(57)【要約】【課題】安定した電気特性の半導体装置を提供する。また、信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】第１の金属酸化物上に、第１の導電体、および第２の導電体を有し、第１の導電体、第２の導電体、第１の金属酸化物上に、第２の金属酸化物を有し、第２の金属酸化物上に絶縁体を有し、絶縁体上に第３の導電体を有し、第１の金属酸化物、および第２の金属酸化物は、少なくとも２種以上の金属元素を有する半導体であり、第１の金属酸化物における金属元素の原子数比と、および第２の金属酸化物における金属元素の原子数比は、等しい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属酸化物上に、第１の導電体、および第２の導電体を有し、
前記第１の導電体、前記第２の導電体、前記第１の金属酸化物上に、第２の金属酸化物を有し、
前記第２の金属酸化物上に絶縁体を有し、
前記絶縁体上に第３の導電体を有し、
前記第１の金属酸化物、および前記第２の金属酸化物は、少なくとも２種以上の金属元素を有する半導体であり、
前記第１の金属酸化物における金属元素の原子数比と、および前記第２の金属酸化物における金属元素の原子数比は、等しい、またはその近傍であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の金属酸化物、および前記第２の金属酸化物は、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはマグネシウムから選ばれた一種、または複数種）であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１、または請求項２において、
前記絶縁体は、ゲート絶縁体としての機能を有し、
前記第１の導電体は、ソース電極またはドレイン電極の一方としての機能を有し、
前記第２の導電体は、ソース電極またはドレイン電極の他方としての機能を有し、
前記第３の導電体は、ゲート電極としての機能を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記第１の金属酸化物、および前記第２の金属酸化物は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物であり、
Ｉｎは、３０ａｔｏｍｃ％以上、４０ａｔｏｍｉｃ％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
第１のターゲットを用いたスパッタリング法により、第１の金属酸化物を形成し、
第１の導電体、および第２の導電体を、前記第１の金属酸化物上に形成し、
第２のターゲットを用いたスパッタリング法を用いて、第２の金属酸化物を、前記第１の金属酸化物、前記第１の導電体、および前記第２の導電体上に形成し、
前記第３の導電体を、前記第２の金属酸化物上に形成し、
前記第１のターゲットと、前記第２のターゲットは、少なくとも２種以上の金属元素を有し、
前記第１のターゲットにおける金属元素の原子数比と、および前記第２のターゲットにおける金属元素の原子数比は、等しい、またはその近傍であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記第１のターゲットを用いたスパッタリング法における第１の酸素流量比は、前記第２のターゲットを用いたスパッタリング法における第２の酸素流量比よりも、小さいことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
請求項５、または請求項６のいずれか一において、
前記第１のターゲット、および前記第２のターゲットは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物であり、
Ｉｎ、Ｚｎ及び元素Ｍの原子数比は、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、またはその近傍であ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、半導体装置、ならびに半導体装置の駆動方法に関する。または、本発明の一態様は、電子機器に関する。
【０００２】
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。
【０００３】
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。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。
【背景技術】
【０００４】
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）等の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。
【０００５】
例えば、酸化物半導体として、酸化亜鉛、又はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を活性層とするトランジスタを用いて、表示装置を作製する技術が開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００６】
さらに近年、酸化物半導体を有するトランジスタを用いて、記憶装置の集積回路を作製する技術が公開されている（特許文献３参照）。また、記憶装置だけでなく、演算装置等も、酸化物半導体を有するトランジスタによって作製されてきている。
【０００７】
しかしながら、活性層として酸化物半導体が設けられたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動しやすく、信頼性が低いという問題点が知られている。例えば、バイアス−熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後において、トランジスタのしきい値電圧は変動してしまうことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【特許文献３】特開２０１１−１１９６７４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、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、信頼性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。
【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を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することを課題の一つとする。本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。
【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】
本発明の一態様では、酸化物半導体の周囲の絶縁体から過剰酸素を酸化物半導体に供給することで、酸化物半導体中の酸素欠損の低減を図る。
【００１３】
さらに、酸化物半導体の周囲の他の構造などから、水、水素などの不純物が酸化物半導体に混入することを防ぐ。なお、酸化物半導体に、水素などの不純物が外部から混入することを防ぐため、当該酸化物半導体を覆って、水、水素などの不純物に対してバリア性を有する絶縁体を形成する。
【００１４】
さらに、上記水、水素などの不純物に対してバリア性を有する絶縁体を、酸素を透過させにくいものとする。これによって、酸素が外方拡散するのを防ぎ、酸化物半導体及び周囲の酸化物絶縁体に効果的に酸素を供給する。
【００１５】
このようにして、酸化物半導体及び周囲の他の構造に含まれる、水、水素などの不純物を低減し、且つ酸化物半導体中の酸素欠損の低減を図る。
【００１６】
本発明の一態様は、第１の金属酸化物上に、第１の導電体、および第２の導電体を有し、第１の導電体、第２の導電体、第１の金属酸化物上に、第２の金属酸化物を有し、第２の金属酸化物上に絶縁体を有し、絶縁体上に第３の導電体を有し、第１の金属酸化物、および第２の金属酸化物は、少なくとも２種以上の金属元素を有する半導体であり、第１の金属酸化物における金属元素の原子数比と、および第２の金属酸化物における金属元素の原子数比は、等しい、またはその近傍である。
【００１７】
上記構成において、第１の金属酸化物、および第２の金属酸化物は、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはマグネシウムから選ばれた一種、または複数種）である。
【００１８】
上記構成において、絶縁体は、ゲート絶縁体としての機能を有し、第１の導電体は、ソース電極またはドレイン電極の一方としての機能を有し、第２の導電体は、ソース電極またはドレイン電極の他方としての機能を有し、第３の導電体は、ゲート電極としての機能を有する。
【００１９】
上記構成において、第１の金属酸化物、および第２の金属酸化物は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物であり、Ｉｎは、３０ａｔｏｍｃ％以上、４０ａｔｏｍｉｃ％以下である。
【００２０】
本発明の一態様は、第１のターゲットを用いたスパッタリング法により、第１の金属酸化物を形成し、第１の導電体、および第２の導電体を、第１の金属酸化物上に形成し、第２のターゲットを用いたスパッタリング法を用いて、第２の金属酸化物を、第１の金属酸化物、第１の導電体、および第２の導電体上に形成し、第３の導電体を、第２の金属酸化物上に形成し、第１のターゲットと、第２のターゲットは、少なくとも２種以上の金属元素を有し、第１のターゲットにおける金属元素の原子数比と、および第２のターゲットにおける金属元素の原子数比は、等しい、またはその近傍である。
【００２１】
上記構成において、第１のターゲットを用いたスパッタリング法における第１の酸素流量比は、第２のターゲットを用いたスパッタリング法における第２の酸素流量比よりも、小さい。
【００２２】
上記構成において、第１のターゲット、および第２のターゲットは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物であり、Ｉｎ、Ｚｎ及び元素Ｍの原子数比は、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、またはその近傍である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の一態様により、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する半導体装置において、トランジスタの電気特性、および信頼性が、安定した半導体装置を提供することができる。
【００２４】
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、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
【００２５】
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を提供することができる。本発明の一態様により、設計自由度が高い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、消費電力を抑えることができる半導体装置を提供することができる。本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。
【００２６】
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】
【００２７】
【図１】本発明の一態様に係る半導体装置の構成を示す上面図および断面図。
【図２】本発明の一態様に係る半導体装置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記憶装置の構成を示す断面図。
【図９】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１０】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１１】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１２】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１３】本発明の一態様に係る記憶装置の構成を示す断面図。
【図１４】本発明の一態様に係る半導体ウエハの上面図。
【図１５】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斜視模式図。
【図１６】本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
【図１７】実施例に係るトランジスタの上面、および断面を説明する図。
【図１８】実施例のＩｄ−Ｖｇ特性を説明する図。
【図１９】実施例のＩｄ−Ｖｇ特性を説明する図。
【図２０】実施例のΔＶｓｈのストレス時間依存性を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
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。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。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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、ソース領域とドレイン領域との間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
【００３３】
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ものとする。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
【００４０】
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
【００４１】
なお、本明細書等において、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。また、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいう。なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等を用いて測定することができる。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物、または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。
【００４６】
また、本明細書等において、トランジスタのノーマリーオンの特性とは、電源による電位の印加がない（０Ｖ）ときにオン状態であることをいう。例えば、トランジスタのノーマリーオンの特性とは、トランジスタのゲートに与える電圧（Ｖｇ）が０Ｖの際に、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性をさす場合がある。
