領域２３１ａおよび領域２３１ｂとの間に、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する領域２３４と、を有する。領域２３４は、酸化物２３０ｂのうち、酸化物２３０ｂと導電体２６０とが重なる領域を有する。以下では、酸化物２３０ｂのうち、酸化物２３０ｂと導電体２４２ａとが重なる領域を、領域２３１ａと言い換えることができ、酸化物２３０ｂと導電体２４２ｂとが重なる領域を、領域２３１ｂと言い換えることができる。
図１Ｃおよび図３Ｂ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、領域２３４における、酸化物２３０ｂの側面と酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有することが好ましい。つまり、当該側面の端部と当該上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう。）。
ここで、図２および図３Ｂに示すように、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面視において、互いに向かい合う導電体２４２ａの側端部と導電体２４２ｂの側端部との距離を、Ｌとする。なお、Ｌは、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面視において、導電体２４２と重ならない領域における、酸化物２３０ｂの上面の長さともいえる。
また、図３Ｂ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と導電体２６０とが重なる領域における、酸化物２３０ｂの上面のうち、湾曲面を有さない領域の長さを、Ｗとする。
また、上記湾曲面での曲率半径を、Ｌａとする。なお、Ｌａは、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面視において、絶縁体２２４の下面を基準としたときの、酸化物２３０ｂと導電体２６０とが重なる領域における、酸化物２３０ｂの上面の高さと、酸化物２３０ｂの側面のうち、湾曲面を有する領域の下端部の高さと、の差とみなす場合がある。
Ｌａは、０ｎｍより大きく、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの膜厚より小さい、または、上記Ｗの半分より小さいことが好ましい。Ｌａ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、当該側面と当該上面との間に電界が集中することを抑制し、トランジスタ特性の変動を抑制することができる。また、Ｗ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。
また、上記形状にすることで、領域２３４において、酸化物２３０ｂの側面の実効チャネル長が、酸化物２３０ｂの上面の実効チャネル長よりも大きくなることで、当該側面を流れる電流が減少する。よって、当該側面に形成される寄生チャネルの影響が抑制され、トランジスタ２００のＳ値の低減を図ることができる。また、当該側面に形成される寄生チャネルの、トランジスタ毎のばらつきの影響が小さくなるため、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。
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と導電体２６０とが重なる領域における、酸化物２３０ｂの側面のうち、湾曲面を有さない領域の長さを、Ｌｂとする。なお、酸化物２３０ｂと導電体２６０とが重なる領域における、酸化物２３０ｂの側面がテーパ形状を有する場合、Ｌｂは、酸化物２３０ｂのテーパ形状部の長さと言い換えることもできる。また、Ｌｂは、絶縁体２２４の下面を基準としたときの、当該湾曲面を有さない領域の上端部の高さと、当該湾曲面を有さない領域の下端部の高さと、の差とみなす場合がある。Ｌｂは、Ｌａ、酸化物２３０ｂの膜厚、酸化物２３０ｂのテーパ角などに依存する。ここで、テーパ角とは、テーパ形状を有する膜の側面と、当該膜の底面との間の角度を指す。
また、酸化物２３０ｂと導電体２６０とが重なる領域における、酸化物２３０ｂの上面の膜減り量を、Ｌｃとする。Ｌｃは、例えば、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面視において、絶縁体２２２の底面を基準としたときの、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの上面の高さと、導電体２６０と重なる領域の酸化物２３０ｂの上面の高さと、の差として算出することができる。
後述するが、酸化物２３０ｂ上に接するように設けられた導電層２４２Ｂに含まれる元素が、酸化物２３０ｂの酸素を吸収する機能を有する場合、酸化物２３０ｂと導電層２４２Ｂとの間、または酸化物２３０ｂの表面近傍に、部分的に低抵抗領域が形成される場合がある。また、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の側面に接するように設けられた絶縁膜２５４Ａに含まれる元素が、酸化物２３０ｂの酸素を吸収する機能を有する場合、酸化物２３０ｂと絶縁膜２５４Ａとの間、または酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の側面近傍に、部分的に低抵抗領域が形成される場合がある。つまり、当該元素は、酸化物半導体の不純物となる場合がある。この場合、当該低抵抗領域には、不純物、または酸素欠損に入り込んだ不純物（水素、窒素、金属元素等）がドナーとして機能し、キャリア密度が増加する場合がある。
また、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。
そこで、領域２３４における酸化物２３０ｂの上面は、導電体２４２と重なる領域における酸化物２３０ｂの上面よりも低いことが好ましい。例えば、Ｌｃは、０ｎｍより大きく、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの膜厚より小さいことが好ましい。Ｌｃは、具体的には、０ｎｍより大きく１５ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。このような形状にすることで、上記不純物を除去し、領域２３４の上面近傍に形成される低抵抗領域を低減し、寄生チャネルの発生を抑制することができる。なお、領域２３４の上面における実効チャネル長は、Ｌ＋２×Ｌｃとなる。よって、Ｌｃを小さくすることで、トランジスタのオン電流の低下を抑制することができる。
また、酸化物２３０ｂと導電体２６０とが重なる領域における、酸化物２３０ｂの側面の膜減り量を、Ｗｅとする。Ｗｅは、例えば、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面視において、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの側面と、上記湾曲面を有さない領域の酸化物２３０ｂの側面と、の差として算出することができる。また、例えば、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面視において、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの下面の長さと、導電体２４２と重ならない領域の酸化物２３０ｂの下面の長さと、の差の半分として算出することができる。
Ｗｅは、０ｎｍより大きく、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの膜厚以下とすることが好ましい。Ｗｅ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。Ｗｅを０ｎｍより大きくすることで、領域２３４の側面近傍の不純物を除去し、低抵抗領域を低減し、寄生チャネルの発生を抑制することができる。
以上より、チャネル形成領域に形成される低抵抗領域を低減し、寄生チャネルの発生を抑制することができる。よって、寄生チャネルに起因するトランジスタ特性のばらつきを抑制することができる。また、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し、トランジスタの信頼性向上を図ることができる。
トランジスタ２００のチャネル形成領域およびその近傍の構造体を上記形状とすることで、トランジスタ特性のばらつきを低減することができる。例えば、Ｖｓｈのばらつきを低減することができる。本明細書では、Ｖｓｈは、トランジスタのＩｄ−Ｖｇカーブにおいて、ドレイン電流Ｉｄ＝１．０×１０−１２Ａの時のゲート電圧Ｖｇで定義される。Ｖｓｈのばらつきは、例えば、標準偏差σを用いて評価することができる。ｎ（ｎは３以上の整数である。）個のトランジスタにおけるＶｓｈの標準偏差σは、下式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
上式において、ｘｉはｉ（ｉは１以上ｎ以下の整数である。）番目のトランジスタのＶｓｈの値であり、μはｎ個のトランジスタのＶｓｈの平均値である。
トランジスタ２００のＩｄ−Ｖｇ特性にて、Ｖｓｈの標準偏差σは、具体的には、６０ｍＶ以下、好ましくは４０ｍＶ以下、さらに好ましくは２０ｍＶ以下である。
また、トランジスタ２００のチャネル形成領域およびその近傍の構造体を上記形状とすることで、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できる。具体的には、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、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる不純物の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。または、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、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ−ｒａｙ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いた元素分析により得られる不純物の濃度を、１．０ａｔｏｍｉｃ％以下にする。なお、酸化物半導体として元素Ｍを含む酸化物を用いる場合、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、濃度比を算出する際に用いる元素Ｍの濃度は、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、酸化物半導体中の濃度でもよい。
また、チャネル形成領域の酸化物２３０ｂの側面における、不純物の濃度は、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの側面における、不純物の濃度よりも小さくする。または、チャネル形成領域の酸化物２３０ｂの側面における、元素Ｍに対する不純物の濃度比は、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの側面における、元素Ｍに対する不純物の濃度比よりも小さくする。また、チャネル形成領域の酸化物２３０ｂの上面における、元素Ｍに対する不純物の濃度比は、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの上面における、元素Ｍに対する不純物の濃度比よりも小さくする。
＜半導体装置の詳細な構成＞
以下では、本発明の一態様である半導体装置、および当該半導体装置が有するトランジスタ２００の詳細な構成について説明する。
絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２５４、絶縁体２８２、絶縁体２８３および絶縁体２８１は、水、水素などの不純物が、基板側から、または、トランジスタ２００の上方からトランジスタ２００に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２５４、絶縁体２８２、絶縁体２８３および絶縁体２８１は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。
例えば、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１として、窒化シリコンなどを用い、絶縁体２１４、絶縁体２５４、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２５４よりも上方に配置されている絶縁体２８０、導電体２４６などから絶縁体２５４を介してトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。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２５４、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。
また、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１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２８１の抵抗率を概略１×１０１３Ωｃｍとすることで、半導体装置作製工程のプラズマ等を用いる処理において、絶縁体２１２、絶縁体２８３、および絶縁体２８１が、導電体２０５、導電体２４２または導電体２６０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２８１の抵抗率は、好ましくは、１×１０１０Ωｃｍ以上１×１０１５Ωｃｍ以下とする。
また、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２７４は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２７４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。
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。
導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体２０５は、第２のゲート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。
なお、導電体２０５は、図１Ａに示すように、酸化物２３０の導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと重ならない領域の大きさよりも、大きく設けるとよい。特に、図１Ｃに示すように、導電体２０５は、酸化物２３０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２３０のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。当該構成を有することで、第１のゲート電極として機能する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極として機能する導電体２０５の電界によって、酸化物２３０のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート、および第２のゲートの電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
なお、本明細書等において、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタとは、一対のゲート電極の一方および他方の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を表す。また、本明細書等において、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、ソース電極およびドレイン電極として機能する導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに接する酸化物２３０の側面及び周辺が、チャネル形成領域と同じくＩ型であるといった特徴を有する。また、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに接する酸化物２３０の側面及び周辺は、絶縁体２８０と接しているため、チャネル形成領域と同様にＩ型となりうる。なお、本明細書等において、Ｉ型とは後述する高純度真性と同様として扱うことができる。また、本明細書等で開示するＳ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、Ｆｉｎ型構造およびプレーナ型構造とは異なる。Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。
また、図１Ｃに示すように、導電体２０５は延伸させて、配線としても機能させている。ただし、これに限られることなく、導電体２０５の下に、配線として機能する導電体を設ける構成にしてもよい。また、導電体２０５は、必ずしも各トランジスタに一個ずつ設ける必要はない。例えば、導電体２０５を複数のトランジスタで共有する構成にしてもよい。
なお、トランジスタ２００では、導電体２０５は、導電体２０５ａ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。
ここで、導電体２０５ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
導電体２０５ａに、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。
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。
絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体として機能する。
絶縁体２２２は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。また、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４よりも水素および酸素の一方または双方の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。
絶縁体２２２は、絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。当該絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０から基板側への酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の拡散を抑制する層として機能する。よって、絶縁体２２２を設けることで、水素等の不純物が、トランジスタ２００の内側へ拡散することを抑制し、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４や、酸化物２３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
または、上記絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。または、これらの絶縁体を窒化処理してもよい。また、絶縁体２２２は、これらの絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
また、絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、加熱により酸素を脱離することが好ましい。例えば、絶縁体２２４は、酸化シリコン、酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
絶縁体２２４として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料、別言すると、過剰酸素領域を有する絶縁体材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素分子の脱離量が１．０×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上である酸化膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
