(57)【要約】【課題】微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】トランジスタと、容量素子と、を有し、トランジスタは、金属酸化物と、金属酸化物と電気的に接続された、第１の導電体と、を有し、容量素子は、金属酸化物の上に配置され、第１の導電体が貫通している第１の絶縁体と、第１の絶縁体の上に配置され、第１の絶縁体および第１の導電体に達する開口が形成された、第２の絶縁体と、開口の内壁、第１の絶縁体、および第１の導電体に接して配置された第２の導電体と、第２の導電体の上に配置された、第３の絶縁体と、第３の絶縁体の上に配置された、第４の導電体と、を有し、第１の絶縁体は、第２の絶縁体より、水素の透過を抑制する機能が高い、半導体装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体を貫通するように配置された第１の導電体と、
前記第１の絶縁体の上に配置され、前記第１の絶縁体および前記第１の導電体に達する開口が形成された、第２の絶縁体と、
前記開口の内壁、前記第１の絶縁体、および前記第１の導電体に接して配置された第２の導電体と、
前記第２の導電体の上に配置された、第３の絶縁体と、
前記第３の絶縁体の上に配置された、第４の導電体と、を有し、
前記第１の絶縁体の前記第２の導電体と接する領域の膜厚は、前記第１の絶縁体の該領域以外の膜厚より薄く、
前記第１の導電体は、前記第１の絶縁体の、前記第２の導電体と接する領域の上面より上の部分において、湾曲面を有する、ことを特徴とする容量素子。
【請求項２】
トランジスタと、容量素子と、を有し、
前記トランジスタは、
金属酸化物と、
前記金属酸化物と電気的に接続された、第１の導電体と、を有し、
前記容量素子は、
前記金属酸化物の上に配置され、前記第１の導電体が貫通している第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体の上に配置され、前記第１の絶縁体および前記第１の導電体に達する開口が形成された、第２の絶縁体と、
前記開口の内壁、前記第１の絶縁体、および前記第１の導電体に接して配置された第２の導電体と、
前記第２の導電体の上に配置された、第３の絶縁体と、
前記第３の絶縁体の上に配置された、第４の導電体と、を有し、
前記第１の絶縁体は、前記第２の絶縁体より、水素の透過を抑制する機能が高い、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１の導電体は、前記第１の絶縁体の、前記第２の導電体と接する領域の上面より上の部分において、湾曲面を有する、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３のいずれかにおいて、
前記第１の導電体は、前記第１の絶縁体の、前記第２の導電体と接する領域の上面より下の部分において、底面と側面のなす角が９０°以上である、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれか一項において、
前記第１の絶縁体の前記第２の導電体と接する領域の膜厚は、前記第１の絶縁体の該領域以外の膜厚より薄い、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のいずれか一項において、
前記第１の絶縁体は、アルミニウムおよび酸素を含む、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項２乃至請求項６のいずれか一項において、
前記第２の絶縁体は、第５の絶縁体と、該第５の絶縁体の上に配置された第６の絶縁体と、を有し、
前記第５の絶縁体および前記第６の絶縁体の一方は、圧縮応力を有し、
前記第５の絶縁体および前記第６の絶縁体の他方は、引っ張り応力を有する、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項２乃至請求項７のいずれか一項において、
前記第４の導電体は、前記開口を埋め込むように形成され、
前記第４の導電体は、前記第２の絶縁体と重なる領域を有し、
前記第４の導電体の当該領域の上面の平均面粗さが２ｎｍ以下である、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項２乃至請求項８のいずれか一項において、
前記金属酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
金属酸化物を有するトランジスタの上に第１の絶縁体を形成する工程と、
前記第１の絶縁体の上に第２の絶縁体を形成する工程と、
前記第１の絶縁体および前記第２の絶縁体に、前記トランジスタのソースおよびドレインの一方に達する第１の開口と、前記トランジスタのソースおよびドレインの他方に達する第２の開口を形成する工程と、
前記第１の開口に第１の導電体を埋め込み、前記第２の開口に第２の導電体を埋め込む工程と、
前記第２の絶縁体、前記第１の導電体、および前記第２の導電体の上に第３の絶縁体を形成する工程と、
ドライエッチング処理を行い、前記第１の絶縁体および前記第１の導電体に達する第３の開口を形成する工程と、
前記第３の開口の内壁、前記第１の絶縁体、および前記第１の導電体に接して、第３の導電体を形成する工程と、
前記第３の導電体の上に第４の絶縁体を形成する工程と、
前記第４の絶縁体の上に第４の導電体を形成する工程と、を有し、
前記第１の絶縁体として、前記第２の絶縁体より、水素の透過を抑制する機能が高い絶縁体を用い、
前記ドライエッチング処理において、少なくとも前記第１の導電体の上面が露出した段階で、エッチングガスに、炭素とフッ素を含み、かつ該炭素の原子数比が該フッ素の原子数比の５０％以上であるガスを含む、ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記第３の絶縁体を形成する工程において、
ＰＥＣＶＤ法を用いて第１の酸化シリコンを成膜し、
前記第１の酸化シリコンの上に、ＡＰＣＶＤ法を用いて第２の酸化シリコンを成膜する、ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１のいずれかにおいて、
前記第４の導電体を形成する工程において、
前記第４の導電体を成膜し、
前記第４の導電体の上に第５の絶縁体を成膜し、
前記第４の導電体が露出するようにＣＭＰ処理を行う、ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１３】
請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項において、
前記ドライエッチング処理において、前記エッチングガスにアルゴンを含み、
前記アルゴンの流量が、エッチングガス全体の流量の９０％以上である、ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１４】
請求項１０乃至請求項１３のいずれか一項において、
前記第１の絶縁体は、アルミニウムを含むターゲットを用いて、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法で成膜する、ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１５】
請求項１０乃至請求項１４のいずれか一項において、
前記金属酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含むターゲットを用いてスパッタリング法で成膜する、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、容量素子、半導体装置、記憶装置ならびにこれら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及びメモリ）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。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。）。また、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て、長期にわたり記憶内容を保持することができる記憶装置などが、開示されている（特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−２５７１８７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１５１３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な容量素子または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、生産性の高い容量素子または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、静電容量の大きい容量素子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、良好な信頼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。
【００１０】
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または記憶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または記憶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または記憶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、単位面積当たりの記憶容量が大きい半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一とする。本発明の一態様は、新規な半導体装置または記憶装置を提供することを課題の一つとする。
【００１１】
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】
【００１２】
金属酸化物を有するトランジスタの上に、少なくとも一部が該トランジスタと重なるように容量素子を設けることにより、半導体装置の占有面積を低減し、微細化または高集積化を図ることができる。さらに、トランジスタの上に絶縁体を配置し、該絶縁体に形成された開口に埋め込むように容量素子を設けることにより、半導体装置の占有面積を低減し、且つ容量素子の静電容量を大きくすることができる。
【００１３】
さらに、トランジスタと容量素子との間に、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絶縁体を設けることにより、容量素子などに起因する不純物がトランジスタに混入することを抑制できるので、電気特性および信頼性の良好なトランジスタを提供することができる。
【００１４】
また、不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁体を貫通して、トランジスタと容量素子を電気的に接続する導電体が設けられる。該導電体の上部を、湾曲面を有する形状にすることで、該導電体と容量素子の下部電極の接触抵抗を低減し、半導体装置に良好な電気特性を与えることができる。
【００１５】
本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体を貫通するように配置された、第１の導電体と、第１の絶縁体の上に配置され、第１の絶縁体および第１の導電体に達する開口が形成された、第２の絶縁体と、開口の内壁、第１の絶縁体、および第１の導電体に接して配置された第２の導電体と、第２の導電体の上に配置された、第３の絶縁体と、第３の絶縁体の上に配置された、第４の導電体と、を有し、第１の絶縁体の第２の導電体と接する領域の膜厚は、第１の絶縁体の該領域以外の膜厚より薄く、第１の導電体は、第１の絶縁体の、第２の導電体と接する領域の上面より上の部分において、湾曲面を有する、容量素子である。
【００１６】
また、本発明の他の一態様は、トランジスタと、容量素子と、を有し、トランジスタは、金属酸化物と、金属酸化物と電気的に接続された、第１の導電体と、を有し、容量素子は、金属酸化物の上に配置され、第１の導電体が貫通している第１の絶縁体と、第１の絶縁体の上に配置され、第１の絶縁体および第１の導電体に達する開口が形成された、第２の絶縁体と、開口の内壁、第１の絶縁体、および第１の導電体に接して配置された第２の導電体と、第２の導電体の上に配置された、第３の絶縁体と、第３の絶縁体の上に配置された、第４の導電体と、を有し、第１の絶縁体は、第２の絶縁体より、水素の透過を抑制する機能が高い、半導体装置である。
【００１７】
上記において、第１の導電体は、第１の絶縁体の、第２の導電体と接する領域の上面より上の部分において、湾曲面を有する、ことが好ましい。また、上記において、第１の導電体は、第１の絶縁体の、第２の導電体と接する領域の上面より下の部分において、底面と側面のなす角が９０°以上である、ことが好ましい。また、上記において、第１の絶縁体の第２の導電体と接する領域の膜厚は、第１の絶縁体の該領域以外の膜厚より薄くなってもよい。
【００１８】
また、上記において、第１の絶縁体は、アルミニウムおよび酸素を含む、ことが好ましい。また、上記において、第２の絶縁体は、第５の絶縁体と、該第５の絶縁体の上に配置された第６の絶縁体と、を有し、第５の絶縁体および第６の絶縁体の一方は、圧縮応力を有し、第５の絶縁体および第６の絶縁体の他方は、引っ張り応力を有する、ことが好ましい。また、上記において、第４の導電体は、開口を埋め込むように形成され、第４の導電体は、第２の絶縁体と重なる領域を有し、第４の導電体の当該領域の上面の平均面粗さが２ｎｍ以下である、ことが好ましい。また、上記において、金属酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含む、ことが好ましい。
【００１９】
また、本発明の他の一態様は、金属酸化物を有するトランジスタの上に第１の絶縁体を形成する工程と、第１の絶縁体の上に第２の絶縁体を形成する工程と、第１の絶縁体および第２の絶縁体に、トランジスタのソースおよびドレインの一方に達する第１の開口と、トランジスタのソースおよびドレインの他方に達する第２の開口を形成する工程と、第１の開口に第１の導電体を埋め込み、第２の開口に第２の導電体を埋め込む工程と、第２の絶縁体、第１の導電体、および第２の導電体の上に第３の絶縁体を形成する工程と、ドライエッチング処理を行い、第１の絶縁体および第１の導電体に達する第３の開口を形成する工程と、第３の開口の内壁、第１の絶縁体、および第１の導電体に接して、第３の導電体を形成する工程と、第３の導電体の上に第４の絶縁体を形成する工程と、第４の絶縁体の上に第４の導電体を形成する工程と、を有し、第１の絶縁体として、第２の絶縁体より、水素の透過を抑制する機能が高い絶縁体を用い、ドライエッチング処理において、少なくとも第１の導電体の上面が露出した段階で、エッチングガスに、炭素とフッ素を含み、かつ該炭素の原子数比が該フッ素の原子数比の５０％以上であるガスを含む、半導体装置の作製方法である。
【００２０】
また、上記において、第３の絶縁体を形成する工程において、ＰＥＣＶＤ法を用いて第１の酸化シリコンを成膜し、第１の酸化シリコンの上に、ＡＰＣＶＤ法を用いて第２の酸化シリコンを成膜する、ことが好ましい。また、上記において、第４の導電体を形成する工程において、第４の導電体を成膜し、第４の導電体の上に第５の絶縁体を成膜し、第４の導電体が露出するようにＣＭＰ処理を行うことが好ましい。また、上記のドライエッチング処理において、エッチングガスにアルゴンを含み、アルゴンの流量が、エッチングガス全体の流量の９０％以上である、ことが好ましい。
【００２１】
また、上記において、第１の絶縁体は、アルミニウムを含むターゲットを用いて、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法で成膜する、ことが好ましい。また、上記において、金属酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を含むターゲットを用いてスパッタリング法で成膜する、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な容量素子または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、生産性の高い容量素子または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、静電容量の大きい容量素子を提供することができる。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、良好な信頼性を有する半導体装置を提供することができる。
【００２３】
本発明の一態様により、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置または記憶装置を提供することができる。本発明の一態様により、情報の書き込み速度が速い半導体装置または記憶装置を提供することができる。本発明の一態様により、消費電力を抑えることができる半導体装置または記憶装置を提供することができる。本発明の一態様により、単位面積当たりの記憶容量が大きい半導体装置または記憶装置を提供することができる。本発明の一態様により、新規な半導体装置または記憶装置を提供することができる。
【００２４】
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】
【００２５】
【図１】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図２】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。
【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断面図。
【図１４】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。
【図１５】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。
【図１６】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。
【図１７】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図１８】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図１９】本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。
【図２０】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２１】本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す断面図。
【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断面図。
【図２３】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２４】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２５】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２６】本発明の一態様に係る金属酸化物の原子数比の範囲を説明する図。
【図２７】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図２８】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図２９】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図３０】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３１】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３２】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３３】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３４】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３５】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３６】本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。
【図３７】本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。
【図３８】本発明の一態様に係る半導体ウエハの上面図。
【図３９】電子部品の作製工程例を説明するフローチャートおよび電子部品の斜視模式図。
【図４０】本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
【図４１】本発明の実施例に係るＡＦＭ画像。
【図４２】本発明の実施例に係る断面ＳＴＥＭ像。
【図４３】本発明の実施例に係る断面ＳＴＥＭ像。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。従って、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。
【００２７】
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、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、図面に示す形状又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、同一部分又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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、工程順又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」又は「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。
【００３０】
また、本明細書において、「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。従って、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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）の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介して、ソースとドレインの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
【００３７】
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。
【００３８】
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。即ち、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、チャネルの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。
【００３９】
チャネル幅とは、例えば、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、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、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、チャネルの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。
【００４０】
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう。）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
（実施の形態１）
＜半導体装置の構成例＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ４００および容量素子１００を有する半導体装置の一例について説明する。
【００５３】
図１は、トランジスタ４００および容量素子１００を有する半導体装置の断面図である。容量素子１００は、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絶縁体４２０を間に挟んで、トランジスタ４００の上に配置される。容量素子１００とトランジスタ４００は、絶縁体４２０を貫通して配置される導電体１０８ｂによって電気的に接続される。このように、絶縁体４２０および導電体１０８ｂは、容量素子１００とトランジスタ４００の間に配置されるので、トランジスタ４００が絶縁体４２０および導電体１０８ｂを有しているともいえるし、容量素子１００が絶縁体４２０および導電体１０８ｂを有しているということもできる。
【００５４】
トランジスタ４００は、酸化物４０６を有しており、酸化物４０６の少なくとも一部はトランジスタ４００のチャネル形成領域として機能する。酸化物４０６は、基板（図示せず。）の上に設けられた絶縁体４０２の上に配置されることが好ましい。また、トランジスタ４００は、酸化物４０６の上に導電体４０４を有し、酸化物４０６と導電体４０４の間に絶縁体４１２を有する。ここで、導電体４０４はトランジスタ４００のゲートとして機能し、絶縁体４１２は導電体４０４に対応するゲート絶縁体として機能する。例えば、酸化物４０６の導電体４０４と重なる領域がトランジスタ４００のチャネル形成領域として機能し、酸化物４０６の導電体４０４と重ならない領域の一部がトランジスタ４００のソース領域およびドレイン領域の一方として機能し、酸化物４０６の導電体４０４と重ならない領域の他の一部がトランジスタ４００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。
【００５５】
酸化物４０６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と電気的に接続されるように導電体１０８ａが配置され、酸化物４０６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と電気的に接続されるように導電体１０８ｂが配置される。よって、導電体１０８ａは、トランジスタ４００のソース電極およびドレイン電極の一方として機能し、導電体１０８ｂは、トランジスタ４００のソース電極およびドレイン電極の他方として機能する、ということができる。また、酸化物４０６、絶縁体４１２および導電体４０４を覆って絶縁体４１０が配置されることが好ましい。導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂは絶縁体４１０に形成された開口を埋め込むように形成されることが好ましい。
【００５６】
トランジスタ４００の酸化物４０６のチャネル形成領域において、酸素欠損を低減し、水素または水などの不純物を低減することで、トランジスタ４００に良好な電気特性を与え、信頼性を向上させることができる。なお、トランジスタ４００の構成の詳細な例については、後述する。
【００５７】
＜容量素子の構成例＞
容量素子１００は、酸化物４０６、絶縁体４１２、導電体４０４、および絶縁体４１０の上に配置される。絶縁体４２２、絶縁体１１２、絶縁体１１４、および絶縁体１１６に形成された開口１１５の内壁、絶縁体４２０、および導電体１０８ｂに接して配置された導電体１１０と、導電体１１０の上に配置された絶縁体１３０と、絶縁体１３０の上に配置された導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂを有する。なお、以下において、導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂをまとめて導電体１２０という場合がある。
【００５８】
ここで、導電体１１０は容量素子１００の下部電極として機能し、導電体１２０は容量素子１００の上部電極として機能し、絶縁体１３０は、容量素子１００の誘電体として機能する。容量素子１００は、開口１１５において、底面だけでなく、側面においても上部電極と下部電極とが誘電体を挟んで対向する構成となっており、単位面積当たりの静電容量を大きくすることができる。そして、開口１１５の深さを深くするほど、容量素子１００の静電容量を大きくすることができる。このように容量素子１００の単位面積当たりの静電容量を大きくすることにより、半導体装置の微細化または高集積化を推し進めることができる。
【００５９】
絶縁体４２０は、上層、例えば容量素子１００などから水または水素などの不純物がトランジスタ４００などに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体４２０は、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絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体４２０より下層に拡散するのを抑制することができる。なお、絶縁体４２０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少なくとも一の透過を抑制する機能を有することが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料について記載する場合も同様である。例えば、絶縁体４２０は、絶縁体４２２、絶縁体１１２、および絶縁体１１４のいずれかより、水、または水素の透過を抑制する機能が高いことが好ましい。
【００６０】
ここで、絶縁体４２０は、スパッタリング法を用いて成膜された酸化物絶縁体を用いることが好ましく、例えば酸化アルミニウムを用いることが好ましい。このような絶縁体４２０を用いることにより、絶縁体４１０の絶縁体４２０と接する面を介して絶縁体４１０に酸素を供給し、絶縁体４１０を酸素過剰な状態にできる。これにより、絶縁体４１０を介して絶縁体４１２および酸化物４０６に酸素を供給することができる。
【００６１】
さらに、絶縁体４２０は、酸素（例えば、酸素原子または酸素分子など）の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料、例えば酸化アルミニウムを用いることが好ましい。これにより、絶縁体４１０、酸化物４０６などに含まれる酸素が上方拡散するのを抑制することができる。これにより、酸化物４０６に効果的に酸素を供給することができる。
【００６２】
このように絶縁体４２０を設け、トランジスタ４００の酸化物４０６のチャネル形成領域において、酸素欠損を低減し、水素または水などの不純物を低減することで、トランジスタ４００に良好な電気特性を与え、信頼性を向上させることができる。
【００６３】
また、絶縁体４２０は、絶縁体４２２、絶縁体１１２、および絶縁体１１４に開口１１５を形成する際に、エッチングストッパとして機能することが好ましい。よって、絶縁体４２０は、絶縁体４２２、絶縁体１１２、および絶縁体１１４の少なくともいずれかと、構成元素、組成などが異なることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。このように、絶縁体４２０がエッチングストッパとして機能することにより、容量素子１００が絶縁体４１０に接して形成され、容量素子１００の絶縁体４１０に接した部分から、容量素子１００に含まれる不純物が絶縁体４１０を介してトランジスタ４００に拡散することを防ぐことができる。
【００６４】
このとき、絶縁体４２０および導電体１０８ｂは、開口１１５の底部となる。言い換えると、開口１１５は、絶縁体４２０および導電体１０８ｂに達する開口ということができる。また、図１に示すように、絶縁体４２０の開口１１５と重なる領域、言い換えると、絶縁体４２０の導電体１１０と接する領域の膜厚は、絶縁体４２０の当該領域以外の膜厚より薄くなる場合がある。つまり、絶縁体４２０の当該領域は凹んだ形状になる場合がある。
【００６５】
なお、絶縁体４２０に積層して、絶縁体４２０と同様の元素を有する絶縁体を、ＡＬＤ法を用いて成膜してもよい。このように、絶縁体４２０にＡＬＤ法で成膜された絶縁体を積層することにより、段切れ、クラック、ピンホールなどが形成されることなく、トランジスタ４００を覆うことができる。これにより、水素、水などの不純物に対する絶縁体４２０のバリア性をより顕著に向上させることができる。
【００６６】
絶縁体４２０の上に絶縁体４２２が配置されることが好ましい。絶縁体４２２としては、例えば酸化窒化シリコンなどを用いればよい。導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂは、絶縁体４１０、絶縁体４２０、および絶縁体４２２に形成された開口に埋め込まれるように形成すればよい。このため、導電体１０８ａまたは導電体１０８ｂの上面の一部と、絶縁体４２２の上面の高さが略一致する場合がある。
【００６７】
ここで、絶縁体４２２を設けておくことで、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂを形成するための研磨処理（例えば、化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）処理など）を容易に行うことができる。なお、絶縁体４２２は、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂを形成できるならば、必ずしも設ける必要はない。
【００６８】
絶縁体４１０および絶縁体４２０に設けられる開口、および当該開口に埋め込まれる導電体１０８ｂの断面形状は、絶縁体４２０の、導電体１１０と接する領域の上面より下の部分において、逆テーパー形状となる場合がある。つまり、当該部分において、導電体１０８ｂは、側面のテーパー角度が９０°以上である場合がある。また、当該部分において、導電体１０８ｂは、底面と側面のなす角が９０°以上である場合があるということもできる。なお、当該部分において、導電体１０８ｂの側面が絶縁体４０２の上面に対して略垂直であってもよい。
【００６９】
また、導電体１０８ｂは、絶縁体４２０の、導電体１１０と接する領域の上面より上の部分において、湾曲面を有することが好ましい。例えば、導電体１０８ｂの当該部分において、導電体１０８ｂの側面と、導電体１０８ｂの上面との間に、湾曲面を有することが好ましい。つまり、導電体１０８ｂの当該部分において、側面の端部と上面の端部は、湾曲して連続していることが好ましい。
【００７０】
このように、導電体１０８ｂは、絶縁体４２０より上の部分と、下の部分で形状が異なることが好ましい。特に、導電体１０８ｂの上の部分の湾曲面で導電体１１０と接することにより、導電体１０８ｂと導電体１１０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４００のソースまたはドレインのいずれかと、容量素子１００の下部電極との電気的接続を良好にすることができる。よって、容量素子１００とトランジスタ４００を有する半導体装置に良好な電気特性を与えることができる。
【００７１】
絶縁体４２２の上に絶縁体１１２が配置され、絶縁体１１２の上に絶縁体１１４が配置される。上記の通り、開口１１５の深さ、すなわち絶縁体１１２と絶縁体１１４の膜厚の合計を大きくすることにより、容量素子１００の静電容量を大きくすることができる。しかしながら、絶縁体１１２と絶縁体１１４の膜厚を大きくすることにより、これらの絶縁体の内部応力も大きくなり、基板の反りなどが発生する場合がある。そこで、本実施の形態に示す容量素子１００においては、絶縁体１１２および絶縁体１１４の一方は圧縮応力を有し、絶縁体１１２および絶縁体１１４の他方は引っ張り応力を有することが好ましい。つまり、絶縁体１１２および絶縁体１１４は、積層することで互いの内部応力を相殺し、積層された絶縁体全体の内部応力を低減することが好ましい。
【００７２】