【００４７】
本明細書等において、酸化物半導体は、金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）の一種である。金属酸化物とは、金属元素を有する酸化物をいう。金属酸化物は、組成や形成方法によって絶縁性、半導体性、導電性を示す場合がある。半導体性を示す金属酸化物を、金属酸化物半導体または酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）と呼ぶ。また、絶縁性を示す金属酸化物を、金属酸化物絶縁体または酸化物絶縁体と呼ぶ。また、導電性を示す金属酸化物を、金属酸化物導電体または酸化物導電体と呼ぶ。即ち、トランジスタのチャネル形成領域などに用いる金属酸化物を、酸化物半導体と呼びかえることができる。
【００４８】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１乃至図５を用いて説明する。
【００４９】
＜トランジスタの構造１＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。図１（Ａ）、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の上面図および断面図である。図１（Ａ）は上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す一点鎖線Ｌ１−Ｌ２、図１（Ｃ）は、一点鎖線Ｗ１−Ｗ２に対応する断面図である。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【００５０】
本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、層間膜として機能する絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６とを有する。
【００５１】
トランジスタ２００は、第１のゲート電極として機能する導電体２０５（導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電体２６０（導電体２６０ａ、導電体２６０ｂ、および導電体２６０ｃ）と、第１のゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４と、第２のゲート絶縁膜として機能する絶縁体２５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体２４０ａと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体２４０ｂと、導電体２４０（導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ）と接するバリア層２４５（バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂ）と、絶縁体２５０、バリア層２７０と、を有する。
【００５２】
トランジスタ２００において、酸化物２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
【００５３】
一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中の不純物及び酸素欠損によって、その電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。従って、酸素欠損が含まれている酸化物半導体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、酸化物半導体中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
【００５４】
特に、酸化物２３０におけるチャネルが形成される領域と、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体２５０との界面に、酸素欠損、またはＳｉのダングリンボンドなどが存在すると、電気特性の変動が生じやすく、また信頼性が悪くなる場合がある。従って、酸化物２３０におけるチャネルが形成される領域と、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体２５０との界面は、良好であることが好ましい。
【００５５】
そこで、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０の界面を良好に保つことが好ましい。例えば、酸化物２３０ｃとなる膜、および絶縁体２５０となる膜を、積層構造として成膜した後、酸化物２３０ｃとなる膜、および絶縁体２５０となる膜に加工処理を行うことで、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０を形成するとよい。または、同一の工程を用いて、酸化物２３０ｃとなる膜、および絶縁体２５０となる膜を、同時に加工処理を行うことで、酸化物２３０ｃと、絶縁体２５０とを形成するとよい。
【００５６】
従って、酸化物２３０ｃと絶縁体２５０との界面に、加工処理の際に生じる不純物やダメージが生じることなく、酸化物２３０ｃと絶縁体２５０とを形成することができる。従って、酸化物２３０ｃと、絶縁体２５０との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
【００５７】
また、トランジスタの微細化に伴い、酸化物２３０におけるチャネルが形成される領域、および酸化物２３０と、ソース電極、およびドレイン電極との接触面積も小さくなる。一方で、トランジスタの高いオン電流を維持するためには、チャネルが形成される領域を大きく確保することが好ましい。また、酸化物２３０は、ソース電極、およびドレイン電極と、十分なオーミック接触を確保することが好ましい。
【００５８】
例えば、図１に示すトランジスタ２００は、酸化物２３０として、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。本構成において、酸化物２３０ｃの組成は、酸化物２３０ｂの組成と、等しい、またはその近傍であるものとする。
【００５９】
つまり、酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｂとに、同じ組成の酸化物半導体を用いることで、酸化物２３０ｂだけでなく、酸化物２３０ｃにも、チャネルが形成されるため、チャネルが形成される領域を十分に確保することができる。また、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｂに、チャネルが形成された場合に、酸化物２３０ｃと酸化物２３０ｂとの界面で、電流が阻害されることなく、良好なオン特性を有するトランジスタ２００とすることができる。
【００６０】
さらに、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｂで、ソース電極、またはドレイン電極を挟み込む形状とすることで、ソース電極、またはドレイン電極と接触する面積を大きくすることができる。従って、導電体２４０と、酸化物２３０との接触面積が大きく、オーミック接触が良好なトランジスタ２００を提供することができる。
【００６１】
また、上記構成では、酸化物２３０ｂにおいて、チャネルが形成される領域の上面、および側面に、ソース電極、またはドレイン電極を形成する際の加工ダメージが生じる場合がある。そこで、酸化物２３０ｃに、酸化物２３０ｂと、同じ組成、または近傍の組成であるの酸化物半導体を用いることで、酸化物２３０ｃとなる酸化物を成膜する際に、酸化物２３０ｂにおいて、チャネルが形成される領域の上面、および側面に生じた加工ダメージを補填する場合がある。
【００６２】
以上より、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
【００６３】
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
【００６４】
第１のゲート電極として機能する導電体２０５には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等である。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、酸化しにくい（耐酸化性が高い）ため、好ましい。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
【００６５】
例えば、導電体２０５ａは、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル、または窒化チタン等を用い、導電体２０５ｂは、導電性が高いタングステンを積層するとよい。当該組み合わせを用いることで、配線としての導電性を保持したまま、酸化物２３０への水素の拡散を抑制することができる。なお、図１では、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂの２層構造を示したが、当該構成に限定されず、単層、または３層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、または導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
【００６６】
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、第１のゲート絶縁体としての機能を有する。
【００６７】
絶縁体２２２、および絶縁体２２４には、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンを含む絶縁体を単層または積層で用いることができる。または、これらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。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。
【００６８】
例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、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。
【００６９】
特に、酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、信頼性を向上させることができる。
【００７０】
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／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。
【００７１】
ここで、絶縁体２２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２２２は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有することが好ましい。なお、バリア性とは、水素、および水に代表される不純物、または酸素などの拡散を抑制する機能とする。
【００７２】
絶縁体２２２が、酸素に対するバリア性を有することで、過剰酸素領域の酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。
【００７３】
絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
【００７４】
または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【００７５】
なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
【００７６】
また、絶縁体２２０及び絶縁体２２４の間に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体２２２を有することで、特定の条件で絶縁体２２２が電子を捕獲し、しきい値電圧を増大させることができる。つまり、絶縁体２２２が負に帯電する場合がある。
【００７７】
例えば、絶縁体２２０、および絶縁体２２４に、酸化シリコンを用い、絶縁体２２２に、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタルのような電子捕獲準位の多い材料を用いた場合、半導体装置の使用温度、あるいは保管温度よりも高い温度（例えば、１２５℃以上４５０℃以下、代表的には１５０℃以上３００℃以下）の下で、導電体２０５の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、１０ミリ秒以上、代表的には１分以上維持することで、トランジスタ２００を構成する酸化物から導電体２０５に向かって、電子が移動する。この時、移動する電子の一部が、絶縁体２２２の電子捕獲準位に捕獲される。
【００７８】
絶縁体２２２の電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させたトランジスタは、しきい値電圧がプラス側にシフトする。なお、導電体２０５の電圧の制御によって電子の捕獲する量を制御することができ、それに伴ってしきい値電圧を制御することができる。当該構成を有することで、トランジスタ２００は、ゲート電圧が０Ｖであっても非導通状態（オフ状態ともいう）であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
【００７９】
また、電子を捕獲する処理は、トランジスタの作製過程におこなえばよい。例えば、トランジスタのソース導電体あるいはドレイン導電体に接続する導電体の形成後、あるいは、前工程（ウェハー処理）の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ後等、工場出荷前のいずれかの段階で行うとよい。
【００８０】
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４の膜厚を適宜調整することで、しきい値電圧を制御することができる。例えば、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２０の合計膜厚が薄くすることで導電体２０５からの電圧が効率的にかかる為、消費電力が低いトランジスタを提供することができる。
【００８１】
従って、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の高いトランジスタを提供することができる。
【００８２】
酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。トランジスタ２００をオンさせると、主として、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｂに電流が流れる（チャネルが形成される）。一方、酸化物２３０ａは、酸化物２３０ｂとの界面近傍（混合領域となっている場合もある）は電流が流れる場合があるものの、そのほかの領域は絶縁体として機能する場合がある。
【００８３】
酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃは、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物で形成される。また、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
【００８４】
特に、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｂは、同じ組成である酸化物を用いることができる。当該構成とすることで、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｂに、チャネルが形成された場合において、酸化物２３０ｃと酸化物２３０ｂとの界面で、電流が阻害されることなく、良好なオン特性を有するトランジスタ２００とすることができる。
【００８５】
また、図１（Ｃ）に示すように、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面を覆うように設けることが好ましい。従って、チャネルが形成される領域において、酸化物２３０の側面において、絶縁体２５０と酸化物２３０ｃとの界面、および酸化物２３０ｃと酸化物２３０ｂとの界面が形成される。つまり、絶縁体２５０と、酸化物２３０ｂとの間に、酸化物２３０ｃが介在することにより、側面においても、酸化物２３０ｂと絶縁体２５０とが、接することないため、絶縁体２５０と酸化物２３０との界面において酸素欠損の生成を抑制することができる。
【００８６】
また、酸化物２３０ａ上に、酸化物２３０ｂのチャネルが形成される領域を有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｂに対する不純物の拡散を抑制することができる。
【００８７】
＜＜金属酸化物＞＞
以下に、本発明に係る酸化物２３０について説明する。酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。
【００８８】
酸化物半導体は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
【００８９】
ここでは、酸化物半導体が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎＭＺｎＯである場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
【００９０】
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。
【００９１】
［金属酸化物の構成］
以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
【００９２】
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）、及びＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
［金属酸化物の構造］
酸化物半導体は、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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
＜＜酸化物半導体を有するトランジスタ＞＞
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
【０１０７】
なお、上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
【０１０８】
また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。酸化物半導体膜のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。例えば、酸化物半導体は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
【０１０９】
また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、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。
【０１１０】
また、酸化物半導体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酸化物半導体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。
【０１１１】
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
【０１１２】
＜＜不純物＞＞
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
【０１１３】
酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１１４】
また、酸化物半導体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酸化物半導体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、酸化物半導体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により得られる酸化物半導体中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【０１１５】
また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、該酸化物半導体において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物半導体中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０１１６】
また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半導体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、酸化物半導体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、酸化物半導体において、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。
【０１１７】
不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
【０１１８】
導電体２４０ａと、および導電体２４０ｂは、一方がソース電極として機能し、他方がドレイン電極として機能する。
【０１１９】
導電体２４０ａと、導電体２４０ｂとは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。
【０１２０】
また、図では単層構造を示したが、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、窒化タンタルとタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層するとよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造としてもよい。
【０１２１】
また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
【０１２２】
また、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂ上に、バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂを設けてもよい。バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂは、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。当該構成により、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂが、酸化物２３０ｃを成膜する際に、酸化することを抑制することができる。また、絶縁体２８０が有する過剰酸素領域の酸素が、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂと反応し、酸化することを防止することができる。
【０１２３】
バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂには、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
【０１２４】
バリア層２４５を有することで、導電体２４０の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体２４０に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
【０１２５】
また、導電体２４０の酸化を抑制し、絶縁体２２４、および絶縁体２８０から、脱離した酸素を効率的に酸化物２３０へと供給することができる。また、導電体２４０に導電性が高い導電体を用いることで、消費電力が小さいトランジスタ２００を提供することができる。
【０１２６】
第２のゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体２５０は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０１２７】
例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、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。
【０１２８】
また、絶縁体２５０は、絶縁体２２４と同様に、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用いることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減することができる。
【０１２９】
また、絶縁体２５０は、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化シリコンなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることができる。このような材料を用いて形成した場合、酸化物２３０からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
【０１３０】
なお、絶縁体２５０は、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４と同様の積層構造を有していてもよい。絶縁体２５０が、電子捕獲準位に必要な量の電子を捕獲させた絶縁体を有することで、トランジスタ２００は、しきい値電圧をプラス側にシフトすることができる。当該構成を有することで、トランジスタ２００は、ゲート電圧が０Ｖであっても非導通状態（オフ状態ともいう）であるノーマリーオフ型のトランジスタとなる。
【０１３１】
また、第２のゲート電極として機能を有する導電体２６０は、例えばアルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。特に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があり、また、耐酸化性が高いため、好ましい。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、リン等の不純物元素をドーピングした多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。
【０１３２】
例えば、導電体２６０ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に代表される酸化物を用いることができる。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に代表される酸化物半導体は、窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。つまりと、酸化物導電体（ＯＣ：Ｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）として機能する。そこで、導電体２６０ｂとして、金属窒化物を設けることで、酸化物半導体はキャリア密度が高くなるため、導電体２６０ａはゲート電極として機能する。
【０１３３】
また、導電体２６０ａとして、インジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、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、シリコンを含むインジウム錫酸化物（Ｉｎ−Ｓｎ−Ｓｉ酸化物：ＩＴＳＯともいう）等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。
【０１３４】
導電体２６０ａの形成方法としては、スパッタリング法を用い、形成時に酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電体２６０ａを形成することで、絶縁体２５０中に、過剰酸素領域を形成することができる。なお、導電体２６０ａの形成方法としては、スパッタリング法に限定されず、その他の方法、例えばＡＬＤ法を用いてもよい。
【０１３５】
導電体２６０ｂとして、金属窒化物を用いることで、金属窒化物中の構成元素（特に窒素）が導電体２６０ａに拡散し低抵抗化する、また、導電体２６０ｂの成膜時のダメージ（例えば、スパッタリングダメージなど）により低抵抗化することができる。また、導電体２６０ｃとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。
【０１３６】
また、導電体２６０上に、バリア層２４５ａ、およびバリア層２７０を設けてもよい。バリア層２７０は、酸素、または水素に対してバリア性を有する物質を用いることが好ましい。
【０１３７】
例えば、導電体２６０に用いる材料によっては、熱処理などの後工程において、導電体２６０が酸化し、抵抗値が高くなる可能性がある。また、酸化物２３０に過剰酸素を供給する場合において、酸素が導電体２６０に吸収されてしまう場合がある。バリア層２７０を設けることで、導電体２６０の酸化を抑制し、酸化物２３０に供給される酸素が不足することを抑制することができる。
【０１３８】
バリア層２７０は、例えば、金属酸化物を用いることができる。特に、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムなどの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。また、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いてもよい。
【０１３９】