また、上記過剰酸素領域を有する絶縁体と、酸化物２３０と、を接して加熱処理、マイクロ波処理、またはＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）処理のいずれか一または複数の処理を行っても良い。当該処理を行うことで、酸化物２３０中の水、または水素を除去することができる。例えば、酸化物２３０において、酸素欠損に水素が入った欠陥（ＶＯＨ）の結合が切断される反応が起きる、別言すると「ＶＯＨ→ＶＯ＋Ｈ」という反応が起きて、脱水素化することができる。このとき発生した水素の一部は、酸素と結合してＨ２Ｏとして、酸化物２３０、または酸化物２３０近傍の絶縁体から除去される場合がある。また、水素の一部は、導電体２４２に拡散または捕獲（ゲッタリングともいう）される場合がある。
上記マイクロ波処理は、例えば、高密度プラズマを発生させる電源を有する装置、または、基板側にＲＦを印加する電源を有する装置を用いると好適である。例えば、酸素を含むガスを用い、且つ高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを、効率よく酸化物２３０、または酸化物２３０近傍の絶縁体中に導入することができる。また、上記マイクロ波処理は、圧力を１３３Ｐａ以上、好ましくは２００Ｐａ以上、さらに好ましくは４００Ｐａ以上とすればよい。また、マイクロ波処理を行う装置内に導入するガスとしては、例えば、酸素と、アルゴンとを用い、酸素流量比（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））が５０％以下、好ましくは１０％以上３０％以下で行うとよい。
また、トランジスタ２００の作製工程中において、酸化物２３０の表面が露出した状態で、加熱処理を行うと好適である。当該加熱処理は、例えば、１００℃以上４５０℃以下、より好ましくは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２３０に酸素を供給して、酸素欠損（ＶＯ）の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で行ってもよい。または、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理した後に、連続して窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理を行っても良い。
なお、酸化物２３０に加酸素化処理を行うことで、酸化物２３０中の酸素欠損を、供給された酸素により修復させる、別言すると「ＶＯ＋Ｏ→ｎｕｌｌ」という反応を促進させることができる。さらに、酸化物２３０中に残存した水素に供給された酸素が反応することで、当該水素をＨ２Ｏとして除去する（脱水化する）ことができる。これにより、酸化物２３０中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してＶＯＨが形成されるのを抑制することができる。
なお、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
酸化物２３０は、化学組成が異なる複数の酸化物層の積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
なお、トランジスタ２００のオン電流を増大したい場合においては、酸化物２３０にＩｎ−Ｚｎ酸化物を用いると好適である。酸化物２３０にＩｎ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、例えば、酸化物２３０ａにＩｎ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃにＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いる積層構造、または、酸化物２３０ａにＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃのいずれか一方にＩｎ−Ｚｎ酸化物を用いる積層構造などが挙げられる。
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。例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることが好ましい。ＣＡＡＣ−ＯＳなどの結晶性を有する酸化物は、不純物や欠陥（酸素欠損など）が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有している。よって、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物２３０ｂからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物２３０ｂから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ２００は、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対して安定である。
また、酸化物２３０ｃとして、ＣＡＡＣ−ＯＳを用いることが好ましく、酸化物２３０ｃが有する結晶のｃ軸が、酸化物２３０ｃの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好ましい。ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸と垂直方向に酸素を移動させやすい性質を有する。したがって、酸化物２３０ｃが有する酸素を、酸化物２３０ｂに効率的に供給することができる。
また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの伝導帯下端は、酸化物２３０ｂの伝導帯下端より真空準位に近いことが好ましい。言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力は、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。この場合、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａに用いることができる金属酸化物を用いることが好ましい。このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、伝導帯下端はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面に形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
具体的には、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃが、酸素以外に共通の元素を主成分として有することで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いてもよい。
具体的には、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いればよい。
なお、金属酸化物をスパッタリング法により成膜する場合、上記の原子数比は、成膜された金属酸化物の原子数比に限られず、金属酸化物の成膜に用いるスパッタリングターゲットの原子数比であってもよい。
酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は大きいオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。
導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）としては、例えば、タンタルを含む窒化物、チタンを含む窒化物、モリブデンを含む窒化物、タングステンを含む窒化物、タンタルおよびアルミニウムを含む窒化物、チタンおよびアルミニウムを含む窒化物などを用いることが好ましい。本発明の一態様においては、タンタルを含む窒化物が特に好ましい。また、例えば、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いてもよい。これらの材料は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
なお、導電体２４２と酸化物２３０ｂとが接することで、酸化物２３０ｂ中の酸素が導電体２４２へ拡散し、導電体２４２が酸化する場合がある。導電体２４２が酸化することで、導電体２４２の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物２３０ｂ中の酸素が導電体２４２へ拡散することを、導電体２４２が酸化物２３０ｂ中の酸素を吸収する、と言い換えることができる。
また、酸化物２３０ｂ中の酸素が導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂへ拡散することで、導電体２４２ａと酸化物２３０ｂとの間、および、導電体２４２ｂと酸化物２３０ｂとの間に層が形成される場合がある。当該層は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂ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２４２ａまたは導電体２４２ｂと、当該層と、酸化物２３０ｂ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。
なお、酸化物２３０ｂなどに含まれる水素が、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに拡散する場合がある。特に、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに、タンタルを含む窒化物を用いることで、酸化物２３０ｂなどに含まれる水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに拡散しやすく、拡散した水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂが有する窒素と結合することがある。つまり、酸化物２３０ｂなどに含まれる水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに吸い取られる場合がある。
また、導電体２４２の側面と導電体２４２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２４２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。
絶縁体２５４は、図１Ｂに示すように、導電体２４２ａの上面および側面、導電体２４２ｂの上面および側面、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、ならびに絶縁体２２４の上面の一部に接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２８０は、絶縁体２５４によって、絶縁体２２４、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂと離隔されている。
また、絶縁体２５４は、絶縁体２２２と同様に、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。例えば、絶縁体２５４は、絶縁体２２４、および絶縁体２８０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。これにより、絶縁体２８０に含まれる水素が、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに拡散するのを抑制することができる。さらに、絶縁体２２２、および絶縁体２５４によって、絶縁体２２４、酸化物２３０などを囲むことにより、水、水素などの不純物が、外方から絶縁体２２４、および酸化物２３０に拡散することを抑制することができる。よって、トランジスタ２００に良好な電気特性および信頼性を与えることができる。
絶縁体２５４は、スパッタリング法を用いて成膜されることが好ましい。絶縁体２５４を、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体２２４の絶縁体２５４と接する領域近傍に酸素を添加することができる。これにより、当該領域から、絶縁体２２４を介して酸化物２３０中に酸素を供給することができる。ここで、絶縁体２５４が、上方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物２３０から絶縁体２８０へ拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体２２２が、下方への酸素の拡散を抑制する機能を有することで、酸素が酸化物２３０から基板側へ拡散することを防ぐことができる。このようにして、酸化物２３０のチャネル形成領域に酸素が供給される。これにより、酸化物２３０の酸素欠損を低減し、トランジスタのノーマリーオン化を抑制することができる。
絶縁体２５４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。この場合、絶縁体２５４は、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜されることが好ましい。ＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、絶縁体２５４の凹凸によって、段切れなどが形成されるのを防ぐことができる。
また、絶縁体２５４としては、例えば、窒化アルミニウムを含む絶縁体を用いればよい。これにより、絶縁性に優れ、且つ熱伝導性に優れた膜とすることができるため、トランジスタ２００を駆動したときに生じる熱の放熱性を高めることができる。また、窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを用いることもできる。
また、絶縁体２５４としては、例えば、ガリウムを含む酸化物を用いてもよい。ガリウムを含む酸化物は、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場合があるため好ましい。なお、ガリウムを含む酸化物として、酸化ガリウム、ガリウム亜鉛酸化物、インジウムガリウム亜鉛酸化物などを用いることができる。なお、絶縁体２５４としてインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いる場合、インジウムに対するガリウムの原子数比は大きい方が好ましい。当該原子数比を大きくすることで、当該酸化物の絶縁性を高くすることができる。
また、絶縁体２５４は、２層以上の多層構造とすることができる。絶縁体２５４を２層の積層構造とする場合、絶縁体２５４の下層、および上層の成膜には、上記方法を用いて行うことができ、絶縁体２５４の下層、および上層の成膜は、同じ方法を用いてもよいし、異なる方法を用いてもよい。例えば、絶縁体２５４として、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて絶縁体２５４の下層を成膜し、次にＡＬＤ法を用いて絶縁体２５４の上層を成膜してもよい。ＡＬＤ法は、被覆性の良好な成膜法なので、１層目の凹凸によって、段切れなどが形成されるのを防ぐことができる。
また、絶縁体２５４の下層、および上層には上記材料を用いることができ、絶縁体２５４の下層、および上層は同じ材料としてもよいし、異なる材料としてもよい。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンと、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、の積層構造としてもよい。また、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、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用いることができる。
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の少なくとも一部に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
絶縁体２５０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の少なくとも一部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。
なお、図１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。
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位の低減化が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
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。
また、絶縁体２５０と導電体２６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
なお、上記金属酸化物は、第１のゲート電極の一部としての機能を有することが好ましい。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。例えば、酸化物２３０に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、上記金属酸化物として用いることができる。
絶縁体２５０の上層および／または上記金属酸化物を有することで、導電体２６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ２００のオン電流の向上を図ることができる。また、絶縁体２５０と、上記金属酸化物との物理的な厚みにより、導電体２６０と、酸化物２３０との間の距離を保つことで、導電体２６０と酸化物２３０との間のリーク電流を抑制することができる。また、絶縁体２５０、および上記金属酸化物との積層構造を設けることで、導電体２６０と酸化物２３０との間の物理的な距離、および導電体２６０から酸化物２３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
導電体２６０は、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。なお、図１では、導電体２６０は、導電体２６０ａと導電体２６０ｂの２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。
導電体２６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
また、導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０に含まれる酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
また、導電体２６０は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。
また、トランジスタ２００では、導電体２６０は、絶縁体２８０などに形成されている開口を埋めるように自己整合的に形成される。導電体２６０をこのように形成することにより、導電体２４２ａと導電体２４２ｂとの間の領域に、導電体２６０を位置合わせすることなく確実に配置することができる。
また、図１Ｂ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。
また、図１Ｃに示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向において、絶縁体２２２の底面を基準としたときの、導電体２６０の、導電体２６０と酸化物２３０ｂとが重ならない領域の底面の高さは、酸化物２３０ｂの底面の高さより低いことが好ましい。ゲート電極として機能する導電体２６０が、絶縁体２５０などを介して、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の側面および上面を覆う構成とすることで、導電体２６０の電界を酸化物２３０ｂのチャネル形成領域全体に作用させやすくなる。よって、トランジスタ２００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。絶縁体２２２の底面を基準としたときの、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂと、導電体２６０とが、重ならない領域における導電体２６０の底面の高さと、酸化物２３０ｂの底面の高さと、の差は、０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。
絶縁体２８０は、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２、および絶縁体２５４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。