絶縁体１１２および絶縁体１１４は、同種の元素を用いる構成としてもよく、例えば、有機シランガス（例えば、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）など）を用いて成膜した酸化シリコンを用いればよい。この場合、絶縁体１１２の組成と絶縁体１１４の組成を異なるものとし、互いの内部応力の向きを異ならせることが好ましい。例えば、絶縁体１１２と絶縁体１１４を同じ種類の有機シランガス（例えば、ＴＥＯＳなど）を用いて、異なる種類の化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜してもよい。
【００７３】
なお、基板の反りが発生しない程度に、内部応力が低減されているなら、絶縁体１１２および絶縁体１１４のいずれか一方のみの構成にしてもよい。
【００７４】
絶縁体１１４の上に絶縁体１１６が配置されることが好ましい。絶縁体１１６は、開口１１５内でエッチングを行うときに、導電体１１０とともにエッチングストッパとして機能することが好ましい。よって、絶縁体１１６は、絶縁体１１４と構成元素、組成などが異なることが好ましく、例えば、絶縁体１１６として、窒化シリコンを用いることができる。また、絶縁体１１６の上面と導電体１１０の最上面（導電体１１０の開口１１５の縁に接する部分と言い換えてもよい。）が略一致することが好ましい。絶縁体１１６と導電体１１０によって、絶縁体１１４、絶縁体１１２、絶縁体４２２、および絶縁体４２０が覆われていることが好ましい。なお、絶縁体１１６は、必ずしも設ける必要はない。
【００７５】
絶縁体４２２、絶縁体１１２、絶縁体１１４、および絶縁体１１６に開口１１５が形成されている。ここで、絶縁体４２２の側面、絶縁体１１２の側面、絶縁体１１４の側面、および絶縁体１１６の側面は、開口１１５の内壁ということができる。また、導電体１０８ｂの上部、および絶縁体４２０の開口１１５と重なる部分は開口１１５の底部ということができる。
【００７６】
図１に示すように、開口１１５の断面形状は深い位置ほど、内径が小さくなる形状にすることができる。また、開口１１５の内壁が絶縁体４０２の上面に対して略垂直な断面形状にしてもよい。また、開口１１５を上面から見た形状は、四角形としてもよいし、四角形以外の多角形状としてもよいし、多角形状において角部を湾曲させた形状としてもよいし、楕円を含む円形状としてもよい。ここで、開口１１５とトランジスタ４００の重なる面積が多い方が好ましい。このような構成にすることにより、容量素子１００とトランジスタ４００を有する半導体装置の占有面積を増やすことなく、静電容量を大きくすることができる。
【００７７】
開口１１５の内壁および底面に接して、導電体１１０が配置される。導電体１１０は容量素子１００の下部電極として機能し、例えば窒化チタンなどを用いることができる。例えば、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて導電体１１０となる導電膜を成膜することにより、開口１１５のアスペクト比が大きくても被覆性良く導電体１１０を形成することができる。ここで、上記のように導電体１０８ｂの上部が湾曲面を有し、当該湾曲面に接して導電体１１０が形成されることにより、導電体１１０と導電体１０８ｂの接触抵抗を低減することができる。
【００７８】
導電体１１０および絶縁体１１６を覆って絶縁体１３０が配置される。絶縁体１３０は容量素子１００の誘電体として機能し、例えば、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、または酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることが好ましい。このようなｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、絶縁体１３０を厚くしても容量素子１００の静電容量を十分確保することができる。絶縁体１３０を厚くすることにより、導電体１１０と導電体１２０の間に生じるリーク電流を抑制することができる。
【００７９】
また、例えば、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて絶縁体１３０となる絶縁膜を成膜することにより、開口１１５のアスペクト比が大きくても被覆性良く絶縁体１３０を形成することができる。また、絶縁体１３０は、導電体１２０と重なる領域の膜厚が、該領域以外の膜厚より厚い場合がある。
【００８０】
また、導電体１１０の最上面が絶縁体１１６の上面と略一致する、言い換えると導電体１１０が開口１１５からはみ出さないことで、絶縁体１３０でより確実に導電体１１０を覆うことができるので、導電体１１０と導電体１２０が短絡することを抑制することができる。
【００８１】
開口１１５を覆って、絶縁体１３０の上に導電体１２０が配置される。図１に示すように、導電体１２０は、導電体１２０ａと、導電体１２０ａの上に配置された導電体１２０ｂの積層膜にすることが好ましい。導電体１２０は容量素子１００の上部電極として機能し、例えば導電体１２０ａとして窒化チタンなどを、導電体１２０ｂとしてタングステンなどを用いることができる。例えば、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて導電体１２０ａとなる導電膜、および導電体１２０ｂとなる導電膜を成膜することにより、開口１１５のアスペクト比が大きくても被覆性良く導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂを形成することができる。
【００８２】
また、導電体１２０は、開口１１５からはみ出して絶縁体１１６と重なる領域を有することが好ましい。当該領域を有するには、フォトリソグラフィ法などを用いて導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂを形成すればよい。このとき、導電体１２０ｂの絶縁体１１６と重なる領域の上面の平均面粗さ（Ｒａ）は、４ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下とすればよい。このように、導電体１２０ｂの上面が、開口１１５の縁の近傍と重なる領域において、良好な平坦性を有していることで、フォトリソグラフィの露光工程において、当該領域で乱反射が起こることを抑制できる。特に、露光に電子ビームを用いる場合、金属膜の上面の凹凸による乱反射の影響がより顕著になるので、これを防ぐため、当該領域の平坦性を向上させることが好ましい。このように、当該領域の平坦性を向上させることで、フォトリソグラフィをより精密に行うことができる。
【００８３】
なお、本明細書等において、平均面粗さ（Ｒａ）とは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）で定義されている算術平均粗さを、曲面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値で表現される。
【００８４】
平均面粗さ（Ｒａ）は、指定面をＺ＝Ｆ（Ｘ，Ｙ）で表すとき、基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値で表現され、次の式で与えられる。
【００８５】
【数１】
2018125528.tif 000003
【００８６】
ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｆ（Ｘ１，Ｙ１）），（Ｘ１，Ｙ２，Ｆ（Ｘ１，Ｙ２）），（Ｘ２，Ｙ１，Ｆ（Ｘ２，Ｙ１）），（Ｘ２，Ｙ２，Ｆ（Ｘ２，Ｙ２））の４点で表される四角形の領域とする。
【００８７】
また、指定面をＸＹ平面に投影した長方形の面積をＳ０、基準面の高さ（指定面の平均の高さ）をＺ０とする。平均面粗さ（Ｒａ）は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて測定可能である。
【００８８】
なお、導電体１２０は、必ずしも積層膜にしなくてもよく、例えば、導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂのいずれか一方を用いる構成にしてもよい。
【００８９】
導電体１２０および絶縁体１３０を覆って絶縁体１５０が配置されることが好ましい。絶縁体１５０は、絶縁体４１０に用いることができる絶縁体を用いればよい。
【００９０】
また、上記において、導電体１０８ｂ上に形成される容量素子１００の構成について説明したが、導電体１０８ａ上にも接続部１６０が形成されることが好ましい。接続部１６０が設けられることで、トランジスタ４００の導電体１０８ａと、各種回路素子または配線などと、を容易に接続させることができる。
【００９１】
接続部１６０は、絶縁体４２２、絶縁体１１２、絶縁体１１４、絶縁体１１６、絶縁体１３０、および絶縁体１５０に形成された開口１１７に埋め込まれるように形成される。接続部１６０は、開口１１７の内壁、絶縁体４２０、および導電体１０８ａに接して配置された導電体１６２ａと、導電体１６２ａの内側に形成された導電体１６２ｂと、を有する。なお、以下において、導電体１６２ａおよび導電体１６２ｂをまとめて導電体１６２という場合がある。
【００９２】
ここで、絶縁体４２０および導電体１０８ａは、開口１１７の底部となる。言い換えると、開口１１７は、絶縁体４２０および導電体１０８ａに達する開口ということができる。また、図１に示すように、絶縁体４２０の開口１１７と重なる領域、言い換えると、絶縁体４２０の導電体１６２ａと接する領域の膜厚は、絶縁体４２０の当該領域以外の膜厚より薄くなる場合がある。つまり、絶縁体４２０の当該領域は凹んだ形状になる場合がある。
【００９３】
導電体１０８ａは導電体１０８ｂと同様の構成を有する。よって、絶縁体４１０および絶縁体４２０に設けられる開口、および当該開口に埋め込まれる導電体１０８ａの断面形状は、絶縁体４２０の、導電体１６２ａと接する領域の上面より下の部分において、逆テーパー形状となる場合がある。つまり、当該部分において、導電体１０８ａの側面のテーパー角度が９０°以上である場合がある。また、当該部分において、導電体１０８ａの側面と絶縁体４０２の上面とのなす角が９０°以上である場合があるということもできる。なお、当該部分において、導電体１０８ａの側面が絶縁体４０２の上面に対して略垂直であってもよい。
【００９４】
また、導電体１０８ａは、絶縁体４２０の、導電体１６２ａと接する領域の上面より上の部分において、湾曲面を有することが好ましい。例えば、導電体１０８ａの当該部分において、導電体１０８ａの側面と、導電体１０８ａの上面との間に、湾曲面を有することが好ましい。つまり、導電体１０８ａの当該部分において、側面の端部と上面の端部は、湾曲して連続していることが好ましい。なお、図１に示すように、導電体１０８ａの当該部分において、導電体１６２ａと接しない、言い換えると開口１１７と重ならない領域については、湾曲面が形成されない。
【００９５】
このように、導電体１０８ａは、絶縁体４２０より上の部分と、下の部分で形状が異なることが好ましい。特に、導電体１０８ａの上の部分の湾曲面で導電体１６２ａと接することにより、導電体１０８ａと導電体１６２ａ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４００のソースまたはドレインのいずれかと、接続部１６０との電気的接続を良好にすることができる。
【００９６】
導電体１６２は、導電体１２０と同様の構成を用いることができる。よって、導電体１６２ａは導電体１２０ａと、導電体１６２ｂは導電体１２０ｂと同様の構成を用いることが好ましい。なお、導電体１６２は、必ずしも積層膜にしなくてもよく、例えば、導電体１６２ａおよび導電体１６２ｂのいずれか一方を用いる構成にしてもよい。
【００９７】
次に、トランジスタ４００、容量素子１００および接続部１６０などの構成材料について説明する。
【００９８】
［基板］
容量素子１００およびトランジスタ４００を有する半導体装置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。
【００９９】
また、基板として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう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、可とう性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、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。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。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
【０１００】
可とう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。可とう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。可とう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、可とう性基板である基板として好適である。
【０１０１】
［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。
【０１０２】
トランジスタを、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。例えば、絶縁体４２０として、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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
例えば、絶縁体４２０としては、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。
【０１０５】
絶縁体４０２、絶縁体４１２、絶縁体４１０、絶縁体４２２、絶縁体１１２、絶縁体１１４、絶縁体１１６および絶縁体１５０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。例えば、絶縁体４０２、絶縁体４１２、絶縁体４１０、絶縁体４２２、絶縁体１１２、絶縁体１１４、絶縁体１１６および絶縁体１５０としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンまたは、窒化シリコンを有することが好ましい。
【０１０６】
絶縁体４１２および絶縁体１３０は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体４１２および絶縁体１３０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を有することが好ましい。または、絶縁体４１２および絶縁体１３０は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、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、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。例えば、絶縁体４１２および絶縁体１３０において、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを酸化物４０６と接する構造とすることで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、酸化物４０６に混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体４１２および絶縁体１３０において、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物４０６と接する構造とすることで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。
【０１０７】
絶縁体４１０、絶縁体４２２、絶縁体１１２、絶縁体１１４、および絶縁体１５０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４１０、絶縁体４２２、絶縁体１１２、絶縁体１１４、および絶縁体１５０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４１０、絶縁体４２２、絶縁体１１２、絶縁体１１４、および絶縁体１５０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。
【０１０８】
［導電体］
導電体４０４、導電体１０８ａ、導電体１０８ｂ、導電体１２０ｂ、および導電体１６２ｂ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。
【０１０９】
また、上記導電体、特に導電体１１０、導電体１２０ａ、および導電体１６２ａとして、酸化物４０６に適用可能な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てもよい。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、酸化物４０６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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
＜容量素子の作製方法＞
次に、本発明に係るトランジスタ４００および容量素子１００を有する半導体装置の作製方法を、図２から図１６を用いて説明する。
【０１１２】
半導体装置の作製方法は、酸化物４０６を有するトランジスタ４００上に絶縁体４２０を形成する工程と、絶縁体４２０の上に絶縁体４２２を形成する工程と、絶縁体４２０および絶縁体４２２に、トランジスタ４００のソースおよびドレインの一方に達する第１の開口と、トランジスタ４００のソースおよびドレインの他方に達する第２の開口を形成する工程と、第１の開口に導電体１０８ａを埋め込み、第２の開口に導電体１０８ｂを埋め込む工程と、絶縁体４２２、導電体１０８ｂ、および導電体１０８ａの上に絶縁体１１２、絶縁体１１４などを形成する工程と、ドライエッチング処理を行い、絶縁体４２０および導電体１０８ｂに達する開口１１５を形成する工程と、開口１１５の内壁、絶縁体４２０、および導電体１０８ｂに接して、導電体１１０を形成する工程と、導電体１１０の上に絶縁体１３０を形成する工程と、絶縁体１３０の上に導電体１２０を形成する工程と、を有する。
【０１１３】
以下では、主に、トランジスタ４００の上に容量素子１００を作製する方法の詳細について説明する。なお、トランジスタ４００の作製方法例、つまり、絶縁体４２２を形成し、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂを開口に埋め込むまでの工程については、後述する。
【０１１４】
以下、本実施の形態に係る半導体装置などに用いる、導電体（導電体膜、導電体層などということもできる。）、絶縁体（絶縁体膜、絶縁体層などということもできる。）、半導体（半導体膜、半導体層などということもできる。）、酸化物（酸化膜、酸化層などということもできる。）の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０１１５】
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。また、成膜チャンバーの圧力によって、大気圧下で成膜を行なう常圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ：Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ＣＶＤ）法、大気圧より低い減圧状態で成膜を行う減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ：Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ＣＶＤ）法、などに分けることができる。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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法も、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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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の分、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。
【０１２０】
また、スパッタリング法としては、スパッタ用電源に直流電源を用いるＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）スパッタリング法、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスＤＣスパッタ法、スパッタ用電源に高周波電源を用いるＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スパッタリング法を用いてもよい。また、チャンバー内部に磁石機構を備えたマグネトロンスパッタリング法、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタリング法、反応性ガス雰囲気で行う反応性スパッタリング法などを用いてもよい。また、平行平板型スパッタリング装置を用いた成膜法である、ＰＥＳＰ（ｐａｒａｌｌｅｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、又は対向ターゲット式スパッタリング装置を用いた成膜法である、ＶＤＳＰ（ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）を用いてもよい。
【０１２１】
また、上記の方法で成膜された膜の加工は、リソグラフィー法などを用いて行えばよい。リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。
【０１２２】
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、加工される膜（以下、被加工膜という。）の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。被加工膜のエッチングは、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。上記被加工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。
【０１２３】
上記のマスクを形成したのち、被加工膜の加工は、ドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
【０１２４】
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。以下、当該エッチング装置を平行平板型ドライエッチング装置またはＣＣＰエッチング装置と呼ぶ場合がある。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。
【０１２５】
まず、導電体１０８ａ、導電体１０８ｂ、および絶縁体４２２の上に絶縁体１１２を成膜し、絶縁体１１２の上に絶縁体１１４を成膜する（図２参照。）。絶縁体１１２および絶縁体１１４の膜厚を調整することにより、容量素子１００の静電容量を選択することができるので、容量素子１００に求められる静電容量に合わせて絶縁体１１２および絶縁体１１４の膜厚を適宜設定すればよい。
【０１２６】
上述のように、絶縁体１１２と絶縁体１１４は互いの内部応力を相殺するように、一方が圧縮応力を有し、他方が引っ張り応力を有することが好ましい。よって、絶縁体１１２と絶縁体１１４は、異なる成膜方法を用いることなどで、互いの組成を異なるものにすることが好ましい。
【０１２７】
本実施の形態では、例えば、絶縁体１１２として酸化シリコンを、成膜ガスにＴＥＯＳを用いたＰＥＣＶＤ法によって成膜し、絶縁体１１４として酸化シリコンを、成膜ガスにＴＥＯＳを用いたＡＰＣＶＤ法によって成膜する。
【０１２８】
このようにして、絶縁体１１２と絶縁体１１４の積層膜の内部応力を低減し、基板の反りを低減することにより、後述する開口１１５を形成する際に、当該工程に用いるマスクの露光をより精密に行うことができる。
【０１２９】
また、絶縁体１１２は、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂの上面に接するので、絶縁体１１２は絶縁体１１４より、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂを酸化させる能力が低いことが好ましい。
【０１３０】
なお、本実施の形態では、絶縁体１１２と絶縁体１１４の２層構造にしているが、これに限られるものではない。基板の反りが発生しない程度に、内部応力が低減されているなら、絶縁体を３層以上の構造にしてもよいし、絶縁体１１２および絶縁体１１４のいずれか一方のみの単層構造としてもよい。
【０１３１】
次に、絶縁体１１４の上に絶縁体１１６を成膜する。絶縁体１１６は、開口１１５内でエッチングを行うときに、導電体１１０とともにエッチングストッパとして機能することが好ましい。また、絶縁体１１６は、後の工程でＣＭＰ処理を行う際に、当該ＣＭＰ処理のストッパーとして機能することが好ましい。よって、絶縁体１１６は、絶縁体１１４および後述する絶縁体１１８と構成元素、組成などが異なることが好ましい。例えば、絶縁体１１４および絶縁体１１８として酸化窒化シリコンを用いる場合、絶縁体１１６として窒化シリコンを用いればよい。本実施の形態では、例えば、絶縁体１１６を、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜する。なお、絶縁体１１６は必ずしも設ける必要はない。
【０１３２】
次に、絶縁体１１６の上に絶縁体１１８を成膜する（図３参照。）。絶縁体１１８は、後の工程でＣＭＰ処理を行う際に、当該ＣＭＰ処理のストッパーとして機能することが好ましい。絶縁体１１８としては、絶縁体４２２に用いることができる絶縁体を用いればよい。例えば、導電体１２２Ａとしてタングステンを用いる場合、絶縁体１１８として酸化窒化シリコンを用いればよい。本実施の形態では、例えば、絶縁体１１８を、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜する。なお、絶縁体１１８は必ずしも設ける必要はない。
【０１３３】
次に、絶縁体１１８の上に、ハードマスクとなる導電体１２２Ａ、およびハードマスクとなる絶縁体１２４Ａを成膜する（図４参照。）。導電体１２２Ａおよび絶縁体１２４Ａは、後の工程で開口１１５を形成するときのハードマスクとして機能する。本実施の形態では、例えば、導電体１２２Ａとしてタングステンを、スパッタリング法を用いて成膜し、絶縁体１２４Ａとして窒化シリコンを、スパッタリング法を用いて成膜する。なお、導電体１２２Ａと絶縁体１２４Ａも内部応力を調整して、基板の反りを低減することが好ましい。
【０１３４】
次に、絶縁体１２４Ａの上にレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて導電体１２２Ａおよび絶縁体１２４Ａをエッチングして、ハードマスク１２２およびハードマスク１２４を形成する（図５参照。）。ハードマスク１２２およびハードマスク１２４は開口１１５を形成するためのハードマスクであり、導電体１０８ｂと重なる領域に、絶縁体１１８に達する開口を有する。また、絶縁体１２４Ａの上に有機塗布膜を成膜してもよい。有機塗布膜を絶縁体１２４Ａとレジストマスクの間に形成することで、密着性を向上させることができる場合がある。
【０１３５】
なお、エッチングには、ドライエッチングを用いることが好ましい。当該ドライエッチングには、例えば、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ５Ｆ６ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、ＣＦ４ガス、ＳＦ６ガス、ＣＨＦ３ガス、Ｃｌ２ガス、ＢＣｌ３ガスまたはＳｉＣｌ４ガスなどを単独または２以上のガスを混合して用いることができる。または、上記ガスに酸素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスまたは水素ガスなどを適宜添加することができる。これらのエッチングガスは、エッチングする対象（ハードマスク１２２、ハードマスク１２４および有機塗布膜）に合わせて適宜切り替えて用いることができる。ドライエッチング装置としては上記の装置を用いることができるが、対向する電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を接続する構成の平行平板型ドライエッチング装置の使用が好ましい。
【０１３６】
ここで、上記のように、基板の反りを低減しておくことで、当該開口を精密に形成することができる。
【０１３７】
次に、ハードマスク１２２およびハードマスク１２４を用いてエッチングし、絶縁体４２２、絶縁体１１２、絶縁体１１４、絶縁体１１６、および絶縁体１１８に開口１１５を形成する（図６参照。）。開口１１５は、少なくとも一部が導電体１０８ｂと重なるように形成され、導電体１０８ｂおよび絶縁体４２０に達する開口である。上記の通り開口１１５はアスペクト比が大きいので、異方性エッチングを行うことが好ましい。なお、本工程のエッチング処理は、図５に示すハードマスク１２２およびハードマスク１２４の形成から外気に曝さず連続して行うことが好ましい。
【０１３８】
アスペクト比が大きい開口１１５を形成する異方性エッチングには、ドライエッチングを用いることが好ましい。当該ドライエッチングには、例えば、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ５Ｆ６ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、ＣＦ４ガス、ＳＦ６ガス、ＣＨＦ３ガス、Ｃｌ２ガス、ＢＣｌ３ガスまたはＳｉＣｌ４ガスなどを単独または２以上のガスを混合して用いることができる。または、上記ガスに酸素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスまたは水素ガスなどを適宜添加することができる。これらのエッチングガスは、エッチングする対象（絶縁体１１８、絶縁体１１６、絶縁体１１４、絶縁体１１２、および絶縁体４２２）に合わせて適宜切り替えて用いることができる。
【０１３９】
ドライエッチング装置としては上記の装置を用いることができるが、対向する電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を接続する構成の平行平板型ドライエッチング装置は、比較的容易に異方性エッチングを行うことができるので、当該ドライエッチング装置を用いることが好ましい。
【０１４０】
開口１１５を形成する際に、上記のように導電体１０８ｂの上部に湾曲面を形成することが好ましい。導電体１０８ｂの上部に湾曲面を形成するには、本ドライエッチング処理において、少なくとも導電体１０８ｂの上面が露出した段階で、イオン化したエッチングガスを導電体１０８ｂの上面に衝突させることが好ましい。これにより、導電体１０８ｂの上部の角を削り、湾曲面を形成することができる。
【０１４１】
平行平板型ドライエッチング装置などでは、基板を設置した側の電極で陰極降下を形成し、セルフバイアスを生じさせることができる。このとき、チャンバー中のプラズマ化したエッチングガスに含まれる陽イオンは、セルフバイアスに引き寄せられて、基板側に衝突する。よって、セルフバイアスを大きくすることにより、導電体１０８ｂの上面により強くイオンを衝突させて、導電体１０８ｂの上部に湾曲面を比較的容易に形成することができる。セルフバイアスを大きくするには、例えば、基板を設置した側の電極に大きい電力（例えば、当該電極に対向する電極に印加した電力より大きい電力）を印加すればよい。ここで、上記のように、対向する電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を接続する構成の平行平板型ドライエッチング装置を用いることで、プラズマ放電を行うための高周波電源と、セルフバイアスをかけるための高周波電源と、をそれぞれ独立して制御することができる。
【０１４２】
また、チャンバー中の陽イオンの平均自由行程を長くすることにより、当該陽イオンを基板面に垂直に近い角度で入射させることができる。これにより、開口１１５の深い位置でも当該陽イオンを開口１１５の底面に衝突させることができる。チャンバー中の陽イオンの平均自由行程を長くするには、例えば、プラズマの密度が小さくなり過ぎない程度にチャンバー内の圧力を低くすることが好ましい。
【０１４３】
また、チャンバー中の陽イオンの量を増やすことにより、導電体１０８ｂの上部の湾曲面を比較的容易に形成することができる。チャンバー中の陽イオンの量を増やすには、例えば、エッチングガスとして、陽イオン化しやすく、反応性の低いアルゴンガスを含ませればよい。このとき、アルゴンガスの流量は、エッチングガス全体の流量の５０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは９０％以上とすればよい。
【０１４４】
このように、少なくとも導電体１０８ｂの上面が露出した段階で、イオン化したエッチングガスを導電体１０８ｂの上面に衝突させることにより、導電体１０８ｂの上部の角を削り取り、湾曲面を形成することができる。このとき、導電体１０８ｂの上部だけでなく、絶縁体４２０の上面もイオンの衝突に曝されるため、絶縁体４２０の開口１１５と重なる領域は、絶縁体４２０の他の領域より膜厚が小さくなる場合がある。つまり、絶縁体４２０の当該領域は凹んだ形状になる場合がある。
【０１４５】
また、上記エッチング工程において、少なくとも導電体１０８ｂの上面が露出した段階で、エッチングガスに、炭素を多く含むガスを添加することが好ましい。具体的には、当該炭素を多く含むガスは、炭素とフッ素を含み、かつ炭素の原子数比がフッ素の原子数比の５０％以上であることが好ましい。このような炭素を多く含むガスとしては、例えば、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ５Ｆ６ガス、またはＣ４Ｆ８ガスなどを、単独または２以上のガスを混合して用いることができる。または、上記ガスに酸素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスまたは水素ガスなどを適宜添加することができる。
【０１４６】
このような炭素を多く含むガスを添加してエッチングを行うことにより、当該ガスがプラズマで分解され、炭素化合物が開口１１５の底面に堆積する。つまり、開口１１５の底面では陽イオンの衝突と、炭素化合物の堆積が並行して生じる。これにより、陽イオンは堆積した炭素分子を介して絶縁体４２０に衝突するので、絶縁体４２０の開口１１５と重なる領域が、過剰にエッチングされて、凹んだ部分が貫通するのを防ぐことができる。特に、陽イオンの衝突により、開口１１５が絶縁体４２０を貫通し、絶縁体４１０に達するのを防ぐことができる。
【０１４７】
また、エッチングガスに、上記のような炭素を多く含むガスを添加する場合、さらに酸素ガスをエッチングガスに添加することが好ましい。炭素を多く含むガスと、酸素ガスが存在している雰囲気でプラズマを生成することで、炭素を多く含むガスに含まれる炭素が、酸素と結合して炭素酸化物となる。これにより、炭素を多く含むガスから生成される、上記炭素化合物の生成量が低減する。つまり、エッチングガス中の炭素を多く含むガスの流量を多くすると炭素化合物の量が多くなり、エッチングガス中の酸素ガスの流量を多くすると炭素化合物の量が少なくなる。よって、エッチングガス中の炭素を多く含むガスと、酸素ガスの流量によって、炭素化合物の堆積量を調整することができる。
【０１４８】
また、上記の炭素化合物は、開口１１５の内壁にも付着する。開口１１５の内壁に付着した炭素化合物は、開口１１５の内壁の保護膜として機能することができる。これにより開口１１５の内壁が過剰にエッチングされ、開口１１５の内径が過剰に拡張されるのを防ぐことができる。よって、上記エッチング工程において、エッチングガスに、上記の炭素を多く含むガスを添加することで、開口１１５のアスペクト比を比較的容易に大きくすることができる。
【０１４９】
