(57)【要約】良好な電気特性および高集積化が可能な半導体装置を提供する。チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、半導体装置は、トランジスタおよび配線を有し、トランジスタは、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第１の導電体と、第１の導電体上の第３の絶縁体と、第２の絶縁体、第１の導電体、及び第３の絶縁体に接する、第４の絶縁体と、第４の絶縁体に接する、第５の絶縁体と、を有し、酸化物は、第２の絶縁体と重なる第１の領域と、第４の絶縁体と重なる第２の領域と、第２の領域に接する第３の領域と、を有し、第３の領域は、第１の領域及び第２の領域よりも酸素濃度が低く、第２の領域は、第１の領域よりも酸素濃度が低く、配線は、第５の絶縁体と接し、且つ第３の領域と電気的に接続される。
2018211368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、
前記半導体装置は、トランジスタおよび配線を有し、
前記トランジスタは、
第１の絶縁体上の前記酸化物と、
前記酸化物上の第２の絶縁体と、
前記第２の絶縁体上の第１の導電体と、
前記第１の導電体上の第３の絶縁体と、
前記第２の絶縁体、前記第１の導電体、及び前記第３の絶縁体に接する、第４の絶縁体と、
前記第４の絶縁体に接する、第５の絶縁体と、を有し、
前記酸化物は、
前記第２の絶縁体と重なる第１の領域と、
前記第４の絶縁体と重なる第２の領域と、
前記第２の領域に接する第３の領域と、を有し、
前記第３の領域は、前記第１の領域及び前記第２の領域よりも酸素濃度が低く、
前記第２の領域は、前記第１の領域よりも酸素濃度が低く、
前記配線は、前記第５の絶縁体と接し、且つ前記第３の領域と電気的に接続される、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、
前記半導体装置は、トランジスタおよび配線を有し、
前記トランジスタは、
第１の絶縁体上の前記酸化物と、
前記酸化物上の第２の絶縁体および第１の膜と、
前記第２の絶縁体上の第１の導電体と、
前記第１の導電体上の第３の絶縁体と、
前記第２の絶縁体、前記第１の導電体、及び前記第３の絶縁体に接する、第４の絶縁体と、
前記第４の絶縁体に接する、第５の絶縁体と、を有し、
前記酸化物は、
前記第２の絶縁体と重なる第１の領域と、
前記第４の絶縁体と重なる第２の領域と、
前記第２の領域に接する第３の領域と、を有し、
前記第１の膜は、前記第３の領域と接して設けられ、
前記第３の領域は、前記第１の領域及び前記第２の領域よりも酸素濃度が低く、
前記第２の領域は、前記第１の領域よりも酸素濃度が低く、
前記配線は、前記第５の絶縁体と接し、且つ前記第３の領域と電気的に接続される、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍと、Ｚｎと、を含み、
ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎである、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記酸化物は、原子数比において、前記元素Ｍの値よりも前記Ｉｎの値の方が大きい、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２において、
前記第３の領域は、前記第２の領域より、キャリア密度が高く、
前記第２の領域は、前記第１の領域より、キャリア密度が高い、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１または請求項２において、
前記第３の領域は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記第３の領域は、さらに窒素を有する、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１または請求項２において、
前記第１の領域は、前記第２の領域よりも水素濃度が低い、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１または請求項２において、
前記第１の領域は、前記第２の領域及び前記第３の領域よりも水素濃度が低い、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項１または請求項２において、
前記第５の絶縁体は、
金属酸化物を含む、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１または請求項２において、
前記トランジスタは、
ノーマリーオフ型である、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項２において、
前記第１の膜は、前記第３の領域と混合する部分を有する、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項２または請求項１２において、
前記第１の膜は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項２または請求項１２において、
前記第１の膜は、アルミニウム及びチタンを有する、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１３において、
前記第１の膜は、さらに窒素及び酸素のいずれか一方または双方を有する、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
請求項２または請求項１２において、
前記第１の膜は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ未満である、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１７】
基板上に第１の絶縁体を形成し、
前記第１の絶縁体の上に、酸化物層を形成し、
前記酸化物層の上に、第１の絶縁膜、第１の導電膜および第２の絶縁膜を順に成膜し、
前記第１の絶縁膜、前記第１の導電膜および前記第２の絶縁膜を加工して、第２の絶縁体、第１の導電体、第３の絶縁体を形成し、
前記第１の絶縁体、前記酸化物層、前記第２の絶縁体、前記第１の導電体、前記第３の絶縁体を覆って、第３の絶縁膜および第４の絶縁膜を順に成膜し、
前記第３の絶縁膜および前記第４の絶縁膜を加工することで、
前記第２の絶縁体、前記第１の導電体および前記第３の絶縁体に接する、第４の絶縁体と、
前記第４の絶縁体に接する第５の絶縁体と、を形成し、
前記第１の絶縁体、前記酸化物層および前記第５の絶縁体に接する、金属を含む第１の膜を形成し、
窒素を含む雰囲気で加熱処理を行い、
前記第１の膜を除去し、
前記第１の絶縁体、前記酸化物層および前記第５の絶縁体上に第６の絶縁体を形成し、前記第６の絶縁体に開口を形成し、
前記開口を埋めるように第２の導電体を形成する、
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記第１の膜は、
アルゴン、窒素、及び酸素の中から選ばれる一または複数のガスを用いて、スパッタリング法により形成される、
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１９】
請求項１７または請求項１８において、
前記加熱処理を行うことで、前記酸化物層の前記酸化物層と、前記第１の膜と、が接する領域に含まれる酸素が前記第１の膜に引き抜かれる、
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２０】
請求項１７において、
前記加熱処理の後に、少なくとも前記酸化物、前記第１の絶縁体、前記第３の絶縁体、前記第４の絶縁体および前記第５の絶縁体を覆う第２の膜を形成する、ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２１】
請求項１７において、
前記開口は、前記第５の絶縁体の一部、前記酸化物層の上面、および前記酸化物層の側面の少なくとも一部が露出するように形成される、
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２２】
請求項１７において、
前記第３の絶縁膜および前記第４の絶縁膜の加工は、ドライエッチング法を用いた異方性エッチングにより行う、ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明の一態様は、半導体装置、および半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュールおよび電子機器に関する。【０００２】  なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。【０００３】  なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
【背景技術】
【０００４】  近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩやＣＰＵやメモリが主に用いられている。ＣＰＵは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路（少なくともトランジスタおよびメモリ）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。【０００５】  ＬＳＩやＣＰＵやメモリなどの半導体回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。【０００６】  また、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。【０００７】  また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献１参照。）。【０００８】  また、酸化物半導体を用いたトランジスタとして、セルフアライン構造のトランジスタが提案されている。当該セルフアライン構造のトランジスタとして、ソース領域及びドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して熱処理を行うことで、金属膜を高抵抗化させるとともに、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されている（特許文献２参照）。【０００９】  また、酸化物半導体を用いたトランジスタの作製方法として、ソース領域及びドレイン領域上に金属膜を形成したのち熱処理を行い、その後、当該金属膜を通過してドーパントを導入することで、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されている（特許文献３参照）。【００１０】  また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１２−２５７１８７号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２８６２２号公報
【特許文献３】特開２０１３−０１６７８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】  特許文献２においては、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる際に、ソース領域およびドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して酸素雰囲気下で熱処理を行っている。熱処理を行うことで、酸化物半導体膜のソース領域およびドレイン領域中には金属膜の構成元素がドーパントとして入り込んで、低抵抗化させている。また、酸素雰囲気下で熱処理を行うことで、導電膜を酸化させ、当該導電膜を高抵抗化させている。ただし、酸素雰囲気下で熱処理を行っているため、酸化物半導体膜中から金属膜が酸素を引き抜く作用が低い。【００１３】  また、特許文献２においては、チャネル形成領域の酸素濃度については記載されているが、水、水素などの不純物の濃度については、言及されていない。すなわち、チャネル形成領域の高純度化（水、水素などの不純物の低減化、代表的には脱水・脱水素化）が行われていないため、ノーマリーオンのトランジスタ特性となりやすいといった問題があった。なお、ノーマリーオンのトランジスタ特性とは、ゲートに電位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てしまう状態のことである。一方でノーマリーオフのトランジスタ特性とは、ゲートに電位を印加しない状態では、トランジスタに電流が流れない状態である。【００１４】  上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、トランジスタのソース領域およびドレイン領域を安定して低抵抗化させるとともに、チャネル形成領域を高純度化させることで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。【００１５】  または、本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。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。本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。【００１６】  本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。【００１７】  なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】  本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、酸化物と、酸化物上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の導電体と、第１の絶縁体の側面、及び導電体の側面に配置した第２の絶縁体と、酸化物、第２の絶縁体、及び導電体上に配置した金属原子を有する層と、を有し、酸化物は、第１の領域と、第２の領域と、第１の領域および第２の領域の間に位置する第３の領域と、を有し、第１の領域は、第１の絶縁体と重畳し、第２の領域は、金属原子を有する層と重畳し、かつ、金属化合物を有し、第３の領域は、第２の絶縁体と重畳する領域を有し、第２の領域は、第１の領域及び第３の領域よりも酸素濃度が低く、第３の領域は、第１の領域の酸素濃度と、第２の領域の酸素濃度との間の酸素濃度となる部分を有する半導体装置である。【００１９】  また、本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、酸化物と、酸化物上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の導電体と、第１の絶縁体の側面、及び導電体の側面に配置した第２の絶縁体と、を有し、酸化物は、第１の領域と、第２の領域と、第１の領域および第２の領域の間に位置する第３の領域と、を有し、第１の領域は、第１の絶縁体と重畳し、第２の領域は、金属化合物を有し、第３の領域は、第２の絶縁体と重畳する領域を有し、第２の領域は、第１の領域及び第３の領域よりも酸素濃度が低く、第３の領域は、第１の領域の酸素濃度と、第２の領域の酸素濃度との間の酸素濃度となる部分を有する半導体装置である。【００２０】  また、本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、酸化物と、酸化物上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の導電体と、第１の絶縁体の側面、及び導電体の側面に配置した第２の絶縁体と、酸化物、第２の絶縁体、及び導電体上に配置した金属原子を有する層と、金属原子を有する層上に配置した第３の絶縁体と、第３の絶縁体上に配置した第４の絶縁体と、を有し、第４の絶縁体は、第２の絶縁体よりも、炭素が少なく、第３の絶縁体は、過剰酸素領域を有し、酸化物は、第１の領域と、第２の領域と、第１の領域および第２の領域の間に位置する第３の領域と、を有し、第１の領域は、第１の絶縁体と重畳し、第２の領域は、金属原子を有する層と重畳し、かつ、金属化合物を有し、第３の領域は、第２の絶縁体と重畳する領域を有し、第２の領域は、第１の領域及び第３の領域よりも低抵抗であり、第１の領域は、第３の領域よりも高抵抗である。【００２１】  また、本発明の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、酸化物と、酸化物上の第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の導電体と、第１の絶縁体の側面、及び導電体の側面に配置した第２の絶縁体と、酸化物、第２の絶縁体、及び導電体上に配置した第３の絶縁体と、第３の絶縁体上に配置した第４の絶縁体と、を有し、第４の絶縁体は、第２の絶縁体よりも、炭素が少なく、第３の絶縁体は、過剰酸素領域を有し、酸化物は、第１の領域と、第２の領域と、第１の領域および第２の領域の間に位置する第３の領域と、を有し、第１の領域は、第１の絶縁体と重畳し、第２の領域は、金属化合物を有し、第３の領域は、第２���絶縁体と重畳する領域を有し、第２の領域は、第１の領域及び第３の領域よりも低抵抗であり、第１の領域は、第３の領域よりも高抵抗である。【００２２】  また、上記において、酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する。【００２３】  また、上記において、酸化物は、原子数比において、元素Ｍの値よりもＩｎの値の方が大きい。【００２４】  また、上記において、金属化合物は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する。【００２５】  また、上記において、第２の領域は、窒素を有する。【００２６】  また、上記において、第１の領域は、第２の領域よりも水素濃度が低い。【００２７】  また、上記において、第１の領域は、第２の領域及び第３の領域よりも水素濃度が低い。【００２８】  また、上記において、トランジスタは、ノーマリーオフ型である。【００２９】  また、上記において、金属化合物は、第２の領域と混合する部分を有する。【００３０】  また、上記において、金属化合物は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する。【００３１】  また、上記において、金属化合物は、アルミニウム及びチタンを有する。【００３２】  また、上記において、金属化合物は、窒素を有する。【００３３】  また、上記において、金属化合物は、窒素及び酸素のいずれか一方または双方を有する。【００３４】  また、上記において、金属化合物は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ未満である。【００３５】  また、上記において、第２の絶縁体が含む炭素、および第４の絶縁体が含む炭素は、Ｘ線光電子分光法により測定される。【００３６】  本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶縁体および第３の絶縁体と、第２の絶縁体上の導電体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、第２の絶縁体、導電体、第３の絶縁体、および第４の絶縁体を介して、酸化物上に設けられた第５の絶縁体と、第５の絶縁体上に設けられた第６の絶縁体と、を有し、酸化物は、第１の領域と、第２の領域と、第１の領域および第２の領域の間に位置する第３の領域と、を有し、第１の領域は、第２の絶縁体と重畳する領域を有し、第３の領域は、第３の絶縁体および第４の絶縁体と重畳する領域を有し、第２の領域は、第１の領域および第３の領域よりも酸素濃度が低く、第３の領域は、第１の領域の酸素濃度と、第２の領域の酸素濃度との間の酸素濃度となる部分を有し、第３の絶縁体は、第２の絶縁体および導電体の側面と、に接する領域を有し、第４の絶縁体は、第３の絶縁体を介して、第２の絶縁体および前記導電体の側面と向かい合う領域を有する、半導体装置である。【００３７】  また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置であって、トランジスタは、第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶縁体、第１の膜、および第３の絶縁体と、第２の絶縁体上の導電体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、第２の絶縁体、導電体、第３の絶縁体、および第４の絶縁体を介して、酸化物上に設けられた��５の絶縁体と、第５の絶縁体上に設けられた第６の絶縁体と、を有し、酸化物は、第１の領域と、第２の領域と、第１の領域および第２の領域の間に位置する第３の領域と、を有し、第１の領域は、第２の絶縁体と重畳する領域を有し、第３の領域は、第３の絶縁体および第４の絶縁体と重畳する領域を有し、第２の領域は、第１の領域および第３の領域よりも酸素濃度が低く、第３の領域は、第１の領域の酸素濃度と、第２の領域の酸素濃度との間の酸素濃度となる部分を有し、第１の膜は、第２の領域と接して設けられ、第３の絶縁体は、第２の絶縁体および導電体の側面と、に接する領域を有し、第４の絶縁体は、第３の絶縁体を介して、第２の絶縁体および導電体の側面と向かい合う領域を有する、半導体装置である。【００３８】  また、上記において、第３の絶縁体は、第１の絶縁体の上面と接する領域を有していてもよい。【００３９】  また、上記において、酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有していてもよい。【００４０】  また、上記において、酸化物は、原子数比において、元素Ｍの値よりもＩｎの値の方が大きくてもよい。【００４１】  また、上記において、第２の領域は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有していてもよい。【００４２】  また、上記において、第２の領域は、さらに窒素を有していてもよい。【００４３】  また、上記において、第１の領域は、記第２の領域よりも水素濃度が低くてもよい。【００４４】  また、上記において、第１の領域は、第２の領域および第３の領域よりも水素濃度が低くてもよい。【００４５】  また、上記において、トランジスタは、ノーマリーオフ型であってもよい。【００４６】  また、上記において、第１の膜は、第２の領域と混合する部分を有していてもよい。【００４７】  また、上記において、第１の膜は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有していてもよい。【００４８】  また、上記において、第１の膜は、アルミニウムおよびチタンを有していてもよい。【００４９】  また、上記において、第１の膜は、さらに窒素および酸素のいずれか一方または双方を有していてもよい。【００５０】  また、上記において、第１の膜は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ未満であってもよい。【００５１】  また、本発明の他の一態様は、トランジスタを有する半導体装置の作製方法であって、トランジスタは、第１の領域、第２の領域、ならびに第１の領域および第２の領域の間に位置する第３の領域を含む酸化物と、酸化物上の第１の絶縁体および第２の絶縁体と、第１の絶縁体上の導電体と、第２の領域と重畳して第２の絶縁体上に設けられ、かつ、第１の絶縁体および導電体の側面に接する第３の絶縁体と、酸化物、第１の絶縁体、導電体、第２の絶縁体、および第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、第４の絶縁体上の第５の絶縁体と、を有し、酸化物、第１の絶縁体、導電体、第２の絶縁体、および第３の絶縁体を覆い、かつ第２の領域に接するように金属を含む第１の膜を形成し、少なくとも、酸化物および第１の膜に対して、窒素を含む雰囲気で第１の加熱処理を行うことで、第���の領域に含まれる酸素が第１の膜に引き抜かれる、半導体装置の作製方法である。【００５２】  また、上記において、第１の膜は、アルゴン、窒素、および窒素より選ばれるいずれか一または複数のガスを用いて、スパッタリング法により形成されてもよい。【００５３】  また、上記において、第１の加熱処理後に、第１の膜を除去してもよい。【００５４】  また、上記において、第１の加熱処理の後に、さらに第２の加熱処理を行ってもよい。【００５５】  また、上記において、第１の膜の除去後に、第４の絶縁体および第５の絶縁体を形成してもよい。【００５６】  本発明の他の一態様は、チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、半導体装置は、トランジスタおよび配線を有し、トランジスタは、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第１の導電体と、第１の導電体上の第３の絶縁体と、第２の絶縁体、第１の導電体、及び第３の絶縁体に接する、第４の絶縁体と、第４の絶縁体に接する、第５の絶縁体と、を有し、酸化物は、第２の絶縁体と重なる第１の領域と、第４の絶縁体と重なる第２の領域と、第２の領域に接する第３の領域と、を有し、第３の領域は、第１の領域及び第２の領域よりも酸素濃度が低く、第２の領域は、第１の領域よりも酸素濃度が低く、配線は、第５の絶縁体と接し、且つ第３の領域と電気的に接続される、半導体装置である。【００５７】  また、本発明の他の一態様は、チャネル形成領域に酸化物を有する半導体装置であって、半導体装置は、トランジスタおよび配線を有し、トランジスタは、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶縁体および第１の膜と、第２の絶縁体上の第１の導電体と、第１の導電体上の第３の絶縁体と、第２の絶縁体、第１の導電体、及び第３の絶縁体に接する、第４の絶縁体と、第４の絶縁体に接する、第５の絶縁体と、を有し、酸化物は、第２の絶縁体と重なる第１の領域と、第４の絶縁体と重なる第２の領域と、第２の領域に接する第３の領域と、を有し、第１の膜は、第３の領域と接して設けられ、第３の領域は、第１の領域及び第２の領域よりも酸素濃度が低く、第２の領域は、第１の領域よりも酸素濃度が低く、配線は、第５の絶縁体と接し、且つ第３の領域と電気的に接続される、ことを特徴とする半導体装置である。【００５８】  また、上記において、酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む、半導体装置である。【００５９】  また、上記において、酸化物は、原子数比において、元素Ｍの値よりもＩｎの値の方が大きい、半導体装置である。【００６０】  また、上記において、第３の領域は、第２の領域より、キャリア密度が高く、第２の領域は、第１の領域より、キャリア密度が高い、半導体装置である。【００６１】  また、上記において、第３の領域は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、半導体装置である。【００６２】  また、上記において、第３の領域は、さらに窒素を有する、半導体装置である。【００６３】  また、上記において、第１の領域は、第２の領域よりも水素濃度が低い、半導体装置である。【００６４】  また、上記において、第��の領域は、第２の領域及び第３の領域よりも水素濃度が低い、半導体装置である。【００６５】  また、上記において、第５の絶縁体は、金属酸化物を含む、半導体装置である。【００６６】  また、上記において、トランジスタは、ノーマリーオフ型である、ことが好ましい。【００６７】  また、上記において、第１の膜は、第３の領域と混合する部分を有する、ことが好ましい。【００６８】  また、上記において、第１の膜は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、およびタングステンの少なくとも一を有する、ことが好ましい。【００６９】  また、上記において、第１の膜は、アルミニウム及びチタンを有してもよい。【００７０】  また、上記において、第１の膜は、さらに窒素及び酸素のいずれか一方または双方を有していることが好ましい。【００７１】  また、上記において、第１の膜は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ未満である、ことが好ましい。【００７２】  また、本発明の他の一態様は、基板上に第１の絶縁体を形成し、第１の絶縁体の上に、酸化物層を形成し、酸化物層の上に、第１の絶縁膜、第１の導電膜および第２の絶縁膜を順に成膜し、第１の絶縁膜、第１の導電膜および第２の絶縁膜を加工して、第２の絶縁体、第１の導電体、第３の絶縁体を形成し、第１の絶縁体、酸化物層、第２の絶縁体、第１の導電体、第３の絶縁体を覆って、第３の絶縁膜および第４の絶縁膜を順に成膜し、第３の絶縁膜および第４の絶縁膜を加工することで、第２の絶縁体、第１の導電体および第３の絶縁体に接する、第４の絶縁体と、第４の絶縁体に接する第５の絶縁体と、を形成し、第１の絶縁体、酸化物層および第５の絶縁体に接する、金属を含む第１の膜を形成し、窒素を含む雰囲気で加熱処理を行い、第１の膜を除去し、第１の絶縁体、酸化物層および第５の絶縁体上に第６の絶縁体を形成し、第６の絶縁体に開口を形成し、開口を埋めるように第２の導電体を形成する、半導体装置の作製方法である。【００７３】  また、上記において、第１の膜は、アルゴン、窒素、及び酸素の中から選ばれるいずれか一または複数のガスを用いて、スパッタリング法により形成されることが好ましい。【００７４】  また、上記において、加熱処理を行うことで、酸化物層の酸化物層と、第１の膜と、が接する領域において、領域に含まれる酸素が第１の膜に引き抜かれることが好ましい。【００７５】  また、上記において、加熱処理の後に、少なくとも酸化物、第１の絶縁体、第３の絶縁体、第４の絶縁体および第５の絶縁体を覆う第２の膜を形成してもよい。【００７６】  また、上記において、開口は、第５の絶縁体の一部、酸化物層の上面、および酸化物層の側面の少なくとも一部が露出するように形成されることが好ましい。【００７７】  また、上記において、第３の絶縁膜および第４の絶縁膜の加工は、ドライエッチング法を用いた異方性エッチングにより行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００７８】  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。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。本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。【００７９】  または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供することができる。【００８０】  なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図２】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する断面図。
【図３】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図４】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図５】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図６】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図７】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図８】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図９】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図１０】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図１１】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図１２】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図１３】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図１４】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図１５】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図１６】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図１７】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図１８】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図１９】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する断面図。
【図２０】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図２１】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図２２】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図２３】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図２４】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図２５】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図２６】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図２７】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図２８】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図２９】本発明の一態様に係る半導体装置を説明する上面図および断面図。
【図３０】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
【図３１】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図３２】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図３３】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図３４】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図３５】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図３６】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図３７】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図３８】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図３９】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図４０】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図４１】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図４２】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
【図４３】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
【図４４】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図４５】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図４６】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図４７】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図４８】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図４９】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図５０】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。
【図５１】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
【図５２】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図、および断面図。
【図５３】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図、および断面図。
【図５４】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図、および断面図。
【図５５】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図、および断面図。
【図５６】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図、および断面図。
【図５７】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図、および断面図。
【図５８】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図、および断面図。
【図５９】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図６０】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図６１】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図、および断面図。
【図６２】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図、および断面図。
【図６３】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図、および断面図。
【図６４】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図、および断面図。
【図６５】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図、および断面図。
【図６６】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図、および断面図。
【図６７】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図、および断面図。
【図６８】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図、および断面図。
【図６９】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図、および断面図。
【図７０】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図、および断面図。
【図７１】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図、および断面図。
【図７２】酸化物半導体のエネルギーバンド構造を説明する図。
【図７３】ＩｎＧａＺｎＯ４結晶中の領域区分を説明する模式図。
【図７４】ＩｎＯ２面と（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ面の間の領域における水素原子の移動経路と、その経路上での活性化障壁を説明する図。
【図７５】（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ領域における水素原子の移動経路と、その経路上での活性化障壁を説明する図。
【図７６】ＩｎＯ２領域における水素原子の移動経路と、その経路上での活性化障壁を説明する図。
【図７７】ｃ軸方向に沿った水素原子の移動経路と、その経路上での活性化障壁を説明する図。
【図７８】計算モデルを説明する図。
【図７９】酸素欠損モデルの全エネルギーの相対値を説明する図。
【図８０】初期状態のモデルと最終状態のモデルを説明する図。
【図８１】活性化障壁を説明する図。
【図８２】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
【図８３】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図および断面図。
【図８４】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図および断面図。
【図８５】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図８６】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。
【図８７】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図および断面図。
【図８８】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図および断面図。
【図８９】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図９０】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図、および断面図。
【図９１】本発明の一態様に係る半導体装置の上面図、および断面図。
【図９２】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図および断面図。
【図９３】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図９４】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図。
【図９５】半導体装置の構成例を示す断面図。
【図９６】本発明の一態様に係る半導体装置の回路図および断面図。
【図９７】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図９８】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図９９】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１００】本発明の一態様に係る記憶装置の回路図および断面図。
【図１０１】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１０２】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１０３】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１０４】本発明の一態様に係る記憶装置の回路図および断面図。
【図１０５】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１０６】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１０７】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１０８】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１０９】本発明の一態様に係る記憶装置の回路図および断面図。
【図１１０】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１１１】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１１２】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１１３】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１１４】本発明の一態様に係る記憶装置の回路図および断面図。
【図１１５】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１１６】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１１７】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１１８】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１１９】本発明の一態様に係る記憶装置の回路図および断面図。
【図１２０】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１２１】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１２２】インバータ回路の構成例を示す回路図と、その動作例を示すタイミングチャート。
【図１２３】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。
【図１２４】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。
【図１２５】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。
【図１２６】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。
【図１２７】本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図、および回路図。
【図１２８】本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図１２９】本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図、回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。
【図１３０】本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図１３１】本発明の一態様に係る半導体装置の構成例を示す回路図、および半導体装置の動作例を示すタイミングチャート。
【図１３２】本発明の一態様に係るＡＩシステムの構成例を示すブロック図。
【図１３３】本発明の一態様に係るＡＩシステムの応用例を説明するブロック図。
【図１３４】本発明の一態様に係るＡＩシステムを組み込んだＩＣの構成例を示す斜視模式図。
【図１３５】本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
【図１３６】本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
【図１３７】本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
【図１３８】本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
【図１３９】本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
【図１４０】本実施例のサンプルのシート抵抗を説明する図。
【図１４１】本実施例のサンプルのＳＩＭＳ分析結果を説明する図。
【図１４２】本実施例に係る試料のＩｄ−Ｖｇ特性を示す図。
【図１４３】本実施例に係る試料のＩｄ−Ｖｇ特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００８２】  以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、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。
【００８３】  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に省略して示すことがある。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。
【００８４】  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。
【００８５】  また、本明細書などにおいて、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」などと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
【００８６】  また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【００８７】  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、図または文章に記載されているものとする。
【００８８】  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。
【００８９】  ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
【００９０】  ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
【００９１】  ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
【００９２】  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を有しており、チャネルが形成される領域を介して、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、チャネルが形成される領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
【００９３】  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。
【００９４】  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、またはチャネルが形成される領域における、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、チャネルが形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００９５】  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、またはチャネルが形成される領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向のチャネルが形成される領域の長さを言う。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、チャネルが形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
【００９６】  なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルが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。
【００９７】  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。
【００９８】  そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅また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、囲い込みチャネル幅などは、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。
【００９９】  なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔａｔｅｓ）が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
【０１００】  なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、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。例えば、好ましくは酸素が５５原子％以上６５原子％以下、窒素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、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。例えば、好ましくは窒素が５５原子％以上６５原子％以下、酸素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。
【０１０１】  また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【０１０２】  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。
【０１０３】  また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、ｎチャネル型のトランジスタとする。よって、そのしきい値電圧（「Ｖｔｈ」ともいう。）は、明示されている場合を除き、０Ｖよりも大きいものとする。
【０１０４】  また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°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°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
【０１０５】  また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
【０１０６】  なお、本明細書において、バリア膜とは、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膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。
【０１０７】  本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現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、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ  ＦＥＴあるいはＯＳトランジスタと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
【０１０８】  また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電圧を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりの電流が、室温において１×１０−２０Ａ以下、８５℃において１×１０−１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０−１６Ａ以下であることをいう。
【０１０９】（実施の形態１）
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ａを有する半導体装置の一例について説明する。
【０１１０】＜半導体装置の構成例＞
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、および図１（Ｄ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ａ、およびトランジスタ２００Ａ周辺の上面図および断面図である。
【０１１１】  図１（Ａ）は、トランジスタ２００Ａを有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、および図１（Ｄ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ａのチャネル長方向の断面図でもある。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ａのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図１（Ｄ）は、図１（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ａのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０１１２】  本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００Ａと、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４と、を有する。また、トランジスタ２００Ａと電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３と、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）と、を有する。
【０１１３】  なお、導電体２０３は、絶縁体２１２の開口の内壁に接して導電体２０３の第１の導電体が形成され、さらに内側に導電体２０３の第２の導電体が形成されている。ここで、導電体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体２０３の第１の導電体および導電体２０３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２０３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。また、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。
【０１１４】  また、導電体２４０は、絶縁体２７３、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８４の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８４の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体２４０が２層の積層構造であ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は、単層、または３層以上の積層構造でもよい。
【０１１５】［トランジスタ２００Ａ］
図１に示すように、トランジスタ２００Ａは、基板（図示せず。）の上に配置された絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された金属酸化物２５２と、金属酸化物２５２の上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、導電体２６０の上に配置された絶縁体２７０と、絶縁体２７０上に配置された絶縁体２７１と、少なくとも酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、および導電体２６０の側面と接して配置された絶縁体２７５と、酸化物２３０上、および絶縁体２７５上に配置された層２４２と、層２４２上に配置された絶縁体２７３と、絶縁体２７３上に配置された絶縁体２７４と、を有する。
【０１１６】  なお、トランジスタ２００Ａでは、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２３０ｂと酸化物２３０ａ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。また、トランジスタ２００Ａでは、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂ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。
【０１１７】  また、トランジスタ２００Ａは、チャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう。）を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。
【０１１８】  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２００Ａは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ２００Ａに用いることができる。
【０１１９】  例えば、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、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。
【０１２０】  ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素が添加されることで、金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。
【０１２１】  酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。
【０１２２】  また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜から、当該膜の成分である金属元素が酸化物半導体へ、または酸化物半導体の成分である金属元素が当該膜へと、拡散し、酸化物半導体と、当該膜とが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物半導体に添加された金属元素は、酸化物半導体と金属元素と、金属化合物を形成することで、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１２３】  また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜と、酸化物半導体との界面に、化合物層（以下、異層ともいう。）が形成されていてもよい。なお、化合物層（異層）とは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜の成分と、酸化物半導体の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、化合物層として、酸化物半導体の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。当該合金化した層は、比較的安定な状態であり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１２４】  また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域、または金属化合物が形成された領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する傾向がある。
【０１２５】  また、酸化物半導体は、水素、窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ると、キャリア密度は増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。
【０１２６】  従って、酸化物半導体に、金属元素、並びに、水素、窒素などの不純物元素を、選択的に添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物２３０を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物２３０に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。
【０１２７】  ここで、図１（Ｂ）において破線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物２３０ｂを含む領域２３９の拡大図を図２に示す。
【０１２８】  図２に示すように、酸化物２３０は、トランジスタ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、領域２３４と領域２３１との間に設けられる、領域２３２（領域２３２ａ、および領域２３２ｂ）と、を有する。
【０１２９】  ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１は、酸素濃度が低く、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域２３４は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い高抵抗領域である。また、領域２３２は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い、かつ、チャネル形成領域として機能する領域２３４よりも、酸素濃度が低く、キャリア密度が高い領域である。
【０１３０】  なお、領域２３１は、金属元素、並びに水素、窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域２３２、および領域２３４よりも高いことが好ましい。
【０１３１】  例えば、領域２３１は、酸化物２３０の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。
【０１３２】  領域２３１を形成するために、例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、金属元素を有する膜として、層２４２を設ければよい。なお、層２４２として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いることができる。その際、層２４２と、酸化物２３０との界面に、化合物層が形成されていてもよい。なお、化合物層とは、層２４２の成分と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、化合物層として、酸化物２３０中の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。
【０１３３】  酸化物２３０に、金属元素が添加されることで、酸化物２３０中に、金属化合物が形成され、領域２３１を低抵抗化することができる。なお、当該金属化合物は、必ずしも、酸化物２３０中に形成されていなくともよい。例えば、層２４２に、金属化合物が形成されていてもよい。また、例えば、酸化物２３０の表面、層２４２の表面、または層２４２と酸化物２３０との界面に形成された化合物層に設けられていてもよい。
【０１３４】  従って、領域２３１は、層２４２の低抵抗領域、または、層２４２と酸化物２３０との間に形成された化合物層の低抵抗化領域も含む場合がある。つまり、本明細書では、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域が、領域２３１とする。
【０１３５】  領域２３２は、絶縁体２７５と重畳する領域を有する。領域２３２は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素、並びに水素、窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域２３４よりも高いことが好ましい。例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜である層２４２を設けることで、層２４２中の成分と、酸化物半導体の成分とが、金属化合物を形成する場合がある。当該金属化合物は、酸化物２３０に含まれる水素を引き寄せる場合がある。従って、領域２３１の近傍である領域２３２の水素の濃度が高くなる場合がある。
【０１３６】  なお、領域２３２ａ、および領域２３２ｂのいずれか一方または双方は、導電体２６０と重畳する領域を有する構成としてもよい。当該構成とすることで、導電体２６０と、領域２３２ａおよび領域２３２ｂとを、オーバーラップさせることが可能となる。
【０１３７】  また、図２では、領域２３４、領域２３１、および領域２３２が、酸化物２３０ｂに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は層２４２、層２４２と酸化物２３０との間に形成された化合物層、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃにも、形成されていてもよい。また、図２では、各領域の境界を、酸化物２３０の上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２３２が酸化物２３０ｂの表面近傍では導電体２６０側に張り出し、酸化物２３０ａの下面近傍では、導電体２４０ａ側または導電体２４０ｂ側に後退する形状になる場合がある。
【０１３８】  また、酸化物２３０において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、窒素などの不純物元素の濃度は、領域間の段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化（グラデーションともいう。）していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに水素、窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
【０１３９】  酸化物２３０を、選択的に低抵抗化するには、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等がある。
【０１４０】  領域２３１は、上述の導電性を高める金属元素、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
【０１４１】  領域２３１を低抵抗化するために、例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、層２４２を成膜するとよい。層２４２としては、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜などを用いることができる。層２４２は、少なくとも、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、絶縁体２７０、絶縁体２７１、および絶縁体２７５を介して、酸化物２３０上に設けることが好ましい。
【０１４２】  酸化物２３０と層２４２とが接することにより、層２４２の成分と、酸化物２３０の成分とが、金属化合物を形成し、領域２３１となり、低抵抗化する。また、酸化物２３０と層２４２との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物２３０中の酸素の一部が層２４２に吸収され、酸化物２３０に酸素欠損を形成し、低抵抗化し、領域２３１を形成する場合がある。
【０１４３】  また、酸化物２３０と、層２４２とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、層２４２から、層２４２の成分である金属元素が酸化物２３０へ、または酸化物２３０の成分である金属元素が層２４２へと、拡散し、酸化物２３０と、層２４２とが金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、その際、酸化物２３０の金属元素と、層２４２の金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の金属元素と、層２４２の金属元素とが、合金化することで、金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１４４】  また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【０１４５】  一方、酸化物２３０の導電体２６０、および絶縁体２７５と重畳する領域（領域２３４、および領域２３２）は、導電体２６０、および絶縁体２７５により、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物２３０の領域２３４、および領域２３２において、酸化物２３０中の酸素原子が、上述した層２４２へ吸収されることが抑制される。
【０１４６】  また、層２４２に、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は増加する。従って、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、低抵抗化される。
【０１４７】  ここで、層２４２が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。また、層２４２は、後の工程で、酸化物２３０から吸収した水素とともに除去してもよい。
【０１４８】  なお、層２４２は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、層２４２を絶縁化し、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。例えば、層２４２は、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。その場合、層２４２は、層間膜として機能する場合がある。
【０１４９】  また、例えば、層２４２に、導電性を有する領域が残存している場合、熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。当該熱処理は、例えば、酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。また、層２４２の近傍に酸素を有する構造体がある場合、熱処理を行うことで、層２４２は、当該構造体が有する酸素と反応し、酸化する場合がある。
【０１５０】  層２４２を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。当該構造とする場合、層２４２は、後工程で、絶縁化させることができる程度の膜厚で設ける。例えば、層２４２は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で設けるとよい。なお、上記酸化性雰囲気下で熱処理を行う場合には、酸化物２３０と、層２４２とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において一度熱処理を行ったあとに行うと好適である。窒素を含む雰囲気下において、一度熱処理を行うことで、酸化物２３０中の酸素が層２４２に拡散しやすくなる。
【０１５１】  ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネルが形成される領域２３４中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
【０１５２】  そこで、図２に示すように、絶縁体２５０、酸化物２３０ｂの領域２３２、および酸化物２３０ｃに接して、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素（過剰酸素ともいう。）を含む絶縁体２７５を設けることが好ましい。つまり、絶縁体２７５が有する過剰酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと拡散することで、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減することができる。
【０１５３】  また、絶縁体２７５に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体２７５に近接する絶縁体２７３として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。スパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくく成膜することができるので、絶縁体２７３の成膜時に酸化物２３０への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いた成膜法を、ＶＤＳＰ（Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ＳＰ）（登録商標）と呼ぶことができる。
【０１５４】  スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位Ｅ０が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位Ｅ１が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位Ｅ２となる領域が存在する。各電位の大小関係は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ０である。
【０１５５】  プラズマ内のイオンが、電位差Ｅ２−Ｅ０によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁体２７５に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差Ｅ２−Ｅ１によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体２７５内部まで到達する。イオンが絶縁体２７５に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体２７５に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体２７５に過剰酸素領域が形成される。
【０１５６】  絶縁体２７５に過剰な酸素を導入することで、絶縁体２７５中に過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体２７５の過剰な酸素は、酸化物２３０の領域２３４に供給され、酸化物２３０の酸素欠損を補償することができる。
【０１５７】  なお、絶縁体２７５は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることが好ましい。酸化窒化シリコンなどの材料は、過剰酸素領域を形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化窒化シリコンなどの材料と比較して、酸化物２３０は、スパッタリング法を用いた酸化膜を、酸化物２３０上に形成したとしても、過剰酸素領域が形成しにくい傾向がある。従って、過剰酸素領域を有する絶縁体２７５を、酸化物２３０の領域２３４の周辺に設けることで、酸化物２３０の領域２３４へ、絶縁体２７５の過剰酸素を効果的に供給することができる。
【０１５８】  また、絶縁体２７３は、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。酸化アルミニウムは、酸化物２３０と近接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物２３０中の水素を引き抜く場合がある。なお、酸化物２３０と、酸化アルミニウムとの間に層２４２が設けられている場合、層２４２中の水素を酸化アルミニウムが吸収し、水素が低減された層２４２は、酸化物２３０中の水素を吸収する場合がある。従って、酸化物２３０中の水素濃度を低減することができる。また、絶縁体２７３と、酸化物２３０とを近接した状態で熱処理を行うことで、絶縁体２７３から酸化物２３０、絶縁体２２４、または絶縁体２２２に酸素を供給できる場合がある。
【０１５９】  上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物２３０の選択的な低抵抗化を行うことができる。
【０１６０】  つまり、酸化物２３０に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体２６０、および絶縁体２７５をマスクとすることで、自己整合的に酸化物２３０は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ２００Ａを同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくすることができる。また、トランジスタ２００Ａのチャネル長は、導電体２６０の幅、および絶縁体２７５の成膜膜厚により決定され、導電体２６０の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ２００Ａの微細化が可能となる。
【０１６１】  以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０１６２】  また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。
【０１６３】  以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
【０１６４】  以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ａを有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
【０１６５】  導電体２０３は、図１（Ａ）、および図１（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、導電体２０５に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれて設けることが好ましい。
【０１６６】  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、導電体２０３の上に接して設けるとよい。また、導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。
【０１６７】  ここで、導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能する場合がある。また、導電体２０５は、第２のゲート（ボトムゲートともいう。）電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００Ａのしきい値電圧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２００Ａのしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体２０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
【０１６８】  また、導電体２０３上に導電体２０５を設けることで、第１のゲート電極、および配線としての機能を有する導電体２６０と、導電体２０３との距離を適宜設計することが可能となる。つまり、導電体２０３と導電体２６０の間に絶縁体２１４および絶縁体２１６などが設けられることで、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減し、導電体２０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることができる。
【０１６９】  また、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減することで、トランジスタ２００Ａのスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体２０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ２００Ａの信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体２１４および絶縁体２１６の膜厚を厚くすることが好ましい。なお、導電体２０３の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ２００Ａのチャネル長方向に延伸されてもよい。