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。
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、水素濃度が低く、過剰酸素領域または過剰酸素を有することが好ましく、例えば、絶縁体２１６と同様の材料を用いて設けてもよい。また、絶縁体２８０は、上記の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。
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。
また、絶縁体２８２の上に、層間膜として機能する絶縁体２７４を設けることが好ましい。絶縁体２７４は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。
導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは積層構造としてもよい。
また、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂを積層構造とする場合、絶縁体２８１、絶縁体２７４、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０、および絶縁体２５４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。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８０に添加された酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。また、絶縁体２８１より上層に含まれる水、水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂとしては、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２４１ａおよび絶縁体２４１ｂは、絶縁体２５４に接して設けられるので、絶縁体２８０などに含まれる水、水素などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好適である。また、絶縁体２８０に含まれる酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。
また、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配線として機能する導電体２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）を配置してもよい。導電体２４６は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
＜半導体装置の構成材料＞
以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
＜＜基板＞＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板、または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどを材料とした半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
＜＜絶縁体＞＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物、またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などがある。
また、金属酸化物を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウム、またはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。
また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が有する酸素欠損を補償することができる。
＜＜導電体＞＞
導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、半導体として機能する金属酸化物（酸化物半導体）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特に、インジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫などが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫とする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
［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。
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。
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、七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリー）を確認することは難しい。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。
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。
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
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。
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。
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。
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。
［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。
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となりやすい。
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（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。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。
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１×１０１６ｃｍ−３以下の場合を実質的に高純度真性として定義する。
また、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましく、１×１０１７ｃｍ−３以下であることがより好ましく、１×１０１６ｃｍ−３以下であることがさらに好ましく、１×１０１３ｃｍ−３未満であることがさらに好ましく、１×１０１２ｃｍ−３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア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。
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ＶＯＨを形成する場合がある。酸素欠損に水素が入った欠陥（ＶＯＨ）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。
本発明の一態様においては、酸化物２３０中のＶＯＨ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、ＶＯＨ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。ＶＯＨ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。
酸素欠損に水素が入った欠陥（ＶＯＨ）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、「密度」と言い換えることができる。
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、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。水素などの不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
また、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。
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。
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。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。
＜＜その他の半導体材料＞＞
酸化物２３０に用いることができる半導体材料は、上述の金属酸化物に限られない。酸化物２３０として、バンドギャップを有する半導体材料（ゼロギャップ半導体ではない半導体材料）を用いてもよい。例えば、シリコンなどの単体元素の半導体、ヒ化ガリウムなどの化合物半導体、半導体として機能する層状物質（原子層物質、２次元材料などともいう。）などを半導体材料に用いることが好ましい。特に、半導体として機能する層状物質を半導体材料に用いると好適である。
ここで、本明細書等において、層状物質とは、層状の結晶構造を有する材料群の総称である。層状の結晶構造は、共有結合やイオン結合によって形成される層が、ファンデルワールス力のような、共有結合やイオン結合よりも弱い結合を介して積層している構造である。層状物質は、単位層内における電気伝導性が高く、つまり、２次元電気伝導性が高い。半導体として機能し、かつ、２次元電気伝導性の高い材料をチャネル形成領域に用いることで、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。
層状物質として、グラフェン、シリセン、カルコゲン化物などがある。カルコゲン化物は、カルコゲンを含む化合物である。また、カルコゲンは、第１６族に属する元素の総称であり、酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム、リバモリウムが含まれる。また、カルコゲン化物として、遷移金属カルコゲナイド、１３族カルコゲナイドなどが挙げられる。
酸化物２３０として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いることが好ましい。酸化物２３０として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的には、硫化モリブデン（代表的にはＭｏＳ２）、セレン化モリブデン（代表的にはＭｏＳｅ２）、モリブデンテルル（代表的にはＭｏＴｅ２）、硫化タングステン（代表的にはＷＳ２）、セレン化タングステン（代表的にはＷＳｅ２）、タングステンテルル（代表的にはＷＴｅ２）、硫化ハフニウム（代表的にはＨｆＳ２）、セレン化ハフニウム（代表的にはＨｆＳｅ２）、硫化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳ２）、セレン化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳｅ２）などが挙げられる。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、図１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４乃至図１１を用いて説明する。
図４乃至図１１において、各図のＡは上面図を示す。また、各図のＢは、Ａに示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図のＣは、ＡにＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。また、各図のＤは、各図のＡにＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、各図のＡの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
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、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
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。
プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
また、ＡＬＤ法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、低温での成膜が可能、などの効果がある。また、ＡＬＤ法には、プラズマを利用するＰＥＡＬＤ（Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＡＬＤ）法も含まれる。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。
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。
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。
本実施の形態では、絶縁体２１２として、ＣＶＤ法によって窒化シリコンを成膜する。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。
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、酸化アルミニウムを用いる。
次に、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、絶縁体２１６に絶縁体２１４に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝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に酸化シリコンを用いた場合は、絶縁体２１４は窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムを用いるとよい。
ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電圧を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電圧を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。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。
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。
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。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０５ａとなる導電膜、および導電体２０５ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する。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４参照。）。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。
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。
次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２２が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体２２２を通じてトランジスタ２００の内側へ拡散することが抑制され、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
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。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。
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２２の成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。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、加熱処理は、絶縁体２２４の成膜後などのタイミングで行うこともできる。
次に、絶縁体２２２上に絶縁体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、ＣＶＤ法によって酸化窒化シリコン膜を成膜する。
ここで、絶縁体２２４に過剰酸素領域を形成するために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦを印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁体２２４内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁体２２４に含まれる水、水素などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
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。また、絶縁体２２４上に、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜することにより、絶縁体２２４に酸素を添加することができるので好ましい。
次に、絶縁体２２４上に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図４参照。）。なお、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂは、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂとの界面近傍を清浄に保つことができる。
酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットなどを用いることができる。
特に、酸化膜２３０Ａの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。したがって、当該スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を、３０％を超えて１００％以下、好ましくは７０％以上１００％以下として成膜すると、酸素過剰型の酸化物半導体が形成される。酸素過剰型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い信頼性が得られる。ただし、本発明の一態様はこれに限定されない。酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。また、基板を加熱しながら成膜を行うことによって、当該酸化膜の結晶性を向上させることができる。
本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の酸化物ターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに求める特性に合わせて形成するとよい。
なお、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを、大気に暴露することなく成膜することが好ましい、例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。
次に、加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水、水素などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