また、開口１１５のエッチングが進行するにつれ、開口１１５のアスペクト比が増大する。開口１１５のアスペクト比が大きくなるにつれ、上記炭素化合物が開口１１５の深い位置に到達しにくくなる。これは、絶縁体４２０の貫通、または開口１１５のボーイング形状などの、形状不良を発生させる要因となりうる。このため、上記エッチング工程において、エッチングの進行に合わせて、エッチングガス（例えば、上記炭素を多く含むガス）の流量を段階的に増やすことが好ましい。これにより、開口１１５の深い位置でも、開口１１５の浅い位置と同程度の炭素化合物の供給を行うことが可能になる。これにより、開口１１５のエッチングを、絶縁体４２０の上面、または絶縁体４２０の膜中で停止させることができる。
【０１５０】
なお、エッチング後に、ハードマスク１２４、およびハードマスク１２４上のレジストマスクを除去することが好ましい。当該レジストマスクの除去は、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理を行う、またはドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことによってできる。また、上記エッチング工程の途中で当該レジストマスクおよびハードマスク１２４が除去されるようにしてもよい。
【０１５１】
次に、開口１１５およびハードマスク１２２を覆って導電体１１０Ａを成膜する（図７参照。）。導電体１１０Ａは後の工程で容量素子１００の下部電極になる。導電体１１０Ａは、アスペクト比の大きい開口１１５の内壁および底面に接して形成されることが好ましい。このため、導電体１１０Ａは、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などの被覆性の良い成膜方法を用いて成膜することが好ましく、本実施の形態では、例えば、ＡＬＤ法を用いて窒化チタンを成膜する。
【０１５２】
また、ＡＬＤ法などの成膜方法を用いて導電体１１０Ａを成膜することにより、導電体１０８ｂの上部の湾曲面に対して被覆性良く導電体１１０Ａを成膜することができる。これにより、導電体１１０と導電体１０８ｂの接触抵抗を低減することができる。
【０１５３】
次に、導電体１１０Ａの上に充填剤１２６を成膜する（図７参照。）。充填剤１２６は、この後の工程で行うＣＭＰ処理ができる程度に、開口１１５を埋め込むことができればよい。よって、開口１１５内に空洞などが形成されていてもよい。充填剤１２６は絶縁体を用いてもよいし、導電体を用いてもよい。本実施の形態では、例えば、充填剤１２６として、ＡＰＣＶＤ法を用いて酸化シリコンを成膜する。
【０１５４】
次に、ＣＭＰ処理を行って、絶縁体１１６より上の層を除去し、導電体１１０を形成する。（図８参照。）。上記のように、絶縁体１１８および絶縁体１１６はＣＭＰ処理に対するストッパーとして機能するので、ＣＭＰ処理を段階的に行うことができる。例えば、１段階目で絶縁体１１８より上に位置する、充填剤１２６、導電体１１０Ａ、およびハードマスク１２２を除去し、２段階目で絶縁体１１６より上に位置する、充填剤１２６、導電体１１０Ａ、および絶縁体１１８を除去すればよい。
【０１５５】
これにより、開口１１５の縁において、導電体１１０と絶縁体１１６が接するように形成されるので、絶縁体１１６と導電体１１０によって、絶縁体１１４、絶縁体１１２、絶縁体４２２、および絶縁体４２０を覆うことができる。
【０１５６】
次に、エッチング処理を行って、開口１１５内の充填剤１２６を除去する（図９参照。）。エッチング処理としては、ウェットエッチング法およびドライエッチング法のいずれを用いてもよいが、開口１１５内の充填剤１２６を除去するにあたって、ウェットエッチング法を用いた方が容易な場合がある。ウェットエッチングを用いる場合、エッチャントとしてフッ酸系の溶液などを用いればよい。
【０１５７】
ここで、上記のように、絶縁体１１４、絶縁体１１２、絶縁体４２２、および絶縁体４２０は、絶縁体１１６および導電体１１０によって覆われているので、エッチングされるのを防ぐことができる。
【０１５８】
次に、導電体１１０および絶縁体１１６の上に絶縁体１３０を成膜する（図１０参照。）。絶縁体１３０は後の工程で容量素子１００の誘電体になる。絶縁体１３０は、アスペクト比の大きい開口１１５の内側に設けられた導電体１１０に接して形成されることが好ましい。このため、絶縁体１３０は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などの被覆性の良い成膜方法を用いて成膜することが好ましく、本実施の形態では、例えば、ＡＬＤ法を用いて酸化ハフニウムを成膜する。
【０１５９】
また、ＡＬＤ法などの成膜方法を用いて絶縁体１３０を成膜し、被覆性良く導電体１１０を覆うことで、容量素子１００の上部電極と下部電極が短絡することを防ぐことができる。
【０１６０】
また、絶縁体１３０として上記のＨｉｇｈ−ｋ材料、特にハフニウムを含む酸化物を用いる場合は、結晶構造を有せしめ、比誘電率を増加させるために、加熱処理を行うこともできる。
【０１６１】
次に、絶縁体１３０の上に導電体１２０ａＡを成膜し、導電体１２０ａＡの上に導電体１２０ｂＡを成膜する（図１０参照。）。導電体１２０ａＡおよび導電体１２０ｂＡは後の工程で容量素子１００の上部電極になる。少なくとも導電体１２０ａＡは、アスペクト比の大きい開口１１５の内側に設けられた絶縁体１３０に接して形成されることが好ましい。このため、導電体１２０ａＡは、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などの被覆性の良い成膜方法を用いて成膜することが好ましく、本実施の形態では、例えば、ＡＬＤ法を用いて窒化チタンを成膜する。また、導電体１２０ｂＡは、ＣＶＤ法などの埋め込み性の良い成膜方法を用いて成膜することが好ましく、本実施の形態では、例えば、金属ＣＶＤ法を用いてタングステンを成膜する。
【０１６２】
なお、金属ＣＶＤ法を用いて導電体１２０ｂＡを成膜した場合、図１０に示すように、導電体１２０ｂＡの上面の平均面粗さが大きくなることがある。また、上面視における、導電体１２０ｂＡの、開口１１５の中央部近傍と重なる領域が、開口１１５に合わせて凹む場合がある。
【０１６３】
このように、導電体１２０ａＡおよび導電体１２０ｂＡを成膜することで、開口１１５中に埋め込み性良く、容量素子１００の上部電極を設けることができるので、容量素子１００の静電容量を大きくすることができる。
【０１６４】
なお、本実施の形態では、導電体１２０ａＡと導電体１２０ｂＡの２層構造にしているが、これに限られるものではない。開口１１５中に埋め込み性良く、容量素子１００の上部電極を設けられるなら、導電体を３層以上の構造にしてもよいし、導電体１２０ａＡと導電体１２０ｂＡのいずれか一方のみの単層構造としてもよい。
【０１６５】
次に、導電体１２０ｂＡの上に膜１２８を成膜することが好ましい（図１１参照。）。膜１２８は、この後の工程で行うＣＭＰ処理ができる程度の膜厚を有することが好ましい。膜１２８は絶縁体を用いてもよいし、導電体を用いてもよい。本実施の形態では、例えば、膜１２８として、ＰＥＣＶＤ法を用いて酸化窒化シリコンを成膜する。
【０１６６】
次に、ＣＭＰ処理を行って、膜１２８を除去し、導電体１２０ｂＡの上面を露出させる。（図１２参照。）。このとき、導電体１２０ｂＡの上面もＣＭＰ処理が行われ、上面の平坦性が向上した導電体１２０ｂＢが形成される。このように、導電体１２０ｂＡの上に膜１２８を積層してＣＭＰ処理を行うことにより、少なくとも導電体１２０ｂＢの絶縁体１１６と重なる領域の、上面の平均面粗さ（Ｒａ）を４ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下にすることができる。このように、導電体１２０ｂＢの上面の平均面粗さを小さくすることにより、後の工程で行う導電体１２０ａＡおよび導電体１２０ｂＢのフォトリソグラフィをより精密に行うことができる。なお、上記のように、上面視における、導電体１２０ｂＡの、開口１１５の中央部近傍と重なる領域が凹んでいる場合、当該領域の平坦性が向上されない場合がある。
【０１６７】
なお、導電体１２０ｂＢの上面の平坦性が十分に得られるならば、膜１２８を成膜せずに、導電体１２０ｂＡに直接ＣＭＰ処理を行ってもよい。
【０１６８】
次に、導電体１２０ｂＢの上に、ハードマスクとなる絶縁体１３２Ａを成膜する（図１２参照。）。絶縁体１３２Ａは、後の工程で導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂを形成するときのハードマスクとして機能する。本実施の形態では、例えば、絶縁体１３２Ａとして酸化窒化シリコンを、ＰＥＣＶＤ法を用いて成膜する。
【０１６９】
次に、絶縁体１３２Ａの上にレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて絶縁体１３２Ａをエッチングして、ハードマスク１３２を形成する（図１３参照。）。上記の通り、導電体１２０ｂＢの上面の平均面粗さを低減しておくことで、フォトリソグラフィ法を用いて比較的容易にレジストマスクを形成することができる。ハードマスク１３２は、導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂを形成するためのハードマスクであり、開口１１５を覆うように形成される。ここで、ハードマスク１３２は、開口１１５からはみ出して絶縁体１１６と重なる領域を有することが好ましい。なお、エッチングには、ドライエッチングを用いることができる。
【０１７０】
次に、ハードマスク１３２を用いて、導電体１２０ａＡおよび導電体１２０ｂＢをエッチングして、導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂを形成する（図１３参照。）。エッチングとしては、ウェットエッチング処理またはドライエッチング処理を行うことができる。本実施の形態では、ドライエッチング処理を行う。このようにして、導電体１１０、絶縁体１３０、および導電体１２０を有する容量素子１００が形成される。
【０１７１】
次に、エッチング処理を行って、ハードマスク１３２を除去する（図１４参照。）。エッチングとしては、ウェットエッチング処理またはドライエッチング処理などを行うことができる。本実施の形態では、ウェットエッチング処理を行う。このとき、絶縁体１３０の導電体１２０と重ならない領域の上部が当該ウェットエッチング処理によって除去される場合がある。これにより、絶縁体１３０の導電体１２０と重なる領域の膜厚が、それ以外の領域より厚くなる場合がある。
【０１７２】
次に、導電体１２０および絶縁体１３０の上に絶縁体１５０を成膜することが好ましい（図１５参照。）。ここで絶縁体１５０は層間絶縁膜として機能する。本実施の形態では、例えば、絶縁体１５０として酸化窒化シリコンを、ＰＥＣＶＤ法によって成膜する。
【０１７３】
次に、絶縁体４２２、絶縁体１１２、絶縁体１１４、絶縁体１１６、絶縁体１３０、および絶縁体１５０に開口１１７を形成する（図１６参照。）。開口１１７は、少なくとも一部が導電体１０８ａと重なるように形成され、導電体１０８ａおよび絶縁体４２０に達する開口である。上記の通り開口１１７はアスペクト比が大きいので、異方性エッチングを行うことが好ましい。
【０１７４】
開口１１７は、開口１１５と同様の方法を用いてエッチングすればよい。これにより、アスペクト比の大きい開口１１７を形成することができる。また、開口１１７と重なる領域において、上記の導電体１０８ｂと同様に、導電体１０８ａの上部に湾曲面を形成することができる。
【０１７５】
次に、開口１１７に埋め込むように、導電体１６２ａおよび導電体１６２ｂを形成する（図１６参照。）。導電体１６２ａの形成は、導電体１２０ａについての記載を参酌することができる。また、導電体１６２ｂの形成は、導電体１２０ｂについての記載を参酌することができる。このようにして、導電体１０８ａと電気的に接続される接続部１６０を形成することができる。
【０１７６】
以上により、トランジスタ４００および容量素子１００を有する半導体装置を作製することができる（図１６参照。）。図２乃至図１６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４００の上に容量素子１００の少なくとも一部が重なるように形成できるので、半導体装置の占有面積を増やすことなく、静電容量を大きくすることができる。また、上記の容量素子、および半導体装置を生産性良く作製することができる。
【０１７７】
＜半導体装置の変形例＞
本実施の形態に示す半導体装置は図１に示すものに限られるものではない。以下では、図１７から図１９を用いて、本実施の形態に示す半導体装置の変形例について説明する。
【０１７８】
まず、図１７（Ａ）から図１７（Ｄ）を用いて、導電体１０８ｂ近傍の構造が、図１と異なる半導体装置について説明する。
【０１７９】
図１７（Ａ）に示す半導体装置は、導電体１０８ｂが導電体１０８ｂａと導電体１０８ｂｂの積層構造になっている点において、図１に示す半導体装置と異なる。ここで、導電体１０８ｂｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする、比較的電気伝導性の高い導電性材料を用いてもよい。また、導電体１０８ｂａは、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。該導電性材料を用いることで、絶縁体４１０などから水素、水などの不純物が、導電体１０８ｂａおよび導電体１０８ｂｂを通じて酸化物４０６に混入するのを抑制することができる。また、導電体１０８ｂａは、例えばＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することで被覆性良く成膜することができる。
【０１８０】
図１７（Ｂ）に示す半導体装置は、導電体１０８ｂが埋め込まれた絶縁体４１０および絶縁体４２０の開口の内壁を、絶縁体１０９ｂが覆っている点において、図１に示す半導体装置と異なる。ここで、絶縁体１０９ｂは、絶縁体４２０に用いることができる絶縁体を用いることが好ましい。絶縁体１０９ｂとしては、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絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体４１０などから水素、水などの不純物が、導電体１０８ｂを通じて酸化物４０６に混入するのを抑制することができる。また、絶縁体１０９ｂは、例えばＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することで被覆性良く成膜することができる。
【０１８１】
図１７（Ｃ）に示す半導体装置は、導電体１０８ｂの一部が開口１１５と重なっていない点において、図１に示す半導体装置と異なる。このように、本実施の形態に示す半導体装置は、少なくとも開口１１５、言い換えると容量素子１００が導電体１０８ｂの一部に重なる構成にすればよい。図１７（Ｃ）に示すように、導電体１０８ｂの上部の開口１１５と重なる領域には湾曲面が形成されるが、導電体１０８ｂの上部の開口１１５と重ならない領域には湾曲面が形成されず、導電体１０８ｂの上部の角が残っている。
【０１８２】
図１７（Ｄ）に示す半導体装置は、導電体１０８ｂの上部に角が残っている点において、図１に示す半導体装置と異なる。導電体１１０と導電体１０８ｂの接触抵抗を十分低減できる場合、導電体１０８ｂの上部に角を有する形状にしてもよい。このように、導電体１０８ｂの上部に角を残したままにするには、例えば、図６に示す開口１１５を形成する工程において、セルフバイアスを小さくして、導電体１０８ｂの上面に衝突するイオンの衝撃を弱くすればよい。
【０１８３】
次に、図１８（Ａ）から図１８（Ｅ）を用いて、導電体１０８ａ近傍の構造が、図１と異なる半導体装置について説明する。
【０１８４】
図１８（Ａ）に示す半導体装置は、導電体１０８ａが導電体１０８ａａと導電体１０８ａｂの積層構造になっている点において、図１に示す半導体装置と異なる。ここで、導電体１０８ａｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする、比較的電気伝導性の高い導電性材料を用いてもよい。また、導電体１０８ａａは、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。該導電性材料を用いることで、絶縁体４１０などから水素、水などの不純物が、導電体１０８ａａおよび導電体１０８ａｂを通じて酸化物４０６に混入するのを抑制することができる。また、導電体１０８ａａは、例えばＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することで被覆性良く成膜することができる。
【０１８５】
図１８（Ｂ）に示す半導体装置は、導電体１０８ａが埋め込まれた絶縁体４１０および絶縁体４２０の開口の内壁を、絶縁体１０９ａが覆っている点において、図１に示す半導体装置と異なる。ここで、絶縁体１０９ａは、絶縁体４２０に用いることができる絶縁体を用いることが好ましい。絶縁体１０９ａとしては、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絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、絶縁体４１０などから水素、水などの不純物が、導電体１０８ａを通じて酸化物４０６に混入するのを抑制することができる。また、絶縁体１０９ａは、例えばＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することで被覆性良く成膜することができる。
【０１８６】
図１８（Ｃ）に示す半導体装置は、開口１１７が導電体１０８ａの全体と重なる点において、図１に示す半導体装置と異なる。図１８（Ｃ）に示すように、導電体１０８ａの上部全体と開口１１７が重なっているので、導電体１０８ａの上部に角は残存せず、湾曲面が形成されている。
【０１８７】
図１８（Ｄ）に示す半導体装置は、開口１１７が導電体１０８ａの上面の端部と重なっていない点において、図１に示す半導体装置と異なる。図１８（Ｄ）に示すように、導電体１０８ａの上面の端部に開口１１７が重なっていないので、導電体１０８ａの上部に角が形成されている。また、図１８（Ｄ）に示すように、導電体１０８ａの上面の中央部が凹んだ形状になる場合がある。
【０１８８】
図１８（Ｅ）に示す半導体装置は、導電体１０８ａの上部に角が残っている点において、図１に示す半導体装置と異なる。導電体１６２ａと導電体１０８ａの接触抵抗を十分低減できる場合、導電体１０８ａの上部に角を有する形状にしてもよい。このように、導電体１０８ａの上部に角を残したままにするには、例えば、開口１１７を形成する工程において、セルフバイアスを小さくして、導電体１０８ａの上面に衝突するイオンの衝撃を弱くすればよい。
【０１８９】
また、図１に示す半導体装置は、トランジスタと容量素子と、を一つずつ有する構成としたが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図１９に示すように、トランジスタ４００ａおよび容量素子１００ａと、トランジスタ４００ｂおよび容量素子１００ｂと、を有する構成にしてもよい。ここで、トランジスタ４００ａとトランジスタ４００ｂが導電体１０８ａおよび接続部１６０を共有する構成にしてもよい。図１９に示すトランジスタ４００ａおよびトランジスタ４００ｂはトランジスタ４００の記載を参酌することができ、容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂは容量素子１００の記載を参酌することができる。
【０１９０】
図１９に示す半導体装置は、例えば、後述する記憶装置のメモリセルなどに用いることができる。トランジスタ４００ａとトランジスタ４００ｂが導電体１０８ａおよび接続部１６０を共有する構成にすることにより、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、半導体装置をさらに高集積化させることができる。よって、当該半導体装置を用いた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。
【０１９１】
＜トランジスタの構成例＞
次に、上記のトランジスタ４００の構成例について、図２０から図２６を用いて説明する。図２０（Ａ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ４００ａの上面図である。また、図２０（Ｂ）は、図２０（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタ４００ａのチャネル長方向の断面図を示す。図２０（Ｃ）は、図２０（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図である。つまりトランジスタ４００ａのチャネル幅方向の断面図を示す。図２０（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。なお、トランジスタのチャネル長方向とは、基板と水平な面内において、ソース（ソース領域またはソース電極）及びドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）間において、キャリアが移動する方向を意味し、チャネル幅方向は、基板と水平な面内において、チャネル長方向に対して垂直の方向を意味する。
【０１９２】
図２０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、トランジスタ４００ａは、導電体３１０（導電体３１０ａ及び導電体３１０ｂ）と、導電体３１０の上に配置された絶縁体３０２、絶縁体３０３及び絶縁体４０２と、絶縁体３０２、絶縁体３０３及び絶縁体４０２の上に配置された酸化物４０６ａと、酸化物４０６ａの上に配置された酸化物４０６ｂと、酸化物４０６ｂの上に、離間して配置された導電体４１６ａ１及び導電体４１６ａ２と、酸化物４０６ｂ、導電体４１６ａ１及び導電体４１６ａ２の上に配置された酸化物４０６ｃと、酸化物４０６ｃの上に配置された絶縁体４１２と、少なくとも一部が酸化物４０６ｂと重なるように、絶縁体４１２の上に配置された導電体４０４（導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ及び導電体４０４ｃ）と、を有する。
【０１９３】
また、上記のように、絶縁体４０２、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ、酸化物４０６ｃ、導電体４１６ａ１、導電体４１６ａ２、絶縁体４１２、および導電体４０４などの上に絶縁体４１０が配置される。また、絶縁体４１０、バリア膜４１７ａ１、およびバリア膜４１７ａ２に形成された開口に導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂが形成される。また、図２０には図示していないが、上記のように絶縁体４１０の上に絶縁体４２０が配置される。
【０１９４】
導電体３１０は、絶縁体３０１に形成された開口に設けられている。絶縁体３０１の開口の内壁に接して導電体３１０ａが形成され、さらに内側に導電体３１０ｂが形成されている。ここで、導電体３１０ａおよび導電体３１０ｂの上面の高さと、絶縁体３０１の上面の高さは同程度にできる。導電体３１０は、ゲート電極の一方として機能できる。
【０１９５】
ここで、導電体３１０ａは、水または水素などの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、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く、単層または積層とすればよい。これにより、絶縁体４０１より下層から水素、水などの不純物が導電体３１０を通じて上層に拡散するのを抑制することができる。なお、導電体３１０ａは、水素原子、水素分子、水分子、酸素原子、酸素分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、または銅原子などの不純物の少なくとも一が透過しにくいことが好ましい。また、以下において、不純物が透過しにくい導電性材料について記載する場合も同様である。導電体３１０ａが酸素の透過を抑制する機能を持つことにより、導電体３１０ｂが酸化により導電率が低下することを防ぐことができる。
【０１９６】
絶縁体３０１は、基板（図示せず）の上に設けられた絶縁体４０１の上に配置されている。絶縁体４０１は、下層から水または水素などの不純物がトランジスタに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体４０１は、水または水素などの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く、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体４０１より上層に拡散するのを抑制することができる。なお、絶縁体４０１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少なくとも一が透過しにくいことが好ましい。また、以下において、不純物が透過しにくい絶縁性材料について記載する場合も同様である。
【０１９７】
また、絶縁体４０１は、酸素（例えば、酸素原子または酸素分子など）が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましい。これにより、絶縁体４０２などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。これにより、酸化物４０６ｂに効果的に酸素を供給することができる。
【０１９８】
また、絶縁体３０３は、水または水素などの不純物、および酸素が透過しにくい絶縁性材料を用いることが好ましく、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３０３より下層から水素、水などの不純物が絶縁体３０３より上層に拡散するのを抑制することができる。さらに、絶縁体４０２などに含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。
【０１９９】
絶縁体４０２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。具体的には、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））にて、酸素原子に換算した酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である絶縁体を用いることが好ましい。なお、加熱により放出される酸素を「過剰酸素」ともいう。このような絶縁体４０２を酸化物４０６ａに接して設けることにより、酸化物４０６ｂに効果的に酸素を供給することができる。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５００℃以下の範囲が好ましい。
【０２００】
また、絶縁体４０２中の水、水素または窒素酸化物などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体４０２の水素の脱離量は、ＴＤＳにおいて、５０℃から５００℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体４０２の面積当たりに換算して、２×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下、好ましくは１×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下、より好ましくは５×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下であればよい。
【０２０１】
絶縁体３０２、絶縁体３０３、および絶縁体４０２は、ゲート絶縁膜として機能できる。なお、トランジスタ４００ａでは、ゲート絶縁膜として絶縁体３０２、絶縁体３０３、および絶縁体４０２が積層された絶縁膜を用いているが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、ゲート絶縁膜として、絶縁体３０２、絶縁体３０３、および絶縁体４０２のいずれか２層または１層を用いてもよい。
【０２０２】
次に、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ及び酸化物４０６ｃに用いることができる、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）について説明する。なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
【０２０３】
酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ及び酸化物４０６ｃとして用いる金属酸化物は、少なくともインジウム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、元素Ｍ（元素Ｍは、ガリウム、アルミニウム、シリコン、ホウ素、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、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）が含まれていることが好ましい。
【０２０４】
また、上記金属酸化物は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上である。このように、エネルギーギャップの広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。
【０２０５】
ここで、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍ及び亜鉛を有する場合を考える。なお、金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍ、及び亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。
【０２０６】
以下に、図２６（Ａ）、図２６（Ｂ）、および図２６（Ｃ）を用いて、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ及び酸化物４０６ｃに用いることができる金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図２６（Ａ）、図２６（Ｂ）、および図２６（Ｃ）には、酸素の原子数比については記載しない。
【０２０７】
図２６（Ａ）、図２６（Ｂ）、および図２６（Ｃ）において、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。
【０２０８】
また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比（β≧０）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるラインを表す。
【０２０９】
また、図２６（Ａ）、図２６（Ｂ）、および図２６（Ｃ）に示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比、およびその近傍値の金属酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。
【０２１０】
また、金属酸化物中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。金属酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。
【０２１１】
図２６（Ａ）に示す領域Ａは、金属酸化物が有する、インジウム、元素Ｍ、および亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
【０２１２】
金属酸化物は、インジウムの含有率を高くすることで、金属酸化物のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。従って、インジウムの含有率が高い金属酸化物はインジウムの含有率が低い金属酸化物と比較してキャリア移動度が高くなる。
【０２１３】
一方、金属酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、およびその近傍値である場合（例えば図２６（Ｃ）に示す領域Ｃ）は、絶縁性が高くなる。
【０２１４】
例えば、酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物は、キャリア移動度が高い、図２６（Ａ）の領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。一方、酸化物４０６ａ及び酸化物４０６ｃに用いる金属酸化物は、絶縁性が比較的高い、図２６（Ｃ）の領域Ｃで示される原子数比を有することが好ましい。
【０２１５】
特に、図２６（Ｂ）に示す領域Ｂでは、領域Ａの中でも、キャリア移動度が高く、信頼性が高い優れた金属酸化物が得られる。
【０２１６】
なお、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値を含む。近傍値には、例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。また、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：６、およびその近傍値、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：７、およびその近傍値を含む。
【０２１７】
また、金属酸化物として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。なお、成膜される金属酸化物の原子数比は、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。例えば、金属酸化物の成膜に用いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の場合、成膜される金属酸化物の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の近傍となる場合がある。また、金属酸化物の成膜に用いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：７［原子数比］の場合、成膜される金属酸化物の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６［原子数比］の近傍となる場合がある。
【０２１８】
なお、金属酸化物が有する性質は、原子数比によって一義的に定まらない。同じ原子数比であっても、形成条件により、金属酸化物の性質が異なる場合がある。例えば、金属酸化物をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。従って、図示する領域は、金属酸化物が特定の特性を有する傾向がある原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至領域Ｃの境界は厳密ではない。
【０２１９】
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。金属酸化物のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。例えば、酸化物４０６ｂにおけるキャリア密度が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。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は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。
【０２２０】
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。
【０２２１】
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にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０２２２】
従って、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、アルカリ金属、アルカリ土類金属、シリコン等がある。
【０２２３】
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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
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。従って、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以下とする。
【０２２６】
