(57)【要約】【課題】新規な半導体装置及びその駆動方法を提供する。【解決手段】演算処理によって適宜書き換えられるデータを保持するノード（揮発性）と、当該データが退避されることになるノードとをチャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタのソース及びドレインを介して電気的に接続させる。そして、電源電圧の供給を停止する前にデータ及び当該データを反転したデータ（反転データ）を退避させ、電源電圧の供給を再開した後に両者を比較することによって電源電圧の供給を停止する直前の演算処理によって得られたデータを復元する。【選択図】図１
2014030191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源電圧が供給されている期間において、１及び０の一方に対応する電位をデータとして保持することが可能な第１のノードと、
電源電圧が供給されている期間において、１及び０の他方に対応する電位を反転データとして保持することが可能な第２のノードと、
電源電圧が供給されているか否かに依存せずに前記データを保持することが可能な第３のノードと、
電源電圧が供給されているか否かに依存せずに前記反転データを保持することが可能な第４のノードと、
前記第１のノードと前記第３のノードを電気的に接続させるか否かを制御することが可能であり且つチャネルが酸化物半導体層に形成される第１のトランジスタと、
前記第２のノードと前記第４のノードを電気的に接続させるか否かを制御することが可能であり且つチャネルが酸化物半導体層に形成される第２のトランジスタと、
第１の入力信号として前記第３のノードの電位が入力され、第２の入力信号として前記第４のノードの電位が入力されているコンパレータと、を有する半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の駆動方法であって、
前記第１のトランジスタをオンすることによって前記データを前記第１のノードから前記第３のノードに退避させ、且つ前記第２のトランジスタをオンすることによって前記反転データを前記第２のノードから前記第４のノードに退避させる第１のステップと、
前記第１のステップ後に電源電圧の供給を停止する第２のステップと、
前記第２のステップ後に電源電圧の供給を再開する第３のステップと、
前記第３のステップ後に前記コンパレータの出力信号に基づいて前記第２のステップ前に前記第１のノードに保持されていた前記データ及び前記第２のノードに保持されていた前記反転データが復元される第４のステップと、を有する半導体装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。特に、動作中に電力供給が適宜停止される半導体装置に関する。また、当該半導体装置の駆動方法に関する。なお、本明細書中において、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能する装置を指す。
【背景技術】
【０００２】
中央演算処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などの半導体装置は、その用途によって多種多様な構成を有している。一般的には、データ又はプログラムを記憶するためのメインメモリに加えて、レジスタ、キャッシュメモリなど、各種の記憶装置が設けられていることが多い。レジスタは、演算処理又はプログラムの実行状態の保持などのために一時的にデータを保持する役割を担っている。また、キャッシュメモリは、演算回路とメインメモリの間に介在し、低速なメインメモリへのアクセスを減らして演算処理を高速化させるために設けられている。
【０００３】
レジスタ及びキャッシュメモリには、メインメモリと比較して、データの書き込み及び読み出しなどの動作が高速であることが求められる。よって、レジスタとしてはフリップフロップが、キャッシュメモリとしてはＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）が用いられることが多い。
【０００４】
ところで、消費電力を抑えるため、適宜（例えば、データの入出力が行われない期間）半導体装置への電源電圧の供給を停止することが好ましい。ただし、フリップフロップ、及びＳＲＡＭ等は、揮発性の記憶装置である。よって、半導体装置への電源電圧の供給を停止する場合には、電源電圧の供給再開後にレジスタ及びキャッシュメモリ等の揮発性の記憶装置において消失したデータを復元することが必要となる。例えば、外部に設けられている補助記憶装置から必要なデータを読み出し、読み出したデータを信号処理回路内の揮発性の記憶装置に改めて書き込むなどの動作が必要となる。これは、当該信号処理回路の動作遅延に直結する。
【０００５】
これに対して、揮発性の記憶装置の周辺に不揮発性の記憶装置を配置する半導体装置が開発されている。例えば、特許文献１では、電源電圧の供給を停止する前にフリップフロップなどに保持されているデータを強誘電体メモリへと退避させ、電源電圧の供給を再開した後に強誘電体メモリに退避されているデータをフリップフロップなどに復元する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−０７８８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の一態様は、新規な半導体装置及びその駆動方法を提供することを目的の一とする。例えば、消費電力の低減及び動作遅延の抑制を図ることが可能な中央演算処理装置などの半導体装置を提供することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様の半導体装置では、演算処理によって適宜書き換えられるデータを保持するノード（揮発性）と、当該データが退避（移動）されることになるノードとをチャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタのソース及びドレインを介して電気的に接続させる。なお、当該トランジスタは、オフ電流値が極めて低い。そのため、後者のノードから当該トランジスタを介して電荷がリークすることがほとんどない。その結果、後者のノードでは、電源電圧の供給が停止される期間においてもデータを保持することが可能である。なお、本明細書において、電源電圧の供給を停止するとは、電源電圧（高電源電位及び低電源電位）を供給しない、又は電源電圧（高電源電位と低電源電位の電位差）をゼロ若しくは実質的にゼロにすることを意味する。
【０００９】
そして、当該半導体装置においては、電源電圧の供給を停止する前にデータ及び当該データを反転したデータ（反転データ）を退避させ、電源電圧の供給を再開した後に両者を比較することによって電源電圧の供給を停止する直前の演算処理によって得られたデータを復元することが可能である。
【００１０】
例えば、本発明の一態様は、電源電圧が供給されている期間において、１及び０の一方に対応する電位をデータとして保持することが可能な第１のノードと、電源電圧が供給されている期間において、１及び０の他方に対応する電位を反転データとして保持することが可能な第２のノードと、電源電圧が供給されているか否かに依存せずにデータを保持することが可能な第３のノードと、電源電圧が供給されているか否かに依存せずに反転データを保持することが可能な第４のノードと、第１のノードと第３のノードを電気的に接続させるか否かを制御することが可能であり且つチャネルが酸化物半導体層に形成される第１のトランジスタと、第２のノードと第４のノードを電気的に接続させるか否かを制御することが可能であり且つチャネルが酸化物半導体層に形成される第２のトランジスタと、第１の入力信号として第３のノードの電位が入力され、第２の入力信号として第４のノードの電位が入力されているコンパレータと、を有する半導体装置である。
【００１１】
また、当該半導体装置の駆動方法であって、第１のトランジスタをオンすることによってデータを第１のノードから第３のノードに退避させ、且つ第２のトランジスタをオンすることによって反転データを第２のノードから第４のノードに退避させる第１のステップと、第１のステップ後に電源電圧の供給を停止する第２のステップと、第２のステップ後に電源電圧の供給を再開する第３のステップと、第３のステップ後にコンパレータの出力信号に基づいて第２のステップ前に第１のノードに保持されていたデータ及び第２のノードに保持されていた反転データが復元される第４のステップと、を有する半導体装置の駆動方法も本発明の一態様である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一態様の半導体装置では、電源電圧の供給を適宜停止することによって消費電力の低減を図ることが可能である。また、電源電圧の供給を停止する前におけるデータの退避及び電源電圧の供給を再開した後におけるデータの復元によって動作遅延の抑制を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（Ａ）半導体装置の構成例を示す図、（Ｂ）半導体装置に供給される電位及び信号の一例を示すタイミングチャート。
【図２】（Ａ）演算部の構成例を示す図、（Ｂ）演算部に供給される電位及び信号の一例を示すタイミングチャート。
【図３】トランジスタの構造例を示す図。
【図４】半導体装置の構造例を示す図。