次に、酸化膜２３０Ｂ上に導電膜２４２Ａを成膜する（図４参照。）。導電膜２４２Ａの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。なお、導電膜２４２Ａの成膜前に、加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して導電膜２４２Ａを成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化膜２３０Ｂの表面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、および酸化膜２３０Ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とする。
次に、リソグラフィー法を用いて、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および導電膜２４２Ａを島状に加工して、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂを形成する（図５参照。）。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、および導電膜２４２Ａ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。
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、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。
また、レジストマスクの代わり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２４２Ａ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２４２Ａのエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。導電膜２４２Ａのエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。
ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂ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、および導電層２４２Ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、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、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂ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、および導電層２４２Ｂ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、絶縁体２５４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。
また、導電層２４２Ｂの側面と導電層２４２Ｂの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、当該側面の端部と当該上面の端部は、湾曲していることが好ましい。湾曲面は、例えば、導電層２４２Ｂの端部において、曲率半径が、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以上６ｎｍ以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。
次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂの上に、絶縁膜２５４Ａを成膜する（図６参照。）。
絶縁膜２５４Ａ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。絶縁膜２５４Ａ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、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、窒化シリコン、酸化シリコン、または酸化ガリウムを成膜する。また、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜してもよい。
次に、絶縁膜２５４Ａ上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、当該絶縁膜として、ＣＶＤ法、またはスパッタリング法によって酸化シリコン膜を成膜する。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、絶縁膜２５４Ａ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。上述した加熱処理条件を用いることができる。
また、上記絶縁膜は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化シリコン膜を成膜し、当該酸化シリコン膜上に、ＣＶＤ法によって酸化シリコン膜を成膜する構造としてもよい。
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６参照。）。
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。マイクロ波処理を行うことにより、マイクロ波による電界が絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａなどに与えられ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａ中のＶＯＨを酸素欠損（ＶＯ）と水素（Ｈ）に分断することができる。この時分断された水素の一部は、絶縁体２８０が有する酸素と結合して、水分子として除去される場合がある。また、水素の一部は、絶縁膜２５４Ａを介して、導電体２４２にゲッタリングされる場合がある。
また、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行ってもよい。このような処理を行うことで、絶縁体２８０、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａ中の水素を効率よく除去することができる。なお、加熱処理温度は、３００℃以上、５００℃以下とすることが好ましい。
また、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。
次に、絶縁体２８０の一部、絶縁膜２５４Ａの一部、および導電層２４２Ｂの一部を加工して、酸化物２３０ｂに達する開口を形成する。当該開口は、導電体２０５と重なるように形成することが好ましい。当該開口の形成によって、絶縁体２５４、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂを形成する（図７参照。）。
このとき、当該開口と重なる領域の酸化物２３０ｂを薄膜化することが好ましい。当該領域の膜減り量は、図３Ｂに示すＬｃに相当する。当該領域の酸化物２３０ｂを薄膜化することで、チャネル形成領域の上面近傍に低抵抗領域が形成されるのを抑制し、寄生チャネルの発生を抑制することができる。よって、寄生チャネルに起因するトランジスタ特性のばらつきを抑制することができる。
また、当該開口と重なる領域の酸化物２３０ｂの側面の一部を除去することが好ましい。当該領域の膜減り量は、図３Ｂに示すＷｅに相当する。これにより、チャネル形成領域の側面近傍に低抵抗領域が形成されるのを抑制し、寄生チャネルの発生を抑制することができる。よって、寄生チャネルに起因するトランジスタ特性のばらつきを抑制することができる。
また、絶縁体２８０の一部、絶縁膜２５４Ａの一部、および導電層２４２Ｂの一部の加工は、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、絶縁膜２５４Ａの一部をウェットエッチング法で加工し、導電層２４２Ｂの一部をドライエッチング法で加工してもよい。
ここで、酸化物２３０ａ、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好ましい。当該不純物としては、絶縁体２８０、絶縁膜２５４Ａ、および導電層２４２Ｂに含まれる成分、上記開口を形成する際に用いられる装置に使われている部材に含まれる成分、エッチングに使用するガスまたは液体に含まれる成分などに起因したものが挙げられる。当該不純物としては、例えば、アルミニウム、シリコン、タンタル、フッ素、塩素などがある。
上記の不純物などを除去するために、洗浄処理を行ってもよい。洗浄方法としては、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、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
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。
次に加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気下で行うと好適である。また、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を成膜してもよい（図８参照。）。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。
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に求める特性に合わせて、酸化膜２３０Ａ、または酸化膜２３０Ｂと同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｃを成膜すればよい。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＝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、酸化膜２３０Ｃは、積層としてもよい。例えば、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して、連続して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してもよい。
酸化膜２３０Ｃの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに供給される場合がある。または、酸化膜２３０Ｃの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２８０に供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ｃのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
次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、連続して絶縁膜２５０Ａを成膜してもよい（図８参照。）。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。
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。本実施の形態では、絶縁膜２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜する。なお、絶縁膜２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３５０℃以上４５０℃未満、特に４００℃前後とすることが好ましい。絶縁膜２５０Ａを、４００℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁膜を成膜することができる。
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。
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。マイクロ波処理を行うことにより、マイクロ波による電界が絶縁膜２５０Ａ、酸化膜２３０Ｃ、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａなどに与えられ、酸化膜２３０Ｃ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中のＶＯＨをＶＯと水素とに分断することができる。この時分断された水素の一部は、酸素と結合してＨ２Ｏとして、絶縁膜２５０Ａ、酸化膜２３０Ｃ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ａから除去される場合がある。また、水素の一部は、導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）にゲッタリングされる場合がある。このように、マイクロ波処理を行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、酸化膜２３０Ｃ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素濃度を低減することができる。また、酸化物２３０ａ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化膜２３０Ｃ中のＶＯＨをＶＯと水素とに分断した後に存在しうるＶＯに酸素が供給されることでＶＯを修復または補填することができる。
また、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行ってもよい。このような処理を行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、酸化膜２３０Ｃ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素を効率よく除去することができる。また、水素の一部は、導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）にゲッタリングされる場合がある。または、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行うステップを複数回繰り返して行ってもよい。加熱処理を繰り返し行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、酸化膜２３０Ｃ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素をさらに効率よく除去することができる。なお、加熱処理温度は、３００℃以上５００℃以下とすることが好ましい。
また、マイクロ波処理を行うことにより、絶縁膜２５０Ａの膜質を改質することで、水素、水、不純物等の拡散を抑制することができる。従って、導電体２６０となる導電膜の成膜などの後工程、または熱処理などの後処理により、絶縁体２５０を介して、水素、水、不純物等が、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａなどへ拡散することを抑制することができる。
次に、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂを順に成膜する（図９参照。）。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、ＣＶＤ法を用いて導電膜２６０Ｂを成膜する。
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１０参照。）。これにより、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｂに達する開口の内壁（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、上記開口を埋め込むように配置される。
次に、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。
次に、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（図１１参照。）。絶縁体２８２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８２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。スパッタリング法を用いて、酸素を含む雰囲気で絶縁体２８２の成膜を行うことで、成膜しながら、絶縁体２８０に酸素を添加することができる。このとき、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ので好ましい。
次に、絶縁体２８２上に絶縁体２８３を成膜する（図１１参照。）。絶縁体２８３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２８３として、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンを成膜することが好ましい。
次に、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。当該加熱処理によって、絶縁体２８２の成膜によって添加された酸素を絶縁体２８０へ拡散させ、さらに酸化物２３０ｃを介して、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂへ供給することができる。なお、当該加熱処理は、絶縁体２８３の成膜後に限らず、絶縁体２８２の成膜後に行ってもよい。
次に絶縁体２８３上に、絶縁体２７４を成膜してもよい。絶縁体２７４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。
次に絶縁体２７４上に、絶縁体２８１を成膜してもよい。絶縁体２８１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２８１としては、例えば、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が好ましい。
次に、絶縁体２５４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２７４、および絶縁体２８１に、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに達する開口を形成する。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。
次に、絶縁体２４１（絶縁体２４１ａ、および絶縁体２４１ｂ）となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして絶縁体２４１を形成する。当該絶縁膜の成膜は、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。当該絶縁体２４１となる絶縁膜としては、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜することが好ましい。窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好ましい。
また、絶縁体２４１となる絶縁膜の異方性エッチングとしては、例えばドライエッチング法などを用いればよい。開口の側壁部に絶縁体２４１を設けることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂ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。
次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。当該導電膜は、水、水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８１を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（図１参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８１の一部が除去される場合がある。
次に、導電体２４６となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
次に、導電体２４６となる導電膜をリソグラフィー法によって加工し、導電体２４０ａの上面と接する導電体２４６ａ、および導電体２４０ｂの上面と接する導電体２４６ｂを形成する（図１参照。）。