【０１７０】  なお、導電体２０５は、図１（Ａ）に示すように、酸化物２３０、および導電体２６０と重なるように配置する。また、導電体２０５は、酸化物２３０における領域２３４よりも、大きく設けるとよい。特に、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０の領域２３４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。
【０１７１】  上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
【０１７２】  つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
【０１７３】  また、導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６の開口の内壁に接して第１の導電体が形成され、さらに内側に第２の導電体が形成されている。ここで、導電体２０５の第１の導電体および導電体２０５の第２の導電体の上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００Ａでは、導電体２０５の第１の導電体および導電体２０５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。
【０１７４】  ここで、導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。
【０１７５】  導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５、または導電体２０３の第２の導電体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２０５、または導電体２０３の第１の導電体としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体２０３、および導電体２０５を通じて、基板側（絶縁体２１０よりも下方）からトランジスタ２００Ａ側に拡散するのを抑制することができる。
【０１７６】  また、導電体２０５の第２の導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体２０５の第２の導電体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上記導電性材料との積層としてもよい。
【０１７７】  また、導電体２０３の第２の導電体は、配線として機能するため、導電体２０５の第２の導電体より導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、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２０３の第２の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。
【０１７８】  特に、導電体２０３に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物２３０に拡散することで、トランジスタ２００Ａの電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体２１４には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。
【０１７９】  なお、導電体２０５、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体２０３の一部が第２のゲート電極として機能することができる。
【０１８０】  絶縁体２１０、絶縁体２１４、および絶縁体２８２は、水または水素などの不純物が、基板側または絶縁体２８４側からトランジスタ２００Ａに混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１０、絶縁体２１４、および絶縁体２８２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。
【０１８１】  例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２８２として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体２１０および絶縁体２１４よりも基板側からトランジスタ２００Ａ側に拡散すること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２１０および絶縁体２１４よりも基板側に、拡散することを抑制することができる。または、水素、水などの不純物が、絶縁体２８２よりも絶縁体２８４側からトランジスタ２００Ａ側に拡散することを抑制することができる。
【０１８２】  また、導電体２０３の上に導電体２０５を積層して設ける構成にすることにより、導電体２０３と導電体２０５の間に絶縁体２１４を設けることができる。ここで、導電体２０３の第２の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
【０１８３】  また、層間膜として機能する絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８４は、絶縁体２１０、または絶縁体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。
【０１８４】  例えば、絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８４として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０１８５】  絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
【０１８６】  ここで、酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰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２００Ａの信頼性を向上させることができる。
【０１８７】  過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
【０１８８】  また、絶縁体２２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）ことが好ましい。
【０１８９】  絶縁体２２２が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。
【０１９０】  絶縁体２２２としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
【０１９１】  特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００Ａの周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
【０１９２】  または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０１９３】  また、絶縁体２２０または絶縁体２２４は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体と組み合わせることで、ゲート絶縁体は、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
【０１９４】  なお、絶縁体２２０、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。
【０１９５】  酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
【０１９６】  なお、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物により、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａ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。
【０１９７】  また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの伝導帯下端のエネルギー準位が、酸化物２３０ｂの伝導帯下端のエネルギー準位より高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
【０１９８】  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、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
【０１９９】  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有する（主成分とする。）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
【０２００】  このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、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２００Ａは高いオン電流を得られる。
【０２０１】  また、酸化物２３０は、領域２３１、領域２３２、および領域２３４を有する。なお、領域２３１の少なくとも一部は、絶縁体２７３と近接する領域を有する。また、領域２３２は、少なくとも、絶縁体２７５と重畳する領域を有する。
【０２０２】  なお、トランジスタ２００Ａをオンさせると、領域２３１ａ、または領域２３１ｂは、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域２３４の少なくとも一部は、チャネルが形成される領域として機能する。領域２３１と、領域２３４の間に領域２３２を有することで、トランジスタ２００Ａにおいて、オン電流を大きくし、かつ、非導通時のリーク電流（オフ電流）を小さくすることができる。
【０２０３】  トランジスタ２００Ａにおいて、領域２３２を設けることで、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域２３１と、チャネルが形成される領域２３４との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。また、領域２３２を有することで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、第１のゲート電極（導電体２６０）とが重ならないため、両者の間で不要な容量が形成されることを抑制できる。また、領域２３２を有することで、非導通時のリーク電流を小さくすることができる。
【０２０４】  つまり、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０２０５】  酸化物２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。例えば、領域２３４となる金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【０２０６】  酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
【０２０７】  絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、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。例えば、ＴＤＳ分析にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が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、または３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下の範囲が好ましい。
【０２０８】  具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
【０２０９】  加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
【０２１０】  また、絶縁体２５０が有する過剰酸素を、効率的に酸化物２３０へ供給するために、金属酸化物２５２を設けてもよい。従って、金属酸化物２５２は、絶縁体２５０からの酸素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２５２を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
【０２１１】  なお、金属酸化物２５２は、第１のゲート電極の一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物２３０として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物２５２として用いることができる。その場合、導電体２６０をスパッタリング法で成膜することで、金属酸化物２５２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。
【０２１２】  また、金属酸化物２５２は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体２５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物２５２は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該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、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。
【０２１３】  トランジスタ２００Ａにおいて、金属酸化物２５２を単層で示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、第１のゲート電極の一部として機能する金属酸化物と、ゲート絶縁体の一部として機能する金属酸化物とを積層して設けてもよい。
【０２１４】  金属酸化物２５２を有することで、第１のゲート電極として機能する場合は、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２００Ａのオン電流の向上を図ることができる。または、ゲート絶縁体として機能する場合は、絶縁体２５０と、金属酸化物２５２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。従って、絶縁体２５０、および金属酸化物２５２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。
【０２１５】  具体的には、金属酸化物２５２として、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、金属酸化物２５２として用いることができる。または、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
【０２１６】  特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。なお、金属酸化物２５２は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。
【０２１７】  第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、導電体２６０ａ、および導電体２６０ａ上の導電体２６０ｂを有する。導電体２６０ａは、導電体２０５の第１の導電体と同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
【０２１８】  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、および金属酸化物２５２が有する過剰酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
【０２１９】  また、導電体２６０は、配線として機能するため、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、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
【０２２０】  また、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５が、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、延伸している場合、導電体２６０は、当該領域において、絶縁体２５０を介して、重畳していることが好ましい。つまり、酸化物２３０の側面の外側において、導電体２０５と、絶縁体２５０と、導電体２６０とは、積層構造を形成することが好ましい。
【０２２１】  上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。
【０２２２】  つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
【０２２３】  また、導電体２６０ｂの上に、バリア膜として機能する絶縁体２７０を配置してもよい。絶縁体２７０は、水また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性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２７０よりも上方からの酸素で導電体２６０が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体２７０よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、酸化物２３０に混入することを抑制することができる。
【０２２４】  また、絶縁体２７０上に、ハードマスクとして機能する絶縁体２７１を配置することが好ましい。絶縁体２７１を設けることで、導電体２６０の加工の際、導電体２６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体２６０の側面と基板表面のなす角を、７５°以上１００°以下、好ましくは８０°以上９５°以下とすることができる。導電体２６０をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体２７５を所望の形状に形成することができる。
【０２２５】  なお、絶縁体２７１に、水また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性材料を用いることで、バリア膜としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、絶縁体２７０は設けなくともよい。
【０２２６】  バッファ層として機能する絶縁体２７５は、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、金属酸化物２５２の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７０の側面に接して設ける。
【０２２７】  例えば、絶縁体２７５として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
【０２２８】  また、絶縁体２７５は、過剰酸素領域を有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２７５として、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０と接して設けることで、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２７５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。
【０２２９】  絶縁体２７３は、少なくとも酸化物２３０の領域２３１上、および絶縁体２７５上に設けられる。絶縁体２７３をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２７５へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物２３０中に酸素を供給することができる。また、絶縁体２７３を、酸化物２３０の領域２３１上に設けることで、酸化物２３０中の水素を、絶縁体２７３へと引き抜くことができる。
【０２３０】  例えば、絶縁体２７３として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
【０２３１】  特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。
【０２３２】  また、絶縁体２７３の上に、絶縁体２７４を設ける。絶縁体２７４は、バリア性を有し、水素濃度が低減された膜を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２７４としては、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などを用いるとよい。バリア性を有する絶縁体２７３と、バリア性を有する絶縁体２７４を設けることで、層間膜など、他の構造体から不純物がトランジスタ２００Ａへ拡散することを抑制することができる。
【０２３３】  また、絶縁体２７４の上に、層間膜として機能する絶縁体２８０を設けることが好ましい。絶縁体２８０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。なお、絶縁体２８０の上に絶縁体２１０と同様の絶縁体２８２を設けてもよい。絶縁体２８２をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２８０の不純物を低減することができる。また、絶縁体２８２上に絶縁体２８０と同様の絶縁体２８４を設けてもよい。
【０２３４】  また、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２７３に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８４の上面と、同一平面上としてもよい。
【０２３５】  導電体２４０ａは、トランジスタ２００Ａのソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域２３１ａと接しており、導電体２４０ｂはトランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域２３１ｂと接している。よって、導電体２４０ａはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｂはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
【０２３６】  なお、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
【０２３７】  ここで、図１（Ｄ）に示すように、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂは、酸化物２３０の側面と重畳することが好ましい。特に、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂは、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる側面において、Ａ５側の側面、およびＡ６側の側面の双方または一方と重畳することが好ましい。また、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ１側（Ａ２側）の側面と重畳する構成にしてもよい。このように、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂが、酸化物２３０（特に、ソース領域またはドレイン領域となる領域２３１）の側面と重畳する構成とすることで、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂとトランジスタ２００Ａのコンタクト部の投影面積を増やすことなく、コンタクト部の接触面積を増加させ、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂとトランジスタ２００Ａの接触抵抗を低減することができる。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。
【０２３８】  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。
【０２３９】  ここで、例えば、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２７３に開口を形成する際に、酸化物２３０において、領域２３１の低抵抗化した領域が除去され、低抵抗化していない酸化物２３０が露出する場合がある。その場合、導電体２４０の酸化物２３０と接する導電体（以下、導電体２４０の第１の導電体ともいう。）に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、低抵抗化していない酸化物２３０と導電体２４０の第１の導電体とが接することで、金属化合物、または酸化物２３０に酸素欠損が形成され、導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０が、低抵抗化する。従って、導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０を低抵抗化することで、酸化物２３０と導電体２４０とのコンタクト抵抗を低減することができる。従って、導電体２４０の第１の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。
【０２４０】  また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２７３と接する導電体には、導電体２０５の第１の導電体などと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８０より上層から水素、水などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
【０２４１】  また、図示しないが、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、導電体２０３などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
【０２４２】＜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。
【０２４３】＜＜基板＞＞
本発明の一態様に係るトランジスタを形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
【０２４４】  また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可撓性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。すなわち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
【０２４５】  可撓性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。また、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。可撓性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板である基板としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板である基板として好適である。
【０２４６】＜＜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。
【０２４７】  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。
【０２４８】  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。
【０２４９】  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。
【０２５０】  また、特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定である。そのため、例えば、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。また、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
【０２５１】  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。
【０２５２】  水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
【０２５３】  例えば、絶縁体２７３、絶縁体２８２として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
【０２５４】  特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めることができる。したがって、酸化ハフニウムの膜厚を調整することで、水素、および窒素の適切な添加量を調整することができる。
【０２５５】  例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２４および絶縁体２５０は、過剰酸素領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、過剰酸素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。
【０２５６】  また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２２において、アルミニウム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
【０２５７】  例えば、絶縁体２２０には、熱に対して安定である酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いることが好ましい。ゲート絶縁体として、熱に対して安定な膜と、比誘電率が高い膜との積層構造とすることで、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
【０２５８】  上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域との間のリーク電流を抑制することができる。
【０２５９】  絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８０および絶縁体２８４は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８０および絶縁体２８４は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８０および絶縁体２８４は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
【０２６０】  絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２７０、絶縁体２７３、絶縁体２８４、および絶縁体２８２としては、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２７０、絶縁体２７３、絶縁体２８４、および絶縁体２８２としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。
【０２６１】＜＜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。
【０２６２】  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。
【０２６３】  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。
【０２６４】  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。
【０２６５】  導電体２６０、導電体２０３、導電体２０５、および導電体２４０としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム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。
【０２６６】＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
【０２６７】  金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
【０２６８】  ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
【０２６９】  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。
【０２７０】［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
【０２７１】  なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）、およびＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
【０２７２】  ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（または正孔）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
【０２７３】  また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、導電性領域、および絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
【０２７４】  また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
【０２７５】  また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、および高い電界効果移動度を得ることができる。
【０２７６】  すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ  ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
【０２７７】［金属酸化物の構造］
酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。
【０２７８】  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。
【０２７９】  ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
【０２８０】  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。
【０２８１】  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。
【０２８２】  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。
【０２８３】  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。
【０２８４】  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。
【０２８５】［金属酸化物を有するトランジスタ］
続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
【０２８６】  なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
【０２８７】  また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
【０２８８】  また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
【０２８９】  また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０２９０】  したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
【０２９１】［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。
【０２９２】  金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０２９３】  また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【０２９４】  また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の窒素はできる限り低減されていることが好ましい。例えば、金属酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０２９５】  また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。したがって、水素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中の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。
【０２９６】  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。
【０２９７】＜半導体装置の作製方法＞
次に、本発明に係るトランジスタ２００Ａを有する半導体装置について、作製方法を図３乃至図１３を用いて説明する。また、図３乃至図１３において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は（Ａ）に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、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る。また、各図の（Ｄ）は、（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。
【０２９８】  まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１０を成膜する。絶縁体２１０の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
【０２９９】  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。
【０３００】  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。
【０３０１】  また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。また、ＡＬＤ法は、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
【０３０２】  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。
【０３０３】  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。
【０３０４】  本実施の形態では、絶縁体２１０として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体２１０は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
【０３０５】  次に絶縁体２１０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、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１２として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０３０６】  次に、絶縁体２１２に、絶縁体２１０に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１０は、絶縁体２１２をエッチングして開口を形成する際のエッチングストッパ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、開口を形成する絶縁体２１２に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体２１０は、エッチングストッパ膜として機能する絶縁膜として、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。
【０３０７】  開口の形成後に、導電体２０３の第１の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０３の第１の導電体となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３０８】  本実施の形態では、導電体２０３の第１の導電体となる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタル、または、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜する。導電体２０３の第１の導電体としてこのような金属窒化物を用いることにより、後述する導電体２０３の第２の導電体で銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０３の第１の導電体から外に拡散するのを抑制することができる。
【０３０９】  次に、導電体２０３の第１の導電体となる導電膜上に、導電体２０３の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体２０３の第２の導電体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。
【０３１０】  次に、ＣＭＰ（化学的機械研磨）処理を行うことで、導電体２０３の第１の導電体となる導電膜、および導電体２０３の第２の導電体となる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１２を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０３の第１の導電体となる導電膜、および導電体２０３の第２の導電体となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０３の第１の導電体および導電体２０３の第２の導電体を含む導電体２０３を形成することができる（図３参照。）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１２の一部が除去される場合がある。
【０３１１】  次に、絶縁体２１２、および導電体２０３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、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１４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２１４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、導電体２０３の第２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２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
【０３１２】  次に、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０３１３】  次に、絶縁体２１４および絶縁体２１６に、導電体２０３に達する開口を形成する。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。
【０３１４】  開口の形成後に、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜を成膜する。導電体２０５の第１の導電体となる導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電性材料を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０５の第１の導電体となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３１５】  本実施の形態では、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。
【０３１６】  次に、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜上に、導電体２０５の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３１７】  本実施の形態では、導電体２０５の第２の導電体となる導電膜として、ＣＶＤ法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上にＣＶＤ法によってタングステンを成膜する。
【０３１８】  次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜、および導電体２０５の第２の導電体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２０５の第１の導電体となる導電膜、および導電体２０５の第２の導電体となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５の第１の導電体および導電体２０５の第２の導電体を含む導電体２０５を形成することができる（図３参照。）。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。
【０３１９】  次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２０を成膜する。絶縁体２２０の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２２０として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０３２０】  次に、絶縁体２２０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２００Ａ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２００Ａ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。
【０３２１】  絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３２２】  次に、絶縁体２２２上に絶縁体２２４を成膜する。絶縁体２２４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図３参照。）。本実施の形態では、絶縁体２２４として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０３２３】  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。
【０３２４】  本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２４成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理により、絶縁体２２４に含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。
【０３２５】  また、加熱処理は、絶縁体２２０成膜後、および絶縁体２２２の成膜後のそれぞれのタイミングで行うこともできる。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が、絶縁体２２０成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。
【０３２６】  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（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率よく絶縁体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に含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
【０３２７】  次に、絶縁体２２４上に、酸化物２３０ａとなる酸化膜２３０Ａと、酸化物２３０ｂとなる酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図４参照。）。なお、上記酸化膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜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。
【０３２８】  酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３２９】  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酸化物ターゲットを用いることができる。
【０３３０】  特に、酸化膜２３０Ａの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
【０３３１】  また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。
【０３３２】  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］のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
【０３３３】  次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
【０３３４】  次に、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを島状に加工して、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成する（図５参照。）。
【０３３５】  ここで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００Ａを設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。なお、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角は大きいほど好ましい。
【０３３６】  また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と、酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、酸化物２３０ｂ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。
【０３３７】  なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエ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。
【０３３８】  リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、レジスト上に直接描画を行うため、上述のレジスト露光用のマスクは不要となる。なお、レジストマスクは、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウエ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エットエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処理後にドライエッチング処理を行う、などで、除去することができる。
【０３３９】  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、酸化膜２３０Ｂ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。酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂのエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。当該酸化膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去してもよい。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。
【０３４０】  ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
【０３４１】  また、上記ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
【０３４２】  上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
【０３４３】  ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。
【０３４４】  続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。
【０３４５】  次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの上に、酸化物２３０ｃとなる酸化膜２３０Ｃを成膜する（図６参照。）。
【０３４６】  酸化膜２３０Ｃの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化物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＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
【０３４７】  続いて、酸化膜２３０Ｃ上に、絶縁膜２５０Ａ、金属酸化膜２５２Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、絶縁膜２７０Ａ、および絶縁膜２７１Ａを順に成膜する（図６参照。）。
【０３４８】  まず、絶縁膜２５０Ａを成膜する。絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜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体を成膜することができる。
【０３４９】  なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、当該酸素プラズマに絶縁膜２５０Ａを曝すことで、絶縁膜２５０Ａへ酸素を導入することができる。
【０３５０】  また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁膜２５０Ａの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
【０３５１】  続いて、金属酸化膜２５２Ａ、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを成膜する。金属酸化膜２５２Ａとして、スパッタリング法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。金属酸化膜２５２Ａの形成方法としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。酸素ガスを含む雰囲気で金属酸化膜２５２Ａを形成することで、絶縁膜２５０Ａ中に、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁膜２５０Ａに添加された過剰酸素は、酸化物２３０に酸素を供給することで、酸化物２３０中の酸素欠損を補償することができる。
【０３５２】  ここで、金属酸化膜２５２Ａを成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、金属酸化膜２５２Ａを成膜しながら、絶縁膜２５０Ａ、および絶縁体２２４に酸素を導入することができる。また、金属酸化膜２５２Ａに、バリア性を有す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用いることで、絶縁膜２５０Ａに導入した過剰酸素を、効果的に封じ込めることができる。
【０３５３】  また、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。例えば、導電膜２６０Ａとして、窒化チタンを成膜し、導電膜２６０Ｂとして、タングステンを成膜するとよい。
【０３５４】  例えば、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成するとよい。例えば、金属酸化膜２５２Ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に代表される酸化物半導体を用いた場合、金属酸化膜２５２Ａは、窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。つまり、酸化物導電体（ＯＣ：Ｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）として機能する。そこで、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成することで、金属窒化物中の構成元素（特に窒素）が金属酸化膜２５２Ａに拡散し、金属酸化膜２５２Ａが低抵抗化する。また、導電膜２６０Ａの成膜時のダメージ（例えば、スパッタリングダメージなど）により、金属酸化膜２５２Ａが低抵抗化する。従って、金属酸化膜２５２Ａのキャリア密度が高くなり、金属酸化膜２５２Ａの導電性が高くなる。
【０３５５】  また、導電膜２６０Ｂとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。
【０３５６】  続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、金属酸化膜２５２Ａから、絶縁膜２５０Ａに過剰酸素が添加され、絶縁膜２５０Ａに過剰酸素領域を容易に形成することができる。
【０３５７】  絶縁膜２７０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２７０Ａは、バリア膜として機能するため、水また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性材料を用いる。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、導電体２６０の酸化を抑制することができる。また、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、水または水素などの不純物が酸化物２３０に混入することを抑制することができる。本実施の形態では、絶縁膜２７０Ａとして、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する。
【０３５８】  絶縁膜２７１Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。ここで、絶縁膜２７１Ａの膜厚は、後の工程で成膜する絶縁膜２７５Ａの膜厚より厚くすることが好ましい。これにより、後の工程で絶縁体２７５を形成する際、導電体２６０の上に絶縁体２７１を、容易に残存させることができる。本実施の形態では、絶縁膜２７１Ａとして、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０３５９】  次に、絶縁膜２７１Ａを、エッチングし、絶縁体２７１を形成する。ここで、絶縁体２７１は、ハードマスクとして機能する。絶縁体２７１を設けることで、絶縁体２５０の側面、金属酸化物２５２の側面、導電体２６０ａの側面、導電体２６０ｂの側面、および絶縁体２７０の側面を、基板の上面に対し、概略垂直に形成することができる。
【０３６０】  次に、絶縁体２７１をマスクとして、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、金属酸化膜２５２Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および絶縁膜２７０Ａを、エッチングし、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）、および絶縁体２７０を形成する（図７参照。）。
【０３６１】  また、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１は、少なくとも一部が、導電体２０５および酸化物２３０と重なるように形成する。
【０３６２】  また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、金属酸化物２５２の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７０の側面は、同一面内であることが好ましい。
【０３６３】  また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、金属酸化物２５２の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７０の側面が共有する同一面は、基板の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。つまり、断面形状において、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角が、鋭角、かつ大きいほど好ましい。なお、断面形状において、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角は大きいほど好ましい。
【０３６４】  なお、上記加工後も、当該ハードマスク（絶縁体２７１）は除去せずに後工程を進めてもよい。
【０３６５】  次に、酸化物２３０、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１を覆って、絶縁膜２７５Ａを成膜する（図８参照。）。
【０３６６】  絶縁膜２７５Ａは、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁膜２７５Ａに用いると、後の工程で絶縁体２７５中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。
【０３６７】  次に、絶縁膜２７５Ａに異方性のエッチング処理を行い、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に、絶縁体２７５を形成する（図９参照。）。なお、当該工程において、絶縁体２２４を島状に加工してもよい。その場合、絶縁体２２２をエッチングストッパ膜として用いることができる。
【０３６８】  なお、図示しないが、絶縁体２２４の側面にも絶縁体２７５が残存していてもよい。その場合、後の工程で成膜する層間膜などの被膜性を高めることができる。また、絶縁体２２４の側面に接して絶縁体２７５の残存した構造体が形成されていることで、絶縁体２２４にも過剰酸素領域を設けることができる。
【０３６９】  続いて、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７５を介して、絶縁体２２４、および酸化物２３０上に膜２４２Ａを成膜する（図１０参照。）。なお、膜２４２Ａは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚にするとよい。膜２４２Ａは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜２４２Ａは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜２４２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３７０】  続いて、加熱処理を行う（図１１参照。）。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜２４２Ａから、膜２４２Ａの成分である金属元素が酸化物２３０へ、または酸化物２３０の成分である金属元素が膜２４２Ａへと、拡散し、酸化物２３０と、膜２４２Ａが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物２３０と膜２４２Ａとが、金属化合物を形成することで、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０３７１】  ここで、膜２４２Ａの金属元素、および酸化物２３０の金属元素により、金属化合物を形成することで、層２４２とする。また、膜２４２Ａと、酸化物２３０との界面に、化合物層が形成されていてもよい。なお、化合物層とは、膜２４２Ａの成分と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物を有する層とする。なお、本明細書において、層２４２は、化合物層を含める場合がある。例えば、化合物層として、酸化物２３０の金属元素と、膜２４２Ａの金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。合金化することで、金属元素は比較的安定な状態となり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０３７２】  加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。
【０３７３】  また、酸化物２３０と層２４２との界面近傍における酸素が層２４２に吸収される場合がある。その結果、酸化物２３０と層２４２との界面近傍が、低抵抗化する（図１１参照。）。一方、層２４２は、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。
【０３７４】  その際、酸化物２３０の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、高抵抗化した層２４２は、層間膜として用いてもよい。
【０３７５】  また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【０３７６】  また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。
【０３７７】  また、層２４２に、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。層２４２を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
【０３７８】  上記層２４２の形成工程、または加熱処理において、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が、層２４２に吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、ｎ型となり、低抵抗化される。
【０３７９】  なお、層２４２は除去してもよい。例えば、除去する方法として、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。層２４２を除去することで、層２４２に吸収された酸化物２３０中の水素を同時に除去することができる。従って、トランジスタ２００Ａ中の不純物である水素を低減することができる。
【０３８０】  続いて、絶縁体２７５、酸化物２３０上に絶縁体２７３を成膜する（図１２参照。）。
【０３８１】  また、絶縁体２７３は、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。例えば、絶縁体２７３として、酸化アルミニウムを用いるとよい。
【０３８２】  また、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁体２７３を成膜しながら、絶縁体２７５に酸素を導入することができる。特に、絶縁体２７５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、空孔を有する酸化シリコンを用いると、絶縁体２７５に、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化シリコンと比較して、酸化物２３０は、過剰酸素領域が形成されにくい傾向がある。また、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、例えば、絶縁体２７３として、スパッタリング法を用いた酸化膜を成膜した場合、絶縁体２７５に選択的に過剰酸素領域を形成することができる。また、このとき、酸化物２３０には過剰酸素領域が形成されにくいため、上述の酸化物２３０における低抵抗化領域が高抵抗化するのを抑制することができる。また、酸化物２３０、および絶縁体２７５から水素、および水を吸収することで、酸化物２３０、および絶縁体２７５の水素濃度を低減することができる。
【０３８３】  上述のようにして過剰酸素領域が形成された絶縁体２７５は、当該過剰酸素領域から酸化物２３０の領域２３４へ、酸素を効果的に供給することができる。
【０３８４】  上記構成とすることで、酸化物２３０の各領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。
【０３８５】  したがって、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０３８６】  続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。加熱処理を行うことで、酸化物２３０の領域２３１に形成された酸素欠損に捕獲された水素が、絶縁体２７３へ吸収され、酸化物２３０中の水素を低減することができる。
【０３８７】  次に、絶縁体２７３の上に、絶縁体２７４を成膜する（図１２参照。）。絶縁体２７４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。なお、絶縁体２７４は、成膜ガスに水素ガスを用いないことが好ましい。水素ガスを用いないことで、水素濃度が低減された絶縁膜を成膜することができる。例えば、絶縁体２７４として、ＣＶＤ法により、シラン（ＳｉＨ４）と窒素（Ｎ２）ガスを用いて、窒化シリコンを成膜するとよい。
【０３８８】  次に、絶縁体２７４の上に、絶縁体２８０を成膜する（図１２参照。）。絶縁体２８０の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。または、スピンコート法、ディップ法、液滴吐出法（インクジェット法など）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷など）、ドクターナイフ法、ロールコーター法、またはカーテンコーター法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体２８０として、酸化窒化シリコンを用いるとよい。
【０３８９】  次に、絶縁体２８０の一部を除去する。絶縁体２８０は、上面が平坦性を有するように形成することが好ましい。例えば、絶縁体２８０は、成膜した直後に上面が平坦性を有していてもよい。または、例えば、絶縁体２８０は、成膜後に基板裏面などの基準面と平行になるよう絶縁体などを上面から除去していくことで平坦性を有してもよい。このような処理を、平坦化処理と呼ぶ。平坦化処理としては、ＣＭＰ処理、ドライエッチング処理などがある。本実施の形態では、平坦化処理として、ＣＭＰ処理を用いる。ただし、絶縁体２８０の上面は必ずしも平坦性を有さなくてもよい。
【０３９０】  続いて、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成する。絶縁体２８２は、スパッタリング装置により成膜することが好ましい。当該構造とすることで、水素が絶縁体２８２よりも下層の構造に混入することを抑制することができる。また、絶縁体２８０中の水素、または水が、絶縁体２８２へと吸収されるため、絶縁体２８０中の不純物濃度を低減することができる。
【０３９１】  続いて、絶縁体２８２上に、絶縁体２８４を形成する（図１２参照。）。例えば、絶縁体２８４として、ＣＶＤ法により、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体を形成する。絶縁体２８４は、絶縁体２８２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。
【０３９２】  次に、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２７３に、酸化物２３０に達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂが酸化物２３０の側面に接して設けられるように、酸化物２３０に達する開口において、酸化物２３０の側面が露出するように、当該開口を形成する。
【０３９３】  次に、導電体２４０の第１の導電体となる導電膜、および導電体２４０の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３９４】  ここで、例えば、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、および絶縁体２７３に開口を形成する際に、領域２３１の低抵抗化した領域を除去する場合がある。その場合、導電体２４０の第１の導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物２３０と導電体２４０の第１の導電体とが接するため、当該接した領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と導電体２４０の接触領域を低抵抗化することができる。導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０を低抵抗化することで、酸化物２３０と導電体２４０との十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体２４０の第１の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。
【０３９５】  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２８４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１３参照。）。
【０３９６】  以上により、トランジスタ２００Ａを有する半導体装置を作製することができる。図３乃至図１３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２００Ａを作製することができる。
【０３９７】  本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
【０３９８】＜半導体装置の変形例＞
以下では、図１４乃至図１７を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ａを有する半導体装置の一例について説明する。
【０３９９】  ここで、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は（Ａ）に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、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る。また、各図の（Ｄ）は、（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。各図（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０４００】  なお、図１４乃至図１７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。
【０４０１】  以下、半導体装置の構成についてそれぞれ図１４乃至図１７を用いて説明する。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。
【０４０２】［半導体装置の変形例１］
図１４に示す半導体装置では、酸化物２３０の側面と、基板と平行な面が、テーパー角度を有する。具体的には、図１４（Ｂ）に示すように、テーパー角度（θ）は、４５°以上８０°以下、好ましくは、５０°以上７０°以下とすればよい。酸化物２３０がテーパー構造を有することで、絶縁体２７５に対して、異方性のエッチング処理を行った際に、酸化物２３０の側面を露出することができる。
【０４０３】  従って、酸化物２３０の側面においても、膜２４２Ａと接することになり、金属化合物が形成され、低抵抗化することができる。つまり、酸化物２３０の側面にも領域２３１を形成することができる。また、酸化物２３０がテーパー構造を有することで、酸化物２３０よりも上層に形成される構造体の被膜性を高めることができる。
【０４０４】［半導体装置の変形例２］
図１５に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置とは、層２４２の絶縁化した領域を除去したことが異なる。具体的には、図１５に示すように、層２４２は酸化物２３０上のみ残存させてもよい。または、酸化物２３０中に金属化合物が形成されている場合、層２４２は除去してもよい。従って、領域２３１が、酸化物２３０のみに形成されていてもよい。
【０４０５】  なお、層２４２が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、層２４２へと吸収される。そこで、層２４２を除去することで、酸化物２３０から吸収した水素も除去することができる。従って、酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。
【０４０６】［半導体装置の変形例３］
図１６に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置とは、導電体２４０の形状が異なる。つまり、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置は、層間膜として機能する絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４と接して導電体２４０を設ける構造である。一方、図１６に示す半導体装置は、絶縁体２７３、および絶縁体２７４に開口を設け、導電体２４０を形成する。つまり、導電体２４０は、層間膜と接しない構造である。従って、層間膜として機能する絶縁体の不純物が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００Ａへと拡散することを抑制することができる。従って、導電体２４０上にはバリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
【０４０７】［半導体装置の変形例４］
図１７に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置とは、導電体２４０と層間膜として機能する絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４との間に、バリア層として機能する絶縁体２７６（絶縁体２７６ａ、および絶縁体２７６ｂ）を設けたことが異なる。なお、本構造とする場合、絶縁体２７６、および絶縁体２８２は、酸素、水素、および水に対し、バリア性を有することが好ましい。
【０４０８】  具体的には、図１７に示すように、導電体２４０と、絶縁体２８０、およびバリア性を有する絶縁体２８２との間に絶縁体２７６を設けるとよい。特に、絶縁体２７６は、バリア性を有する絶縁体２８２と接して設けられることが好ましい。絶縁体２７６と、絶縁体２８２とが接して設けられることで、絶縁体２７６が絶縁体２８４まで延在し、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。
【０４０９】  つまり、絶縁体２７６を設けることで、絶縁体２８０が有する不純物が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００Ａへと拡散し、半導体装置の信頼性が低下することを抑制することができる。また、絶縁体２７６を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。
【０４１０】  絶縁体２７６には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
【０４１１】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０４１２】（実施の形態２）
以下では、実施の形態１で示したトランジスタ２００Ａを有する半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｂを有する半導体装置の一例について説明する。
【０４１３】  なお、本実施の形態に示す半導体装置において、先の実施の形態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。そこで、主に、先の実施の形態に示した半導体装置と異なる点について説明を行い、繰り返しとなる説明を省略する。さらに、同符号を付記している構造の材料、機能、作製方法などについて特段の説明がない場合、当該構造の材料、機能、作製方法などは、先の実施の形態で説明した内容を参酌することができる。
【０４１４】＜半導体装置の構成例＞
図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）、図１８（Ｃ）、および図１８（Ｄ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｂ、およびトランジスタ２００Ｂ周辺の上面図および断面図である。
【０４１５】  図１８（Ａ）は、トランジスタ２００Ｂを有する半導体装置の上面図である。また、図１８（Ｂ）、図１８（Ｃ）、および図１８（Ｄ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｂのチャネル長方向の断面図でもある。また、図１８（Ｃ）は、図１８（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｂのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図１８（Ｄ）は、図１８（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｂのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図１８（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０４１６】  本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００Ｂと、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４と、を有する。また、トランジスタ２００Ｂと電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３と、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）と、を有する。