【図５】（Ａ）〜（Ｆ）電子機器の具体例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、本発明の一態様について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態を様々に変更し得る。したがって、本発明は以下に示す記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００１５】
＜半導体装置の構成例及びその駆動方法例＞
図１（Ａ）は、本発明の一態様の半導体装置の構成例を示す図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す半導体装置に供給される電源電位Ｖ１、Ｖ２及び信号ＯＳ＿ＷＥのタイミングチャートの一例を示す図である。
【００１６】
図１（Ａ）に示す半導体装置は、演算処理を行う演算部１と、演算部１で保持されているデータが退避されるデータ退避部２とを有する。
【００１７】
演算部１は、電源電位Ｖ１及び電源電位Ｖ２が供給され、両者の電位差を電源電圧として動作することが可能である。なお、ここでは、電源電位Ｖ１は、高電源電位ＶＤＤと低電源電位ＶＳＳのいずれかの電位となり、電源電位Ｖ２は、低電源電位ＶＳＳとなることとする。また、演算部１には、電源電圧が供給されている（電源電位Ｖ１が高電源電位ＶＤＤとなる）期間Ｔ１、Ｔ４において、１及び０の一方に対応する電位をデータとして保持することが可能なノード（Ｎｏｄｅ＿１）と１及び０の他方に対応する電位をデータ（反転データ）として保持することが可能なノード（Ｎｏｄｅ＿２）が設けられている。
【００１８】
データ退避部２は、ゲートが信号ＯＳ＿ＷＥを供給する配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が演算部１のノード（Ｎｏｄｅ＿１）に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方がノード（Ｎｏｄｅ＿３）に電気的に接続されているトランジスタ２１と、ゲートが信号ＯＳ＿ＷＥを供給する配線に電気的に接続され、ソース及びドレインの一方が演算部１のノード（Ｎｏｄｅ＿２）に電気的に接続され、ソース及びドレインの他方がノード（Ｎｏｄｅ＿４）に電気的に接続されているトランジスタ２２と、一方の電極がノード（Ｎｏｄｅ＿３）に電気的に接続され、他方の電極が電源電位Ｖ２を供給する配線に電気的に接続されているキャパシタ２３と、一方の電極がノード（Ｎｏｄｅ＿４）に電気的に接続され、他方の電極が電源電位Ｖ２を供給する配線に電気的に接続されているキャパシタ２４と、非反転入力端子がノード（Ｎｏｄｅ＿３）に電気的に接続され、反転入力端子がノード（Ｎｏｄｅ＿４）に電気的に接続されているコンパレータ２５とを有する。コンパレータ２５の出力端子は演算部１と電気的に接続されている。なお、図１（Ａ）に示すデータ退避部２において、キャパシタ２３、２４を設けない構成とすることも可能である。図１（Ａ）において、ノード（Ｎｏｄｅ＿３）の電位は、ノード（Ｎｏｄｅ＿３）に接続されているトランジスタ２１のソース又はドレインの電位であり、ノード（Ｎｏｄｅ＿４）の電位は、ノード（Ｎｏｄｅ＿４）に接続されているトランジスタ２２のソース又はドレインの電位である。
【００１９】
ここでは、信号ＯＳ＿ＷＥは、トランジスタ２１、２２のしきい値電圧と、高電源電位ＶＤＤとの和よりも高電位である電位、又は低電源電位ＶＳＳとなる信号である（前者の場合とする）こととする。なお、信号ＯＳ＿ＷＥとして、高電源電位ＶＤＤ又は低電源電位ＶＳＳとなる信号を適用する（後者の場合とする）ことも可能である。後者の場合には、前者の場合と比較して、半導体装置を駆動するのに必要な電源電位数を低減することが可能である。他方、前者の場合には、ノード（Ｎｏｄｅ＿３）及びノード（Ｎｏｄｅ＿４）に高電源電位ＶＤＤを供給することが可能であり、後述するデータの退避を確実に行うことが可能である。
【００２０】
なお、トランジスタ２１、２２は、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタである。また、ノード（Ｎｏｄｅ＿３）に対する電荷の供給経路は、トランジスタ２１のソース及びドレインを介する経路のみであり、ノード（Ｎｏｄｅ＿４）に対する電荷の供給経路は、トランジスタ２２のソース及びドレインを介する経路のみである。ここで、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタのオフ電流値は著しく低い。よって、トランジスタ２１、２２がオフする期間においては、ノード（Ｎｏｄｅ＿３）、（Ｎｏｄｅ＿４）の電位を概略一定に保持することが可能である。その結果、ノード（Ｎｏｄｅ＿３）、（Ｎｏｄｅ＿４）は、電源電圧が供給されるか否かに依存せずにデータを保持することが可能である。すなわち、ノード（Ｎｏｄｅ＿３）には演算部１のノード（Ｎｏｄｅ＿１）で保持されているデータを退避させることが可能であり、ノード（Ｎｏｄｅ＿４）には演算部１のノード（Ｎｏｄｅ＿２）で保持されているデータ（反転データ）を退避させることが可能である。
【００２１】
また、コンパレータ２５は、電源電位Ｖ１及び電源電位Ｖ２が供給され、両者の電位差を電源電圧として動作することが可能である。具体的には、ノード（Ｎｏｄｅ＿３）の電位がノード（Ｎｏｄｅ＿４）の電位よりも高い場合に電源電位Ｖ１、低い場合に電源電位Ｖ２を演算部１に対して出力する。なお、図１（Ａ）に示すデータ退避部２において、コンパレータ２５に電源電位Ｖ１、Ｖ２と異なる電位が供給されている構成とすることも可能である。例えば、電源電位Ｖ１未満であって電源電位Ｖ２を超える電位である電源電位Ｖ３と、電源電位Ｖ２とをコンパレータに供給する構成とすることも可能である。
【００２２】
そして、演算部１では、電源電圧の供給を停止することによって消失した演算部１のノード（Ｎｏｄｅ＿１）、（Ｎｏｄｅ＿２）に保持されていたデータをコンパレータ２５の出力信号に基づいて復元することが可能である。
【００２３】
図１（Ａ）に示す半導体装置においては、電源電圧の供給を停止すること（図１（Ｂ）に示す期間Ｔ３、Ｔ６）によって消費電力の低減を図ることが可能である。また、電源電圧の供給を停止する前にノード（Ｎｏｄｅ＿１）に保持されているデータをノード（Ｎｏｄｅ＿３）に、ノード（Ｎｏｄｅ＿２）に保持されているデータをノード（Ｎｏｄｅ＿４）に退避させ（図１（Ｂ）に示す期間Ｔ２、Ｔ５）、電源電圧の供給を再開した後にコンパレータ２５の出力信号に基づいてノード（Ｎｏｄｅ＿１）、ノード（Ｎｏｄｅ＿２）に保持されていたデータを復元することが可能である。これにより、図１（Ａ）に示す半導体装置においては、動作遅延を抑制することが可能である。
【００２４】
さらに、図１（Ａ）に示す半導体装置では、演算部１におけるデータの復元が２つの情報（ノード（Ｎｏｄｅ＿３）の電位とノード（Ｎｏｄｅ＿４）の電位）に基づいて行われている。この場合、１つの情報に基づいて演算部１におけるデータの復元が行われる半導体装置と比較して、データ退避に要する期間を短縮することが可能である。以下、この点について詳細に述べる。
【００２５】
図１（Ａ）に示す半導体装置におけるデータ退避とは、ノード（Ｎｏｄｅ＿３）の電位をノード（Ｎｏｄｅ＿１）に保持されているデータに対応する電位とし、ノード（Ｎｏｄｅ＿４）の電位をノード（Ｎｏｄｅ＿２）に保持されている反転データに対応する電位とすることである。例えば、ノード（Ｎｏｄｅ＿３）の電位を０に対応する電位から１に対応する電位へと書き換え、ノード（Ｎｏｄｅ＿４）の電位を１に対応する電位から０に対応する電位へと書き換えることになる。
【００２６】
１つの情報に基づいて演算部１におけるデータの復元が行われる半導体装置においても同様である。すなわち、当該半導体装置においては、特定のノードの電位を０に対応する電位から１に対応する電位へと書き換える、又は当該ノードの電位を１に対応する電位から０に対応する電位へと書き換えることになる。
【００２７】
ここで、０に対応する電位から１に対応する電位への書き換えに要する期間と、１に対応する電位から０に対応する電位への書き換えに要する期間とが同一であるとは限らない。例えば、ゲートが当該ノードに電気的に接続されているトランジスタの導通状態に基づいて当該ノードに保持されているデータを判別する場合、当該トランジスタのしきい値電圧に依存して、当該ノードに保持されているデータが１であると判別されるか、又は０であると判別されるかが変化する。具体的には、当該トランジスタのしきい値電圧が１に対応する電位よりも０に対応する電位に近い値である場合には、１に対応する電位から０に対応する電位への書き換えに要する期間が、０に対応する電位から１に対応する電位への書き換えに要する期間よりも長くなる。この場合、（より長い期間である）１に対応する電位から０に対応する電位への書き換えに要する期間を基準としてデータ退避に要する期間を設定せざるを得ない。確実にデータを退避させるためである。
【００２８】
他方、図１（Ａ）に示す半導体装置においては、ノード（Ｎｏｄｅ＿３）の電位とノード（Ｎｏｄｅ＿４）の電位を直接比較するコンパレータ２５の出力信号に基づいてデータの復元が行われる。この場合、コンパレータ２５の出力信号を、０に対応する電位から１に対応する電位へと変化させるのに要する期間と、１に対応する電位から０に対応する電位へと変化させるのに要する期間とは同一となる。すなわち、図１（Ａ）に示す半導体装置においては、より長い期間である方の書き換えに要する期間を基準としてデータ退避に要する期間を設定する必要はない。よって、図１（Ａ）に示す半導体装置においては、動作遅延を抑制することが可能である。