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（Ｖｏ）を形成する場合がある。該酸素欠損（Ｖｏ）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。従って、水素が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。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。
【０２２７】
なお、金属酸化物中の酸素欠損（Ｖｏ）は、酸素を金属酸化物に導入することで、低減することができる。つまり、金属酸化物中の酸素欠損（Ｖｏ）に、酸素が補填されることで、酸素欠損（Ｖｏ）は消失する。従って、金属酸化物中に、酸素を拡散させることで、トランジスタの酸素欠損（Ｖｏ）を低減し、信頼性を向上させることができる。
【０２２８】
なお、酸素を金属酸化物に導入する方法として、例えば、金属酸化物に接して、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物を設けることができる。つまり、酸化物には、化学量論的組成よりも酸素が過剰に存在する領域（以下、過剰酸素領域ともいう）が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタに金属酸化物を用いる場合、トランジスタ近傍の下地膜や、層間膜などに、過剰酸素領域を有する酸化物を設けることで、トランジスタの酸素欠損を低減し、信頼性を向上させることができる。
【０２２９】
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などに用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
【０２３０】
また、酸化物４０６ｂに用いられる金属酸化物は、ＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）構成を有することが好ましい。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。
【０２３１】
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（またはホール）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳ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。
【０２３２】
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
【０２３３】
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。
【０２３４】
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、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
【０２３５】
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。
【０２３６】
また、上記金属酸化物は、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。
【０２３７】
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。
【０２３８】
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）を確認することはできない。即ち、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と考えられる。
【０２３９】
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。
【０２４０】
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、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、酸化物半導体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）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。
【０２４１】
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。
【０２４２】
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酸化物半導体である。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
【０２４３】
酸化物半導体は、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。
【０２４４】
酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｃに用いる金属酸化物は、元素Ｍ（元素Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｇ、Ｖ、Ｂｅ、またはＣｕのいずれか一つ、または複数）を含む酸化物である。酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｃは、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウム、酸化ホウ素などを用いることができる。
【０２４５】
ここで、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｃ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４０６ｂ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４０６ａおよび酸化物４０６ｃ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４０６ｂ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。
【０２４６】
また、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｃに用いる金属酸化物は、非単結晶構造であると好ましい。非単結晶構造は、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｃに用いる金属酸化物は、ＣＡＡＣ構造を有していてもよい。よって、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｃに用いる金属酸化物は、複数のＩＧＺＯのナノ結晶がｃ軸配向を有し、かつａ−ｂ面においては配向せずに連結した層状の結晶構造を有していてもよい。
【０２４７】
また、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｃに用いる金属酸化物は、酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物より高い結晶性を有していてもよい。ここで、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｃに用いる金属酸化物は、例えば、酸素を含む雰囲気下で成膜した酸化物とすればよい。これにより、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｃに高い結晶性を有せしめることができる。また、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｃの形状の安定を図ることができる。
【０２４８】
以上のような金属酸化物を酸化物４０６ｃとして用いて、酸化物４０６ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物４０６ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物４０６ｃの電子親和力が、酸化物４０６ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。ここで、電子親和力とは、真空準位と伝導帯下端のエネルギー準位の差を指す。
【０２４９】
また同様に、以上のような金属酸化物を酸化物４０６ａとして用いて、酸化物４０６ａの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物４０６ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物４０６ａの電子親和力が、酸化物４０６ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
【０２５０】
ここで、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ及び酸化物４０６ｃ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、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４０６ａと酸化物４０６ｂとの界面、または酸化物４０６ｂと酸化物４０６ｃ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。
【０２５１】
具体的には、酸化物４０６ａと酸化物４０６ｂ、酸化物４０６ｂと酸化物４０６ｃ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４０６ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｃ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。
【０２５２】
このとき、キャリアの主たる経路は酸化物４０６ｂおよびその近傍となる。酸化物４０６ａと酸化物４０６ｂとの界面、および酸化物４０６ｂと酸化物４０６ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
【０２５３】
トラップ準位に電子が捕獲されることで、捕獲された電子は固定電荷のように振る舞うため、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｃを設けることにより、トラップ準位を酸化物４０６ｂより遠ざけることができる。当該構成とすることで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向にシフトすることを防止することができる。
【０２５４】
なお、本実施の形態ではトランジスタに用いる金属酸化物を上述の３層構造としているが、本発明の一態様はこれに限定されない。例えば、酸化物４０６ａまたは酸化物４０６ｃの一方がない２層構造としても構わない。または、酸化物４０６ａの上もしくは下、または酸化物４０６ｃの上もしくは下に、前述した半導体のいずれか一を有する４層構造としても構わない。または、酸化物４０６ａの上、酸化物４０６ａの下、酸化物４０６ｃの上、酸化物４０６ｃの下のいずれか二箇所以上に、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂおよび酸化物４０６ｃとして例示した半導体のいずれか一を有するｎ層構造（ｎは５以上の整数）としても構わない。
【０２５５】
本実施の形態に示すトランジスタは、以上に示す酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ及び酸化物４０６ｃを有することが好ましい。
【０２５６】
酸化物４０６ａは、絶縁体４０２の上面に接して配置されることが好ましい。酸化物４０６ｂは酸化物４０６ａの上面に接して配置されることが好ましい。
【０２５７】
また、酸化物４０６ｂは、第１の領域、第２の領域、および第３の領域を有する。第３の領域は、上面図において第１の領域と第２の領域に挟まれる。本実施の形態に示すトランジスタは、酸化物４０６ｂの第１の領域上に接して導電体４１６ａ１を有する。また、酸化物４０６ｂの第２の領域上に接して導電体４１６ａ２を有する。酸化物４０６ｂの第１の領域または第２の領域の一方は、ソース領域として機能でき、他方はドレイン領域として機能できる。また、酸化物４０６ｂの第３の領域はチャネル形成領域として機能できる。
【０２５８】
酸化物４０６ｃは、酸化物４０６ｂの第３の領域に接して、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ、導電体４１６ａ１、４１６ａ２、及びバリア膜４１７ａ１、４１７ａ２の上に配置されることが好ましい。また、酸化物４０６ｃが、酸化物４０６ａ及び酸化物４０６ｂの側面を覆う構成にしてもよい。図２０（Ｃ）に示すように、酸化物４０６ａ及び酸化物４０６ｂのチャネル幅方向の側面が酸化物４０６ｃに接することが好ましい。さらに、第１のゲート電極としての機能を有する導電体４０４は、第１のゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体４１２を介して酸化物４０６ｂの第３の領域の全体を覆うように配置される。
【０２５９】
また、酸化物４０６ｃは、酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｂの全体を覆うように配置してもよい。例えば、酸化物４０６ａ及び酸化物４０６ｂのチャネル長方向の側面が酸化物４０６ｃに接する構成にしてもよい。
【０２６０】
導電体４１６ａ１及び導電体４１６ａ２は、離間して配置され、酸化物４０６ｂの上面に接して配置されることが好ましい。ここで、導電体４１６ａ１は、ソース電極またはドレイン電極の一方として機能でき、導電体４１６ａ２は、ソース電極またはドレイン電極の他方として機能できる。
【０２６１】
また、図２０（Ａ）（Ｂ）に示すように、導電体４１６ａ１の一方の側端部は、酸化物４０６ａの一方の側端部及び酸化物４０６ｂの一方の側端部と略一致することが好ましい。また、同様に、導電体４１６ａ２の一方の側端部は、酸化物４０６ａの他方の側端部及び酸化物４０６ｂの他方の側端部と略一致することが好ましい。このような構成にすることにより、酸化物４０６ａ及び酸化物４０６ｂの側面が導電体４１６ａ１及び導電体４１６ａ２に接しないので、酸化物４０６ａ及び酸化物４０６ｂの側面において、酸素が引き抜かれて酸素欠損が形成されることを防ぐことができる。また、酸化物４０６ａ及び酸化物４０６ｂの側面が導電体４１６ａ１及び導電体４１６ａ２に接しないので、酸化物４０６ａ及び酸化物４０６ｂの側面から導電体４１６ａ１及び導電体４１６ａ２に起因する不純物が浸入することを防ぐことができる。
【０２６２】
ここで、互いに向かい合う導電体４１６ａ１の側端部と導電体４１６ａ２の側端部との距離、即ちトランジスタのチャネル長は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、代表的には２０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下とする。
【０２６３】
また、導電体４１６ａ１及び導電体４１６ａ２の互いに向かい合う側面と底面のなす角が９０°未満のテーパー角を有することが好ましい。導電体４１６ａ１及び導電体４１６ａ２の互いに向かい合う側面と底面のなす角が４５°以上７５°以下であることが好ましい。このように導電体４１６ａ１及び導電体４１６ａ２を形成することにより、酸化物４０６ｃを導電体４１６ａ１及び導電体４１６ａ２が形成する段差部にも被覆性良く成膜することができる。これにより、酸化物４０６ｃが段切れなどを起こして、酸化物４０６ｂと絶縁体４１２などが接するのを防ぐことができる。
【０２６４】
また、導電体４１６ａ１の上面に接してバリア膜４１７ａ１が配置され、導電体４１６ａ２の上面に接してバリア膜４１７ａ２が設けられることが好ましい。バリア膜４１７ａ１及びバリア膜４１７ａ２は、水素や水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。バリア膜４１７ａ１及びバリア膜４１７ａ２として、例えば、酸化アルミニウムなどを用いることができる。これにより、導電体４１６ａ１及び導電体４１６ａ２の酸化に周囲の過剰酸素が用いられることを防ぐことができる。また、導電体４１６ａ１および導電体４１６ａ２の酸化による電気抵抗値の増加を防ぐことができる。なお、導電体の電気抵抗値の測定は、２端子法などを用いて測定することができる。なお、バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２を設けない構成としてもよい。
【０２６５】
また、導電体４０４と導電体４１６ａ１の間に、絶縁体４１２、酸化物４０６ｃに加えて、バリア膜４１７ａ１を有しているので、導電体４０４と導電体４１６ａ１の間の寄生容量を小さくすることができる。同様に、導電体４０４と導電体４１６ａ２の間に、絶縁体４１２、酸化物４０６ｃに加えて、バリア膜４１７ａ２を有しているので、導電体４０４と導電体４１６ａ２の間の寄生容量を小さくすることができる。よって、本実施の形態に示すトランジスタは、周波数特性に優れたトランジスタとなる。
【０２６６】
絶縁体４１２はゲート絶縁膜として機能でき、酸化物４０６ｃの上面に接して配置されることが好ましい。絶縁体４１２は、絶縁体４０２と同様に、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような絶縁体４１２を酸化物４０６ｃの上面に接して設けることにより、酸化物４０６ｂに効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体４０２と同様に、絶縁体４１２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。
【０２６７】
導電体４０４は、導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ及び導電体４０４ｃが積層された構成とすることが好ましい。絶縁体４１２上に導電体４０４ａが配置され、導電体４０４ａ上に導電体４０４ｂが配置され、導電体４０４ｂ上に導電体４０４ｃが配置される。絶縁体４１２および導電体４０４は、酸化物４０６ｂと重なる領域を有する。また、導電体４０４ａ、導電体４０４ｂおよび導電体４０４ｃの側端部は概略一致する。ここで、導電体４０４はゲート電極の他方として機能する。また、ゲート電極としての機能を有する導電体４０４のチャネル長方向の幅は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、好ましくは、２０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下とする。
【０２６８】
言い換えると、導電体３１０及び導電体４０４の一方はゲート電極として機能でき、他方はバックゲート電極として機能できる。ゲート電極とバックゲート電極で半導体のチャネル形成領域を挟むように配置される。バックゲート電極の電位は、ゲート電極と同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲート電極の電位をゲート電極と連動させず独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
【０２６９】
導電体４０４ａは、酸化物で導電性を有するものが好ましい。例えば、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂまたは酸化物４０６ｃとして用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電体４０４ａを設けることで、導電体４０４ｂ及び導電体４０４ｃへの酸素の透過を抑制し、導電体４０４ｂ及び導電体４０４ｃが酸化によって電気抵抗値が増加することを防ぐことができる。また、酸化物４０６ｂに過剰酸素を供給することが可能となる。
【０２７０】
導電体４０４ｂは、導電体４０４ａに窒素などの不純物を添加して導電体４０４ａの導電性を向上できる導電体が好ましい。例えば導電体４０４ｂは、窒化チタンなどを用いることが好ましい。
【０２７１】
ここで、ゲート電極の機能を有する導電体４０４が、絶縁体４１２及び酸化物４０６ｃを介して、酸化物４０６ｂの第３の領域近傍の上面及びチャネル幅方向の側面を覆うように設けられる。従って、ゲート電極としての機能を有する導電体４０４の電界によって、酸化物４０６ｂの第３の領域近傍の上面及びチャネル幅方向の側面を電気的に取り囲むことができる。導電体４０４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。そのため、酸化物４０６ｂの第３の領域近傍の上面及びチャネル幅方向の側面にチャネルを形成することができるので、ソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を大きくすることができる。また、酸化物４０６ｂの第３の領域近傍の上面及びチャネル幅方向の側面が、導電体４０４の電界によって取り囲まれていることから、非導通時の電流（オフ電流）を小さくすることができる。
【０２７２】
また、導電体４０４上にバリア膜４１８が設けられていることが好ましい。ここで、バリア膜４１８は、酸素が透過しにくい材料を用いることが好ましく、例えば酸化アルミニウムなどを用いることができる。これにより、導電体４０４の酸化に周囲の過剰酸素が用いられることを防ぐことができる。このように、バリア膜４１８はゲートを保護するゲートキャップとしての機能を有する。なお、バリア膜４１８を設けない構成としてもよい。
【０２７３】
［絶縁体］
トランジスタを、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。例えば絶縁体４０１、及び絶縁体４２０として、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。また、絶縁体３０３に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てもよい。絶縁体４０１、絶縁体３０３、及び絶縁体４２０は、絶縁体４０２などより、水または水素などの不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いて形成することが好ましい。
【０２７４】
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、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコン、窒化シリコンまたは窒化アルミニウムなどを単層で、または積層で用いればよい。
【０２７５】
絶縁体４０１および絶縁体４２０が酸化アルミニウムを有することで、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂおよび酸化物４０６ｃに水素などの不純物が混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体４０１および絶縁体４２０が酸化アルミニウムを有することで、上述の酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂおよび酸化物４０６ｃへ添加された過剰酸素の外方拡散を低減することができる。
【０２７６】
絶縁体３０１、絶縁体３０２、絶縁体３０３、絶縁体４０２および絶縁体４１２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、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。例えば、絶縁体３０１、絶縁体３０２、絶縁体３０３、絶縁体４０２および絶縁体４１２としては、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有することが好ましい。
【０２７７】
また、絶縁体３０２、絶縁体３０３、絶縁体４０２および絶縁体４１２は、ゲート絶縁膜として機能するので比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体３０２、絶縁体３０３、絶縁体４０２および絶縁体４１２は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、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、またはシリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物などを有することが好ましい。または、絶縁体３０２、絶縁体３０３、絶縁体４０２および絶縁体４１２は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、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、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。例えば、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを酸化物４０６ｃ側に有することで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、酸化物４０６ｂに混入することを抑制することができる。また、例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物４０６ｃ側に有することで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。
【０２７８】
絶縁体４１０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４１０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４１０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。
【０２７９】
バリア膜４１７ａ１およびバリア膜４１７ａ２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てもよい。バリア膜４１７ａ１およびバリア膜４１７ａ２によって、酸化物４０６ｃ及び絶縁体４１２中の過剰酸素が、導電体４１６ａ１および導電体４１６ａ２へと拡散することを防止することができる。
【０２８０】
バリア膜４１７ａ１およびバリア膜４１７ａ２としては、例えば、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ればよい。
【０２８１】
［導電体］
導電体４０４、導電体３１０、導電体４１６ａ１、導電体４１６ａ２、導電体１０８ａ、導電体１０８ｂ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。
【０２８２】
また、前述した金属元素および酸素を含む導電性材料を用いてもよい。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（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、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。
【０２８３】
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。
【０２８４】
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は、ゲート電極として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。
【０２８５】
例えば、導電体３１０ｂとしては、タングステン、ポリシリコン等の導電性材料を用いればよい。また、絶縁体４０１と接する導電体３１０ａとしては、例えば、チタン、窒化チタン、または窒化タンタルなどのバリア層（拡散防止層）を積層または単層で用いることができる。
【０２８６】
絶縁体４０１に不純物が透過しにくい絶縁性材料を用い、絶縁体４０１と接する、導電体３１０ａに不純物が透過しにくい導電性材料を用いることで、トランジスタへの不純物の拡散をさらに抑制することができる。よって、トランジスタの信頼性をさらに高めることができる。
【０２８７】
また、バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２、およびバリア膜４１８として上記の不純物が透過しにくい導電性材料を用いてもよい。バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２、およびバリア膜４１８に導電性材料を用いる場合は、酸素が放出されにくい、および／または吸収されにくい導電性材料を用いることが好ましい。
【０２８８】
＜トランジスタの作製方法＞
以下では、本発明の一態様に係る図２０に示すトランジスタの作製方法を図２１および図２２を用いて説明する。図２１および図２２では、図２０（Ｂ）に示す一点鎖線Ａ１−Ａ２の断面に対応する断面図と、図２０（Ｃ）に示す一点鎖線Ａ３−Ａ４の断面に対応する断面図と、を示している。
【０２８９】
なお、以下において、絶縁体を形成するための絶縁性材料、導電体を形成するための導電性材料、酸化物半導体として機能する酸化物などは、スパッタリング法、スピンコート法、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、ＭＢＥ法、または、ＰＬＤ法などを適宜用いて形成することができる。
【０２９０】
まず、基板（図示せず）の上に絶縁体４０１、絶縁体３０１を順に成膜する。本実施の形態では、基板として単結晶シリコン基板（ｐ型の半導体基板、またはｎ型の半導体基板を含む）を用いる。また、本実施の形態では、絶縁体４０１として、スパッタリング法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜し、絶縁体３０１としてＣＶＤ法を用いて酸化窒化シリコン膜を成膜する。
【０２９１】
また、例えば、絶縁体４０１の上または下に積層して、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜してもよい。
【０２９２】
次に、絶縁体３０１に絶縁体４０１に達する開口（溝、トレンチまたは穴などを含む。）を形成する。当該開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体４０１は、絶縁体３０１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３０１に酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いた場合は、絶縁体４０１は窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムなどを用いるとよい。このとき、絶縁体４０１の、絶縁体３０１の開口と重なる部分がエッチングによって凹状に形成される場合がある。
【０２９３】
次に、導電体３１０ａとなる導電膜、および導電体３１０ｂとなる導電膜を成膜する。本実施の形態では、導電体３１０ａとなる導電膜としてスパッタリング法で成膜した窒化タンタルとＡＬＤ法で成膜した窒化チタンの積層膜を用いる。また、導電体３１０ｂとなる導電膜としてＣＶＤ法で成膜したタングステン膜を用いる。
【０２９４】
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、絶縁体３０１上の、導電体３１０ａとなる導電膜、及び導電体３１０ｂとなる導電膜を除去する（図２１（Ａ）（Ｂ）参照）。その結果、開口のみに、導電体３１０ａ及び導電体３１０ｂが残存することで上面が平坦な導電体３１０を形成することができる。
【０２９５】
次に、絶縁体３０１上および導電体３１０上に絶縁体３０２を成膜する。本実施の形態では、絶縁体３０２として、ＣＶＤ法を用いて酸化窒化シリコン膜を成膜する。
【０２９６】
次に、絶縁体３０２上に絶縁体３０３を成膜する。本実施の形態では、絶縁体３０３として、ＡＬＤ法を用いて酸化ハフニウム膜を成膜する。
【０２９７】
次に、絶縁体３０３上に絶縁体４０２を成膜する。本実施の形態では、絶縁体４０２として、ＣＶＤ法を用いて酸化窒化シリコン膜を成膜する。
【０２９８】
次に、第１の加熱処理を行うと好ましい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。また、本実施の形態に示すトランジスタの下層に銅を含んで形成された配線などを設ける場合、第１の加熱処理の温度を４１０℃以下にすることが好ましい。第１の加熱処理は、不活性ガス雰囲気で行う。第１の加熱処理は減圧状態で行ってもよい。第１の加熱処理によって、絶縁体４０２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。本実施の形態では、第１の加熱処理として窒素ガス雰囲気で温度を４００℃として加熱処理を行う。
【０２９９】
次に、絶縁体４０２の上に酸化物４０６ａとなる酸化膜４０６Ａを成膜し、酸化膜４０６Ａの上に酸化物４０６ｂとなる酸化膜４０６Ｂを成膜する（図２１（Ｃ）（Ｄ）参照）。
【０３００】
酸化膜４０６Ａ、及び酸化膜４０６Ｂは、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。スパッタリング法で成膜することで酸化膜４０６Ａ、及び酸化膜４０６Ｂの密度を高められるため、好適である。スパッタリングガスには、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または、希ガスおよび酸素の混合ガスを適宜用いればよい。また、スパッタリングガスに窒素を含めてもよい。また、基板を加熱しながら成膜を行ってもよい。
【０３０１】
スパッタリングガスは高純度化することが好ましい。例えば、スパッタリングガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下、より好ましくは−１２０℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化膜４０６Ａ、及び酸化膜４０６Ｂに水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０３０２】
また、スパッタリング装置におけるチャンバーは、酸化膜４０６Ａ、及び酸化膜４０６Ｂにとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空（５×１０−７Ｐａから１×１０−４Ｐａ程度まで）排気することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体、特に炭素または水素を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【０３０３】
また、スパッタリング装置の電源には、ＤＣ電源、ＡＣ電源、またはＲＦ電源を用いればよい。
【０３０４】
また、スパッタリング装置において、ターゲットまたはマグネットを回転または移動させても構わない。例えば、成膜中にマグネットユニットを上下または／及び左右に揺動させながら酸化膜を形成することができる。例えば、ターゲットを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビート（リズム、拍子、パルス、周波、周期またはサイクルなどと言い換えてもよい。）で回転または揺動させればよい。または、マグネットユニットを、０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下のビートで揺動させればよい。
【０３０５】
酸化膜４０６Ａの成膜においては、成膜時の基板温度を、室温以上４００℃以下とすることが好ましい。例えば、水の気化温度（例えば、１００℃）以上、かつ装置のメンテナビリティー、スループットの良い温度を可能な範囲で適宜選択すればよい。
【０３０６】
また、酸化膜４０６Ａの成膜において、スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。混合ガスの場合、成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合が、７０％以上が好ましく、８０％以上がさらに好ましく、１００％がより好ましい。酸化膜４０６Ａに過剰酸素を含む酸化物を用いることで、後の加熱処理によって酸化膜４０６Ｂに酸素を供給することができる。