以上により、図１に示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。図４乃至図１１に示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ２００を作製することができる。
＜半導体装置の変形例＞
以下では、図１２および図１３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。
［半導体装置の変形例１］
図１２Ａは半導体装置の上面図を示す。また、図１２Ｂは、図１２Ａ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１２Ｃは、図１２ＡにＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、図１２Ｄは、図１２ＡにＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。図１２Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
なお、図１２に示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目においても、半導体装置の構成材料については＜半導体装置の構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
図１２に示す半導体装置は、図１に示した半導体装置の変形例である。図１２に示す半導体装置は、図１に示した半導体装置とは、絶縁体２８３の形状が異なる。また、酸化物２４３（酸化物２４３ａ、および酸化物２４３ｂ）を有することが異なる。また、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５４のそれぞれを、２層の積層構造として設ける構成について示している。
図１２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２５４、絶縁体２８０、および絶縁体２８２がパターニングされており、絶縁体２８３がこれら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２８０の側面と、絶縁体２５４の側面と、絶縁体２２４の側面と、絶縁体２２２の側面と、絶縁体２１６の側面と、絶縁体２１４の側面と、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２５４、絶縁体２８０、および絶縁体２８２は、絶縁体２８３と絶縁体２１２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。
絶縁体２１２および絶縁体２８３は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）または水分子の拡散を抑制する機能が高いことが好ましい。例えば、絶縁体２１２および絶縁体２８３としては、より水素バリア性が高い、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを用いることが好ましい。
上記構成にすることで、上記封止された領域外に含まれる水素が、上記封止された領域内に混入することを抑制することができる。
また、図１２に示すトランジスタ２００では、絶縁体２１２、絶縁体２１４、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、絶縁体２１４、絶縁体２８３を２層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。
また、図１２に示すトランジスタ２００は、導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）と、酸化物２３０との間に、酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物２４３（酸化物２４３ａ、および酸化物２４３ｂ）を有する。ソース電極やドレイン電極として機能する導電体２４２と酸化物２３０ｂとの間に酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物２４３を配置することで、導電体２４２と、酸化物２３０ｂとの間の電気抵抗が低減されるので好ましい。このような構成とすることで、トランジスタ２００の電気特性およびトランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
酸化物２４３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２４３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２４３として、酸化ガリウムを用いてもよい。また、酸化物２４３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２４３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２４３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２４３は、結晶性を有すると好ましい。酸化物２４３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２４３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。
なお、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面視において、導電体２６０と重なる領域の酸化物２３０ｃの下面は、酸化物２４３（酸化物２４３ａ、および酸化物２４３ｂ）の下面と同程度、または、酸化物２４３（酸化物２４３ａ、および酸化物２４３ｂ）の下面よりも低いことが好ましい。このような形状にすることで、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面近傍の不純物を除去し、領域２３４の上面近傍に形成される低抵抗領域を低減することができる。例えば、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面視において、絶縁体２２４の下面を基準としたとき、酸化物２４３の下面の高さと、導電体２６０と重なる領域の酸化物２３０ｃの下面の高さと、の差は、０ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０ｎｍ以上５ｎｍ以下、さらに好ましくは０ｎｍ以上３ｎｍ以下とする。
また、図１２に示すトランジスタ２００では、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ｃ１と酸化物２３０ｃ２とを積層する構成について示している。
酸化物２３０ｃ２は、酸化物２３０ｃ１に用いられる金属酸化物を構成する金属元素の少なくとも一つを含むことが好ましく、当該金属元素を全て含むことがより好ましい。例えば、酸化物２３０ｃ１として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物またはＩｎ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物２３０ｃ２として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、または酸化ガリウムを用いるとよい。これにより、酸化物２３０ｃ１と酸化物２３０ｃ２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。
また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃ２の伝導帯下端が、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃ１の伝導帯下端より真空準位に近いことが好ましい。言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃ２の電子親和力は、酸化物２３０ｂおよび酸化物２３０ｃ１の電子親和力より小さいことが好ましい。この場合、酸化物２３０ｃ２は、酸化物２３０ａに用いることができる金属酸化物を用い、酸化物２３０ｃ１は、酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を用いることが好ましい。このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂだけでなく、酸化物２３０ｃ１もキャリアの主たる経路となる場合がある。酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を酸化物２３０ｃ１に用いることで、チャネル形成領域の上面における実効チャネル長が大きくなるのを抑制し、トランジスタ２００のオン電流の低下を抑制することができる。
具体的には、酸化物２３０ｃ１として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６［原子数比］の金属酸化物、またはＩｎ−Ｚｎ酸化物を用い、酸化物２３０ｃ２として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］または酸化ガリウムの金属酸化物を用いればよい。
また、酸化物２３０ｃ２は、酸化物２３０ｃ１より、酸素の拡散または透過を抑制する金属酸化物であることが好ましい。絶縁体２５０と酸化物２３０ｃ１との間に酸化物２３０ｃ２を設けることで、絶縁体２８０に含まれる酸素が、絶縁体２５０に拡散するのを抑制することができる。したがって、当該酸素は、酸化物２３０ｃ１を介して、酸化物２３０ｂに効率的に供給することができる。
また、酸化物２３０ｃ２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Ｉｎの原子数比が、酸化物２３０ｃ１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Ｉｎの原子数比より小さくすることで、Ｉｎが絶縁体２５０側に拡散するのを抑制することができる。絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能するため、Ｉｎが絶縁体２５０などに混入した場合、トランジスタの特性不良となる。したがって、酸化物２３０ｃ１と絶縁体２５０との間に酸化物２３０ｃ２を設けることで、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。
なお、酸化物２３０ｃ１は、トランジスタ２００毎に設けてもよい。つまり、トランジスタ２００の酸化物２３０ｃ１と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００の酸化物２３０ｃ１と、は、接しなくてもよい。また、トランジスタ２００の酸化物２３０ｃ１と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００の酸化物２３０ｃ１と、を、離隔してもよい。別言すると、酸化物２３０ｃ１が、トランジスタ２００と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００との間に配置されない構成としてもよい。
複数のトランジスタ２００がチャネル幅方向に配置されている半導体装置において、上記構成にすることで、トランジスタ２００に酸化物２３０ｃがそれぞれ独立して設けられる。よって、トランジスタ２００と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００との間に、寄生トランジスタが生じるのを抑制し、上記リークパスが生じるの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し、かつ、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。
例えば、トランジスタ２００のチャネル幅方向において、互いに向かい合う、トランジスタ２００の酸化物２３０ｃ１の側端部と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００の酸化物２３０ｃ１の側端部との距離をＬ１として表すと、Ｌ１を０ｎｍよりも大きくする。また、トランジスタ２００のチャネル幅方向において、互いに向かい合う、トランジスタ２００の酸化物２３０ａの側端部と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００の酸化物２３０ａの側端部との距離をＬ２として表すと、Ｌ２に対するＬ１の比（Ｌ１／Ｌ２）の値は、好ましくは０より大きく１未満、より好ましくは０．１以上０．９以下、さらに好ましくは０．２以上０．８以下である。なお、Ｌ２は、互いに向かい合う、トランジスタ２００の酸化物２３０ｂの側端部と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００の酸化物２３０ｂの側端部との距離であってもよい。
上記のＬ２に対するＬ１の比（Ｌ１／Ｌ２）を小さくすることで、酸化物２３０ｃ１が、トランジスタ２００と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００との間に配置されない領域の位置ずれが生じても、トランジスタ２００の酸化物２３０ｃ１と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００の酸化物２３０ｃ１と、を、離隔することができる。
また、上記のＬ２に対するＬ１の比（Ｌ１／Ｌ２）を大きくすることで、トランジスタ２００と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００との間隔を狭めても、最小加工寸法の幅を確保することができ、半導体装置のさらなる微細化または高集積化を図ることができる。
なお、導電体２６０、絶縁体２５０、酸化物２３０ｃ２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。また、トランジスタ２００の酸化物２３０ｃ２は、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００の酸化物２３０ｃ２と連続して設けられた領域を有する。
また、上記構成とすることで、酸化物２３０ｃ２は、トランジスタ２００と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００との間に、絶縁体２２４に接する領域を有する。
なお、酸化物２３０ｃ１と同様に、トランジスタ２００の酸化物２３０ｃ２と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００の酸化物２３０ｃ２と、は、離隔してもよい。このとき、絶縁体２５０は、トランジスタ２００と、当該トランジスタ２００に隣接するトランジスタ２００との間に、絶縁体２２４に接する領域を有する。
また、図１２に示すトランジスタ２００では、絶縁体２５４は、絶縁体２５４ａと絶縁体２５４ｂとを積層する構成について示している。なお、絶縁体２５４ａおよび絶縁体２５４ｂの材料、成膜方法などの説明は、＜半導体装置の詳細な構成＞に記載の、絶縁体２５４の下層および絶縁体２５４の上層の説明をそれぞれ参酌できる。
また、絶縁体２５４を設けず、導電体２４２の上面と絶縁体２８０との間に、バリア層として機能する絶縁体を設けてもよい。当該構成にすることで、導電体２４２による、絶縁体２８０が有する過剰酸素の吸収を抑制することができる。また、導電体２４２の酸化を抑制することで、トランジスタ２００と配線とのコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。よって、トランジスタ２００に良好な電気特性および信頼性を与えることができる。
したがって、上記絶縁体は、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、上記絶縁体は、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。
上記絶縁体としては、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。特に、ＡＬＤ法により酸化アルミニウムを成膜するとよい。ＡＬＤ法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える膜を形成することができる。また、上記絶縁体としては、例えば、窒化アルミニウムを含む絶縁体を用いればよい。
［半導体装置の変形例２］
図１３Ａおよび図１３Ｂに、複数のトランジスタ（トランジスタ２００＿１乃至トランジスタ２００＿ｎ）を、絶縁体２８３、および絶縁体２１２で、包括して封止した構成について示す。なお、図１３Ａおよび図１３Ｂ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し、規則性を持たずに配置されていてもよい。
図１３Ａに示すように、複数のトランジスタ（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、当該複数のトランジスタ（トランジスタ群ともいう。）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を絶縁体２８３、および絶縁体２１２で包み込むことができる。つまり、複数のトランジスタの、四方の側面と上方を絶縁体２８３および絶縁体２８１が、下方を絶縁体２１２が包み込むことができる。このように、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。
ここで、封止部２６５と当該封止部２６５に最近接の酸化物２３０との距離は、短いことが好ましい。例えば、封止部２６５と当該封止部２６５に最近接の酸化物２３０の距離は、１μｍ以下が好ましく、５００ｎｍ以下がより好ましい。このような構成にすることで、絶縁体２８３などに封止される絶縁体２８０の体積を小さくすることができるので、絶縁体２８０に含まれる水素の量を低減することができる。
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ので、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。
また、図１３Ａでは、複数のトランジスタ（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１３Ｂに示すように、複数のトランジスタ（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１３Ｂでは、当該複数のトランジスタを封止部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。
このように、複数の封止部で複数のトランジスタ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ので、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、より確実に当該複数のトランジスタを封止することができる。
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。
なお、図１３Ａおよび図１３Ｂにおいて、絶縁体２１２は、絶縁体２１２の下層と絶縁体２１２の上層とを積層する構成について示している。例えば、絶縁体２１２の下層としてＰＥＣＶＤ法によって窒化シリコンを成膜し、絶縁体２１２の上層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。これにより絶縁体２１２の下層を、絶縁体２１２の上層より速いレートで成膜できるので、生産性を向上させることができる。また、絶縁体２１２の下層よりも酸化物２３０の近くに配置される絶縁体２１２の上層の水素濃度を、絶縁体２１２の下層より低減することができる。このように、絶縁体２１２として、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（図示せず。）から水、水素などの不純物の拡散を抑制することができる。また、絶縁体２１２として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体２１２より下層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。
なお、上記構成に限られることなく、絶縁体２１２の下層または絶縁体２１２の上層のいずれか一方を設けた単層構造にしてもよい。また、図１３および（Ｂ）などにおいて、絶縁体２１４を設ける構造にしているが、これに限られることなく、絶縁体２１４を設けない構造にしてもよい。