バリア層２７０を有することで、導電体２６０の材料選択の幅を広げることができる。例えば、導電体２６０に、タングステンや、アルミニウムなどの耐酸化性が低い一方で導電性が高い材料を用いることができる。また、例えば、成膜、または加工がしやすい導電体を用いることができる。
【０１４０】
また、層間膜として機能する絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０１４１】
例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、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。
【０１４２】
例えば、絶縁体２１６、絶縁体２８０、および絶縁体２８６は、絶縁体２１４、または絶縁体２１６よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
【０１４３】
また、絶縁体２１４、絶縁体２８２は、例えば、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物２３０からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
【０１４４】
または、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理しても良い。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０１４５】
また、絶縁体２１４、絶縁体２１６、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８６が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。なお、トランジスタ２００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。
【０１４６】
上記構造を有することで、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
【０１４７】
＜トランジスタの作製方法＞
以下に、図１に示したトランジスタ２００を有する半導体装置の作製方法の一例を図２乃至図５を参照して説明する。なお、図中に示すＬ１−Ｌ２は、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図である。また、図中に示すＷ１−Ｗ２は、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図である。
【０１４８】
はじめに、基板を準備する（図示しない）。基板として使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが好ましい。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、インジウムガリウムヒ素からなる化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＧＯＩ（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板として用いてもよい。
【０１４９】
また、基板として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上にトランジスタを直接作製してもよいし、他の作製基板にトランジスタを作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
【０１５０】
次に、絶縁体２１４、および絶縁体２１６を形成する（図２（Ａ）、および図２（Ｃ））。
【０１５１】
絶縁体２１４、および絶縁体２１６は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、（熱ＣＶＤ法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を含む）、分子線エピキタシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＡＬＤ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて形成することができる。特に、当該絶縁体をＣＶＤ法、好ましくはＡＬＤ法等によって成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法が好ましい。また、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性のよい酸化シリコン膜を用いることもできる。
【０１５２】
例えば、絶縁体２１４として、スパッタリング法により酸化アルミニウムを形成する。スパッタリング法は、ＡＬＤ法よりも成膜速度が高いため、生産性を向上することができる。また、例えば、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを形成する。絶縁体２１６は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
【０１５３】
続いて、絶縁体２１６上にリソグラフィ法等を用いてレジストマスクを形成する。絶縁体２１４、および絶縁体２１６の不要な部分を除去する。その後、レジストマスクを除去することにより、開口部を形成することができる（図２（Ｃ）、および図２（Ｄ））。
【０１５４】
ここで、被加工膜の加工方法について説明する。被加工膜を微細に加工する場合には、様々な微細加工技術を用いることができる。例えば、リソグラフィ法等で形成したレジストマスクに対してスリミング処理を施す方法を用いてもよい。また、リソグラフィ法等でダミーパターンを形成し、当該ダミーパターンにサイドウォールを形成した後にダミーパターンを除去し、残存したサイドウォールをレジストマスクとして用いて、被加工膜をエッチングしてもよい。また、被加工膜のエッチングとして、高いアスペクト比を実現するために、異方性のドライエッチングを用いることが好ましい。また、無機膜または金属膜からなるハードマスクを用いてもよい。
【０１５５】
レジストマスクの形成に用いる光は、例えばｉ線（波長３６５ｎｍ）、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｈ線（波長４０５ｎｍ）、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外線やＫｒＦレーザ光、またはＡｒＦレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ）やＸ線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、Ｘ線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビームなどのビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。
【０１５６】
また、レジストマスクとなるレジスト膜を形成する前に、被加工膜とレジスト膜との密着性を改善する機能を有する有機樹脂膜を形成してもよい。当該有機樹脂膜は、例えばスピンコート法などにより、その下方の段差を被覆して表面を平坦化するように形成することができ、当該有機樹脂膜の上方に設けられるレジストマスクの厚さのばらつきを低減できる。また、特に微細な加工を行う場合には、当該有機樹脂膜として、露光に用いる光に対する反射防止膜として機能する材料を用いることが好ましい。このような機能を有する有機樹脂膜としては、例えばＢＡＲＣ（Ｂｏｔｔｏｍ  Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｃｏａｔｉｎｇ）膜などがある。当該有機樹脂膜は、レジストマスクの除去と同時に除去するか、レジストマスクを除去した後に除去すればよい。
【０１５７】
続いて、絶縁体２１４、および絶縁体２１６上に、導電膜２０５Ａ、および導電膜２０５Ｂを成膜する（図２（Ｅ）、および図２（Ｆ））。導電膜２０５Ａ、および導電膜２０５Ｂは、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）などにより成膜することができる。また、プラズマによるダメージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法が好ましい。
【０１５８】
続いて、導電膜２０５Ａ、および導電膜２０５Ｂの不要な部分を除去する。例えば、エッチバック処理、または、機械的化学的研磨法（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理などにより、絶縁体２１６が露出するまで、導電膜２０５Ａ、および導電膜２０５Ｂの一部を除去することで、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂを形成する（図２（Ｇ）、および図２（Ｈ）、なお図中矢印はＣＭＰ処理を表す。）。この際、絶縁体２１６をストッパ層として使用することもでき、絶縁体２１６が薄くなる場合がある。
【０１５９】
ここで、ＣＭＰ処理とは、被加工物の表面を化学的・機械的な複合作用により平坦化する手法である。より具体的には、研磨ステージの上に研磨布を貼り付け、被加工物と研磨布との間にスラリー（研磨剤）を供給しながら研磨ステージと被加工物とを各々回転または揺動させて、スラリーと被加工物表面との間での化学反応と、研磨布と被加工物との機械的研磨の作用により、被加工物の表面を研磨する方法である。
【０１６０】
なお、ＣＭＰ処理は、１回のみ行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてＣＭＰ処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うのが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせてもよい。
【０１６１】
次に、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４を形成する。続いて、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを成膜し、加熱処理を行う（図２（Ｉ）、および図２（Ｊ）、なお図中矢印は加熱処理を表す。）。
【０１６２】
なお、絶縁体２２０、および絶縁体２２２は必ずしも設ける必要はない。例えば、絶縁体２２４が過剰酸素領域を有する場合、導電体２０５上に、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体を形成してもよい。酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体を形成することで、導電体２０５が、過剰酸素領域の酸素と反応し、酸化物を生成することを抑制することができる。
【０１６３】
絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、絶縁体２１４、絶縁体２１６と同様の材料および方法で作製することができる。なお、絶縁体２２２には、酸化ハフニウム、および酸化アルミニウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることが好ましい。
【０１６４】
また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、連続成膜することが好ましい。連続的に成膜することで、絶縁体２２０と絶縁体２２２との界面、および絶縁体２２２と絶縁体２２４との界面に不純物が付着することなく、信頼性が高い絶縁体を形成することができる。
【０１６５】
例えば、絶縁体２２２として、ＡＬＤ法により酸化アルミニウムを形成する。ＡＬＤ法を用いて絶縁層を形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁層を形成することができる。
【０１６６】
また、例えば、絶縁体２２０、および絶縁体２２４として、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを形成する。特に、絶縁体２２４は、過剰酸素を含む絶縁層であることが好ましい。例えば、絶縁体２２４の形成後に酸素ドープ処理を行うことで、絶縁体２２４に過剰酸素領域を形成してもよい。
【０１６７】
続いて、絶縁体２２４に含まれる水分または水素などの不純物をさらに低減するために、加熱処理を行うことが好ましい。
【０１６８】
また、加熱処理の前に、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、露出した絶縁層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。
【０１６９】
加熱処理は、例えば、窒素や希ガスなどを含む不活性雰囲気下、酸化性ガス雰囲気下、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）雰囲気下で行なう。なお、「酸化性ガス雰囲気」とは、酸素、オゾンまたは窒化酸素などの酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含有する雰囲気をいう。また、「不活性雰囲気」とは、前述の酸化性ガスが１０ｐｐｍ未満であり、その他、窒素または希ガスで充填された雰囲気をいう。加熱処理中の圧力に特段の制約はないが、加熱処理は減圧下で行なうことが好ましい。
【０１７０】
なお、不活性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。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。処理時間は２４時間以内とする。２４時間を超える加熱処理は生産性の低下を招くため好ましくない。
【０１７１】
例えば、窒素ガス雰囲気中で４００℃、１時間の加熱処理を行った後、窒素ガスを酸素ガスに換えて、さらに４００℃、１時間の加熱処理を行なうとよい。始めに窒素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、絶縁体２２４に含まれる水分または水素などの不純物が放出されて、絶縁体２２４中の不純物濃度が低減される。続いて酸素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより絶縁体２２４中に酸素が導入される。
【０１７２】
続いて、酸化物２３０ａとなる酸化膜２３０Ａと、酸化物２３０ｂとなる酸化膜２３０Ｂを順に成膜する。当該酸化物は、大気に触れさせることなく連続して成膜することが好ましい。
【０１７３】
例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する。また、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。
【０１７４】
特に、酸化膜２３０Ａの形成時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給される場合がある。
【０１７５】