【０３０７】
また、酸化膜４０６Ａの成膜のターゲットとして、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。ここで、酸化膜４０６ＡのＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットは、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化膜４０６ＢのＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットにおける、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より小さいことが好ましい。例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：４［原子数比］、またはその近傍値の原子数比である金属酸化物ターゲットを用いることが好ましい。
【０３０８】
本実施の形態では、酸化膜４０６Ａの成膜において、酸素ガス１００％程の雰囲気とし、基板温度を２００℃とし、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝１：３：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いて成膜を行う。
【０３０９】
酸化膜４０６Ｂの成膜においては、成膜時の基板温度を、１００℃以上１４０℃未満とすることが好ましい。例えば、水の気化温度（例えば、１００℃）以上、かつ装置のメンテナビリティー、スループットの良い温度を可能な範囲で適宜選択すればよい。
【０３１０】
また、酸化膜４０６Ｂの成膜において、スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。混合ガスの場合、成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合が、０％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下とする。
【０３１１】
また、酸化膜４０６Ｂの成膜のターゲットとして、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。ここで、酸化膜４０６ＢのＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットは、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化膜４０６ＡのＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットにおける、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。例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：４．１［原子数比］、または［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：７［原子数比］、またはその近傍値の原子数比である金属酸化物ターゲットを用いることが好ましい。
【０３１２】
本実施の形態では、酸化膜４０６Ｂの成膜において、酸素のガス比が１０％程度の希ガス、および酸素の混合ガスを用い、基板温度を１３０℃とし、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：４．１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いて成膜を行う。
【０３１３】
次に、第２の加熱処理を行ってもよい。第２の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下で行えばよい。第２の加熱処理は、不活性ガス雰囲気、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。第２の加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、第２の加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、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。第２の加熱処理によって、酸化膜４０６Ｂの結晶性を高めることや、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時間の処理を行なった後に、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。
【０３１４】
次に、酸化膜４０６Ｂの上に導電体４１６ａ１、４１６ａ２となる導電膜を成膜する。本実施の形態では、導電体４１６ａ１、４１６ａ２となる導電膜として、窒化タンタル膜をスパッタリング法で形成する。窒化タンタルは、耐酸化性が高いため、後の工程において加熱処理を行う場合に好ましい。
【０３１５】
次に、導電体４１６ａ１、４１６ａ２となる導電膜の上にバリア膜４１７ａ１、４１７ａ２となる膜を成膜する。本実施の形態では、バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２となる膜として、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜する。ＡＬＤ法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、薄く均一な厚さを備える膜を形成することができる。
【０３１６】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２となる膜に、導電体４１６ａ１、４１６ａ２となる導電膜に達する開口を形成する。
【０３１７】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、導電体４１６ａ１、４１６ａ２となる導電膜、バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２となる膜の一部を選択的に除去し、島状に加工する。このようにして、導電体４１６ａ１、４１６ａ２となる導電膜から島状の導電膜が、バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２となる膜から、バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２が形成される。
【０３１８】
続いて、島状の導電膜をマスクとして酸化膜４０６Ａ、および酸化膜４０６Ｂの一部を選択的に除去する。このとき、同時に絶縁体４０２の一部も除去される場合がある。このようにして、島状の酸化物４０６ａ、および島状の酸化物４０６ｂを形成することができる。
【０３１９】
なお、酸化膜４０６Ａおよび酸化膜４０６Ｂの一部の除去は、ドライエッチング法や、ウェットエッチング法などを用いて行なうことができる。ドライエッチング法とウェットエッチング法の両方を用いてもよい。
【０３２０】
続いて、バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２をマスクとして、ドライエッチング法を用いることで、島状の導電膜の一部を選択的に除去する。該エッチング工程により、島状の導電膜を導電体４１６ａ１と導電体４１６ａ２に分離する（図２１（Ｅ）（Ｆ）参照）。
【０３２１】
ドライエッチングに使用するガスは、例えば、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ２Ｆ６ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、ＣＦ４ガス、ＳＦ６ガスまたはＣＨＦ３ガスなどを単独または２以上のガスを混合して用いることができる。または、上記ガスに酸素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスまたは水素ガスなどを適宜添加することができる。特に、プラズマによって有機物を生成することができるガスを用いることが好ましい。例えば、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、またはＣＨＦ３ガスのいずれか一に、ヘリウムガス、アルゴンガスまたは水素ガスなどを適宜添加したものを使用することが好ましい。
【０３２２】
また、ドライエッチング法により導電体４１６ａ１と導電体４１６ａ２を形成した場合は、露出した酸化物４０６ｂにエッチングガスの残留成分などの不純物元素が付着する場合がある。例えば、エッチングガスとして塩素系ガスを用いると、塩素などが付着する場合がある。また、エッチングガスとして炭化水素系ガスを用いると、炭素や水素などが付着する場合がある。このため、酸化物４０６ｂの露出した表面に付着した不純物元素を低減することが好ましい。当該不純物元素の低減は、例えば、フッ化水素酸を純水で希釈した水溶液（希釈フッ酸液）を用いた洗浄処理、オゾンなどを用いた洗浄処理、または紫外線などを用いた洗浄処理で行なえばよい。なお、複数の洗浄処理を組み合わせてもよい。
【０３２３】
また、酸化性ガスを用いたプラズマ処理を行ってもよい。例えば、亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ処理を行う。当該プラズマ処理を行うことで、酸化物４０６ｂ中のフッ素濃度を低減することができる。また、試料表面の有機物を除去する効果も得られる。
【０３２４】
また、露出した酸化物４０６ｂに対して、酸素ドープ処理を行ってもよい。また、後述する加熱処理を行ってもよい。
【０３２５】
次に、第３の加熱処理を行ってもよい。第３の加熱処理は、第２の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第３の加熱処理によって、酸化物４０６ｂの結晶性を高めることや、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３０分間の処理を行なった後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で３０分間の処理を行う。
【０３２６】
次に、絶縁体４０２、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ、導電体４１６ａ１、４１６ａ２、バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２の上に、酸化物４０６ｃとなる酸化膜４０６Ｃを成膜する。
【０３２７】
酸化膜４０６Ｃの成膜は、酸化膜４０６Ａと同様にスパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。
【０３２８】
酸化膜４０６Ｃの成膜においては、成膜時の基板温度を、室温以上２００℃未満とすることが好ましい。例えば、成膜時の基板温度は室温にすればよく、成膜時に基板温度が室温より上昇しないように基板ホルダを冷却しながら成膜することが好ましい。
【０３２９】
また、酸化膜４０６Ｃの成膜において、スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。混合ガスの場合、成膜ガス全体に占める酸素ガスの割合が、７０％以上が好ましく、８０％以上がさらに好ましく、１００％がより好ましい。酸化膜４０６Ｃに過剰酸素を含む酸化物を用いることで、後の加熱処理によって酸化物４０６ｂに酸素を供給することができる。
【０３３０】
また、酸化膜４０６Ｃの成膜のターゲットとして、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。ここで、酸化膜４０６ＣのＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットは、酸化膜４０６ＢのＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットと同じターゲットを用いてもよい。例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：４．１［原子数比］、または［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：７［原子数比］、またはその近傍値の原子数比である金属酸化物ターゲットを用いてもよい。また、酸化膜４０６ＣのＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットは、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化膜４０６ＢのＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットにおける、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より小さいターゲットを用いてもよい。例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１［原子数比］、またはその近傍値の原子数比である金属酸化物ターゲットを用いてもよい。
【０３３１】
本実施の形態では、酸化膜４０６Ｃの成膜において、酸素ガス１００％程の雰囲気とし、基板温度を室温とし、［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：４．１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いて成膜を行う。
【０３３２】
次に、酸化膜４０６Ｃの上に絶縁膜４１２Ａを成膜する。本実施の形態では、絶縁膜４１２ＡとしてＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜を形成する。
【０３３３】
次に、第４の加熱処理を行ってもよい。第４の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第４の加熱処理によって、絶縁膜４１２Ａ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。本実施の形態では、第４の加熱処理として窒素ガス雰囲気で温度を４００℃として加熱処理を行う。
【０３３４】
次に、導電体４０４ａとなる導電膜、導電体４０４ｂとなる導電膜、導電体４０４ｃとなる導電膜、を順に成膜する。本実施の形態では、導電体４０４ａとなる導電膜としてスパッタリング法で成膜した金属酸化物を用い、導電体４０４ｂとなる導電膜として窒化チタンを用い、導電体４０４ｃとなる導電膜としてタングステンを用いる。導電体４０４ａとなる導電膜を、スパッタリング法を用いて成膜することにより、絶縁膜４１２Ａに酸素を添加して、酸素過剰な状態にできる。特に、導電体４０４ａとなる導電膜は酸化物４０６ｂのチャネル形成領域となる第３の領域の上に設けられるので、絶縁膜４１２Ａの第３の領域に近い部分に酸素を添加できる。これにより、絶縁体４１２から酸化物４０６ｂに効果的に酸素を供給することができる。
【０３３５】
次に、第５の加熱処理を行ってもよい。第５の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第５の加熱処理によって、導電体４０４ａとなる導電膜のスパッタリング成膜で絶縁膜４１２Ａに添加された酸素を拡散させることができる。これにより、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂおよび酸化物４０６ｃの酸素欠損を低減することができる。
【０３３６】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、導電体４０４ａとなる導電膜、導電体４０４ｂとなる導電膜、および導電体４０４ｃとなる導電膜の一部を選択的に除去して、導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ及び導電体４０４ｃを有し、ゲートとして機能する導電体４０４を形成する（図２１（Ｇ）（Ｈ）参照）。
【０３３７】
次に、絶縁膜４１２Ａ及び導電体４０４の上に、後の工程でバリア膜４１８となる膜を成膜する。バリア膜４１８となる膜は、ゲートキャップとして機能し、本実施の形態ではＡＬＤ法で成膜した酸化アルミニウムを用いる。
【０３３８】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、バリア膜４１８となる膜、絶縁膜４１２Ａ、および酸化膜４０６Ｃの一部を選択的に除去して、バリア膜４１８、絶縁体４１２、および酸化物４０６ｃを形成する（図２２（Ａ）（Ｂ）参照）。ここで、導電体４０４を覆ってバリア膜４１８を形成することにより、導電体４０４の酸化に周囲の過剰酸素が用いられることを防ぐことができる。なお、図２２（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタでは、バリア膜４１８、絶縁体４１２、および酸化物４０６ｃが上面視において重なるように形成したが、これに限られるものではない。例えば、酸化物４０６ｃが、酸化物４０６ａ及び酸化物４０６ｂの側面と絶縁体４０２の上面に接するように、酸化物４０６ｃを形成してもよい。
【０３３９】
次に、バリア膜４１８などの上に絶縁体４１０を成膜する。絶縁体４１０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。
【０３４０】
絶縁体４１０の成膜は、好ましくはＣＶＤ法を用いる。より好ましくはプラズマＣＶＤ法を用いて成膜する。
【０３４１】
絶縁体４１０は、上面が平坦性を有するように形成してもよい。例えば、絶縁体４１０は、成膜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４１０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。ただし、絶縁体４１０の上面が平坦性を有さなくても構わない。
【０３４２】
次に、絶縁体４１０の上に、スパッタリング法を用いて絶縁体４２０を成膜する。
【０３４３】
絶縁体４２０は、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。本実施の形態では、絶縁体４２０として、酸素を含む雰囲気でスパッタリング法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜する。これにより、絶縁体４２０と接する絶縁体４１０に酸素を添加することができる。ここで、酸素は、例えば、酸素ラジカルとして添加されるが、酸素が添加されるときの状態はこれに限定されない。酸素は、酸素原子、又は酸素イオンなどの状態で添加されてもよい。後の工程の熱処理などによって、酸素を拡散させて酸化物４０６ｂに効果的に酸素を供給することができる。
【０３４４】
なお、絶縁体４２０を成膜する際に、基板加熱を行うことが好ましい。基板加熱は、１００℃よりも高く、３００℃以下であることが好ましい。基板温度を、１００℃よりも高くすることで、酸化物４０６ｂ中の水を除去することができる。また、形成した膜上に、表面吸着水が付着することを防止することができる。また、このように基板加熱を行いながら絶縁体４２０を成膜することにより、成膜しながら酸素を酸化物４０６ｂに拡散させることができる。
【０３４５】
また、絶縁体４２０は積層膜にしてもよく、例えば、さらにＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを成膜してもよい。
【０３４６】
次に、第６の加熱処理を行ってもよい。第６の加熱処理は、第２の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第６の加熱処理によって、絶縁体４２０のスパッタリング成膜で添加された酸素を拡散させることができる。これにより、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂおよび酸化物４０６ｃの酸素欠損を低減することができる。ここで、絶縁体４２０および絶縁体４０１によって、酸素がトランジスタの上方及び下方に拡散することを防ぐことができ、酸化物４０６ｂに効果的に酸素を供給することができる。また、第６の加熱処理によって、絶縁体４１０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。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行なった後に、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。
【０３４７】
次に、絶縁体４２０の上に絶縁体４２２を成膜する（図２２（Ｃ）（Ｄ）参照）。絶縁体４２２は、絶縁体４１０と同様の絶縁体を設けることができる。
【０３４８】
次に、絶縁体４２２、絶縁体４２０、絶縁体４１０、バリア膜４１７ａ１、およびバリア膜４１７ａ２に、導電体４１６ａ１および導電体４１６ａ２に達する開口を形成する。当該開口の形成はドライエッチングを用いることが好ましい。
【０３４９】
次に、上記開口を埋め込むように、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂとなる導電膜を成膜する。本実施の形態では、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂとなる導電膜として、ＡＬＤ法で成膜した窒化チタンと、ＣＶＤ法で成膜したタングステンの積層膜を用いる。
【０３５０】
次に、ＣＭＰ処理を行うことで、絶縁体４２２上の、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂとなる導電膜を除去する（図２２（Ｅ）（Ｆ）参照）。その結果、開口のみに、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂが残存することで、上面が平坦な導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂを形成することができる。
【０３５１】
以上により、図２０に示すトランジスタ４００ａを作製することができる（図２２（Ｅ）（Ｆ）参照。）。
【０３５２】
以下、上記の図２以降に示す工程に従って、容量素子１００を形成することで図１に示す半導体装置を作製することができる。
【０３５３】
＜トランジスタの変形例＞
本実施の形態に示すトランジスタは図２０に示すものに限られるものではない。以下では、図２３から図２５を用いて、本実施の形態に示すトランジスタの変形例について説明する。図２３から図２５は、図２０と同様に、（Ａ）が本発明の一態様に係るトランジスタの上面図である。また、（Ｂ）は、（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図である。また、（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図である。（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、以下において、トランジスタ４００ａと同一の符号を付した構成については、トランジスタ４００ａの対応する記載を参酌することができる。
【０３５４】
図２３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ４００ｂは、絶縁体４０２、バリア膜４１７ａ１、バリア膜４１７ａ２、及び導電体４０４などの上に絶縁体４０８ａおよび絶縁体４０８ｂが配置されている点において、トランジスタ４００ａと異なる。
【０３５５】
絶縁体４０８ａは、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ、酸化物４０６ｃ、導電体４１６ａ１、４１６ａ２、バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２、絶縁体４１２、導電体４０４、およびバリア膜４１８を覆って設けられている。また、絶縁体４０８ａの一部が、絶縁体４０２の上面に接していることが好ましい。例えば、絶縁体４０８ａの一部が、絶縁体４０２の酸化物４０６ａと重なる領域の外側において、絶縁体４０２の上面に接することが好ましい。さらに、絶縁体４０８ａの上に絶縁体４０８ｂが設けられている。絶縁体４０８ａ及び絶縁体４０８ｂは、絶縁体４２０などと同様に、上層から水または水素などの不純物がトランジスタなどに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。
【０３５６】
ここで、絶縁体４０８ａは、スパッタリング法を用いて成膜された酸化物絶縁体を用いることが好ましく、例えば酸化アルミニウムを用いることが好ましい。このような絶縁体４０８ａを用いることにより、絶縁体４０２の絶縁体４０８ａと接する面を介して絶縁体４０２に酸素を供給し、絶縁体４０２を酸素過剰な状態にできる。これにより、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ及び酸化物４０６ｃに効果的に酸素を供給することができる。
【０３５７】
さらに、絶縁体４０８ａとして酸化アルミニウムなどの酸素が透過しにくい絶縁性材料を用いることにより、絶縁体４０２に添加した酸素が、成膜中に上方拡散するのを抑制することができる。これにより、さらに効率よく絶縁体４０２に酸素を添加することができる。
【０３５８】
さらに、絶縁体４０８ｂはＡＬＤ法を用いて成膜された酸化物絶縁体を用いることが好ましく、例えば酸化アルミニウムを用いることが好ましい。ＡＬＤ法を用いて成膜された絶縁体４０８ｂは、良好な被覆性を有し、クラックやピンホールなどの形成が抑制された膜となる。絶縁体４０８ａ及び絶縁体４０８ｂは凹凸を有する形状の上に設けられるが、ＡＬＤ法で成膜された絶縁体４０８ｂを用いることにより、段切れ、クラック、ピンホールなどが形成されることなく、トランジスタを絶縁体４０８ｂで覆うことができる。これにより、絶縁体４０８ａに段切れなどが発生しても、絶縁体４０８ｂで覆うことができるので、絶縁体４０８ａと絶縁体４０８ｂの積層膜の、水素、水などの不純物に対するバリア性をより顕著に向上させることができる。
【０３５９】
このように、トランジスタが、絶縁体４０８ａ及び絶縁体４０８ｂと、絶縁体４０１と、に挟まれる構造とすることによって、酸素を外方拡散させず、絶縁体４０２、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ、および酸化物４０６ｃ中に多くの酸素を含有させることができる。さらに、絶縁体４０８ｂの上方および絶縁体４０１の下方から水素、または水などの不純物が混入するのを防ぎ、絶縁体４０２、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ、および酸化物４０６ｃ中の不純物濃度を低減させることができる。
【０３６０】
次に、図２４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ４００ｃについて説明する。トランジスタ４００ｃは、基板（図示せず）の上に配置された絶縁体４０１および絶縁体３０１と、絶縁体４０１および絶縁体３０１に形成された開口に埋め込まれるように配置された導電体３１０と、絶縁体３０１と導電体３１０の上に配置された絶縁体３０２と、絶縁体３０２の上に配置された絶縁体３０３と、絶縁体３０３の上に配置された絶縁体４０２と、絶縁体４０２の上に配置された酸化物４０６ａと、酸化物４０６ａの上面の少なくとも一部に接して配置された酸化物４０６ｂと、酸化物４０６ｂの上に配置された酸化物４０６ｃと、酸化物４０６ｃの上に配置された絶縁体４１２と、絶縁体４１２の上に配置された導電体４０４と、導電体４０４の上に配置された絶縁体４１９ａと、絶縁体４１２、導電体４０４、および絶縁体４１９ａの側面に接して配置された絶縁体４１９ｂと、酸化物４０６ｃの上面に接し、かつ絶縁体４１９ｂの側面に接して配置された絶縁体４０９と、を有する。ここで、図２４（Ｂ）に示すように、絶縁体４１９ｂの上面は、絶縁体４１９ａの上面と略一致することが好ましい。また、絶縁体４０９は、絶縁体４１９ａ、導電体４０４、絶縁体４１９ｂ、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ、および酸化物４０６ｃを覆って設けられることが好ましい。
【０３６１】
トランジスタ４００ｃは、導電体４１６ａ１および導電体４１６ａ２を有しない点、バリア膜４１８を有せず絶縁体４１９ａおよび絶縁体４１９ｂを有する点、絶縁体４０９を有する点、および酸化物４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃに領域４２６ａ、４２６ｂ、４２６ｃが形成されている点において、トランジスタ４００ａと異なる。
【０３６２】
図２４（Ｂ）に示すように、領域４２６ａは、領域４２６ｂと領域４２６ｃに挟まれる。領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、絶縁体４０９の成膜により低抵抗化された領域であり、領域４２６ａより導電性が高い領域となる。領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、絶縁体４０９の成膜雰囲気に含まれる、水素または窒素などの不純物元素が添加される。これにより、酸化物４０６の絶縁体４０９と接する領域を中心に、添加された不純物元素により酸素欠損が形成され、さらに当該不純物元素が酸素欠損に入り込むことで、キャリア密度が高くなり、低抵抗化される。
【０３６３】
よって、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、領域４２６ａより、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きくなることが好ましい。水素または窒素の濃度は、ＳＩＭＳなどを用いて測定すればよい。
【０３６４】
なお、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃ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を添加されることで低抵抗化される。このような元素としては、代表的には水素、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、及びキセノン等がある。よって、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、上記元素の一つまたは複数を含む構成にすればよい。
【０３６５】
図２４（Ｂ）に示すように、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、酸化物４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃの少なくとも絶縁体４０９と重なる領域に形成される。ここで、酸化物４０６ｂの領域４２６ｂはソース領域およびドレイン領域の一方として機能でき、酸化物４０６ｂの領域４２６ｃは、ソース領域およびドレイン領域の他方として機能できる。また、酸化物４０６ｂの領域４２６ａはチャネル形成領域として機能できる。
【０３６６】
トランジスタ４００ｃでは、図２４（Ｂ）に示すように、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが、酸化物４０６の絶縁体４０９と接する領域と、絶縁体４１９ｂ、および絶縁体４１２の両端部近傍と重なる領域に形成されることが好ましい。このとき、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃの導電体４０４と重なる部分は、所謂オーバーラップ領域（Ｌｏｖ領域ともいう）として機能する。Ｌｏｖ領域を有する構造とすることで、酸化物４０６のチャネル形成領域と、ソース領域およびドレイン領域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。
【０３６７】
また、上面から、基板に対して垂直に見た際の絶縁体４１２の側面の位置は、絶縁体４１９ａ、導電体４０４の側面の位置と、略一致することが好ましい。絶縁体４１９ａは、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体４１９ａの膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下程度で成膜することができる。ここで、絶縁体４１９ａ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ことが好ましく、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。
【０３６８】
絶縁体４１９ｂは、絶縁体４１２、導電体４０４、および絶縁体４１９ａの側面に接して設けられる。また、絶縁体４１９ｂの上面は、絶縁体４１９ａの上面に略一致することが好ましい。絶縁体４１９ｂは、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体４１９ｂの膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度、好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度、例えば１ｎｍで成膜することができる。
【０３６９】
ここで、絶縁体４１９ｂは、絶縁体４１９ａと同様に、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が好ましく、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４１２中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体４１２の端部などから酸化物４０６に水素、水などの不純物が浸入するのを抑制することができる。
【０３７０】
このように、絶縁体４１９ｂおよび絶縁体４１９ａを設けることにより、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導電体４０４の上面と側面および絶縁体４１２の側面を覆うことができる。これにより、導電体４０４および絶縁体４１２を介して、水または水素などの不純物が酸化物４０６に混入することを防ぐことができる。このように、絶縁体４１９ｂは、ゲート電極およびゲート絶縁膜の側面を保護するサイドバリアとして、絶縁体４１９ａは、ゲート電極の上面を保護するトップバリアとして、機能する。
【０３７１】
絶縁体４１９ｂは、ＡＬＤ法を用いて絶縁膜を成膜してから、異方性エッチングを行って、当該絶縁膜のうち、絶縁体４１２、導電体４０４、および絶縁体４１９ａの側面に接する部分を残存させて形成することが好ましい。これにより、上記のように膜厚の薄い絶縁体４１９ｂを容易に形成することができる。また、このとき、導電体４０４の上に、絶縁体４１９ａを設けておくことで、当該異方性エッチングで絶縁体４１９ａが一部除去されても、絶縁体４１９ｂの絶縁体４１２および導電体４０４に接する部分を十分残存させることができる。
【０３７２】
絶縁体４０９は、絶縁体４１９ａ、絶縁体４１９ｂ、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ、酸化物４０６ｃ、および絶縁体４０２を覆って設けられる。ここで、絶縁体４０９は、絶縁体４１９ａおよび絶縁体４１９ｂの上面に接し、かつ絶縁体４１９ｂの側面に接して設けられる。また、絶縁体４０９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ことが好ましい。例えば、絶縁体４０９として、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどを用いることが好ましい。このような絶縁体４０９を形成することで、絶縁体４０９を透過して酸素が浸入し、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃの酸素欠損に酸素を供給して、キャリア密度が低下するのを防ぐことができる。また、絶縁体４０９を透過して水または水素などの不純物が浸入し、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが過剰に領域４２６ａ側に拡張するのを防ぐことができる。
【０３７３】