【０４１７】  導電体２４０は、絶縁体２７５、絶縁体２７３、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８４の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８４の上面の高さは同程度にできる。なお、本実施の形態では、導電体２４０が２層の積層構造であ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は、単層、または３層以上の積層構造でもよい。
【０４１８】［トランジスタ２００Ｂ］
図１８に示すトランジスタ２００Ｂは、少なくとも酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、および導電体２６０の側面と接して配置された絶縁体２７２と、酸化物２３０上、および絶縁体２７２上に配置された層２４２と、層２４２上に配置された絶縁体２７５と、絶縁体２７５上に配置された絶縁体２７３と、絶縁体２７３上に配置された絶縁体２７４と、を有している点が、実施の形態１で示したトランジスタ２００Ａと異なる。
【０４１９】  また、トランジスタ２００Ｂは、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体を用いることが好ましい。
【０４２０】  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２００Ｂは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ２００Ｂに用いることができる。
【０４２１】  ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素が添加されることで、金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。
【０４２２】  酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。
【０４２３】  また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜から、当該膜の成分である金属元素が酸化物半導体へ、または酸化物半導体の成分である金属元素が当該膜へと、拡散し、酸化物半導体と、当該膜とが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物半導体に添加された金属元素は、酸化物半導体と金属元素と、金属化合物を形成することで、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０４２４】  また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜と、酸化物半導体との界面に、化合物層（異層）が形成されていてもよい。なお、化合物層（異層）とは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜の成分と、酸化物半導体の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、化合物層として、酸化物半導体の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。当該合金化した層は、比較的安定な状態であり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０４２５】  また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域、または金属化合物が形成された領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する傾向がある。
【０４２６】  また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ると、キャリア密度は増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。
【０４２７】  従って、酸化物半導体に、金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を、選択的に添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物２３０を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物２３０に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。
【０４２８】  ここで、図１８（Ｂ）において破線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物２３０ｂを含む領域２３９の拡大図を図１９に示す。
【０４２９】  図１９に示すように、酸化物２３０は、トランジスタ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、領域２３４と領域２３１との間に設けられる、領域２３２（領域２３２ａ、および領域２３２ｂ）と、を有する。
【０４３０】  領域２３２は、絶縁体２７２と重畳する領域を有する。
【０４３１】  領域２３１を低抵抗化するために、例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、層２４２を成膜するとよい。層２４２としては、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜などを用いることができる。層２４２は、少なくとも、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、絶縁体２７０、絶縁体２７１、および絶縁体２７２を介して、酸化物２３０上に設けることが好ましい。
【０４３２】  酸化物２３０と層２４２とが接することにより、層２４２の成分と、酸化物２３０の成分とが、金属化合物を形成し、領域２３１となり、低抵抗化する。また、酸化物２３０と層２４２との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物２３０中の酸素の一部が層２４２に吸収され、酸化物２３０に酸素欠損を形成し、低抵抗化し、領域２３１を形成する場合がある。
【０４３３】  また、酸化物２３０と、層２４２とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、層２４２から、層２４２の成分である金属元素が酸化物２３０へ、または酸化物２３０の成分である金属元素が層２４２へと、拡散し、酸化物２３０と、層２４２とが金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、その際、酸化物２３０の金属元素と、層２４２の金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の金属元素と、層２４２の金属元素とが、合金化することで、金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０４３４】  また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【０４３５】  一方、酸化物２３０の導電体２６０、および絶縁体２７２と重畳する領域（領域２３４、および領域２３２）は、導電体２６０、および絶縁体２７２により、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物２３０の領域２３４、および領域２３２において、酸化物２３０中の酸素原子が、上述した層２４２へ吸収されることが抑制される。
【０４３６】  また、層２４２に、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は増加する。従って、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、低抵抗化される。
【０４３７】  ここで、層２４２が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。また、層２４２は、後の工程で、酸化物２３０から吸収した水素とともに除去してもよい。
【０４３８】  なお、層２４２は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、層２４２を絶縁化し、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。例えば、層２４２は、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。その場合、層２４２は、層間膜として機能する場合がある。
【０４３９】  また、例えば、層２４２に、導電性を有する領域が残存している場合、熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。当該熱処理は、例えば、酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。また、層２４２の近傍に酸素を有する構造体がある場合、熱処理を行うことで、層２４２は、当該構造体が有する酸素と反応し、酸化する場合がある。
【０４４０】  層２４２を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。当該構造とする場合、層２４２は、後工程で、絶縁化させることができる程度の膜厚で設ける。例えば、層２４２は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で設けるとよい。なお、上記酸化性雰囲気下で熱処理を行う場合には、酸化物２３０と、層２４２とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において一度熱処理を行ったあとに行うと好適である。窒素を含む雰囲気下において、一度熱処理を行うことで、酸化物２３０中の酸素が層２４２に拡散しやすくなる。
【０４４１】  ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネルが形成される領域２３４中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
【０４４２】  そこで、図１９に示すように、酸化物２３０と近接して、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素（過剰酸素ともいう。）を含む絶縁体２７５を設けることが好ましい。絶縁体２７５が有する過剰酸素は、層２４２を通過し、酸化物２３０へと拡散し、酸化物２３０の酸素欠損を低減することができる。
【０４４３】  つまり、絶縁体２７５が有する過剰酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと拡散することで、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減することができる。一方、酸化物２３０の領域２３１に形成された酸素欠損も、絶縁体２７５から供給された酸素により補償される。しかしながら、酸化物２３０、および層２４２に形成された低抵抗領域は、金属化合物が形成されているため、安定である。従って、金属化合物が形成されていない領域２３４よりも、低い抵抗を維持することができる。
【０４４４】  また、絶縁体２７５に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体２７５に接する絶縁体２７３として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。
【０４４５】  絶縁体２７５に過剰な酸素を導入することで、絶縁体２７５中に過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体２７５の過剰な酸素は、酸化物２３０に供給され、酸化物２３０の酸素欠損を補償することができる。
【０４４６】  また、絶縁体２７３は、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。酸化アルミニウムは、酸化物２３０と近接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物２３０中の水素を引き抜く場合がある。なお、酸化物２３０と、酸化アルミニウムとの間に層２４２、および絶縁体２７５が設けられている場合、層２４２、および絶縁体２７５中の水素を酸化アルミニウムが吸収し、水素が低減された層２４２は、酸化物２３０中の水素を吸収する場合がある。従って、酸化物２３０中の水素濃度を低減することができる。また、絶縁体２７３と、酸化物２３０とを近接した状態で熱処理を行うことで、絶縁体２７３から酸化物２３０、絶縁体２２４、または絶縁体２２２に酸素を供給できる場合がある。
【０４４７】  上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物２３０の選択的な低抵抗化を行うことができる。
【０４４８】  つまり、酸化物２３０に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体２６０、および絶縁体２７２をマスクとすることで、自己整合的に酸化物２３０は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ２００Ｂを同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくすることができる。また、トランジスタ２００Ｂのチャネル長は、導電体２６０の幅、および絶縁体２７２の膜厚により決定され、導電体２６０の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ２００Ｂの微細化が可能となる。
【０４４９】  以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０４５０】  また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。
【０４５１】  以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
【０４５２】  以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｂを有する半導体装置の構成のうち、実施の形態１で示したトランジスタ２００Ａを有する半導体装置と異なる点について説明する。
【０４５３】  領域２３２は、少なくとも、絶縁体２７２と重畳する領域を有する。
【０４５４】  また、絶縁体２７０上に、ハードマスクとして機能する絶縁体２７１を配置することが好ましい。絶縁体２７１を設けることで、導電体２６０の加工の際、導電体２６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体２６０の側面と基板表面のなす角を、７５°以上１００°以下、好ましくは８０°以上９５°以下とすることができる。導電体２６０をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体２７２を所望の形状に形成することができる。
【０４５５】  バッファ層として機能する絶縁体２７２は、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、金属酸化物２５２の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７０の側面に接して設ける。なお、絶縁体２７２は、水また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性材料を用いてもよい。その場合、絶縁体２７２はバリア層としての機能も有する。
【０４５６】  例えば、絶縁体２７２として、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。絶縁体２７２は、例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。絶縁体２７２として、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁体２７２の膜厚は、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【０４５７】  絶縁体２７２を設けることで、水また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、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、および導電体２６０の側面を覆うことができる。従って、絶縁体２５０、および金属酸化物２５２の端部などから酸化物２３０に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。そのため、酸化物２３０と、絶縁体２５０との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ２００Ｂの信頼性を向上させることができる。つまり、絶縁体２７２は、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとしての機能を有する。
【０４５８】  酸化物２３０、絶縁体２７２、および絶縁体２７１上に絶縁体２７５を設ける。過剰酸素領域を有する絶縁体２７５は、酸化物２３０に近接して設ける。
【０４５９】  例えば、絶縁体２７５として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
【０４６０】  また、絶縁体２７５は、過剰酸素領域を有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２７５として、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０と接して設けることで、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２７５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。
【０４６１】  絶縁体２７２、および絶縁体２７５を設けることで、導電体２６０の酸化を抑制しながら、絶縁体２７５が有する過剰酸素を酸化物２３０へ供給することが可能となる。つまり、絶縁体２７５が有する過剰酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと拡散することで、酸化物２３０の領域２３４の酸素欠損が低減するため、酸化物２３０の領域２３４は、より高抵抗化する。一方、酸化物２３０の領域２３１に形成された酸素欠損も、同様に、絶縁体２７５から供給された酸素により補償される。
【０４６２】  しかしながら、酸化物２３０、および層２４２に形成された低抵抗領域は、金属化合物が形成されているため、安定である。従って、金属化合物が形成されていない領域２３４よりも、低い抵抗を維持することができる。
【０４６３】  絶縁体２７３は、少なくとも酸化物２３０の領域２３１上、および絶縁体２７５上に設けられる。絶縁体２７３をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２７５へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物２３０中に酸素を供給することができる。また、絶縁体２７３を、酸化物２３０の領域２３１上に設けることで、酸化物２３０中の水素を、絶縁体２７３へと引き抜くことができる。
【０４６４】  例えば、絶縁体２７３として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
【０４６５】  特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。
【０４６６】  また、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２７３、および絶縁体２７５に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。
【０４６７】  なお、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２７３、および絶縁体２７５の開口の内壁に接して導電体２４０ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２７３、および絶縁体２７５の開口の内壁に接して導電体２４０ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
【０４６８】  ここで、例えば、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２７３、および絶縁体２７５に開口を形成する際に、酸化物２３０において、領域２３１の低抵抗化した領域が除去され、低抵抗化していない酸化物２３０が露出する場合がある。その場合、導電体２４０の酸化物２３０と接する導電体（以下、導電体２４０の第１の導電体ともいう。）に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、低抵抗化していない酸化物２３０と導電体２４０の第１の導電体とが接することで、金属化合物、または酸化物２３０に酸素欠損が形成され、導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０が、低抵抗化する。従って、導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０を低抵抗化することで、酸化物２３０と導電体２４０とのコンタクト抵抗を低減することができる。従って、導電体２４０の第１の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。
【０４６９】  また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２７３、および絶縁体２７５と接する導電体には、導電体２０５の第１の導電体などと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８０より上層から水素、水などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
【０４７０】＜半導体装置の作製方法＞
次に、本発明に係るトランジスタ２００Ｂを有する半導体装置について、作製方法を図２０乃至図２５を用いて説明する。また、図２０乃至図２５において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は（Ａ）に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、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る。また、各図の（Ｄ）は、（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。
【０４７１】  図１８に示す半導体装置の作製方法は、絶縁体２７１を形成するまでは、図１に示す半導体装置の作製方法と同様である。よって、図３乃至図７に係る半導体装置の作製方法を参酌することができる。
【０４７２】  なお、絶縁膜２７１Ａの膜厚は、後の工程で成膜する絶縁膜２７２Ａの膜厚より厚くすることが好ましい。これにより、後の工程で絶縁体２７２を形成する際、導電体２６０の上に絶縁体２７１を、容易に残存させることができる。本実施の形態では、絶縁膜２７１Ａとして、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０４７３】  絶縁体２７１を形成した後、酸化物２３０、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７１を覆って、絶縁膜２７２Ａを成膜する（図２０参照。）。
【０４７４】  絶縁膜２７２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。
【０４７５】  絶縁膜２７２Ａは、被覆性に優れたＡＬＤ法により成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、導電体２６０などにより形成された段差部においても、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に対して、均一な厚さを有する絶縁膜２７２Ａを形成することができる。また、ＡＬＤ法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。
【０４７６】  一方、絶縁膜２７２Ａとして、バリア性を有する酸化アルミニウムなどを設けてもよい。例えば、導電体２６０が酸化しやすい金属膜である場合、バリア性を有する絶縁体を用いることで、導電体２６０が絶縁膜２７２Ａの上方からの酸素で酸化するのを抑制することができる。これにより、導電体２６０の抵抗値が上がることを抑制することができる。
【０４７７】  絶縁膜２７２Ａとして、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁膜２７２Ａの膜厚は、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることが好ましい。当該構成とすることで、後の工程で、導電体２６０の酸化を抑制しながら、絶縁体２７５が有する過剰酸素を酸化物２３０、および絶縁体２５０へ供給することが可能となる。
【０４７８】  次に、絶縁膜２７２Ａに異方性のエッチング処理を行い、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に、絶縁体２７２を形成する（図２１参照）。
【０４７９】  上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体２７２を自己整合的に形成することができる。
【０４８０】  なお、当該工程において、絶縁体２２４を島状に加工してもよい。その場合、絶縁体２２２をエッチングストッパ膜として用いることができる。
【０４８１】  続いて、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、金属酸化物２５２、導電体２６０、絶縁体２７０、および絶縁体２７２を介して、絶縁体２２４、および酸化物２３０上に膜２４２Ａを成膜する（図２２参照。）。膜２４２Ａの材料、成膜方法等は、実施の形態１の膜２４２Ａを参酌することができる。
【０４８２】  続いて、加熱処理を行う（図２３参照。）。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜２４２Ａから、膜２４２Ａの成分である金属元素が酸化物２３０へ、または酸化物２３０の成分である金属元素が膜２４２Ａへと、拡散し、酸化物２３０と、膜２４２Ａが金属化合物を形成し、低抵抗化することができる。酸化物２３０と膜２４２Ａとが、金属化合物を形成することで、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０４８３】  ここで、膜２４２Ａの金属元素、および酸化物２３０の金属元素により、金属化合物を形成することで、層２４２とする。また、膜２４２Ａと、酸化物２３０との界面に、化合物層が形成されていてもよい。なお、化合物層とは、膜２４２Ａの成分と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物を有する層とする。なお、本明細書において、層２４２は、化合物層を含める場合がある。例えば、化合物層として、酸化物２３０の金属元素と、膜２４２Ａの金属元素とが、合金化した層が形成されていてもよい。合金化することで、金属元素は比較的安定な状態となり、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０４８４】  加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。
【０４８５】  また、酸化物２３０と層２４２との界面近傍における酸素が層２４２に吸収される場合がある。その結果、酸化物２３０と層２４２との界面近傍が、低抵抗化する（図２３参照。）。一方、層２４２は、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化する場合がある。
【０４８６】  その際、酸化物２３０の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、高抵抗化した層２４２は、層間膜として用いてもよい。
【０４８７】  また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【０４８８】  また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。
【０４８９】  また、層２４２に、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。層２４２を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
【０４９０】  上記層２４２の形成工程、または加熱処理において、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が、層２４２に吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、ｎ型となり、低抵抗化される。
【０４９１】  なお、層２４２は除去してもよい。例えば、除去する方法として、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。層２４２を除去することで、層２４２に吸収された酸化物２３０中の水素を同時に除去することができる。従って、トランジスタ２００Ｂ中の不純物である水素を低減することができる。
【０４９２】  続いて、層２４２上に、絶縁体２７５を成膜する（図２４参照。）。絶縁体２７５の材料は、実施の形態１の絶縁膜２７５Ａを参酌することができる。
【０４９３】  なお、図示しないが、絶縁体２２４の側面にも絶縁体２７５が残存していてもよい。その場合、後の工程で成膜する層間膜などの被膜性を高めることができる。また、絶縁体２２４の側面に接して絶縁体２７５の残存した構造体が形成されていることで、絶縁体２２４にも過剰酸素領域を設けることができる。
【０４９４】  続いて、絶縁体２７５上に絶縁体２７３を成膜する（図２４参照。）。絶縁体２７３の材料、成膜方法等は、実施の形態１の絶縁体２７３を参酌することができる。
【０４９５】  また、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁体２７３を成膜しながら、絶縁体２７５に酸素を導入することができる。特に、絶縁体２７５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、空孔を有する酸化シリコンを用いると、絶縁体２７５に、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。また、スパッタリング法を用いた酸化膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。従って、例えば、絶縁体２７３として、スパッタリング法を用いた酸化膜を成膜した場合、絶縁体２７５に選択的に過剰酸素領域を形成することができる。また、絶縁体２７５から水素、および水を吸収することで、絶縁体２７５の水素濃度を低減することができる。
【０４９６】  上述のようにして過剰酸素領域が形成された絶縁体２７５は、当該過剰酸素領域から酸化物２３０へ、酸素を効果的に供給することができる。つまり、絶縁体２７５が有する過剰酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと拡散することで、酸化物２３０の領域２３４の酸素欠損が低減するため、酸化物２３０の領域２３４は、より高抵抗化する。一方、酸化物２３０の領域２３１に形成された酸素欠損も、同様に、絶縁体２７５から供給された酸素により補償される。
【０４９７】  しかしながら、酸化物２３０、および層２４２に形成された低抵抗領域は、金属化合物が形成されているため、安定である。従って、金属化合物が形成されていない領域２３４よりも、低い抵抗を維持することができる。
【０４９８】  上記構成とすることで、酸化物２３０の各領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。
【０４９９】  したがって、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０５００】  続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。加熱処理を行うことで、酸化物２３０の領域２３１に形成された酸素欠損に捕獲された水素が、絶縁体２７３へ吸収され、酸化物２３０中の水素を低減することができる。
【０５０１】  次に、絶縁体２７３の上に、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４を順に形成する（図２４参照。）。なお、絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４の材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態１の絶縁体２７４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４を参酌することができる。
【０５０２】  次に、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２７３、および絶縁体２７５に、酸化物２３０に達する開口を形成する。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂが酸化物２３０の側面に接して設けられるように、酸化物２３０に達する開口において、酸化物２３０の側面が露出するように、当該開口を形成する。
【０５０３】  次に、導電体２４０の第１の導電体となる導電膜、および導電体２４０の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０５０４】  ここで、例えば、絶縁体２８４、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７４、絶縁体２７３、および絶縁体２７５に開口を形成する際に、領域２３１の低抵抗化した領域を除去する場合がある。その場合、導電体２４０の第１の導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物２３０と導電体２４０の第１の導電体とが接するため、当該接した領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と導電体２４０の接触領域を低抵抗化することができる。導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０を低抵抗化することで、酸化物２３０と導電体２４０との十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体２４０の第１の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。
【０５０５】  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２８４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２５参照。）。
【０５０６】  以上により、トランジスタ２００Ｂを有する半導体装置を作製することができる。図２０乃至図２５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２００Ｂを作製することができる。
【０５０７】  本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
【０５０８】＜半導体装置の変形例＞
以下では、図２６乃至図２９を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｂを有する半導体装置の一例について説明する。
【０５０９】  ここで、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は（Ａ）に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、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る。また、各図の（Ｄ）は、（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。各図（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０５１０】  なお、図２６乃至図２９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。
【０５１１】  以下、半導体装置の構成についてそれぞれ図２６乃至図２９を用いて説明する。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、先の実施の形態、および＜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。
【０５１２】［半導体装置の変形例１］
図２６に示す半導体装置では、酸化物２３０の側面と、基板と平行な面が、テーパー角度を有する。具体的には、図２６（Ｂ）に示すように、テーパー角度（θ）は、４５°以上８０°以下、好ましくは、５０°以上７０°以下とすればよい。酸化物２３０がテーパー構造を有することで、絶縁体２７２に対して、異方性のエッチング処理を行った際に、酸化物２３０の側面を露出することができる。
【０５１３】  従って、酸化物２３０の側面においても、膜２４２Ａと接することになり、金属化合物が形成され、低抵抗化することができる。つまり、酸化物２３０の側面にも領域２３１を形成することができる。また、酸化物２３０がテーパー構造を有することで、酸化物２３０よりも上層に形成される構造体の被膜性を高めることができる。
【０５１４】［半導体装置の変形例２］
図２７に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置とは、層２４２の絶縁化した領域を除去したことが異なる。具体的には、図２７に示すように、層２４２は酸化物２３０上のみ残存させてもよい。または、酸化物２３０中に金属化合物が形成されている場合、層２４２は除去してもよい。従って、領域２３１が、酸化物２３０のみに形成されていてもよい。
【０５１５】  なお、層２４２が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、層２４２へと吸収される。そこで、層２４２を除去することで、酸化物２３０から吸収した水素も除去することができる。従って、酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。
【０５１６】［半導体装置の変形例３］
図２８に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置とは、導電体２４０の形状が異なる。つまり、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置は、層間膜として機能する絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４と接して導電体２４０を設ける構造である。一方、図２８に示す半導体装置は、絶縁体２７５、絶縁体２７３、および絶縁体２７４に開口を設け、導電体２４０を形成する。つまり、導電体２４０は、層間膜と接しない構造である。従って、層間膜として機能する絶縁体の不純物が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００Ｂへと拡散することを抑制することができる。従って、導電体２４０上にはバリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
【０５１７】［半導体装置の変形例４］
図２９に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置とは、導電体２４０と層間膜として機能する絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８４との間に、バリア層として機能する絶縁体２７６（絶縁体２７６ａ、および絶縁体２７６ｂ）を設けたことが異なる。なお、本構造とする場合、絶縁体２７６、および絶縁体２８２は、酸素、水素、および水に対し、バリア性を有することが好ましい。
【０５１８】  具体的には、図２９に示すように、導電体２４０と、絶縁体２８０、およびバリア性を有する絶縁体２８２との間に絶縁体２７６を設けるとよい。特に、絶縁体２７６は、バリア性を有する絶縁体２８２と接して設けられることが好ましい。絶縁体２７６と、絶縁体２８２とが接して設けられることで、絶縁体２７６が絶縁体２８４まで延在し、酸素や不純物の拡散を、より抑制することができる。
【０５１９】  つまり、絶縁体２７６を設けることで、絶縁体２８０が有する不純物が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００Ｂへと拡散し、半導体装置の信頼性が低下することを抑制することができる。また、絶縁体２７６を設けることで、プラグや配線に用いられる導電体の材料選択の幅を広げることができる。
【０５２０】  絶縁体２７６には、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
【０５２１】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０５２２】（実施の形態３）
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｃを有する半導体装置の一例について説明する。
【０５２３】  なお、本実施の形態に示す半導体装置において、先の実施の形態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。そこで、主に、先の実施の形態に示した半導体装置と異なる点について説明を行い、繰り返しとなる説明を省略する。さらに、同符号を付記している構造の材料、作製方法などについて特段の説明がない場合、当該構造の材料、作製方法などは、先の実施の形態で説明した内容を参酌することができる。
【０５２４】＜半導体装置の構成例＞
図３０（Ａ）乃至図３０（Ｄ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｃ、およびトランジスタ２００Ｃ周辺の上面図および断面図である。
【０５２５】  図３０（Ａ）は、トランジスタ２００Ｃを有する半導体装置の上面図である。また、図３０（Ｂ）、図３０（Ｃ）、および図３０（Ｄ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図３０（Ｂ）は、図３０（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｃのチャネル長方向の断面図でもある。また、図３０（Ｃ）は、図３０（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｃのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図３０（Ｄ）は、図３０（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｃのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図３０（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０５２６】  本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００Ｃと、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、および絶縁体２８２と、を有する。また、トランジスタ２００Ｃと電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３と、プラグとして機能する導電体２４０と、を有する。
【０５２７】  なお、導電体２０３は、絶縁体２１２の開口の内壁に接して導電体２０３の第１の導電体２０３ａが形成され、さらに内側に導電体２０３の第２の導電体２０３ｂが形成されている。ここで、導電体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００Ｃでは、導電体２０３の第１の導電体２０３ａおよび導電体２０３の第２の導電体２０３ｂ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２０３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。
【０５２８】  また、導電体２４０は、絶縁体２８０、および絶縁体２８２の開口の内壁に接して導電体２４０の第１の導電体が形成され、さらに内側に導電体２４０の第２の導電体が形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８２の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００Ｃ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。
【０５２９】［トランジスタ２００Ｃ］
図３０に示すように、トランジスタ２００Ｃは、基板（図示しない。）の上に配置された絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、導電体２６０の上に配置された絶縁体２７１と、少なくとも酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に接し、かつ酸化物２３０ｂの上面の一部と接して配置された絶縁体２７２と、絶縁体２７２を介して導電体２６０の側面に配置された絶縁体２７３と、を有する。
【０５３０】  また、トランジスタ２００Ｃは、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体を用いることが好ましい。
【０５３１】  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２００Ｃは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ２００Ｃに用いることができる。
【０５３２】  ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素が添加されることで、金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が当該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、酸化物半導体の当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。
【０５３３】  また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜から金属元素が酸化物半導体へ拡散し、酸化物半導体に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物半導体と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物半導体と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０５３４】  また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。したがって、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域、または金属化合物が形成された領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する傾向がある。
【０５３５】  また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。
【０５３６】  したがって、酸化物半導体に選択的に金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物２３０を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物２３０に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。
【０５３７】  ここで、図３０（Ｂ）において破線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物２３０ｂを含む領域２３９の拡大図を図３１に示す。
【０５３８】  図３１に示すように、酸化物２３０は、トランジスタ２００Ｃ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、領域２３４と領域２３１との間に設けられる、領域２３２（領域２３２ａ、および領域２３２ｂ）と、を有する。
【０５３９】  例えば、領域２３１は、酸化物２３０の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。酸化物２３０に、金属元素が添加されることで、領域２３１を低抵抗化することができる。なお、領域２３１は、酸化物２３０中の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した領域を有してもよい。
【０５４０】  領域２３２は、絶縁体２７２と重畳する領域を有する。領域２３２は、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域２３４よりも高いことが好ましい。領域２３２を形成するためには、例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設ければよい。これにより、当該膜中の金属元素が酸化物半導体に添加され、酸化物半導体中に金属化合物を形成する場合がある。当該金属化合物は、酸化物２３０に含まれる水素を引き寄せる場合がある。これにより、領域２３１の近傍である領域２３２の水素の濃度が高くなる場合がある。
【０５４１】  なお、領域２３２ａ、および領域２３２ｂのいずれか一方または双方は、導電体２６０と重畳する領域を有する構成としてもよい。当該構成とすることで、導電体２６０と、領域２３２ａおよび領域２３２ｂとを、オーバーラップさせることが可能となる。
【０５４２】  また、図３０および図３１では、領域２３４、領域２３１、および領域２３２が、酸化物２３０ｂに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｃに形成されていてもよい。また、図３０および図３１では、各領域の境界を、酸化物２３０の上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２３２が、酸化物２３０ｂの表面近傍では導電体２６０側に張り出し、酸化物２３０ｂの下面近傍では、導電体２４０ａ側または導電体２４０ｂ側に後退する形状になる場合がある。
【０５４３】  また、酸化物２３０において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域間の段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化（グラデーションともいう。）していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
【０５４４】  酸化物２３０を選択的に低抵抗化するには、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。
【０５４５】  したがって、領域２３１は、上述の導電性を高める金属元素、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
【０５４６】  領域２３１を低抵抗化するために、例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜などを成膜するとよい。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、少なくとも、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および絶縁体２７３を介して、酸化物２３０ｂ上に設けることが好ましい。
【０５４７】  酸化物２３０の領域２３１に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けることで、酸化物２３０の領域２３１へ、当該膜から金属元素が拡散し、領域２３１に金属化合物が形成され、低抵抗化する。また、領域２３１と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物２３０中の酸素の一部が当該膜に吸収され、領域２３１に酸素欠損を形成し、低抵抗化する場合がある。なお、図３１において、酸化物２３０の低抵抗化した領域を、一例として斜線で表す。なお、本明細書等において、斜線で表す範囲については、図３１の範囲に限定されない。例えば、酸化物２３０と導電体２４０との界面近傍の領域、または領域２３１における、酸化物２３０の上面から酸化物２３０の下面までの領域に、上記低抵抗化した領域（または範囲）が形成される場合がある。なお、他の図面においても同様である。
【０５４８】  また、領域２３１と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、金属膜から、酸化物２３０の領域２３１へ、金属元素が拡散し、領域２３１に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物２３０の領域２３１と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の領域２３１と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０５４９】  また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。したがって、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【０５５０】  一方、酸化物２３０の導電体２６０、および絶縁体２７２と重畳する領域（領域２３４、および領域２３２）は、導電体２６０、および絶縁体２７２により、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物２３０の領域２３４、および領域２３２において、酸化物２３０中の酸素原子が、上述した金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜へ吸収されることが抑制される。
【０５５１】  また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜に、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は、増加する。したがって、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、低抵抗化される。
【０５５２】  ここで、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、当該膜へと吸収される。したがって、酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、後の工程で、酸化物２３０から吸収した水素とともに除去してもよい。
【０５５３】  なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。
【０５５４】  また、例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
【０５５５】  したがって、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で設けることが好ましい。例えば、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下のアルミニウムを、加熱処理により酸化させると０．７ｎｍ以上８ｎｍ以下の酸化アルミニウムとなる場合がある。
【０５５６】  ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、チャネルが形成される領域２３４中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
【０５５７】  そこで、図３０および図３１に示すように、酸化物２３０の領域２３１の上に、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素（過剰酸素ともいう。）を含む絶縁体２７３を設けることが好ましい。つまり、絶縁体２７３が有する過剰酸素が、絶縁体２７２、絶縁体２８０、および、酸化物２３０の領域２３１および領域２３２を通じて、酸化物２３０の領域２３４へと拡散することで、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減することができる。
【０５５８】  なお、絶縁体２７３の下に配置された絶縁体２７２は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることが好ましい。酸化窒化シリコンなどの材料は、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。したがって、例えば、絶縁体２７３から供給された酸素により、絶縁体２７２中に過剰酸素領域が形成される場合がある。当該過剰酸素領域を有する絶縁体２７２を、図３０および図３１に示すように、酸化物２３０の領域２３４の周辺に設けることで、酸化物２３０の領域２３４へ、絶縁体２７２の過剰酸素を効果的に供給することができる。
【０５５９】  また、酸素供給源となる絶縁体２７３は、スパッタリング法によって成膜した酸化物を用いることが好ましい。スパッタリング法を用いて成膜した酸化物は、酸素を多く含み、かつ、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を形成することができる。酸化物としては、特に、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。
【０５６０】  酸化物の成膜にスパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくい。そのため、絶縁体２７３となる絶縁体の成膜時に、絶縁体２７２および酸化物２３０への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。
【０５６１】  スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位Ｅ０が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位Ｅ１が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位Ｅ２となる領域が存在する。各電位の大小関係は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ０である。
【０５６２】  プラズマ内のイオンが、電位差Ｅ２−Ｅ０によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁体２７２に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差Ｅ２−Ｅ１によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体２７２内部まで到達する。イオンが絶縁体２７２に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体２７２に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体２７２に過剰酸素領域が形成される。
【０５６３】  絶縁体２７２に過剰な酸素を導入することで、絶縁体２７２中に過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体２７２中の過剰な酸素は、絶縁体２７２と接する酸化物２３０へ供給される。当該酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと供給されることで、酸化物２３０の酸素欠損を補償することができる。
【０５６４】  上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物２３０の選択的な低抵抗化を行うことができる。
【０５６５】  つまり、酸化物２３０に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体２６０、絶縁体２７２、または絶縁体２７３をマスクとすることで、自己整合的に酸化物２３０は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ２００Ｃを同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性ばらつきを小さくすることができる。また、トランジスタ２００Ｃのチャネル長は、導電体２６０の幅、および絶縁体２７２の成膜膜厚により決定され、導電体２６０の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ２００Ｃの微細化が可能となる。
【０５６６】  以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０５６７】  また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。
【０５６８】  以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
【０５６９】  以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｃを有する半導体装置の構成のうち、実施の形態１で示したトランジスタ２００Ａを有する半導体装置と異なる点について説明する。
【０５７０】  導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６の開口の内壁に接して第１の導電体２０５ａが形成され、さらに内側に第２の導電体２０５ｂが形成されている。ここで、第１の導電体２０５ａおよび第２の導電体２０５ｂの上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００Ｃでは、第１の導電体２０５ａおよび第２の導電体２０５ｂ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。
【０５７１】  ここで、導電体２０５または導電体２０３の第１の導電体（導電体２０５ａまたは導電体２０３ａ）は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一またはすべての拡散を抑制する機能とする。
【０５７２】  導電体２０５または導電体２０３の第１の導電体（導電体２０５ａまたは導電体２０３ａ）が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５または導電体２０３の第２の導電体（導電体２０５ｂまたは導電体２０３ｂ）が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体２０５または導電体２０３の第１の導電体（導電体２０５ａまたは導電体２０３ａ）としては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体２０３、および導電体２０５を通じて、基板側（絶縁体２１０よりも下方）からトランジスタ２００Ｃ側に拡散するのを抑制することができる。
【０５７３】  また、導電体２０５の第２の導電体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２０５の第２の導電体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、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
【０５７４】  また、導電体２０３の第２の導電体２０３ｂは、配線として機能するため、導電体２０５の第２の導電体２０５ｂより導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、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２０３の第２の導電体２０３ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
【０５７５】  特に、導電体２０３に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物２３０に拡散することで、トランジスタ２００Ｃの電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体２１４には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。
【０５７６】  なお、導電体２０５、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体２０３の一部が第２のゲート電極として機能することができる。
【０５７７】  絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
【０５７８】  ここで、酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰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２００Ｃの信頼性を向上させることができる。
【０５７９】  また、酸化物２３０は、領域２３１、領域２３２、および領域２３４を有する。なお、領域２３２は、少なくとも、絶縁体２７２と重畳する領域を有する。
【０５８０】  絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、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。例えば、ＴＤＳ分析にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が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、または３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下の範囲が好ましい。
【０５８１】  具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
【０５８２】  加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｃを通じて、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
【０５８３】  また、絶縁体２５０が有する過剰酸素を、効率的に酸化物２３０へ供給するために、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からの酸素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への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
【０５８４】  なお、当該金属酸化物は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体２５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、当該金属酸化物は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該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、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。
【０５８５】  また、当該金属酸化物は、第１のゲートの一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物２３０として用いることができる酸化物半導体を、当該金属酸化物として用いることができる。その場合、導電体２６０をスパッタリング法で成膜することで、当該金属酸化物の電気抵抗値を低下させて導電体（ＯＣ電極）とすることができる。
【０５８６】  当該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２００Ｃのオン電流の向上を図ることができる。また、絶縁体２５０と、当該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、および当該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。
【０５８７】  具体的には、当該金属酸化物として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、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、当該金属酸化物として用いることができる。
【０５８８】  特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱履歴において、結晶化しにくいため好ましい。
【０５８９】  第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、導電体２６０ａ、および導電体２６０ａ上の導電体２６０ｂを有する。導電体２６０ａは、導電体２０５の第１の導電体と同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
【０５９０】  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が有する過剰酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
【０５９１】  また、導電体２６０ｂの上に、バリア膜として機能する絶縁体を配置してもよい。当該絶縁体は、水また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性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、当該絶縁体よりも上方からの酸素で導電体２６０が酸化するのを抑制することができる。また、当該絶縁体よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、酸化物２３０に混入することを抑制することができる。
【０５９２】  また、当該絶縁体上に、ハードマスクとして機能する絶縁体２７１を配置することが好ましい。絶縁体２７１を設けることで、導電体２６０の加工の際、導電体２６０の側面が略垂直、具体的には、導電体２６０の側面と基板表面のなす角を、７５°以上１００°以下、好ましくは８０°以上９５°以下とすることができる。導電体２６０をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体２７２を所望の形状に形成することができる。
【０５９３】  なお、絶縁体２７１に、水また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性材料を用いることで、バリア膜としての機能を兼ねさせてもよい。その場合、導電体２６０ｂ上に、上述したバリア膜としての機能を有する絶縁体を別途設けなくともよい。
【０５９４】  バリア膜、およびバッファ層として機能する絶縁体２７２は、図３０（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００Ｃのチャネル長方向において、酸化物２３０ｂの上面の一部（領域２３２と重なる部分）と、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、および導電体２６０の側面に接して設ける。かつ、図３０（Ｃ）に示すように、トランジスタ２００Ｃのチャネル幅方向において、絶縁体２２２の上面の一部に接して設ける。
【０５９５】  例えば、絶縁体２７２として、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。
【０５９６】  絶縁体２７２として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
【０５９７】  または、絶縁体２７２は、水また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性材料を用いてもよい。例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２５０中の酸素が外部に拡散することを抑制することができる。また、絶縁体２５０の端部などから酸化物２３０に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。したがって、酸化物２３０と、絶縁体２５０との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ２００Ｃの信頼性を向上させることができる。
【０５９８】  また、絶縁体２７２を設けることで、水また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、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面を覆うことができる。これにより、トランジスタ２００Ｃの上方から水または水素などの不純物が、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０を介して、酸化物２３０の領域２３４に混入することを抑制することができる。したがって、絶縁体２７２は、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとしての機能を有する。
【０５９９】  または、絶縁体２７２は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２７２は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体２７２は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、またはアクリルなどがある。
【０６００】  なお、絶縁体２７２として、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁体２７２の膜厚は、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【０６０１】  また、酸化物２３０ｂの上面の一部（領域２３２と重なる部分）、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、および導電体２６０の側面に、絶縁体２７２を介して、絶縁体２７３を設ける。当該構成とすることで、酸化物２３０への酸素供給源となる絶縁体２７３が、導電体２６０と直接接しない。このため、絶縁体２７３からの酸素によって、ゲート電極として機能する導電体２６０が酸化するのを抑制することができる。
【０６０２】  絶縁体２７３は、酸化物２３０の領域２３２と重畳する領域を有するように、絶縁体２７２上に設けられる。絶縁体２７３をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２７２に過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物２３０中に酸素を供給することができる。
【０６０３】  例えば、絶縁体２７３として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
【０６０４】  特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。例えば、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムを絶縁体２７３に用いることで、絶縁体２７３は、絶縁体２７２に酸素供給を行うとともに、絶縁体２７３の上方からの水素などの不純物が、絶縁体２７２側に混入するのを抑制することができる。
【０６０５】  また、絶縁体２７３の上に、層間膜として機能する絶縁体２８０を設けることが好ましい。絶縁体２８０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。
【０６０６】  また、絶縁体２８０の上に、絶縁体２７３と同じ材料からなる絶縁体２８２を設けることが好ましい。当該構成とすることで、絶縁体２８２の上方からの水素などの不純物が、トランジスタ２００Ｃ側に混入するのを抑制することができる。また、絶縁体２８０中に含まれる水素を、絶縁体２８２へ引き抜くことができる場合がある。なお、絶縁体２８２の上に、絶縁体２１０と同様の絶縁体を設けてもよい。
【０６０７】  また、絶縁体２８２および絶縁体２８０に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８２の上面と、同一平面上としてもよい。
【０６０８】  なお、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口の内壁に接して、導電体２４０ａの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口の内壁に接して、導電体２４０ｂの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
【０６０９】  ここで、例えば、絶縁体２８２および絶縁体２８０に開口を形成する際に、酸化物２３０において、領域２３１の低抵抗化した領域を除去してもよい。その場合、導電体２４０の第１の導電体に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物２３０と導電体２４０の第１の導電体とが接することで、金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０の領域２３１が、低抵抗化する。したがって、導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０を低抵抗化することで、酸化物２３０と導電体２４０とのコンタクト抵抗を低減することができる。導電体２４０の第１の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。
【０６１０】  また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８０および絶縁体２８２と接する導電体には、導電体２０５の第１の導電体２０５ａなどと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８２より上層から水素、水などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
【０６１１】  また、図示しないが、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、導電体２０３などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
【０６１２】＜半導体装置の作製方法＞
次に、本発明に係るトランジスタ２００Ｃを有する半導体装置について、作製方法を図３２乃至図４１を用いて説明する。また、図３２乃至図４１において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に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２００Ｃ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２００Ｃ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り、トランジスタ２００Ｃのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０６１３】  まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１０、絶縁体２１２、導電体２０３、絶縁体２１４、絶縁体２１６、導電体２０５、絶縁体２２０、および絶縁体２２２を順に形成する（図３２参照。）。なお、絶縁体２１０、絶縁体２１２、導電体２０３、絶縁体２１４、絶縁体２１６、導電体２０５、絶縁体２２０、および絶縁体２２２の材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態１の絶縁体２１０、絶縁体２１２、導電体２０３、絶縁体２１４、絶縁体２１６、導電体２０５、絶縁体２２０、および絶縁体２２２を参酌することができる。
【０６１４】  次に、絶縁体２２２上に絶縁膜２２４Ａを成膜する。絶縁膜２２４Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図３２参照。）。本実施の形態では、絶縁膜２２４Ａとして、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０６１５】  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。
【０６１６】  本実施の形態では、加熱処理として、絶縁膜２２４Ａの成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁膜２２４Ａに含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。
【０６１７】  また、加熱処理は、絶縁体２２０成膜後、および絶縁体２２２の成膜後のそれぞれのタイミングで行うこともできる。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が、絶縁体２２０成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。
【０６１８】  ここで、絶縁膜２２４Ａ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（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを効率良く絶縁膜２２４Ａ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、絶縁膜２２４Ａに含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