【００２９】
＜演算部１におけるデータの復元の一例＞
図２（Ａ）は、図１（Ａ）に示す半導体装置が有する演算部１の構成例を示す図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す半導体装置に供給される電源電位Ｖ１、Ｖ２並びに信号Ｒｅｓｅｔ及び信号ＯＳ＿ＲＤのタイミングチャートの一例を示す図である。なお、ここでは、信号Ｒｅｓｅｔ及び信号ＯＳ＿ＲＤは、高電源電位ＶＤＤ又は低電源電位ＶＳＳとなる信号であることとする。
【００３０】
図２（Ａ）に示す演算部１は、一方の入力端子に信号Ｒｅｓｅｔが入力されるＮＡＮＤゲート１０と、入力端子にＮＡＮＤゲート１０の出力信号又はデータ退避部２のコンパレータ２５の出力信号が入力され、ＮＡＮＤゲート１０の他方の入力端子に信号を出力するインバータ１１と、ＮＡＮＤゲート１０の出力端子とインバータ１１の入力端子を電気的に接続させるか否かを制御するアナログスイッチ１２と、データ退避部２のコンパレータ２５の出力端子とインバータ１１の入力端子を電気的に接続させるか否かを制御するアナログスイッチ１３とを有する。
【００３１】
なお、図２（Ａ）に示す半導体装置においては、演算部１の入力端子（Ｉｎ）、ＮＡＮＤゲート１０の他方の入力端子、及びインバータ１１の出力端子が電気的に接続するノードが図１（Ａ）に示すノード（Ｎｏｄｅ＿２）に対応し、演算部１の出力端子（Ｏｕｔ）及びインバータ１１の入力端子が電気的に接続するノードが図１（Ａ）に示すノード（Ｎｏｄｅ＿１）に対応する。
【００３２】
また、アナログスイッチ１２、１３は、信号ＯＳ＿ＲＤ及び信号ＯＳ＿ＲＤの反転信号（インバータ１４の出力信号）によって、反転動作することになる。すなわち、図２（Ａ）に示す半導体装置においては、アナログスイッチ１２、１３及びインバータ１４によって切り替えスイッチが構成されている。
【００３３】
図２（Ａ）に示す演算部１においては、電源電圧の供給を再開した後であって、信号Ｒｅｓｅｔが高電源電位ＶＤＤとなり且つ信号ＯＳ＿ＲＤが高電源電位ＶＤＤとなる期間（図２（Ｂ）に示す期間Ｔ＿ＲＤ）において、ノード（Ｎｏｄｅ＿１）及びノード（Ｎｏｄｅ＿２）のデータを復元することが可能である。
【００３４】
＜チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタの一例＞
図３は、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタの構造例を示す図である。図３に示すトランジスタは、絶縁表面を有する層３０上に設けられている酸化物半導体層３１と、酸化物半導体層３１の一端と接する導電層３２と、酸化物半導体層３１の他端と接する導電層３３と、酸化物半導体層３１及び導電層３２、３３上に設けられている絶縁層３４と、絶縁層３４上に設けられている導電層３５とを有する。なお、図３に示すトランジスタにおいては、導電層３２、３３がソース及びドレインとして機能し、絶縁層３４がゲート絶縁膜として機能し、導電層３５がゲートとして機能する。
【００３５】
＜１．酸化物半導体層３１の具体例＞
＜（１）酸化物半導体材料について＞
酸化物半導体層３１として、少なくともインジウムを含む膜を適用することができる。特に、インジウムと亜鉛を含む膜を適用することが好ましい。また、トランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウムを有する膜を適用することが好ましい。
【００３６】
また、酸化物半導体層３１として、スズ、ハフニウム、アルミニウム、若しくはジルコニウム、又はランタノイドである、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、若しくはルテチウムのいずれか一種又は複数種をスタビライザーとして含む膜を適用することもできる。
【００３７】
例えば、酸化物半導体層３１として、酸化インジウム膜、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物膜、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物膜、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物膜を適用することができる。
【００３８】
ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【００３９】
なお、酸化物半導体層３１を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。
【００４０】
＜（２）酸化物半導体の結晶構造について＞
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。
【００４１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
【００４２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。
【００４３】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【００４４】
断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。
【００４５】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれるほとんどの結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ただし、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領域を形成する場合がある。例えば、平面ＴＥＭ像において、２５００ｎｍ２以上、５μｍ２以上または１０００μｍ２以上となる結晶領域が観察される場合がある。
【００４６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【００４７】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体膜であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
【００４８】
以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。
【００４９】
なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
【００５０】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中において、ｃ軸配向した結晶部の分布が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもｃ軸配向した結晶部の割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域が変質し、部分的にｃ軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成されることもある。
【００５１】
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。
【００５２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
【００５３】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。
【００５４】
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【００５５】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
【００５６】
なお、酸化物半導体層３１として、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【００５７】
＜（３）酸化物半導体の層構造について＞
酸化物半導体層３１として、単一層からなる酸化物半導体膜のみならず複数種の酸化物半導体膜の積層を適用することができる。例えば、非晶質酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、及びＣＡＡＣ−ＯＳ膜の少なくとも２種を含む層を酸化物半導体層３１として適用することができる。
【００５８】
また、組成の異なる酸化物半導体膜の積層からなる層を酸化物半導体層３１として適用することもできる。具体的には、絶縁層３４側に設けられる第１の酸化物半導体膜（以下、上層ともいう）と、絶縁表面を有する層３０側に設けられ、且つ第１の酸化物半導体膜と組成が異なる第２の酸化物半導体膜（以下、下層ともいう）とを含む層を酸化物半導体層３１として適用することもできる。
【００５９】
＜２．導電層３２、３３の具体例＞
導電層３２、３３として、アルミニウム、銅、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素、これらの元素を成分とする合金、又はこれらの元素を含む窒化物からなる膜を適用することができる。また、これらの膜の積層を適用することもできる。