なお、図２４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、トランジスタ４００ｃでは、上面から、基板に対して垂直に見た際の、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ、および酸化物４０６ｃの側面が略一致しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、酸化物４０６ｃが酸化物４０６ａおよび酸化物４０６ｂの側面を覆うようにしてもよい。このとき、酸化物４０６ａ及び酸化物４０６ｂのチャネル幅方向の側面が酸化物４０６ｃに接することが好ましい。さらに、酸化物４０６ａ及び酸化物４０６ｂのチャネル長方向の側面が酸化物４０６ｃに接する構成にしてもよい。
【０３７４】
次に、図２５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ４００ｄについて説明する。トランジスタ４００ｄは、上記のトランジスタ４００ａなどと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４００ａと並行してトランジスタ４００ｄを作製する場合、余計な工程を増やすことなく、トランジスタ４００ｄを作製することができる。
【０３７５】
トランジスタ４００ｄは、絶縁体４０２の上に互いに離間して配置された酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ａ２と、酸化物４０６ａ１の上面に接して配置された酸化物４０６ｂ１と、酸化物４０６ａ２の上面に接して配置された酸化物４０６ｂ２と、を有し、酸化物４０６ｃが、絶縁体４０２の上面、酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ａ２の側面、並びに酸化物４０６ｂ１および酸化物４０６ｂ２の側面と上面に接して配置されている点において、トランジスタ４００ａと異なる。
【０３７６】
酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ａ２、ならびに酸化物４０６ｂ１および酸化物４０６ｂ２は、それぞれ、トランジスタ４００ａの酸化物４０６ａ、および酸化物４０６ｂと同様の材料を用いて形成することができる。酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ｂ１と、酸化物４０６ａ２および酸化物４０６ｂ２は、導電体３１０、酸化物４０６ｃ、絶縁体４１２、および導電体４０４を挟んで対向して形成される。
【０３７７】
また、導電体４１６ａ１は、酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ｂ１と重なるように形成することができ、導電体４１６ａ２は、酸化物４０６ａ２および酸化物４０６ｂ２と重なるように形成することができる。酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ｂ１、または酸化物４０６ａ２および酸化物４０６ｂ２は、トランジスタ４００ｄのソース領域またはドレイン領域のいずれかとして機能できる。
【０３７８】
トランジスタ４００ｄの酸化物４０６ｃは、トランジスタ４００ａの酸化物４０６ｃと同様の材料を用いて形成することができる。酸化物４０６ｃの、酸化物４０６ａ１および酸化物４０６ａ２と、酸化物４０６ｂ１および酸化物４０６ｂ２に挟まれる領域は、チャネル形成領域として機能する。
【０３７９】
トランジスタ４００ｄの活性層として機能する酸化物４０６ｃは、トランジスタ４００ａの酸化物４０６ｃ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４００ｄ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、トランジスタのスイッチング動作を制御するゲートの電圧が０Ｖのときのドレイン電流のことを指す。また、トランジスタ４００ｄの導電体４１６ａ１と導電体４１６ａ２の距離を、トランジスタ４００ａの導電体４１６ａ１と導電体４１６ａ２の距離より大きくすることにより、トランジスタ４００ａよりトランジスタ４００ｄのしきい値電圧を大きくし、オフ電流を低減し、Ｉｃｕｔを小さくすることができる。
【０３８０】
トランジスタ４００ｄは、トランジスタ４００ａなどのバックゲート電圧を制御することができる。例えば、トランジスタ４００ｄのトップゲート及びバックゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ４００ｄのソースとトランジスタ４００ａのバックゲートを接続する構成とする。この構成でトランジスタ４００ａのバックゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ４００ｄのトップゲート−ソース間の電圧、およびバックゲート−ソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ４００ｄのＩｃｕｔは非常に小さいので、この構成とすることにより、トランジスタ４００ａおよびトランジスタ４００ｄに電源供給をしなくてもトランジスタ４００ａのバックゲートの負電位を長時間維持することができる。
【０３８１】
以上のようにして、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な容量素子または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、生産性の高い容量素子または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、静電容量の大きい容量素子を提供することができる。または、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、良好な信頼性を有する半導体装置を提供することができる。
【０３８２】
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。
【０３８３】
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置の一形態として、記憶装置として機能する半導体装置について、図２７乃至図２９を用いて説明する。
【０３８４】
［記憶装置］
図２７に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、トランジスタ３４５および容量素子３６０を有している。ここで、トランジスタ２００および容量素子３６０として、上記実施の形態に示すトランジスタ４００（トランジスタ４００ａ、トランジスタ４００ｂ、およびトランジスタ４００ｃなども含む）と、容量素子１００を用いることができる。また、トランジスタ３４５としてトランジスタ４００ｄなどを用いることができる。
【０３８５】
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。
【０３８６】
容量素子３６０は、開口の底面だけでなく、側面においても上部電極と下部電極とが誘電体を挟んで対向する構成となっており、単位面積当たりの静電容量を大きくすることができる。そして、容量素子３６０の高さを高くするほど、容量素子３６０の静電容量を大きくすることができる。このように容量素子３６０の単位面積当たりの静電容量を大きくすることにより、これを記憶装置に用いる場合、容量素子の占有面積を抑えつつ、長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。よって、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記憶装置において、単位面積当たりの記憶容量を増大させることができる。これにより、記憶装置の微細化または高集積化をはかることができる。
【０３８７】
図２７において、配線３００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線３００２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３００３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３００４はトランジスタ２００のゲートと電気的に接続され、配線３００６はトランジスタ２００のバック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３６０の電極の一方と電気的に接続され、配線３００５は容量素子３６０の電極の他方と電気的に接続されている。配線３００７はトランジスタ３４５のソースと電気的に接続され、配線３００８はトランジスタ３４５のゲートと電気的に接続され、配線３００９はトランジスタ３４５のバックゲートと電気的に接続され、配線３０１０はトランジスタ３４５のドレインと電気的に接続されている。ここで、配線３００６、配線３００７、配線３００８、及び配線３００９が電気的に接続されている。
【０３８８】
このように、トランジスタ２００とトランジスタ３４５を接続することにより、上記実施の形態に示すように、トランジスタ３４５はトランジスタ２００のバックゲート電圧を制御することができる。さらに、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５に電源供給をしなくてもトランジスタ２００のバックゲートの負電位を長時間維持することができる。
【０３８９】
図２７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。
【０３９０】
また、図２７に示す記憶装置は、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。なお、１個のトランジスタ３４５は、複数のトランジスタ２００のバック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３４５は、トランジスタ２００よりも、少ない個数とすることが出来る。
【０３９１】
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線３００４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３００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子３６０の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧ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３００４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ＦＧに電荷が保持される（保持）。
【０３９２】
トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＦＧの電荷は長期間にわたって保持される。
【０３９３】
次に情報の読み出しについて説明する。配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、配線３００２は、ノードＦＧ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３００５の電位をいうものとする。したがって、配線３００５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ＦＧ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ＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、配線３００５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ＦＧにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、配線３００５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３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み出すことができる。
【０３９４】
＜記憶装置の構造＞
本発明の一態様の半導体装置は、図２７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３４５および容量素子３６０を有する。トランジスタ２００およびトランジスタ３４５はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子３６０はトランジスタ３００、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５の上方に設けられている。
【０３９５】
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、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。
【０３９６】
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。
【０３９７】
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。
【０３９８】
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。
【０３９９】
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。
【０４００】
なお、導電体の材料により、仕事関数を定めることで、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。
【０４０１】
なお、図２７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。
【０４０２】
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。
【０４０３】
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。
【０４０４】
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化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
【０４０５】
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。
【０４０６】
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３００と、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５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。
【０４０７】
水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（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、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。
【０４０８】
なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも比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。比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。
【０４０９】
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６にはトランジスタ２００等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。
【０４１０】
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。
【０４１１】
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２７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。
【０４１２】
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およびトランジスタ３４５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およびトランジスタ３４５への水素の拡散を抑制することができる。
【０４１３】
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。
【０４１４】
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２７において、絶縁体３５４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。
【０４１５】
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またはトランジスタ３４５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。
【０４１６】
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３００と、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５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。
【０４１７】
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。
【０４１８】
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およびトランジスタ３４５への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５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およびトランジスタ３４５に対する保護膜として用いることに適している。
【０４１９】
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、比較的比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。
【０４２０】
また、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６に形成された開口には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体およびトランジスタ３４５を構成する導電体等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、トランジスタ３００と、容量素子３６０またはトランジスタ２００と、を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。また、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５のバックゲートに接続される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。
【０４２１】
特に、導電体２１８の、絶縁体２１４と接する層は、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およびトランジスタ３４５と、は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、完全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およびトランジスタ３４５への水素の拡散を抑制することができる。
【０４２２】
絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５が設けられている。なお、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５としては、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。例えば、トランジスタ２００としては、トランジスタ４００ａ、トランジスタ４００ｂ、トランジスタ４００ｃなどを用いることができ、トランジスタ３４５としては、トランジスタ４００ｄなどを用いることができる。図２７では、トランジスタ２００としてトランジスタ４００ａを用い、トランジスタ３４５としてトランジスタ４００ｄを用いる例を示している。また、図２７に示すトランジスタ２００およびトランジスタ３４５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。
【０４２３】
また、絶縁体２１６上および導電体２１８上には、絶縁体２３０および絶縁体２３２が順に積層して設けられている。絶縁体２３０、および絶縁体２３２の少なくとも一方は、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。
【０４２４】
例えば、絶縁体２３０、および絶縁体２３２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またはトランジスタ３４５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。
【０４２５】
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３００と、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５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。
【０４２６】
また、絶縁体２３０、および絶縁体２３２に形成された開口には、導電体２１９が埋め込まれている。なお、導電体２１９は、トランジスタ２００のバックゲート電極およびトランジスタ３４５のバックゲート電極としての機能を有する。また、導電体２１９は、トランジスタ３００と、容量素子３６０またはトランジスタ２００と、を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２１９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。
【０４２７】
トランジスタ２００のバックゲート電極およびトランジスタ３４５のバックゲート電極と、トランジスタ２００のトップゲート電極およびトランジスタ３４５のトップゲート電極と、の間に絶縁体２３０および絶縁体２３２を設けることで、トランジスタ２００のバックゲート電極とトランジスタ２００のトップゲート電極の間の寄生容量、およびトランジスタ３４５のバックゲート電極とトランジスタ３４５のトップゲート電極の間の寄生容量を低減することができる。
【０４２８】
トランジスタ２００およびトランジスタ３４５の上方には、絶縁体２８０を設ける。絶縁体２８０には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。特に、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５近傍の層間膜などに、過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることで、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５が有する酸化物の酸素欠損を低減することで、信頼性を向上させることができる。また、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５を覆う絶縁体２８０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。
【０４２９】
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を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ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５００℃以下の範囲が好ましい。
【０４３０】
例えばこのような材料として、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む材料を用いることが好ましい。または、金属酸化物を用いることもできる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。
【０４３１】
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。
【０４３２】
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およびトランジスタ３４５への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００およびトランジスタ３４５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およびトランジスタ３４５に対する保護膜として用いることに適している。
【０４３３】
なお、トランジスタ２００としてトランジスタ４００ａを設ける場合およびトランジスタ３４５としてトランジスタ４００ｄを設ける場合、絶縁体２３０は絶縁体４０１に、絶縁体２３２は絶縁体３０１に、絶縁体２２０は絶縁体３０２に、絶縁体２２２は絶縁体３０３に、絶縁体２２４は絶縁体４０２に、絶縁体２８０は絶縁体４１０に、絶縁体２８２は絶縁体４２０に対応する。よって、先の実施の形態に示す対応する構成の記載を参酌することができる。
【０４３４】
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、先の実施の形態に示す絶縁体４２２に対応する。よって、先の実施の形態に示す対応する構成の記載を参酌することができる。
【０４３５】
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６に形成された開口には、導電体２４６および導電体２４８等が埋め込まれている。導電体２４６および導電体２４８は、先の実施の形態に示す導電体１０８ａまたは導電体１０８ｂなどに対応する。よって、先の実施の形態に示す対応する構成の記載を参酌することができる。
【０４３６】
導電体２４６および導電体２４８は、容量素子３６０、トランジスタ２００、トランジスタ３４５、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。
【０４３７】
続いて、トランジスタ２００の上に容量素子３６０が設けられている。容量素子３６０は、絶縁体２８６、絶縁体２８８、絶縁体２９０、および絶縁体２９２に形成された開口に埋め込まれるように設けられる。ここで、絶縁体２８６は絶縁体４２２に、絶縁体２８８は絶縁体１１２に、絶縁体２９０は絶縁体１１４に、絶縁体２９２は絶縁体１１６に、それぞれ対応する。よって、これらは、先の実施の形態に示す対応する構成の記載を参酌することができる。また、そのほかの容量素子３６０の構成についても、先に実施の形態に記載の容量素子１００の構成を参酌することができる。
【０４３８】
容量素子３６０の上に、絶縁体２９４が設けられている。絶縁体２９４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。絶縁体２９４は、先の実施の形態に示す絶縁体１５０に対応する。よって、先の実施の形態に示す対応する構成の記載を参酌することができる。
【０４３９】
絶縁体２８８、絶縁体２９０、絶縁体２９２、および絶縁体２９４に形成された開口に埋め込まれるように導電体２９６および導電体２９８が設けられる。導電体２９６および導電体２９８は、トランジスタ２００またはトランジスタ３４５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２９６および導電体２９８は、先の実施の形態に示す導電体１６２ａおよび導電体１６２ｂなどに対応する。よって、先の実施の形態に示す対応する構成の記載を参酌することができる。
【０４４０】
また、大面積基板を半導体素子ごとに分断することによって、複数の半導体装置をチップ状で取り出す場合に設けられるダイシングライン（スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある）について説明する。分断方法としては、例えば、まず、基板に半導体素子を分断するための溝（ダイシングライン）を形成した後、ダイシングラインにおいて切断し、複数の半導体装置に分断（分割）する場合がある。例えば、図２７に示す構造５００は、ダイシングライン近傍の断面図を示している。
【０４４１】
例えば、構造５００に示すように、トランジスタ２００、またはトランジスタ３４５を有するメモリセルの外縁に設けられるダイシングラインと重なる領域近傍において、絶縁体２８０、絶縁体２２４、絶縁体２２２、絶縁体２２０、絶縁体２３２、絶縁体２３０及び絶縁体２１６に開口を設ける。また、絶縁体２８０、絶縁体２２４、絶縁体２２２、絶縁体２２０、絶縁体２３２、絶縁体２３０及び絶縁体２１６の側面を覆うように、絶縁体２８２を設ける。
【０４４２】
つまり、該開口において絶縁体２１４と、絶縁体２８２とが接する。このとき、絶縁体２１４と、絶縁体２８２と、を同材料及び同方法を用いて形成することで、密着性を高めることができる。例えば、酸化アルミニウムを用いることができる。
【０４４３】
当該構造により、絶縁体２１４と、絶縁体２８２で、絶縁体２８０、トランジスタ２００、およびトランジスタ３４５を包み込むことができる。絶縁体２１０、絶縁体２２２、絶縁体２８２は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体素子が形成された回路領域ごとに、基板を分断することにより、複数のチップに加工しても、分断した基板の側面方向から、水素又は水などの不純物が混入し、トランジスタ２００、またはトランジスタ３４５に拡散することを防ぐことができる。
【０４４４】
また、当該構造により、絶縁体２８０の過剰酸素が絶縁体２８２、および絶縁体２２２の外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２８０の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００、またはトランジスタ３４５におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００、またはトランジスタ３４５におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００、またはトランジスタ３４５におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００、またはトランジスタ３４５の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
【０４４５】
なお、図２７に示す半導体装置においては、トランジスタ３００のゲートが、導電体２４６および導電体２４８を介して、トランジスタ２００のソースおよびドレインの他方と電気的に接続される構成にしたが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図２８に示すように、トランジスタ３００のゲートが、トランジスタ２００のソースおよびドレインの他方と電気的に接続されず、導電体２４６、導電体２４８、導電体２９６、および導電体２９８を介して、配線３０１１に電気的に接続される構成にしてもよい。
【０４４６】
以上が構成例についての説明である。本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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。
【０４４７】
＜メモリセルアレイの構造＞
次に、本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図２９に示す。図２７に示す記憶装置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。なお、図２９には、図２７に示すトランジスタ３４５は省略する。図２９は、図２７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。
【０４４８】
また、図２９は図２７と、トランジスタ３００の構成が異なる。図２９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。
【０４４９】
図２９に示す記憶装置では、メモリセル６００ａとメモリセル６００ｂが隣接して配置されている。メモリセル６００ａおよびメモリセル６００ｂは、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子３６０を有し、配線３００１、配線３００２、配線３００３、配線３００４、配線３００５、および配線３００６と電気的に接続される。また、メモリセル６００ａおよびメモリセル６００ｂにおいても、同様にトランジスタ３００のゲートと、容量素子３６０の電極の一方と、が電気的に接続するノードを、ノードＦＧとする。なお、配線３００２は隣接するメモリセル６００ａとメモリセル６００ｂで共通の配線である。
【０４５０】
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ＦＧ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３００５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ＦＧ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３００５に与えればよい。
【０４５１】
本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、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。
【０４５２】
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。
【０４５３】
（実施の形態３）
本実施の形態では、表示コントローラＩＣ、およびソースドライバＩＣなどに用いることができる、本発明の一態様に係る半導体装置を含むフレームメモリについて説明する。
【０４５４】
フレームメモリには、例えば、１Ｔ（トランジスタ）１Ｃ（容量）型のメモリセルを備えたＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）を適用することができる。また、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。）を用いることができる。ここでは、ＯＳメモリの一例として、１Ｔ１Ｃ型のメモリセルを有するＲＡＭについて説明する。ここでは、このようなＲＡＭを、「ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ＲＡＭ、ドスラム）」と呼ぶこととする。図３０に、ＤＯＳＲＡＭの構成例を示す。
【０４５５】
＜＜ＤＯＳＲＡＭ１４００＞＞
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。
【０４５６】
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、ＧＢＬＲを有する。
【０４５７】
（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、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。例えば、図２８に示す半導体装置をＤＯＳＲＡＭ１４００に用いる場合、メモリセルアレイ１４２２をトランジスタ２００および容量素子３６０を含む層で構成し、センスアンプアレイ１４２３をトランジスタ３００を含む層で構成することができる。
【０４５８】
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＞―１４２５＜Ｎ−１＞を有する。図３１（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、ＢＬＲを有する。図３１（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。