スパッタリング法による成膜時には、ターゲットと基板との間には、イオンとスパッタされた粒子とが存在する。例えば、ターゲットは、電源が接続されており、電位Ｅ０が与えられる。また、基板は、接地電位などの電位Ｅ１が与えられる。ただし、基板が電気的に浮いていてもよい。また、ターゲットと基板の間には電位Ｅ２となる領域が存在する。各電位の大小関係は、Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ０である。
【０１７６】
プラズマ内のイオンが、電位差Ｅ２−Ｅ０によって加速され、ターゲットに衝突することにより、ターゲットからスパッタされた粒子がはじき出される。このスパッタされた粒子が成膜表面に付着し、堆積することにより成膜が行われる。また、一部のイオンはターゲットによって反跳し、反跳イオンとして形成された膜を介して、形成された膜の下部にある絶縁体２２４に取り込まれる場合がある。また、プラズマ内のイオンは、電位差Ｅ２−Ｅ１によって加速され、成膜表面を衝撃する。この際、イオンの一部のイオンは、絶縁体２２４の内部まで到達する。イオンが絶縁体２２４に取り込まれることにより、イオンが取り込まれた領域が絶縁体２２４に形成される。つまり、イオンが酸素を含むイオンであった場合において、絶縁体２２４に過剰酸素領域が形成される。
【０１７７】
絶縁体２２４に過剰な酸素を導入することで、過剰酸素領域を形成することができる。絶縁体２２４の過剰な酸素は、酸化物２３０に供給され、酸化物２３０の酸素欠損が補填することができる。
【０１７８】
従って、酸化膜２３０Ａを成膜すると同時に、絶縁体２２４に過剰酸素を有する領域を形成することができる。なお、スパッタリングガスに含まれる酸素が多いほど、絶縁体２２４に供給される酸素も増加する。また、絶縁体２２４に供給された酸素の一部は、絶縁体２２４中に残存する水素と反応して水となり、後の加熱処理によって絶縁体２２４から放出される。従って、絶縁体２２４中の水素濃度を低減することができる。
【０１７９】
なお、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。酸化膜２３０Ａ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２３０ｂに酸素を供給することができる。
【０１８０】
続いて、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する。この時、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。
【０１８１】
酸化膜２３０Ｂに酸素欠乏型の酸化物半導体を用いる場合は、酸化膜２３０Ａに過剰酸素を含む酸化膜を用いることが好ましい。また、酸化膜２３０Ｂの形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０１８２】
なお、酸化物を、スパッタリング法により成膜する場合、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場合がある。例えば、成膜時の基板温度によっては、ターゲットにおける亜鉛（Ｚｎ）の原子数比よりも、膜における亜鉛（Ｚｎ）の原子数比が小さくなる場合がある。
【０１８３】
具体的に、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃとして、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜する場合について説明する。ターゲットにＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のターゲットを用いて、スパッタリング法により、成膜した膜は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］以上、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］以下となる場合がある。
【０１８４】
また、同じ原子数比であるターゲットを用いて成膜した膜でも、他の成膜条件が異なる場合、厳密には、組成が異なる膜が成膜される場合がある。従って、本明細書において、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃを、同じ原子数比のターゲットを用いて成膜した場合、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃの原子数比は、等しい、または、その近傍であるとする。
【０１８５】
例えば、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｃには、インジウム（Ｉｎ）の原子数比が、３０ａｔｏｍｉｃ％以上、５０％以下、好ましくは４０ａｔｏｍｉｃ％以下であるＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。また、酸化膜２３０Ｂの組成が、酸化膜２３０Ｃの組成と近傍であるとは、インジウム（Ｉｎ）の原子数比が、１０ａｔｏｍｉｃ％以内で異なる場合を含む。
【０１８６】
続いて、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂに含まれる水分または水素などの不純物をさらに低減して、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを高純度化するために、加熱処理を行うことが好ましい。
【０１８７】
また、加熱処理を行うことにより、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の不純物の放出と同時に、絶縁体２２４に含まれる酸素を酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中に拡散させ、該酸化物に含まれる酸素欠損を低減することができる。
【０１８８】
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。処理時間は２４時間以内とする。２４時間を超える加熱処理は生産性の低下を招くため好ましくない。
【０１８９】
例えば、窒素ガス雰囲気中で４００℃、１時間の加熱処理を行った後、窒素ガスを酸素ガスに換えて、さらに４００℃、１時間の加熱処理を行なうとよい。始めに窒素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂに含まれる水分または水素などの不純物が放出されて、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の不純物濃度が低減される。続いて酸素ガス雰囲気中で加熱処理を行うことにより、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中に酸素が導入される。
【０１９０】
また、加熱処理の前に、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、露出した絶縁層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。
【０１９１】
次に、導電膜２４０Ａ、バリア膜２４５Ａ、およびハードマスクとなる膜２９０Ａを形成する（図３（Ａ）、および図３（Ｂ））。
【０１９２】
例えば、導電膜２４０Ａとして、窒化タンタル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、後工程において加熱処理を行う場合に好ましい。
【０１９３】
また、導電膜２４０Ａが酸化膜２３０Ｂと接することで、酸化膜２３０Ｂの表面に不純物元素が導入する場合がある。酸化膜２３０Ｂに不純物が添加されることで、トランジスタ２００のしきい値電圧を変化させることができる。なお、導電膜２４０Ａを形成する前に、イオン注入法、またはプラズマイマージョン注入法、または不純物元素を含むガスを用いたプラズマ処理などを行うことで、不純物元素を導入してもよい。また、導電膜２４０Ａの形成後に不純物元素の導入をイオン注入法などで行なってもよい。
【０１９４】
例えば、バリア膜２４５Ａとして、ＡＬＤ法により酸化アルミニウムを形成するとよい。ＡＬＤ法を用いて形成することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える膜を形成することができる。
【０１９５】
例えば、ハードマスクとなる膜２９０Ａとして、窒化タンタルをスパッタリング法で形成する。なお、該ハードマスクは、後の工程で、導電膜２４０Ａと同時に加工するため、導電膜２４０Ａと同じ材料、または、エッチングレートが近い材料で形成することが好ましい。
【０１９６】
次に、ハードマスクとなる膜２９０Ａ上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、ハードマスクとなる膜２９０Ａの一部を選択的に除去することで、開口を有するハードマスクとなる膜２９０Ｂを形成する（図３（Ｃ）、および図３（Ｄ））。なお、本レジストマスクによる開口の形成は、最小加工寸法を用いて行うことが好ましい。従って、バリア膜２４５Ｂは、幅が最小加工寸法の開口を有する。
【０１９７】
なお、開口を形成する際に、ハードマスクとなる膜２９０Ｂの開口側の側面は、導電膜２４０Ａの上面に対して、角度を有することが好ましい。なお、角度は、３０度以上９０度以下、好ましくは４５度以上８０度以下とする。
【０１９８】
次に、ハードマスクとなる膜２９０Ｂ、およびバリア膜２４５Ａ上に、フォトリソグラフィ法により、レジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、ハードマスクとなる膜２９０Ｂ、バリア膜２４５Ａ、および導電膜２４０Ａの一部を選択的に除去し、島状の導電膜２４０Ｂ、ハードマスク２９０ａ、ハードマスク２９０ｂ、およびバリア膜２４５Ｂを形成する（図３（Ｅ）、および図３（Ｆ））。
【０１９９】
続いて、島状の導電膜２４０Ｂ、ハードマスク２９０ａ、ハードマスク２９０ｂをマスクとして、バリア膜２４５Ｂの一部、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの一部を選択的に除去する。なお、本工程において、同時に絶縁体２２４の一部も除去される場合がある。その後、レジストマスクを除去することにより、島状の酸化物２３０ａ、島状の酸化物２３０ｂ、を形成することができる（図３（Ｇ）、および図３（Ｈ））。
【０２００】
なお、この時、バリア膜２４５Ｂから、バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂが形成する。つまり、ハードマスクとなる膜２９０Ｂにおける開口を最小加工寸法とした場合、バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂの間の距離は、最小寸法となる。
【０２０１】
続いて、ハードマスク２９０ａ、およびハードマスク２９０ｂを除去すると同時に、島状の導電膜２４０Ｂの一部を選択的に除去する。本工程により、導電膜２４０Ｂを、導電体２４０ａ、導電体２４０ｂに分離する（図４（Ａ）、および図４（Ｂ））。
【０２０２】
導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂは、トランジスタ２００のソース電極およびドレイン電極としての機能を有するので、導電体２４０ａと導電体２４０ｂのお互いに向かい合う間隔の長さは、本トランジスタのチャネル長と呼ぶことができる。つまり、バリア膜２４５Ｂの開口を最小加工寸法とした場合、バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂの間の距離は、最小寸法であるため、最小加工寸法より小さなゲート線幅およびチャネル長を形成することができる。
【０２０３】
なお、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４０Ａ、およびバリア膜２４５Ａ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。
【０２０４】
また、ドライエッチング法により導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂを形成した場合は、露出した酸化物２３０ｂ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２３０ｂ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。当該不純物の低減は、例えば、希フッ酸などを用いた洗浄処理、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。
【０２０５】
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２３０ｂ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。
【０２０６】
また、露出した酸化物２３０ｂに対して、酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０２０７】
次に、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａ、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂ、および導電膜２６０Ｃを形成する（図４（Ｃ）、および図４（Ｄ））。
【０２０８】
酸化膜２３０Ｃとして、酸化物２３０ｂと同じ組成の酸化物を成膜することが好ましい。例えば、酸化膜２３０Ｃ、および酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、各金属元素の原子数比が、おおよそ等しい膜となるように、成膜することが好ましい。具体的には、スパッタリング法を用いて成膜する場合、各金属元素の原子数比が同じターゲットを用いて成膜するとよい。
【０２０９】
なお、酸化物２３０ｂにおいて、チャネルが形成される領域の上面、および側面には、ソース電極、またはドレイン電極を形成する際に生じる加工ダメージが生じる場合がある。そこで、酸化膜２３０Ｃを成膜する際に、酸化膜２３０Ｂの成膜に用いたターゲットと同じ原子数比のターゲットを用いることが好ましい。従って、酸化膜２３０Ｃは、酸化物２３０ｂと、金属元素の原子数比が等しい膜として成膜される。すなわち、酸化膜２３０Ｃを成膜することにより、酸化物２３０ｂにおいて、チャネルが形成される領域の上面、および側面に生じた加工ダメージを補償する場合がある。従って、酸化物２３０ｂと酸化膜２３０Ｃとの界面は、良好な状態となる。
【０２１０】
また、酸化物２３０ｃと、酸化物２３０ｂとに、同じ組成の酸化物半導体を用いることで、酸化物２３０ｃだけでなく、酸化物２３０ｂにも、チャネルが形成されるため、チャネルが形成される領域を十分に確保することができる。また、酸化物２３０ｃ、および酸化物２３０ｂに、チャネルが形成された場合に、酸化物２３０ｃと酸化物２３０ｂとの界面で、電流が阻害されることなく、良好なオン特性を有するトランジスタ２００とすることができる。
【０２１１】