【００６０】
＜３．絶縁層３４の具体例＞
絶縁層３４として、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁材料膜を適用することができる。また、これらの材料の積層を適用することもできる。なお、絶縁層３４として酸化アルミニウム膜を適用することが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断（ブロッキング）効果が高い。よって、絶縁層３４として酸化アルミニウム膜を含む層を適用することで、酸化物半導体層３１からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体層３１への水素などの不純物の混入を防止することができる。
【００６１】
また、絶縁層３４として、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））膜、窒素が添加されたハフニウムシリケート膜、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））膜、又は酸化ランタン膜など（いわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料からなる膜）を含む膜を適用することもできる。このような膜を用いることでゲートリーク電流の低減が可能である。
【００６２】
＜４．導電層３５の具体例＞
導電層３５として、アルミニウム、銅、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素又はこれらの元素を成分とする合金からなる膜を適用することができる。また、導電層３５として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜、又は金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を適用することもできる。これらの窒化膜は５ｅＶ（電子ボルト）以上、好ましくは５．５ｅＶ（電子ボルト）以上の仕事関数を有し、ゲートとして用いた場合、トランジスタのしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。また、これらの膜の積層を適用することもできる。
【００６３】
＜５．付記＞
図３に示すトランジスタにおいては、酸化物半導体層３１への不純物の混入又は酸化物半導体層３１を構成する元素の脱離を抑制することが好ましい。このような現象が生じると、トランジスタの電気的特性が変動するからである。当該現象を抑制する手段としては、トランジスタの上下（絶縁表面を有する層３０及びトランジスタの間と、絶縁層３４及び導電層３５上）にブロッキング効果が高い絶縁層を設ける手段が挙げられる。例えば、当該絶縁層として、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁材料膜を適用することができる。また、これらの材料の積層を適用することもできる。
【実施例１】
【００６４】
本実施例では、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタ９０２と、チャネルが単結晶シリコンウェハに形成されるトランジスタ９０１とを含んで構成される半導体装置の構造例及びその作製方法例について図４を参照して説明する。なお、トランジスタ９０２は、図１（Ａ）に示すトランジスタ２１、２２などとして適用することが可能であり、トランジスタ９０１は、図１（Ａ）に示すコンパレータ２５などを構成するトランジスタとして適用することが可能である。
【００６５】
ただし、トランジスタ９０１は、シリコンの他、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、単結晶炭化シリコンなどの半導体材料を用いていても良い。また、例えば、シリコンを用いたトランジスタは、ＳＯＩ法により作製されたシリコン薄膜、気相成長法により作製されたシリコン薄膜などを用いて形成することができる。この場合、基板にはフュージョン法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、半導体基板、セラミック基板等を用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が７３０℃以上のものを用いると良い。
【００６６】
図４に示す半導体装置においては、単結晶シリコンウェハを用いて形成されたトランジスタ９０１と、その上階層に酸化物半導体を用いて形成されたトランジスタ９０２とが形成されている。すなわち、本実施例で示す半導体装置は、シリコンウェハを基板として、その上層にトランジスタ層が設けられた三次元の積層構造を有する半導体装置であり、また、シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタと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とを有するハイブリッド型の半導体装置である。
【００６７】
半導体材料を含む基板９００を用いて作製されたトランジスタ９０１は、ｎチャネル型トランジスタ（ＮＭＯＳＦＥＴ）、ｐチャネル型トランジスタ（ＰＭＯＳＦＥＴ）のいずれも用いることができる。図４に示す例においては、トランジスタ９０１は、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）９０５によって他の素子と絶縁分離されている。ＳＴＩ９０５を用いることにより、ＬＯＣＯＳによる素子分離法で発生した素子分離部のバーズビークを抑制することができ、素子分離部の縮小等が可能となる。一方で、構造の微細化小型化が要求されない半導体装置においてはＳＴＩ９０５の形成は必ずしも必要ではなく、ＬＯＣＯＳ等の素子分離手段を用いることもできる。トランジスタ９０１が形成される基板９００には、ボロンやリン、ヒ素等の導電性を付与する不純物が添加されたウェル９０４が形成されている。
【００６８】
図４におけるトランジスタ９０１は、基板９００中に設けられたチャネル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように設けられた不純物領域９０６（ソース領域及びドレイン領域ともいう）と、チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜９０７と、ゲート絶縁膜９０７上にチャネル形成領域と重畳するように設けられたゲート電極層９０８とを有する。ゲート電極層９０８は、加工精度を高めるための第１の材料からなるゲート電極層と、配線として低抵抗化を目的とした第２の材料からなるゲート電極層を積層した構造とすることができる。例えば、導電性を付与するリン等の不純物を添加した結晶性シリコンとニッケルシリサイドとの積層構造などが挙げられる。しかし、この構造に限らず、適宜要求される仕様に応じて材料、積層数、形状等を調整することができる。
【００６９】
なお、図４に示すトランジスタ９０１を、フィン型構造のトランジスタとしてもよい。フィン型構造とは、半導体基板の一部を板状の突起形状に加工し、突起形状の長尺方向を交差するようにゲート電極層を設けた構造である。ゲート電極層は、ゲート絶縁膜を介して突起構造の上面及び側面を覆う。第２のトランジスタをフィン型構造のトランジスタとすることで、チャネル幅を縮小してトランジスタの集積化を図ることができる。また、電流を多く流すことができ、加えて制御効率を向上させることができるため、トランジスタのオフ時の電流及び閾値電圧を低減することができる。
【００７０】
また、基板９００中に設けられた不純物領域９０６には、コンタクトプラグ９１３、９１５が接続されている。ここでコンタクトプラグ９１３、９１５は、接続するトランジスタ９０１のソース電極やドレイン電極としても機能する。また、不純物領域９０６とチャネル形成領域の間には、不純物領域９０６と異なる不純物領域が設けられている。該不純物領域は、導入された不純物の濃度によって、ＬＤＤ領域やエクステンション領域としてチャネル形成領域近傍の電界分布を制御する機能を果たす。ゲート電極層９０８の側壁には絶縁膜を介してサイドウォール絶縁膜９０９を有する。この絶縁膜やサイドウォール絶縁膜９０９を用いることで、ＬＤＤ領域やエクステンション領域を形成することができる。
【００７１】
また、トランジスタ９０１は、絶縁膜９１０により被覆されている。絶縁膜９１０には保護膜としての機能を持たせることができ、外部からチャネル形成領域への不純物の侵入を防止することができる。また、絶縁膜９１０をＣＶＤ法による窒化シリコン等の材料とすることで、チャネル形成領域に単結晶シリコンを用いた場合には加熱処理によって水素化を行うことができる。また、絶縁膜９１０に引張応力又は圧縮応力を有する絶縁膜を用いることで、チャネル形成領域を構成する半導体材料に歪みを与えることができる。ｎチャネル型のトランジスタの場合にはチャネル形成領域となるシリコン材料に引張応力を、ｐチャネル型のトランジスタの場合にはチャネル形成領域となるシリコン材料に圧縮応力を付加することで、各トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。
【００７２】
さらに、絶縁膜９１０上に絶縁膜９１１が設けられ、その表面はＣＭＰによる平坦化処理が施されている。これにより、トランジスタ９０１を含む階層よりも上の階層に高い精度で素子層を積層していくことができる。