【０４５９】
図３１（Ｂ）にメモリセル１４４５の回路構成例を示す。メモリセル１４４５はトランジスタＭＷ１、容量素子ＣＳ１、端子Ｂ１、Ｂ２を有する。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。トランジスタＭＷ１のゲートはワード線に電気的に接続され、第１端子はビット線に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１の第１端子に電気的に接続されている。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、定電圧（例えば、低電源電圧）が入力される。例えば、図２８に示す半導体装置をＤＯＳＲＡＭ１４００に用いる場合、トランジスタＭＷ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＳ１として容量素子３６０を用いることができる。
【０４６０】
トランジスタＭＷ１はバックゲートを備えており、バックゲートは端子Ｂ１に電気的に接続されている。そのため、端子Ｂ１の電圧によって、トランジスタＭＷ１の閾値電圧を変更することができる。例えば、端子Ｂ１の電圧は固定電圧（例えば、負の定電圧）であってもよいし、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作に応じて、端子Ｂ１の電圧を変化させてもよい。
【０４６１】
トランジスタＭＷ１のバックゲートをトランジスタＭＷ１のゲート、ソース、またはドレインに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭＷ１にバックゲートを設けなくてもよい。
【０４６２】
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＞―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、ビット線対の電圧差を増幅する機能、この電圧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。
【０４６３】
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。
【０４６４】
（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。
【０４６５】
（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。
【０４６６】
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。
【０４６７】
（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。
【０４６８】
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）間の電圧差を増幅する機能、この電圧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。
【０４６９】
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。
【０４７０】
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圧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。
【０４７１】
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。
【０４７２】
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。そのため、ＤＯＳＲＡＭ１４００をフレームメモリとして用いることで、表示コントローラＩＣ、およびソースドライバＩＣの消費電力を削減することができる。
【０４７３】
ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０が積層構造であることよって、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るので、表示コントローラＩＣ、およびソースドライバＩＣの消費エネルギーを低減できる。
【０４７４】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０４７５】
（実施の形態４）
本実施の形態では、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（ＯＳトランジスタ）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。
【０４７６】
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。
【０４７７】
図３２（Ａ）にＯＳ−ＦＰＧＡの構成例を示す。図３２（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３１１１、ワードドライバ３１１２、データドライバ３１１３、プログラマブルエリア３１１５を有する。
【０４７８】
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３２（Ｂ）には、ＬＡＢ３１２０を５個のＰＬＥ３１２１で構成する例を示す。図３２（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。
【０４７９】
図３３（Ａ）乃至図３３（Ｃ）を参照して、ＳＢ３１３１について説明する。図３３（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。
【０４８０】
ＳＢ３１３１は、ＰＲＳ（プログラマブルルーティングスイッチ）３１３３［０］、３１３３［１］を有する。ＰＲＳ３１３３［０］、３１３３［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。
【０４８１】
図３３（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］、ｗｏｒｄ［０］はＰＲＳ３１３３［０］に入力され、信号ｃｏｎｔｅｘｔ［１］、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。
【０４８２】
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、３１３７Ｂを有する。メモリ回路３１３７、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、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、ＭＯＢ３２を有する。
【０４８３】
ＯＳトランジスタＭＯ３１、ＭＯ３２、ＭＯＢ３１、ＭＯＢ３２はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。
【０４８４】
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、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。
【０４８５】
メモリ回路３１３７、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ＭＯＢ３２の何れか一方が導通する。
【０４８６】
図３３（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。
【０４８７】
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］の出力端子も“Ｌ”が維持される。
【０４８８】
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。
【０４８９】
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。
【０４９０】
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。
【０４９１】
図３４にＰＬＥ３１２１の構成例を示す。ＰＬＥ３１２１はＬＵＴ（ルックアップテーブル）ブロック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−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。
【０４９２】
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。
【０４９３】
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。
【０４９４】
レジスタブロック３１２４は、ＯＳ−ＦＦ３１４０［１］、３１４０［２］を有する。信号ｕｓｅｒ＿ｒｅｓ、ｌｏａｄ、ｓｔｏｒｅがＯＳ−ＦＦ３１４０［１］、３１４０［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３５（Ａ）にＯＳ−ＦＦ３１４０の構成例を示す。
【０４９５】
ＯＳ−ＦＦ３１４０は、ＦＦ３１４１、シャドウレジスタ３１４２を有する。ＦＦ３１４１は、ノードＣＫ、Ｒ、Ｄ、Ｑ、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ｕｓｅｒ＿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。
【０４９６】
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、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、ＱＢに書き戻す。
【０４９７】
シャドウレジスタ３１４２は、インバータ回路３１８８、３１８９、ＳｉトランジスタＭ３７、ＭＢ３７、メモリ回路３１４３、３１４３Ｂを有する。メモリ回路３１４３、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、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、ＮＢ３７は、ＳｉトランジスタＭ３７、ＭＢ３７のゲートである。
【０４９８】
ＯＳトランジスタＭＯ３５、ＭＯ３６、ＭＯＢ３５、ＭＯＢ３６はバックゲートを有し、これらバックゲートはそれぞれ固定電圧を供給する電源線に電気的に接続されている。
【０４９９】
図３５（Ｂ）を参照して、ＯＳ−ＦＦ３１４０の動作方法例を説明する。
【０５００】
（バックアップ）
“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、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。
【０５０１】
（リカバリ）
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。
【０５０２】
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。
【０５０３】
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。
【０５０４】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０５０５】
（実施の形態５）
本実施の形態においては、上述した記憶装置など、本発明の一態様に係る半導体装置を含むＣＰＵの一例について説明する。
【０５０６】
＜ＣＰＵの構成＞
図３６に示す半導体装置５４００は、ＣＰＵコア５４０１、パワーマネージメントユニット５４２１および周辺回路５４２２を有する。パワーマネージメントユニット５４２１は、パワーコントローラ５４０２、およびパワースイッチ５４０３を有する。周辺回路５４２２は、キャッシュメモリを有するキャッシュ５４０４、バスインターフェース（ＢＵＳ  Ｉ／Ｆ）５４０５、及びデバッグインターフェース（Ｄｅｂｕｇ  Ｉ／Ｆ）５４０６を有する。ＣＰＵコア５４０１は、データバス５４２３、制御装置５４０７、ＰＣ（プログラムカウンタ）５４０８、パイプラインレジスタ５４０９、パイプラインレジスタ５４１０、ＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ  ｕｎｉｔ）５４１１、及びレジスタファイル５４１２を有する。ＣＰＵコア５４０１と、キャッシュ５４０４等の周辺回路５４２２とのデータのやり取りは、データバス５４２３を介して行われる。
【０５０７】
半導体装置（セル）は、パワーコントローラ５４０２、制御装置５４０７をはじめ、多くの論理回路に適用することができる。特に、スタンダードセルを用いて構成することができる全ての論理回路に適用することができる。その結果、小型の半導体装置５４００を提供できる。また、消費電力低減することが可能な半導体装置５４００を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置５４００を提供できる。また、電源電圧の変動を低減することが可能な半導体装置５４００を提供できる。
【０５０８】
半導体装置（セル）に、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタと、先の実施の形態に記載の酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むトランジスタとを用い、該半導体装置（セル）を半導体装置５４００に適用することで、小型の半導体装置５４００を提供できる。また、消費電力低減することが可能な半導体装置５４００を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置５４００を提供できる。特に、Ｓｉトランジスタはｐチャネル型のみとすることで、製造コストを低く抑えることができる。
【０５０９】
制御装置５４０７は、ＰＣ５４０８、パイプラインレジスタ５４０９、パイプラインレジスタ５４１０、ＡＬＵ５４１１、レジスタファイル５４１２、キャッシュ５４０４、バスインターフェース５４０５、デバッグインターフェース５４０６、及びパワーコントローラ５４０２の動作を統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令をデコードし、実行する機能を有する。
【０５１０】
ＡＬＵ５４１１は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。
【０５１１】
キャッシュ５４０４は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する。ＰＣ５４０８は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。なお、図３６では図示していないが、キャッシュ５４０４には、キャッシュメモリの動作を制御するキャッシュコントローラが設けられている。
【０５１２】
パイプラインレジスタ５４０９は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
【０５１３】
レジスタファイル５４１２は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メインメモリから読み出されたデータ、またはＡＬＵ５４１１の演算処理の結果得られたデータ、などを記憶することができる。
【０５１４】
パイプラインレジスタ５４１０は、ＡＬＵ５４１１の演算処理に利用するデータ、またはＡＬＵ５４１１の演算処理の結果得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジスタである。
【０５１５】
バスインターフェース５４０５は、半導体装置５４００と半導体装置５４００の外部にある各種装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース５４０６は、デバッグの制御を行うための命令を半導体装置５４００に入力するための信号の経路としての機能を有する。
【０５１６】
パワースイッチ５４０３は、半導体装置５４００が有する、パワーコントローラ５４０２以外の各種回路への、電源電圧の供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、幾つかのパワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワースイッチ５４０３によって電源電圧の供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ５４０２はパワースイッチ５４０３の動作を制御する機能を有する。
【０５１７】
上記構成を有する半導体装置５４００は、パワーゲーティングを行うことが可能である。パワーゲーティングの動作の流れについて、一例を挙げて説明する。
【０５１８】
まず、ＣＰＵコア５４０１が、電源電圧の供給を停止するタイミングを、パワーコントローラ５４０２のレジスタに設定する。次いで、ＣＰＵコア５４０１からパワーコントローラ５４０２へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、半導体装置５４００内に含まれる各種レジスタとキャッシュ５４０４が、データの退避を開始する。次いで、半導体装置５４００が有するパワーコントローラ５４０２以外の各種回路への電源電圧の供給が、パワースイッチ５４０３により停止される。次いで、割込み信号がパワーコントローラ５４０２に入力されることで、半導体装置５４００が有する各種回路への電源電圧の供給が開始される。なお、パワーコントローラ５４０２にカウンタを設けておき、電源電圧の供給が開始されるタイミングを、割込み信号の入力に依らずに、当該カウンタを用いて決めるようにしてもよい。次いで、各種レジスタとキャッシュ５４０４が、データの復帰を開始する。次いで、制御装置５４０７における命令の実行が再開される。
【０５１９】
このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電源の供給を停止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度で消費電力の削減を行うことができる。
【０５２０】
パワーゲーティングを行う場合、ＣＰＵコア５４０１や周辺回路５４２２が保持する情報を短期間に退避できることが好ましい。そうすることで、短期間に電源のオンオフが可能となり、省電力の効果が大きくなる。
【０５２１】
ＣＰＵコア５４０１や周辺回路５４２２が保持する情報を短期間に退避するためには、フリップフロップ回路がその回路内でデータ退避できることが好ましい（バックアップ可能なフリップフロップ回路と呼ぶ）。また、ＳＲＡＭセルがセル内でデータ退避できることが好ましい（バックアップ可能なＳＲＡＭセルと呼ぶ）。バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは、酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むトランジスタを有することが好ましい。その結果、トランジスタが低いオフ電流を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは長期間電源供給なしに情報を保持することができる。また、トランジスタが高速なスイッチング速度を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲＡＭセルは短期間のデータ退避および復帰が可能となる場合がある。
【０５２２】
バックアップ可能なフリップフロップ回路の例について、図３７を用いて説明する。
【０５２３】
図３７に示す半導体装置５５００は、バックアップ可能なフリップフロップ回路の一例である。半導体装置５５００は、第１の記憶回路５５０１と、第２の記憶回路５５０２と、第３の記憶回路５５０３と、読み出し回路５５０４と、を有する。半導体装置５５００には、電位Ｖ１と電位Ｖ２の電位差が、電源電圧として供給される。電位Ｖ１と電位Ｖ２は一方がハイレベルであり、他方がローレベルである。以下、電位Ｖ１がローレベル、電位Ｖ２がハイレベルの場合を例に挙げて、半導体装置５５００の構成例について説明するものとする。
【０５２４】
第１の記憶回路５５０１は、半導体装置５５００に電源電圧が供給されている期間において、データを含む信号Ｄが入力されると、当該データを保持する機能を有する。そして、半導体装置５５００に電源電圧が供給されている期間において、第１の記憶回路５５０１からは、保持されているデータを含む信号Ｑが出力される。一方、第１の記憶回路５５０１は、半導体装置５５００に電源電圧が供給されていない期間においては、データを保持することができない。すなわち、第１の記憶回路５５０１は、揮発性の記憶回路と呼ぶことができる。
【０５２５】
第２の記憶回路５５０２は、第１の記憶回路５５０１に保持されているデータを読み込んで記憶する（あるいは退避する）機能を有する。第３の記憶回路５５０３は、第２の記憶回路５５０２に保持されているデータを読み込んで記憶する（あるいは退避する）機能を有する。読み出し回路５５０４は、第２の記憶回路５５０２または第３の記憶回路５５０３に保持されたデータを読み出して第１の記憶回路５５０１に記憶する（あるいは復帰する）機能を有する。
【０５２６】
特に、第３の記憶回路５５０３は、半導体装置５５００に電源電圧が供給されてない期間においても、第２の記憶回路５５０２に保持されているデータを読み込んで記憶する（あるいは退避する）機能を有する。
【０５２７】
図３７に示すように、第２の記憶回路５５０２はトランジスタ５５１２と容量素子５５１９とを有する。第３の記憶回路５５０３はトランジスタ５５１３と、トランジスタ５５１５と、容量素子５５２０とを有する。読み出し回路５５０４はトランジスタ５５１０と、トランジスタ５５１８と、トランジスタ５５０９と、トランジスタ５５１７と、を有する。
【０５２８】
トランジスタ５５１２は、第１の記憶回路５５０１に保持されているデータに応じた電荷を、容量素子５５１９に充放電する機能を有する。トランジスタ５５１２は、第１の記憶回路５５０１に保持されているデータに応じた電荷を容量素子５５１９に対して高速に充放電できることが望ましい。具体的には、トランジスタ５５１２が、結晶性を有するシリコン（好ましくは多結晶シリコン、更に好ましくは単結晶シリコン）をチャネル形成領域に含むことが望ましい。
【０５２９】
トランジスタ５５１３は、容量素子５５１９に保持されている電荷に従って導通状態または非導通状態が選択される。トランジスタ５５１５は、トランジスタ５５１３が導通状態であるときに、配線５５４４の電位に応じた電荷を容量素子５５２０に充放電する機能を有する。トランジスタ５５１５は、オフ電流が著しく小さいことが望ましい。具体的には、トランジスタ５５１５が、酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含むことが望ましい。
【０５３０】
各素子の接続関係を具体的に説明すると、トランジスタ５５１２のソース及びドレインの一方は、第１の記憶回路５５０１に接続されている。トランジスタ５５１２のソース及びドレインの他方は、容量素子５５１９の一方の電極、トランジスタ５５１３のゲート、及びトランジスタ５５１８のゲートに接続されている。容量素子５５１９の他方の電極は、配線５５４２に接続されている。トランジスタ５５１３のソース及びドレインの一方は、配線５５４４に接続されている。トランジスタ５５１３のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５５１５のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ５５１５のソース及びドレインの他方は、容量素子５５２０の一方の電極、及びトランジスタ５５１０のゲートに接続されている。容量素子５５２０の他方の電極は、配線５５４３に接続されている。トランジスタ５５１０のソース及びドレインの一方は、配線５５４１に接続されている。トランジスタ５５１０のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５５１８のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ５５１８のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５５０９のソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ５５０９のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５５１７のソース及びドレインの一方、及び第１の記憶回路５５０１に接続されている。トランジスタ５５１７のソース及びドレインの他方は、配線５５４０に接続されている。また、図３７においては、トランジスタ５５０９のゲートは、トランジスタ５５１７のゲートと接続されているが、トランジスタ５５０９のゲートは、必ずしもトランジスタ５５１７のゲートと接続されていなくてもよい。
【０５３１】
トランジスタ５５１５に先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することができる。トランジスタ５５１５のオフ電流が小さいために、半導体装置５５００は、長期間電源供給なしに情報を保持することができる。トランジスタ５５１５のスイッチング特性が良好であるために、半導体装置５５００は、高速のバックアップとリカバリを行うことができる。
【０５３２】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０５３３】
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の一形態を、図３８、および図３９を用いて説明する。
【０５３４】
＜半導体ウエハ、チップ＞
図３８（Ａ）は、ダイシング処理が行なわれる前の基板７１１の上面図を示している。基板７１１としては、例えば、半導体基板（「半導体ウエハ」ともいう。）を用いることができる。基板７１１上には、複数の回路領域７１２が設けられている。回路領域７１２には、本発明の一態様に係る半導体装置などを設けることができる。
【０５３５】
複数の回路領域７１２は、それぞれが分離領域７１３に囲まれている。分離領域７１３と重なる位置に分離線（「ダイシングライン」ともいう。）７１４が設定される。分離線７１４に沿って基板７１１を切断することで、回路領域７１２を含むチップ７１５を基板７１１から切り出すことができる。図３８（Ｂ）にチップ７１５の拡大図を示す。
【０５３６】
また、分離領域７１３に導電層、半導体層などを設けてもよい。分離領域７１３に導電層、半導体層などを設けることで、ダイシング工程時に生じうるＥＳＤを緩和し、ダイシング工程に起因する歩留まりの低下を防ぐことができる。また、一般にダイシング工程は、基板の冷却、削りくずの除去、帯電防止などを目的として、炭酸ガスなどを溶解させて比抵抗を下げた純水を切削部に供給しながら行なう。分離領域７１３に導電層、半導体層などを設けることで、当該純水の使用量を削減することができる。よって、半導体装置の生産コストを低減することができる。また、半導体装置の生産性を高めることができる。
【０５３７】
＜電子部品＞
チップ７１５を用いた電子部品の一例について、図３９（Ａ）および図３９（Ｂ）を用いて説明する。なお、電子部品は、半導体パッケージ、またはＩＣ用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し方向、端子の形状などに応じて、複数の規格、名称などが存在する。
【０５３８】
電子部品は、組み立て工程（後工程）において、上記実施の形態に示した半導体装置と該半導体装置以外の部品が組み合わされて完成する。
【０５３９】
図３９（Ａ）に示すフローチャートを用いて、後工程について説明する。前工程において基板７１１に本発明の一態様に係る半導体装置などを形成した後、基板７１１の裏面（半導体装置などが形成されていない面）を研削する「裏面研削工程」を行なう（ステップＳ７２１）。研削により基板７１１を薄くすることで、電子部品の小型化を図ることができる。
【０５４０】
次に、基板７１１を複数のチップ７１５に分離する「ダイシング工程」を行う（ステップＳ７２２）。そして、分離したチップ７１５を個々のリードフレーム上に接合する「ダイボンディング工程」を行う（ステップＳ７２３）。ダイボンディング工程におけるチップ７１５とリードフレームとの接合は、樹脂による接合、またはテープによる接合など、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、リードフレームに代えてインターポーザ基板上にチップ７１５を接合してもよい。
【０５４１】
次いで、リードフレームのリードとチップ７１５上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気的に接続する「ワイヤーボンディング工程」を行う（ステップＳ７２４）。金属の細線には、銀線、金線などを用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、例えば、ボールボンディング、またはウェッジボンディングを用いることができる。
【０５４２】
ワイヤーボンディングされたチップ７１５は、エポキシ樹脂などで封止される「封止工程（モールド工程）」が施される（ステップＳ７２５）。封止工程を行うことで電子部品の内部が樹脂で充填され、チップ７１５とリードを接続するワイヤーを機械的な外力から保護することができ、また水分、埃などによる特性の劣化（信頼性の低下）を低減することができる。
【０５４３】
次いで、リードフレームのリードをめっき処理する「リードめっき工程」を行なう（ステップＳ７２６）。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際のはんだ付けをより確実に行うことができる。次いで、リードを切断および成形加工する「成形工程」を行なう（ステップＳ７２７）。
【０５４４】
次いで、パッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す「マーキング工程」を行なう（ステップＳ７２８）。そして外観形状の良否、動作不良の有無などを調べる「検査工程」（ステップＳ７２９）を経て、電子部品が完成する。
【０５４５】
また、完成した電子部品の斜視模式図を図３９（Ｂ）に示す。図３９（Ｂ）では、電子部品の一例として、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示している。図３９（Ｂ）に示す電子部品７５０は、リード７５５およびチップ７１５を有する。電子部品７５０は、チップ７１５を複数有していてもよい。
【０５４６】
図３９（Ｂ）に示す電子部品７５０は、例えばプリント基板７５２に実装される。このような電子部品７５０が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７５２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７５４）が完成する。完成した実装基板７５４は、電子機器などに用いられる。
【０５４７】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
【０５４８】
（実施の形態７）
＜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４０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。
【０５４９】
図４０（Ａ）は、自動車の一例を示す外観図である。自動車２９８０は、車体２９８１、車輪２９８２、ダッシュボード２９８３、およびライト２９８４等を有する。また、自動車２９８０は、アンテナ、バッテリなどを備える。
【０５５０】
図４０（Ｂ）に示す情報端末２９１０は、筐体２９１１、表示部２９１２、マイク２９１７、スピーカ部２９１４、カメラ２９１３、外部接続部２９１６、および操作スイッチ２９１５等を有する。表示部２９１２には、可撓性基板が用いられた表示パネルおよびタッチスクリーンを備える。また、情報端末２９１０は、筐体２９１１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末２９１０は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。
【０５５１】
図４０（Ｃ）に示すノート型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１、表示部２９２２、キーボード２９２３、およびポインティングデバイス２９２４等を有する。また、ノート型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。
【０５５２】
図４０（Ｄ）に示すビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１、筐体２９４２、表示部２９４３、操作スイッチ２９４４、レンズ２９４５、および接続部２９４６等を有する。操作スイッチ２９４４およびレンズ２９４５は筐体２９４１に設けられており、表示部２９４３は筐体２９４２に設けられている。また、ビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体２９４１と筐体２９４２は、接続部２９４６により接続されており、筐体２９４１と筐体２９４２の間の角度は、接続部２９４６により変えることが可能な構造となっている。筐体２９４１に対する筐体２９４２の角度によって、表示部２９４３に表示される画像の向きの変更や、画像の表示／非表示の切り換えを行うことができる。
【０５５３】
図４０（Ｅ）にバングル型の情報端末の一例を示す。情報端末２９５０は、筐体２９５１、および表示部２９５２等を有する。また、情報端末２９５０は、筐体２９５１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。表示部２９５２は、曲面を有する筐体２９５１に支持されている。表示部２９５２には、可撓性基板を用いた表示パネルを備えているため、フレキシブルかつ軽くて使い勝手の良い情報端末２９５０を提供することができる。
【０５５４】
図４０（Ｆ）に腕時計型の情報端末の一例を示す。情報端末２９６０は、筐体２９６１、表示部２９６２、バンド２９６３、バックル２９６４、操作スイッチ２９６５、入出力端子２９６６などを備える。また、情報端末２９６０は、筐体２９６１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末２９６０は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。
【０５５５】
表示部２９６２の表示面は湾曲しており、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部２９６２はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部２９６２に表示されたアイコン２９６７に触れることで、アプリケーションを起動することができる。操作スイッチ２９６５は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、情報端末２９６０に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作スイッチ２９６５の機能を設定することもできる。
【０５５６】
また、情報端末２９６０は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。また、情報端末２９６０は入出力端子２９６６を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子２９６６を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子２９６６を介さずに無線給電により行ってもよい。
【０５５７】
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。
【０５５８】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態や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】
【０５５９】