また、例えば、酸化膜２３０Ｃとして、酸化物２３０ａと同様に、過剰酸素を含む酸化物を用いることが好ましい。また、酸化物２３０ａと同様に、酸化物２３０ｃの形成時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁体２２４に供給され、過剰酸素領域を形成する場合がある。また、絶縁体２２４中に供給された酸素の一部は、絶縁体２２４中に残存する水素と反応して水となり、後の加熱処理によって絶縁体２２４から放出される。よって、絶縁体２２４中の水素濃度を低減することができる。
【０２１２】
なお、スパッタリングガスに含まれる酸素が多いほど、絶縁体２２４に供給される酸素も増加する。また、絶縁体２２４に供給された酸素の一部は、絶縁体２２４中に残存する水素と反応して水となり、後の加熱処理によって絶縁体２２４から放出される。従って、絶縁体２２４中の水素濃度を低減することができる。
【０２１３】
なお、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。酸化膜２３０Ａ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２３０ｂに酸素を供給することができる。
【０２１４】
なお、酸化膜２３０Ｃを形成後に、酸素ドープ処理、または加熱処理の一方、あるいは両方を行ってもよい。加熱処理を行うことで、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃに含まれる酸素を酸化物２３０ｂに供給することができる。酸化物２３０ｂに酸素を供給することで、酸化物２３０ｂ中の酸素欠損を低減することができる。よって、酸化物２３０ｂに酸素欠乏型の酸化物半導体を用いる場合は、酸化物２３０ｃに過剰酸素を含む半導体を用いることが好ましい。
【０２１５】
また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面を覆うように設けることが好ましい。従って、チャネルが形成される領域において、酸化物２３０の側面において、絶縁体２５０と酸化物２３０ｃとの界面、および酸化物２３０ｃと酸化物２３０ｂとの界面が形成される。つまり、絶縁体２５０と、酸化物２３０ｂとの間に、酸化物２３０ｃが介在することにより、側面においても、酸化物２３０ｂと絶縁体２５０とが、接することないため、絶縁体２５０と酸化物２３０との界面において酸素欠損の生成を抑制することができる。該構成とすることで、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
【０２１６】
続いて、絶縁体２５０となる絶縁膜２５０Ａを成膜する。例えば、絶縁膜２５０ＡとしてＣＶＤ法により酸化窒化シリコンを形成する。なお、絶縁膜２５０Ａは過剰酸素を含む絶縁層であることが好ましい。また、絶縁膜２５０Ａに酸素ドープ処理を行ってもよい。また、絶縁膜２５０Ａ形成後に、加熱処理を行ってもよい。
【０２１７】
次に、例えば、導電膜２６０Ａとして、スパッタリング法により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。また、例えば、導電膜２６０Ｂとして、スパッタリング法により、金属窒化物を用いる。
【０２１８】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物に代表される酸化物半導体は、窒素または水素が供給されることで、キャリア密度が高くなる。つまりと、酸化物導電体（ＯＣ：Ｏｘｉｄｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）として機能する。そこで、導電膜２６０Ｂとして、スパッタリング法により、金属窒化物を形成することで、金属窒化物中の構成元素（特に窒素）が導電膜２６０Ａに拡散し低抵抗化する、また、導電膜２６０Ｂの成膜時のダメージ（例えば、スパッタリングダメージなど）により低抵抗化する。従って、導電膜２６０Ａは、キャリア密度が高くなるため、導電膜２６０Ａの導電性が高くなる。
【０２１９】
導電膜２６０Ａの形成方法としては、スパッタリング法を用い、形成時に酸素ガスを含む雰囲気で形成することが好ましい。形成時に酸素ガスを含む雰囲気で導電膜２６０Ａを形成することで、絶縁体２５０中に、過剰酸素領域を形成することができる。なお、導電膜２６０Ａの形成方法としては、スパッタリング法に限定されず、その他の方法、例えばＡＬＤ法を用いてもよい。
【０２２０】
また、導電膜２６０Ｃとして、低抵抗の金属膜を積層することで、駆動電圧が小さなトランジスタを提供することができる。
【０２２１】
次に、導電膜２６０Ｃ上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、導電膜２６０Ａ、導電膜２６０Ｂおよび導電膜２６０Ｃの一部を選択的に除去して、導電体２６０を形成する（図４（Ｅ）、および図４（Ｆ））。
【０２２２】
続いて、導電体２６０、および絶縁膜２５０Ａ上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、絶縁膜２５０Ａ、および酸化膜２３０Ｃの一部を選択的に除去して、絶縁体２５０ａ、および酸化物２３０ｃを形成する（図４（Ｇ）、および図４（Ｈ））。
【０２２３】
ここで、酸化膜２３０Ｃ、および絶縁膜２５０Ａを含む積層構造を、加工処理を同時に行うことで、酸化物２３０ｃと、絶縁体２５０とを形成する。従って、酸化物２３０ｃと絶縁体２５０との界面に、加工処理の際に生じる不純物やダメージが生じることなく、酸化物２３０ｃと絶縁体２５０とを形成することができる。つまり、酸化物２３０ｃと、絶縁体２５０との界面における酸素欠損の形成が抑制され、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
【０２２４】
次に、バリア膜２７０Ａを成膜する（図５（Ａ）、および図５（Ｂ））。バリア膜２７０Ａには、被膜性が高く、緻密な膜を用いることが好ましい。また、バリア膜２７０Ａには、酸素、水素、および水に対するバリア性を有することが好ましい。バリア膜２７０Ａが、酸素に対するバリア性を有することで、導電体２６０が過剰酸素領域の酸素を、吸収することを抑制し、また、導電体２６０が酸化することによる導電性の低下を抑制することができる。
【０２２５】
例えば、バリア膜２７０Ａとして、ＡＬＤ法により、酸化アルミニウムを成膜するとよい。ＡＬＤ法を用いて成膜することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備えるバリア膜２７０Ａを形成することができる。
【０２２６】
次に、バリア膜２７０Ａ上にフォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いて、バリア膜２７０Ａの一部を選択的に除去して、バリア層２７０を形成する（図５（Ｃ）、および図４（Ｄ））。
【０２２７】
以上の工程により、本発明の一態様のトランジスタ２００を作製することができる。
【０２２８】
続いて、トランジスタ２００上に、絶縁体２８０を形成する。また、絶縁体２８０となる絶縁体を形成した後、その上面の平坦性を高めるためにＣＭＰ法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。
【０２２９】
なお、絶縁体２８０は、絶縁体２８０は、過剰酸素領域を有していてもよい。従って、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体を用いるとよい。過剰酸素を含む絶縁体を形成する方法としては、ＣＶＤ法やスパッタリング法における成膜条件を適宜設定して膜中に酸素を多く含ませた酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜を形成することができる。
【０２３０】
なお、絶縁体２８０に酸素を過剰に含有させるためには、例えば酸素雰囲気下にて絶縁体２８０の成膜を行えばよい。または、成膜後の絶縁体２８０に酸素を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成してもよく、双方の手段を組み合わせてもよい。
【０２３１】
例えば、成膜後の絶縁体２８０に酸素（少なくとも酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオンのいずれかを含む）を導入して酸素を過剰に含有する領域を形成する。酸素の導入方法としては、イオン注入法、プラズマイマージョンイオン注入法、プラズマ処理などを用いることができる。
【０２３２】
また、酸素導入処理として、酸素を含むガスを用いることができる。酸素を含むガスとしては、酸素、一酸化二窒素、二酸化窒素、二酸化炭素、一酸化炭素などを用いることができる。また、酸素導入処理において、酸素を含むガスに希ガスを含ませてもよく、例えば、二酸化炭素と水素とアルゴンの混合ガスを用いることができる。
【０２３３】
続いて、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成する。絶縁体２８２は、スパッタリング装置により成膜することが好ましい。当該構造とすることで、容易に絶縁体２８２の下層である絶縁体２８０に過剰酸素領域を形成することができる。
【０２３４】
続いて、絶縁体２８２上に、絶縁体２８６を形成する（図５（Ｅ）、および図５（Ｆ））。例えば、絶縁体２８６として、ＣＶＤ法により、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などの、酸素を含む絶縁体を形成する。絶縁体２８６は、絶縁体２８２よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
【０２３５】
以上の工程により、本発明の一態様の半導体装置を作製することができる。
【０２３６】
＜トランジスタ構造２＞
図６には、トランジスタ２００を有する半導体装置の一例を示す。図６（Ａ）は半導体装置の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図６（Ａ）において一部の膜は省略されている。また、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ｌ１−Ｌ２に対応する断面図であり、図６（Ｃ）はＷ１−Ｗ２に対応する断面図である。
【０２３７】
なお、図６に示す半導体装置において、図１に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
【０２３８】
図６に示す構造は、バリア層２７０、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０の端部が重なっている。つまり、バリア層２７０、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０は、同一工程で加工処理を行うことができる。バリア層２７０、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０を同一工程で加工処理を行うことにより、工程を簡略化することができる。
【０２３９】
また、図６に示す構造は、導電体２６０を、２層構造で設けている。例えば、導電体２６０ａは、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法またはＡＬＤ法を用いて形成する。特に、ＡＬＤを用いて形成することが好ましい。ＡＬＤ法等により形成することで、絶縁体２５０に対する成膜時のダメージを減らすことができる。また、被覆性を向上させることができるため、導電体２６０をＡＬＤ法により形成することが好ましい。従って、信頼性が高いトランジスタ２００を提供することができる。
【０２４０】
続いて、導電体２６０ｂはスパッタリング法を用いて形成する。この時、絶縁体２５０上に、導電体２６０ａを有することで、導電体２６０ｂの成膜時のダメージが、絶縁体２５０に影響することを抑制することができる。また、ＡＬＤ法と比較して、スパッタリング法は成膜速度が速いため、歩留まりが高く、生産性を向上させることができる。
【０２４１】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０２４２】
＜トランジスタ構造３＞
図７には、トランジスタ２００を有する半導体装置の一例を示す。図７（Ａ）は半導体装置の上面を示す。なお、図の明瞭化のため、図７（Ａ）において一部の膜は省略されている。また、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す一点鎖線Ｌ１−Ｌ２に対応する断面図であり、図７（Ｃ）はＷ１−Ｗ２に対応する断面図である。
【０２４３】
なお、図７に示す半導体装置において、図１に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。
【０２４４】
図７に示す構造は、絶縁体２２４、絶縁体２５０、および導電体２６０を覆うように、絶縁体２７２、および絶縁体２７４を設ける。
【０２４５】
絶縁体２２４、および絶縁体２５０が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２７２、および絶縁体２７４の積層体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有することが好ましい。絶縁体２７２、および絶縁体２７４の積層体が、酸素に対するバリア性を有することで、過剰酸素領域の酸素は、トランジスタ２００の外側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。
【０２４６】
また、絶縁体２７２、および絶縁体２７４の積層体が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の外側領域の水素、および水は、トランジスタ２００の内側へ拡散することなく、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
【０２４７】
絶縁体２７２、および絶縁体２７４は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などを含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウム、などの、酸素や水素に対してバリア性のある絶縁膜を用いることが好ましい。このような材料を用いて形成した場合、酸化物２３０からの酸素の放出や、外部からの水素等の不純物の混入を防ぐ層として機能する。
【０２４８】
または、上述した絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。または、上述した絶縁体に対して、窒化処理しても良い。上述した絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。
【０２４９】
例えば、絶縁体２７２は、被膜性が高く、緻密な膜を用いることが好ましい。被膜性が高く緻密な膜としては、例えば、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いた酸化アルミニウムを用いることができる。ＡＬＤ法を用いて成膜することで、緻密な、クラックやピンホールなどの欠陥が低減された、または均一な厚さを備える絶縁体２７２を形成することができる。また、ＡＬＤ法は、スパッタリング法と比較して、被成膜物に対する成膜時のダメージを抑制することができるため、絶縁体２５０と、絶縁体２７２との界面を良好に保つことができる。
【０２５０】