【００７３】
トランジスタ９０１を含む階層よりも上層に、チャネルが酸化物半導体層に形成されるトランジスタ９０２を含む階層を形成する。トランジスタ９０２はトップゲート構造のトランジスタであり、酸化物半導体膜９２６の側面及び上面に接してソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８を有し、これらの上のゲート絶縁膜９２９上にゲート電極層９３０を有している。また、トランジスタ９０２を覆うように絶縁膜９３２、９３３が形成されている。ここでトランジスタ９０２の作製方法について、以下に説明する。
【００７４】
絶縁膜９２４上に酸化物半導体膜９２６を形成する。絶縁膜９２４は、酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの無機の絶縁膜を用いることができる。特に、誘電率の低い（ｌｏｗ−ｋ）材料を用いることで、各種電極や配線の重なりに起因する容量を十分に低減することが可能になるため好ましい。なお、絶縁膜９２４に上記材料を用いた多孔性の絶縁膜を適用しても良い。多孔性の絶縁膜では、密度の高い絶縁膜と比較して誘電率が低下するため、電極や配線に起因する寄生容量を更に低減することが可能である。本実施例では、膜厚５０ｎｍの酸化アルミニウム膜上に膜厚３００ｎｍ程度の酸化珪素膜を積層させて、絶縁膜９２４として用いる。
【００７５】
酸化物半導体膜９２６は、絶縁膜９２４上に形成した酸化物半導体膜を所望の形状に加工することで、形成することができる。上記酸化物半導体膜の膜厚は、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、更に好ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。酸化物半導体膜は、酸化物半導体をターゲットとして用い、スパッタ法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス（例えばアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス（例えばアルゴン）及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成することができる。
【００７６】
なお、酸化物半導体膜をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、絶縁膜９２４の表面に付着している塵埃を除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどを用いてもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。
【００７７】
本実施例では、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、及びＺｎ（亜鉛）を含むターゲットを用いたスパッタ法により得られる膜厚３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体の薄膜を、酸化物半導体膜として用いる。上記ターゲットとして、好ましくは、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、４：２：３、３：１：２、１：１：２、２：１：３、または３：１：４で示されるターゲットを用いる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含むターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上１００％未満である。充填率の高いターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
【００７８】
なお、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｚｎ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組成は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。Ｚｎの比率を上記範囲に収めることで、移動度の向上を実現することができる。
【００７９】
また、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物半導体膜をスパッタリング法で成膜する場合、好ましくは、原子数比がＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１、２：１：３、１：２：２、または２０：４５：３５で示されるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いる。
【００８０】
本実施例では、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて酸化物半導体膜を成膜する。成膜時に、基板温度を１００℃以上６００℃以下、好ましくは２００℃以上４００℃以下としても良い。基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて処理室を排気すると、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該処理室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００８１】
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する塵埃が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
【００８２】
また、スパッタリング装置の処理室のリークレートを１×１０−１０Ｐａ・ｍ３／秒以下とすることで、スパッタリング法による成膜途中における酸化物半導体膜への、アルカリ金属、水素化物等の不純物の混入を低減することができる。また、排気系として上述した吸着型の真空ポンプを用いることで、排気系からのアルカリ金属、水素原子、水素分子、水、または水素化物等の不純物の逆流を低減することができる。
【００８３】
また、ターゲットの純度を、９９．９９％以上とすることで、酸化物半導体膜に混入するアルカリ金属、水素原子、水素分子、水、水酸基、または水素化物等を低減することができる。また、当該ターゲットを用いることで、酸化物半導体膜において、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属の濃度を低減することができる。
【００８４】
なお、酸化物半導体膜に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で絶縁膜９２４までが形成された基板９００を予備加熱し、基板９００に吸着した水分又は水素などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、１００℃以上４００℃以下、好ましくは１５０℃以上３００℃以下である。また、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。
【００８５】
なお、酸化物半導体膜９２６を形成するためのエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス（塩素系ガス、例えば塩素（Ｃｌ２）、三塩化硼素（ＢＣｌ３）、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）など）が好ましい。また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化炭素（ＣＦ４）、六弗化硫黄（ＳＦ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などを用いることができる。
【００８６】
ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の形状にエッチングできるように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節する。
【００８７】
酸化物半導体膜９２６を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００８８】
なお、次工程の導電膜を形成する前に逆スパッタを行い、酸化物半導体膜９２６及び絶縁膜９２４の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。
【００８９】
なお、スパッタ等で成膜された酸化物半導体膜中には、不純物としての水分又は水素（水酸基を含む）が多量に含まれていることがある。水分又は水素はドナー準位を形成しやすいため、酸化物半導体にとっては不純物である。そこで、本実施例では、酸化物半導体膜中の水分又は水素などの不純物を低減（脱水化または脱水素化）するために、酸化物半導体膜９２６に対して、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）雰囲気下で、酸化物半導体膜９２６に加熱処理を施す。
【００９０】