本実施例では、本発明の一態様に係る半導体装置として、図１に示す、トランジスタ４００、容量素子１００、および接続部１６０を有するセルをマトリクス状に複数配置した、半導体装置を作製した。当該半導体装置を、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて観察を行った結果について説明する。なお、本実施例で作製した半導体装置のトランジスタは、図２０に示すトランジスタ４００ａと同様の構成とした。
【０５６０】
なお、容量素子１００および接続部１６０の作製方法については、図２から図１６に係る記載を参酌することができる。また、トランジスタ４００ａの作製方法については、図２１および図２２に係る記載を参酌することができる。
【０５６１】
最初にトランジスタ４００ａを作製した。まず、基板として、膜厚４００ｎｍの熱酸化膜が形成された、シリコン基板を準備した。
【０５６２】
次に、絶縁体４０１として、ＲＦスパッタリング法を用いて膜厚が４０ｎｍの酸化アルミニウムを成膜した。
【０５６３】
次に、絶縁体３０１として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が１５０ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。次に、絶縁体３０１にダマシン法を用いて、導電体３１０を埋め込むための開口を形成した。
【０５６４】
次に、導電体３１０ａとなる導電膜として、スパッタリング法を用いて膜厚が４０ｎｍの窒化タンタルを成膜した。次に、導電体３１０ｂとなる導電膜として、膜厚５ｎｍの窒化チタンと、その上に膜厚２５０ｎｍのタングステンを積層した膜を成膜した。窒化チタンはＡＬＤ法を用いて成膜し、タングステンはメタルＣＶＤ法を用いて成膜した。それから、上記導電膜にＣＭＰ処理を行って、絶縁体３０１の開口の内部に、導電体３１０ａおよび導電体３１０ｂを形成した。
【０５６５】
次に、絶縁体３０２として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が１０ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。次に、絶縁体３０３として、ＡＬＤ法を用いて膜厚が２０ｎｍの酸化ハフニウムを成膜した。次に、絶縁体４０２として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が３０ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。
【０５６６】
次に、酸素雰囲気で４００℃の熱処理を１時間行った。
【０５６７】
次に、酸化膜４０６Ａとして、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。なお、酸化膜４０６Ａの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］ターゲットを用い、成膜ガスとして酸素ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａ（キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって計測した。）とし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を２００℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
【０５６８】
さらに外気に曝さず連続して、酸化膜４０６Ｂとして、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が１５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。なお、酸化膜４０６Ｂの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］ターゲットを用い、成膜ガスとしてアルゴンガス４０ｓｃｃｍおよび酸素ガス５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａ（キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって計測した。）とし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を１３０℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
【０５６９】
次に、窒素雰囲気で４００℃１時間の熱処理を行い、さらに酸素雰囲気下で４００℃１時間の熱処理を行った。
【０５７０】
次に、導電体４１６ａ１、４１６ａ２となる導電膜として、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が２０ｎｍの窒化タンタルを成膜した。
【０５７１】
次に、バリア膜４１７ａ１、４１７ａ２となる膜として、ＡＬＤ法を用いて膜厚が５ｎｍの酸化アルミニウムを成膜した。
【０５７２】
次に、ハードマスクとして機能する導電体として、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が１５ｎｍの窒化タンタルを成膜した。
【０５７３】
次に、酸化膜４０６Ａ、酸化膜４０６Ｂ、導電体４１６ａ１、４１６ａ２となる導電膜、およびバリア膜４１７ａ１、４１７ａ２となる膜をドライエッチングして、酸化物４０６ａ、酸化物４０６ｂ、導電体４１６ａ１、導電体４１６ａ２、バリア膜４１７ａ１、およびバリア膜４１７ａ２を形成した。
【０５７４】
次に、酸化膜４０６Ｃとして、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を成膜した。なお、酸化膜４０６Ｃの成膜には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］ターゲットを用い、成膜ガスとして酸素ガス４５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．７Ｐａ（キャノンアネルバ製ミニチュアゲージＭＧ−２によって計測した。）とし、成膜電力を５００Ｗとし、基板温度を１３０℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
【０５７５】
次に、絶縁膜４１２Ａとして、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が１０ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。
【０５７６】
次に、導電体４０４ｂとなる導電膜として、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が１０ｎｍの窒化チタンを成膜した。さらに、導電体４０４ｃとなる導電膜として、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が３０ｎｍのタングステンを成膜した。なお、トランジスタ４００ａの導電体４０４ａに対応する導電体は、本実施例では形成しない。
【０５７７】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、導電体４０４ｂとなる導電膜、および導電体４０４ｃとなる導電膜を加工して導電体４０４ｂおよび導電体４０４ｃを形成した。
【０５７８】
次に、バリア膜４１８となる膜として、ＡＬＤ法を用いて膜厚が７ｎｍの酸化アルミニウムを成膜した。
【０５７９】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、バリア膜４１８となる膜、絶縁膜４１２Ａ、および酸化膜４０６Ｃを加工してバリア膜４１８、絶縁体４１２、および導電体４０４ｃを形成した。
【０５８０】
次に、絶縁体４１０として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が３１０ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。それから、絶縁体４１０にＣＭＰ処理を行って絶縁体４１０の上面を平坦化した。
【０５８１】
次に、絶縁体４２０として、ＲＦスパッタリング法を用いて膜厚が４０ｎｍの酸化アルミニウムを成膜した。なお、成膜ガスとしてアルゴンガス２５ｓｃｃｍおよび酸素ガス２５ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．４Ｐａとし、成膜電力を２５００Ｗとし、基板温度を２５０℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
【０５８２】
次に、酸素雰囲気下で３５０℃１時間の加熱処理を行った。
【０５８３】
次に、絶縁体４１０として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が１００ｎｍの酸化窒化シリコンを成膜した。
【０５８４】
次に、ハードマスクを用いたフォトリソグラフィ法によって、導電体４１６ａ１に達する開口と、導電体４１６ａ２に達する開口と、を形成した。
【０５８５】
次に、導電体１０８ａ、１０８ｂとなる導電膜として、膜厚２０ｎｍの窒化チタンと、その上に膜厚１５０ｎｍのタングステンを積層した膜を成膜した。窒化チタンはＡＬＤ法を用いて成膜し、タングステンはメタルＣＶＤ法を用いて成膜した。それから、上記導電膜にＣＭＰ処理を行って、導電体４１６ａ１に達する開口および導電体４１６ａ２に達する開口の内部に、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂを形成した。
【０５８６】
以上のようにしてトランジスタ４００ａを形成した。次に、以下のようにして容量素子１００を作製した。
【０５８７】
まず、絶縁体１１２として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が２５０ｎｍの酸化シリコンを成膜した。絶縁体１１２の成膜は、成膜ガスとしてＴＥＯＳガス１５ｓｃｃｍおよび酸素ガス７５０ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を１００Ｐａとし、成膜電力を３００Ｗ（２７ＭＨｚ）とし、基板温度を３００℃とし、電極間距離を１４ｍｍとした。
【０５８８】
次に、絶縁体１１４として、ＡＰＣＶＤ法を用いて膜厚が５００ｎｍの酸化シリコンを成膜した。絶縁体１１４の成膜は、成膜ガスとしてＴＥＯＳガス０．３２ｇ／ｍｉｎおよびＯ３ガス５８ｇ／ｍｉｎを用い、成膜圧力を大気圧からの差圧で−２００Ｐａとし、基板温度を３５０℃とし、電極間距離を８．５ｍｍとした。
【０５８９】
次に、絶縁体１１６として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が５０ｎｍの窒化シリコンを成膜した。絶縁体１１６の成膜は、成膜ガスとしてＳｉＨ４ガス２０ｓｃｃｍ、ＮＨ３ガス１０ｓｃｃｍ、およびＮ２ガス５００ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を４０Ｐａとし、成膜電力を９００Ｗ（２７ＭＨｚ）とし、基板温度を３５０℃とし、電極間距離を１７ｍｍとした。
【０５９０】
次に、絶縁体１１８として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が１００ｎｍの酸化シリコンを成膜した。絶縁体１１８の成膜は、成膜ガスとしてＳｉＨ４ガス５ｓｃｃｍ、およびＮ２Ｏガス１０００ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を１３３．３Ｐａとし、成膜電力を４５Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）とし、基板温度を３２５℃とし、電極間距離を２０ｍｍとした。
【０５９１】
次に、導電体１２２Ａとして、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が９０ｎｍのタングステンを成膜した。導電体１２２Ａの成膜は、成膜ガスとしてアルゴンガス５０ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．４Ｐａとし、成膜電力を１０００Ｗとし、基板温度を１３０℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
【０５９２】
次に、絶縁体１２４Ａとして、ＤＣスパッタリング法を用いて膜厚が１３０ｎｍの窒化シリコンを成膜した。絶縁体１２４Ａの成膜は、成膜ガスとしてアルゴンガス１０ｓｃｃｍおよび窒素ガス１０ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を０．６Ｐａとし、成膜電力を１０００Ｗとし、基板温度を１００℃とし、ターゲット−基板間距離を６０ｍｍとした。
【０５９３】
次に、絶縁体１２４Ａの上に、有機塗布膜を塗布し、さらにその上にレジスト材料を塗布した。当該レジスト材料に、電子ビームを用いたリソグラフィー法を行い、レジストマスクを形成した。当該レジストマスクを用いて、絶縁体１２４Ａおよび導電体１２２Ａにドライエッチングを行い、ハードマスク１２４およびハードマスク１２２を形成した。ドライエッチングは、上下の平行平板型電極それぞれに高周波電源を印加することができるＣＣＰエッチング装置を用いて行った。ハードマスク１２４およびハードマスク１２２の形成は、ＣＣＰエッチング装置の第１のエッチング室で連続して行った。以下にハードマスク１２４およびハードマスク１２２の形成のエッチング工程の詳細について示す。
【０５９４】
まず、有機塗布膜をエッチングした。有機塗布膜のエッチングは、エッチングガスとしてＣＦ４ガス８０ｓｃｃｍを用い、圧力を３．０Ｐａとし、上部電極の高周波電力を５００Ｗとし、下部電極の高周波電力を１００Ｗとし、電極間距離を８０ｍｍとし、処理時間を１３ｓｅｃとした。
【０５９５】
次に、絶縁体１２４Ａをエッチングした。絶縁体１２４Ａのエッチングは、エッチングガスとしてＣＨＦ３ガス６７ｓｃｃｍ、および酸素ガス１３ｓｃｃｍを用い、圧力を５．３Ｐａとし、上部電極の高周波電力を５５０Ｗとし、下部電極の高周波電力を３５０Ｗとし、電極間距離を８０ｍｍとし、処理時間を３６ｓｅｃとした。
【０５９６】
次に、導電体１２２Ａをエッチングした。導電体１２２Ａのエッチングは、エッチングガスとしてＣｌ２ガス１１ｓｃｃｍ、ＣＦ４ガス２２ｓｃｃｍ、および酸素ガス２２ｓｃｃｍを用い、圧力を０．６Ｐａとし、上部電極の高周波電力を１０００Ｗとし、下部電極の高周波電力を２００Ｗとし、電極間距離を１００ｍｍとし、処理時間を３７ｓｅｃとした。
【０５９７】
以上のように形成したハードマスク１２４およびハードマスク１２２を用いて、絶縁体１１８、絶縁体１１６、絶縁体１１４、および絶縁体１１２にドライエッチングを行って、開口１１５を形成した。開口１１５の形成は、ハードマスク１２４およびハードマスク１２２の形成後、上記ＣＣＰエッチング装置から基板を外に出さず、連続して行った。開口１１５の形成は、ＣＣＰエッチング装置の第２のエッチング室で行った。以下に開口１１５の形成のエッチング工程の詳細について示す。
【０５９８】
まず、絶縁体１１８をエッチングした。絶縁体１１８のエッチングは、エッチングガスとしてアルゴンガス８００ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ６ガス２２ｓｃｃｍ、および酸素ガス３０ｓｃｃｍを用い、圧力を３．３Ｐａとし、上部電極の高周波電力を１８００Ｗとし、下部電極の高周波電力を２０００Ｗとし、電極間距離を２５ｍｍとし、処理時間を１４ｓｅｃとした。
【０５９９】
次に、絶縁体１１６をエッチングした。絶縁体１１６のエッチングは、エッチングガスとしてＣＨＦ３ガス５０ｓｃｃｍ、およびアルゴンガス２７５ｓｃｃｍを用い、圧力を２．６Ｐａとし、上部電極の高周波電力を３００Ｗとし、下部電極の高周波電力を１２００Ｗとし、電極間距離を２５ｍｍとし、処理時間を１４ｓｅｃとした。
【０６００】
次に、絶縁体１１４、絶縁体１１２および絶縁体４２２をエッチングした。絶縁体１１４、絶縁体１１２および絶縁体４２２のエッチングは、エッチングガスとしてＣ４Ｆ６ガス、アルゴンガス８００ｓｃｃｍ、および酸素ガス３０ｓｃｃｍを用い、圧力を３．３Ｐａとし、上部電極の高周波電力を１８００Ｗとし、下部電極の高周波電力を２０００Ｗとし、電極間距離を２５ｍｍとした。絶縁体１１４、絶縁体１１２および絶縁体４２２のエッチングでは、開口１１５を掘り進めるにつれて、Ｃ４Ｆ６ガスの流量を増やしながらエッチングをおこなった。まず、Ｃ４Ｆ６ガスの流量を２６ｓｃｃｍとして処理時間７９秒でエッチングし、次にＣ４Ｆ６ガスの流量を２８ｓｃｃｍとして処理時間１１秒でエッチングし、最後にＣ４Ｆ６ガスの流量を３０ｓｃｃｍとして処理時間１５秒でエッチングした。
【０６０１】
なお、上記のエッチング過程でハードマスク１２４は消失した。
【０６０２】
次に、導電体１１０Ａとして、ＡＬＤ法を用いて膜厚が７ｎｍの窒化チタンを成膜した。導電体１１０Ａの成膜は、成膜ガスとしてＴｉＣｌ４ガス５０ｓｃｃｍ、ＮＨ３ガス２７００ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を６６７Ｐａとし基板温度を３７５℃とした。なお、当該ＡＬＤ法による成膜は、ＴｉＣｌ４ガス側のガス管からＮ２ガスを流量４５００ｓｃｃｍで導入し、ＮＨ３ガス側のガス管からＮ２ガスを流量４０００ｓｃｃｍで導入しながら行った。
【０６０３】
次に、充填剤１２６として、ＡＰＣＶＤ法を用いて膜厚が３００ｎｍの酸化シリコンを成膜した。充填剤１２６の成膜は、成膜ガスとしてＴＥＯＳガス０．３２ｇ／ｍｉｎおよびＯ３ガス５８ｇ／ｍｉｎを用い、成膜圧力を大気圧からの差圧で−２００Ｐａとし、基板温度を３５０℃とし、電極間距離を８．５ｍｍとした。
【０６０４】
次に、ＣＭＰ処理を行って、絶縁体１１６の上面を露出させた。当該ＣＭＰ処理では、１段階目で絶縁体１１８の上面が露出するまで研磨を行い、２段階目で絶縁体１１６の上面が露出するまで研磨を行った。
【０６０５】
次に、ウェットエッチング処理を行って、開口１１５に残存した充填剤１２６を除去した。当該ウェットエッチングは、フッ化水素アンモニウム（ＮＨ４ＨＦ２）を７．１３％と、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）を１５．４％含む混合溶液（ステラケミファ社製、商品名ＬＡＬ５００）を用いて、処理時間４０秒で行った。
【０６０６】
次に、絶縁体１３０として、ＡＬＤ法を用いて膜厚が２０ｎｍの酸化ハフニウムを成膜した。絶縁体１３０の成膜は、成膜ガスとしてテトラキスジメチルアミドハフニウム（ＴＤＭＡＨ）を含む固体を気化させた原料ガス、Ｈ２Ｏガス、Ｏ３とＯ２の混合ガスを用い、基板温度を２００℃とした。ＴＤＭＡＨを含む固体を気化させた原料ガスを０．５秒導入し、４５秒Ｎ２でパージし、Ｈ２Ｏガスを０．０３秒導入し、５秒Ｎ２でパージした。さらにＯ３とＯ２の混合ガスを０．１秒導入し、５秒Ｎ２でパージし、このＯ３とＯ２の混合ガスの導入とＮ２パージを１０回繰り返した。以下、この工程を１サイクルとして、２０ｎｍの膜厚が得られるまで当該サイクルを繰り返した。
【０６０７】
次に、導電体１２０ａＡとして、ＡＬＤ法を用いて膜厚が５ｎｍの窒化チタンを成膜した。導電体１２０ａＡの成膜は、成膜ガスとしてＴｉＣｌ４ガス５０ｓｃｃｍ、ＮＨ３ガス２７００ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を６６７Ｐａとし、基板温度を３７５℃とした。なお、当該ＡＬＤ法による成膜は、ＴｉＣｌ４ガス側のガス管からＮ２ガスを流量４５００ｓｃｃｍで導入し、ＮＨ３ガス側のガス管からＮ２ガスを流量４０００ｓｃｃｍで導入しながら行った。
【０６０８】
次に、導電体１２０ｂＡとして、メタルＣＶＤ法を用いて膜厚が７０ｎｍのタングステンを成膜した。導電体１２０ｂＡの成膜は、成膜ガスとしてＷＦ６ガス２５０ｓｃｃｍ、Ｈ２ガス２２００ｓｃｃｍ、Ａｒガス２０００ｓｃｃｍ、Ｎ２ガス２００ｓｃｃｍを用い、成膜圧力１０６６６Ｐａ、基板温度を３５０℃とした。
【０６０９】
次に、膜１２８として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が１００ｎｍの酸化シリコンを成膜した。膜１２８の成膜は、成膜ガスとしてＳｉＨ４ガス５ｓｃｃｍ、およびＮ２Ｏガス１０００ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を１３３．３Ｐａとし、成膜電力を４５Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）とし、基板温度を３２５℃とし、電極間距離を２０ｍｍとした。
【０６１０】
次に、膜１２８にＣＭＰ処理を行って、膜１２８を除去し、導電体１２０ｂＡの上面を露出させた。当該ＣＭＰ処理により、導電体１２０ｂＡは、上面の平坦性が向上された導電体１２０ｂＢになった。
【０６１１】
ここで、導電体１２０ａＡ、導電体１２０ｂＡ、膜１２８の順番に積層した積層体と同様の構造のサンプルを作製し、膜１２８の上からＣＭＰ処理を行い、導電体１２０ｂＡの上面を露出させて、ＡＦＭで平均面粗さ（Ｒａ）を測定した結果について説明する。当該サンプルのＡＦＭ画像の上面図および斜視図を、図４１（Ａ）および図４１（Ｂ）に示す。ＡＦＭ測定の結果、導電体１２０ｂＡの上面の平均面粗さ（Ｒａ）は０．９３ｎｍであった。よって、上記のように膜１２８の上からＣＭＰ処理を行うことで、導電体１２０ｂＡの上面の平坦性が向上することが示された。
【０６１２】
次に、絶縁体１３２Ａとして、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が２０ｎｍの酸化シリコンを成膜した。絶縁体１３２Ａの成膜は、成膜ガスとしてＳｉＨ４ガス５ｓｃｃｍ、およびＮ２Ｏガス１０００ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を１３３．３Ｐａとし、成膜電力を４５Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）とし、基板温度を３２５℃とし、電極間距離を２０ｍｍとした。
【０６１３】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、絶縁体１３２Ａの上にレジストマスクを形成した。当該レジストマスクを用いて、絶縁体１３２Ａにドライエッチングを行い、ハードマスク１３２を形成した。ドライエッチングは、上下の対向する電極それぞれに高周波電源を印加することができるＣＣＰエッチング装置を用いて行った。絶縁体１３２Ａのエッチングは、エッチングガスとしてＣＨＦ３ガス６７ｓｃｃｍ、および酸素ガス１３ｓｃｃｍを用い、圧力を５．３Ｐａとし、上部電極の高周波電力を５５０Ｗとし、下部電極の高周波電力を３５０Ｗとし、電極間距離を８０ｍｍとし、処理時間を１２ｓｅｃとした。
【０６１４】
次に、ハードマスク１３２を用いて、導電体１２０ａＡおよび導電体１２０ｂＢにドライエッチングを行い、導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂを形成した。ドライエッチングは、ＩＣＰエッチング装置を用いて行った。導電体１２０ａＡおよび導電体１２０ｂＢのエッチングは、エッチングガスとしてＣｌ３ガス４５ｓｃｃｍ、ＣＦ４ガス５５ｓｃｃｍ、および酸素ガス５５ｓｃｃｍを用い、圧力を０．６７Ｐａとし、コイル型電極の高周波電力を３０００Ｗとし、下部電極の高周波電力を５０Ｗとした。
【０６１５】
次に、ウェットエッチング処理を行って、ハードマスク１３２を除去した。当該ウェットエッチングは、０．５％のフッ化水素酸を用いて、処理時間１８０秒で行った。
【０６１６】
次に、絶縁体１５０として、ＰＥＣＶＤ法を用いて膜厚が３５０ｎｍの酸化シリコンを成膜した。絶縁体１５０の成膜は、成膜ガスとしてＳｉＨ４ガス５ｓｃｃｍ、およびＮ２Ｏガス１０００ｓｃｃｍを用い、成膜圧力を１３３．３Ｐａとし、成膜電力を４５Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）とし、基板温度を３２５℃とし、電極間距離を２０ｍｍとした。
【０６１７】
以上のようにして容量素子１００を形成した。次に、以下のようにして接続部１６０を作製した。
【０６１８】
まず、ＣＣＰエッチング装置の第１のエッチング室で、ハードマスク１２４およびハードマスク１２２と同様の積層ハードマスクを形成した。当該積層ハードマスクを用いて、絶縁体１５０、絶縁体１３０、絶縁体１１６、絶縁体１１４、および絶縁体１１２にドライエッチングを行って、開口１１７を形成した。開口１１７の形成は、当該積層ハードマスクの形成後、ＣＣＰエッチング装置から基板を外に出さず、連続して行った。開口１１７の形成は、ＣＣＰエッチング装置の第２のエッチング室で行った。以下に開口１１７の形成のエッチング工程の詳細について示す。
【０６１９】
まず、絶縁体１５０をエッチングした。絶縁体１５０のエッチングは、処理時間を２８ｓｅｃとして、他の条件は、絶縁体１１８のエッチングと同様にした。
【０６２０】
次に、絶縁体１３０をエッチングした。絶縁体１３０のエッチングは、エッチングガスとしてＣＨＦ３ガス５０ｓｃｃｍ、およびアルゴンガス２７５ｓｃｃｍを用い、圧力を２．６Ｐａとし、上部電極の高周波電力を３００Ｗとし、下部電極の高周波電力を１２００Ｗとし、電極間距離を２５ｍｍとし、処理時間を２０ｓｅｃとした。
【０６２１】
次に、絶縁体１１６をエッチングした。絶縁体１１６のエッチングは、エッチングガスとしてＣＦ４ガス２０ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３ガス３０ｓｃｃｍ、酸素ガス１０ｓｃｃｍおよびアルゴンガス２００ｓｃｃｍを用い、圧力を７．８Ｐａとし、上部電極の高周波電力を１０００Ｗとし、下部電極の高周波電力を１５０Ｗとし、電極間距離を２５ｍｍとし、処理時間を２８ｓｅｃとした。
【０６２２】
次に、絶縁体１１４および絶縁体１１２を、開口１１５の形成と同様の条件でエッチングした。
【０６２３】
次に、導電体１６２ａとなる導電体を導電体１２０ａＡと同様の条件で成膜し、導電体１６２ｂとなる導電体を導電体１２０ｂＡと同様の条件で成膜した。それからＣＭＰ処理を行って、導電体１６２ａおよび導電体１６２ｂを形成した。
【０６２４】
以上の工程により、トランジスタ４００ａ、容量素子１００、および接続部１６０を有する半導体装置を作製した。
【０６２５】
作製した半導体装置について、日立製作所製「ＨＤ−２７００」を用いて、加速電圧を２００ｋＶとして、断面ＳＴＥＭ像を撮影した。図４２は倍率１０万倍で撮影した断面ＳＴＥＭ像であり、図４３は導電体１０８ｂと容量素子１００の接続部近傍を倍率２０万倍で撮影した断面ＳＴＥＭ像である。なお、図４３に示すトランジスタ４００ａおよび容量素子１００は、図４２に示すものとは別のものである。
【０６２６】
上記の方法を用いて半導体装置を作製することで、図４２および図４３に示すように、酸化物半導体を有するトランジスタ４００ａの上に、高アスペクト比の開口１１５を形成し、開口１１５中に容量素子１００を形成することができた。ここで、開口１１５は、深さが約９２３ｎｍ、絶縁体４２０近傍の内径が約２３４ｎｍであった。また、図４２に示すように、開口１１５の内部に、導電体１１０、絶縁体１３０、導電体１２０ａ、および導電体１２０ｂが被覆性良く成膜されていた。このように、高アスペクト比の開口中に容量素子１００を形成することで、容量素子１００の単位面積当たりの静電容量を大きくし、半導体装置の微細化高集積化を図ることができる。さらに、容量素子１００がトランジスタ４００ａと重なるように形成されているので、さらに、半導体装置の微細化高集積化を図ることができる。
【０６２７】
また、上記のように膜１２８を成膜してからＣＭＰ処理を行うことで、図４２に示すように、導電体１２０ｂの絶縁体１１６、１１４、１１２、と重なる領域の上面の平坦性を向上させることができた。
【０６２８】
本実施例においては、絶縁体１１４、絶縁体１１２および絶縁体４２２のエッチングにおいて、開口１１５の底面にイオン化したエッチングガスが衝突しやすくなるようにした。まず、下部電極に印加する電力を２０００Ｗにして、セルフバイアスを大きくした。さらに、エッチングガス中のアルゴンガスの流量を全体の９０％以上にして、チャンバー中の陽イオンの量を多くした。さらに、チャンバーの圧力を３．３Ｐａと低くすることによって、チャンバー中の陽イオンの平均自由行程を長くした。
【０６２９】
さらに、上記のエッチング工程において、エッチングガスとして、炭素を多く含むＣ４Ｆ６ガスを用いて、エッチングと並行して炭素化合物が開口１１５の底部に堆積するようにした。また、炭素化合物を開口１１５の底部に供給できるように、開口１１５のエッチングの進行に合わせて、炭素を多く含むＣ４Ｆ６ガスの流量を増加させながらエッチングを行った。
【０６３０】
その結果、イオン化したエッチングガスの衝突により、図４３に示すように、導電体１０８ｂの絶縁体４２０より上の部分に、湾曲面が形成された。これにより、導電体１１０との接触抵抗を低減し、トランジスタ４００ａのソースまたはドレインのいずれかと、容量素子１００の下部電極との電気的接続を良好にすることができる。なお、図４３に示すように、導電体１０８ｂの断面形状は、絶縁体４２０の、導電体１１０と接する領域の上面より下の部分において、逆テーパー形状となっていた。また、当該部分において、導電体１０８ｂは、底面と側面とのなす角が９０°以上となっていた。
【０６３１】
さらに、エッチングと並行して炭素化合物を開口１１５の底部に堆積させることにより、図４３に示すように、絶縁体４２０の開口１１５と重なる領域が凹んだ形状になったが、当該領域において絶縁体４２０は貫通していなかった。このように、トランジスタ４００ａと容量素子１００の間に、絶縁体４２０が形成されているので、容量素子１００に含まれる不純物がトランジスタ４００に拡散することを防ぐことができる。
【０６３２】
以上、本実施例に示す構成、方法などは、少なくともその一部を本明細書中に記載する実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０６３３】
１００    容量素子
１００ａ    容量素子
１００ｂ    容量素子
１０８ａ    導電体
１０８ａａ    導電体
１０８ａｂ    導電体
１０８ｂ    導電体
１０８ｂａ    導電体
１０８ｂｂ    導電体
１０９ａ    絶縁体
１０９ｂ    絶縁体
１１０    導電体
１１０Ａ    導電体
１１２    絶縁体
１１４    絶縁体
１１５    開口
１１６    絶縁体
１１７    開口
１１８    絶縁体
１２０    導電体
１２０ａ    導電体
１２０ａＡ    導電体
１２０ｂ    導電体
１２０ｂＡ    導電体
１２０ｂＢ    導電体
１２２    ハードマスク
１２２Ａ    導電体
１２４    ハードマスク
１２４Ａ    絶縁体
１２６    充填剤
１２８    膜
１３０    絶縁体
１３２    ハードマスク
１３２Ａ    絶縁体
１５０    絶縁体
１６０    接続部
１６２    導電体
１６２ａ    導電体
１６２ｂ    導電体
２００    トランジスタ
２１０    絶縁体
２１２    絶縁体
２１４    絶縁体
２１６    絶縁体
２１８    導電体
２１９    導電体
２２０    絶縁体
２２２    絶縁体
２２４    絶縁体
２３０    絶縁体
２３２    絶縁体
２４６    導電体
２４８    導電体
２８０    絶縁体
２８２    絶縁体
２８６    絶縁体
２８８    絶縁体
２９０    絶縁体
２９２    絶縁体
２９４    絶縁体
２９６    導電体
２９８    導電体
３００    トランジスタ
３０１    絶縁体
３０２    絶縁体
３０３    絶縁体
３１０    導電体
３１０ａ    導電体
３１０ｂ    導電体
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
３４５    トランジスタ
３５０    絶縁体
３５２    絶縁体
３５４    絶縁体
３５６    導電体
３６０    容量素子
４００    トランジスタ
４００ａ    トランジスタ
４００ｂ    トランジスタ
４００ｃ    トランジスタ
４００ｄ    トランジスタ
４０１    絶縁体
４０２    絶縁体
４０４    導電体
４０４ａ    導電体
４０４ｂ    導電体
４０４ｃ    導電体
４０６    酸化物
４０６ａ    酸化物
４０６ａ１    酸化物
４０６ａ２    酸化物
４０６Ａ    酸化膜
４０６ｂ    酸化物
４０６ｂ１    酸化物
４０６ｂ２    酸化物
４０６Ｂ    酸化膜
４０６ｃ    酸化物
４０６Ｃ    酸化膜
４０８ａ    絶縁体
４０８ｂ    絶縁体
４０９    絶縁体
４１０    絶縁体
４１２    絶縁体
４１２Ａ    絶縁膜
４１６ａ１    導電体
４１６ａ２    導電体
４１７ａ１    バリア膜
４１７ａ２    バリア膜
４１８    バリア膜
４１９ａ    絶縁体
４１９ｂ    絶縁体
４２０    絶縁体
４２２    絶縁体
４２６ａ    領域
４２６ｂ    領域
４２６ｃ    領域
５００    構造
６００ａ    メモリセル
６００ｂ    メモリセル
７１１    基板
７１２    回路領域
７１３    分離領域
７１４    分離線
７１５    チップ
７５０    電子部品
７５２    プリント基板
７５４    実装基板
７５５    リード
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
１４４６    センスアンプ
１４４７    グローバルセンスアンプ
２９１０    情報端末
２９１１    筐体
２９１２    表示部
２９１３    カメラ
２９１４    スピーカ部
２９１５    操作スイッチ
２９１６    外部接続部
２９１７    マイク
２９２０    ノート型パーソナルコンピュータ
２９２１    筐体
２９２２    表示部
２９２３    キーボード
２９２４    ポインティングデバイス
２９４０    ビデオカメラ
２９４１    筐体
２９４２    筐体
２９４３    表示部
２９４４    操作スイッチ
２９４５    レンズ
２９４６    接続部
２９５０    情報端末
２９５１    筐体
２９５２    表示部
２９６０    情報端末
２９６１    筐体
２９６２    表示部
２９６３    バンド
２９６４    バックル
２９６５    操作スイッチ
２９６６    入出力端子
２９６７    アイコン
２９８０    自動車
２９８１    車体
２９８２    車輪
２９８３    ダッシュボード
２９８４    ライト
３００１    配線
３００２    配線
３００３    配線
３００４    配線
３００５    配線
３００６    配線
３００７    配線
３００８    配線
３００９    配線
３０１０    配線
３０１１    配線
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
５４００    半導体装置
５４０１    ＣＰＵコア
５４０２    パワーコントローラ
５４０３    パワースイッチ
５４０４    キャッシュ
５４０５    バスインターフェース
５４０６    デバッグインターフェース
５４０７    制御装置
５４０８    ＰＣ
５４０９    パイプラインレジスタ
５４１０    パイプラインレジスタ
５４１１    ＡＬＵ
５４１２    レジスタファイル
５４２１    パワーマネージメントユニット
５４２２    周辺回路
５４２３    データバス
５５００    半導体装置
５５０１    記憶回路
５５０２    記憶回路
５５０３    記憶回路
５５０４    回路
５５０９    トランジスタ
５５１０    トランジスタ
５５１２    トランジスタ
５５１３    トランジスタ
５５１５    トランジスタ
５５１７    トランジスタ
５５１８    トランジスタ
５５１９    容量素子
５５２０    容量素子
５５４０    配線
５５４１    配線
５５４２    配線
５５４３    配線
５５４４    配線
【図１】
2018125528.tif 000004
【図２】
2018125528.tif 000005
【図３】
2018125528.tif 000006
【図４】
2018125528.tif 000007
【図５】
2018125528.tif 000008
【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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