本発明の一態様により、トランジスタ特性のばらつきが少ない半導体装置を提供することができる。また、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、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、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、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、低消費電力の半導体装置を提供することができる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態、実施例などに示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１４および図１５を用いて説明する。
［記憶装置１］
本発明の一態様である半導体装置（記憶装置）の一例を図１４に示す。本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００を用いることができる。よって、トランジスタ２００、およびトランジスタ２００を含む層については、先の実施の形態の記載を参酌することができる。
トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
図１４に示す半導体装置において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００の第１のゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００の第２のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
また、図１４に示す記憶装置は、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
＜トランジスタ３００＞
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲートとして機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
ここで、図１４に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
なお、図１４に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
＜容量素子１００＞
容量素子１００は、トランジスタ２００の上方に設けられる。容量素子１００は、第１の電極として機能する導電体１１０と、第２の電極として機能する導電体１２０と、誘電体として機能する絶縁体１３０とを有する。
また、例えば、導電体２４０上に設けた導電体１１２と、導電体１１０は、同時に形成することができる。なお、導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。
図１４では、導電体１１２、および導電体１１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
また、絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料と、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料との積層構造を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子１００は、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
なお、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料（高い比誘電率の材料）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。
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、樹脂などがある。
＜配線層＞
各構造体の間には、層間膜、配線、プラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
例えば、トランジスタ３００上には、層間膜として、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能する。
また、層間膜として機能する絶縁体は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１４において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能する。
同様に、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、トランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。さらに、導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。
ここで、上記実施の形態に示す絶縁体２４１と同様に、プラグとして機能する導電体２１８の側面に接して絶縁体２１７が設けられる。絶縁体２１７は、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６に形成された開口の内壁に接して設けられている。つまり、絶縁体２１７は、導電体２１８と、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６と、の間に設けられている。なお、導電体２０５は導電体２１８と並行して形成することができるので、導電体２０５の側面に接して絶縁体２１７が形成される場合もある。
絶縁体２１７としては、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２１７は、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２１６、および絶縁体２２２に接して設けられるので、絶縁体２１０、絶縁体２１６などに含まれる水、水素などの不純物が、導電体２１８を通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。特に、窒化シリコンは水素に対するブロッキング性が高いので好適である。また、絶縁体２１０または絶縁体２１６に含まれる酸素が導電体２１８に吸収されるのを防ぐことができる。
絶縁体２１７は、絶縁体２４１と同様の方法で形成することができる。例えば、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜し、異方性エッチングを用いて導電体３５６に達する開口を形成すればよい。
層間膜として用いることができる絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
例えば、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
例えば、絶縁体１５０、絶縁体２１０、絶縁体３５２、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、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、アクリルなどがある。
また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。従って、絶縁体２１４、絶縁体２１２、絶縁体３５０等には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。
水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどを用いることができる。
配線、プラグに用いることができる導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
例えば、導電体３２８、導電体３３０、導電体３５６、導電体２１８、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、金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
＜酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ＞
なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
例えば、図１４では、過剰酸素を有する絶縁体２２４および絶縁体２８０と、導電体２４０との間に、絶縁体２４１を設けるとよい。絶縁体２４１と、絶縁体２２２、および絶縁体２５４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。さらに、絶縁体２４１は、絶縁体２８０の一部とも接することが好ましい。絶縁体２４１が、絶縁体２７４まで延在していることで、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。
つまり、絶縁体２４１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２４０に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体２４１を有することで、不純物である水素が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００へ拡散することを抑制することができる。
なお、絶縁体２４１としては、水、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、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、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。
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。また、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。また、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。また、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
［記憶装置２］
本発明の一態様である半導体装置を使用した、記憶装置の一例を図１５に示す。図１５に示す記憶装置は、図１４で示したトランジスタ２００、トランジスタ３００、および容量素子１００を有する半導体装置に加え、トランジスタ４００を有している。
トランジスタ４００は、トランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。例えば、トランジスタ４００の第１のゲートおよび第２のゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ４００のソースと、トランジスタ２００の第２のゲートを接続する構成とする。当該構成でトランジスタ２００の第２のゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ４００の第１のゲート−ソース間の電圧および、第２のゲート−ソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ４００において、第２のゲート電圧および第１のゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流が非常に小さいため、トランジスタ２００およびトランジスタ４００に電源供給をしなくても、トランジスタ２００の第２のゲートの負電位を長時間維持することができる。これにより、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置は、長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。
従って、図１５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。配線１００７はトランジスタ４００のソースと電気的に接続され、配線１００８はトランジスタ４００の第１のゲートと電気的に接続され、配線１００９はトランジスタ４００の第２のゲートと電気的に接続され、配線１０１０はトランジスタ４００のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線１００６、配線１００７、配線１００８、及び配線１００９が電気的に接続されている。
また、図１５に示す記憶装置は、図１４に示す記憶装置と同様に、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ４００は、トランジスタ２００よりも、少ない個数を設けるとよい。
＜トランジスタ４００＞
トランジスタ４００は、トランジスタ２００と、同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ４００は、第１のゲートとして機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、第２のゲートとして機能する導電体４０５と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネル形成領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースとして機能する導電体４４２ａ、酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ドレインとして機能する導電体４４２ｂ、酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、プラグとして機能する導電体４４０（導電体４４０ａ、および導電体４４０ｂ）と、および導電体４４０のバリア絶縁膜として機能する絶縁体４４１（絶縁体４４１ａ、および絶縁体４４１ｂ）と、を有する。
導電体４０５と、導電体２０５とは、同じ層に形成される。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａと、酸化物２３０ａとは、同じ層に形成され、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂと、酸化物２３０ｂとは、同じ層に形成される。導電体４４２ａ、および導電体４４２ｂと、導電体２４２とは、同じ層に形成される。酸化物４３０ｃと、酸化物２３０ｃとは、同じ層に形成される。絶縁体４５０と、絶縁体２５０とは、同じ層に形成される。導電体４６０と、導電体２６０とは、同じ層に形成される。導電体４４０と、導電体２４０とは、同じ層に形成される。絶縁体４４１と、絶縁体２４１とは、同じ層に形成される。
なお、同じ層に形成された構造体は、同時に形成することができる。例えば、酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃとなる酸化膜を加工することで、形成することができる。
トランジスタ４００の活性層として機能する酸化物４３０ｃは、酸化物２３０などと同様に、酸素欠損が低減され、水素、水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、第２のゲート電圧及び第１のゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流を非常に小さくすることができる。
＜ダイシングライン＞
以下では、大面積基板を半導体素子ごとに分断することによって、複数の半導体装置をチップ状で取り出す場合に設けられるダイシングライン（スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある）について説明する。分断方法としては、例えば、まず、基板に半導体素子を分断するための溝（ダイシングライン）を形成した後、ダイシングラインにおいて切断し、複数の半導体装置に分断（分割）する場合がある。
ここで、例えば、図１５に示すように、絶縁体２５４と、絶縁体２２２とが接する領域をダイシングラインとなるように設計することが好ましい。つまり、複数のトランジスタ２００を有するメモリセル、およびトランジスタ４００の外縁に設けられるダイシングラインとなる領域近傍において、絶縁体２２４に開口を設ける。また、絶縁体２２４の側面を覆うように、絶縁体２５４を設ける。
つまり、上記絶縁体２２４に設けた開口において、絶縁体２２２と、絶縁体２５４とが接する。例えば、このとき、絶縁体２２２と、絶縁体２５４とを、同材料および同方法を用いて形成してもよい。絶縁体２２２と、絶縁体２５４とを、同材料および同方法で設けることで、密着性を高めることができる。例えば、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。
当該構造により、絶縁体２２２、および絶縁体２５４で、絶縁体２２４、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を包み込むことができる。絶縁体２２２、および絶縁体２５４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、水などの不純物が混入し、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００に拡散することを防ぐことができる。
また、当該構造により、絶縁体２２４の過剰酸素が絶縁体２５４、および絶縁体２２２を介して外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２２４の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態、実施例などに示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、図１６および図１７を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ場合がある。）、および容量素子が適用されている記憶装置（以下、ＯＳメモリ装置と呼ぶ場合がある。）について説明する。ＯＳメモリ装置は、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有する記憶装置である。ＯＳトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、ＯＳメモリ装置は優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
＜記憶装置の構成例＞
図１６ＡにＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、およびコントロールロジック回路１４６０を有する。
列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、データ信号ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。
コントロールロジック回路１４６０は、外部から入力される制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。制御信号ＣＥは、チップイネーブル信号であり、制御信号ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、制御信号ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
メモリセルアレイ１４７０は、行列状に配置された、複数個のメモリセルＭＣと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ１４７０と行回路１４２０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一列に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ１４７０と列回路１４３０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一行に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。
なお、図１６Ａ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１６Ｂに示すように、周辺回路１４１１の一部の上に、メモリセルアレイ１４７０が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。
図１７に上述のメモリセルＭＣに適用できるメモリセルの構成例について説明する。
［ＤＯＳＲＡＭ］