酸化物半導体膜９２６に加熱処理を施すことで、酸化物半導体膜９２６中の水分又は水素を脱離させることができる。具体的には、２５０℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満の温度で加熱処理を行えば良い。例えば、５００℃、３分間以上６分間以下程度で行えばよい。加熱処理にＲＴＡ法を用いれば、短時間に脱水化又は脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。
【００９１】
本実施例では、加熱処理装置の一つである電気炉を用いる。
【００９２】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導又は熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、又は窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
【００９３】
加熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水分又は水素などが含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００９４】
以上の工程により、酸化物半導体膜９２６中の水素の濃度を低減し、高純度化することができる。それにより酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体膜を用いることで、耐圧性が高く、オフ電流の著しく低いトランジスタを作製することができる。上記加熱処理は、酸化物半導体膜の成膜以降であれば、いつでも行うことができる。
【００９５】
次いで、フォトリソグラフィ工程を用いて、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８を形成する。具体的には、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８は、スパッタ法や真空蒸着法で絶縁膜９２４上に導電膜を形成した後、当該導電膜を所定の形状に加工（パターニング）することで、形成することができる。
【００９６】
本実施例では、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８として、膜厚１００ｎｍのタングステン膜を用いる。
【００９７】
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体膜９２６がなるべく除去されないようにそれぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。エッチング条件によっては、酸化物半導体膜９２６の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部（凹部）が形成されることもある。
【００９８】
本実施例では、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８となる導電膜に、タングステン膜を用いる。そのため、アンモニアと過酸化水素水を含む溶液（アンモニア過水）を用いて、選択的に上記導電膜をウェットエッチングすることができる。具体的には、３１重量％の過酸化水素水と、２８重量％のアンモニア水と、水とを、体積比５：２：２で混合したアンモニア過水を用いる。あるいは、四弗化炭素（ＣＦ４）、塩素（Ｃｌ２）、酸素を含むガスを用いて、上記導電膜をドライエッチングしても良い。
【００９９】
なお、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過した光に多段階の強度をもたせる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数の膜厚を有する形状となり、アッシングを行うことで更に形状を変形することができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。すなわち、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
【０１００】
また、酸化物半導体膜９２６と、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８との間に、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電膜を設けるようにしても良い。酸化物導電膜の材料としては、酸化亜鉛を成分として含むものが好ましく、酸化インジウムを含まないものであることが好ましい。そのような酸化物導電膜として、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、酸化亜鉛ガリウムなどを適用することができる。
【０１０１】
例えば、酸化物導電膜を形成する場合、酸化物導電膜を形成するためのパターニングと、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８を形成するためのパターニングとを一括で行うようにしても良い。
【０１０２】
ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電膜を設けることで、酸化物半導体膜９２６とソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８の間の抵抗を下げることができるので、トランジスタの高速動作を実現させることができる。また、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電膜を設けることで、トランジスタの耐圧を高めることができる。
【０１０３】
次いで、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、又はＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行うようにしても良い。このプラズマ処理によって露出している酸化物半導体膜の表面に付着した水などを除去する。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
【０１０４】
なお、プラズマ処理を行った後、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８と、酸化物半導体膜９２６とを覆うように、ゲート絶縁膜９２９を形成する。そして、ゲート絶縁膜９２９上において、酸化物半導体膜９２６と重なる位置にゲート電極層９３０を形成する。
【０１０５】
本実施例では、スパッタ法で形成された膜厚２０ｎｍの酸化窒化珪素膜をゲート絶縁膜９２９として用いる。成膜時の基板温度は、室温以上４００℃以下とすればよく、本実施例では３００℃とする。
【０１０６】
なお、ゲート絶縁膜９２９を形成した後に、加熱処理を施しても良い。加熱処理は、窒素、超乾燥空気、又は希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下において、好ましくは２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下で行う。上記ガスは、水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下であることが望ましい。本実施例では、例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の加熱処理を行う。あるいは、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８を形成する前に、水分又は水素を低減させるための酸化物半導体膜に対して行った先の加熱処理と同様に、高温短時間のＲＴＡ処理を行っても良い。酸素を含むゲート絶縁膜９２９が設けられた後に、加熱処理が施されることによって、酸化物半導体膜９２６に対して行った先の加熱処理により、酸化物半導体膜９２６に酸素欠損が発生していたとしても、ゲート絶縁膜９２９から酸化物半導体膜９２６に酸素が供与される。そして、酸化物半導体膜９２６に酸素が供与されることで、酸化物半導体膜９２６において、ドナーとなる酸素欠損を低減し、化学量論的組成を満たすことが可能である。その結果、酸化物半導体膜９２６をｉ型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。この加熱処理を行うタイミングは、ゲート絶縁膜９２９の形成後であれば特に限定されず、他の工程と兼ねることで、工程数を増やすことなく酸化物半導体膜９２６をｉ型に近づけることができる。
【０１０７】
また、酸素雰囲気下で酸化物半導体膜９２６に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸素を添加し、酸化物半導体膜９２６中においてドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。加熱処理の温度は、例えば１００℃以上３５０℃未満、好ましくは１５０℃以上２５０℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち酸素中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０１０８】