【０６１９】  次に、絶縁膜２２４Ａ上に、酸化物２３０ａとなる酸化膜２３０Ａと、酸化物２３０ｂとなる酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図３２参照。）。なお、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂの材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態１の酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂを参酌することができる。
【０６２０】  次に、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを島状に加工して、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成する（図３３参照。）。
【０６２１】  ここで、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ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。絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ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２００Ｃを設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。なお、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角は大きいほど好ましい。
【０６２２】  また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と、酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、酸化物２３０ｂ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。
【０６２３】  なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエ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。
【０６２４】  なお、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、酸化膜２３０Ｂ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。絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂのエッチングは、レジストマスクを除去してから行ってもよいし、レジストマスクを残したまま行ってもよい。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。上記酸化膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去してもよい。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。
【０６２５】  また、上記ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
【０６２６】  上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
【０６２７】  ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。
【０６２８】  続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。
【０６２９】  次に、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの上に、酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜を成膜する。
【０６３０】  酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化物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となる酸化膜を成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜として、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
【０６３１】  次に、酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜をエッチングし、酸化膜２３０Ｃを形成する（図３４参照。）。
【０６３２】  続いて、酸化膜２３０Ｃ上に、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および絶縁膜２７１Ａを順に成膜する（図３４参照。）。なお、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および絶縁膜２７１Ａの材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態１の絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および絶縁膜２７１Ａを参酌することができる。
【０６３３】  なお、導電膜２６０Ａの成膜前に、別途、金属酸化膜を成膜してもよい。当該金属酸化膜として、例えば、スパッタリング法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。当該金属酸化膜の形成方法としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。酸素ガスを含む雰囲気で当該金属酸化膜を形成することで、絶縁膜２５０Ａ中に、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁膜２５０Ａに添加された過剰酸素は、酸化物２３０に酸素を供給することで、酸化物２３０中の酸素欠損を補償することができる。
【０６３４】  ここで、当該金属酸化膜を成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、当該金属酸化膜を成膜しながら、絶縁膜２５０Ａ、および絶縁膜２２４Ａに酸素を導入することができる。また、当該金属酸化膜に、バリア性を有す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用いることで、絶縁膜２５０Ａに導入した過剰酸素を、効果的に封じ込めることができる。
【０６３５】  例えば、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成するとよい。例えば、絶縁膜２５０Ａ上に、上述した金属酸化膜として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に代表される酸化物半導体を成膜した場合、当該金属酸化膜は、窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。つまり、当該金属酸化膜は、酸化物導電体（ＯＣ）として機能する。そこで、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成することで、金属窒化物中の構成元素（特に窒素）が当該金属酸化膜に拡散し、当該金属酸化膜が低抵抗化する。また、導電膜２６０Ａの成膜時のダメージ（例えば、スパッタリングダメージなど）により、当該金属酸化膜が低抵抗化する。したがって、当該金属酸化膜のキャリア密度が高くなり、当該金属酸化膜の導電性が高くなる。
【０６３６】  続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、上述の金属酸化膜から、絶縁膜２５０Ａに過剰酸素が添加され、絶縁膜２５０Ａに過剰酸素領域を容易に形成することができる。
【０６３７】  絶縁膜２７１Ａの膜厚は、後の工程で成膜する絶縁膜２７２Ａの膜厚より厚くすることが好ましい。これにより、後の工程で絶縁体２７２を形成する際、導電体２６０の上に絶縁体２７１を、容易に残存させることができる。
【０６３８】  なお、絶縁膜２７１Ａの成膜前に、バリア膜としての機能を有する絶縁膜を、別途成膜してもよい。当該絶縁膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。当該絶縁膜は、バリア膜として機能するため、水また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性材料を用いる。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、導電体２６０の酸化を抑制することができる。また、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、水または水素などの不純物が酸化物２３０に混入することを抑制することができる。
【０６３９】  次に、絶縁膜２７１Ａを、エッチングし、絶縁体２７１を形成する。ここで、絶縁体２７１は、ハードマスクとして機能する。絶縁体２７１を設けることで、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、導電体２６０ａの側面、および導電体２６０ｂの側面を、基板の上面に対し、略垂直に形成することができる。
【０６４０】  次に、絶縁体２７１をマスクとして、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂをエッチングし、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３５参照。）。
【０６４１】  なお、当該エッチングにより、絶縁体２２２と、絶縁体２５０とが重ならない領域において、絶縁体２２２の一部が除去されていてもよい。この場合、絶縁体２２２の絶縁体２５０と重なる領域の膜厚が、絶縁体２５０と重ならない領域の膜厚より厚くなる場合がある。
【０６４２】  また、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７１は、少なくとも一部が、導電体２０５および酸化物２３０と重なるように形成する。
【０６４３】  また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、および導電体２６０の側面は、同一面内であることが好ましい。
【０６４４】  また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、および導電体２６０の側面が共有する同一面は、基板の上面に対し、略垂直であることが好ましい。つまり、断面形状において、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角が、鋭角、かつ大きいほど好ましい。なお、断面形状において、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角は大きいほど好ましい。
【０６４５】  なお、上記加工後も、当該ハードマスク（絶縁体２７１）は除去せずに後工程を進めてもよい。
【０６４６】  次に、酸化物２３０、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７１を覆って、絶縁膜２７２Ａを成膜する（図３６参照。）。絶縁膜２７２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。
【０６４７】  絶縁膜２７２Ａは、被覆性に優れたＡＬＤ法により成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、導電体２６０などにより形成された段差部においても、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に対して、均一な厚さを有する絶縁膜２７２Ａを形成することができる。また、ＡＬＤ法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。
【０６４８】  絶縁膜２７２Ａとして、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
【０６４９】  一方、絶縁膜２７２Ａとして、バリア性を有する酸化アルミニウムなどを設けてもよい。例えば、導電体２６０が酸化しやすい金属膜である場合、バリア性を有する絶縁体を用いることで、導電体２６０が絶縁膜２７２Ａの上方からの酸素で酸化するのを抑制することができる。これにより、導電体２６０の抵抗値が上がることを抑制することができる。
【０６５０】  絶縁膜２７２Ａとして、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁膜２７２Ａの膜厚は、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることが好ましい。当該構成とすることで、後の工程で、導電体２６０の酸化を抑制しながら、絶縁体２７３が有する過剰酸素を絶縁体２５０へ供給することが可能となる。
【０６５１】  次に、絶縁膜２７２Ａ上に絶縁膜２７３Ａを設ける（図３６参照。）。絶縁膜２７３Ａは、スパッタリング法によって成膜した酸化アルミニウムを用いることが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、酸素を多く含み、かつ、水または水素などの不純物の少ない酸化アルミニウムを成膜することができる。
【０６５２】  また、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁膜２７３Ａを成膜しながら、絶縁膜２７２Ａに酸素を導入することもできる。これにより、絶縁膜２７３Ａを酸素供給源として、絶縁膜２７２Ａに絶縁膜２７３Ａ中の酸素が供給され、絶縁膜２７２Ａ中に過剰酸素領域を形成することができる。当該過剰酸素領域の酸素は、後の熱処理などで酸化物２３０へ供給され、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を補償することができる。
【０６５３】  次に、絶縁膜２７２Ａおよび絶縁膜２７３Ａに異方性のエッチング処理を行い、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に、絶縁体２７２および絶縁体２７３を形成する（図３７参照。）。
【０６５４】  上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体２７２および絶縁体２７３を自己整合的に形成することができる。なお、当該処理において、絶縁体２２２をエッチングストッパ膜として用いることができる。
【０６５５】  続いて、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および絶縁体２７３を介して、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ上に膜２４２Ａを成膜する（図３８参照。）。なお、膜２４２Ａは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚にするとよい。膜２４２Ａは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜２４２Ａは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜２４２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０６５６】  続いて、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、加熱処理として、膜２４２Ａの成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
【０６５７】  窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜２４２Ａから、上述した金属元素が酸化物２３０へ拡散し、酸化物２３０に金属元素を添加することができる。また、酸化物２３０の膜２４２Ａとの界面近傍における酸素が膜２４２Ａに吸収される場合がある。その結果、酸化物２３０の膜２４２Ａとの界面近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その際、酸化物２３０の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０６５８】  また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。したがって、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【０６５９】  また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。
【０６６０】  また、膜２４２Ａに導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。膜２４２Ａを、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
【０６６１】  上記膜２４２Ａの成膜工程、または加熱処理において、膜２４２Ａに、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は、増加する。したがって、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、ｎ型となり、低抵抗化される。
【０６６２】  続いて、膜２４２Ａを除去する（図３９参照。）。図において、上述した処理によって、酸化物２３０の低抵抗化した領域をハッチングで示している。なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。本工程では、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。膜２４２Ａを除去することで、膜２４２Ａに吸収された酸化物２３０中の水素を同時に除去することができる。したがって、トランジスタ２００Ｃ中の不純物である水素を低減することができる。
【０６６３】  続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。加熱処理を行うことで、酸化物２３０の領域２３１に形成された酸素欠損に捕獲された水素が、絶縁体２７２または絶縁体２８０を通じて絶縁体２７３へ吸収され、酸化物２３０中の水素を低減することができる。
【０６６４】  次に、絶縁体２７３の上に、絶縁体２８０を成膜する。なお、絶縁体２８０の材料、形成方法等は、実施の形態１の絶縁体２８０を参酌することができる。
【０６６５】  次に、絶縁体２８０上に絶縁体２８２を成膜する（図４０参照。）。絶縁体２８２は、絶縁体２７３と同じ材料からなる絶縁体２８２を設けることが好ましい。当該構成とすることで、絶縁体２８２の上方からの水素や水などの不純物が、トランジスタ２００Ｃ側に混入するのを抑制することができる。また、絶縁体２８０中に含まれる水素を、絶縁体２８２へ引き抜くことができる場合がある。
【０６６６】  次に、絶縁体２８２および絶縁体２８０に、酸化物２３０に達する開口を形成する（図４１参照。）。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂが酸化物２３０の側面に接して設けられるように、酸化物２３０に達する開口において、酸化物２３０の側面が露出するように、当該開口を形成する。
【０６６７】  次に、導電体２４０の第１の導電体、および導電体２４０の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０６６８】  ここで、例えば、絶縁体２８２および絶縁体２８０に開口を形成する際に、酸化物２３０における領域２３１の低抵抗化した領域を除去してもよい。また、導電体２４０の第１の導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いてもよい。これにより、酸化物２３０と導電体２４０の第１の導電体とが接する領域を有するため、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と導電体２４０の接触領域を低抵抗化することができる。導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０を低抵抗化することで、酸化物２３０と導電体２４０との十分なオーミック接触を確保することができる。したがって、導電体２４０の第１の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。
【０６６９】  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２８２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３０参照。）。
【０６７０】  以上により、トランジスタ２００Ｃを有する半導体装置を作製することができる。図３２乃至図４１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２００Ｃを作成することができる。
【０６７１】  本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
【０６７２】＜半導体装置の変形例＞
以下では、図４２を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｃを有する半導体装置の一例について説明する。
【０６７３】  図４２（Ａ）は、トランジスタ２００Ｃを有する半導体装置の上面図である。また、図４２（Ｂ）、図４２（Ｃ）、および図４２（Ｄ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図４２（Ｂ）は、図４２（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｃのチャネル長方向の断面図でもある。また、図４２（Ｃ）は、図４２（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｃのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図４２（Ｄ）は、図４２（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｃのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図４２（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０６７４】  なお、図４２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（図３０参照。）を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
【０６７５】  以下、トランジスタ２００Ｃの構成について、図４２を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ２００Ｃの構成材料については、先の実施の形態、および＜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。
【０６７６】  図４２に示す半導体装置では、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と、基板面と平行な面が、テーパー角度を有する。具体的には、図４２（Ｂ）に示すように、テーパー角度は、４５°以上８０°以下、好ましくは、５０°以上７０°以下とすればよい。絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂがテーパー構造を有することで、絶縁膜２７２Ａおよび絶縁膜２７３Ａに対して、異方性のエッチング処理を行った際（図３６および図３７参照。）に、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面を完全に露出することができる。
【０６７７】  したがって、上述のテーパー構造を有さない構造の半導体装置（図３０参照。）と比べて、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面においても、確実に膜２４２Ａと接する（図３８参照。）ことになる。これにより酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面においても、確実に金属化合物が形成され、低抵抗化することができる。つまり、酸化物２３０の側面にも、確実に領域２３１を形成することができる。また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂがテーパー構造を有することで、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂよりも上層に形成される構造体の被膜性を高めることができる。
【０６７８】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０６７９】（実施の形態４）
以下では、実施の形態３で示したトランジスタを有する半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｄを有する半導体装置の一例について説明する。
【０６８０】  なお、本実施の形態に示す半導体装置において、先の実施の形態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。そこで、主に、先の実施の形態に示した半導体装置と異なる点について説明を行い、繰り返しとなる説明を省略する。さらに、同符号を付記している構造の材料、作製方法などについて特段の説明がない場合、当該構造の材料、作製方法などは、先の実施の形態で説明した内容を参酌することができる。
【０６８１】＜半導体装置の構成例＞
図４３（Ａ）乃至図４３（Ｄ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｄ、およびトランジスタ２００Ｄ周辺の上面図および断面図である。
【０６８２】  図４３（Ａ）は、トランジスタ２００Ｄを有する半導体装置の上面図である。また、図４３（Ｂ）、図４３（Ｃ）、および図４３（Ｄ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図４３（Ｂ）は、図４３（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｄのチャネル長方向の断面図でもある。また、図４３（Ｃ）は、図４３（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｄのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図４３（Ｄ）は、図４３（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｄのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０６８３】  本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００Ｄと、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、および絶縁体２８２と、を有する。また、トランジスタ２００Ｄと電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３と、プラグとして機能する導電体２４０と、を有する。
【０６８４】  また、導電体２４０は、絶縁体２７５、絶縁体２７３、絶縁体２８０、および絶縁体２８２の開口の内壁に接して導電体２４０の第１の導電体が形成され、さらに内側に導電体２４０の第２の導電体が形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８２の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００Ｄ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。
【０６８５】［トランジスタ２００Ｄ］
図４３に示すトランジスタ２００Ｄは、絶縁体２７２を介して導電体２６０の側面に配置された絶縁体２７７と、絶縁体２７７の側面、および酸化物２３０上に配置された絶縁体２７５と、絶縁体２７５上に配置された絶縁体２７３と、を有している点が、実施の形態３で示したトランジスタ２００Ｃと異なる。
【０６８６】  また、トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体を用いることが好ましい。
【０６８７】  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２００Ｄは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ２００Ｄに用いることができる。
【０６８８】  ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素が添加されることで、金属化合物を形成し、低抵抗化する。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が当該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、酸化物半導体の当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。
【０６８９】  また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜から金属元素が酸化物半導体へ拡散し、酸化物半導体に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物半導体と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物半導体と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０６９０】  また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。したがって、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域、または金属化合物が形成された領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する傾向がある。
【０６９１】  また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。
【０６９２】  したがって、酸化物半導体に選択的に金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物２３０を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物２３０に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。
【０６９３】  ここで、図４３（Ｂ）において破線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物２３０ｂを含む領域２３９の拡大図を図４４に示す。
【０６９４】  図４４に示すように、酸化物２３０は、トランジスタ２００Ｄ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、領域２３４と領域２３１との間に設けられる、領域２３２（領域２３２ａ、および領域２３２ｂ）と、を有する。
【０６９５】  領域２３１を低抵抗化するために、例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜などを成膜するとよい。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、少なくとも、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および絶縁体２７７を介して、酸化物２３０ｂ上に設けることが好ましい。
【０６９６】  酸化物２３０の領域２３１に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けることで、酸化物２３０の領域２３１へ、当該膜から金属元素が拡散し、領域２３１に金属化合物が形成され、低抵抗化する。また、領域２３１と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物２３０中の酸素の一部が当該膜に吸収され、領域２３１に酸素欠損を形成し、低抵抗化する場合がある。なお、図２において、酸化物２３０の低抵抗化した領域を、一例として斜線で表す。なお、本明細書等において、斜線で表す範囲については、図２の範囲に限定されない。例えば、酸化物２３０と導電体２４０との界面近傍の領域、または領域２３１における、酸化物２３０の上面から酸化物２３０の下面までの領域に、上記低抵抗化した領域（または範囲）が形成される場合がある。なお、他の図面においても同様である。
【０６９７】  また、領域２３１と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、金属膜から、酸化物２３０の領域２３１へ、金属元素が拡散し、領域２３１に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物２３０の領域２３１と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の領域２３１と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０６９８】  また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。したがって、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【０６９９】  一方、酸化物２３０の導電体２６０、および絶縁体２７２と重畳する領域（領域２３４、および領域２３２）は、導電体２６０、および絶縁体２７２により、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物２３０の領域２３４、および領域２３２において、酸化物２３０中の酸素原子が、上述した金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜へ吸収されることが抑制される。
【０７００】  また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜に、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は、増加する。したがって、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、低抵抗化される。
【０７０１】  ここで、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、当該膜へと吸収される。したがって、酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、後の工程で、酸化物２３０から吸収した水素とともに除去してもよい。
【０７０２】  なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。
【０７０３】  また、例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
【０７０４】  したがって、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で設けることが好ましい。例えば、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下のアルミニウムを、加熱処理により酸化させると０．７ｎｍ以上８ｎｍ以下の酸化アルミニウムとなる場合がある。
【０７０５】  ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物および酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、チャネルが形成される領域２３４中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
【０７０６】  そこで、図４３および図４４に示すように、酸化物２３０ｂに接して、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素（過剰酸素ともいう。）を含む絶縁体２７５を設けることが好ましい。つまり、絶縁体２７５が有する過剰酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと拡散することで、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減することができる。
【０７０７】  なお、絶縁体２７５は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることが好ましい。酸化窒化シリコンなどの材料は、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化窒化シリコンなどの材料と比較して、酸化物２３０は、過剰酸素領域が形成されにくい傾向がある。したがって、過剰酸素領域を有する絶縁体２７５を、酸化物２３０の領域２３４の周辺に設けることで、酸化物２３０の領域２３４へ、絶縁体２７５の過剰酸素を効果的に供給することができる。
【０７０８】  また、絶縁体２７５に過剰酸素領域を設けるには、絶縁体２７５上に接する絶縁体２７３として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、酸素を多く含み、かつ、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。スパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくい。そのため、絶縁体２７３となる絶縁体の成膜時に、絶縁体２７５および酸化物２３０への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。
【０７０９】  スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位Ｅ０が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位Ｅ１が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位Ｅ２となる領域が存在する。各電位の大小関係は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ０である。
【０７１０】  プラズマ内のイオンが、電位差Ｅ２−Ｅ０によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁体２７５に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差Ｅ２−Ｅ１によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体２７５内部まで到達する。イオンが絶縁体２７５に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体２７５に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体２７５に過剰酸素領域が形成される。
【０７１１】  絶縁体２７５に過剰な酸素を導入することで、絶縁体２７５中に過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体２７５中の過剰な酸素は、絶縁体２７５と接する酸化物２３０へ供給される。当該酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと供給されることで、酸化物２３０の酸素欠損を補償することができる。
【０７１２】  また、絶縁体２７３は、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。特に、スパッタリング法により成膜した酸化アルミニウムを用いることが好ましい。スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムを用いることで、酸素を多く含む絶縁体２７３を形成することができる。これにより、絶縁体２７３が酸素供給源となって、上述したように、絶縁体２７５、および酸化物２３０の領域２３４へと酸素を供給することができる。
【０７１３】  また、図４３および図４４に示すように、絶縁体２７５と導電体２６０とは、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および絶縁体２７７により、物理的に隔離されている。トランジスタ２００Ｄがこのような構成を有することで、絶縁体２７５からの酸素によって、ゲート電極として機能する導電体２６０が酸化するのを抑制することができる。
【０７１４】  上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物２３０の選択的な低抵抗化を行うことができる。
【０７１５】  つまり、酸化物２３０に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体２６０、絶縁体２７２、または絶縁体２７７をマスクとすることで、自己整合的に酸化物２３０は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ２００Ｄを同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性ばらつきを小さくすることができる。また、トランジスタ２００Ｄのチャネル長は、導電体２６０の幅、および絶縁体２７２の成膜膜厚により決定され、導電体２６０の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ２００Ｄの微細化が可能となる。
【０７１６】  以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０７１７】  また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。
【０７１８】  以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有するとともに、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
【０７１９】  以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｄを有する半導体装置の構成のうち、実施の形態１で示したトランジスタ２００Ａを有する半導体装置および実施の形態３で示したトランジスタ２００Ｃを有する半導体装置と異なる点について説明する。
【０７２０】  また、酸化物２３０は、領域２３１、領域２３２、および領域２３４を有する。なお、領域２３１の少なくとも一部は、絶縁体２７５と接する領域を有する。また、領域２３２は、少なくとも、絶縁体２７２と重畳する領域を有する。
【０７２１】  また、酸化物２３０ｂの上面の一部（領域２３２と重なる部分）、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、および導電体２６０の側面に、絶縁体２７２を介して、絶縁体２７７を設ける。当該構成とすることで、過剰酸素領域を有する絶縁体２７５と導電体２６０とを、絶縁体２７２および絶縁体２７７により、確実に隔離することができる。このため、絶縁体２７５からの酸素によって、ゲート電極として機能する導電体２６０が酸化するのを抑制することができる。
【０７２２】  絶縁体２７７は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２７７は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体２７７は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、またはアクリルなどがある。
【０７２３】  絶縁体２７５は、少なくとも、酸化物２３０の領域２３１と接する領域を有するように設けられる。絶縁体２７５は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体２７５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、空孔を有する酸化シリコンを用いれば、後の絶縁体２７３の成膜により、絶縁体２７５中に過剰酸素領域が形成されやすい。絶縁体２７５が過剰酸素領域を有することで、当該領域が有する酸素を、酸化物２３０に効率良く供給することが可能となる。
【０７２４】  絶縁体２７３は、絶縁体２７５上に設けられる。絶縁体２７３をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２７５に過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物２３０中に酸素を供給することができる。
【０７２５】  例えば、絶縁体２７３として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
【０７２６】  特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。例えば、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムを絶縁体２７３に用いることで、絶縁体２７３は、絶縁体２７５に酸素供給を行うとともに、絶縁体２７３の上方からの水素などの不純物が、絶縁体２７５側に混入するのを抑制することができる。
【０７２７】  また、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７３、および絶縁体２７５に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８２の上面と、同一平面上としてもよい。
【０７２８】  なお、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７３、および絶縁体２７５の開口の内壁に接して、導電体２４０ａの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７３、および絶縁体２７５の開口の内壁に接して、導電体２４０ｂの第１の導電体が形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
【０７２９】  ここで、例えば、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７３、および絶縁体２７５に開口を形成する際に、酸化物２３０において、領域２３１の低抵抗化した領域を除去してもよい。その場合、導電体２４０の第１の導電体に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物２３０と導電体２４０の第１の導電体とが接することで、金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０の領域２３１が、低抵抗化する。したがって、導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０を低抵抗化することで、酸化物２３０と導電体２４０とのコンタクト抵抗を低減することができる。導電体２４０の第１の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。
【０７３０】  また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２７５、絶縁体２７３、絶縁体２８０、および絶縁体２８２と接する導電体には、導電体２０５の第１の導電体２０５ａなどと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８２より上層から水素、水などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
【０７３１】＜半導体装置の作製方法＞
次に、本発明に係るトランジスタ２００Ｄを有する半導体装置について、作製方法を図４５乃至図５０を用いて説明する。また、図４５乃至図５０において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に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２００Ｄ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２００Ｄ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り、トランジスタ２００Ｄのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０７３２】  図４３に示す半導体装置の作製方法は、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）、および絶縁体２７１を形成するまでは、図３０に示す半導体装置の作製方法と同様である。よって、図３２乃至図３５に係る半導体装置の作製方法を参酌することができる。
【０７３３】  次に、酸化物２３０、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７１を覆って、絶縁膜２７２Ａを成膜する（図４５参照。）。なお、絶縁膜２７２Ａの材料、成膜方法等は、実施の形態３の絶縁膜２７２Ａを参酌することができる。
【０７３４】  絶縁膜２７２Ａとして、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁膜２７２Ａの膜厚は、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることが好ましい。当該構成とすることで、後の工程で、導電体２６０の酸化を抑制しながら、絶縁体２７７が有する過剰酸素を絶縁体２５０へ供給することが可能となる。
【０７３５】  次に、絶縁膜２７２Ａ上に絶縁膜２７７Ａを設ける（図４５参照。）。絶縁膜２７７Ａは、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁膜２７７Ａに用いると、後の工程で絶縁膜２７７中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。
【０７３６】  次に、絶縁膜２７２Ａおよび絶縁膜２７７Ａに異方性のエッチング処理を行い、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に、絶縁体２７２および絶縁体２７７を形成する（図４６参照。）。
【０７３７】  上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体２７２および絶縁体２７７を自己整合的に形成することができる。なお、当該処理において、絶縁体２２２をエッチングストッパ膜として用いることができる。
【０７３８】  続いて、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および絶縁体２７７を介して、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ上に膜２４２Ａを成膜する（図４７参照。）。なお、膜２４２Ａは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚にするとよい。膜２４２Ａは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜２４２Ａは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜２４２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０７３９】  続いて、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、加熱処理として、膜２４２Ａの成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
【０７４０】  窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜２４２Ａから、上述した金属元素が酸化物２３０へ拡散し、酸化物２３０に金属元素を添加することができる。また、酸化物２３０の膜２４２Ａとの界面近傍における酸素が膜２４２Ａに吸収される場合がある。その結果、酸化物２３０の膜２４２Ａとの界面近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その際、酸化物２３０の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０７４１】  また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。したがって、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【０７４２】  また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。
【０７４３】  また、膜２４２Ａに導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。膜２４２Ａを、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
【０７４４】  上記膜２４２Ａの成膜工程、または加熱処理において、膜２４２Ａに、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は、増加する。したがって、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、ｎ型となり、低抵抗化される。
【０７４５】  続いて、膜２４２Ａを除去する（図４８参照。）。図において、上述した処理によって、酸化物２３０の低抵抗化した領域をハッチングで示している。なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。本工程では、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。膜２４２Ａを除去することで、膜２４２Ａに吸収された酸化物２３０中の水素を同時に除去することができる。したがって、トランジスタ２００Ｄ中の不純物である水素を低減することができる。
【０７４６】  続いて、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７１、絶縁体２７２、および絶縁体２７７を介して、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ上に絶縁体２７５を成膜する（図４９参照。）。絶縁体２７５は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを絶縁体２７５に用いると、後の工程で絶縁体２７５中に過剰酸素領域を容易に形成できるため好ましい。また、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。
【０７４７】  次に、絶縁体２７５上に絶縁体２７３を成膜する（図４９参照。）。絶縁体２７３は、スパッタリング法を用いて酸化アルミニウムを成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いることにより、酸素を多く含み、かつ、水または水素などの不純物の少ない酸化アルミニウムを成膜することができる。
【０７４８】  また、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、絶縁体２７３を成膜しながら、絶縁体２７５に酸素を導入することもできる。これにより、絶縁体２７３を酸素供給源として、絶縁体２７５に絶縁体２７３中の酸素が供給され、絶縁体２７５中に過剰酸素領域を形成することができる。
【０７４９】  上述したように、絶縁体２７５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、空孔を有する酸化シリコンを用いると、絶縁体２７５に、過剰酸素領域が形成されやすい傾向がある。一方、上述の酸化シリコンと比較して、酸化物２３０は、スパッタリング法を用いた酸化膜を、酸化物２３０上に形成したとしても、過剰酸素領域が形成されにくい傾向がある。したがって、例えば、絶縁体２７５として、スパッタリング法を用いた上記酸化膜を成膜した場合、絶縁体２７７に選択的に過剰酸素領域を形成することができる。また、このとき、酸化物２３０には過剰酸素領域が形成されにくいため、上述の酸化物２３０における低抵抗化領域が高抵抗化するのを抑制することができる。
【０７５０】  上述のようにして過剰酸素領域が形成された絶縁体２７５は、当該過剰酸素領域から酸化物２３０の領域２３４へ、酸素を効果的に供給することができる。
【０７５１】  上記構成とすることで、酸化物２３０の各領域を自己整合的に形成することができる。よって、微細化または高集積化された半導体装置も、歩留まり良く製造することができる。
【０７５２】  したがって、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０７５３】  続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。加熱処理を行うことで、酸化物２３０の領域２３１に形成された酸素欠損に捕獲された水素が、絶縁体２７５を通じて絶縁体２７３へ吸収され、酸化物２３０中の水素を低減することができる。
【０７５４】  次に、絶縁体２７３の上に、絶縁体２８０および絶縁体２８２を順に形成する。なお、絶縁体２８０および絶縁体２８２の材料、形成方法等は、それぞれ実施の形態１の絶縁体２８０および実施の形態３の絶縁体２８２を参酌することができる。
【０７５５】  次に、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７３、および絶縁体２７５に、酸化物２３０に達する開口を形成する（図５０参照。）。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。なお、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂが酸化物２３０の側面に接して設けられるように、酸化物２３０に達する開口において、酸化物２３０の側面が露出するように、当該開口を形成する。
【０７５６】  次に、導電体２４０の第１の導電体、および導電体２４０の第２の導電体となる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０７５７】  ここで、例えば、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７３、および絶縁体２７５に開口を形成する際に、酸化物２３０における領域２３１の低抵抗化した領域を除去してもよい。また、導電体２４０の第１の導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いてもよい。これにより、酸化物２３０と導電体２４０の第１の導電体とが接する領域を有するため、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と導電体２４０の接触領域を低抵抗化することができる。導電体２４０の第１の導電体と接する酸化物２３０を低抵抗化することで、酸化物２３０と導電体２４０との十分なオーミック接触を確保することができる。したがって、導電体２４０の第１の導電体は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。
【０７５８】  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２８２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４３参照。）。
【０７５９】  以上により、トランジスタ２００Ｄを有する半導体装置を作製することができる。図４５乃至図５０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２００Ｄを作成することができる。
【０７６０】  本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
【０７６１】＜半導体装置の変形例＞
以下では、図５１を用いて、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｄを有する半導体装置の一例について説明する。
【０７６２】  図５１（Ａ）は、トランジスタ２００Ｄを有する半導体装置の上面図である。また、図５１（Ｂ）、図５１（Ｃ）、および図５１（Ｄ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図５１（Ｂ）は、図５１（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｄのチャネル長方向の断面図でもある。また、図５１（Ｃ）は、図５１（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｄのチャネル幅方向の断面図でもある。また、図５１（Ｄ）は、図５１（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｄのソース領域またはドレイン領域の断面図でもある。なお、図５１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０７６３】  なお、図５１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（図４３参照。）を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
【０７６４】  以下、トランジスタ２００Ｄの構成について、図５１を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ２００Ｄの構成材料については、先の実施の形態、および＜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。
【０７６５】  図５１に示す半導体装置では、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と、基板面と平行な面が、テーパー角度を有する。具体的には、図５１（Ｂ）に示すように、テーパー角度は、４５°以上８０°以下、好ましくは、５０°以上７０°以下とすればよい。絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂがテーパー構造を有することで、絶縁膜２７２Ａおよび絶縁膜２７７Ａに対して、異方性のエッチング処理を行った際（図４５および図４６参照。）に、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面を完全に露出することができる。
【０７６６】  したがって、上述のテーパー構造を有さない構造の半導体装置（図４３参照。）と比べて、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面においても、確実に膜２４２Ａと接する（図４７参照。）ことになる。これにより酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの側面においても、確実に金属化合物が形成され、低抵抗化することができる。つまり、酸化物２３０の側面にも、確実に領域２３１を形成することができる。また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂがテーパー構造を有することで、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂよりも上層に形成される構造体の被膜性を高めることができる。
【０７６７】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０７６８】（実施の形態５）
以下では、実施の形態３で示したトランジスタを有する半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｅを有する半導体装置の一例について説明する。
【０７６９】  なお、本実施の形態に示す半導体装置において、先の実施の形態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、同符号を付記する場合がある。そこで、主に、先の実施の形態に示した半導体装置と異なる点について説明を行い、繰り返しとなる説明を省略する。さらに、同符号を付記している構造の材料、作製方法などについて特段の説明がない場合、当該構造の材料、作製方法などは、先の実施の形態で説明した内容を参酌することができる。
【０７７０】＜半導体装置の構成例１＞
図５２は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｅ、およびトランジスタ２００Ｅ周辺の上面図および断面図である。
【０７７１】  図５２（Ａ）は、トランジスタ２００Ｅを有する半導体装置の上面図である。また、図５２（Ｂ）、および図５２（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図５２（Ｂ）は、図５２（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｅのチャネル長方向の断面図でもある。また、図５２（Ｃ）は、図５２（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｅのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図５２（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０７７２】  本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００Ｅと、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、および絶縁体２８２と、を有する。また、トランジスタ２００Ｅと電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３と、プラグとして機能する導電体２４０と、を有する。
【０７７３】  なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２の上面の高さは同程度にできる。なお導電体２０３は、単層と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２０３を２層以上の多層膜構造としてもよい。また、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。
【０７７４】  また、導電体２４０は、絶縁体２８０および絶縁体２８２の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８２の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００Ｅでは、導電体２４０が単層であ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は、２層以上の積層構造でもよい。開口および導電体２４０についての詳細については後述する。
【０７７５】［トランジスタ２００Ｅ］
図５２に示すトランジスタ２００Ｅは、導電体２６０の上に配置された絶縁体２７０と、少なくとも酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に接して配置された絶縁体２７２と、絶縁体２７２を介して導電体２６０の側面に配置された絶縁体２７５と、を有している点が、実施の形態３で示したトランジスタ２００Ｃと異なる。
【０７７６】  また、トランジスタ２００Ｅは、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体を用いることが好ましい。
【０７７７】  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２００Ｅは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ２００Ｅに用いることができる。
【０７７８】  ここで、酸化物半導体は、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素を添加することで、金属化合物を形成し、低抵抗化する場合がある。なお、好ましくは、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、酸化物半導体の当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。
【０７７９】  上記界面近傍に形成された酸素欠損の周辺は、歪を有している。また、上記膜をスパッタリング法によって成膜する場合、スパッタリングガスに希ガスが含まれると、上記膜の成膜中に、希ガスが酸化物半導体中へ混入する場合がある。酸化物半導体中へ希ガスが混入することで、上記界面近傍、および希ガスの周辺では、歪、または構造の乱れが生じる。なお、上記希ガスとしては、Ｈｅ、Ａｒなどが挙げられる。なお、ＨｅよりもＡｒの方が、原子半径が大きいため好ましい。当該Ａｒが酸化物半導体中に混入することで、好適に歪み、または構造の乱れが生じる。これらの歪、または構造の乱れた領域では、結合した酸素の数が少ない金属原子が増えると考えられる。結合した酸素の数が少ない金属原子が増えることで、上記界面近傍、および希ガスの周辺が低抵抗化する場合がある。
【０７８０】  また、酸化物半導体として、結晶性の酸化物半導体を用いる場合、上記の歪、または構造の乱れた領域では、結晶性が崩れ、非晶質のように観察される場合がある。
【０７８１】  また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜から金属元素が酸化物半導体へ拡散し、酸化物半導体に金属元素を添加することができる。
【０７８２】  また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する傾向がある。
【０７８３】  また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加する。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。
【０７８４】  従って、酸化物半導体に選択的に金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物２３０を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物２３０に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。
【０７８５】  ここで、図５２（Ｂ）において破線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物２３０ｂを含む領域２３９の拡大図を図６０に示す。
【０７８６】  図６０（Ａ）に示すように、酸化物２３０は、トランジスタ２００Ｅ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、領域２３４と領域２３１との間に設けられる、領域２３２（領域２３２ａ、および領域２３２ｂ）と、を有する。
【０７８７】  また、図５２、および図６０では、領域２３４、領域２３１、および領域２３２が、酸化物２３０ｂに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃにも、形成されていてもよい。また、図５２、および図６０では、各領域の境界を、酸化物２３０の上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２３２が酸化物２３０ｂの表面近傍では導電体２６０側に張り出し、酸化物２３０ｂの下面近傍では、導電体２４０ａ側または導電体２４０ｂ側に後退する形状になる場合がある。
【０７８８】  酸化物２３０を選択的に低抵抗化するには、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロム、インジウムなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。
【０７８９】  従って、領域２３１は、上述の導電性を高める金属元素、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素の含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。
【０７９０】  領域２３１を低抵抗化するために、例えば、酸化物２３０の領域２３１に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜などを成膜するとよい。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、少なくとも、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、絶縁体２７２、および絶縁体２７５を介して、酸化物２３０上に設けることが好ましい。
【０７９１】  酸化物２３０の領域２３１に接して、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けることで、酸化物２３０の領域２３１へ、当該膜から金属元素が拡散し、領域２３１に金属化合物が形成され、低抵抗化する。また、領域２３１と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物２３０中の酸素の一部が該膜に吸収され、領域２３１に酸素欠損を形成し、低抵抗化する場合がある。なお、図６０において、酸化物２３０の低抵抗化した領域を、一例として斜線で表す。なお、本明細書等において、斜線で表す範囲については、図５４の範囲に限定されない。例えば、酸化物２３０と導電体２４０との界面近傍の領域、または領域２３１における、酸化物２３０の上面から酸化物２３０の下面までの領域に、上記低抵抗化した領域（または範囲）が形成される場合がある。なお、他の図面においても同様である。
【０７９２】  また、領域２３１と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、金属膜から、酸化物２３０の領域２３１へ、金属元素が拡散し、領域２３１に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物２３０の領域２３１と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の領域２３１と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０７９３】  また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【０７９４】  一方、酸化物２３０の導電体２６０、および絶縁体２７２と重畳する領域（領域２３４、および領域２３２）は、導電体２６０、および絶縁体２７２により、金属元素の添加が抑制される。また、酸化物２３０の領域２３４、および領域２３２において、酸化物２３０中の酸素原子が、上述した金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜へ吸収されることが抑制される。
【０７９５】  また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜に、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、低抵抗化される。
【０７９６】  ここで、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。また、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、後の工程で、酸化物２３０から吸収した水素とともに除去してもよい。
【０７９７】  なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。
【０７９８】  また、例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
【０７９９】  従って、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で設けることが好ましい。例えば、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下のアルミニウムを、加熱処理により酸化させると０．７ｎｍ以上８ｎｍ以下の酸化アルミニウムとなる場合がある。
【０８００】  ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、チャネルが形成される領域２３４中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
【０８０１】  絶縁体２７５として、酸化物を、スパッタリング法により成膜するとよい。酸化物の成膜にスパッタリング法を用いることにより、水または水素などの不純物の少ない絶縁体を成膜することができる。スパッタリング法を用いる場合は、例えば、対向ターゲット型のスパッタリング装置を用いて成膜することが好ましい。対向ターゲット型のスパッタリング装置は、対向するターゲット間の高電界領域に被成膜面が晒されることなく成膜できるので、被成膜面がプラズマによる損傷を受けにくく成膜することができるので、絶縁体２７５となる絶縁体の成膜時に酸化物２３０への成膜ダメージを小さくすることができるので好ましい。
【０８０２】  スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位Ｅ０が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位Ｅ１が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位Ｅ２となる領域が存在する。各電位の大小関係は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ０である。
【０８０３】  プラズマ内のイオンが、電位差Ｅ２−Ｅ０によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を通過し、被成膜面と接する絶縁体２７２に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差Ｅ２−Ｅ１によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、一部のイオンは、絶縁体２７２内部まで到達する。イオンが絶縁体２７２に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体２７２に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体２７２に過剰酸素領域が形成される。従って、絶縁体２７５は、スパッタリング法によって成膜された酸化アルミニウムを用いることが好ましい。
【０８０４】  図５２、および図６０（Ａ）に示すように、絶縁体２７５は、絶縁体２７２と接し、絶縁体２７２は、絶縁体２２４および酸化物２３０ｃと接する領域を有する。上述のように、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素（過剰酸素ともいう。）を含む絶縁体２７２を設けることができる。つまり、絶縁体２７２が有する過剰酸素が、酸化物２３０の領域２３４へと拡散することで、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減することができる。
【０８０５】  また、酸化アルミニウムは、酸化物２３０と接した状態で、熱処理を行うことで、酸化物２３０中の水素を引き抜く場合がある。従って、酸化物２３０中の水素濃度を低減することができる。
【０８０６】  上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物２３０の選択的な低抵抗化を行うことができる。
【０８０７】  つまり、酸化物２３０に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体２６０、または絶縁体２７２をマスクとすることで、自己整合的に酸化物２３０は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ２００Ｅを同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくすることができる。また、トランジスタ２００Ｅのチャネル長は、導電体２６０の幅、および絶縁体２７２の成膜膜厚により決定され、導電体２６０の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ２００Ｅの微細化が可能となる。
【０８０８】  以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０８０９】  また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。
【０８１０】  以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
【０８１１】  以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｅを有する半導体装置の構成のうち、実施の形態１で示したトランジスタ２００Ａを有する半導体装置および実施の形態３で示したトランジスタ２００Ｃを有する半導体装置と異なる点について説明する。
【０８１２】  電子親和力または伝導帯下端のエネルギー準位Ｅｃは、図７２に示すように、真空準位Ｅｖａｃと価電子帯上端のエネルギー準位Ｅｖとの差であるイオン化ポテンシャルＩｐと、バンドギャップＥｇから求めることができる。イオン化ポテンシャルＩｐは、例えば、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定することができる。エネルギーギャップＥｇは、例えば、分光エリプソメータを用いて測定することができる。
【０８１３】  また、酸化物２３０は、領域２３１、領域２３２、および領域２３４を有する。なお、領域２３１の少なくとも一部は、絶縁体２７３と接する領域を有する。また、領域２３２は、少なくとも、絶縁体２７２と重畳する領域を有する。
【０８１４】  加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
【０８１５】  また、絶縁体２５０が有する過剰酸素を、効率的に酸化物２３０へ供給するために、金属酸化物を絶縁体２５０上に設けてもよい。従って、当該金属酸化物は、絶縁体２５０からの酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する当該金属酸化物を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
【０８１６】  また、導電体２６０ｂの上に、バリア膜として機能する絶縁体２７０を配置してもよい。絶縁体２７０は、水また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性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２７０よりも上方からの酸素で導電体２６０が酸化するのを抑制することができる。また、絶縁体２７０よりも上方からの水または水素などの不純物が、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、酸化物２３０に混入することを抑制することができる。