また、例えば、絶縁体２７４は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する酸化物絶縁体であることが好ましい。例えば、絶縁体２７４として、スパッタリング法を用いた酸化アルミニウムを用いることができる。酸化アルミニウムを形成する場合、スパッタリング法は、ＡＬＤ法と比較して、成膜速度が速いため、酸素、水素、および水に対する十分なバリア性を確保することができる膜厚の絶縁体２７４を、歩留まり高く形成することができる。
【０２５１】
被膜性が高く緻密な絶縁体２７２上に、バリア性を有する絶縁体２７４を積層することで、バリア性の高い絶縁体とすることができる。また、絶縁体２７２と、絶縁体２７４は、同じ膜種で設けることが好ましい。絶縁体２７２と、絶縁体２７４とを、同じ膜種とすることで、後の工程での加工を容易にすることができる。例えば、導電体２４０、または導電体２６０などに達する開口を形成する場合、絶縁体２７２、および絶縁体２７４に対し、同一の加工条件で開口を形成することができる。
【０２５２】
また、ＡＬＤ法により成膜した酸化アルミニウムに、スパッタリング法により成膜した酸化アルミニウムを積層することで、信頼性、および生産性が高い積層体を設けることができる。
【０２５３】
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態および他の実施例に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
【０２５４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図８乃至図１３を用いて説明する。
【０２５５】
［記憶装置１］
本発明の一態様である容量素子を使用した、半導体装置（記憶装置）の一例を図８乃至図１２に示す。
【０２５６】
図８、および図９に示す半導体装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。
【０２５７】
トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
【０２５８】
図８、および図９に示すにおいて、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の第１のゲートと電気的に接続され、配線３００６はトランジスタ２００の第２のゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線３００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
【０２５９】
図８、および図９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。
【０２６０】
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノード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、第４の配線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）。
【０２６１】
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。
【０２６２】
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線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第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがって、第５の配線３００５の電位を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、第５の配線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、第５の配線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、第２の配線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。
【０２６３】
＜半導体装置１の構造＞
本発明の一態様の半導体装置は、図８に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
【０２６４】
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。
【０２６５】
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。
【０２６６】
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。
【０２６７】
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。
【０２６８】
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。
【０２６９】
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。
【０２７０】
なお、図８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。
【０２７１】
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。
【０２７２】
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。
【０２７３】
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。
【０２７４】
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。
【０２７５】
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
【０２７６】
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。
【０２７７】
なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２４の比誘電率は、絶縁体３２６の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
【０２７８】
また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能を有する。また、プラグまたは配線として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。
【０２７９】
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。
【０２８０】
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８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。
【０２８１】
なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
【０２８２】
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。
【０２８３】
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。
【０２８４】
例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
【０２８５】
水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
【０２８６】
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。
【０２８７】
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
【０２８８】
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、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
【０２８９】
また、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体（導電体２０５）等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。
【０２９０】
特に、絶縁体２１０、および絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、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への水素の拡散を抑制することができる。
【０２９１】
絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。なお、トランジスタ２００の構造は、先の実施の形態で説明したトランジスタを用いればよい。また、図８に示すトランジスタ２００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
【０２９２】
トランジスタ２００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に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ２００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が有する酸化物２３０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。
【０２９３】
過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ分析にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／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。
【０２９４】
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。
【０２９５】
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。
【０２９６】
特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
【０２９７】
また、絶縁体２８２上には、絶縁体２８６が設けられている。絶縁体２８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、当該絶縁膜に、比較的誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２８６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
【０２９８】
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には、導電体２４６、および導電体２４８等が埋め込まれている。
【０２９９】
導電体２４６、および導電体２４８は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。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。
【０３００】
続いて、トランジスタ２００の上方には、容量素子１００が設けられている。容量素子１００は、導電体１１０と、導電体１２０、および絶縁体１３０とを有する。
【０３０１】
また、導電体２４６、および導電体２４８上に、導電体１１２を設けてもよい。導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能を有する。導電体１１０は、容量素子１００の電極として機能を有する。なお、導電体１１２、および導電体１１０は、同時に形成することができる。
【０３０２】
導電体１１２、および導電体１１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。
【０３０３】
図８では、導電体１１２、および導電体１１０は単層構造を示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
【０３０４】
また、導電体１１２、および導電体１１０上に、容量素子１００の誘電体のとして、絶縁体１３０を設ける。絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
【０３０５】
例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子１００は、絶縁体１３０を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
【０３０６】
絶縁体１３０上に、導電体１１０と重畳するように、導電体１２０を設ける。なお、導電体１２０は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
【０３０７】
導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。絶縁体１５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体１５０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
【０３０８】
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、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
【０３０９】
＜記憶装置１の変形例１＞
また、本実施の形態の変形例の一例を、図９に示す。図９は、図８と、トランジスタ３００の構成が異なる。
【０３１０】
図９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。
【０３１１】
以上が変形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、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
【０３１２】
＜記憶装置１の変形例２＞
記憶装置の変形例の一例を、図１０に示す。図１０は、図８、および図９と、容量素子１００の配置などが異なる。
【０３１３】
図１０に示す容量素子１００は、トランジスタ２００と同じ層で形成している。図１０に示す容量素子１００は、バリア層１２２、導電体１２０、絶縁体２５０、酸化物２３０ｃ、バリア層２４５ｂ、および導電体２４０ｂを有する。導電体１２０、および導電体２４０ｂは、容量素子１００の電極として機能を有し、バリア層２４５ｂ、酸化物２３０ｃ、および絶縁体２５０は容量素子１００の誘電体として機能を有する。なお、バリア層１２２は、導電体１２０の酸化を防ぐ機能を有する。