あるいは、イオン注入法又はイオンドーピング法などを用いて、酸化物半導体膜９２６に酸素を添加することで、ドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波でプラズマ化した酸素を酸化物半導体膜９２６に添加すれば良い。
【０１０９】
ゲート電極層９３０は、ゲート絶縁膜９２９上に導電膜を形成した後、該導電膜をパターニングすることで形成することができる。
【０１１０】
ゲート電極層９３０は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜３００ｎｍとする。本実施例では、スパッタ法により膜厚３０ｎｍの窒化タンタル上に膜厚１３５ｎｍのタングステンを積層させてゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチングにより所望の形状に加工（パターニング）することで、ゲート電極層９３０を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【０１１１】
以上の工程により、トランジスタ９０２が形成される。
【０１１２】
なお、トランジスタ９０２はシングルゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、必要に応じて、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造のトランジスタも形成することができる。
【０１１３】
また、上記作製方法では、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８が、酸化物半導体膜９２６の後に形成されている。よって、図４に示すように、上記作製方法によって得られるトランジスタ９０２は、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８が、酸化物半導体膜９２６の上に形成されている。しかし、トランジスタ９０２は、ソース電極層及びドレイン電極層が、酸化物半導体膜９２６の下、すなわち、酸化物半導体膜９２６と絶縁膜９２４の間に設けられていても良い。
【０１１４】
また、酸化物半導体膜９２６に接する絶縁膜は、第１３族元素及び酸素を含む絶縁材料を用いるようにしても良い。酸化物半導体材料には第１３族元素を含むものが多く、第１３族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体膜に接する絶縁膜に用いることで、酸化物半導体膜との界面の状態を良好に保つことができる。
【０１１５】
第１３族元素を含む絶縁材料とは、絶縁材料に一又は複数の第１３族元素を含むことを意味する。第１３族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。ここで、酸化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量（原子％）よりアルミニウムの含有量（原子％）が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量（原子％）がアルミニウムの含有量（原子％）以上のものを示す。
【０１１６】
例えば、ガリウムを含有する酸化物半導体膜に接して絶縁膜を形成する場合に、絶縁膜に酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体膜と絶縁膜の界面特性を良好に保つことができる。例えば、酸化物半導体膜と酸化ガリウムを含む絶縁膜とを接して設けることにより、酸化物半導体膜と絶縁膜の界面における水素のパイルアップを低減することができる。なお、絶縁膜に酸化物半導体の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、同様の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材料を用いて絶縁膜を形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過させにくいという特性を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体膜への水の侵入防止という点においても好ましい。
【０１１７】
また、酸化物半導体膜９２６に接する絶縁膜は、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープなどにより、絶縁材料を化学量論的組成より酸素が多い状態とすることが好ましい。酸素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。なお、当該バルクの用語は、酸素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープが含まれる。また、酸素ドープは、イオン注入法又はイオンドーピング法を用いて行ってもよい。
【０１１８】
酸素ドープ処理を行うことにより、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜を形成することができる。このような領域を備える絶縁膜と酸化物半導体膜が接することにより、絶縁膜中の過剰な酸素が酸化物半導体膜に供給され、酸化物半導体膜中、又は酸化物半導体膜と絶縁膜の界面における酸素欠陥を低減し、酸化物半導体膜をｉ型化又はｉ型に限りなく近くすることができる。
【０１１９】
なお、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜は、酸化物半導体膜９２６に接する絶縁膜のうち、上層に位置する絶縁膜又は下層に位置する絶縁膜のうち、どちらか一方のみに用いても良いが、両方の絶縁膜に用いる方が好ましい。化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜を、酸化物半導体膜９２６に接する絶縁膜の、上層及び下層に位置する絶縁膜に用い、酸化物半導体膜９２６を挟む構成とすることで、上記効果をより高めることができる。
【０１２０】
また、酸化物半導体膜９２６の上層又は下層に用いる絶縁膜は、上層と下層で同じ構成元素を有する絶縁膜としても良いし、異なる構成元素を有する絶縁膜としても良い。また、酸化物半導体膜９２６に接する絶縁膜は、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良い。
【０１２１】
なお、本実施例においては、トランジスタ９０２はトップゲート構造としている。また、トランジスタ９０２にはバックゲート電極層９２３が設けられている。バックゲート電極層を設けた場合、さらにトランジスタ９０２のノーマリーオフ化を実現することができる。例えば、バックゲート電極層９２３の電位をＧＮＤや固定電位とすることでトランジスタ９０２の閾値電圧をよりプラスとし、さらにノーマリーオフのトランジスタとすることができる。
【０１２２】
このような、トランジスタ９０１及びトランジスタ９０２を電気的に接続して電気回路を形成するために、各階層間及び上層に接続のための配線層を単層又は多層積層する。
【０１２３】
図４においては、トランジスタ９０１のソース及びドレインの一方は、コンタクトプラグ９１３を介して配線層９１４と電気的に接続している。一方、トランジスタ９０１のソース及びドレインの他方は、コンタクトプラグ９１５を介して配線層９１６と電気的に接続している。また、トランジスタ９０１のゲートは、コンタクトプラグ９１７、配線層９１８、コンタクトプラグ９２１、配線層９２２、及びコンタクトプラグ９２５を介してトランジスタ９０２のドレイン電極層９２８と電気的に接続している。
【０１２４】
配線層９１４、９１８、９１６、９２２及びバックゲート電極層９２３は、絶縁膜中に埋め込まれている。これらの配線層等は、例えば銅、アルミニウム等の低抵抗な導電性材料を用いることが好ましい。また、ＣＶＤ法により形成したグラフェンを導電性材料として用いて配線層を形成することもできる。グラフェンとは、ｓｐ２結合を有する１原子層の炭素分子のシートのこと、または２乃至１００層の炭素分子のシートが積み重なっているものをいう。このようなグラフェンを作製する方法として、金属触媒の上にグラフェンを形成する熱ＣＶＤ法や、紫外光を照射して局所的にプラズマを発生させることで触媒を用いずにメタンからグラフェンを形成するプラズマＣＶＤ法などがある。
【０１２５】
このような低抵抗な導電性材料を用いることで、配線層を伝播する信号のＲＣ遅延を低減することができる。配線層に銅を用いる場合には、銅のチャネル形成領域への拡散を防止するため、バリア膜を形成する。バリア膜として、例えば窒化タンタル、窒化タンタルとタンタルとの積層、窒化チタン、窒化チタンとチタンとの積層等による膜を用いることができるが、配線材料の拡散防止機能、及び配線材料や下地膜等との密着性が確保される程度においてこれらの材料からなる膜に限られない。バリア膜は配線層とは別個の層として形成してもよく、バリア膜となる材料を配線材料中に含有させ、加熱処理によって絶縁膜に設けられた開口の内壁に析出させて形成しても良い。
【０１２６】