図１７Ａ乃至図１７Ｃ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１７Ａに示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（トップゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線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。
ここで、図１７Ａに示すメモリセル１４７１は、図１４に示す記憶装置に対応している。つまり、トランジスタＭ１はトランジスタ２００に、容量素子ＣＡは容量素子１００に、配線ＢＩＬ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に対応している。なお、図１４に記載のトランジスタ３００は、図１６Ｂに示す記憶装置１４００の周辺回路１４１１に設けられるトランジスタに対応する。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７１に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１７Ｂ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１７Ｃに示すメモリセル１４７３のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有さないトランジスタＭ１で構成されたメモリセルとしてもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７１等に用いる場合、トランジスタＭ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＡとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に小さくすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に小さいため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
また、ＤＯＳＲＡＭにおいて、上記のように、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
［ＮＯＳＲＡＭ］
図１７Ｄ乃至図１７Ｇ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１７Ｄに示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、トップゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、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。
ここで、図１７Ｄに示すメモリセル１４７４は、図１５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１００１に、配線ＳＬは配線１００２に対応している。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７４に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、メモリセルＭＣは、図１７Ｅ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１７Ｆ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１７Ｇに示すメモリセル１４７７のように、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ３としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＢとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に小さくすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。また、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に小さいため、メモリセル１４７４に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至メモリセル１４７７も同様である。
なお、トランジスタＭ３は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタと呼ぶ場合がある）であってもよい。Ｓｉトランジスタの導電型は、ｎチャネル型としてもよいし、ｐチャネル型としてもよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタＭ３として、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタＭ３にＳｉトランジスタを用いることで、トランジスタＭ３の上に積層してトランジスタＭ２を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。
また、トランジスタＭ３はＯＳトランジスタであってもよい。トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３にＯＳトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
また、図１７Ｈ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１７Ｈに示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６、および容量素子ＣＣを有する。容量素子ＣＣは適宜設けられる。メモリセル１４７８は、配線ＢＩＬ、配線ＲＷＬ、配線ＷＷＬ、配線ＢＧＬ、および配線ＧＮＤＬに電気的に接続されている。配線ＧＮＤＬは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル１４７８を、配線ＢＩＬに代えて、配線ＲＢＬ、配線ＷＢＬに電気的に接続してもよい。
トランジスタＭ４は、バックゲートを有するＯＳトランジスタであり、バックゲートは配線ＢＧＬに電気的に接続されている。なお、トランジスタＭ４のバックゲートとゲートとを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭ４はバックゲートを有さなくてもよい。
なお、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６はそれぞれ、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはｐチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６がＯＳトランジスタでもよい、この場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７８に用いる場合、トランジスタＭ４としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＣとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４のリーク電流を非常に小さくすることができる。
なお、本実施の形態に示す、周辺回路１４１１、メモリセルアレイ１４７０等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。
また、本明細書等に示すトランジスタは、ダブルゲート型のトランジスタであってもよい。図１８Ａに、ダブルゲート型のトランジスタ１５００Ａの回路記号例を示す。
トランジスタ１５００Ａは、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２を直列に接続した構成を有する。図１８Ａでは、トランジスタＴｒ１のソースまたはドレインの一方が端子Ｓと電気的に接続され、トランジスタＴｒ１のソースまたはドレインの他方がトランジスタＴｒ２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２のソースまたはドレインの他方が端子Ｄと電気的に接続されている状態を示している。また、図１８Ａでは、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２のゲートが電気的に接続され、かつ、端子Ｇと電気的に接続されている状態を示している。
図１８Ａに示すトランジスタ１５００Ａは、端子Ｇの電位を変化させることで端子Ｓと端子Ｄ間を導通状態または非導通状態に切り替える機能を有する。よって、ダブルゲート型のトランジスタであるトランジスタ１５００Ａは、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２を内在するもの、１つのトランジスタとして機能する。すなわち、図１８Ａにおいて、トランジスタ１５００Ａのソースまたはドレインの一方は端子Ｓと電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は端子Ｄと電気的に接続され、ゲートは端子Ｇと電気的に接続されていると言える。
また、本明細書等に示すトランジスタは、トリプルゲート型のトランジスタであってもよい。図１８Ｂに、トリプルゲート型のトランジスタ１５００Ｂの回路記号例を示す。
トランジスタ１５００Ｂは、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２、およびトランジスタＴｒ３を直列に接続した構成を有する。図１８Ｂでは、トランジスタＴｒ１のソースまたはドレインの一方が端子Ｓと電気的に接続され、トランジスタＴｒ１のソースまたはドレインの他方がトランジスタＴｒ２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２のソースまたはドレインの他方がトランジスタＴｒ３のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、トランジスタＴｒ３のソースまたはドレインの他方が端子Ｄと電気的に接続されている状態を示している。また、図１８Ｂでは、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２、およびトランジスタＴｒ３のゲートが電気的に接続され、かつ、端子Ｇと電気的に接続されている状態を示している。
図１８Ｂに示すトランジスタ１５００Ｂは、端子Ｇの電位を変化させることで端子Ｓと端子Ｄ間を導通状態または非導通状態に切り替える機能を有する。よって、トリプルゲート型のトランジスタであるトランジスタ１５００Ｂは、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２、およびトランジスタＴｒ３を内在するもの、１つのトランジスタとして機能する。すなわち、図１８Ｂにおいて、トランジスタ１５００Ｂのソースまたはドレインの一方は端子Ｓと電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は端子Ｄと電気的に接続され、ゲートは端子Ｇと電気的に接続されていると言える。
トランジスタ１５００Ａおよびトランジスタ１５００Ｂのように、複数のゲートを有し、かつ、複数のゲートが電気的に接続されているトランジスタを「マルチゲート型のトランジスタ」または「マルチゲートトランジスタ」と呼ぶ場合がある。
また、本明細書等に示すトランジスタは、バックゲートを有するトランジスタであってもよい。図１８Ｃに、バックゲートを有するトランジスタ１５００Ｃの回路記号例を示す。また、図１８Ｄに、バックゲートを有するトランジスタ１５００Ｄの回路記号例を示す。
トランジスタ１５００Ｃは、ゲートとバックゲートを電気的に接続する構成を有する。トランジスタ１５００Ｄは、バックゲートを端子ＢＧと電気的に接続する構成を有する。バックゲートは、ゲートとバックゲートで半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。バックゲートはゲートと同様に機能させることができる。
ゲートとバックゲートを電気的に接続することで、トランジスタのオン電流を増やすことができる。また、バックゲートの電位を独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態、実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、図１９を用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ１２００の一例を示す。チップ１２００には、複数の回路（システム）が実装されている。このように、複数の回路（システム）を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）と呼ぶ場合がある。
図１９Ａに示すように、チップ１２００は、ＣＰＵ１２１１、ＧＰＵ１２１２、一または複数のアナログ演算部１２１３、一または複数のメモリコントローラ１２１４、一または複数のインターフェース１２１５、一または複数のネットワーク回路１２１６等を有する。
チップ１２００には、バンプ（図示しない）が設けられ、図１９Ｂ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。
マザーボード１２０３には、ＤＲＡＭ１２２１、フラッシュメモリ１２２２等の記憶装置が設けられていてもよい。例えば、ＤＲＡＭ１２２１に先の実施の形態に示すＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ１２２２に先の実施の形態に示すＮＯＳＲＡＭを用いることができる。
ＣＰＵ１２１１は、複数のＣＰＵコアを有することが好ましい。また、ＧＰＵ１２１２は、複数のＧＰＵコアを有することが好ましい。また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２に共通のメモリが、チップ１２００に設けられていてもよい。該メモリには、前述したＮＯＳＲＡＭや、ＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、ＧＰＵ１２１２は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理や積和演算に用いることができる。ＧＰＵ１２１２に、酸化物半導体を用いた画像処理回路や、酸化物半導体を用いた積和演算回路を設けることで、画像処理、および積和演算を低消費電力で実行することが可能になる。
また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が同一チップに設けられていることで、ＣＰＵ１２１１およびＧＰＵ１２１２間の配線を短くすることができ、ＣＰＵ１２１１からＧＰＵ１２１２へのデータ転送、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が有するメモリ間のデータ転送、およびＧＰＵ１２１２での演算後に、ＧＰＵ１２１２からＣＰＵ１２１１への演算結果の転送を高速に行うことができる。
アナログ演算部１２１３はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路の一方、または両方を有する。また、アナログ演算部１２１３に上記積和演算回路を設けてもよい。
メモリコントローラ１２１４は、ＤＲＡＭ１２２１のコントローラとして機能する回路、およびフラッシュメモリ１２２２のインターフェースとして機能する回路を有する。
インターフェース１２１５は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コントローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとして、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などを用いることができる。
ネットワーク回路１２１６は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワーク回路を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよい。
チップ１２００には、上記回路（システム）を同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、チップ１２００に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増やす必要が無く、チップ１２００を低コストで作製することができる。
ＧＰＵ１２１２を有するチップ１２００が設けられた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。
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。
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態、実施例などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータ、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２０にリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
図２０ＡはＵＳＢメモリの模式図である。ＵＳＢメモリ１１００は、筐体１１０１、キャップ１１０２、ＵＳＢコネクタ１１０３および基板１１０４を有する。基板１１０４は、筐体１１０１に収納されている。例えば、基板１１０４には、メモリチップ１１０５、コントローラチップ１１０６が取り付けられている。メモリチップ１１０５などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図２０ＢはＳＤカードの外観の模式図であり、図２０Ｃは、ＳＤカードの内部構造の模式図である。ＳＤカード１１１０は、筐体１１１１、コネクタ１１１２および基板１１１３を有する。基板１１１３は筐体１１１１に収納されている。例えば、基板１１１３には、メモリチップ１１１４、コントローラチップ１１１５が取り付けられている。基板１１１３の裏面側にもメモリチップ１１１４を設けることで、ＳＤカード１１１０の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板１１１３に設けてもよい。これによって、ホスト装置とＳＤカード１１１０間の無線通信によって、メモリチップ１１１４のデータの読み出し、書き込みが可能となる。メモリチップ１１１４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図２０ＤはＳＳＤの外観の模式図であり、図２０Ｅ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。
本実施の形態は、他の実施の形態、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。
（実施の形態６）
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２１に、本発明の一態様に係るＣＰＵやＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。
＜電子機器・システム＞
本発明の一態様に係るＧＰＵまたはチップは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型またはノート型の情報端末用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機、などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、電子ブックリーダー、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係るＧＰＵまたはチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
本発明の一態様の電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。
本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図２１に、電子機器の例を示す。
［情報端末］
図２１Ａには、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）が図示されている。情報端末５１００は、筐体５１０１と、表示部５１０２と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５１０２に備えられ、ボタンが筐体５１０１に備えられている。