【０８１７】  また、絶縁体２７０はハードマスクとしての機能を有することが好ましい。絶縁体２７０をハードマスクとすることで、導電体２６０の加工の際、導電体２６０の側面が概略垂直、具体的には、導電体２６０の側面と基板表面のなす角を、７５°以上１００°以下、好ましくは８０°以上９５°以下とすることができる。導電体２６０をこのような形状に加工することで、次に形成する絶縁体２７２および絶縁体２７５を所望の形状に形成することができる。
【０８１８】  バリア膜、およびバッファ層として機能する絶縁体２７２は、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、導電体２６０の側面、および絶縁体２７０の側面に接して設ける。
【０８１９】  例えば、絶縁体２７２として、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。
【０８２０】  絶縁体２７２として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。例えば、絶縁体２７２となる絶縁膜を成膜後に絶縁体２７５となる絶縁膜を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で、絶縁体２７２となる絶縁膜に容易に過剰酸素領域を形成することができる。
【０８２１】  または、絶縁体２７２は、水また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性材料を用いてもよい。例えば、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体２５０中の酸素が外部に拡散することを抑制することができる。また、絶縁体２５０の端部などから酸化物２３０に水素、水などの不純物が混入するのを抑制することができる。したがって、酸化物２３０と、絶縁体２５０との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ２００Ｅの信頼性を向上させることができる。
【０８２２】  また、絶縁体２７２を設けることで、水また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、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面を覆うことができる。これにより、トランジスタ２００Ｅの上方から水または水素などの不純物が、絶縁体２５０および導電体２６０を介して、酸化物２３０に混入することを抑制することができる。したがって、絶縁体２７２は、ゲート電極およびゲート絶縁体の側面を保護するサイドバリアとしての機能を有する。
【０８２３】  絶縁体２７２として、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁体２７２の膜厚は、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることが好ましい。当該構成とすることで、導電体２６０の酸化を抑制しながら、絶縁体２７５が有する過剰酸素を絶縁体２５０へ供給することが可能となる。
【０８２４】  また、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に、絶縁体２７２を介して、絶縁体２７５を設ける。上述のように絶縁体２７５となる絶縁体の成膜によって、絶縁体２７２は、過剰酸素領域を有することが好ましい。ここで、絶縁体２２４が、島状に加工されている場合、絶縁体２２４の外側で、絶縁体２２４と絶縁体２７２が接する構造とすればよい。当該構造とすることで、絶縁体２７２の過剰酸素を、絶縁体２２４を介して、酸化物２３０へと供給することができる。
【０８２５】  また、酸化物２３０、絶縁体２７５および絶縁体２７０を覆って、層間膜として機能する絶縁体２８０を設けることが好ましい。絶縁体２８０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。なお、絶縁体２８０の上に絶縁体２８２を設けても良い。絶縁体２８２は、絶縁体２１０と同様の絶縁体とすることが好ましい。
【０８２６】  絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口は、絶縁体２８０の内壁が絶縁体２７５の側面に接するように形成する。このように形成するには、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口時に絶縁体２７５のエッチング速度が、絶縁体２８０のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体２７５のエッチング速度を１とすると、絶縁体２８０のエッチング速度は５以上が好ましく、より好ましくは１０以上である。このように開口することで、自己整合的に開口を形成することができ、開口と、ゲート電極と、の位置合わせのマージンが広くなり、開口と、ゲート電極と、の間隔を小さく設計することができるので、半導体装置の高集積化が可能となる。
【０８２７】  例えば、図５３（Ｂ）は、開口の位置が、設計の位置よりもＡ２側へずれた一例を示すが、トランジスタ２００Ｅの構成とすることで、開口の位置がこのようにずれても開口に埋め込まれている導電体２４０ａと領域２３１ａとの電気的接続および開口に埋め込まれている導電体２４０ｂと領域２３１ｂとの電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるために良好となる。なお、図５３（Ｂ）では、開口がＡ２側にずれている例を示したが、これに限定されない。例えば、開口がＡ１側にずれても良い。
【０８２８】  ここで、絶縁体２８２および絶縁体２８０に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８２の上面と、同一平面上としてもよい。
【０８２９】  導電体２４０ａは、トランジスタ２００Ｅのソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域２３１ａと接しており、導電体２４０ｂはトランジスタ２００Ｅのソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域２３１ｂと接している。よって、導電体２４０ａはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｂはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
【０８３０】  なお、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口の内壁に接して導電体２４０ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口の内壁に接して導電体２４０ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
【０８３１】  また、図５９は、図５２（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｅのチャネル幅方向の導電体２４０ａと、酸化物２３０と、が接する領域の断面図である。なお、導電体２４０ｂと酸化物２３０と、が接する領域についても同様の構成である。
【０８３２】  図５９（Ａ）は、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、少なくとも酸化物２３０の上面と接し、さらに酸化物２３０の側面と接することが好ましい。特に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる側面において、Ａ５側の側面、およびＡ６側の側面の双方または一方と接することが好ましい。つまり、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０とが接する領域が鞍のような断面形状を有する（鞍面コンタクトと呼ぶことができる）。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ１側（Ａ２側）の側面と接する構成にしてもよい。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０と、が接する領域は、図５９（Ａ）の一例に限らず、例えば、図５９（Ｂ）に示すように、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、酸化物２３０の上面および酸化物２３０の側面と接する領域を有していてもよい。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ１側（Ａ２側）の側面と接する構成にしてもよい。図５９（Ｂ）は、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０のＡ５側の側面と接する領域の一例を示しているが、図５９（Ｃ）に示すように、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０のＡ６側の側面と接する領域を有してもよい。このような構成とすることで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０と、が接する領域の面積を大きくすることができるので、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、酸化物２３０と、のコンタクト抵抗を低くすることができて好ましい。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。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。
【０８３３】  また、図５２（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００Ｅは、導電体２６０と、導電体２４０ａと、の間に寄生容量が形成される。同様に、導電体２６０と、導電体２４０ｂと、の間に寄生容量が形成される。当該寄生容量は、導電体２６０と、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚を大きくすることで低減される。
【０８３４】  従って、トランジスタ２００Ｅに絶縁体２７２に加えて絶縁体２７５を設けることで、寄生容量を低減することができる。チャネル長方向における絶縁体２７５と絶縁体２７２の、酸化シリコン膜に換算した合計膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｏｘｉｄｅ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）は、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以上３０ｎｍとする。また、絶縁体２７５としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンおよび窒化シリコンを用いることができる。寄生容量を低減することで、トランジスタ２００Ｅを高速に動作させることができる。
【０８３５】  ここで、図６０（Ｂ）に示すように、例えば、絶縁体２８０に開口を形成する際に、酸化物２３０において、領域２３１の低抵抗化した領域が除去されてもよい。その場合、導電体２４０に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物２３０と導電体２４０とが接することで、酸化物２３０中に、新たな低抵抗化した領域が形成される。当該低抵抗化した領域が形成されることで、酸化物２３０と導電体２４０とのコンタクト抵抗を低減することができる。導電体２４０は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。図６０（Ｂ）に新たに低抵抗化した領域の近傍を一点鎖線の枠で囲んで示す。
【０８３６】  また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８０、および絶縁体２８２と接する導電体には、導電体２０５の第１の導電体などと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８２より上層から水素、水などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
【０８３７】＜半導体装置の構成例２＞
図５４は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｆ、およびトランジスタ２００Ｆ周辺の上面図および断面図である。
【０８３８】  図５４（Ａ）は、トランジスタ２００Ｆを有する半導体装置の上面図である。また、図５４（Ｂ）、および図５４（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図５４（Ｂ）は、図５４（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｆのチャネル長方向の断面図でもある。また、図５４（Ｃ）は、図５４（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｆのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図５４（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０８３９】［トランジスタ２００Ｆ］
図５４に示すように、トランジスタ２００Ｆは、基板（図示せず。）の上に配置された絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、導電体２６０の上に配置された絶縁体２７０と、少なくとも酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に接して配置された絶縁体２７２と、絶縁体２７２を介して導電体２６０の側面に配置された絶縁体２７５と、絶縁体２７５の側面、および酸化物２３０上に配置された絶縁体２７３と、絶縁体２７３上に配置された絶縁体２７６と、を有する。
【０８４０】  絶縁体２７５の側面、および酸化物２３０上に配置された絶縁体２７３と、絶縁体２７３上に配置された絶縁体２７６と、を有するところが、前述のトランジスタ２００Ｅと異なる。以下は、トランジスタ２００Ｅと異なる点について説明する。
【０８４１】  図５４（Ｂ）に示すように、酸化物２３０の上面の一部および側面の一部に絶縁体２７３が接して配置されている。絶縁体２７３上には、絶縁体２７６が接して配置されている。つまり、領域２３１上をこのような構成とすることで、例えば、絶縁体２７３として、酸化シリコン膜とし、絶縁体２７６として、スパッタリング法によって酸化アルミニウム膜とすることで、絶縁体２８０に含まれる水素を酸化物２３０へ拡散することを防ぐことができる場合がある。その他の構成、効果などについては、トランジスタ２００Ｅの説明を参酌することができる。
【０８４２】＜半導体装置の構成例３＞
図５５は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｇ、およびトランジスタ２００Ｇ周辺の上面図および断面図である。
【０８４３】  図５５（Ａ）は、トランジスタ２００Ｇを有する半導体装置の上面図である。また、図５５（Ｂ）、および図５４（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図５５（Ｂ）は、図５５（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｇのチャネル長方向の断面図でもある。また、図５５（Ｃ）は、図５５（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｇのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図５５（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０８４４】［トランジスタ２００Ｇ］
図５５に示すように、トランジスタ２００Ｇは、基板（図示せず。）の上に配置された絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、導電体２６０の上に配置された絶縁体２７０と、少なくとも酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に接して配置された絶縁体２７２と、絶縁体２７２を介して導電体２６０の側面に配置された絶縁体２７５と、絶縁体２７５の側面、および酸化物２３０ｃの側面に配置された絶縁体２７４と、を有する。
【０８４５】  絶縁体２７５の側面、および酸化物２３０ｃの側面に配置された絶縁体２７４を有するところが、前述のトランジスタ２００Ｅと異なる。以下は、トランジスタ２００Ｅと異なる点について説明する。
【０８４６】  図５５（Ｂ）に示すように、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口は、絶縁体２８０の内壁が絶縁体２７４の側面に接するように形成する。このように形成するには、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口時に絶縁体２７４のエッチング速度が、絶縁体２８０のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体２７４のエッチング速度を１とすると、絶縁体２８０のエッチング速度は５以上が好ましく、より好ましくは１０以上である。このように開口することで、自己整合的に開口を形成することができ、開口と、ゲート電極と、の位置合わせのマージンが広くなり、開口と、ゲート電極と、の間隔を小さく設計することができるので、半導体装置の高集積化が可能となる。
【０８４７】  例えば、開口の位置が、設計の位置よりもＡ１側またはＡ２側へずれた場合であっても、トランジスタ２００Ｇの構成とすることで、開口に埋め込まれている導電体２４０ａと領域２３１ａとの電気的接続および開口に埋め込まれている導電体２４０ｂと領域２３１ｂとの電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるために良好となる。
【０８４８】  ここで、絶縁体２８２および絶縁体２８０に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８２の上面と、同一平面上としてもよい。
【０８４９】  導電体２４０ａは、トランジスタ２００Ｇのソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域２３１ａと接しており、導電体２４０ｂはトランジスタ２００Ｇのソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域２３１ｂと接している。よって、導電体２４０ａはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｂはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
【０８５０】  なお、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口の内壁に接して導電体２４０ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口の内壁に接して導電体２４０ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
【０８５１】  また、図５５（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００Ｇは、導電体２６０と、導電体２４０ａと、の間に寄生容量が形成される。同様に、導電体２６０と、導電体２４０ｂと、の間に寄生容量が形成される。当該寄生容量は、導電体２６０と、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚を大きくすることで低減される。
【０８５２】  トランジスタ２００Ｇに絶縁体２７２および絶縁体２７５に加えて絶縁体２７４を設けることで、寄生容量を低減することができる。導電体２６０と、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚は、絶縁体２７５のチャネル長方向の膜厚と絶縁体２７２のチャネル長方向の膜厚に加えて、絶縁体２７４のチャネル長方向の膜厚との合計値となるので、さらに寄生容量を低減することができる。チャネル長方向におけるこれらの絶縁体全体の、酸化シリコン膜に換算した膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｏｘｉｄｅ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）は、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以上３０ｎｍとする。絶縁体２７４としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンおよび窒化シリコンを用いることができる。このように寄生容量を低減することで、トランジスタ２００Ｇを高速に動作させることができる。その他の構成、効果などについては、トランジスタ２００Ｅの説明を参酌することができる。
【０８５３】＜半導体装置の構成例４＞
図５６は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００Ｈ、およびトランジスタ２００Ｈ周辺の上面図および断面図である。
【０８５４】  図５６（Ａ）は、トランジスタ２００Ｈを有する半導体装置の上面図である。また、図５６（Ｂ）、および図５６（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図５６（Ｂ）は、図５６（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｈのチャネル長方向の断面図でもある。また、図５６（Ｃ）は、図５６（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００Ｈのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図５６（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０８５５】［トランジスタ２００Ｈ］
図５６に示すように、トランジスタ２００Ｈは、基板（図示せず。）の上に配置された絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、導電体２６０の上に配置された絶縁体２７０と、少なくとも酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面に接して配置された絶縁体２７２と、絶縁体２７２を介して導電体２６０の側面に配置された絶縁体２７５と、絶縁体２７５の側面、および酸化物２３０上に配置された絶縁体２７３と、絶縁体２７３上に配置された絶縁体２７６と、絶縁体２７３および絶縁体２７６を介して絶縁体２７５の側面に配置された絶縁体２７４と、を有する。
【０８５６】  絶縁体２７３および絶縁体２７６を介して絶縁体２７５の側面に配置された絶縁体２７４を有するところが、前述のトランジスタ２００Ｆと異なる。以下は、トランジスタ２００Ｆと異なる点について説明する。
【０８５７】  図５６（Ｂ）に示すように、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７６および絶縁体２７３の開口は、絶縁体２８０の内壁が絶縁体２７４の側面に接するように形成する。このように形成するには、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口時に絶縁体２７４のエッチング速度が、絶縁体２８０、絶縁体２７６および絶縁体２７３のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体２７４のエッチング速度を１とすると、絶縁体２８０、絶縁体２７６および絶縁体２７３のエッチング速度は５以上が好ましく、より好ましくは１０以上である。このように開口することで、自己整合的に開口を形成することができ、開口と、ゲート電極と、の位置合わせのマージンが広くなり、開口と、ゲート電極と、の間隔を小さく設計することができるので、半導体装置の高集積化が可能となる。
【０８５８】  例えば、開口の位置が、設計の位置よりもＡ１側またはＡ２側へずれた場合であっても、トランジスタ２００Ｈの構成とすることで、開口に埋め込まれている導電体２４０ａと領域２３１ａとの電気的接続および開口に埋め込まれている導電体２４０ｂと領域２３１ｂとの電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるために良好となる。
【０８５９】  ここで、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７６および絶縁体２７３に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８２の上面と、同一平面上としてもよい。
【０８６０】  導電体２４０ａは、トランジスタ２００Ｈのソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域２３１ａと接しており、導電体２４０ｂはトランジスタ２００Ｈのソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域２３１ｂと接している。よって、導電体２４０ａはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｃはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
【０８６１】  なお、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７６および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７６および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
【０８６２】  また、図５６（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００Ｈは、導電体２６０と、導電体２４０ａと、の間に寄生容量が形成される。同様に、導電体２６０と、導電体２４０ｂと、の間に寄生容量が形成される。当該寄生容量は、導電体２６０と、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚を大きくすることで低減される。
【０８６３】  トランジスタ２００Ｈに絶縁体２７２および絶縁体２７５に加えて絶縁体２７３、絶縁体２７６および絶縁体２７４を設けることで、寄生容量を低減することができる。導電体２６０と、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚は、絶縁体２７５のチャネル長方向の膜厚と絶縁体２７２のチャネル長方向の膜厚に加えて、絶縁体２７３、絶縁体２７６および絶縁体２７４のチャネル長方向の膜厚との合計値となるので、さらに寄生容量を低減することができる。チャネル長方向におけるこれらの絶縁体全体の、酸化シリコン膜に換算した膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｏｘｉｄｅ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）は、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以上３０ｎｍとする。絶縁体２７４としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンおよび窒化シリコンを用いることができる。このように寄生容量を低減することで、トランジスタ２００Ｈを高速に動作させることができる。その他の構成、効果などについては、トランジスタ２００Ｆの説明を参酌することができる。
【０８６４】＜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。なお、本実施の形態で示す半導体装置を構成する構造のうち、先の実施の形態で示した構造と同符号を付記した構造の構成材料について特段の説明がない場合、先の実施の形態に記載の構成材料を参酌することができる。
【０８６５】＜＜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。
【０８６６】  例えば、絶縁体２７５および絶縁体２７６として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。
【０８６７】  特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めることができる。したがって、酸化ハフニウムの膜厚を調整することで、水素、および窒素の適切な添加量を調整することができる。
【０８６８】  絶縁体２７２、絶縁体２７３、および絶縁体２７４は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２７２、絶縁体２７３、および絶縁体２７４は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体２７２、絶縁体２７３、および絶縁体２７４は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
【０８６９】＜半導体装置の作製方法＞
次に、本発明に係るトランジスタ２００Ｅを有する半導体装置について、作製方法を図６１乃至図７１を用いて説明する。また、図６１乃至図７１において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に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２００Ｅ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２００Ｅのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０８７０】  まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１０を成膜する。なお、絶縁体２１０の材料、成膜方法等は、実施の形態１の絶縁体２１０を参酌することができる。
【０８７１】  次に絶縁体２１０上に、導電体２０３となる導電膜を成膜する。導電体２０３となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。また、導電体２０３となる導電膜は、多層膜とすることができる。本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜としてタングステンを成膜する。
【０８７２】  次に、リソグラフィー法を用いて、導電体２０３となる導電膜を加工し、導電体２０３を形成する。
【０８７３】  なお、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、導電体２０３となる導電膜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。導電体２０３となる導電膜のエッチングは、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。導電体２０３となる導電膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。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。
【０８７４】  次に、絶縁体２１０上、導電体２０３上に絶縁体２１２となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２１２となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１２となる絶縁膜として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０８７５】  ここで、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚は、導電体２０３の膜厚以上とすることが好ましい。例えば、導電体２０３の膜厚を１とすると、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚は、１以上３以下とする。本実施の形態では、導電体２０３の膜厚の膜厚を１５０ｎｍとし、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚を３５０ｎｍとする。
【０８７６】  次に、絶縁体２１２となる絶縁膜にＣＭＰ処理を行うことで、絶縁体２１２となる絶縁膜の一部を除去し、導電体２０３の表面を露出させる。これにより、上面が平坦な、導電体２０３と、絶縁体２１２を形成することができる（図６１参照。）。
【０８７７】  ここでは、上記と異なる導電体２０３の形成方法について以下に説明する。
【０８７８】  絶縁体２１０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、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０８７９】  次に、絶縁体２１２に絶縁体２１０に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１０は、絶縁体２１２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２１２に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体２１０は窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。
【０８８０】  開口の形成後に、導電体２０３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。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０３となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０８８１】  本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜として、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、または、窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜する。このような金属窒化物を導電体２０３となる導電膜の下層に用いることにより、後述する導電体２０３となる導電膜の上層の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２０３から外に拡散するのを防ぐことができる。
【０８８２】  次に、導電体２０３となる導電膜の上層の導電膜を成膜する。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法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜の上層の導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。
【０８８３】  次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０３となる導電膜の上層、および導電体２０３となる導電膜の下層の一部を除去し、絶縁体２１２を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０３となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０３を形成することができる。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１２の一部が除去される場合がある。以上が、導電体２０３の異なる形成方法である。
【０８８４】  次に、絶縁体２１２、および導電体２０３上に絶縁体２１４、および絶縁体２１６を順に成膜する。なお、絶縁体２１４、および絶縁体２１６の材料、成膜方法等は、それぞれ、実施の形態１の絶縁体２１４、絶縁体２１６を参酌することができる。
【０８８５】  次に、絶縁体２１４および絶縁体２１６に、導電体２０３に達する開口を形成する。開口の形成にはウエットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。
【０８８６】  開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。導電体２０５ａとなる導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電性材料を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０５ａとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０８８７】  本実施の形態では、導電体２０５ａとなる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。
【０８８８】  次に、導電体２０５ａとなる導電膜上に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０８８９】  本実施の形態では、導電体２０５ｂとなる導電膜として、ＣＶＤ法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上にＣＶＤ法によってタングステンを成膜する。
【０８９０】  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となる導電膜および導電体２０５ｂとなる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂを含む導電体２０５を形成することができる（図６１参照。）。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。
【０８９１】  次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁膜２２４Ａ、酸化物２３０ａとなる酸化膜２３０Ａ、および酸化物２３０ｂとなる酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図６１参照。）。なお、絶縁体２２０、および絶縁体２２２の材料、成膜方法等は、それぞれ、実施の形態１の絶縁体２２０、および絶縁体２２２を参酌することができ、絶縁膜２２４Ａの材料、成膜方法等は、実施の形態３の絶縁膜２２４Ａを参酌することができ、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂの材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態１の酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂを参酌することができる。
【０８９２】  次に、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを島状に加工して、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成する。なお、当該工程において、絶縁膜２２４Ａを島状に加工（絶縁体２２４）してもよい。その場合、絶縁体２２２をエッチングストッパ膜として用いることができる（図６２参照。）。
【０８９３】  ここで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００Ｅを設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。または、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が小さい角度になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角は６０°以上７０°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、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面に絶縁体２７２および絶縁体２７５が形成されないようにすることができる。
【０８９４】  また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と、酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、酸化物２３０ｂ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。
【０８９５】  なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウエ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。
【０８９６】  また、ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
【０８９７】  上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウエット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
【０８９８】  ウエット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。
【０８９９】  続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理の条件は、前述の加熱処理の条件を用いることができる。
【０９００】  次に、絶縁膜２２４Ａ、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの上に、酸化膜２３０Ｃを成膜する（図６３参照。）。なお、酸化膜２３０Ｃの材料、成膜方法等は、実施の形態１の酸化膜２３０Ｃを参酌することができる。
【０９０１】  続いて、酸化膜２３０Ｃ上に、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および絶縁膜２７０Ａを順に成膜する（図６３参照。）。
【０９０２】  まず、絶縁膜２５０Ａを成膜する。なお、絶縁膜２５０Ａの材料、形成方法等は、実施の形態１の絶縁膜２５０Ａを参酌することができる。
【０９０３】  ここで、絶縁膜２５０Ａ上に金属酸化膜を成膜してもよい。当該金属酸化膜として、スパッタリング法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。当該金属酸化膜の形成方法としては、スパッタリング法を用い、酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。酸素ガスを含む雰囲気で当該金属酸化膜を形成することで、絶縁膜２５０Ａ中に、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁膜２５０Ａに添加された過剰酸素は、酸化物２３０に酸素を供給することで、酸化物２３０中の酸素欠損を補償することができる。
【０９０４】  ここで、上記金属酸化膜を成膜する手段として、スパッタリング装置を用いて、酸素ガス雰囲気下で成膜を行うことで、上記金属酸化膜を成膜しながら、絶縁膜２５０Ａ、および絶縁膜２２４Ａに酸素を導入することができる。また、上記金属酸化膜に、バリア性を有す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用いることで、絶縁膜２５０Ａに導入した過剰酸素を、効果的に封じ込めることができる。
【０９０５】  次に、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを成膜する。なお、導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂの材料、形成方法等は、それぞれ、実施の形態１の導電膜２６０Ａ、および導電膜２６０Ｂを参酌することができる。
【０９０６】  例えば、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成するとよい。例えば、金属酸化膜として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に代表される酸化物半導体を用いた場合、当該金属酸化膜は、窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。つまり、酸化物導電体（ＯＣ）として機能する。そこで、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成することで、金属窒化物中の構成元素（特に窒素）が先に成膜した金属酸化膜に拡散し、該金属酸化膜が低抵抗化する。また、導電膜２６０Ａの成膜時のダメージ（例えば、スパッタリングダメージなど）により、該金属酸化膜が低抵抗化する。従って、該金属酸化膜のキャリア密度が高くなり、該金属酸化膜の導電性が高くなる。
【０９０７】  続いて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、前述の加熱処理条件を用いることができる。なお、加熱処理は行わなくてもよい場合がある。本加熱処理によって、金属酸化膜から、絶縁膜２５０Ａに過剰酸素が添加され、絶縁膜２５０Ａに過剰酸素領域を容易に形成することができる。
【０９０８】  絶縁膜２７０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２７０Ａは、バリア膜として機能するため、水また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性材料を用いる。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。これにより、導電体２６０の酸化を抑制することができる。また、導電体２６０および絶縁体２５０を介して、水または水素などの不純物が酸化物２３０に混入することを抑制することができる。本実施の形態では、絶縁膜２７０Ａを２層構造とし、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、次にＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
【０９０９】  次に、絶縁膜２７０Ａを、エッチングし、絶縁体２７０を形成する。ここで、絶縁体２７０は、ハードマスクとして機能する。絶縁体２７０を設けることで、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、導電体２６０ａの側面および導電体２６０ｂの側面を、基板の上面に対し、概略垂直に形成することができる。
【０９１０】  次に、絶縁体２７０をマスクとして、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂを、エッチングし、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６４参照。）。
【０９１１】  また、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０は、少なくとも一部が、導電体２０５および酸化物２３０と重なるように形成する。
【０９１２】  また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面および導電体２６０の側面は、同一面内であることが好ましい。
【０９１３】  また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面および導電体２６０の側面が共有する同一面は、基板の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。つまり、断面形状において、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角が、鋭角、かつ大きいほど好ましい。なお、断面形状において、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、および導電体２６０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０および導電体２６０の側面と、酸化物２３０の上面のなす角は大きいほど好ましい。
【０９１４】  次に、酸化物２３０、絶縁体２５０、導電体２６０および絶縁体２７０を覆って、絶縁膜２７２Ａを成膜する（図６５参照。）。絶縁膜２７２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。
【０９１５】  絶縁膜２７２Ａは、被覆性に優れたＡＬＤ法により成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、導電体２６０などにより形成された段差部においても、絶縁体２５０、導電体２６０、および絶縁体２７０の側面に対して、均一な厚さを有する絶縁膜２７２Ａを形成することができる。また、ＡＬＤ法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。
【０９１６】  絶縁膜２７２Ａとして、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。
【０９１７】  一方、絶縁膜２７２Ａとして、バリア性を有する酸化アルミニウムなどを設けてもよい。例えば、導電体２６０が酸化しやすい金属膜である場合、バリア性を有する絶縁体を用いることで、導電体２６０が絶縁膜２７２Ａの上方からの酸素で酸化するのを抑制することができる。これにより、導電体２６０の抵抗値が上がることを抑制することができる。
【０９１８】  絶縁膜２７２Ａとして、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁膜２７２Ａの膜厚は、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることが好ましい。当該構成とすることで、後の工程で、導電体２６０の酸化を抑制しながら、絶縁体２７５が有する過剰酸素を絶縁体２５０へ供給することが可能となる。
【０９１９】  次に、絶縁膜２７５Ａを成膜する。絶縁膜２７５Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁膜２７５Ａとして、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜する。本成膜によって、酸素を絶縁膜２７２Ａに添加することができる。該酸素は、絶縁膜２７２Ａを介して、酸化物２３０に添加され、酸化物２３０中の欠陥を修復することができる（図６６参照。）。
【０９２０】  次に、絶縁膜２７２Ａおよび絶縁膜２７５Ａに異方性のエッチング処理を行い、絶縁体２７２および絶縁体２７５を形成する（図６７参照。）。
【０９２１】  上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体２７２および絶縁体２７５を自己整合的に形成することができる。
【０９２２】  続いて、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、導電体２６０、絶縁体２７０、絶縁体２７２、および絶縁体２７５を介して、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および酸化物２３０上に膜２４２Ａを成膜する（図６８参照。）。なお、膜２４２Ａは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚にするとよい。膜２４２Ａは、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜２４２Ａは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜２４２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０９２３】  続いて、加熱処理を行う。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、加熱処理として、膜２４２Ａの成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
【０９２４】  窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜２４２Ａから、上述した金属元素が酸化物２３０へ拡散し、酸化物２３０に金属元素を添加することができる。また、酸化物２３０の膜２４２Ａとの界面近傍における酸素が膜２４２Ａに吸収される場合がある。その結果、酸化物２３０の膜２４２Ａとの界面近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その際、酸化物２３０の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０９２５】  また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
【０９２６】  また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。
【０９２７】  また、膜２４２Ａに導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、酸化させることで、絶縁体となり、高抵抗化する。膜２４２Ａを、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
【０９２８】  上記膜２４２Ａの成膜工程、または加熱処理において、膜２４２Ａに、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３１に近接する領域２３２の酸素が吸収されることで、領域２３１、および領域２３２に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１、および領域２３２のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物２３０の領域２３１、および領域２３２は、ｎ型となり、低抵抗化される。
【０９２９】  続いて、膜２４２Ａを除去する。なお、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、残存させてもよい。その場合、層間膜として機能する場合がある。本工程では、ドライエッチング法やウエットエッチング法を用いることができる。膜２４２Ａを除去することで、膜２４２Ａに吸収された酸化物２３０中の水素を同時に除去することができる。従って、トランジスタ２００Ｅ中の不純物である水素を低減することができる（図６９参照。）。
【０９３０】  次に、絶縁体２８０を成膜する。なお、絶縁体２８０の材料、形成方法等は、実施の形態１の絶縁体２８０を参酌することができる。
【０９３１】  次に、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２となる絶縁膜を形成してもよい。絶縁体２８２となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８２となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって成膜された酸化アルミニウム膜は、被成膜構造体から水素を引き抜く場合がある。したがって、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体２８０が有する水素を酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる場合がある。
【０９３２】  次に、絶縁体２８０および絶縁体２８２に、酸化物２３０の領域２３１に達する開口を形成する（図７０参照。）。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。ここで、導電体２４０が、絶縁体２７５の側面に接して設けられるように、当該開口を形成する。当該開口条件は、絶縁体２７５をほとんどエッチングしない条件、即ち絶縁体２７５のエッチング速度に比べて絶縁体２８０のエッチング速度が大きいことが好ましい。絶縁体２７５のエッチング速度を１とすると、絶縁体２８０のエッチング速度は５以上が好ましく、より好ましくは１０以上である。この様な開口条件とすることで、開口部を領域２３１へ自己整合的に配置することができるので微細なトランジスタの作製ができる。また、リソグラフィー工程において、導電体２６０と、開口と、のそれぞれの位置ずれに対する許容範囲が大きくなるので歩留まりの向上が期待できる。
【０９３３】  例えば、開口の位置が、設計の位置よりもＡ１側またはＡ２側へずれても、後の工程にて開口に埋め込まれる導電体２４０ａと領域２３１ａとの電気的接続および開口に埋め込まれる導電体２４０ｂと領域２３１ｂとの電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるために良好となる。
【０９３４】  次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、水または水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体２４０となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０９３５】  ここで、例えば、絶縁体２８０および絶縁体２８２に開口を形成する際に、酸化物２３０における領域２３１の低抵抗化した領域を除去してもよい。当該開口に導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜すると、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜とが接する領域を有するため、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜と、の接触領域を低抵抗化することができる。当該接触領域を低抵抗化することで、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、の十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。
【０９３６】  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２８２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７１および図５２参照。）。
【０９３７】  また、開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成した後に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成してもよい。開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成することで、外方からの酸素の透過を抑制し、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。該酸化アルミニウムの形成は、開口にＡＬＤ法などを用いて酸化アルミニウムを成膜し、異方性エッチングを行うことで形成することができる。
【０９３８】  以上により、トランジスタ２００Ｅを有する半導体装置を作製することができる。図６１乃至図７１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２００Ｅを作成することができる。
【０９３９】  なお、図５７に、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が小さい角度になる構成例について示す。この様な形状とすることで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面に絶縁体２７２および絶縁体２７５が形成されないので、酸化物２３０の低抵抗領域である領域２３１が、酸化物２３０ａの側面にも形成することができる。
【０９４０】  また、図５８に、膜２４２Ａを残存する構成の一例を示す。膜２４２Ａの酸化物２３０と接する領域以外を高抵抗化して絶縁体２４２Ｂとして残存させることで、層間膜として機能させることができる。
【０９４１】  本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
【０９４２】  以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０９４３】（実施の形態６）
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタに酸化物半導体として用いることができるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＩＧＺＯと表記する場合がある。）中の水素について説明する。
【０９４４】＜１．水素原子の移動＞
ここでは、ＩＧＺＯ結晶における水素原子の移動の起こりやすさを、水素原子の移動経路上の活性化障壁の観点から評価した。なお、水素原子の移動様式には、１つの酸素から他の酸素へのホッピング、および一つの酸素上における移動を想定した。
【０９４５】  水素原子の移動経路を検討したＩｎＧａＺｎＯ４結晶中の領域区分の模式図を図７３に示す。ここでは、図７３に示す、ＩｎＯ２領域、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ領域、及びＩｎＯ２面と（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ面の間の領域それぞれにおける経路（ａｂ面内方向）、および各領域を横切る経路（ｃ軸方向）について検討した。
【０９４６】  活性化障壁の評価には、第一原理電子状態・分子動力学計算パッケージＶＡＳＰ（Ｖｉｅｎｎａ  ａｂ  ｉｎｉｔｉｏ  ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｐａｃｋａｇｅ）を用いて行い、化学反応経路探索手法であるＮＥＢ（Ｎｕｄｇｅｄ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｂａｎｄ）法を援用した。ＮＥＢ法とは初期状態と最終状態からその２つの状態を結ぶ状態の中で必要なエネルギーが最も低くなる状態を探しだす手法である。活性化障壁は、経路内の最大エネルギーと、経路上で最も安定な構造のエネルギーとの差とした。
【０９４７】＜＜ＩｎＯ２面と（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ面の間の領域＞＞
図７４に、ＩｎＯ２面と（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ面の間の領域の水素原子の移動経路と、その経路上での活性化障壁を示す。ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造のエネルギーをエネルギーの原点とした。図７４（Ａ）及び図７４（Ｃ）は、水素原子の移動の様子を示し、それぞれ経路Ａ、経路Ｂとする。なお、図７４（Ａ）乃至図７４（Ｄ）において、数字は水素原子の移動の順番を示す。経路Ａでは、水素原子が３から４に向かう経路について、直線的な経路である。一方、経路Ｂでは、水素原子が３から４に向かう経路について、５を経由した経路である。
【０９４８】  また、図７４（Ｂ）は、経路Ａ（水素原子が１から４迄移動する経路）における活性化障壁の計算結果を示し、図７４（Ｄ）は、経路Ｂ（水素原子が１から４迄、５を経由して移動する経路）における活性化障壁の計算結果を示す。なお、図７４（Ｂ）および図７４（Ｄ）の横軸は、水素移動経路であり、単位は任意単位（ａｒｂｉｔｒａｒｙ  ｕｎｉｔ）とする。
【０９４９】  図７４（Ｂ）に示す、経路Ａ上での活性化障壁は１．１２ｅＶであり、図７４（Ｄ）に示す、経路Ｂ上での活性化障壁は０．２３ｅＶであった。経路Ａと比較して、経路Ｂ上での活性化障壁の方が小さいため、水素原子が３から４に向かう場合、経路上の障壁が低い経路Ｂが起こりやすいと考えられる。すなわち、水素原子がＩｎＯ２面と（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ面の間の領域を移動する際には、経路上の障壁が低い経路Ｂが起こりやすいと推測される。
【０９５０】＜＜（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ領域＞＞
次に、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ領域における水素原子の移動経路と、その経路上での活性化障壁を、図７５に示す。ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造をエネルギーの原点とした。図７５（Ａ）は、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ領域における水素原子の移動の様子を示す。図７５（Ａ）において、数字は水素原子の移動の順番を示す。図７５（Ｂ）は、図７５（Ａ）において、水素原子が１から４迄移動する経路における、活性化障壁の計算結果を示す。
【０９５１】  図７５（Ｂ）から、（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ領域における水素原子の移動経路上での活性化障壁は０．１６ｅＶであり、図７４（Ｄ）に示す活性化障壁と比較して小さいことが分かる。障壁の高さのみを考えたとき、水素原子が（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ領域に存在する場合は、ＩｎＯ２面と（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ面の間の領域に存在する場合と比較して、水素原子の移動は起こりやすいと予想される。
【０９５２】＜＜ＩｎＯ２領域＞＞
次に、ＩｎＯ２領域における水素原子の移動経路と、その経路上での活性化障壁を図７６に示す。ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造をエネルギーの原点とした。図７６（Ａ）は、ＩｎＯ２領域における水素原子の移動の様子を示す。図７６（Ａ）において、数字は水素原子の移動の順番を示す。図７６（Ｂ）は、図７６（Ａ）において、水素原子が１から４迄移動する経路における、活性化障壁の計算結果を示す。
【０９５３】  図７６（Ｂ）から、ＩｎＯ２領域における１つの酸素から他の酸素へ水素原子が移動する際の活性化障壁は、１．２ｅＶ以上であった。つまり、図７４（Ｄ）および図７５（Ｂ）に示す活性化障壁と比較して、ＩｎＯ２領域における水素原子の移動経路上での活性化障壁が非常に大きくなっていることが分かる。したがって、他の領域に比べてＩｎＯ２領域では、水素原子の移動は起こりにくいと考えられる。
【０９５４】  次に、ｃ軸方向に沿った水素原子の移動経路とその経路上での活性化障壁を、図７７に示す。ただし、経路上で最も安定な構造を基準とし、該構造をエネルギーの原点とした。図７７（Ａ）は、ｃ軸方向に沿った水素原子の移動の様子を示す。図７７（Ａ）において、数字は水素原子の移動の順番を示す。図７７（Ｂ）は、図７７（Ａ）において、水素原子が１から８迄移動する経路における、活性化障壁の計算結果を示す。
【０９５５】  図７７（Ｂ）から、水素原子が２から５迄移動する経路における活性化障壁は０．９ｅＶであった。つまり、水素原子が（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ領域へ入る、あるいは出る際に大きな活性化障壁が存在することが分かる。これは水素原子の移動経路が金属原子と酸素原子の結合に遮られるためと考えられる。また、図７７（Ｂ）から、水素原子が７から８迄移動する経路における活性化障壁は約１．５ｅＶであった。つまり、ＩｎＯ２領域における水素原子の移動でも大きな活性化障壁の存在が確認される。このため、ｃ軸方向への連続した水素原子の移動は起こりにくいと予想される。なお、活性化障壁が大きい原因の一つとして、Ｉｎのイオン半径が大きいことが考えられる。
【０９５６】  ここで、計算により得られた活性化障壁と以下の数式１より、移動頻度（Γ）を算出した。
【０９５７】
【数１】
2018211368.tif 000003
【０９５８】  ここで、Ｅａは活性化障壁、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、νは頻度因子を示す。
【０９５９】  最後に、各経路上の活性化障壁の最大値（最大障壁）から見積もった移動頻度を表１に示す。
【０９６０】
【表１】
2018211368.tif 000004
【０９６１】  ２７℃、４５０℃共に、ＩｎＯ２面と（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ面の間の領域、および（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ領域におけるａｂ面方向への移動頻度が最も高く、一方、ＩｎＯ２領域におけるｃ軸方向への移動頻度が低い傾向にあることが分かった。すなわち、完全な結晶系では水素は優先的にａｂ面に沿って拡散することを示唆している。しかし、４５０℃の加熱処理においては、水素はＩＧＺＯ膜中を十分拡散することが分かった。
【０９６２】＜２．酸素欠損ＶＯのできやすいサイト＞
金属原子と酸素原子の結合の強さは金属の種類や価数によって異なるため、ＩＧＺＯ中の酸素欠損ＶＯのできやすさは、酸素原子の結合相手となる金属の種類、数、距離等で差が生じると推測される。そこで、ＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデルに対して酸素欠損のできやすさを計算した。
【０９６３】  計算にはＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデル（１１２原子）を用いた。このモデルを図７８に示す。（Ｇａ，Ｚｎ）Ｏ領域内のＧａおよびＺｎは、エネルギー的に安定となるような配置をとった。このとき、結合相手と数より、酸素サイトの種類は４つとなる（図７８中に示す１から４）。各酸素サイトについて表２に示す。
【０９６４】
【表２】
2018211368.tif 000005
【０９６５】  上記モデルから酸素サイトの酸素原子を一個引き抜くことで、酸素欠損モデルを作成し、当該酸素欠損モデルの構造をエネルギー的に安定にする（最適化する、ともいう。）ための計算を行った。続いて、最適化された構造に対する全エネルギーの比較を行った。計算条件を表３に示す。
【０９６６】
【表３】
2018211368.tif 000006
【０９６７】  最適化された構造に対する全エネルギーの比較を行った。酸素サイト４の酸素欠損モデルの全エネルギーを基準（０．０ｅＶ）として、全エネルギーの相対値を図７９に示す。図７９より、酸素欠損が形成されやすいのは酸素サイト４であり、酸素サイト２も比較的形成されやすいと推測される。一方、酸素サイト１及び酸素サイト３については、酸素サイト２や酸素サイト４と比べると形成されにくいと推測される。
【０９６８】＜３．ＨＯの形成しやすさ及び安定性＞
ＩＧＺＯ中では、特に加熱処理時には水素は拡散するという計算結果を、＜１．水素原子の移動＞において説明した。そこで、酸素欠損ＶＯが存在する場合、酸素欠損ＶＯ中の水素は、酸素欠損ＶＯから抜け出すかについて計算を行った。ここで、酸素欠損ＶＯ中に水素原子が存在する状態をＨＯ（ＶＯＨと表記する場合もある。）と表記する。
【０９６９】  計算には、図７８に示すＩｎＧａＺｎＯ４結晶モデルを用いた。ここで、酸素欠損ＶＯ中の水素原子がＶＯから抜け出し、酸素原子と結合するまでの水素原子の移動経路における活性化障壁（Ｅａ）を、ＮＥＢ法を用いて計算した。計算条件を表４に示す。
【０９７０】
【表４】
2018211368.tif 000007
【０９７１】  酸素欠損ＶＯを最も形成しやすい酸素サイトは、図７８に示す酸素サイト４であるという計算結果を、＜２．酸素欠損ＶＯのできやすいサイト＞において説明した。そこで、酸素欠損ＶＯが、ａｂ面方向に位置する１個のＧａと２個のＺｎと結合した酸素サイト（図７８に示す４）に存在する場合、酸素欠損ＶＯ中の水素原子は、酸素欠損ＶＯから抜け出すかについて計算を行った。
【０９７２】  初期状態のモデルを図８０（Ａ）に示し、最終状態のモデルを図８０（Ｂ）に示す。なお、ここでの初期状態とは、酸素欠損ＶＯ中に水素原子が存在する状態（ＨＯ）であり、最終状態とは、酸素欠損ＶＯと、１個のＧａ及び２個のＺｎと結合した酸素原子と水素原子とが結合した状態（Ｈ−Ｏ）を有する構造である。また、水素原子が初期状態から最終状態まで移動する経路における、活性化障壁を図８１に示す。図８１において、横軸の左端は上記初期状態であり、横軸の右端は上記最終状態である。また、上記初期状態と上記最終状態との間にプロットしている点は、水素原子が移動の際に経由した位置を表す。なお、横軸の単位は任意とする。ここで、初期状態の全エネルギーを基準（０．０ｅＶ）とした。
【０９７３】  計算の結果、酸素欠損ＶＯ中の水素原子がＶＯから抜け出す際の活性化障壁（Ｅａ）は約１．７０ｅＶであった。
【０９７４】  次に、計算により得られた活性化障壁（Ｅａ）と上記の数式１より、１時間当たりの、酸素欠損ＶＯ中の水素原子が酸素欠損ＶＯから抜け出す平均回数を算出した。
【０９７５】  頻度因子ν＝１０１３［１／ｓｅｃ］と仮定して、室温および２５０℃における、酸素欠損ＶＯ中の水素原子が酸素欠損ＶＯから抜け出す平均回数を算出した。図８０（Ａ）に示すモデルから図８０（Ｂ）に示すモデルへ水素原子が移動する平均回数は、室温では約１×１０−１２［回］であった。このことから、室温では、酸素欠損ＶＯ中の水素原子が酸素欠損ＶＯから抜け出る確率は極めて低く、ＨＯの状態が安定であることが示唆される。また、図８０（Ａ）に示すモデルから図８０（Ｂ）に示すモデルへ水素原子が移動する平均回数は、２５０℃では約２［回］であった。このことから、２５０℃以上の温度で１時間のベークを行うと、酸素欠損ＶＯ中の水素原子が酸素欠損ＶＯから抜け出すことが可能であることが示唆される。
【０９７６】  以上のことから、チャネル形成領域に存在する酸素欠損ＶＯ中の水素は、熱処理によって、酸素欠損ＶＯから抜け出すことが分かった。また、酸素欠損から抜け出した水素は、低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損ＶＯの中に入って、ＨＯとなりやすいことが分かった。したがって、熱処理によって、チャネル形成領域の高純度化（水、水素などの不純物の低減）が行われ、ノーマリーオフのトランジスタ特性が得られる。
【０９７７】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０９７８】（実施の形態７）
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
【０９７９】＜半導体装置の構成例＞
図８２（Ａ）、図８２（Ｂ）、および図８２（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、容量素子１００、およびトランジスタ２００周辺の上面図、および断面図である。なお、本明細書では、１つの容量素子、および少なくとも１つのトランジスタを有する記憶装置をセルと称する。
【０９８０】  図８２（Ａ）は、トランジスタ２００、および容量素子１００を有するセル６００の上面図である。また、図８２（Ｂ）、および図８２（Ｃ）はセル６００の断面図である。ここで、図８２（Ｂ）は、図８２（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図８２（Ｃ）は、図８２（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。図８２（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０９８１】［セル６００］
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００、容量素子１００、および層間膜として機能する絶縁体２８０を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）とを有する。
【０９８２】  図８２に示すセル６００は、トランジスタ２００と、容量素子１００とを、同層に設けることで、トランジスタ２００を構成する構造の一部を、容量素子１００が構成する構造の一部と、併用することができる。つまり、トランジスタ２００の構造の一部は、容量素子１００の構造の一部として、機能する場合がある。
【０９８３】  また、トランジスタ２００に、容量素子１００の一部、または全体が、重畳することで、トランジスタ２００の投影面積、および容量素子１００の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。
【０９８４】  また、トランジスタ２００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する導電体２４０ｂ、および導電体２０７を、容量素子１００、およびトランジスタ２００が重畳する領域の下部に設けることで、セル６００の微細化、または高集積化が容易となる。また、導電体２０７は、トランジスタ２００の構成要素の一つである導電体２０５と同工程で形成できるため、工程短縮が可能となる。また、容量素子１００において、トランジスタ２００と同様に、導電体２０７の下面に接して、配線として機能する導電体を設けてもよい。
【０９８５】  なお、容量素子１００において、必要な容量値に応じて、トランジスタ２００、および容量素子１００のレイアウトを適宜設計することができる。
【０９８６】  例えば、容量素子１００の面積は、酸化物２３０の領域２３１ｂと、導電体１２０が、重畳する面積により決定される。したがって、セル６００に必要な容量値が、図８２（Ａ）および図８２（Ｂ）に示す容量素子１００では得られない場合、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの領域２３１ｂにおけるＡ３−Ａ４方向の幅を、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂの領域２３４におけるＡ３−Ａ４方向の幅よりも大きくすることで、容量値を大きくすることができる。
【０９８７】  また、例えば、酸化物２３０の領域２３１ｂにおけるＡ１−Ａ２方向の長さを、導電体１２０におけるＡ１−Ａ２方向の長さよりも長くしてもよい。その場合、導電体２４０ｂを、絶縁体２８０に埋め込むことができる。つまり、酸化物２３０の領域２３１ｂと、導電体２４０ｂとが、酸化物２３０の領域２３１ｂと導電体１２０とが重畳しない領域で接するように設けてもよい。したがって、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂを同一工程で形成することで、工程を短縮することができる。
【０９８８】  上記構造を有することで、微細化または高集積化が可能である。また、設計自由度を高くすることができる。また、トランジスタ２００は、容量素子１００と、同一の工程で形成する。したがって、工程を短縮することができるため、生産性を向上させることができる。
【０９８９】［トランジスタ２００］
トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図８２に示すトランジスタ２００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。
【０９９０】［容量素子１００］
図８２に示すように、容量素子１００は、トランジスタ２００と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ２００の酸化物２３０に設けられた領域２３１ｂを、容量素子１００の電極の一方として機能させる容量素子１００の例について示す。
【０９９１】  容量素子１００は、酸化物２３０の領域２３１ｂ、領域２３１ｂ上に絶縁体２７８、絶縁体２７８上に導電体１２０を有する。さらに、絶縁体２７８の上に、少なくとも一部が酸化物２３０の領域２３１ｂと重なるように、導電体１２０が配置されることが好ましい。また、導電体１２０の上に接して導電体が配置されることが好ましい。
【０９９２】  酸化物２３０の領域２３１ｂは、容量素子１００の電極の一方として機能し、導電体１２０は容量素子１００の電極の他方として機能する。絶縁体２７８は容量素子１００の誘電体として機能する。酸化物２３０の領域２３１ｂは低抵抗化されており、導電性酸化物である。したがって、容量素子１００の電極の一方として機能することができる。
【０９９３】  絶縁体２７８は、比誘電率の大きい絶縁体を用いることが好ましく、絶縁体２２２などに用いることができる絶縁体を用いればよい。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。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。また、絶縁体２７８は、積層構造であってもよい、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、窒化シリコン、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）などから、２層以上を選び積層構造としてもよい。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムおよび酸化ハフニウムを順に成膜し、積層構造とすることが好ましい。酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムの膜厚は、それぞれ、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。このような積層構造とすることで、容量値が大きく、かつ、リーク電流の小さな容量素子１００とすることができる。
【０９９４】  また、図８２において、容量素子１００の誘電体として絶縁体２７８を設ける構成を示したが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体２７８以外に、別途、絶縁体を積層して、容量素子１００の誘電体として用いる構成にしてもよい。
【０９９５】  導電体１２０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、図示しないが、導電体１２０は積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
【０９９６】＜セルアレイの構造＞
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図８３、および図８４に示す。例えば、図８２に示すトランジスタ２００、および容量素子１００を有するセル６００を、行列、またはマトリクス状に配置することで、セルアレイを構成することができる。
【０９９７】  図８３（Ａ）は、図８２に示すセル６００を、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図８３（Ａ）においては、行方向に隣り合うセル６００が有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が共通のＢＬ（ＢＬ０１、ＢＬ０２、ＢＬ０３）と電気的に接続する。また、当該ＢＬは、列方向に配置されたセル６００が有するトランジスタのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、行方向に隣り合うセル６００が有するトランジスタの第１のゲートは、異なるＷＬ（ＷＬ０１乃至ＷＬ０６）と電気的に接続する。また、各セル６００が有するトランジスタには第２のゲートＢＧが設けられていてもよい。ＢＧに印加される電位により、トランジスタのＶｔｈを制御することができる。また、セル６００が有する容量の第１の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第１の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル６００が有する容量の第２の電極は、ＰＬと電気的に接続する。