絶縁膜９１１、９１２、９１９、９２０、９３３には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、炭素を添加した酸化シリコン（ＳｉＯＣ）、フッ素を添加した酸化シリコン（ＳｉＯＦ）、Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４を原料とした酸化シリコンであるＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ  ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＭＳＱ（ＭｅｔｈｙｌＳｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＯＳＧ（Ｏｒｇａｎｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、有機ポリマー系の材料等の絶縁体を用いることができる。特に半導体装置の微細化を進める場合には、配線間の寄生容量が顕著になり信号遅延が増大するため酸化シリコンの比誘電率（ｋ＝４．０〜４．５）では高く、ｋが３．０以下の材料を用いることが好ましい。また該絶縁膜に配線を埋め込んだ後にＣＭＰ処理を行うため、絶縁膜には機械的強度が要求される。この機械的強度が確保できる限りにおいて、これらを多孔質（ポーラス）化させて低誘電率化することができる。絶縁膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、スピンコート法（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ：ＳＯＧともいう）を含む塗布法等により形成する。
【０１２７】
絶縁膜９１１、９１２、９１９、９２０、９３３には、配線材料をこれら絶縁膜中に埋め込んだ後、ＣＭＰ等による平坦化処理を行う際のエッチングストッパとして機能させるための絶縁膜を別途設けてもよい。
【０１２８】
コンタクトプラグ９１３、９１５、９１７、９２１、９２５は、絶縁膜に高アスペクト比の開口（ビアホール）を形成し、タングステン等の導電材料で埋め込むことで作製する。開口は、異方性の高いドライエッチングを行うことが好ましい。特に、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を用いることが好ましい。開口の内壁にはチタン膜、窒化チタン膜又はこれらの積層膜等からなるバリア膜（拡散防止膜）が設けられ、バリア膜の内部にタングステンやリン等をドープしたポリシリコン等の材料が充填される。例えばブランケットＣＶＤ法により、ビアホール内にタングステンを埋め込むことができ、ＣＭＰによりコンタクトプラグの上面は平坦化されている。
【実施例２】
【０１２９】
本発明の一態様に係る半導体装置は、デジタル信号処理、ソフトウェア無線、アビオニクス（通信機器、航法システム、自動操縦装置、飛行管理システム等の航空に関する電子機器）、ＡＳＩＣのプロトタイピング、医療用画像処理、音声認識、暗号、バイオインフォマティクス（生物情報科学）、機械装置のエミュレータ、電波天文学における電波望遠鏡等、幅広い分野の電子機器に用いることができる。
【０１３０】
このような電子機器の例として、例えば民生機器としては、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（ＤＶＤ等の記録媒体を再生し、その画像を表示するディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレーヤ等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機等が挙げられる。これら電子機器の具体例を図５に示す。
【０１３１】
図５（Ａ）は、携帯型ゲーム機を示す図である。図５（Ａ）に示す携帯型ゲーム機は、筐体５００１、筐体５００２、表示部５００３、表示部５００４、マイクロホン５００５、スピーカ５００６、操作キー５００７、スタイラス５００８等を有する。なお、図５（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部５００３と表示部５００４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
【０１３２】
図５（Ｂ）は、携帯情報端末を示す図である。図５（Ｂ）に示す携帯情報端末は、第１の筐体５６０１、第２の筐体５６０２、第１の表示部５６０３、第２の表示部５６０４、接続部５６０５、操作キー５６０６等を有する。第１の表示部５６０３は第１の筐体５６０１に設けられており、第２の表示部５６０４は第２の筐体５６０２に設けられている。そして、第１の筐体５６０１と第２の筐体５６０２とは、接続部５６０５により接続されており、第１の筐体５６０１と第２の筐体５６０２の間の角度は、接続部５６０５により可動となっている。第１の表示部５６０３における映像の切り替えを、接続部５６０５における第１の筐体５６０１と第２の筐体５６０２との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第１の表示部５６０３及び第２表示部５６０４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。あるいは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
【０１３３】
図５（Ｃ）は、ノート型パーソナルコンピュータを示す図である。図５（Ｃ）に示すノート型パーソナルコンピュータは、筐体５４０１、表示部５４０２、キーボード５４０３、ポインティングデバイス５４０４等を有する。
【０１３４】
図５（Ｄ）は、電気冷凍冷蔵庫を示す図である。図５（Ｄ）に示す電気冷凍冷蔵庫は、筐体５３０１、冷蔵室用扉５３０２、冷凍室用扉５３０３等を有する。
【０１３５】
図５（Ｅ）は、ビデオカメラを示す図である。図５（Ｅ）に示すビデオカメラは、第１の筐体５８０１、第２の筐体５８０２、表示部５８０３、操作キー５８０４、レンズ５８０５、接続部５８０６等を有する。操作キー５８０４及びレンズ５８０５は第１の筐体５８０１に設けられており、表示部５８０３は第２の筐体５８０２に設けられている。そして、第１の筐体５８０１と第２筐体５８０２とは、接続部５８０６により接続されており、第１の筐体５８０１と第２筐体５８０２の間の角度は、接続部５８０６により可動となっている。表示部５８０３における映像の切り替えを、接続部５８０６における第１の筐体５８０１と第２の筐体５８０２との間の角度に従って行う構成としても良い。
【０１３６】
図５（Ｆ）は、普通自動車を示す図である。図５（Ｆ）に示す普通自動車は、車体５１０１、車輪５１０２、ダッシュボード５１０３、ライト５１０４等を有する。
【符号の説明】
【０１３７】
１          演算部
２          データ退避部
１０        ＮＡＮＤゲート
１１        インバータ
１２        アナログスイッチ
１３        アナログスイッチ
１４        インバータ
２１        トランジスタ
２２        トランジスタ
２３        キャパシタ
２４        キャパシタ
２５        コンパレータ
３０        層
３１        酸化物半導体層
３２        導電層
３３        導電層
３４        絶縁層
３５        導電層
９００      基板
９０１      トランジスタ
９０２      トランジスタ
９０４      ウェル
９０６      不純物領域
９０７      ゲート絶縁膜
９０８      ゲート電極層
９０９      サイドウォール絶縁膜
９１０      絶縁膜
９１１      絶縁膜
９１２      絶縁膜
９１３      コンタクトプラグ
９１４      配線層
９１５      コンタクトプラグ
９１６      配線層
９１７      コンタクトプラグ
９１８      配線層
９１９      絶縁膜
９２０      絶縁膜
９２１      コンタクトプラグ
９２２      配線層
９２３      バックゲート電極層
９２４      絶縁膜
９２５      コンタクトプラグ
９２６      酸化物半導体膜
９２７      ソース電極層
９２８      ドレイン電極層
９２９      ゲート絶縁膜
９３０      ゲート電極層
９３２      絶縁膜
９３３      絶縁膜
５００１    筐体
５００２    筐体
５００３    表示部
５００４    表示部
５００５    マイクロホン
５００６    スピーカ
５００７    操作キー
５００８    スタイラス
５１０１    車体
５１０２    車輪
５１０３    ダッシュボード
５１０４    ライト
５３０１    筐体
５３０２    冷蔵室用扉
５３０３    冷凍室用扉
５４０１    筐体
５４０２    表示部
５４０３    キーボード
５４０４    ポインティングデバイス
５６０１    筐体
５６０２    筐体
５６０３    表示部
５６０４    表示部
５６０５    接続部
５６０６    操作キー
５８０１    筐体
５８０２    筐体
５８０３    表示部
５８０４    操作キー
５８０５    レンズ
５８０６    接続部
【図１】
2014030191.tif 000003
【図２】
2014030191.tif 000004
【図３】
2014030191.tif 000005
【図４】
2014030191.tif 000006
【図５】
2014030191.tif 000007