情報端末５１００は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部５１０２に表示するアプリケーション、表示部５１０２に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部５１０２に表示するアプリケーション、指紋や声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。
図２１Ｂには、ノート型情報端末５２００が図示されている。ノート型情報端末５２００は、情報端末の本体５２０１と、表示部５２０２と、キーボード５２０３と、を有する。
ノート型情報端末５２００は、先述した情報端末５１００と同様に、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、ノート型情報端末５２００を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。
なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、およびノート型情報端末を例として、それぞれ図２１Ａ、図２１Ｂに図示したが、スマートフォン、およびノート型情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、およびノート型情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、デスクトップ型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
［ゲーム機］
図２１Ｃは、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５３００を示している。携帯ゲーム機５３００は、筐体５３０１、筐体５３０２、筐体５３０３、表示部５３０４、接続部５３０５、操作キー５３０６等を有する。筐体５３０２、および筐体５３０３は、筐体５３０１から取り外すことが可能である。筐体５３０１に設けられている接続部５３０５を別の筐体（図示せず）に取り付けることで、表示部５３０４に出力される映像を、別の映像機器（図示せず）に出力することができる。このとき、筐体５３０２、および筐体５３０３は、それぞれ操作部として機能することができる。これにより、複数のプレイヤーが同時にゲームを行うことができる。筐体５３０１、筐体５３０２、および筐体５３０３の基板に設けられているチップなどに先の実施の形態に示すチップを組み込むことができる。
また、図２１Ｄは、ゲーム機の一例である据え置き型ゲーム機５４００を示している。据え置き型ゲーム機５４００には、無線または有線でコントローラ５４０２が接続されている。
携帯ゲーム機５３００、据え置き型ゲーム機５４００などのゲーム機に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のゲーム機を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。
更に、携帯ゲーム機５３００に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機５３００を実現することができる。
本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機５３００に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、時刻、ゲーム上に登場する人物の言動が変化するといった表現が可能となる。
また、携帯ゲーム機５３００で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、１人でもゲームを行うことができる。
図２１Ｃ、図２１Ｄでは、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機、および据え置き型ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用するゲーム機としては、例えば、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
［大型コンピュータ］
本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、大型コンピュータに適用することができる。
図２１Ｅ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２１Ｆは、スーパーコンピュータ５５００が有するラックマウント型の計算機５５０２を示す図である。
スーパーコンピュータ５５００は、ラック５５０１と、複数のラックマウント型の計算機５５０２と、を有する。なお、複数の計算機５５０２は、ラック５５０１に格納されている。また、計算機５５０２には、複数の基板５５０４が設けられ、当該基板上に上記実施の形態で説明したＧＰＵまたはチップを搭載することができる。
スーパーコンピュータ５５００は、主に科学技術計算に利用される大型コンピュータである。科学技術計算では、膨大な演算を高速に処理する必要があるため、消費電力が高く、チップの発熱が大きい。スーパーコンピュータ５５００に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のスーパーコンピュータを実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。
図２１Ｅ、図２１Ｆでは、大型コンピュータの一例としてスーパーコンピュータを図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータはこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータとしては、例えば、サービスを提供するコンピュータ（サーバー）、大型汎用コンピュータ（メインフレーム）などが挙げられる。
［移動体］
本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、移動体である自動車、および自動車の運転席周辺に適用することができる。
図２１Ｇ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２１Ｇでは、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。
表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーターやタコメーター、走行距離、燃料計、ギア状態、エアコンの設定などを表示することで、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。
表示パネル５７０４には、自動車に設けられた撮像装置（図示しない。）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該チップを自動車の自動運転システムに用いることができる。また、当該チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０４には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。
なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。
［電化製品］
図２１Ｈは、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。
電気冷凍冷蔵庫５８００に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫５８００は、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能や、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。
電化製品の一例として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。
本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態、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。
上記実施の形態に開示したトランジスタ２００と同等の構造を有するトランジスタ８００を作製した。トランジスタ８００は、チャネル長およびチャネル幅をそれぞれ６０ｎｍ、ゲート絶縁層（ＴＧＩ）の厚さをＥＯＴ（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　Ｏｘｉｄｅ　Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）換算で６ｎｍにした。また、チャネルが形成される半導体層にＣＡＡＣ−ＩＧＺＯを用いた。トランジスタ８００は、半導体層にＣＡＡＣ−ＩＧＺＯを用いた電界効果型のトランジスタ（「ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ　ＦＥＴ」ともいう。）である。
図２２Ａおよび図２２Ｂに、トランジスタ８００の断面ＴＥＭ写真を示す。図２２Ａはトランジスタ８００のゲート長方向の断面ＴＥＭ写真であり、図２２Ｂはトランジスタ８００のゲート幅方向の断面ＴＥＭ写真である。図２２Ａおよび図２２Ｂには、トランジスタ８００のゲート電極（ＴＧＥ）、ゲート絶縁層（ＴＧＩ）、ソース電極およびドレイン電極（ＳＤＥ）、半導体層（ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ）、バックゲート絶縁層（ＢＧＩ）、並びにバックゲート電極（ＢＧＥ）が示されている。なお、図２２Ｂはゲート電極およびバックゲート電極を通るゲート幅方向の断面ＴＥＭ写真であるため、ＳＤＥは写っていない。
次に、トランジスタ８００のＩｄ−Ｖｇ特性を測定した。具体的には、トランジスタ８００のソースとドレイン間の電圧（「ドレイン電圧」または「Ｖｄｓ」ともいう。）を１．３Ｖ、バックゲートに供給する電圧（「Ｖｂｇ」ともいう。）を０Ｖに設定し、ゲート電圧（「Ｖｇ」ともいう。）を−３Ｖから３Ｖまで変化させたときのソースとドレインの間に流れる電流（「ドレイン電流」または「Ｉｄ」ともいう。）を測定した。Ｉｄ−Ｖｇ特性の測定は、−４０℃、室温（２７℃）、８５℃、１２５℃の４つの温度で行なった。
図２３に、トランジスタ８００のＩｄ−Ｖｇ特性の測定結果を示す。図２３の横軸はＶｇであり、縦軸はＩｄをログスケールで示している。また、測定器の測定下限値（ＭＬ）は１×１０−１３Ａである。図２３中にＭＬを破線で示している。
図２３より、測定温度が上昇するとＩｄも上昇することがわかる。これは、半導体層にシリコンを用いたＦＥＴ（「Ｓｉトランジスタ」ともいう。）とは逆の傾向である。また、室温時のＩｄ−Ｖｇ特性から、室温時のＳ値が９０ｍＶ／ｄｅｃであることがわかった。
図２４Ａに、Ｖｄｓ＝１．２Ｖ、Ｖｂｇ＝０Ｖの時のトランジスタ８００のゲート耐圧を示す。また、図２４Ｂに、Ｖｇｓ＝２．５Ｖ、Ｖｂｇ＝０Ｖの時のトランジスタ８００のドレイン耐圧を示す。トランジスタ８００は、ゲート長が６０ｎｍと微細であるにもかかわらず、ゲート耐圧は３Ｖ以上、ドレイン耐圧は６Ｖ以上の高い電圧耐圧を持つ。このため、トランジスタ８００は、ＣＭＯＳ回路と外部回路とのインターフェースとしての活用が期待できる。
トランジスタ８００を用いてインバータ回路８１０を作製した。図２５Ａに、インバータ回路８１０の回路図を示す。インバータ回路８１０は、どちらもトランジスタ８００である、トランジスタＭ１およびトランジスタＭ２で構成される。トランジスタＭ１のソースまたはドレインの一方は端子８０１と電気的に接続され、他方は出力端子ｏｕｔと電気的に接続される。トランジスタＭ１のゲートは、トランジスタＭ１のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタＭ１のバックゲートは端子ｂｇ１と電気的に接続される。トランジスタＭ２のソースまたはドレインの一方は出力端子ｏｕｔと電気的に接続され、他方は端子８０２と電気的に接続される。トランジスタＭ２のゲートは入力端子ｉｎと電気的に接続され、バックゲートは端子ｂｇ２と電気的に接続される。端子８０１にはＶｄｄが供給され、端子８０２にはＶｓｓが供給される。
端子ｂｇ１に供給する電圧（Ｖｂｇ１）によって、トランジスタＭ１の閾値電圧を変化させることができる。端子ｂｇ２に供給する電圧（Ｖｂｇ２）によって、トランジスタＭ２の閾値電圧を変化させることができる。
トランジスタＭ２のチャネル幅は、トランジスタＭ１のチャネル幅よりも大きいことが好ましい。本実施例では、トランジスタＭ１として１個のトランジスタ８００を用いた（Ｍ＝１）。また、トランジスタＭ２として、１００個のトランジスタ８００を並列に接続したものを用いた（Ｍ＝１００）。よって、トランジスタＭ２のチャネル幅は、実質的にトランジスタＭ１のチャネル幅の１００倍であると見なせる。
図２５Ｂに、Ｖｓｓを０Ｖ、Ｖｄｄを３．３Ｖとした時の、インバータ回路８１０のＤＣ特性の測定結果を示す。図２５Ｂの横軸は入力端子ｉｎに供給される電圧Ｖｉｎを示し、縦軸は出力端子ｏｕｔに供給される電圧Ｖｏｕｔを示している。また、図２５Ｂでは、Ｖｂｇ２が２Ｖ、０Ｖ、−２Ｖ、−４Ｖ、および−６Ｖのそれぞれの場合での測定結果を示している。なお、Ｖｂｇ１は０Ｖとした。
図２５Ｂより、バックゲートに供給する電圧を変化させることで、インバータ回路８１０の論理閾値を調整できることがわかる。
実施例２で説明したインバータ回路８１０を用いてリングオシュレータ８２０を作製した。図２６Ａにリングオシュレータ８２０の回路図を示す。リングオシュレータ８２０はコア８１１と出力バッファ８１２で構成される。コア８１１は、環状に接続された奇数段のインバータ回路８１０を有する。図２６Ａでは、１段目のインバータ回路８１０をインバータ回路８１０＿１と示し、２段目のインバータ回路８１０をインバータ回路８１０＿２と示し、ｎ段目のインバータ回路８１０をインバータ回路８１０＿ｎ（ｎは３以上の奇数。）と示している。
ｉ段目（ｉは２以上ｎ−１以下の自然数）のインバータ回路８１０の出力は、ｉ＋１段目のインバータ回路８１０の入力と電気的に接続される。また、ｉ−１段目のインバータ回路８１０の出力は、ｉ段目のインバータ回路８１０の入力と電気的に接続される。また、ｎ段目のインバータ回路８１０の出力は、１段目のインバータ回路８１０の入力と電気的に接続される。コア８１１においてインバータ回路８１０は環状に接続される。
出力バッファ８１２の入力は、コア８１１に含まれる奇数個のインバータ回路８１０のうち、任意のインバータ回路８１０の出力と電気的に接続される。言い換えると、ｉ段目のインバータ回路８１０の出力が、出力バッファ８１２の入力と電気的に接続される。出力バッファ８１２の出力は、端子Ｒｏｕｔと電気的に接続される。本実施例では、コア８１１が１５１段のインバータ回路８１０を有するリングオシュレータ８２０を作製した。図２６Ｂに、作製したリングオシュレータ８２０のダイ写真を示す。コア８１１の大きさは、１００μｍ×３５０μｍである。
作製したリングオシュレータ８２０に、電源電圧として３．３Ｖ（Ｖｓｓ＝０Ｖ、Ｖｄｄ＝３．３Ｖ）を供給した時の出力波形を図２７に示す。図２７の横軸は時間を示し、縦軸は出力電圧（端子Ｒｏｕｔの電圧）を任意単位（ａ．ｕ．）で示している。図２７より、当該リングオシュレータ８２０の遅延時間が４３μｓであることがわかった。よって、１つのインバータ回路８１０の遅延時間は１４２ｎｓである。
遅延時間は動作温度で変化する。しかしながら、Ｖｂｇ２を調整することで、高温環境下においても遅延時間を室温動作時と同等の時間に調整することができる。
図２８に、室温時の遅延時間で規格化した、遅延時間の温度依存性を示す。図２８では、動作温度が室温（Ｒ．Ｔ．：２７℃）、８５℃、１２５℃、１５０℃の場合の遅延時間を示している。また、図２８の横軸は温度を示し、左側の縦軸は、室温時の遅延時間で規格した遅延時間を百分率で示している。また、右側の縦軸は、Ｖｂｇ２の値を示している。室温時の遅延時間測定は、Ｖｂｇ１を０Ｖ、Ｖｂｇ２を２Ｖにして行なった。
図２８に示す“×”は、すべての動作温度においてＶｂｇ２を２Ｖにして遅延時間の測定を行った結果を示している。動作温度の上昇に伴い遅延時間が短くなっていることがわかる。動作温度１５０℃では、室温動作時よりも３５％程度遅延時間が短くなっている。これは、温度によって、閾値電圧の低下と電界効果移動度の増加が生じるためである。
図２８に示す“□”は、動作温度に合わせてＶｂｇ２を調整して遅延時間の測定を行った結果を示している。図２８に示す“△”は、動作温度ごとに設定したＶｂｇ２の値を示している。動作温度に応じてＶｂｇ２を調整することで、動作温度が変化しても遅延時間を室温動作時と同等の時間にすることができる。本実施例では、動作温度が室温から１５０℃の範囲で遅延時間の変動を１％以下にすることができた。
図２８に示す“○”は、ＳＰＩＣＥシミュレーションを用いたＣＭＯＳインバータの遅延時間計算結果を示している。ＣＭＯＳインバータを構成するトランジスタは、チャネル長６０ｎｍの一般的なバルクＳｉトランジスタを想定した。図２８より、ＣＭＯＳインバータでは、動作温度の上昇に伴い遅延時間が長くなっていることがわかる。動作温度１５０℃では、室温動作時よりも１４％程度遅延時間が長くなる。これは、温度上昇によって、閾値電圧の上昇と電界効果移動度の低減が生じるためである。一般的なバルクＳｉトランジスタではバックゲートを設けることが難しい。よって、動作温度ごとの遅延時間の調整が困難である。
ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ　ＦＥＴを用いることで、温度上昇によって動作速度を上げることや、簡易的な補正回路によって速度を一定に保つことが可能である。
２００：トランジスタ、８００：トランジスタ、８０１：端子、８０２：端子、８１０：インバータ回路、８１１：コア、８１２：出力バッファ、８２０：リングオシュレータ

Claims (6)

  1. 　ｎ段（ｎは３以上の奇数）のインバータ回路を含む半導体装置であって、
    　前記ｎ段のインバータ回路のうち、
    　ｉ段目（ｉは２以上ｎ−１以下の自然数）のインバータ回路の出力は、ｉ＋１段目のインバータ回路の入力と電気的に接続され、
    　ｉ−１段目のインバータ回路の出力は、前記ｉ段目の前記インバータ回路の入力と電気的に接続され、
    　ｎ段目のインバータ回路の出力は、１段目の前記インバータ回路の入力と電気的に接続され、
    　前記ｎ段のインバータ回路のそれぞれは、第１トランジスタと、第２トランジスタと、を有し、
    　前記第１トランジスタのゲートは、前記第１トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
    　前記第１トランジスタの前記ソースまたは前記ドレインの一方は、第１端子と電気的に接続され、
    　前記第１トランジスタの前記ソースまたは前記ドレインの他方は、出力端子と電気的に接続され、
    　前記第２トランジスタのゲートは入力端子と電気的に接続され、
    　前記第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は前記出力端子と電気的に接続され、
    　前記第２トランジスタの前記ソースまたは前記ドレインの他方は第２端子と電気的に接続され、
    　前記第１トランジスタは、第１バックゲートを有し、
    　前記第２トランジスタは、第２バックゲートを有し、
    　前記第１トランジスタおよび前記第２トランジスタは、それぞれの半導体層に酸化物半導体を含む半導体装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記酸化物半導体は、ＩｎおよびＺｎのうち、少なくとも一方を含む半導体装置。
  3. 　請求項１または請求項２において、
    　前記酸化物半導体は、ＣＡＡＣ構造を含む半導体装置。
  4. 　請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
    　前記第１端子に高電源電位Ｖｄｄが供給され、
    　前記第２端子に低電源電位Ｖｓｓが供給される半導体装置。
  5. 　請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
    　前記第２トランジスタのチャネル幅は、
    　前記第１トランジスタのチャネル幅よりも大きい半導体装置。
  6. 　請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
    　動作温度に応じて前記第２バックゲートに供給する電圧を調整する機能を有する半導体装置。
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