【０９９８】  図８３（Ｂ）は、図８３（Ａ）における、行の一部としてＷＬ０４とＢＬ０２に電気的に接続されたセル６００ａ、およびＷＬ０３とＢＬ０２に電気的に接続されたセル６００ｂを含む回路６１０を抜き出した断面図である。図８３（Ｂ）は、セル６００ａ、およびセル６００ｂの断面図を示す。
【０９９９】  セル６００ａは、トランジスタ２００ａおよび容量素子１００ａを有している。セル６００ｂは、トランジスタ２００ｂおよび容量素子１００ｂを有している。
【１０００】  トランジスタ２００ａのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方は、いずれもＢＬ０２と電気的に接続している。
【１００１】  上記構成より、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続する配線を共通化することで、セルアレイの占有面積をさらに縮小することができる。
【１００２】  図８４（Ａ）は、図８２に示すセル６００を、マトリクス状に配置した回路において、図８３（Ａ）と異なる形態を示す回路図である。図８４（Ａ）においては、行方向に配置されたセル６００が有するトランジスタの第１のゲートが共通のＷＬ（ＷＬ０１、ＷＬ０２、ＷＬ０３）と電気的に接続する。また、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が、共通のＢＬ（ＢＬ０１乃至ＢＬ０６）と電気的に接続する。また、各セル６００が有するトランジスタには第２のゲートＢＧが設けられていてもよい。ＢＧに印加される電位により、トランジスタのＶｔｈを制御することができる。また、セル６００が有する容量の第１の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第１の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル６００が有する容量の第２の電極は、ＰＬと電気的に接続する。ここで、図８４（Ａ）に示すように、セル６００の容量の第２の電極は、当該セル６００に隣接するセル６００の容量の第２の電極と、共通のＰＬに電気的に接続する構成としてもよい。
【１００３】  図８４（Ｂ）は、図８４（Ａ）における、行の一部としてＷＬ０２とＢＬ０３に電気的に接続されたセル６００ａ、およびＷＬ０２とＢＬ０４に電気的に接続されたセル６００ｂを含む回路６２０を抜き出した断面図である。図８４（Ｂ）は、セル６００ａおよびセル６００ｂの断面図を示す。
【１００４】  セル６００ａは、トランジスタ２００ａおよび容量素子１００ａを有している。セル６００ｂは、トランジスタ２００ｂおよび容量素子１００ｂを有している。
【１００５】  容量素子１００ａの第２の電極と、容量素子１００ｂの第２の電極は、共通の導電体を用いており、当該導電体はＰＬと電気的に接続している。
【１００６】  また、セル６００を平面に配置するのみでなく、積層して配置する構成としてもよい。図８５に回路６１０を含むセルアレイをｎ＋１層積層する構成の断面図を示す。図８５に示すように、複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの専有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、３Ｄセルアレイを構成することができる。
【１００７】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【１００８】（実施の形態８）
以下では、実施の形態７で示した半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
【１００９】  なお、図８６乃至図８９に示す半導体装置の一例において、実施の形態７で示した半導体装置の一例を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、実施の形態７で説明した半導体装置の一例と異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、実施の形態７で説明した内容を参酌できるものとする。
【１０１０】＜半導体装置の構成例＞
図８６（Ａ）、図８６（Ｂ）、および図８６（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、容量素子１００、およびトランジスタ２００周辺の上面図、および断面図である。なお、本明細書では、１つの容量素子、および少なくとも１つのトランジスタを有する記憶装置をセルと称する。
【１０１１】  図８６（Ａ）は、トランジスタ２００、および容量素子１００を有するセル６００の上面図である。また、図８６（Ｂ）、および図８６（Ｃ）はセル６００の断面図である。ここで、図８６（Ｂ）は、図８６（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図８６（Ｃ）は、図８６（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。図８６（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【１０１２】［セル６００］
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００、容量素子１００、および層間膜として機能する絶縁体２８０を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）とを有する。
【１０１３】［トランジスタ２００］
トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図８６に示すトランジスタ２００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。
【１０１４】［容量素子１００］
図８６に示すように、容量素子１００は、トランジスタ２００と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ２００の酸化物２３０に設けられた領域２３１ｂを、容量素子１００の電極の一方として機能する容量素子１００の例について示す。
【１０１５】  容量素子１００は、酸化物２３０の領域２３１ｂ、領域２３１ｂ上に絶縁体２７５、絶縁体２７５上に絶縁体２７３、絶縁体２７３上に導電体１２０を有する。さらに、絶縁体２７３の上に、少なくとも一部が酸化物２３０の領域２３１ｂと重なるように、導電体１２０が配置されることが好ましい。また、導電体１２０の上に接して導電体が配置されることが好ましい。
【１０１６】  酸化物２３０の領域２３１ｂは、容量素子１００の電極の一方として機能し、導電体１２０は容量素子１００の電極の他方として機能する。絶縁体２７５および絶縁体２７３は容量素子１００の誘電体として機能する。酸化物２３０の領域２３１ｂは低抵抗化されており、導電性酸化物である。したがって、容量素子１００の電極の一方として機能することができる。
【１０１７】  また、図８６において、容量素子１００の誘電体として絶縁体２７５および絶縁体２７３を設ける構成を示したが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体２７５および絶縁体２７３以外に、別途、誘電体用の絶縁体を積層する構成にしてもよい。
【１０１８】＜セルアレイの構造＞
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図８７、および図８８に示す。例えば、図８６に示すトランジスタ２００、および容量素子１００を有するセル６００を、行列、またはマトリクス状に配置することで、セルアレイを構成することができる。
【１０１９】  図８７（Ａ）は、図８６に示すセル６００を、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図８７（Ａ）においては、行方向に隣り合うセル６００が有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が共通のＢＬ（ＢＬ０１、ＢＬ０２、ＢＬ０３）と電気的に接続する。また、当該ＢＬは、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、行方向に隣り合うセル６００が有するトランジスタの第１のゲートは、異なるＷＬ（ＷＬ０１乃至ＷＬ０６）と電気的に接続する。また、各セル６００が有するトランジスタには第２のゲートＢＧが設けられていてもよい。ＢＧに印加される電位により、トランジスタのＶｔｈを制御することができる。また、セル６００が有する容量の第１の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第１の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル６００が有する容量の第２の電極は、ＰＬと電気的に接続する。
【１０２０】  図８７（Ｂ）は、図８７（Ａ）における、行の一部としてＷＬ０４とＢＬ０２に電気的に接続されたセル６００ａ、およびＷＬ０３とＢＬ０２に電気的に接続されたセル６００ｂを含む回路６１０を抜き出した断面図である。図８７（Ｂ）は、セル６００ａ、およびセル６００ｂの断面図を示す。
【１０２１】  図８８（Ａ）は、図８６に示すセル６００を、マトリクス状に配置した回路において、図８７（Ａ）と異なる形態を示す回路図である。図８８（Ａ）においては、行方向に配置されたセル６００が有するトランジスタの第１のゲートが共通のＷＬ（ＷＬ０１、ＷＬ０２、ＷＬ０３）と電気的に接続する。また、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が、共通のＢＬ（ＢＬ０１乃至ＢＬ０６）と電気的に接続する。また、各セル６００が有するトランジスタには第２のゲートＢＧが設けられていてもよい。ＢＧに印加される電位により、トランジスタのＶｔｈを制御することができる。また、セル６００が有する容量の第１の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第１の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル６００が有する容量の第２の電極は、ＰＬと電気的に接続する。ここで、図８８（Ａ）に示すように、セル６００の容量の第２の電極は、当該セル６００に隣接するセル６００の容量の第２の電極と、共通のＰＬに電気的に接続する構成としてもよい。
【１０２２】  図８８（Ｂ）は、図８８（Ａ）における、行の一部としてＷＬ０２とＢＬ０３に電気的に接続されたセル６００ａ、およびＷＬ０２とＢＬ０４に電気的に接続されたセル６００ｂを含む回路６２０を抜き出した断面図である。図８８（Ｂ）は、セル６００ａおよびセル６００ｂの断面図を示す。
【１０２３】  また、セル６００を平面に配置するのみでなく、積層して配置する構成としてもよい。図８９に回路６１０を含むセルアレイをｎ＋１層積層する構成の断面図を示す。図８９に示すように、複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの専有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、３Ｄセルアレイを構成することができる。
【１０２４】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【１０２５】（実施の形態９）
以下では、実施の形態７で示した半導体装置とは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
【１０２６】  なお、図９０乃至図９７に示す半導体装置の一例において、実施の形態７で示した半導体装置の一例を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、実施の形態７で説明した半導体装置の一例と異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、実施の形態７で説明した内容を参酌できるものとする。
【１０２７】＜半導体装置の構成例＞
図９０（Ａ）、図９０（Ｂ）、および図９０（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、容量素子１００、およびトランジスタ２００周辺の上面図、および断面図である。なお、本明細書では、１つの容量素子、および少なくとも１つのトランジスタを有する記憶装置をセルと称する。
【１０２８】  図９０（Ａ）は、トランジスタ２００、および容量素子１００を有するセル６００の上面図である。また、図９０（Ｂ）、および図９０（Ｃ）はセル６００の断面図である。ここで、図９０（Ｂ）は、図９０（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図９０（Ｃ）は、図９０（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。図９０（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【１０２９】［セル６００］
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００、容量素子１００、および層間膜として機能する絶縁体２８０および絶縁体２８２を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、プラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、および導電体２４０ｃ）とを有する。
【１０３０】  なお、容量素子１００において、必要な容量値に応じて、トランジスタ２００、および容量素子１００のレイアウトを適宜設計することができる。
【１０３１】  例えば、容量素子１００の面積は、酸化物２３０の領域２３１ｂと、導電体１２０が、絶縁体２７８を介して重畳する面積により決定される。従って、セル６００に必要な容量値が図９０（Ａ）、および図９０（Ｂ）に示す容量素子１００では得られない場合、領域２３１ｂのＡ３−Ａ４方向の幅を、領域２３４のＡ３−Ａ４方向の幅よりも大きくすることで、容量値を大きくすることができる。
【１０３２】  また、例えば、領域２３１ｂのＡ１−Ａ２方向の長さを、導電体１２０のＡ１−Ａ２方向の長さよりも長くしてもよい。その場合、導電体２４０ｂを、絶縁体２８０および絶縁体２８２に埋め込むことができる。つまり領域２３１ｂと、導電体２４０ｂとが、領域２３１ｂと導電体１２０とが重畳しない領域で接するように設けてもよい。従って、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂ、および導電体２４０ｃを同一工程で形成することで、工程を短縮することができる。
【１０３３】  また、このような構成とすることで、例えば、図９０（Ｂ）において、開口の位置が設計の位置よりＡ１側またはＡ２側にずれても、開口に埋め込まれている導電体２４０ａと領域２３１ａとの電気的接続、および、開口に埋め込まれている導電体２４０ｃと導電体１２０との電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるので良好となる。図９１に開口がＡ２側にずれた一例を示す。
【１０３４】  上記構造を有することで、微細化または高集積化が可能である。また、設計自由度を高くすることができる。また、トランジスタ２００は、容量素子１００と、同一の工程で形成する。従って、工程を短縮することができるため、生産性を向上させることができる。
【１０３５】［トランジスタ２００］
トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図９０に示すトランジスタ２００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。
【１０３６】［容量素子１００］
図９０に示すように、容量素子１００は、トランジスタ２００と共通の構造を有する構成である。本実施の形態では、トランジスタ２００の酸化物２３０に設けられた領域２３１ｂを、容量素子１００の電極の一方として機能する容量素子１００の例について示す。
【１０３７】  容量素子１００は、酸化物２３０の領域２３１ｂ、領域２３１ｂ上に絶縁体２７８、絶縁体２７８上に導電体１２０を有する。導電体１２０は、絶縁体２７８の上に、少なくとも一部が酸化物２３０の領域２３１ｂと重なるように配置されることが好ましい。また、導電体１２０の上に接して導電体２４０ｃが配置されることが好ましい。
【１０３８】  図９０（Ａ）に示すように、上面視において、絶縁体２７８の側面は、導電体１２０の側面と一致しているが、これに限られるものではない。例えば、絶縁体２７８をパターン形成せずに、絶縁体２７８がトランジスタ２００を覆う構成にしてもよい。
【１０３９】＜セルアレイの構造＞
ここで、本実施の形態のセルアレイの一例を、図９２乃至図９６に示す。例えば、図９０に示すトランジスタ２００、および容量素子１００を有するセル６００を、行列、またはマトリクス状に配置することで、セルアレイを構成することができる。
【１０４０】  図９２（Ａ）は、図９０に示すセル６００を、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図９２（Ａ）においては、行方向に隣り合うセル６００が有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が共通のＢＬ（ＢＬ０１、ＢＬ０２、ＢＬ０３）と電気的に接続する。また、当該ＢＬは、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、行方向に隣り合うセル６００が有するトランジスタの第１のゲートは、異なるＷＬ（ＷＬ０１乃至ＷＬ０６）と電気的に接続する。また、各セル６００が有するトランジスタには第２のゲートＢＧが設けられていてもよい。ＢＧに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。また、セル６００が有する容量の第１の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第１の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル６００が有する容量の第２の電極は、ＰＬと電気的に接続する。
【１０４１】  図９２（Ｂ）は、図９２（Ａ）における、行の一部としてＷＬ０４とＢＬ０２に電気的に接続されたセル６００ａ、およびＷＬ０３とＢＬ０２に電気的に接続されたセル６００ｂを含む回路６１０を抜き出した断面図である。図９２（Ｂ）は、セル６００ａ、およびセル６００ｂの断面図を示す。
【１０４２】  また、このような構成とすることで、例えば、図９２（Ｂ）において、開口の位置が設計の位置よりＡ１側またはＡ２側にずれても、開口に埋め込まれている導電体と容量素子１００ａの一方の電極との電気的接続、開口に埋め込まれている導電体と容量素子１００ｂの一方の電極との電気的接続、ならびに、ＢＬ０２と接続されている開口に埋め込まれている導電体とトランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方との電気的接続が、それぞれ自己整合的に行われるので良好となる。図９３に開口がＡ２側にずれた一例を示す。
【１０４３】  図９４は、図９０に示すセル６００を、図９２（Ａ）と異なる構成で、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図９４に示すセルアレイでは、配線ＢＬが行方向に延伸され、配線ＷＬが列方向に延伸される。
【１０４４】  図９４に示すように、セルを構成するトランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方が共通の配線ＢＬ（ＢＬ０１、ＢＬ０２、ＢＬ０３）と電気的に接続する。また、当該配線ＢＬは、行方向に配置されたセル６００が有する、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、セル６００を構成する、トランジスタ２００ａの第１のゲート、およびトランジスタ２００ｂの第１のゲートは、それぞれ異なる配線ＷＬ（ＷＬ０１乃至ＷＬ０６）と電気的に接続する。また、これらの配線ＷＬは、列方向に配置されたセル６００が有する、トランジスタ２００ａの第１のゲート、およびトランジスタ２００ｂの第１のゲートと、それぞれ電気的に接続する。
【１０４５】  また、各セル６００が有するトランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂには第２のゲートＢＧが設けられていてもよい。第２のゲートＢＧと配線ＢＧＬとは電気的に接続され、配線ＢＧＬに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。また、セル６００が有する、容量素子１００ａの導電体１２０ａ、および容量素子１００ｂの導電体１２０ｂは、それぞれ、異なる配線ＶＬと電気的に接続する。
【１０４６】  また、図９５は、図９４に示す回路図の点線で示す部位に対応する断面図である。図９５に図示するように、配線ＢＬ０２と、配線ＷＬ０３乃至ＷＬ０６とは直交している。また、図９５に図示するように、配線ＢＬ０２と、配線ＶＬとは直交している。また、配線ＶＬは、隣接するメモリセル間で共有するように設けられている。
【１０４７】  図９６（Ａ）は、図９０に示すセル６００を、マトリクス状に配置した回路において、図９２（Ａ）と異なる形態を示す回路図である。図９６（Ａ）においては、行方向に配置されたセル６００が有するトランジスタの第１のゲートが共通のＷＬ（ＷＬ０１、ＷＬ０２、ＷＬ０３）と電気的に接続する。また、列方向に配置されたセルが有するトランジスタのソースおよびドレインの一方が、共通のＢＬ（ＢＬ０１乃至ＢＬ０６）と電気的に接続する。また、各セル６００が有するトランジスタには第２のゲートＢＧが設けられていてもよい。ＢＧに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。また、セル６００が有する容量の第１の電極は、トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続する。この時、容量の第１の電極は、トランジスタを構成する構造の一部からなる場合がある。また、セル６００が有する容量の第２の電極は、ＰＬと電気的に接続する。ここで、図９６（Ａ）に示すように、セル６００の容量の第２の電極は、当該セル６００に隣接するセル６００の容量の第２の電極と、共通のＰＬに電気的に接続する構成としてもよい。
【１０４８】  図９６（Ｂ）は、図９６（Ａ）における、行の一部としてＷＬ０２とＢＬ０３に電気的に接続されたセル６００ａ、およびＷＬ０２とＢＬ０４に電気的に接続されたセル６００ｂを含む回路６２０を抜き出した断面図である。図９６（Ｂ）は、セル６００ａ、およびセル６００ｂの断面図を示す。
【１０４９】  また、セル６００を平面に配置するのみでなく、積層して配置する構成としてもよい。図９７に回路６１０を含むセルアレイをｎ＋１層積層する構成の断面図を示す。図９７に示すように、複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの専有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、３Ｄセルアレイを構成することができる。
【１０５０】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【１０５１】（実施の形態１０）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図９８乃至図１０２を用いて説明する。
【１０５２】＜記憶装置１＞
図９８、および図９９に示す記憶装置は、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。図９８は、トランジスタ２００およびトランジスタ３００のチャネル長方向の断面図である。図９９には、トランジスタ３００近傍のトランジスタ３００のチャネル幅方向の断面図を示す。
【１０５３】  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。
【１０５４】  図９８に示す記憶装置において、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のトップゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のボトム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。
【１０５５】  図９８に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【１０５６】  情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線１００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、配線１００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＳＮに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、配線１００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＳＮに電荷が保持される（保持）。
【１０５７】  トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＳＮの電荷は長期間にわたって保持される。
【１０５８】  次に情報の読み出しについて説明する。配線１００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、配線１００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、配線１００２は、ノードＳＮに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために必要な配線１００５の電位をいうものとする。したがって、配線１００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＳＮに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＳＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は「導通状態」となる。一方、ノードＳＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通状態」のままである。このため、配線１００２の電位を判別することで、ノードＳＮに保持されている情報を読み出すことができる。
【１０５９】＜記憶装置１の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図９８に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
【１０６０】  トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、ならびに、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。
【１０６１】  トランジスタ３００は、図９９に示すように、半導体領域３１３の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ３００のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ３００のオフ特性を向上させることができる。
【１０６２】  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。
【１０６３】  半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
【１０６４】  低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
【１０６５】  ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
【１０６６】  なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
【１０６７】  なお、図９８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。
【１０６８】  トランジスタ３００を覆って、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。
【１０６９】  絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、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、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
【１０７０】  絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。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。
【１０７１】  また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
【１０７２】  水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
【１０７３】  水素の脱離量は、例えば、ＴＤＳなどを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
【１０７４】  なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。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。
【１０７５】  また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線としての機能を有する。また、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。
【１０７６】  各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
【１０７７】  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９８において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【１０７８】  なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
【１０７９】  なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であることが好ましい。
【１０８０】  絶縁体３５４、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図９８において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【１０８１】  なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
【１０８２】  絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図９８において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【１０８３】  なお、例えば、絶縁体３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３７６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３７０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
【１０８４】  絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図９８において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【１０８５】  なお、例えば、絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３８６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３８０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
【１０８６】  上記において、導電体３５６を含む配線層、導電体３６６を含む配線層、導電体３７６を含む配線層、および導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る記憶装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を５層以上にしてもよい。
【１０８７】  絶縁体３８４、および導電体３８６上には絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６が、順に積層して設けられている。絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
【１０８８】  例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
【１０８９】  水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
【１０９０】  また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
【１０９１】  特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
【１０９２】  また、例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的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２１２、および絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
【１０９３】  また、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【１０９４】  特に、絶縁体２１０、および絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
【１０９５】  絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。なお、トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図９８に示すトランジスタ２００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。
【１０９６】  トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０を設ける。
【１０９７】  絶縁体２８０上には、絶縁体２８２が設けられている。絶縁体２８２は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。従って、絶縁体２８２には、絶縁体２１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体２８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
【１０９８】  特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
【１０９９】  また、絶縁体２８２上には、絶縁体２８６が設けられている。絶縁体２８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的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２８６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
【１１００】  また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６には、導電体２４６、および導電体２４８等が埋め込まれている。
【１１０１】  導電体２４６、および導電体２４８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。導電体２４６、および導電体２４８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【１１０２】  続いて、トランジスタ２００の上方には、容量素子１００が設けられている。容量素子１００は、導電体１１０、導電体１２０、および絶縁体１３０を有する。
【１１０３】  また、導電体２４６、および導電体２４８上に、導電体１１２を設けてもよい。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。導電体１１０は、容量素子１００の電極としての機能を有する。なお、導電体１１２、および導電体１１０は、同時に形成することができる。
【１１０４】  導電体１１２、および導電体１１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。又は、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、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
【１１０５】  図９８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。
【１１０６】  また、導電体１１２、および導電体１１０上に、容量素子１００の誘電体として、絶縁体１３０を設ける。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。
【１１０７】  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を用いるとよい。当該構成により、容量素子１００は、絶縁体１３０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。
【１１０８】  絶縁体１３０上に、導電体１１０と重畳するように、導電体１２０を設ける。なお、導電体１２０は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を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、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
【１１０９】  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。絶縁体１５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体１５０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。
【１１１０】  本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
【１１１１】＜記憶装置２＞
図１００に示す半導体装置は、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１００を用いて説明する。
【１１１２】  本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ２００、トランジスタ４００、および容量素子１００の接続関係の一例を示した回路図を図１００（Ａ）に示す。また、図１００（Ａ）に示す配線１００３から配線１０１０などを対応させた半導体装置の断面図を図１００（Ｂ）に示す。
【１１１３】  基板（図示せず）の上に形成されたトランジスタ２００およびトランジスタ４００は、異なる構成を有する。例えば、トランジスタ４００は、トランジスタ２００と比較して、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流が小さい構成とすればよい。トランジスタ４００をスイッチング素子として、トランジスタ２００のボトムゲートの電位を制御できる構成とする。これにより、トランジスタ２００のボトムゲートと接続するノードを所望の電位にした後、トランジスタ４００をオフ状態にすることで、トランジスタ２００のボトムゲートと接続するノードの電荷が消失することを抑制することができる。
【１１１４】  図１００に示すように、トランジスタ２００は、ゲートが配線１００４と、ソースおよびドレインの一方が配線１００３と、ソース及びドレインの他方が容量素子１００の電極の一方と電気的に接続される。また、容量素子１００の電極の他方が配線１００５と電気的に接続される。また、トランジスタ４００のドレインが配線１０１０と電気的に接続される。また、図１００（Ａ）、（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００のボトムゲートと、トランジスタ４００のソース、トップゲート、およびボトムゲートが、配線１００６、配線１００７、配線１００８、および配線１００９を介して電気的に接続される。
【１１１５】  ここで、配線１００４に電位を印加することで、トランジスタ２００のオン状態、オフ状態を制御することができる。トランジスタ２００をオン状態として、配線１００３に電位を印加することで、トランジスタ２００を介して、容量素子１００に電荷を供給することができる。このとき、トランジスタ２００をオフ状態にすることで、容量素子１００に供給された電荷を保持することができる。また、配線１００５は、任意の電位を与えることで、容量結合によって、トランジスタ２００と容量素子１００の接続部分の電位を制御することができる。例えば、配線１００５に接地電位を与えると、上記電荷を保持しやすくなる。また、配線１０１０に負の電位を印加することで、トランジスタ４００を介して、トランジスタ２００のボトムゲートに負の電位を与え、トランジスタ２００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、Ｉｃｕｔを非常に小さくすることができる。ここで、Ｉｃｕｔとは、トップゲートに印加する電圧が０Ｖのときのドレイン電流のことを指す。
【１１１６】  トランジスタ４００のトップゲート及びボトム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のボトムゲートを接続する構成にすることで、配線１０１０によって、トランジスタ２００のボトムゲート電圧を制御することができる。トランジスタ２００のボトムゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ４００のトップゲートとソース間の電圧、およびボトムゲートとソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ４００のＩｃｕｔが非常に小さく、しきい値電圧がトランジスタ２００より大きいので、この構成とすることにより、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のボトムゲートの負電位を長時間維持することができる。
【１１１７】  さらに、トランジスタ２００のボトムゲートの負電位を保持することで、トランジスタ２００に電源供給をしなくてもトランジスタ２００のＩｃｕｔを非常に小さくすることができる。つまり、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、容量素子１００に電荷を長時間保持することができる。例えば、このような半導体装置を記憶素子として用いることにより、電源供給無しで長時間の記憶保持を行うことができる。よって、リフレッシュ動作の頻度が少ない、またはリフレッシュ動作を必要としない記憶装置を提供することができる。
【１１１８】  なお、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００の接続関係は、図１００（Ａ）、（Ｂ）に示すものに限定されない。必要な回路構成に応じて適宜接続関係を変更することができる。
【１１１９】＜記憶装置２の構造＞
図１００（Ｂ）は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１００に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶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。
【１１２０】  本発明の一態様の記憶装置は、図１００に示すようにトランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００は同一層に設けられ、容量素子１００はトランジスタ２００、およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
【１１２１】  なお、容量素子１００、およびトランジスタ２００としては、先の実施の形態、および図９８で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図１００に示す容量素子１００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【１１２２】  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、トップゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５と、導電体４６０と接する絶縁体４７０と、導電体４６０の側面に配置された絶縁体４７５と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体４２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５は、配線として機能する導電体４０３と、電気的に接続されている。
【１１２３】  トランジスタ４００において、導電体４０５は、導電体２０５と、同じ層である。絶縁体４２４は、絶縁体２２４と、同じ層である。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａは、酸化物２３０ａと、同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂは、酸化物２３０ｂと、同じ層である。酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃと、同じ層である。絶縁体４５０は、絶縁体２５０と、同じ層である。金属酸化物４５２は、金属酸化物２５２と、同じ層である。導電体４６０は、導電体２６０と、同じ層である。また、絶縁体４７０は、絶縁体２７０と、同じ層である。また、絶縁体４７１は、絶縁体２７１と、同じ層である。また、絶縁体４７５は、絶縁体２７５と、同じ層である。
【１１２４】  トランジスタ４００の活性層として機能する酸化物４３０ｃは、酸化物２３０などと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、ボトムゲート電圧及びトップゲート電圧が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。
【１１２５】  また、上記の通り、酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａは、酸化物２３０ａと同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂは、酸化物２３０ｂと同じ層である。よって、酸化物４３１ａ、酸化物４３２ａ、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂには、領域２３１ａおよび領域２３１ｂに相当する低抵抗領域が形成されている。
【１１２６】  本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１１２７】＜記憶装置３＞
図１０１に示す半導体装置は、トランジスタ３００、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１０１を用いて説明する。
【１１２８】  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り、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ２００の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、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。
【１１２９】  図１０１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のトップゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のボトム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のトップゲートと電気的に接続され、配線１００９はトランジスタ４００のボトム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。
【１１３０】  図１０１に示す半導体装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【１１３１】  情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線１００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、第３の配線１００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＳＮに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）のどちらかが与えられるものとする。その後、第４の配線１００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＳＮに電荷が保持される（保持）。
【１１３２】  トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＳＮの電荷は長期間にわたって保持される。
【１１３３】  次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線１００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線１００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線１００２は、ノードＳＮに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために必要な第５の配線１００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線１００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＳＮに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＳＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線１００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は「導通状態」となる。一方、ノードＳＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線１００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通状態」のままである。このため、第２の配線１００２の電位を判別することで、ノードＳＮに保持されている情報を読み出すことができる。
【１１３４】＜記憶装置３の構造＞
【１１３５】  図１０１は、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１０１に示す記憶装置において、先の実施の形態、＜記憶装置１の構造＞、および＜記憶装置２の構造＞、に示した半導体装置、および記憶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。
【１１３６】  本発明の一態様の記憶装置は、図１０１に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００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、トランジスタ２００およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
【１１３７】  なお、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００としては、先の実施の形態、および図９８乃至図１００で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図１０１に示す容量素子１００、トランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【１１３８】  図１０１に示す記憶装置では、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２７３、絶縁体２７４、および絶縁体２８０に、開口部５００を設け、絶縁体２１０と絶縁体２８２を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００は、絶縁体２１０と絶縁体２８２に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部５００は設けなくてもよい。
【１１３９】  本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１１４０】＜メモリセルアレイの構造＞
【１１４１】  本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図１０２に示す。トランジスタ２００をメモリセルとして、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。
【１１４２】  なお、図１０２に示す記憶装置は、図９８、および図１０１に示す記憶装置を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半導体装置である。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００のボトム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。
【１１４３】  従って、図１０２には、図１０１に示すトランジスタ４００は省略する。図１０２は、図９８、および図１０１に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。
【１１４４】  また、図１０２は、図１０１と、トランジスタ３００の構成が異なる。図１０２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。
【１１４５】  図１０２に示す記憶装置では、メモリセル６５０ａとメモリセル６５０ｂが隣接して配置されている。メモリセル６５０ａおよびメモリセル６５０ｂは、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有し、配線１００１、配線１００２、配線１００３、配線１００４、配線１００５、および配線１００６と電気的に接続される。また、メモリセル６５０ａおよびメモリセル６５０ｂにおいても、同様にトランジスタ３００のゲートと、容量素子１００の電極の一方と、が電気的に接続するノードを、ノードＳＮとする。なお、配線１００２は隣接するメモリセル６５０ａとメモリセル６５０ｂで共通の配線である。
【１１４６】  メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報を読み出さなくてはならない。例えば、メモリセルアレイがＮＯＲ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を非導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＳＮに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「非導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線１００５に与えればよい。または、例えば、メモリセルアレイがＮＡＮＤ型の構成の場合、情報を読み出さないメモリセルのトランジスタ３００を導通状態にすることで、所望のメモリセルの情報のみを読み出すことができる。この場合、ノードＳＮに与えられた電荷によらずトランジスタ３００が「導通状態」となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を、情報を読み出さないメモリセルと接続される配線１００５に与えればよい。
【１１４７】  本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１１４８】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【１１４９】（実施の形態１１）
本実施の形態では、実施の形態１０で示した半導体装置の一形態とは異なる、半導体装置の一形態を、図１０３乃至図１０６を用いて説明する。
【１１５０】  なお、図１０３乃至図１０６に示す半導体装置の一形態において、実施の形態１０で示した半導体装置の一形態を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、実施の形態１０で説明した半導体装置の一形態と異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、実施の形態１０で説明した内容を参酌できるものとする。
【１１５１】＜記憶装置１＞
図１０３に示す記憶装置は、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。図１０３は、トランジスタ２００およびトランジスタ３００のチャネル長方向の断面図である。
【１１５２】  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。
【１１５３】  図１０３に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。なお、情報の書き込み、保持、読み出しについては、先の実施の形態の説明を参酌することができる。
【１１５４】＜記憶装置１の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図１０３に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
【１１５５】  トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図１０３に示すトランジスタ２００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。
【１１５６】  本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
【１１５７】＜記憶装置２＞
図１０４に示す半導体装置は、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１０４を用いて説明する。
【１１５８】  本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ２００、トランジスタ４００、および容量素子１００の接続関係の一例を示した回路図を図１０４（Ａ）に示す。また、図１０４（Ａ）に示す配線１００３から配線１０１０などを対応させた半導体装置の断面図を図１０４（Ｂ）に示す。
【１１５９】＜記憶装置２の構造＞
図１０４（Ｂ）は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１０４に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶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。
【１１６０】  本発明の一態様の記憶装置は、図１０４に示すようにトランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００は同一層に設けられ、容量素子１００はトランジスタ２００、およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
【１１６１】  なお、容量素子１００、およびトランジスタ２００としては、先の実施の形態、および図１０３で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図１０４に示す容量素子１００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【１１６２】  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、トップゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５と、導電体４６０と接する絶縁体４７０と、導電体４６０の側面に配置された絶縁体４７２と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体４２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５は、配線として機能する導電体４０３と、電気的に接続されている。
【１１６３】  トランジスタ４００において、導電体４０５は、導電体２０５と、同じ層である。絶縁体４２４は、絶縁体２２４と、同じ層である。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａは、酸化物２３０ａと、同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂは、酸化物２３０ｂと、同じ層である。酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃと、同じ層である。絶縁体４５０は、絶縁体２５０と、同じ層である。金属酸化物４５２は、金属酸化物２５２と、同じ層である。導電体４６０は、導電体２６０と、同じ層である。また、絶縁体４７０は、絶縁体２７０と、同じ層である。また、絶縁体４７１は、絶縁体２７１と、同じ層である。また、絶縁体４７２は、絶縁体２７２と、同じ層である。
【１１６４】  本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１１６５】＜記憶装置３＞
図１０５に示す半導体装置は、トランジスタ３００、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１０５を用いて説明する。
【１１６６】  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り、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ２００の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、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。
【１１６７】＜記憶装置３の構造＞
【１１６８】  図１０５は、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１０５に示す記憶装置において、先の実施の形態、＜記憶装置１の構造＞、および＜記憶装置２の構造＞、に示した半導体装置、および記憶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。
【１１６９】  本発明の一態様の記憶装置は、図１０５に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００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、トランジスタ２００およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
【１１７０】  なお、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００としては、先の実施の形態、および図１０３乃至図１０４で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図１０５に示す容量素子１００、トランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【１１７１】  図１０５に示す記憶装置では、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２７５、絶縁体２７３、絶縁体２７４、および絶縁体２８０に、開口部５００を設け、絶縁体２１０と絶縁体２８２を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００は、絶縁体２１０と絶縁体２８２に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部５００は設けなくてもよい。
【１１７２】  本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１１７３】＜メモリセルアレイの構造＞
【１１７４】  本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図１０６に示す。トランジスタ２００をメモリセルとして、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。
【１１７５】  なお、図１０６に示す記憶装置は、図１０３、および図１０５に示す記憶装置を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半導体装置である。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００のボトム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。
【１１７６】  従って、図１０６には、図１０５に示すトランジスタ４００は省略する。図１０６は、図１０３、および図１０５に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。
【１１７７】  なお、図１０６に示すトランジスタ３００の説明は、図１０２に示すトランジスタ３００の説明を参酌することができる。
【１１７８】  本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１１７９】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【１１８０】（実施の形態１２）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１０７乃至図１１１を用いて説明する。
【１１８１】  なお、図１０７乃至図１１１に示す半導体装置の一形態において、先の実施の形態で示した半導体装置の一形態を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、先の実施の形態で説明した半導体装置の一形態と異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、先の実施の形態で説明した内容を参酌できるものとする。
【１１８２】＜記憶装置１＞
図１０７、および図１０８に示す記憶装置は、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。図１０７および図１０８は、トランジスタ２００およびトランジスタ３００のチャネル長方向の断面図である。
【１１８３】  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。
【１１８４】  図１０７、および図１０８に示す記憶装置において、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のトップゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のボトム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。
【１１８５】  図１０７、および図１０８に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。なお、情報の書き込み、保持、読み出しについては、先の実施の形態の説明を参酌することができる。
【１１８６】＜記憶装置１の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図１０７に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
【１１８７】  トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図１０７に示すトランジスタ２００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。
【１１８８】  本構造を用いることで、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ともに、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
【１１８９】＜記憶装置１の変形例＞
以下では、図１０８を用いて、本発明の一態様に係る記憶装置の一例について説明する。
【１１９０】  図１０８は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１０８に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶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。
【１１９１】  図１０８に示す記憶装置は、＜記憶装置１の構造＞に示した記憶装置と、先の実施の形態で説明したセル６００を設けた点において異なる。
【１１９２】  具体的には、図１０８に示す記憶装置は、容量素子１００と、トランジスタ２００を独立して設ける代わりに、容量素子１００の構成の一部と、トランジスタ２００の構成の一部とを共有するセル６００を有する。
【１１９３】  上記構造により、セル６００と、トランジスタ３００との一部、または全体が、重畳することで、記憶装置の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。したがって、セル６００の微細化、または高集積化が容易となる。また、工程短縮が可能となる。
【１１９４】＜記憶装置２＞
図１０９に示す半導体装置は、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１０９を用いて説明する。
【１１９５】  本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ２００、トランジスタ４００、および容量素子１００の接続関係の一例を示した回路図を図１０９（Ａ）に示す。また、図１０９（Ａ）に示す配線１００３から配線１０１０などを対応させた半導体装置の断面図を図１０９（Ｂ）に示す。
【１１９６】＜記憶装置２の構造＞
図１０９（Ｂ）は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１０９に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶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。
【１１９７】  本発明の一態様の記憶装置は、図１０９に示すようにトランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００は同一層に設けられ、容量素子１００はトランジスタ２００、およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
【１１９８】  なお、容量素子１００、およびトランジスタ２００としては、先の実施の形態、ならびに図１０７および図１０８で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図１０９に示す容量素子１００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【１１９９】  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、トップゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５と、導電体４６０と接する絶縁体４７１、および絶縁体４７２と、絶縁体４７２を介して導電体４６０の側面に配置された絶縁体４７３と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５は、配線として機能する導電体４０３と、電気的に接続されている。
【１２００】  トランジスタ４００において、絶縁体４７３は、絶縁体２７３と、同じ層である。
【１２０１】  本構造を用いることで、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ともに、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１２０２】＜記憶装置３＞
図１１０に示す半導体装置は、トランジスタ３００、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１１０を用いて説明する。
【１２０３】  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り、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ２００の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、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。
【１２０４】＜記憶装置３の構造＞
【１２０５】  図１１０は、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１１０に示す記憶装置において、先の実施の形態、＜記憶装置１の構造＞、および＜記憶装置２の構造＞、に示した半導体装置、および記憶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。
【１２０６】  本発明の一態様の記憶装置は、図１１０に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００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、トランジスタ２００およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
【１２０７】  なお、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００としては、先の実施の形態、および図１０７乃至図１０９で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図１１０に示す容量素子１００、トランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【１２０８】  図１１０に示す記憶装置では、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２８０に、開口部５００を設け、絶縁体２１０と絶縁体２８２を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００は、絶縁体２１０と絶縁体２８２に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部５００は設けなくてもよい。
【１２０９】  本構造を用いることで、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ともに、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１２１０】＜メモリセルアレイの構造＞
【１２１１】  本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図１１１に示す。トランジスタ２００をメモリセルとして、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。
【１２１２】  なお、図１１１に示す記憶装置は、図１０７、および図１１０に示す記憶装置を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半導体装置である。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００のボトムゲート電位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。
【１２１３】  したがって、図１１１には、図１１０に示すトランジスタ４００は省略する。図１１１は、図１０７、および図１１０に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。
【１２１４】  また、図１１１は、図１１０と、トランジスタ３００の構成が異なる。図１１１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。
【１２１５】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【１２１６】（実施の形態１３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１１２乃至図１１６を用いて説明する。
【１２１７】  なお、図１１２乃至図１１６に示す半導体装置の一形態において、先の実施の形態で示した半導体装置の一形態を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、先の実施の形態で説明した半導体装置の一形態を異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、先の実施の形態で説明した内容を参酌できるものとする。
【１２１８】＜記憶装置１＞
図１１２、および図１１３に示す記憶装置は、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。図１１２および図１１３は、トランジスタ２００およびトランジスタ３００のチャネル長方向の断面図である。
【１２１９】＜記憶装置１の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図１１２に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
【１２２０】  トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図１１２に示すトランジスタ２００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。
【１２２１】  本構造を用いることで、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ともに、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
【１２２２】＜記憶装置１の変形例＞
以下では、図１１３を用いて、本発明の一態様に係る記憶装置の一例について説明する。
【１２２３】  図１１３は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１１３に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶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。
【１２２４】  図１１３に示す記憶装置は、＜記憶装置１の構造＞に示した記憶装置と、先の実施の形態で説明したセル６００を設けた点において異なる。
【１２２５】  具体的には、図１１３に示す記憶装置は、容量素子１００と、トランジスタ２００を独立して設ける代わりに、容量素子１００の構成の一部と、トランジスタ２００の構成の一部とを共有するセル６００を有する。
【１２２６】  上記構造により、セル６００と、トランジスタ３００との一部、または全体が、重畳することで、記憶装置の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。したがって、セル６００の微細化、または高集積化が容易となる。また、工程短縮が可能となる。
【１２２７】＜記憶装置２＞
図１１４に示す半導体装置は、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１１４を用いて説明する。
【１２２８】  本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ２００、トランジスタ４００、および容量素子１００の接続関係の一例を示した回路図を図１１４（Ａ）に示す。また、図１１４（Ａ）に示す配線１００３から配線１０１０などを対応させた半導体装置の断面図を図１１４（Ｂ）に示す。
【１２２９】＜記憶装置２の構造＞
図１１４（Ｂ）は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１１４に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶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。
【１２３０】  本発明の一態様の記憶装置は、図１１４に示すようにトランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００は同一層に設けられ、容量素子１００はトランジスタ２００、およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
【１２３１】  なお、容量素子１００、およびトランジスタ２００としては、先の実施の形態、ならびに図１１２および図１１３で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図１１４に示す容量素子１００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【１２３２】  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、トップゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５と、導電体４６０と接する絶縁体４７１、および絶縁体４７２と、絶縁体４７２を介して導電体４６０の側面に配置された絶縁体４７７と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５は、配線として機能する導電体４０３と、電気的に接続されている。
【１２３３】  トランジスタ４００において、絶縁体４７７は、絶縁体２７７と、同じ層である。
【１２３４】  本構造を用いることで、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ともに、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１２３５】＜記憶装置３＞
図１１５に示す半導体装置は、トランジスタ３００、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１１５を用いて説明する。
【１２３６】  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り、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ２００の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、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。
【１２３７】＜記憶装置３の構造＞
【１２３８】  図１１５は、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１１５に示す記憶装置において、先の実施の形態、＜記憶装置１の構造＞、および＜記憶装置２の構造＞、に示した半導体装置、および記憶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。
【１２３９】  本発明の一態様の記憶装置は、図１１５に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００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、トランジスタ２００およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
【１２４０】  なお、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００としては、先の実施の形態、および図１１２乃至図１１４で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量およびトランジスタを用いればよい。なお、図１１５に示す容量素子１００、トランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【１２４１】  図１１５に示す記憶装置では、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２７５、絶縁体２７３、および絶縁体２８０に、開口部５００を設け、絶縁体２１０と絶縁体２８２を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００は、絶縁体２１０と絶縁体２８２に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部５００は設けなくてもよい。
【１２４２】  本構造を用いることで、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ともに、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１２４３】＜メモリセルアレイの構造＞
【１２４４】  本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図１１６に示す。トランジスタ２００をメモリセルとして、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。
【１２４５】  なお、図１１６に示す記憶装置は、図１１２、および図１１５に示す記憶装置を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半導体装置である。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００のボトムゲート電位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。
【１２４６】  したがって、図１１６には、図１１５に示すトランジスタ４００は省略する。図１１６は、図１１２、および図１１５に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。
【１２４７】  また、図１１６は、図１１５と、トランジスタ３００の構成が異なる。図１１６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。
【１２４８】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態や実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【１２４９】（実施の形態１４）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１１７乃至図１２１を用いて説明する。
【１２５０】  なお、図１１７乃至図１２１に示す半導体装置の一形態において、先の実施の形態で示した半導体装置の一形態を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号も付記している。また、以下では、主に、先の実施の形態で説明した半導体装置の一形態を異なる部分について説明を行い、それ以外の部分については、先の実施の形態で説明した内容を参酌できるものとする。
【１２５１】＜記憶装置１＞
図１１７、および図１１８に示す記憶装置は、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。図１１７および図１１８は、トランジスタ２００およびトランジスタ３００のチャネル長方向の断面図である。
【１２５２】＜記憶装置１の構造＞
本発明の一態様の記憶装置は、図１１７に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
【１２５３】  トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタを用いればよい。また、図１１７に示すトランジスタ２００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。
【１２５４】  本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
【１２５５】＜記憶装置１の変形例＞
以下では、図１１８を用いて、本発明の一態様に係る記憶装置の一例について説明する。
【１２５６】  図１１８は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１１８に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶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。
【１２５７】  図１１８に示す記憶装置は、＜記憶装置１の構造＞に示した記憶装置と、先の実施の形態で説明したセル６００を設けた点において異なる。
【１２５８】  具体的には、図１１８に示す記憶装置は、容量素子１００と、トランジスタ２００を独立して設ける代わりに、容量素子１００の構成の一部と、トランジスタ２００の構成の一部とを共有するセル６００を有する。
【１２５９】  上記構造により、セル６００と、トランジスタ３００との一部、または全体が、重畳することで、記憶装置の投影面積の合計した面積を小さくすることができる。従って、セル６００の微細化、または高集積化が容易となる。また、工程短縮が可能となる。
【１２６０】＜記憶装置２＞
図１１９に示す半導体装置は、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１１９を用いて説明する。
【１２６１】  本実施の形態に示す半導体装置における、トランジスタ２００、トランジスタ４００、および容量素子１００の接続関係の一例を示した回路図を図１１９（Ａ）に示す。また、図１１９（Ａ）に示す配線１００３から配線１０１０などを対応させた半導体装置の断面図を図１１９（Ｂ）に示す。
【１２６２】＜記憶装置２の構造＞
図１１９（Ｂ）は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１１９に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶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。
【１２６３】  本発明の一態様の記憶装置は、図１１９に示すようにトランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００は同一層に設けられ、容量素子１００はトランジスタ２００、およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
【１２６４】  なお、容量素子１００、およびトランジスタ２００としては、先の実施の形態、ならびに図１１７および図１１８で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図１１９に示す容量素子１００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【１２６５】  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、トップゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５と、導電体４６０と接する絶縁体４７０、および絶縁体４７２と、絶縁体４７２を介して導電体４６０の側面に配置された絶縁体４７５と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースまたはドレインの一方として機能する酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、を有する。また、ボトムゲート電極として機能する導電体４０５は、配線として機能する導電体４０３と、電気的に接続されている。
【１２６６】  トランジスタ４００において、絶縁体４７０は、絶縁体２７０と、同じ層である。また、絶縁体４７２は、絶縁体２７２と、同じ層である。
【１２６７】  本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１２６８】＜記憶装置３＞
図１２０に示す半導体装置は、トランジスタ３００、トランジスタ４００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する記憶装置である。以下に、記憶装置としての一形態を、図１２０を用いて説明する。
【１２６９】  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り、上記実施の形態に示すトランジスタを用いることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、微細化しても歩留まり良く形成できるので、トランジスタ２００の微細化を図ることができる。このようなトランジスタを記憶装置に用いることで、記憶装置の微細化または高集積化を図ることができる。上記実施の形態に示すトランジスタは、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。
【１２７０】＜記憶装置３の構造＞
【１２７１】  図１２０は、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置の断面図である。なお、図１２０に示す記憶装置において、先の実施の形態、＜記憶装置１の構造＞、および＜記憶装置２の構造＞、に示した半導体装置、および記憶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。
【１２７２】  本発明の一態様の記憶装置は、図１２０に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、トランジスタ４００および容量素子１００を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ４００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、トランジスタ２００およびトランジスタ４００の上方に設けられている。
【１２７３】  なお、容量素子１００、トランジスタ２００、トランジスタ３００、およびトランジスタ４００としては、先の実施の形態、および図１１７乃至図１１９で説明した半導体装置、および記憶装置が有する容量及びトランジスタを用いればよい。なお、図１２０に示す容量素子１００、トランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ４００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。
【１２７４】  図１２０に示す記憶装置では、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２８０に、開口部５００を設け、絶縁体２１０と絶縁体２８２を接続する例を示している。このような構造とすることで、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００は、絶縁体２１０と絶縁体２８２に囲まれるため、水や水素などの不純物の影響を受けにくくなる。また、酸化物や絶縁体中の酸素の外部への放出が低減される。このような構造を有する記憶装置は、信頼性が向上するため、好ましい。なお、開口部５００は設けなくてもよい。
【１２７５】  本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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、消費電力を低減することができる。または、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、微細化または高集積化を図ることができる。または、微細化または高集積化された半導体装置を生産性良く提供することができる。
【１２７６】＜メモリセルアレイの構造＞
【１２７７】  本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図１２１に示す。トランジスタ２００をメモリセルとして、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。
【１２７８】  なお、図１２７に示す記憶装置は、図１１７、および図１２０に示す記憶装置を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半導体装置である。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００のボトム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。
【１２７９】  従って、図１２１には、図１２０に示すトランジスタ４００は省略する。図１２１は、図１１７、および図１２０に示す記憶装置を、マトリクス状に配置した場合における、行の一部を抜き出した断面図である。
【１２８０】  また、図１２１は、図１２０と、トランジスタ３００の構成が異なる。図１２１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。
【１２８１】  以上、本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態および実施例に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【１２８２】（実施の形態１５）
本実施の形態では、上記実施の形態に示す半導体装置を用いたインバータ回路について説明を行う。なお、本明細書中において、高電源電圧をＨレベル（又はＶＤＤ）、低電源電圧をＬレベル（又はＧＮＤ）と呼ぶ場合がある。
【１２８３】＜インバータ回路の構成例＞
図１２２（Ａ）に示す回路ＩＮＶは、容量素子Ｃ１と、直列に接続されたトランジスタＭ１、トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３と、を有する。回路ＩＮＶは、インバータ回路としての機能を有する。
【１２８４】  トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３はｎチャネル型トランジスタである。回路ＩＮＶはｎチャネル型のトランジスタのみで構成されているので、ＣＭＯＳトランジスタで構成されるインバータ回路と比べて、製造コストを低減させることができる。
【１２８５】  トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３として、上記実施の形態に示す半導体装置が有するトランジスタ２００などを用いることが好ましい。
【１２８６】  トランジスタＭ１は、互いに電気的に接続された第１ゲートと第２ゲートを有する。第１ゲートと第２ゲートとは半導体層を間に介して互いに重なる領域を有する。トランジスタＭ２、トランジスタＭ３についても同様である。なお、第１ゲートをトップゲート、第２ゲートをボトムゲートという場合がある。
【１２８７】  回路ＩＮＶは、端子ＩＮ、端子ＯＵＴ、端子ＣＬＫおよび端子ＣＬＫＢを有する。端子ＩＮは入力端子として機能し、端子ＯＵＴは出力端子として機能する。端子ＣＬＫはクロック信号が入力され、端子ＣＬＫＢは端子ＣＬＫに入力されるクロック信号の反転信号が入力される。
【１２８８】  また、回路ＩＮＶは、電源電圧としてＶＤＤ、ＶＳＳが供給される。ＶＤＤは、高電源電圧であり、トランジスタＭ１のドレインに入力される。ＶＳＳは、低電源電圧であり、トランジスタＭ３のソースに入力される。
【１２８９】  トランジスタＭ１において、トップゲートおよびボトムゲートは端子ＣＬＫに電気的に接続され、ソースはトランジスタＭ２のドレインに電気的に接続される。
【１２９０】  トランジスタＭ２において、トップゲートおよびボトムゲートは端子ＣＬＫＢに電気的に接続され、ソースはトランジスタＭ３のドレインに電気的に接続される。
【１２９１】  トランジスタＭ３において、トップゲートおよびボトムゲートは端子ＩＮに電気的に接続される。
【１２９２】  容量素子Ｃ１の第１端子はトランジスタＭ１のソースに電気的に接続される。容量素子Ｃ１の第２端子はＶＳＳが入力される。
【１２９３】  端子ＯＵＴは、トランジスタＭ１のソース、トランジスタＭ２のドレインおよび容量素子Ｃ１の第１端子に電気的に接続される。
【１２９４】  なお、容量素子Ｃ１は配線の寄生容量やトランジスタのゲート容量で代用してもよい。その場合、これら半導体装置の占有面積を小さくすることができる。
【１２９５】  次に、回路ＩＮＶの動作について説明を行う。
【１２９６】  図１２２（Ｂ）は回路ＩＮＶの動作を説明するためのタイミングチャートである。それぞれ、端子ＩＮ、端子ＣＬＫ、端子ＣＬＫＢ、端子ＯＵＴの電位変化を表している。また、図１２２（Ｂ）を期間Ｐ１、期間Ｐ２、期間Ｐ３の３つの期間に分類している。
【１２９７】  端子ＩＮは、期間Ｐ１乃至期間Ｐ３の間、Ｈレベルが与えられている。すなわち、期間Ｐ１乃至期間Ｐ３において、トランジスタＭ３はオンになっている。
【１２９８】  期間Ｐ１において、端子ＣＬＫに電位ＶＨが入力され、端子ＣＬＫＢに電位ＶＬが入力される。トランジスタＭ１はオンになり、トランジスタＭ２はオフになる。このとき、容量素子Ｃ１にＶＤＤが供給され、容量素子Ｃ１は充電（プリチャージ）を開始する。
【１２９９】  なお、ＶＨは、ＶＤＤとトランジスタＭ１のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を足し合わせた電圧（ＶＤＤ＋Ｖｔｈ）以上にすることが好ましい。そうすることで、端子ＯＵＴにＶＤＤを正確に伝えることができる。ＶＬは低電源電圧（又はＧＮＤ）とすればよい。なお、ＶＨを高電位、ＶＬを低電位と呼ぶ場合もある。
【１３００】  期間Ｐ２において、端子ＣＬＫにＶＬが入力され、端子ＣＬＫＢにＶＨが入力される。トランジスタＭ１はオフになり、トランジスタＭ２はオンになる。このとき、トランジスタＭ３はオンであるため、容量素子Ｃ１の第１端子とトランジスタＭ３のソースが導通状態になり、容量素子Ｃ１は放電を開始する。最終的に端子ＯＵＴはＬレベルを出力する。すなわち、端子ＯＵＴは端子ＩＮに入力された信号の反転信号を出力する。
【１３０１】  期間Ｐ３において、端子ＣＬＫにＶＨが入力され、端子ＣＬＫＢにＶＬが入力される。トランジスタＭ１はオンになり、トランジスタＭ２はオフになる。期間Ｐ１と同様に、容量素子Ｃ１は再びプリチャージを開始する。
【１３０２】  期間Ｐ１乃至期間Ｐ３における端子ＩＮの入力をＬレベルとした場合、期間Ｐ２において、端子ＯＵＴはＨレベルを出力する。すなわち、端子ＯＵＴは端子ＩＮに入力された信号の反転信号を出力する。
【１３０３】  以上より、回路ＩＮＶは端子ＣＬＫがＶＨのときに容量素子Ｃ１のプリチャージを行い、端子ＣＬＫがＶＬのときにインバータ回路として動作することがわかる。
【１３０４】  また、回路ＩＮＶは、容量素子Ｃ１の充電と放電を繰り返すことで動作するダイナミックロジック回路として機能することがわかる。トランジスタＭ１は容量素子Ｃ１を充電するプリチャージ用のトランジスタとして機能し、トランジスタＭ２は容量素子Ｃ１に蓄積された電荷を放電するディスチャージ用のトランジスタとして機能する。
【１３０５】  トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３は、オフ電流が小さいトランジスタを用いることが好ましい。オフ電流が小さいトランジスタとして、チャネル形成領域に金属酸化物または酸化物半導体を用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ）が挙げられる。なお、ここでオフ電流が小さいとは、トランジスタのオフ電流が、好ましくは１０−１８Ａ／μｍ以下、さらに好ましくは１０−２１Ａ／μｍ以下、さらに好ましくは１０−２４Ａ／μｍ以下のことを言う。
【１３０６】  トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３にＯＳトランジスタを用いることで、回路ＩＮＶは貫通電流を小さくすることができる。その結果、回路ＩＮＶは消費電力を低減させることができる。
【１３０７】  また、トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３にＯＳトランジスタを用いることで、容量素子Ｃ１にプリチャージされた電荷が、リーク電流によって失われずに済む。その結果、回路ＩＮＶはより正確にデータを伝えることができる。
【１３０８】  トランジスタＭ１は、トップゲートとボトムゲートを電気的に接続することで、トップゲートとボトムゲートから同時に半導体層にゲート電圧を印加することが可能になり、オン電流を増大させることができる。トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３についても同様である。その結果、回路ＩＮＶは、動作周波数の高いインバータ回路を実現することができる。
【１３０９】  回路ＩＮＶは、端子ＩＮをトランジスタＭ２のトップゲートおよびボトムゲートに電気的に接続し、端子ＣＬＫＢをトランジスタＭ３のトップゲートおよびボトムゲートに電気的に接続してもよい。
【１３１０】  また、トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３がそれぞれ有するボトムゲートは、トップゲートと異なる電位を与えてもよい。例えば、トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３がそれぞれ有するボトムゲートに共通の固定電位を与えてもよい。そうすることで、回路ＩＮＶは、トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３のしきい値電圧を制御することができる。
【１３１１】  また、回路ＩＮＶは、場合によっては、トランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３のボトムゲートを全て省略してもよい。その場合、回路ＩＮＶは製造工程を簡略化することができる。
【１３１２】  以上、回路ＩＮＶは消費電力が小さく単極性のトランジスタで構成されるインバータ回路を提供することができる。また、動作周波数が高く単極性のトランジスタで構成されるインバータ回路を提供することができる。
【１３１３】  本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および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。
【１３１４】（実施の形態１６）
本実施の形態では、図１２３乃至図１２５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。）、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＮＯＳＲＡＭについて説明する。ＮＯＳＲＡＭ（登録商標）とは「Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ＲＡＭ」の略称であり、ゲインセル型（２Ｔ型、３Ｔ型）のメモリセルを有するＲＡＭを指す。なお、以下において、ＮＯＳＲＡＭのようにＯＳトランジスタを用いたメモリ装置を、ＯＳメモリと呼ぶ場合がある。
【１３１５】  ＮＯＳＲＡＭでは、メモリセルにＯＳトランジスタが用いられるメモリ装置（以下、「ＯＳメモリ」と呼ぶ。）が適用されている。ＯＳメモリは、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メモリである。ＯＳトランジスタが極小オフ電流のトランジスタであるので、ＯＳメモリ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。
【１３１６】＜＜ＮＯＳＲＡＭ１６００＞＞
図１２３にＮＯＳＲＡＭの構成例を示す。図１２３に示すＮＯＳＲＡＭ１６００は、メモリセルアレイ１６１０、コントローラ１６４０、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、出力ドライバ１６７０を有する。なお、ＮＯＳＲＡＭ１６００は、１のメモリセルで多値データを記憶する多値ＮＯＳＲＡＭである。
【１３１７】  メモリセルアレイ１６１０は複数のメモリセル１６１１、複数のワード線ＷＷＬ、複数のワード線ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬを有する。ワード線ＷＷＬは書き込みワード線であり、ワード線ＲＷＬは読み出しワード線である。ＮＯＳＲＡＭ１６００では、１のメモリセル１６１１で３ビット（８値）のデータを記憶する。
【１３１８】  コントローラ１６４０は、ＮＯＳＲＡＭ１６００全体を統括的に制御し、データＷＤＡ［３１：０］の書き込み、データＲＤＡ［３１：０］の読み出しを行う。コントローラ１６４０は、外部からのコマンド信号（例えば、チップイネーブル信号、書き込みイネーブル信号など）を処理して、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０および出力ドライバ１６７０の制御信号を生成する。
【１３１９】  行ドライバ１６５０は、アクセスする行を選択する機能を有する。行ドライバ１６５０は、行デコーダ１６５１、およびワード線ドライバ１６５２を有する。
【１３２０】  列ドライバ１６６０は、ソース線ＳＬおよびビット線ＢＬを駆動する。列ドライバ１６６０は、列デコーダ１６６１、書き込みドライバ１６６２、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換回路）１６６３を有する。
【１３２１】  ＤＡＣ１６６３は３ビットのデジタルデータをアナログ電圧に変換する。ＤＡＣ１６６３は３２ビットのデータＷＤＡ［３１：０］を３ビットごとに、アナログ電圧に変換する。
【１３２２】  書き込みドライバ１６６２は、ソース線ＳＬをプリチャージする機能、ソース線ＳＬを電気的に浮遊状態にする機能、ソース線ＳＬを選択する機能、選択されたソース線ＳＬにＤＡＣ１６６３で生成した書き込み電圧を入力する機能、ビット線ＢＬをプリチャージする機能、ビット線ＢＬを電気的に浮遊状態にする機能等を有する。
【１３２３】  出力ドライバ１６７０は、セレクタ１６７１、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換回路）１６７２、出力バッファ１６７３を有する。セレクタ１６７１は、アクセスするソース線ＳＬを選択し、選択されたソース線ＳＬの電圧をＡＤＣ１６７２に送信する。ＡＤＣ１６７２は、アナログ電圧を３ビットのデジタルデータに変換する機能を持つ。ソース線ＳＬの電圧はＡＤＣ１６７２において、３ビットのデータに変換され、出力バッファ１６７３はＡＤＣ１６７２から出力されるデータを保持する。
【１３２４】  なお、本実施の形態に示す、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、および出力ドライバ１６７０の構成は、上記に限定されるものではない。メモリセルアレイ１６１０の構成または駆動方法などに応じて、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の配置を変更してもよいし、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の有する機能を変更または追加してもよい。例えば、上記のソース線ＳＬが有する機能の一部を、ビット線ＢＬに有せしめる構成にしてもよい。
【１３２５】  なお、上記においては、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を３ビットとしたが、本実施の形態に示す記憶装置の構成はこれに限られない。各メモリセル１６１１に保持させる情報量を２ビット以下にしてもよいし、４ビット以上にしてもよい。例えば、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を１ビットにする場合、ＤＡＣ１６６３およびＡＤＣ１６７２を設けない構成にしてもよい。
【１３２６】＜メモリセル１６１１乃至メモリセル１６１４＞
図１２４（Ａ）はメモリセル１６１１の構成例を示す回路図である。メモリセル１６１１は２Ｔ型のゲインセルであり、メモリセル１６１１はワード線ＷＷＬ、ワード線ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１１は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６１、トランジスタＭＰ６１、容量素子Ｃ６１を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６１は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６１は読み出しトランジスタであり、例えばｐチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。容量素子Ｃ６１はノードＳＮの電位を保持するための保持容量である。ノードＳＮはデータの保持ノードであり、ここではトランジスタＭＰ６１のゲートに相当する。
【１３２７】  メモリセル１６１１の書き込みトランジスタがＯＳトランジスタＭＯ６１で構成されているため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は長時間データを保持することが可能である。
【１３２８】  図１２４（Ａ）の例では、ビット線は、書き込みと読み出しで共通のビット線であるが、図１２４（Ｂ）に示すように、書き込みビット線として機能する、ビット線ＷＢＬと、読み出しビット線として機能する、ビット線ＲＢＬとを設けてもよい。
【１３２９】  図１２４（Ｃ）乃至図１２４（Ｅ）にメモリセルの他の構成例を示す。図１２４（Ｃ）乃至図１２４（Ｅ）には、書き込み用のビット線ＷＢＬと読み出し用のビット線ＲＢＬを設けた例を示しているが、図１２４（Ａ）のように書き込みと読み出しで共有されるビット線を設けてもよい。
【１３３０】  図１２４（Ｃ）に示すメモリセル１６１２は、メモリセル１６１１の変形例であり、読み出しトランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６１）に変更したものである。トランジスタＭＮ６１はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
【１３３１】  メモリセル１６１１、メモリセル１６１２において、ＯＳトランジスタＭＯ６１はボトムゲートの無いＯＳトランジスタであってもよい。
【１３３２】  図１２４（Ｄ）に示すメモリセル１６１３は、３Ｔ型ゲインセルであり、ワード線ＷＷＬ、ワード線ＲＷＬ、ビット線ＷＢＬ、ビット線ＲＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬ、配線ＰＣＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１３は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６２、トランジスタＭＰ６２、トランジスタＭＰ６３、容量素子Ｃ６２を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６２は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６２は読み出しトランジスタであり、トランジスタＭＰ６３は選択トランジスタである。
【１３３３】  図１２４（Ｅ）に示すメモリセル１６１４は、メモリセル１６１３の変形例であり、読み出しトランジスタおよび選択トランジスタをｎチャネル型トランジスタ（トランジスタＭＮ６２、トランジスタＭＮ６３）に変更したものである。トランジスタＭＮ６２、トランジスタＭＮ６３はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
【１３３４】  メモリセル１６１１乃至メモリセル１６１４に設けられるＯＳトランジスタは、ボトムゲートの無いトランジスタでもよいし、ボトムゲートが有るトランジスタであってもよい。
【１３３５】  上記においては、メモリセル１６１１などが並列に接続された、いわゆるＮＯＲ型の記憶装置について説明したが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。例えば、以下に示すようなメモリセル１６１５が直列に接続された、いわゆるＮＡＮＤ型の記憶装置にしてもよい。
【１３３６】  図１２５はＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０の構成例を示す回路図である。図１２５に示すメモリセルアレイ１６１０は、ソース線ＳＬ、ビット線ＲＢＬ、ビット線ＷＢＬ、ワード線ＷＷＬ、ワード線ＲＷＬ、配線ＢＧＬ、およびメモリセル１６１５を有する。メモリセル１６１５は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６３、トランジスタＭＮ６４、容量素子Ｃ６３を有する。ここで、トランジスタＭＮ６４は、例えばｎチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。これに限られず、トランジスタＭＮ６４は、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタ、であってもよいし、ＯＳトランジスタであってもよい。
【１３３７】  以下では、図１２５に示すメモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂを例として説明する。ここで、メモリセル１６１５ａまたはメモリセル１６１５ｂのいずれかに接続する配線、または回路素子の符号については、ａまたはｂの符号を付して表す。
【１３３８】  メモリセル１６１５ａにおいて、トランジスタＭＮ６４ａのゲートと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのソースおよびドレインの一方と、容量素子Ｃ６３ａの電極の一方とは、電気的に接続されている。また、ビット線ＷＢＬとＯＳトランジスタＭＯ６３ａのソースおよびドレインの他方とは、電気的に接続されている。また、ワード線ＷＷＬａと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのゲートとは、電気的に接続されている。また、配線ＢＧＬａと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのボトムゲートとは、電気的に接続されている。そして、ワード線ＲＷＬａと、容量素子Ｃ６３ａの電極の他方は電気的に接続されている。
【１３３９】  メモリセル１６１５ｂは、ビット線ＷＢＬとのコンタクト部を対称の軸として、メモリセル１６１５ａと対称的に設けることができる。よって、メモリセル１６１５ｂに含まれる回路素子も、上記メモリセル１６１５ａと同じように配線と接続される。
【１３４０】  さらに、メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのソースは、メモリセル１６１５ｂのトランジスタＭＮ６４ｂのドレインと電気的に接続される。メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのドレインは、ビット線ＲＢＬと電気的に接続される。メモリセル１６１５ｂが有するトランジスタＭＮ６４ｂのソースは、複数のメモリセル１６１５が有するトランジスタＭＮ６４を介してソース線ＳＬと電気的に接続される。このように、ＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０では、ビット線ＲＢＬとソース線ＳＬの間に、複数のトランジスタＭＮ６４が直列に接続される。
【１３４１】  図１２５に示すメモリセルアレイ１６１０を有する記憶装置では、同じワード線ＷＷＬ（またはワード線ＲＷＬ）に接続された複数のメモリセル（以下、メモリセル列と呼ぶ。）ごとに、書き込み動作および読み出し動作を行う。例えば、書き込み動作は次のように行うことができる。書き込みを行うメモリセル列に接続されたワード線ＷＷＬにＯＳトランジスタＭＯ６３がオン状態となる電位を与え、書き込みを行うメモリセル列のＯＳトランジスタＭＯ６３をオン状態にする。これにより、指定したメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートおよび容量素子Ｃ６３の電極の一方にビット線ＷＢＬの電位が与えられ、該ゲートに所定の電荷が与えられる。それから当該メモリセル列のＯＳトランジスタＭＯ６３をオフ状態にすると、該ゲートに与えられた所定の電荷を保持することができる。このようにして、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５にデータを書き込むことができる。
【１３４２】  また、例えば、読み出し動作は次のように行うことができる。まず、読み出しを行うメモリセル列に接続されていないワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートに与えられた電荷によらず、トランジスタＭＮ６４がオン状態となるような電位を与え、読み出しを行うメモリセル列以外のトランジスタＭＮ６４をオン状態とする。それから、読み出しを行うメモリセル列に接続されたワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタＭＮ６４のオン状態またはオフ状態が選択されるような電位（読み出し電位）を与える。そして、ソース線ＳＬに定電位を与え、ビット線ＲＢＬに接続されている読み出し回路を動作状態とする。ここで、ソース線ＳＬ−ビット線ＲＢＬ間の複数のトランジスタＭＮ６４は、読み出しを行うメモリセル列を除いてオン状態となっているため、ソース線ＳＬ−ビット線ＲＢＬ間のコンダクタンスは、読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４の状態（オン状態またはオフ状態）によって決定される。読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタのコンダクタンスは異なるから、それに応じて、ビット線ＲＢＬの電位は異なる値をとることになる。ビット線ＲＢＬの電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５から情報を読み出すことができる。
【１３４３】  容量素子Ｃ６１、容量素子Ｃ６２、または容量素子Ｃ６３の充放電によってデータを書き換えるため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、長時間データを保持することが可能であるので、リフレッシュ頻度を低減できる。
【１３４４】  上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１６１１、メモリセル１６１２、メモリセル１６１３、メモリセル１６１４、メモリセル１６１５に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ６１、ＯＳトランジスタＭＯ６２、ＯＳトランジスタＭＯ６３としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ６１、容量素子Ｃ６２、容量素子Ｃ６３として容量素子１００を用い、トランジスタＭＰ６１、トランジスタＭＰ６２、トランジスタＭＰ６３、トランジスタＭＮ６１、トランジスタＭＮ６２、トランジスタＭＮ６３、トランジスタＭＮ６４としてトランジスタ３００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置をさらに高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
【１３４５】  本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および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。
【１３４６】（実施の形態１７）
本実施の形態では、図１２６および図１２７を用いて、本発明の一態様に係る、ＯＳトランジスタ、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＤＯＳＲＡＭについて説明する。ＤＯＳＲＡＭ（登録商標）とは、「Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ＲＡＭ」の略称であり、１Ｔ（トランジスタ）１Ｃ（容量）型のメモリセルを有するＲＡＭを指す。ＤＯＳＲＡＭも、ＮＯＳＲＡＭと同様に、ＯＳメモリが適用されている。
【１３４７】＜＜ＤＯＳＲＡＭ１４００＞＞
図１２６にＤＯＳＲＡＭの構成例を示す。図１２６に示すように、ＤＯＳＲＡＭ１４００は、コントローラ１４０５、行回路１４１０、列回路１４１５、メモリセルおよびセンスアンプアレイ１４２０（以下、「ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０」と呼ぶ。）を有する。
【１３４８】  行回路１４１０はデコーダ１４１１、ワード線ドライバ回路１４１２、列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４を有する。列回路１４１５はグローバルセンスアンプアレイ１４１６、入出力回路１４１７を有する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は複数のグローバルセンスアンプ１４４７を有する。ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０はメモリセルアレイ１４２２、センスアンプアレイ１４２３、グローバルビット線ＧＢＬＬ、グローバルビット線ＧＢＬＲを有する。
【１３４９】（ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０）
ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０は、メモリセルアレイ１４２２をセンスアンプアレイ１４２３上に積層した積層構造をもつ。グローバルビット線ＧＢＬＬ、グローバルビット線ＧＢＬＲはメモリセルアレイ１４２２上に積層されている。ＤＯＳＲＡＭ１４００では、ビット線の構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。
【１３５０】  メモリセルアレイ１４２２は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のローカルメモリセルアレイ１４２５＜０＞乃至ローカルメモリセルアレイ１４２５＜Ｎ−１＞を有する。図１２７（Ａ）にローカルメモリセルアレイ１４２５の構成例を示す。ローカルメモリセルアレイ１４２５は、複数のメモリセル１４４５、複数のワード線ＷＬ、複数のビット線ＢＬＬ、複数のビット線ＢＬＲを有する。図１２７（Ａ）の例では、ローカルメモリセルアレイ１４２５の構造はオープンビット線型であるが、フォールデッドビット線型であってもよい。
【１３５１】  図１２７（Ｂ）に共通のビット線ＢＬＬ（ビット線ＢＬＲ）に接続される、ペア状の一組のメモリセル１４４５ａおよびメモリセル１４４５ｂの回路構成例を示す。メモリセル１４４５ａはトランジスタＭＷ１ａ、容量素子ＣＳ１ａ、端子Ｂ１ａ、端子Ｂ２ａを有し、ワード線ＷＬａ、ビット線ＢＬＬ（ビット線ＢＬＲ）に接続される。また、メモリセル１４４５ｂはトランジスタＭＷ１ｂ、容量素子ＣＳ１ｂ、端子Ｂ１ｂ、端子Ｂ２ｂを有し、ワード線ＷＬｂ、ビット線ＢＬＬ（ビット線ＢＬＲ）に接続される。なお、以下において、メモリセル１４４５ａおよびメモリセル１４４５ｂのいずれかを特に限定しない場合は、メモリセル１４４５およびそれに付属する構成にａまたはｂの符号を付さない場合がある。
【１３５２】  トランジスタＭＷ１ａは容量素子ＣＳ１ａの充放電を制御する機能をもち、トランジスタＭＷ１ｂは容量素子ＣＳ１ｂの充放電を制御する機能をもつ。トランジスタＭＷ１ａのゲートはワード線ＷＬａに電気的に接続され、第１端子はビット線ＢＬＬ（ビット線ＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ａの第１端子に電気的に接続されている。また、トランジスタＭＷ１ｂのゲートはワード線ＷＬｂに電気的に接続され、第１端子はビット線ＢＬＬ（ビット線ＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ｂの第１端子に電気的に接続されている。このように、ビット線ＢＬＬ（ビット線ＢＬＲ）がトランジスタＭＷ１ａの第１端子とトランジスタＭＷ１ｂの第１端子に共通で用いられる。
【１３５３】  トランジスタＭＷ１は容量素子ＣＳ１の充放電を制御する機能をもつ。容量素子ＣＳ１の第２端子は端子Ｂ２に電気的に接続されている。端子Ｂ２には、定電位（例えば、低電源電位）が入力される。
【１３５４】  上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４４５ａ、メモリセル１４４５ｂに用いる場合、トランジスタＭＷ１ａとしてトランジスタ２００ａ、トランジスタＭＷ１ｂとしてトランジスタ２００ｂを用い、容量素子ＣＳ１ａとして容量素子１００ａを用い、容量素子ＣＳ１ｂとして容量素子１００ｂを用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置を高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
【１３５５】  トランジスタＭＷ１はボトムゲートを備えており、ボトムゲートは端子Ｂ１に電気的に接続されている。そのため、端子Ｂ１の電位によって、トランジスタＭＷ１のしきい値電圧を変更することができる。例えば、端子Ｂ１の電位は固定電位（例えば、負の定電位）であってもよいし、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作に応じて、端子Ｂ１の電位を変化させてもよい。
【１３５６】  トランジスタＭＷ１のボトムゲートをトランジスタＭＷ１のゲート、第１端子、または第２端子に電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭＷ１にボトムゲートを設けなくてもよい。
【１３５７】  センスアンプアレイ１４２３は、Ｎ個のローカルセンスアンプアレイ１４２６＜０＞乃至ローカルセンスアンプアレイ１４２６＜Ｎ−１＞を有する。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、１のスイッチアレイ１４４４、複数のセンスアンプ１４４６を有する。センスアンプ１４４６には、ビット線対が電気的に接続されている。センスアンプ１４４６は、ビット線対をプリチャージする機能、ビット線対の電位差を増幅する機能、この電位差を保持する機能を有する。スイッチアレイ１４４４は、ビット線対を選択し、選択したビット線対とグローバルビット線対との間を導通状態にする機能を有する。
【１３５８】  ここで、ビット線対とは、センスアンプによって、同時に比較される２本のビット線のことをいう。グローバルビット線対とは、グローバルセンスアンプによって、同時に比較される２本のグローバルビット線のことをいう。ビット線対を一対のビット線と呼ぶことができ、グローバルビット線対を一対のグローバルビット線と呼ぶことができる。ここでは、ビット線ＢＬＬとビット線ＢＬＲが１組のビット線対を成す。グローバルビット線ＧＢＬＬとグローバルビット線ＧＢＬＲとが１組のグローバルビット線対をなす。以下、ビット線対（ＢＬＬ，ＢＬＲ）、グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）とも表す。
【１３５９】（コントローラ１４０５）
コントローラ１４０５は、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ１４０５は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路１４１０、列回路１４１５の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内部アドレス信号を生成する機能を有する。
【１３６０】（行回路１４１０）
行回路１４１０は、ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０を駆動する機能を有する。デコーダ１４１１はアドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路１４１２は、アクセス対象行のワード線ＷＬを選択する選択信号を生成する。
【１３６１】  列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４はセンスアンプアレイ１４２３を駆動するための回路である。列セレクタ１４１３は、アクセス対象列のビット線を選択するための選択信号を生成する機能をもつ。列セレクタ１４１３の選択信号によって、各ローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４が制御される。センスアンプドライバ回路１４１４の制御信号によって、複数のローカルセンスアンプアレイ１４２６は独立して駆動される。
【１３６２】（列回路１４１５）
列回路１４１５は、データ信号ＷＤＡ［３１：０］の入力を制御する機能、データ信号ＲＤＡ［３１：０］の出力を制御する機能を有する。データ信号ＷＤＡ［３１：０］は書き込みデータ信号であり、データ信号ＲＤＡ［３１：０］は読み出しデータ信号である。
【１３６３】  グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）に電気的に接続されている。グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）間の電位差を増幅する機能、この電位差を保持する機能を有する。グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）へのデータの書き込み、および読み出しは、入出力回路１４１７によって行われる。
【１３６４】  ＤＯＳＲＡＭ１４００の書き込み動作の概要を説明する。入出力回路１４１７によって、データがグローバルビット線対に書き込まれる。グローバルビット線対のデータは、グローバルセンスアンプアレイ１４１６によって保持される。アドレス信号が指定するローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４によって、グローバルビット線対のデータが、対象列のビット線対に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、書き込まれたデータを増幅し、保持する。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、行回路１４１０によって、対象行のワード線ＷＬが選択され、選択行のメモリセル１４４５にローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データが書き込まれる。
【１３６５】  ＤＯＳＲＡＭ１４００の読み出し動作の概要を説明する。アドレス信号によって、ローカルメモリセルアレイ１４２５の１行が指定される。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、対象行のワード線ＷＬが選択状態となり、メモリセル１４４５のデータがビット線に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６によって、各列のビット線対の電位差がデータとして検出され、かつ保持される。スイッチアレイ１４４４によって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データの内、アドレス信号が指定する列のデータが、グローバルビット線対に書き込まれる。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は、グローバルビット線対のデータを検出し、保持する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６の保持データは入出力回路１４１７に出力される。以上で、読み出し動作が完了する。
【１３６６】  容量素子ＣＳ１の充放電によってデータを書き換えるため、ＤＯＳＲＡＭ１４００には原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、メモリセル１４４５の回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。
【１３６７】  トランジスタＭＷ１はＯＳトランジスタである。ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、容量素子ＣＳ１から電荷がリークすることを抑えることができる。したがって、ＤＯＳＲＡＭ１４００の保持時間はＤＲＡＭに比べて非常に長い。したがってリフレッシュの頻度を低減できるため、リフレッシュ動作に要する電力を削減できる。よって、ＤＯＳＲＡＭ１４００は大容量のデータを高頻度で書き換えるメモリ装置、例えば、画像処理に利用されるフレームメモリに好適である。
【１３６８】  ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０が積層構造であることによって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の長さと同程度の長さにビット線を短くすることができる。ビット線を短くすることで、ビット線容量が小さくなり、メモリセル１４４５の保持容量を低減することができる。また、ローカルセンスアンプアレイ１４２６にスイッチアレイ１４４４を設けることで、長いビット線の本数を減らすことができる。以上の理由から、ＤＯＳＲＡＭ１４００のアクセス時に駆動する負荷が低減され、消費電力を低減することができる。
【１３６９】  本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および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。
【１３７０】（実施の形態１８）
本実施の形態では、図１２８から図１３１を用いて、本発明の一態様に係る、ＯＳトランジスタ、および容量素子が適用されている半導体装置の一例として、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）について説明する。本実施の形態のＦＰＧＡは、コンフィギュレーションメモリ、およびレジスタにＯＳメモリが適用されている。ここでは、このようなＦＰＧＡを「ＯＳ−ＦＰＧＡ」と呼ぶ。
【１３７１】＜＜ＯＳ−ＦＰＧＡ＞＞
図１２８（Ａ）にＯＳ−ＦＰＧＡの構成例を示す。図１２８（Ａ）に示すＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０は、マルチコンテキスト構造によるコンテキスト切り替えとＰＬＥ毎の細粒度パワーゲーティングを実行するＮＯＦＦ（ノーマリーオフ）コンピューティングが可能である。ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０は、コントローラ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３１１１、ワードドライバ（Ｗｏｒｄ  ｄｒｉｖｅｒ）３１１２、データドライバ（Ｄａｔａ  ｄｒｉｖｅｒ）３１１３、プログラマブルエリア（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ａｒｅａ）３１１５を有する。
【１３７２】  プログラマブルエリア３１１５は、２個の入出力ブロック（ＩＯＢ）３１１７、コア３１１９を有する。ＩＯＢ３１１７は複数のプログラマブル入出力回路を有する。コア（Ｃｏｒｅ）３１１９は、複数のロジックアレイブロック（ＬＡＢ）３１２０、複数のスイッチアレイブロック（ＳＡＢ）３１３０を有する。ＬＡＢ３１２０は複数のＰＬＥ３１２１を有する。図１２８（Ｂ）には、ＬＡＢ３１２０を５個のＰＬＥ３１２１で構成する例を示す。図１２８（Ｃ）に示すようにＳＡＢ３１３０はアレイ状に配列された複数のスイッチブロック（ＳＢ）３１３１を有する。ＬＡＢ３１２０は自身の入力端子と、ＳＡＢ３１３０を介して４（上下左右）方向のＬＡＢ３１２０に接続される。
【１３７３】  図１２９（Ａ）乃至図１２９（Ｃ）を参照して、ＳＢ３１３１について説明する。図１２９（Ａ）に示すＳＢ３１３１には、ｄａｔａ、ｄａｔａｂ、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１：０］、信号ｗｏｒｄ［１：０］が入力される。ｄａｔａ、ｄａｔａｂはコンフィギュレーションデータであり、ｄａｔａとｄａｔａｂは論理が相補的な関係にある。ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０のコンテキスト数は２であり、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１：０］はコンテキスト選択信号である。信号ｗｏｒｄ［１：０］はワード線選択信号であり、信号ｗｏｒｄ［１：０］が入力される配線がそれぞれワード線である。
【１３７４】  ＳＢ３１３１は、ＰＲＳ（プログラマブルルーティングスイッチ）３１３３［０］、ＰＲＳ３１３３［１］を有する。ＰＲＳ３１３３［０］、ＰＲＳ３１３３［１］は、相補データを格納できるコンフィギュレーションメモリ（ＣＭ）を有する。なお、ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とを区別しない場合、ＰＲＳ３１３３と呼ぶ。他の要素についても同様である。
【１３７５】  図１２９（Ｂ）にＰＲＳ３１３３［０］の回路構成例を示す。ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とは同じ回路構成を有する。ＰＲＳ３１３３［０］とＰＲＳ３１３３［１］とは入力されるコンテキスト選択信号、ワード線選択信号が異なる。信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］、信号ｗｏｒｄ［０］はＰＲＳ３１３３［０］に入力され、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１］、信号ｗｏｒｄ［１］はＰＲＳ３１３３［１］に入力される。例えば、ＳＢ３１３１において、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”になることで、ＰＲＳ３１３３［０］がアクティブになる。
【１３７６】  ＰＲＳ３１３３［０］は、ＣＭ３１３５、ＳｉトランジスタＭ３１を有する。ＳｉトランジスタＭ３１は、ＣＭ３１３５により制御されるパストランジスタである。ＣＭ３１３５は、メモリ回路３１３７、メモリ回路３１３７Ｂを有する。メモリ回路３１３７、メモリ回路３１３７Ｂは同じ回路構成である。メモリ回路３１３７は、容量素子Ｃ３１、ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＯＳトランジスタＭＯ３２を有する。メモリ回路３１３７Ｂは、容量素子ＣＢ３１、ＯＳトランジスタＭＯＢ３１、ＯＳトランジスタＭＯＢ３２を有する。
【１３７７】  上記実施の形態に示す半導体装置をＳＡＢ３１３０に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＯＳトランジスタＭＯＢ３１としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ３１、容量素子ＣＢ３１として容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。
【１３７８】  ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＯＳトランジスタＭＯ３２、ＯＳトランジスタＭＯＢ３１、ＯＳトランジスタＭＯＢ３２はボトムゲートを有し、これらボトムゲートはそれぞれ固定電位を供給する電源線に電気的に接続されている。
【１３７９】  ＳｉトランジスタＭ３１のゲートがノードＮ３１であり、ＯＳトランジスタＭＯ３２のゲートがノードＮ３２であり、ＯＳトランジスタＭＯＢ３２のゲートがノードＮＢ３２である。ノードＮ３２、ノードＮＢ３２はＣＭ３１３５の電荷保持ノードである。ＯＳトランジスタＭＯ３２はノードＮ３１と信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］用の信号線との間の導通状態を制御する。ＯＳトランジスタＭＯＢ３２はノードＮ３１と低電位電源線ＶＳＳとの間の導通状態を制御する。
【１３８０】  メモリ回路３１３７、メモリ回路３１３７Ｂが保持するデータの論理は相補的な関係にある。したがって、ＯＳトランジスタＭＯ３２またはＯＳトランジスタＭＯＢ３２の何れか一方が導通する。
【１３８１】  図１２９（Ｃ）を参照して、ＰＲＳ３１３３［０］の動作例を説明する。ＰＲＳ３１３３［０］にコンフィギュレーションデータが既に書き込まれており、ＰＲＳ３１３３［０］のノードＮ３２は“Ｈ”であり、ノードＮＢ３２は“Ｌ”である。
【１３８２】  信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｌ”である間はＰＲＳ３１３３［０］は非アクティブである。この期間に、ＰＲＳ３１３３［０］の入力端子（ｉｎｐｕｔ）が“Ｈ”に遷移しても、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは“Ｌ”が維持され、ＰＲＳ３１３３［０］の出力端子（ｏｕｔｐｕｔ）も“Ｌ”が維持される。
【１３８３】  信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”である間はＰＲＳ３１３３［０］はアクティブである。信号ｃｏｎｔｅｘｔ［０］が“Ｈ”に遷移すると、ＣＭ３１３５が記憶するコンフィギュレーションデータによって、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは“Ｈ”に遷移する。
【１３８４】  ＰＲＳ３１３３［０］がアクティブである期間に、入力端子が“Ｈ”に遷移すると、メモリ回路３１３７のＯＳトランジスタＭＯ３２がソースフォロアであるために、ブースティング（ｂｏｏｓｔｉｎｇ）によってＳｉトランジスタＭ３１のゲート電圧は上昇する。その結果、メモリ回路３１３７のＯＳトランジスタＭＯ３２は駆動能力を失い、ＳｉトランジスタＭ３１のゲートは浮遊状態となる。
【１３８５】  マルチコンテキスト機能を備えるＰＲＳ３１３３において、ＣＭ３１３５はマルチプレクサの機能を併せ持つ。
【１３８６】  図１３０にＰＬＥ３１２１の構成例を示す。ＰＬＥ３１２１はルックアップテーブルブロック（ＬＵＴ  ｂｌｏｃｋ）３１２３、レジスタブロック３１２４、セレクタ３１２５、ＣＭ３１２６を有する。ＬＵＴブロック３１２３は、入力ｉｎＡ、ｉｎＢ、ｉｎＣ、ｉｎＤに従って内部のデータを選択し、出力する構成である。セレクタ３１２５は、ＣＭ３１２６が格納するコンフィギュレーションデータに従って、ＬＵＴブロック３１２３の出力またはレジスタブロック３１２４の出力を選択する。
【１３８７】  ＰＬＥ３１２１は、パワースイッチ３１２７を介して電圧ＶＤＤ用の電源線に電気的に接続されている。パワースイッチ３１２７のオンオフは、ＣＭ３１２８が格納するコンフィギュレーションデータによって設定される。各ＰＬＥ３１２１にパワースイッチ３１２７を設けることで、細粒度パワーゲーティングが可能である。細粒度パワーゲーティング機能により、コンテキストの切り替え後に使用されないＰＬＥ３１２１をパワーゲーティングすることができるので、待機電力を効果的に低減できる。
【１３８８】  ＮＯＦＦコンピューティングを実現するため、レジスタブロック３１２４は、不揮発性レジスタで構成される。ＰＬＥ３１２１内の不揮発性レジスタはＯＳメモリを備えるフリップフロップ（以下［ＯＳ−ＦＦ］と呼ぶ）である。
【１３８９】  レジスタブロック３１２４は、ＯＳ−ＦＦ３１４０［１］、ＯＳ−ＦＦ３１４０［２］を有する。信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓ、信号ｌｏａｄ、信号ｓｔｏｒｅがＯＳ−ＦＦ３１４０［１］、ＯＳ−ＦＦ３１４０［２］に入力される。クロック信号ＣＬＫ１はＯＳ−ＦＦ３１４０［１］に入力され、クロック信号ＣＬＫ２はＯＳ−ＦＦ３１４０［２］に入力される。図１３１（Ａ）にＯＳ−ＦＦ３１４０の構成例を示す。
【１３９０】  ＯＳ−ＦＦ３１４０は、ＦＦ３１４１、シャドウレジスタ３１４２を有する。ＦＦ３１４１は、ノードＣＫ、ノードＲ、ノードＤ、ノードＱ、ノードＱＢを有する。ノードＣＫにはクロック信号が入力される。ノードＲには信号ｕｓｅ＿ｒｅｓが入力される。信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓはリセット信号である。ノードＤはデータ入力ノードであり、ノードＱはデータ出力ノードである。ノードＱとノードＱＢとは論理が相補関係にある。
【１３９１】  シャドウレジスタ３１４２は、ＦＦ３１４１のバックアップ回路として機能する。シャドウレジスタ３１４２は、信号ｓｔｏｒｅに従いノードＱ、ノードＱＢのデータをそれぞれバックアップし、また、信号ｌｏａｄに従い、バックアップしたデータをノードＱ、ノードＱＢに書き戻す。
【１３９２】  シャドウレジスタ３１４２は、インバータ回路３１８８、インバータ回路３１８９、ＳｉトランジスタＭ３７、ＳｉトランジスタＭＢ３７、メモリ回路３１４３、メモリ回路３１４３Ｂを有する。メモリ回路３１４３、メモリ回路３１４３Ｂは、ＰＲＳ３１３３のメモリ回路３１３７と同じ回路構成である。メモリ回路３１４３は容量素子Ｃ３６、ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＯＳトランジスタＭＯ３６を有する。メモリ回路３１４３Ｂは容量素子ＣＢ３６、ＯＳトランジスタＭＯＢ３５、ＯＳトランジスタＭＯＢ３６を有する。ノードＮ３６、ノードＮＢ３６はＯＳトランジスタＭＯ３６、ＯＳトランジスタＭＯＢ３６のゲートであり、それぞれ電荷保持ノードである。ノードＮ３７、ノードＮＢ３７は、ＳｉトランジスタＭ３７、ＳｉトランジスタＭＢ３７のゲートである。
【１３９３】  上記実施の形態に示す半導体装置をＬＡＢ３１２０に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＯＳトランジスタＭＯＢ３５としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ３６、容量素子ＣＢ３６として容量素子１００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る半導体装置を高集積化させることができる。
【１３９４】  ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＯＳトランジスタＭＯ３６、ＯＳトランジスタＭＯＢ３５、ＯＳトランジスタＭＯＢ３６はボトムゲートを有し、これらボトムゲートはそれぞれ固定電位を供給する電源線に電気的に接続されている。
【１３９５】  図１３１（Ｂ）を参照して、ＯＳ−ＦＦ３１４０の動作方法例を説明する。
【１３９６】（バックアップ（Ｂａｃｋｕｐ））
“Ｈ”の信号ｓｔｏｒｅがＯＳ−ＦＦ３１４０に入力されると、シャドウレジスタ３１４２はＦＦ３１４１のデータをバックアップする。ノードＮ３６は、ノードＱのデータが書き込まれることで、“Ｌ”となり、ノードＮＢ３６は、ノードＱＢのデータが書き込まれることで、“Ｈ”となる。しかる後、パワーゲーティングが実行され、パワースイッチ３１２７をオフにする。ＦＦ３１４１のノードＱ、ノードＱＢのデータは消失するが、電源オフであっても、シャドウレジスタ３１４２はバックアップしたデータを保持する。
【１３９７】（リカバリ（Ｒｅｃｏｖｅｒｙ））
パワースイッチ３１２７をオンにし、ＰＬＥ３１２１に電源を供給する。しかる後、“Ｈ”の信号ｌｏａｄがＯＳ−ＦＦ３１４０に入力されると、シャドウレジスタ３１４２はバックアップしているデータをＦＦ３１４１に書き戻す。ノードＮ３６は“Ｌ”であるので、ノードＮ３７は“Ｌ”が維持され、ノードＮＢ３６は“Ｈ”であるので、ノードＮＢ３７は“Ｈ”となる。よって、ノードＱは“Ｈ”になり、ノードＱＢは“Ｌ”になる。つまり、ＯＳ−ＦＦ３１４０はバックアップ動作時の状態に復帰する。
【１３９８】  細粒度パワーゲーティングと、ＯＳ−ＦＦ３１４０のバックアップ／リカバリ動作とを組み合わせることで、ＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０の消費電力を効果的に低減できる。
【１３９９】  メモリ回路において発生しうるエラーとして放射線の入射によるソフトエラーが挙げられる。ソフトエラーは、メモリやパッケージを構成する材料などから放出されるα線や、宇宙から大気に入射した一次宇宙線が大気中に存在する原子の原子核と核反応を起こすことにより発生する二次宇宙線中性子などがトランジスタに照射され、電子正孔対が生成されることにより、メモリに保持されたデータが反転するなどの誤作動が生じる現象である。ＯＳトランジスタを用いたＯＳメモリはソフトエラー耐性が高い。そのため、ＯＳメモリを搭載することで、信頼性の高いＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０を提供することができる。
【１４００】  本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および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。
【１４０１】（実施の形態１９）
本実施の形態では、図１３２を用いて、上記実施の形態に示す半導体装置を適用した、ＡＩシステムについて説明を行う。
【１４０２】  図１３２はＡＩシステム４０４１の構成例を示すブロック図である。ＡＩシステム４０４１は、演算部４０１０と、制御部４０２０と、入出力部４０３０と、を有する。
【１４０３】  演算部４０１０は、アナログ演算回路４０１１と、ＤＯＳＲＡＭ４０１２と、ＮＯＳＲＡＭ４０１３と、ＦＰＧＡ４０１４と、を有する。ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４として、上記実施の形態に示す、ＤＯＳＲＡＭ１４００、ＮＯＳＲＡＭ１６００、およびＯＳ−ＦＰＧＡ３１１０を用いることができる。
【１４０４】  制御部４０２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）４０２１と、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）４０２２と、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）４０２３と、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）４０２４と、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）４０２５と、メモリコントローラ４０２６と、電源回路４０２７と、ＰＭＵ（Ｐｏｗｅｒ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ）４０２８と、を有する。
【１４０５】  入出力部４０３０は、外部記憶制御回路４０３１と、音声コーデック４０３２と、映像コーデック４０３３と、汎用入出力モジュール４０３４と、通信モジュール４０３５と、を有する。
【１４０６】  演算部４０１０は、ニューラルネットワークによる学習または推論を実行することができる。
【１４０７】  アナログ演算回路４０１１はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路、および積和演算回路を有する。
【１４０８】  アナログ演算回路４０１１はＯＳトランジスタを用いて形成することが好ましい。ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路４０１１は、アナログメモリを有し、学習または推論に必要な積和演算を、低消費電力で実行することが可能になる。
【１４０９】  ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを用いて形成されたＤＲＡＭであり、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＣＰＵ４０２１から送られてくるデジタルデータを一時的に格納するメモリである。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを含むメモリセルと、Ｓｉトランジスタを含む読み出し回路部を有する。上記メモリセルと読み出し回路部は、積層された異なる層に設けることができるため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、全体の回路面積を小さくすることができる。
【１４１０】  ニューラルネットワークを用いた計算は、入力データが１０００を超えることがある。上記入力データをＳＲＡＭに格納する場合、ＳＲＡＭは回路面積に制限があり、記憶容量が小さいため、上記入力データを小分けにして格納せざるを得ない。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、限られた回路面積でも、メモリセルを高集積に配置することが可能であり、ＳＲＡＭに比べて記憶容量が大きい。そのため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、上記入力データを効率よく格納することができる。
【１４１１】  ＮＯＳＲＡＭ４０１３はＯＳトランジスタを用いた不揮発性メモリである。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、フラッシュメモリや、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などの他の不揮発性メモリと比べて、データを書き込む際の消費電力が小さい。また、フラッシュメモリやＲｅＲＡＭのように、データを書き込む際に素子が劣化することもなく、データの書き込み可能回数に制限が無い。
【１４１２】  また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、１ビットの２値データの他に、２ビット以上の多値データを記憶することができる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は多値データを記憶することで、１ビット当たりのメモリセル面積を小さくすることができる。
【１４１３】  また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、デジタルデータの他にアナログデータを記憶することができる。そのため、アナログ演算回路４０１１は、ＮＯＳＲＡＭ４０１３をアナログメモリとして用いることもできる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、アナログデータのまま記憶することができるため、Ｄ／Ａ変換回路やＡ／Ｄ変換回路が不要である。そのため、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は周辺回路の面積を小さくすることができる。なお、本明細書においてアナログデータとは、３ビット（８値）以上の分解能を有するデータのことを指す。上述した多値データがアナログデータに含まれる場合もある。
【１４１４】  ニューラルネットワークの計算に用いられるデータやパラメータは、一旦、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に格納することができる。上記データやパラメータは、ＣＰＵ４０２１を介して、ＡＩシステム４０４１の外部に設けられたメモリに格納してもよいが、内部に設けられたＮＯＳＲＡＭ４０１３の方が、より高速且つ低消費電力に上記データやパラメータを格納することができる。また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２よりもビット線を長くすることができるので、記憶容量を大きくすることができる。
【１４１５】  ＦＰＧＡ４０１４は、ＯＳトランジスタを用いたＦＰＧＡである。ＡＩシステム４０４１は、ＦＰＧＡ４０１４を用いることによって、ハードウェアで後述する、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、ニューラルネットワークの接続を構成することができる。上記のニューラルネットワークの接続をハードウェアで構成することで、より高速に実行することができる。
【１４１６】  ＦＰＧＡ４０１４はＯＳ−ＦＰＧＡである。ＯＳ−ＦＰＧＡは、ＳＲＡＭで構成されるＦＰＧＡよりもメモリの面積を小さくすることができる。そのため、コンテキスト切り替え機能を追加しても面積増加が少ない。また、ＯＳ−ＦＰＧＡはブースティングによりデータやパラメータを高速に伝えることができる。
【１４１７】  ＡＩシステム４０４１は、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を１つのダイ（チップ）の上に設けることができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。また、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４は、同じ製造プロセスで作製することができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、低コストで作製することができる。
【１４１８】  なお、演算部４０１０は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を、全て有する必要はない。ＡＩシステム４０４１が解決したい課題に応じて、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４の一または複数を、選択して設ければよい。
【１４１９】  ＡＩシステム４０４１は、解決したい課題に応じて、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。ＰＲＯＭ４０２５は、これらの手法の少なくとも１つを実行するためのプログラムを保存することができる。また、当該プログラムの一部または全てを、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に保存してもよい。
【１４２０】  ライブラリとして存在する既存のプログラムは、ＧＰＵの処理を前提としているものが多い。そのため、ＡＩシステム４０４１はＧＰＵ４０２２を有することが好ましい。ＡＩシステム４０４１は、学習と推論で用いられる積和演算のうち、律速となる積和演算を演算部４０１０で実行し、それ以外の積和演算をＧＰＵ４０２２で実行することができる。そうすることで、学習と推論を高速に実行することができる。
【１４２１】  電源回路４０２７は、論理回路用の低電源電位を生成するだけではなく、アナログ演算のための電位生成も行う。電源回路４０２７はＯＳメモリを用いてもよい。電源回路４０２７は、基準電位をＯＳメモリに保存することで、消費電力を下げることができる。
【１４２２】  ＰＭＵ４０２８は、ＡＩシステム４０４１の電力供給を一時的にオフにする機能を有する。
【１４２３】  ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２は、レジスタとしてＯＳメモリを有することが好ましい。ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２はＯＳメモリを有することで、電力供給がオフになっても、ＯＳメモリ中にデータ（論理値）を保持し続けることができる。その結果、ＡＩシステム４０４１は、電力を節約することができる。
【１４２４】  ＰＬＬ４０２３は、クロックを生成する機能を有する。ＡＩシステム４０４１は、ＰＬＬ４０２３が生成したクロックを基準に動作を行う。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することが好ましい。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することで、クロックの発振周期を制御するアナログ電位を保持することができる。
【１４２５】  ＡＩシステム４０４１は、ＤＲＡＭなどの外部メモリにデータを保存してもよい。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部のＤＲＡＭとのインターフェースとして機能するメモリコントローラ４０２６を有することが好ましい。また、メモリコントローラ４０２６は、ＣＰＵ４０２１またはＧＰＵ４０２２の近くに配置することが好ましい。そうすることで、データのやり取りを高速に行うことができる。
【１４２６】  制御部４０２０に示す回路の一部または全ては、演算部４０１０と同じダイの上に形成することができる。そうすることで、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。
【１４２７】  ニューラルネットワークの計算に用いられるデータは外部記憶装置（ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）など）に保存される場合が多い。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部記憶装置とのインターフェースとして機能する外部記憶制御回路４０３１を有することが好ましい。
【１４２８】  ニューラルネットワークを用いた学習と推論は、音声や映像を扱うことが多いので、ＡＩシステム４０４１は音声コーデック４０３２および映像コーデック４０３３を有する。音声コーデック４０３２は、音声データのエンコード（符号化）およびデコード（復号）を行い、映像コーデック４０３３は、映像データのエンコードおよびデコードを行う。
【１４２９】  ＡＩシステム４０４１は、外部センサから得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は汎用入出力モジュール４０３４を有する。汎用入出力モジュール４０３４は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）やＩ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）などを含む。
【１４３０】  ＡＩシステム４０４１は、インターネットを経由して得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、通信モジュール４０３５を有することが好ましい。
【１４３１】  アナログ演算回路４０１１は、多値のフラッシュメモリをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、フラッシュメモリは書き換え可能回数に制限がある。また、多値のフラッシュメモリは、エンベディッドで形成する（演算回路とメモリを同じダイの上に形成する）ことが非常に難しい。
【１４３２】  また、アナログ演算回路４０１１は、ＲｅＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＲｅＲＡＭは書き換え可能回数に制限があり、記憶精度の点でも問題がある。さらに、２端子でなる素子であるため、データの書き込みと読み出しを分ける回路設計が複雑になる。
【１４３３】  また、アナログ演算回路４０１１は、ＭＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＭＲＡＭは抵抗変化率が低く、記憶精度の点で問題がある。
【１４３４】  以上を鑑み、アナログ演算回路４０１１は、ＯＳメモリをアナログメモリとして用いることが好ましい。
【１４３５】  本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および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。
【１４３６】（実施の形態２０）
＜ＡＩシステムの応用例＞
本実施の形態では、上記実施の形態に示すＡＩシステムの応用例について図１３３を用いて説明を行う。
【１４３７】  図１３３（Ａ）は、図１３２で説明したＡＩシステム４０４１を並列に配置し、バス線を介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ａである。
【１４３８】  図１３３（Ａ）に図示するＡＩシステム４０４１Ａは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎ（ｎは自然数）を有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、バス線４０９８を介して互いに接続されている。
【１４３９】  また図１３３（Ｂ）は、図１３２で説明したＡＩシステム４０４１を図１３３（Ａ）と同様に並列に配置し、ネットワークを介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ｂである。
【１４４０】  図１３３（Ｂ）に図示するＡＩシステム４０４１Ｂは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎを有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、ネットワーク４０９９を介して互いに接続されている。
【１４４１】  ネットワーク４０９９は、ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎのそれぞれに通信モジュールを設け、無線または有線による通信を行う構成とすればよい。通信モジュールは、アンテナを介して通信を行うことができる。例えばＷｏｒｌｄ  Ｗｉｄｅ  Ｗｅｂ（ＷＷＷ）の基盤であるインターネット、イントラネット、エクストラネット、ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＣＡＮ（Ｃａｍｐｕｓ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＭＡＮ（Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＧＡＮ（Ｇｌｏｂａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）等のコンピュータネットワークに各電子装置を接続させ、通信を行うことができる。無線通信を行う場合、通信プロトコル又は通信技術として、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ  Ｔｅｒｍ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：登録商標）、ＥＤＧＥ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｄａｔａ  Ｒａｔｅｓ  ｆｏｒ  ＧＳＭ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＣＤＭＡ２０００（Ｃｏｄｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ  ２０００）、Ｗ−ＣＤＭＡ（登録商標）などの通信規格、またはＷｉ−Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等のＩＥＥＥにより通信規格化された仕様を用いることができる。
【１４４２】  図１３３（Ａ）、（Ｂ）の構成とすることで、外部のセンサ等で得られたアナログ信号を別々のＡＩシステムで処理することができる。例えば、生体情報のように、脳波、脈拍、血圧、体温等といった情報を脳波センサ、脈波センサ、血圧センサ、温度センサといった各種センサで取得し、別々のＡＩシステムでアナログ信号を処理することができる。別々のＡＩシステムのそれぞれで信号の処理、または学習を行うことで一つのＡＩシステムあたりの情報処理量を少なくできる。そのため、より少ない演算量で信号の処理、または学習を行うことができる。その結果、認識精度を高めることができる。それぞれのＡＩシステムで得られた情報から、複雑に変化する生体情報の変化を瞬時に統合的に把握することができるといったことが期待できる。
【１４４３】  本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および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。
【１４４４】（実施の形態２１）
本実施の形態では、上記実施の形態に示すＡＩシステムが組み込まれたＩＣの一例を示す。
【１４４５】  上記実施の形態に示すＡＩシステムは、ＣＰＵ等のＳｉトランジスタでなるデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ−ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリを、１のダイに集積することができる。
【１４４６】  図１３４に、ＡＩシステムを組み込んＩＣの一例を示す。図１３４に示すＡＩシステムＩＣ７０００は、リード７００１及び回路部７００３を有する。ＡＩシステムＩＣ７０００は、例えばプリント基板７００２に実装される。このようなＩＣチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７００２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７００４）が完成する。回路部７００３には、上記実施の形態で示した各種の回路が１のダイに設けられている。回路部７００３は、先の実施の形態に示すように、積層構造をもち、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２、ＯＳトランジスタ層７０３３に大別される。ＯＳトランジスタ層７０３３をＳｉトランジスタ層７０３１に積層して設けることができるため、ＡＩシステムＩＣ７０００の小型化が容易である。
【１４４７】  図１３４では、ＡＩシステムＩＣ７０００のパッケージにＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。
【１４４８】  ＣＰＵ等のデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ−ＦＰＧＡ、ＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリは、全て、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２およびＯＳトランジスタ層７０３３に形成することができる。すなわち、上記ＡＩシステムを構成する素子は、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、本実施の形態に示すＩＣは、構成する素子が増えても製造プロセスを増やす必要がなく、上記ＡＩシステムを低コストで組み込むことができる。
【１４４９】  本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態および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。
【１４５０】（実施の形態２２）
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図１３５乃至図１３７に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
【１４５１】  図１３５（Ａ）に示すロボット２１００は、演算装置２１１０、照度センサ２１０１、マイクロフォン２１０２、上部カメラ２１０３、スピーカ２１０４、ディスプレイ２１０５、下部カメラ２１０６、障害物センサ２１０７、および移動機構２１０８を備える。
【１４５２】  マイクロフォン２１０２は、使用者の話し声及び環境音等を検知する機能を有する。また、スピーカ２１０４は、音声を発する機能を有する。ロボット２１００は、マイクロフォン２１０２およびスピーカ２１０４を用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。
【１４５３】  ディスプレイ２１０５は、種々の情報の表示を行う機能を有する。ロボット２１００は、使用者の望みの情報をディスプレイ２１０５に表示することが可能である。ディスプレイ２１０５は、タッチパネルを搭載していてもよい。
【１４５４】  上部カメラ２１０３および下部カメラ２１０６は、ロボット２１００の周囲を撮像する機能を有する。また、障害物センサ２１０７は、移動機構２１０８を用いてロボット２１００が前進する際の進行方向における障害物の有無を察知することができる。ロボット２１００は、上部カメラ２１０３、下部カメラ２１０６および障害物センサ２１０７を用いて、周囲の環境を認識し、安全に移動することが可能である。
【１４５５】  図１３５（Ｂ）に示す飛行体２１２０は、演算装置２１２１と、プロペラ２１２３と、カメラ２１２２と、を有し、自立して飛行する機能を有する。
【１４５６】  飛行体２１２０において、演算装置２１２１およびカメラ２１２２に上記電子部品を用いることができる。
【１４５７】  図１３５（Ｃ）は、自動車の一例を示す外観図である。自動車２９８０は、カメラ２９８１等を有する。また、自動車２９８０は、赤外線レーダー、ミリ波レーダー、レーザーレーダーなど各種センサなどを備える。自動車２９８０は、カメラ２９８１が撮影した画像を解析し、歩行者の有無など、周囲の交通状況を判断し、自動運転を行うことができる。
【１４５８】  図１３５（Ｄ）に、互いに別々の言語で話す複数の人間のコミュニケーションにおいて、携帯電子機器２１３０に同時通訳を行わせる状況を示す。
【１４５９】  携帯電子機器２１３０は、マイクロフォンおよびスピーカ等を有し、使用者の話し声を認識してそれを話し相手の話す言語に翻訳する機能を有する。
【１４６０】  また、図１３５（Ｄ）において、使用者は携帯型マイクロフォン２１３１を有する。携帯型マイクロフォン２１３１は、無線通信機能を有し、検知した音声を携帯電子機器２１３０に送信する機能を有する。
【１４６１】  図１３６（Ａ）は、ペースメーカの一例を示す断面模式図である。
【１４６２】  ペースメーカ本体５３００は、バッテリー５３０１ａと、バッテリー５３０１ｂと、レギュレータと、制御回路と、アンテナ５３０４と、右心房へのワイヤ５３０２、右心室へのワイヤ５３０３とを少なくとも有している。
【１４６３】  ペースメーカ本体５３００は手術により体内に設置され、二本のワイヤは、人体の鎖骨下静脈５３０５及び上大静脈５３０６を通過させて一方のワイヤ先端が右心室、もう一方のワイヤ先端が右心房に設置されるようにする。
【１４６４】  また、アンテナ５３０４で電力が受信でき、その電力はバッテリー５３０１ａ、バッテリー５３０１ｂに充電され、ペースメーカの交換頻度を少なくすることができる。ペースメーカ本体５３００は複数のバッテリーを有しているため、安全性が高く、一方が故障したとしてももう一方が機能することができるため、補助電源としても機能する。
【１４６５】  また、電力を受信できるアンテナ５３０４とは別に、生理信号を送信できるアンテナを有していてもよく、例えば、脈拍、呼吸数、心拍数、体温などの生理信号を外部のモニタ装置で確認できるような心臓活動を監視するシステムを構成してもよい。
【１４６６】  図１３６（Ｂ）に示すセンサ５９００は、接着パッド等を用いて人体に取り付けられる。センサ５９００は、配線５９３２を介して人体に取り付けられた電極５９３１等に信号を与えて心拍数、心電図等の生体情報等を取得する。取得された情報は無線信号として、読み取り器等の端末に送信される。
【１４６７】  図１３７は、掃除ロボットの一例を示す模式図である。
【１４６８】  掃除ロボット５１００は、上面に配置されたディスプレイ５１０１、側面に配置された複数のカメラ５１０２、ブラシ５１０３、操作ボタン５１０４を有する。また図示されていないが、掃除ロボット５１００の下面には、タイヤ、吸い込み口等が備えられている。掃除ロボット５１００は、その他に赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなどの各種センサを備えている。また、掃除ロボット５１００は、無線による通信手段を備えている。
【１４６９】  掃除ロボット５１００は自走し、ゴミ５１２０を検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。
【１４７０】  また、掃除ロボット５１００はカメラ５１０２が撮影した画像を解析し、壁、家具または段差などの障害物の有無を判断することができる。また、画像解析により、配線などブラシ５１０３に絡まりそうな物体を検知した場合は、ブラシ５１０３の回転を止めることができる。
【１４７１】  ディスプレイ５１０１には、バッテリーの残量や、吸引したゴミの量などを表示することができる。掃除ロボット５１００が走行した経路をディスプレイ５１０１に表示させてもよい。また、ディスプレイ５１０１をタッチパネルとし、操作ボタン５１０４をディスプレイ５１０１に設けてもよい。
【１４７２】  掃除ロボット５１００は、スマートフォンなどの携帯電子機器５１４０と通信することができる。カメラ５１０２が撮影した画像は、携帯電子機器５１４０に表示させることができる。そのため、掃除ロボット５１００の持ち主は、外出先からでも、部屋の様子を知ることができる。また、ディスプレイ５１０１の表示をスマートフォンなどの携帯電子機器５１４０で確認することもできる。
【１４７３】  例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。
【１４７４】  また、例えば、上述した電子機器の演算装置などに、上記ＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。これにより、本実施の形態に示す電子機器は、ＡＩシステムによって、状況に応じた的確な動作を、低消費電力で行うことができる。
【１４７５】  本実施の形態は、他の実施の形態および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。
【１４７６】（実施の形態２３）
＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図１３８および図１３９に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
【１４７７】  図１３８（Ａ）に示すロボット２０００は、演算装置２００１、センサ２００２、ライト２００３、リフト２００４、駆動部２００５、移動機構２０１１を備えており、移動しながら静止画や動画を撮影することができる。このようなロボットは、警備システムや、監視システムとして用いることができる。
【１４７８】  ロボット２０００は、さらに、通信手段２００６、スピーカ２００７、マイクロフォン２００８、表示部２００９、発光部２０１０などを備えていてもよい。
【１４７９】  演算装置２００１には、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。また、演算装置２００１には、本発明の一態様に係るＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。センサ２００２は、ロボット２０００の周囲を撮影する、カメラとしての機能を有する。ライト２００３は、センサ２００２でロボット２０００の周囲を撮影する際のライトとして用いることができる。なお、センサ２００２で、静止画を撮影する際には、ライト２００３は、フラッシュライトとして機能することが好ましい。センサ２００２は、リフト２００４を介して、ロボット本体と接続されている。センサ２００２の高さは、リフト２００４により調整することができる。リフト２００４は、伸縮式であることが好ましい。また、リフト２００４は、複数のブームにより構成された折り畳み式のものでもよい。また、ロボット２０００には、駆動部２００５と、駆動部２００５に接続された移動機構２０１１が設けられているため、センサ２００２による撮像範囲、すなわち監視範囲が広がり、好ましい。
【１４８０】  通信手段２００６は、センサ２００２により撮像された情報を管理者や、管理者が所有するサーバへ送信することができる。また、センサ２００２により撮像された情報を演算装置２００１にて解析し、犯罪、事故、火災などの非常事態と判断された場合は、警備会社、警察、消防、医療機関、土地や建物のオーナーへ連絡することができる。スピーカ２００７は、犯罪者への警告、怪我人や急病人への問いかけ、避難の誘導など、ロボット周囲に情報の発信を行うことができる。マイクロフォン２００８は、ロボット２０００の周囲の音声の取得に用いることができる。また、通信手段２００６、およびスピーカ２００７と合わせて用いることで、ロボット２０００は電話としての機能を有することができる。ロボット２０００の周囲にいる人は、管理者や任意の人と会話することができる。表示部２００９は、任意の情報を表示することができる。非常時の場合は、災害情報や避難経路を表示することができる。また、通信手段２００６、スピーカ２００７、およびマイクロフォン２００８と合わせて用いることで、ロボット２０００はテレビ電話としての機能を有することができる。ロボット２０００の周囲にいる人は、管理者や任意の人と表示部２００９を見ながら会話することができる。
【１４８１】  発光部２０１０は、ロボット２０００の進行方向や停止状態を文字や光で示すことができる。また、非常事態を示してもよい。
【１４８２】  図１３８（Ｂ）は、ロボット２０００の構成を示すブロック図である。演算装置２００１は、センサ２００２により得られた映像などの情報から、ライト２００３の点灯や消灯、明るさの調整を行う。また、リフト２００４の高さの調整、あるいは、駆動部２００５の制御を行い、ロボット２０００や、センサ２００２の位置合わせを行う。また、駆動部２００５の動作状況を、発光部２０１０を用いて示すことができる。また、通信手段２００６を用いて、センサ２００２やマイクロフォン２００８から得られたロボット２０００の周囲の情報を管理者、または管理者が所有するサーバに送信することができる。また、演算装置２００１や、管理者の判断により、スピーカ２００７や表示部２００９を用いて、ロボット２０００の周囲に情報を発信することができる。
【１４８３】  センサ２００２に用いるセンサとして、周囲が暗くても撮像が可能なセンサを用いる場合は、ライト２００３は設けなくてもよい。このようなセンサとして、受光部にセレン（Ｓｅ）を用いたイメージセンサを用いることができる。
【１４８４】  このようなロボット２０００は、商業施設や、オフィスの警備に用いることができる。センサ２００２やマイクロフォン２００８から得られた情報は、演算装置２００１やサーバに保存される。保存された情報は、ＡＩシステムにより解析され、物品の紛失や破損、不審者の侵入、火災などの災害などの異常の有無を判断する。情報の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。異常が発生したと判断した場合、ロボット２０００は、管理者への連絡および周囲への情報発信を行い、周囲の状況を記録する。
【１４８５】  また、ロボット２０００は、農作物の生育状況の監視に用いてもよい。田んぼや畑に設置されたロボット２０００は、センサ２００２により、農作物の葉、あるいは実の形、大きさ、色を監視し、病気になっていないか、害虫の付着が無いかを判断する。ロボット２０００には、移動機構２０１１が設けられているため、広範囲の農作物の生育状況を監視することができる。また、ロボット２０００には、リフト２００４が設けられているため、農作物の種類や、生育状況によらず、任意の高さの葉や実を監視することができる。監視結果は、通信手段２００６を用いて生産者に送られ、生産者は、農作物に必要な肥料や農薬の種類、量、散布時期を判断することができる。また、演算装置２００１を用いて、監視結果を、ＡＩシステムにより解析し、農作物に必要な、肥料や農薬の種類、量、散布時期を判断して、生産者に通知してもよい。監視結果の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。
【１４８６】  図１３９（Ａ）は、ロボット３００１を用いた、仕分けシステム３０００を示す。ロボット３００１は、演算装置３００２、ブーム３００３、およびアーム３００４を備えている。また、ロボット３００１は有線、または無線の通信手段３０１１を備えていてもよい。また、仕分けシステム３０００は、センサ３００９を有する筐体３００８を備えている。筐体３００８は、通信手段３０１０を有している。筐体３００８は、仕分けシステム３０００、または仕分け作業エリアの天井、壁、梁（いずれも図示せず）に設けられる。また、筐体３００８は、ロボット３００１に設けられていてもよい。例えば、ブーム３００３、またはアーム３００４に設けられていてもよい。筐体３００８がロボット３００１に設けられている場合は、センサ３００９により得られた情報は、通信手段３０１０、および通信手段３０１１を介さず、演算装置３００２に送られ、処理されてもよい。
【１４８７】  ブーム３００３は、可動式となっており、アーム３００４を所望の位置に配置することができる。また、アーム３００４は伸縮式としてもよい。所望の物品３００７上に配置されたアームを伸ばし、所望の物品３００７を掴み、アーム３００４を縮めた後、ブーム３００３によりアーム３００４を移動してもよい。
【１４８８】  仕分けシステム３０００は、容器３００５内の物品３００７を容器３００６に移動させることができる。容器３００５と容器３００６は、同一形状でも良いし、異なる形状でもよい。また、一つの容器３００５に入れられた複数の物品３００７を複数の容器３００６に振り分けて移動してもよい。
【１４８９】  容器３００５、および容器３００６として、コンテナ、段ボール箱、商品を梱包する箱、ケース、フィルム、または袋、食品保管用のバット、弁当箱などが用いられる。また、容器３００５、および容器３００６の少なくとも一方は、鍋やフライパンなどの調理器具でもよい。
【１４９０】  演算装置３００２には、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。また、演算装置３００２には、本発明の一態様に係るＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。
【１４９１】  センサ３００９は、容器３００５の位置、容器３００６の位置、容器３００５内、および容器３００５内の物品３００７の状態を読み取り、通信手段３０１０を用いて演算装置３００２に情報を送信する。情報の送信は無線または、有線で行う。また、通信手段３０１０を用いずに、有線にて情報を送信してもよい。演算装置３００２は、送信された情報の解析を行う。ここで、物品３００７の状態とは、形、数、物品３００７同士の重なりなどのことを指す。演算装置３００２は、センサ３００９からの情報をもとに解析を行い、物品３００７の詳細情報を導出する。演算装置３００２、またはロボット３００１と通信可能なサーバに保存されたデータと比較し、物品３００７の三次元形状や、堅さ（柔らかさ）を導出する。また、物品３００７の三次元形状や堅さ（柔らかさ）から、アーム３００４の形状を変えることができる。
【１４９２】  物品３００７の詳細情報を導出するには、ＡＩシステムを用いた解析を利用することができる。情報の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。
【１４９３】  図１３９（Ｂ）は、一対の板３０２１が水平方向に移動し、物品３００７を挟むことができるアームである。一対の板３０２１が中心に向かって水平方向に移動することで、物品３００７を挟むことができる。このようなアームは、物品３００７を面で捉えることができ、立方体や直方体など、柱状の形を有する物品３００７を掴むのに適している。図１３９（Ｃ）は、複数のバー３０２２が水平方向に移動し、物品３００７を挟むことができるアームである。複数のバー３０２２が中心に向かって水平方向に移動することで、物品３００７を挟むことができる。このようなアームは、物品３００７を点で捉えることができ、球状の形を有する物品３００７、または物品３００７の形が一定でない場合、すなわち不定形な物品３００７を掴むのに適している。なお、図１３９（Ｃ）では、バー３０２２の数を４本としたが、本実施の形態はこれに限らない。バー３０２２は３本でもよいし、５本以上でも良い。図１３９（Ｄ）は、一対の板３０２３が、共通の軸を中心に、お互いが近づくように回転することで物品３００７を挟むことができるアームである。このようなアームは、物品３００７を面で捉えることができ、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品３００７を掴むのに適している。図１３９（Ｅ）は、一対のかぎ状の板３０２４が、共通の軸を中心に、お互いの先端が近づくように回転することで物品３００７を挟むことができるアームである。このようなアームは、物品３００７を点、または線で捉えることができ、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品３００７や、より小さい粒状の形を有する物品３００７を掴むのに適している。また、図１３９（Ｆ）に示すように、アームの先端にヘラ３０２５を取り付け、より小さい粒状の形を有する物品３００７をすくってもよい。
【１４９４】  図１３９（Ａ）乃至図１３９（Ｆ）に示すアームは、一例であり、本発明の一態様はこれらの形状に限らない。また、各アームの用途の説明も一例であり、本発明の一態様はこれらの記載に限らない。
【１４９５】  ロボット３００１は、演算装置３００２からの信号に基づき、ブーム３００３を動かし、アーム３００４を、容器３００５内の所望の物品３００７上に移動する。伸縮式のアーム３００４の場合、アーム３００４を伸ばし、アーム３００４の先端を物品３００７の高さまで降ろす。アームの先端を動かし、所望の物品３００７を掴む。物品３００７を掴んだまま、アームを縮める。再びブーム３００３を動かし、アーム３００４を、容器３００６上の所望の位置に移動する。このとき、容器３００６に対する物品３００７の角度を調整する為、アーム３００４を回転してもよい。アーム３００４を伸ばし、物品３００７を容器３００６に配置し、アーム３００４は、物品３００７を放す。以上の操作を繰り返し行い、ロボット３００１は、物品３００７を容器３００５から容器３００６に移動させることができる。
【１４９６】  容器３００５、および容器３００６の位置情報、ならびに物品３００７の状態をＡＩシステムを用いて解析しているため、物品３００７の形状や堅さによらず、確実に物品３００７を移動することができる。物品３００７の例としては、立方体、直方体、または任意の形状の箱またはケースに詰められた物品だけでなく、卵、ハンバーグやコロッケなど、成形された加工食品、ジャガイモやトマトなど、不定形な野菜などの食品、ネジやナットなどの機械部品、紙やフィルムなどの薄膜などが挙げられる。本実施の形態に示した仕分けシステム３０００は、物品３００７の形状や堅さを考慮してアームの形状を変えることができるため、上記に例示した物品３００７を、形状や堅さによらず、容器３００５から容器３００６に移動させることができる。
【１４９７】  例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。
【１４９８】  また、例えば、上述した電子機器の演算装置などに、上記ＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。これにより、本実施の形態に示す電子機器は、ＡＩシステムによって、状況に応じた的確な動作を、低消費電力で行うことができる。
【１４９９】  本実施の形態は、他の実施の形態および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。
【実施例１】
【１５００】  本実施例では、酸化物上に金属化合物を形成したときの、酸化物のシート抵抗の推移を測定した。シート抵抗測定器には、測定上限が６．０×１０６Ω／ｓｑ．であるものを用いた。酸化物のシート抵抗の推移を図１４０に示す。シート抵抗の推移の評価に用いたサンプルを以下に説明する。【１５０１】  サンプル１の作製方法について説明する。シリコンを含む基板の表面を、塩化水素（ＨＣｌ）雰囲気で熱処理し、基板上に１００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。次に、酸化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚５ｎｍの酸化物を形成し、さらに、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚１５ｎｍの酸化物を形成した。次に、形成した酸化物に対して、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行い、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行う、第１の加熱処理を実施した。サンプル１の酸化物のシート抵抗を測定したところ、オーバーレンジとなり、酸化物のシート抵抗が６．０×１０６Ω／ｓｑ．以上であることがわかった。【１５０２】  次に、サンプル２の作製方法について説明する。サンプル１と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、第１の加熱処理を行った。第１の加熱処理後、酸化物上に、スパッタリング法によって、Ｔｉ：Ａｌ＝１：１［原子数比］のターゲットを用い、窒素を含む雰囲気にて、膜厚２ｎｍの金属化合物を形成した。得られた金属化合物は、チタン、アルミニウム、および窒素を含んでおり、ＴｉＡｌＮｘと表記することができる。サンプル２の酸化物のシート抵抗を測定したところ、３．８×１０３Ω／ｓｑ．であった。酸化物上に金属化合物を形成することで、酸化物のシート抵抗値が低減した。【１５０３】  次に、サンプル３の作製方法について説明する。サンプル２と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、第１の加熱処理を行った。第１の加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の第２の加熱処理を行った。サンプル３の酸化物のシート抵抗を測定したところ、２．９×１０３Ω／ｓｑ．であった。金属化合物の形成により低減した酸化物のシート抵抗値にほぼ変動は無いが、サンプル２と比較して、サンプル３の酸化物のシート抵抗値は、低減した。【１５０４】  次に、サンプル４の作製方法について説明する。サンプル３と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、第１の加熱処理を行った。第１の加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、第２の加熱処理を行った。第２の加熱処理後、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含むターゲットを用い、アルゴンと酸素を含む雰囲気にて、膜厚２０ｎｍの酸化アルミニウムを形成した。酸化アルミニウムの形成により、酸化物に酸素（過剰酸素）が供給されると考えられる。ここで、酸化物に酸素が供給されることで、酸化物の抵抗値は増加し、Ｉ型半導体に近づく場合がある。サンプル４の酸化物のシート抵抗を測定したところ、１．９×１０３Ω／ｓｑ．であった。なお、サンプル４において、酸化物のシート抵抗の測定は、酸化アルミニウム除去後に行った。金属化合物の形成によりシート抵抗値が低減した酸化物において、酸化アルミニウムの形成によるシート抵抗値の上昇は見られず、サンプル３と比較して、サンプル４の酸化物のシート抵抗値は、低減した。【１５０５】  次に、サンプル５の作製方法について説明する。サンプル４と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、第１の加熱処理を行った。第１の加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、第２の加熱処理を行った。第２の加熱処理後、酸化アルミニウムを形成した。酸化アルミニウムの形成後に、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行い、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行う、第３の加熱処理を実施した。第３の加熱処理により、酸化アルミニウムに含まれる酸素が酸化物に拡散することが考えられる。サンプル５の酸化物のシート抵抗を測定したところ、１．５×１０３Ω／ｓｑ．であった。なお、サンプル５において、酸化物のシート抵抗の測定は、酸化アルミニウム除去後に行った。金属化合物の形成によりシート抵抗値が低減した酸化物において、酸化アルミニウムの形成、および第３の加熱処理によるシート抵抗値の上昇は見られなかった。また、サンプル３、およびサンプル４と比較して、サンプル５の酸化物のシート抵抗値は低減した。【１５０６】  本実施例は、他の実施の形態および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。
【実施例２】
【１５０７】  本実施例では、酸化物上に金属化合物が設けられ、該金属化合物上に金属酸化物が設けられた試料の、酸化物中の水素濃度を評価した結果について説明する。水素濃度の評価には、ＳＳＤＰ（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  Ｓｉｄｅ  Ｄｅｐｔｈ  Ｐｒｏｆｉｌｅ）−ＳＩＭＳ分析を用いた。【１５０８】  以下に、ＳＳＤＰ−ＳＩＭＳ分析に用いたサンプル６及びサンプル７の作製方法について説明する。【１５０９】  サンプル６の作製方法について説明する。シリコンを含む基板の表面を、塩化水素（ＨＣｌ）雰囲気で熱処理し、基板上に１００ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。次に、酸化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、膜厚５０ｎｍの酸化物を形成した。次に、形成した酸化物に対して、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行い、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の第１の加熱処理を行った。第１の加熱処理後、酸化物上に、スパッタリング法によって、Ｔｉ：Ａｌ＝１：１［原子数比］のターゲットを用い、窒素を含む雰囲気にて、膜厚２ｎｍの金属化合物を形成した。次に、金属化合物の形成後、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の第２の加熱処理を行った。第２の加熱処理後、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含むターゲットを用い、アルゴンと酸素を含む雰囲気にて、膜厚２０ｎｍの酸化アルミニウムを形成し、サンプル６を得た。【１５１０】  次に、サンプル７の作製方法について説明する。サンプル６と同様に、基板上に酸化シリコン膜、および酸化物を形成し、第１の加熱処理を行った。第１の加熱処理後、酸化物上に、金属化合物を形成した。金属化合物の形成後、第２の加熱処理を行った。第２の加熱処理後、酸化アルミニウムを形成した。酸化アルミニウムの形成後に、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行い、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の第３の加熱処理を行った。【１５１１】  以上のようにして作製したサンプル６、およびサンプル７に、ＳＳＤＰ−ＳＩＭＳ分析を行って水素を検出した結果を図１４１に示す。図１４１で横軸は深さ（Ｄｅｐｔｈ）［ｎｍ］をとり、縦軸は水素の濃度（Ｈ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］をとる。サンプル６の水素濃度を破線で示し、サンプル７の水素濃度を実践で示す。また、本ＳＳＤＰ−ＳＩＭＳ分析における水素濃度のバックグラウンドレベルは、３．８×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、グラフ中、長破線にて示している。サンプル６、およびサンプル７のＳＳＤＰ−ＳＩＭＳ分析は、シリコンウェハ側から試料を掘り進めて行った。また、サンプル６、およびサンプル７のＳＳＤＰ−ＳＩＭＳ分析は、酸化物（図中、ＩＧＺＯと表記する）を定量して酸化物（ＩＧＺＯ）の水素濃度を換算した。なお、ＳＩＭＳ分析は、アルバック・ファイ社製四重極型質量分析装置（ＡＤＥＰＴ１０１０）を用いた。また、サンプル６、およびサンプル７の検出領域は６０μｍ×６０μｍとした。【１５１２】  図１４１に示すように、サンプル６において、酸化物（ＩＧＺＯ）中に水素が検出されている。一方、加熱処理を行ったサ��プル７において、酸化物（ＩＧＺＯ）中の水素濃度は低減しており、特に、金属化合物側での水素濃度は、バックグラウンドレベルまで低下している。【１５１３】  以上より、酸化物上に金属化合物が設けられ、該金属化合物上に金属酸化物が設けられた試料において、加熱処理を行うことで酸化物中の水素濃度が低減した。本評価により、酸化物中の水素は、金属化合物越しに、金属酸化物に引き抜かれていることが示唆された。すなわち、酸化物近傍に、金属酸化物を設けることにより、酸化物中の水素が金属酸化物に引き抜かれることが示唆された。このように、金属酸化物が酸化物中の水素引き抜く現象は、ゲッタリングと呼ぶことができる。【１５１４】  本実施例は、他の実施の形態および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。
【実施例３】
【１５１５】  本実施例では、本発明の一態様である、図１に示す、金属化合物を有するトランジスタ２００Ａを作製し（試料１Ａとする。）、電気特性を測定した。【１５１６】  以下に、試料１Ａの作製方法を説明する。【１５１７】  まず、ｐ型シリコン単結晶ウエハ上に、熱酸化法によって、酸化シリコン膜を４００ｎｍの膜厚で成膜した。該酸化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、絶縁体２１０として、酸化アルミニウム膜を４０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５１８】  絶縁体２１０上に、導電体２０３となる導電膜として、スパッタリング法によって、タングステン膜を１５０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該導電膜の一部をエッチングした。該エッチングはドライエッチングを用いた。【１５１９】  次に、絶縁体２１２となる絶縁膜として、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を３５０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、第１のＣＭＰ処理によって、上記導電膜の上面に達するまで、該絶縁膜を研磨し、プラグ電極、および配線層としての機能を有する導電体２０３、ならびに絶縁体２１２を形成した。【１５２０】  次に、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を１６０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５２１】  絶縁体２１６上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を３５ｎｍの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該タングステン膜を加工し、該タングステン膜を有するハードマスクを形成した。【１５２２】  次に、ダマシン法によって、上記ハードマスクを用いて、絶縁体２１６を加工し、コンタクトホールおよび配線となる溝を形成した。該コンタクトホールおよび該溝に、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜として、スパッタリング法によって、窒化タンタル膜を成膜し、導電体２０５の第１の導電体となる導電膜上に、導電体２０５の第２の導電体となる導電膜として、ＡＬＤ法によって、窒化チタン膜を成膜し、導電体２０５の第２の導電体となる導電膜上に、導電体２０５の第３の導電体となる導電膜として、ＣＶＤ法によって、タングステン膜を成膜した。【１５２３】  次に、第２のＣＭＰ処理によって、絶縁体２１６の上面に達するまで、導電体２０５となる導電膜の一部、ならびに上記ハードマスクを研磨し、上記コンタクトホール内および上記溝に導電体２０５を埋め込み、プラグ電極、配線層、および第２のゲート電極を形成した。【１５２４】  次に、絶縁体２２０として、酸化窒化シリコン膜を、ＣＶＤ法によって１０ｎｍの膜厚で成膜し、絶縁体２２２として、酸化ハフニウム膜を、ＡＬＤ法によって１０ｎｍの膜厚で成膜し、絶縁体２２４として、酸化窒化シリコン膜を、ＣＶＤ法によって１０ｎｍの膜厚で成膜した。絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。【１５２５】  次に第１の熱処理を行った。第１の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。【１５２６】  次に、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂを、連続成膜した。酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を５ｎｍの膜厚で成膜した。酸化膜２３０Ａは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて、酸素ガス流量４５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度２００℃の条件にて成膜した。【１５２７】  酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１５ｎｍの膜厚で成膜した。酸化膜２３０Ｂは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、アルゴンガス流量４０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度１３０℃の条件にて成膜した。【１５２８】  次に第２の熱処理を行った。第２の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。【１５２９】  次に、酸化膜２３０Ｂ上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を１０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該タングステン膜を加工し、該タングステン膜を有するハードマスクを形成した。【１５３０】  次に、リソグラフィー法によって、上記ハードマスクを用いて、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ａの一部を順にエッチングして、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成した。該エッチングはドライエッチング法を用いた。その後、ドライエッチング法を用いて、上記ハードマスクを除去した。【１５３１】  次に、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を５ｎｍの膜厚で成膜した。酸化膜２３０Ｃは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて、酸素ガス流量４５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度２００℃の条件にて成膜した。【１５３２】  次に、リソグラフィー法によって、酸化膜２３０Ｃの一部をエッチングして、酸化物２３０ｃを形成した。該エッチングはウエットエッチング法を用いた。【１５３３】  次に、絶縁膜２５０Ａとして、酸化窒化シリコン膜を、ＣＶＤ法によって１０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５３４】  次に、金属酸化膜２５２Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１０ｎｍの膜厚で成膜した。金属酸化膜２５２Ａは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、酸素ガス流量４５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度２００℃の条件にて成膜した。【１５３５】  次に、金属酸化膜２５２Ａ上に、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法によって、窒化チタン膜を１０ｎｍの膜厚で成膜し、導電膜２６０Ａ上に、導電膜２６０Ｂとして、スパッタリング法によって、タングステン膜を３０ｎｍの膜厚で成膜した。導電膜２６０Ａと導電膜２６０Ｂは、連続成膜した。【１５３６】  次に、導電膜２６０Ｂ上に、絶縁膜２７０Ａとして、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム膜を７ｎｍの膜厚で成膜した。【１５３７】  次に、絶縁膜２７０Ａ上に、絶縁膜２７１Ａとして、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍの膜厚で成膜した。【１５３８】  次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜２７１Ａ、絶縁膜２７０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および導電膜２６０Ａの一部を順にエッチングして、絶縁体２７１、絶縁体２７０、および導電体２６０（導電体２６０ｂ、および導電体２６０ａ）を形成した。絶縁膜２７１Ａ、絶縁膜２７０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および導電膜２６０Ａのエッチングはドライエッチング法を用いた。【１５３９】  次に、リソグラフィー法によって、金属酸化膜２５２Ａの一部をエッチングして、金属酸化物２５２を形成した。金属酸化膜２５２Ａのエッチングはウエットエッチング法を用いた。金属酸化物２５２、および導電体２６０は、第１のゲート電極としての機能を有する。【１５４０】  次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜２５０Ａの一部をエッチングして、第１のゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体２５０を形成した。絶縁膜２５０Ａのエッチングはドライエッチング法を用いた。【１５４１】  次に、絶縁膜２７５Ａとして、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を１５ｎｍの膜厚で成膜した。【１５４２】  次に、絶縁膜２７５Ａの一部をエッチングして、絶縁体２７５を形成した。絶縁膜２７５Ａのエッチングはドライエッチング法を用いた。【１５４３】  次に、膜２４２Ａとして、スパッタリング法によって、チタン、アルミニウム、および窒素を含む金属化合物（ＴｉＡｌＮｘと表記する。）を２ｎｍの膜厚で成膜した。ＴｉＡｌＮｘは、Ｔｉ：Ａｌ＝１：１［原子数比］のターゲットを用いて、アルゴンガス流量４１ｓｃｃｍ、窒素ガス流量９ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｐａ、基板温度は室温の条件にて成膜した。【１５４４】  次に第３の熱処理を行い、層２４２を形成した。第３の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。【１５４５】  次に、絶縁体２７３として、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜をアルゴンガス流量２５ｓｃｃｍ、酸素ガス流量２５ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｐａ、基板温度２５０℃の条件にて１０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５４６】  次に、第４の熱処理を行った。第４の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。【１５４７】  次に、絶縁体２７４として、ＣＶＤ法によって、窒化シリコン膜をシラン（ＳｉＨ４）ガス流量５ｓｃｃｍ、窒素ガス流量１２５ｓｃｃｍ、基板温度３００℃の条件にて４０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５４８】  次に、絶縁体２８０として、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を４７０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、第３のＣＭＰ処理を行い、絶縁体２８０を研磨し、絶縁体２８０の表面を平坦化した。【１５４９】  次に、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２として、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜をアルゴンガス流量２５ｓｃｃｍ、酸素ガス流量２５ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｐａ、基板温度２５０℃の条件にて４０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５５０】  次に第５の熱処理を行った。第５の熱処理は、酸素を含む雰囲気にて温度３５０℃、１時間の処理を行った。【１５５１】  次に、絶縁体２８４として、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を１５０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５５２】  次に、絶縁体２８４上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を９０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該タングステン膜を加工し、該タングステン膜を有するハードマスクを形成した。【１５５３】  次に、リソグラフィー法によって、上記ハードマスクを用いて、導電体２０５または導電体２０３に達するコンタクトホール、導電体２６０に達するコンタクトホール、および酸化物２３０ｂに達するコンタクトホールを形成した。【１５５４】  次に、導電体２４０の第１の導電体となる導電膜として、タングステン膜を、スパッタリング法によって１０ｎｍの膜厚で成膜し、導電体２４０の第２の導電体となる導電膜として、窒化チタン膜を、ＡＬＤ法によって２０ｎｍの膜厚で成膜し、導電体２４０の第３の導電体となる導電膜として、タングステン膜を、ＣＶＤ法によって２５０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５５５】  次に、第４のＣＭＰ処理を行い、導電体２４０となる導電膜、および上記ハードマスクを、絶縁体２８４に達するまで研磨を行い、各コンタクトホール内に導電体２４０が埋め込まれたプラグを形成した。【１５５６】  次に、スパッタリング法によって、第１のチタン膜を２０ｎｍの膜厚で、第１の窒化チタン膜を３０ｎｍの膜厚で、アルミニウム膜を１００ｎｍの膜厚で、第２のチタン膜を５ｎｍの膜厚で、第２の窒化チタン膜を４５ｎｍの膜厚で、連続成膜した。【１５５７】  次に、リソグラフィー法によって、第１のチタン膜、第２の窒化チタン膜、アルミニウム膜、第２のチタン膜および第２の窒化チタン膜を加工し、配線層を形成した。【１５５８】  次に、塗布法によって、感光性ポリイミド膜を１．６μｍの膜厚で形成し、リソグラフィー法によって、測定端子（測定パッド）となる部分の感光性ポリイミド膜を除去した。【１５５９】  最後に該感光性ポリイミド膜に温度３００℃で１時間の熱処理を行った。【１５６０】  以上により、試料１Ａを作製した。【１５６１】  次に、試料１Ａの電気特性を測定した。ソース−ドレイン間電圧（以下、ドレイン電圧Ｖｄという。）を０．１Ｖ、１．２Ｖとし、ソース−ゲート間電圧（以下、ゲート電圧Ｖｇという。）を−３．３Ｖから＋３．３Ｖまで変化させたときのソース−ドレイン間電流（以下、ドレイン電流Ｉｄという。）の変化を測定した。すなわちＩｄ−Ｖｇ特性を測定した。ゲート電圧Ｖｇとは、第１のゲート電極（トップゲート電極）の電圧を示しており以降も同様とする。本測定においては、第２のゲート電極（バックゲート電極）の電圧は０Ｖに設定した。また、本測定においては試料１ＡのトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を測定した。図１４２に試料１ＡのＩｄ−Ｖｇ特性を示す。【１５６２】  試料１Ａは、トランジスタ特性を得ることがわかった。よって、先の実施の形態で示すように、トランジスタに金属化合物を設けることで、良好な電気特性を有する半導体装置を作製することができる。【１５６３】  本実施例は、他の実施の形態および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。
【実施例４】
【１５６４】  本実施例では、本発明の一態様である、図１に示す、金属化合物を有するトランジスタ２００Ａを作製し（試料２Ａとする。）、電気特性を測定した。【１５６５】  以下に、試料２Ａの作製方法を説明する。【１５６６】  まず、ｐ型シリコン単結晶ウエハ上に、熱酸化法によって、酸化シリコン膜を４００ｎｍの膜厚で成膜した。該酸化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、絶縁体２１０として、酸化アルミニウム膜を４０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５６７】  絶縁体２１０上に、導電体２０３となる導電膜として、スパッタリング法によって、タングステン膜を１５０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該導電膜の一部をエッチングした。該エッチングはドライエッチングを用いた。【１５６８】  次に、絶縁体２１０および上記導電膜上に、絶縁体２１２となる絶縁膜として、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を３５０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、第１のＣＭＰ処理によって、上記導電膜の上面に達するまで、該絶縁膜を研磨し、プラグ電極、配線層、および第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０３、ならびに絶縁体２１２を形成した。【１５６９】  次に、絶縁体２２０として、酸化窒化シリコン膜を、ＣＶＤ法によって１０ｎｍの膜厚で成膜し、絶縁体２２２として、酸化ハフニウム膜を、ＡＬＤ法によって１０ｎｍの膜厚で成膜し、絶縁体２２４として、酸化窒化シリコン膜を、ＣＶＤ法によって１０ｎｍの膜厚で成膜した。絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。【１５７０】  次に第１の熱処理を行った。第１の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。【１５７１】  次に、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂを、連続成膜した。酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を５ｎｍの膜厚で成膜した。酸化膜２３０Ａは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて、酸素ガス流量４５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度２００℃の条件にて成膜した。【１５７２】  酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１５ｎｍの膜厚で成膜した。酸化膜２３０Ｂは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、アルゴンガス流量４０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度１３０℃の条件にて成膜した。【１５７３】  次に第２の熱処理を行った。第２の熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。【１５７４】  次に、酸化膜２３０Ｂ上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を１０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該タングステン膜を加工し、該タングステン膜を有するハードマスクを形成した。【１５７５】  次に、リソグラフィー法によって、上記ハードマスクを用いて、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ａの一部を順にエッチングして、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成した。該エッチングはドライエッチング法を用いた。その後、ドライエッチング法を用いて、上記ハードマスクを除去した。【１５７６】  次に、酸化膜２３０Ｃとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を５ｎｍの膜厚で成膜した。酸化膜２３０Ｃは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて、酸素ガス流量４５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度２００℃の条件にて成膜した。【１５７７】  次に、リソグラフィー法によって、酸化膜２３０Ｃの一部をエッチングして、酸化物２３０ｃを形成した。該エッチングはウエットエッチング法を用いた。【１５７８】  次に、絶縁膜２５０Ａとして、酸化窒化シリコン膜を、ＣＶＤ法によって１０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５７９】  次に、金属酸化膜２５２Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を１０ｎｍの膜厚で成膜した。金属酸化膜２５２Ａは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］のターゲットを用いて、酸素ガス流量４５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度２００℃の条件にて成膜した。【１５８０】  次に、金属酸化膜２５２Ａ上に、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法によって、窒化チタン膜を１０ｎｍの膜厚で成膜し、導電膜２６０Ａ上に、導電膜２６０Ｂとして、スパッタリング法によって、タングステン膜を３０ｎｍの膜厚で成膜した。導電膜２６０Ａと導電膜２６０Ｂは、連続成膜した。【１５８１】  次に、導電膜２６０Ｂ上に、絶縁膜２７０Ａとして、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム膜を７ｎｍの膜厚で成膜した。【１５８２】  次に、絶縁膜２７０Ａ上に、絶縁膜２７１Ａとして、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を１００ｎｍの膜厚で成膜した。【１５８３】  次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜２７１Ａ、絶縁膜２７０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および導電膜２６０Ａの一部を順にエッチングして、絶縁体２７１、絶縁体２７０、および導電体２６０（導電体２６０ｂ、および導電体２６０ａ）を形成した。絶縁膜２７１Ａ、絶縁膜２７０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および導電膜２６０Ａのエッチングはドライエッチング法を用いた。【１５８４】  次に、リソグラフィー法によって、金属酸化膜２５２Ａの一部をエッチングして、金属酸化物２５２を形成した。金属酸化膜２５２Ａのエッチングはウエットエッチング法を用いた。金属酸化物２５２、および導電体２６０は、第１のゲート電極としての機能を有する。【１５８５】  次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜２５０Ａの一部をエッチングして、第１のゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体２５０を形成した。絶縁膜２５０Ａのエッチングはドライエッチング法を用いた。【１５８６】  次に、絶縁膜２７５Ａとして、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を１５ｎｍの膜厚で成膜した。【１５８７】  次に、絶縁膜２７５Ａの一部をエッチングして、絶縁体２７５を形成した。絶縁膜２７５Ａのエッチングはドライエッチング法を用いた。【１５８８】  次に、膜２４２Ａとして、スパッタリング法によって、アルミニウム膜を２ｎｍの膜厚で成膜した。膜２４２Ａは、ＡＩのターゲットを用いて、アルゴンガス流量５０ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｐａ、基板温度は室温の条件にて成膜した。【１５８９】  次に第３の熱処理を行い、層２４２を形成した。第３の��処理は、窒素を含む雰囲気にて温度３５０℃、１時間の処理を行った。【１５９０】  次に、ウエットエッチング法を用いて、層２４２を除去した。【１５９１】  次に、絶縁体２７３として、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜をアルゴンガス流量２５ｓｃｃｍ、酸素ガス流量２５ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｐａ、基板温度２５０℃の条件にて１０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５９２】  次に、第４の熱処理を行った。第４の熱処理は、酸素を含む雰囲気にて温度３５０℃、１時間の処理を行った。【１５９３】  次に、絶縁体２７４として、ＣＶＤ法によって、窒化シリコン膜をシラン（ＳｉＨ４）ガス流量５ｓｃｃｍ、窒素ガス流量１２５ｓｃｃｍ、基板温度３００℃の条件にて４０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５９４】  次に、絶縁体２８０として、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を４７０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、第２のＣＭＰ処理を行い、絶縁体２８０を研磨し、絶縁体２８０の表面を平坦化した。【１５９５】  次に、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２として、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜をアルゴンガス流量２５ｓｃｃｍ、酸素ガス流量２５ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｐａ、基板温度２５０℃の条件にて４０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５９６】  次に第５の熱処理を行った。第５の熱処理は、酸素を含む雰囲気にて温度３５０℃、１時間の処理を行った。【１５９７】  次に、絶縁体２８４として、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を１５０ｎｍの膜厚で成膜した。【１５９８】  次に、絶縁体２８４上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を９０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィー法によって、該タングステン膜を加工し、該タングステン膜を有するハードマスクを形成した。【１５９９】  次に、リソグラフィー法によって、上記ハードマスクを用いて、導電体２０３に達するコンタクトホール、導電体２６０に達するコンタクトホール、および酸化物２３０ｂに達するコンタクトホールを形成した。【１６００】  次に、導電体２４０の第１の導電体となる導電膜として、タングステン膜を、スパッタリング法によって１０ｎｍの膜厚で成膜し、導電体２４０の第２の導電体となる導電膜として、窒化チタン膜を、ＡＬＤ法によって２０ｎｍの膜厚で成膜し、導電体２４０の第３の導電体となる導電膜として、タングステン膜を、ＣＶＤ法によって２５０ｎｍの膜厚で成膜した。【１６０１】  次に、第３のＣＭＰ処理を行い、導電体２４０となる導電膜、および上記ハードマスクを、絶縁体２８４に達するまで研磨を行い、各コンタクトホール内に導電体２４０が埋め込まれたプラグを形成した。【１６０２】  次に、スパッタリング法によって、第１のチタン膜を２０ｎｍの膜厚で、第１の窒化チタン膜を３０ｎｍの膜厚で、アルミニウム膜を１００ｎｍの膜厚で、第２のチタン膜を５ｎｍの膜厚で、第２の窒化チタン膜を４５ｎｍの膜厚で、連続成膜した。【１６０３】  次に、リソグラフィー法によって、第１のチタン膜、第１の窒化チタン膜、アルミニウム膜、第２のチタン膜および第２の窒化チタン膜を加工し、配線層を形成した。【１６０４】  次に、塗布法によって、感光性ポリイミド膜を１．６μｍの膜厚で形成し、リソグラフィー法によって、測定端子（測定パッド）となる部分の感光性ポリイミド膜を除去した。【１６０５】  最後に該感光性ポリイミド膜に温度３００℃で１時間の熱処理を行った。【１６０６】  以上により、試料２Ａを作製した。【１６０７】  次に、試料２Ａの電気特性を測定した。ソース−ドレイン間電圧（以下、ドレイン電圧Ｖｄという。）を０．１Ｖ、１．２Ｖとし、ソース−ゲート間電圧（以下、ゲート電圧Ｖｇという。）を−３．３Ｖから＋３．３Ｖまで変化させたときのソース−ドレイン間電流（以下、ドレイン電流Ｉｄという。）の変化を測定した。すなわちＩｄ−Ｖｇ特性を測定した。ゲート電圧Ｖｇとは、第１のゲート電極（トップゲート電極）の電圧を示しており以降も同様とする。本測定においては、第２のゲート電極（バックゲート電極）の電圧は０Ｖに設定した。また、本測定においては試料２ＡのトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を測定した。図１４３に試料２ＡのＩｄ−Ｖｇ特性を示す。【１６０８】  試料２Ａは、トランジスタ特性を得ることがわかった。よって、先の実施の形態で示すように、トランジスタに金属化合物を設けることで、良好な電気特性を有する半導体装置を作製することができる。【１６０９】  本実施例は、他の実施の形態および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。
【符号の説明】
【１６１０】  １００：容量素子、１００ａ：容量素子、１００ｂ：容量素子、１１０：導電体、１１２：導電体、１２０：導電体、１２０ａ：導電体、１２０ｂ：導電体、１３０：絶縁体、１５０：絶縁体、２００：トランジスタ、２００ａ：トランジスタ、２００Ａ：トランジスタ、２００ｂ：トランジスタ、２００Ｂ：トランジスタ、２００Ｃ：トランジスタ、２００Ｄ：トランジスタ、２００Ｅ：トランジスタ、２００Ｆ：トランジスタ、２００Ｇ：トランジスタ、２００Ｈ：トランジスタ、２０３：導電体、２０３ａ：導電体、２０３ｂ：導電体、２０５：導電体、２０５ａ：導電体、２０５ｂ：導電体、２０７：導電体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１８：導電体、２２０：絶縁体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２２４Ａ：絶縁膜、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０Ａ：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｃ：酸化物、２３０Ｃ：酸化膜、２３１：領域、２３１ａ：領域、２３１ｂ：領域、２３２：領域、２３２ａ：領域、２３２ｂ：領域、２３４：領域、２３９：領域、２４０：導電体、２４０ａ：導電体、２４０ｂ：導電体、２４０ｃ：導電体、２４２：層、２４２Ａ：膜、２４２Ｂ：絶縁体、２４６：導電体、２４８：導電体、２５０：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２５２：金属酸化物、２５２Ａ：金属酸化膜、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０Ａ：導電膜、２６０ｂ：導電体、２６０Ｂ：導電膜、２７０：絶縁体、２７０Ａ：絶縁膜、２７１：絶縁体、２７１Ａ：絶縁膜、２７２：絶縁体、２７２Ａ：絶縁膜、２７３：絶縁体、２７３Ａ：絶縁膜、２７４：絶縁体、２７５：絶縁体、２７５Ａ：絶縁膜、２７６：絶縁体、２７６ａ：絶縁体、２７６ｂ：絶縁体、２７７：絶縁体、２７７Ａ：絶縁膜、２７８：絶縁体、２８０：絶縁体、２８２：絶縁体、２８４：絶縁体、２８６：絶縁体、３００：トランジスタ、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体、３６０：絶縁体、３６２：絶縁体、３６４：絶縁体、３６６：導電体、３７０：絶縁体、３７２：絶縁体、３７４：絶縁体、３７６：導電体、３８０：絶縁体、３８２：絶縁体、３８４：絶縁体、３８６：導電体、４００：トランジスタ、４０３：導電体、４０５：導電体、４２４：絶縁体、４３０ｃ：酸化物、４３１ａ：酸化物、４３１ｂ：酸化物、４３２ａ：酸化物、４３２ｂ：酸化物、４５０：絶縁体、４５２：金属酸化物、４６０：導電体、４６０ａ：導電体、４６０ｂ：導電体、４７０：絶縁体、４７１：絶縁体、４７２：絶縁体、４７３：絶縁体、４７５：絶縁体、４７７：絶縁体、５００：開口部、６００：セル、６００ａ：セル、６００ｂ：セル、６１０：回路、６２０：回路、６５０ａ：メモリセル、６５０ｂ：メモリセル、１００１：配線、１００２：配線、１００３：配線、１００４：配線、１００５：配線、１００６：配線、１００７：配線、１００８：配線、１００９：配線、１���１０：配線、１４００：ＤＯＳＲＡＭ、１４０５：コントローラ、１４１０：行回路、１４１１：デコーダ、１４１２：ワード線ドライバ回路、１４１３：列セレクタ、１４１４：センスアンプドライバ回路、１４１５：列回路、１４１６：グローバルセンスアンプアレイ、１４１７：入出力回路、１４２０：ＭＣ−ＳＡアレイ、１４２２：メモリセルアレイ、１４２３：センスアンプアレイ、１４２５：ローカルメモリセルアレイ、１４２６：ローカルセンスアンプアレイ、１４４４：スイッチアレイ、１４４５：メモリセル、１４４５ａ：メモリセル、１４４５ｂ：メモリセル、１４４６：センスアンプ、１４４７：グローバルセンスアンプ、１６００：ＮＯＳＲＡＭ、１６１０：メモリセルアレイ、１６１１：メモリセル、１６１２：メモリセル、１６１３：メモリセル、１６１４：メモリセル、１６１５：メモリセル、１６１５ａ：メモリセル、１６１５ｂ：メモリセル、１６４０：コントローラ、１６５０：行ドライバ、１６５１：行デコーダ、１６５２：ワード線ドライバ、１６６０：列ドライバ、１６６１：列デコーダ、１６６２：ドライバ、１６６３：ＤＡＣ、１６７０：出力ドライバ、１６７１：セレクタ、１６７２：ＡＤＣ、１６７３：出力バッファ、２０００：ロボット、２００１：演算装置、２００２：センサ、２００３：ライト、２００４：リフト、２００５：駆動部、２００６：通信手段、２００７：スピーカ、２００８：マイクロフォン、２００９：表示部、２０１０：発光部、２０１１：移動機構、２１００：ロボット、２１０１：照度センサ、２１０２：マイクロフォン、２１０３：上部カメラ、２１０４：スピーカ、２１０５：ディスプレイ、２１０６：下部カメラ、２１０７：障害物センサ、２１０８：移動機構、２１１０：演算装置、２１２０：飛行体、２１２１：演算装置、２１２２：カメラ、２１２３：プロペラ、２１３０：携帯電子機器、２１３１：携帯型マイクロフォン、２９８０：自動車、２９８１：カメラ、３０００：システム、３００１：ロボット、３００２：演算装置、３００３：ブーム、３００４：アーム、３００５：容器、３００６：容器、３００７：物品、３００８：筐体、３００９：センサ、３０１０：通信手段、３０１１：通信手段、３０２１：板、３０２２：バー、３０２３：板、３０２４：板、３０２５：ヘラ、３１１０：ＯＳ−ＦＰＧＡ、３１１１：コントローラ、３１１２：ワードドライバ、３１１３：データドライバ、３１１５：プログラマブルエリア、３１１７：ＩＯＢ、３１１９：コア、３１２０：ＬＡＢ、３１２１：ＰＬＥ、３１２３：ＬＵＴブロック、３１２４：レジスタブロック、３１２５：セレクタ、３１２６：ＣＭ、３１２７：パワースイッチ、３１２８：ＣＭ、３１３０：ＳＡＢ、３１３１：ＳＢ、３１３３：ＰＲＳ、３１３５：ＣＭ、３１３７：メモリ回路、３１３７Ｂ：メモリ回路、３１４０：ＯＳ−ＦＦ、３１４１：ＦＦ、３１４２：シャドウレジスタ、３１４３：メモリ回路、３１４３Ｂ：メモリ回路、３１８８：インバータ回路、３１８９：インバータ回路、４０１０：演算部、４０１１：アナログ演算回路、４０１２：ＤＯＳＲＡＭ、４０１３：ＮＯＳＲＡＭ、４０１４：ＦＰＧＡ、４０２０：制部、４０２１：ＣＰ���、４０２２：ＧＰＵ、４０２３：ＰＬＬ、４０２５：ＰＲＯＭ、４０２６：メモリコントローラ、４０２７：電源回路、４０２８：ＰＭＵ、４０３０：入出力部、４０３１：外部記憶制御回路、４０３２：音声コーデック、４０３３：映像コーデック、４０３４：汎用入出力モジュール、４０３５：通信モジュール、４０４１：ＡＩシステム、４０４１＿ｎ：ＡＩシステム、４０４１＿１：ＡＩシステム、４０４１Ａ：ＡＩシステム、４０４１Ｂ：ＡＩシステム、４０９８：バス線、４０９９：ネットワーク、５１００：掃除ロボット、５１０１：ディスプレイ、５１０２：カメラ、５１０３：ブラシ、５１０４：操作ボタン、５１２０：ゴミ、５１４０：携帯電子機器、５３００：ペースメーカ本体、５３０１ａ：バッテリー、５３０１ｂ：バッテリー、５３０２：ワイヤ、５３０３：ワイヤ、５３０４：アンテナ、５３０５：鎖骨下静脈、５３０６：上大静脈、５９００：センサ、５９３１：電極、５９３２：配線、７０００：ＡＩシステムＩＣ、７００１：リード、７００２：プリント基板、７００３：回路部、７００４：実装基板、７０３１：Ｓｉトランジスタ層、７０３２：配線層、７０３３：ＯＳトランジスタ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８０】
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【図８１】
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【図８２】
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【図８３】
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【図８４】
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【図８５】
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【図８６】
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【図８７】
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【図８８】
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【図８９】
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【図９０】
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【図９１】
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【図９２】
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【図９３】
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【図９４】
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【図９５】
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【図９６】
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【図９７】
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【図９８】
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【図９９】
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【図１００】
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【図１０１】
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【図１０２】
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【図１０３】
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【図１０４】
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【図１０５】
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【図１０６】
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【図１０８】
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【図１０９】
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【図１１０】
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【図１１１】
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【図１１２】
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【図１１３】
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【図１１４】
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【図１１５】
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【図１１６】
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【図１１７】
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【図１１８】
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【図１１９】
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【図１２０】
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【図１２１】
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【図１２２】
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【図１２３】
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【図１２４】
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【図１２５】
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【図１２６】
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【図１２７】
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【図１２８】
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【図１２９】
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【図１３０】
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【図１３１】
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【図１３２】
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【図１３３】
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【図１３４】
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【図１３５】
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【図１３６】
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【図１３７】
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【図１３８】
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【図１３９】
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【図１４０】
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【図１４１】
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【図１４２】
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【図１４３】
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【国際調査報告】
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