【０３１４】
導電体１２０は導電体２６０と同じ層であり、バリア層１２２は、バリア層２７０と同じ層である。従って、導電体１２０は、導電体２６０と、同一の工程で形成することができる。また、バリア層１２２は、バリア層２７０と同一の工程で形成することができる。つまり、工程を短縮することができるため、生産性を向上させることができる。
【０３１５】
また、図１０に示す構成を用いることで、トランジスタ２００と、容量素子１００合わせて形成することで、工程を短縮することが可能となる。
【０３１６】
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記憶装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された記憶装置を提供することができる。
【０３１７】
以上が変形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、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
【０３１８】
＜メモリセルアレイの構造＞
本実施の形態のメモリセルアレイの一例を、図１１に示す。図８、および図９に示す半導体装置をマトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。図１１は、図８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。
【０３１９】
図１１には、トランジスタ３００、トランジスタ２００、および容量素子１００を有する半導体装置と、トランジスタ３０１、トランジスタ２０１、および容量素子１０１を有する半導体装置と、を有する半導体装置とが、同じ行に配置されている。
【０３２０】
図１１に示すように、メモリセルアレイは、複数個のトランジスタ（図ではトランジスタ２００、およびトランジスタ２０１）を有する。
【０３２１】
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第５の配線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をのみ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第５の配線３００５に与えればよい。
【０３２２】
［記憶装置２］
本発明の一態様である半導体装置を使用した、記憶装置の一例を図１２に示す。
【０３２３】
図１２に示す記憶装置は、図８で示したトランジスタ２００、トランジスタ３００、および容量素子１００を有する半導体装置に加え、トランジスタ４００を有している。
【０３２４】
トランジスタ４００は、トランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。例えば、トランジスタ４００の第１のゲート及び第２のゲートをソースとダイオード接続し、トランジスタ４００のソースと、トランジスタ２００の第２のゲートを接続する構成とする。当該構成でトランジスタ２００の第２のゲートの負電位を保持するとき、トランジスタ４００の第１のゲートーソース間の電圧および、第２のゲートーソース間の電圧は、０Ｖになる。トランジスタ４００において、第２のゲート電圧及び第１のゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流が非常に小さいため、トランジスタ２００およびトランジスタ４００に電源供給をしなくても、トランジスタ２００の第２のゲートの負電位を長時間維持することができる。これにより、トランジスタ２００、およびトランジスタ４００を有する記憶装置は、長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。
【０３２５】
従って、図１２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１００の電極の一方と電気的に接続され、配線３００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。配線３００７はトランジスタ４００のソースと電気的に接続され、配線３００８はトランジスタ４００のゲートと電気的に接続され、配線３００９はトランジスタ４００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４００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。
【０３２６】
図１２に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０３２７】
また、図１２に示す記憶装置は、図８に示す記憶装置と同様に、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。なお、１個のトランジスタ４００は、複数のトランジスタ２００の第２のゲート電圧を制御することができる。そのため、トランジスタ４００は、トランジスタ２００よりも、少ない個数を設けるとよい。
【０３２８】
＜記憶装置２の構造＞
トランジスタ４００は、トランジスタ２００と同じ層に形成されており、並行して作製することができるトランジスタである。トランジスタ４００は、第１のゲート電極として機能する導電体４６０（導電体４６０ａ、および導電体４６０ｂ）と、第２のゲート電極として機能する導電体４０５（導電体４０５ａ、および導電体４０５ｂ）と、導電体４６０と接するバリア層４７０と、ゲート絶縁層として機能する絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および絶縁体４５０と、チャネルが形成される領域を有する酸化物４３０ｃと、ソースまたはドレインの一方として機能する導電体４４０ａ、酸化物４３１ａ、および酸化物４３１ｂと、ソースまたはドレインの他方として機能する導電体４４０ｂ、酸化物４３２ａ、および酸化物４３２ｂと、導電体４４０（導電体４４０ａ、および導電体４４０ｂ）バリア層４４５（バリア層４４５ａ、およびバリア層４４５ｂ）を有する。
【０３２９】
トランジスタ４００において、導電体４０５は、導電体２０５と、同じ層である。酸化物４３１ａ、および酸化物４３２ａと、酸化物２３０ａと、同じ層であり、酸化物４３１ｂ、および酸化物４３２ｂと、酸化物２３０ｂと、同じ層である。導電体４４０は、導電体２４０と、同じ層である。酸化物４３０ｃは、酸化物２３０ｃは同じ層である。絶縁体４５０は、絶縁体２５０と、同じ層である。導電体４６０は、導電体２６０と、同じ層である。バリア層４７０は、バリア層２７０と、同じ層である。
【０３３０】
トランジスタ４００の活性層として機能する酸化物４３０ｃは、酸化物２３０などと同様に、酸素欠損が低減され、水素または水などの不純物が低減されている。これにより、トランジスタ４００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減し、第２のゲート電圧及び第１のゲート電圧が０Ｖのときのドレイン電流を非常に小さくすることができる。
【０３３１】
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１２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。
【０３３２】
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４００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、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、及び絶縁体２１６の側面を覆うように、絶縁体２８２を設ける。
【０３３３】
つまり、該開口部において、絶縁体２２２、および絶縁体２１０と、絶縁体２８２とが接する。このとき、絶縁体２２２、絶縁体２１０の少なくとも一と、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。
【０３３４】
当該構造により、絶縁体２１０、絶縁体２２２、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４００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基板を複数有する回路領域ごとに、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４００に拡散することを防ぐことができる。
【０３３５】
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４００におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００、またはトランジスタ４００の電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。
【０３３６】
＜記憶装置２の変形例１＞
また、本実施の形態の変形例の一例を、図１３に示す。図１３は、図１２と、トランジスタ４００の構成が異なる。
【０３３７】
図１３に示すトランジスタ４００は、導電体４４０ａ、導電体４４１ａ、導電体４４０ｂ、および導電体４４１ｂが、導電体４０５と同層に設けられている。つまり、トランジスタ４００において、ソース電極またはドレイン電極は、第２のゲート電極と同時に設けることができる。
【０３３８】
以上が変形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、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、消費電力が低減された半導体装置を提供することができる。
【０３３９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図１４、および図１５を用いて説明する。
【０３４０】
＜半導体ウエハ、チップ＞
図１４（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。
【０３４１】
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１４（Ｂ）にチップ７１５の拡大図を示す。
【０３４２】
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。
【０３４３】
＜電子部品＞
チップ７１５を用いた電子部品の一例について、図１５（Ａ）および図１５（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。
【０３４４】
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。
【０３４５】
図１５（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。
【０３４６】
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。
【０３４７】
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。
【０３４８】
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。
【０３４９】
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）。
【０３５０】
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。
【０３５１】
また、完成した電子部品の斜視模式図を図１５（Ｂ）に示す。図１５（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１５（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。
【０３５２】
図１５（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。
【０３５３】
（実施の形態４）
＜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１６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。
【０３５４】
図１６（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。
【０３５５】
図１６（Ｂ）に示す情報端末２９１０は、筐体２９１１に、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。
【０３５６】
図１６（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。
【０３５７】
図１６（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。
【０３５８】
図１６（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、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。
【０３５９】
図１６（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、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。
【０３６０】
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。
【０３６１】
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。
【０３６２】
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。
【０３６３】
本実施の形態は、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１】
【０３６４】
本実施例では、試料１Ａ、および試料１Ｂとして、本発明の一態様である、図１７に示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製し、トランジスタ２００の電気特性および信頼性試験を行った。なお、トランジスタ２００のチャネル長は０．１８μｍ、チャネル幅は０．３５μｍとした。また、試料１Ａ、および試料１Ｂは、同一工程にて、３６個のトランジスタ２００を形成した。
【０３６５】
なお、試料１Ａは、ゲート電極となる導電膜を成膜後に、熱処理を行った。その後、ゲート電極となる導電膜を加工して、導電体２６０を形成した。一方、試料１Ｂは、ゲート電極となる導電膜を成膜後に、熱処理を行わず、ゲート電極となる導電膜を加工して、導電体２６０を形成した。
【０３６６】
＜各試料の作製方法＞
以下に、試料１Ａ、および試料１Ｂの作製方法を説明する。
【０３６７】
まず、絶縁体２１２として、ｐ型シリコン単結晶ウエハ上に、熱酸化法によって、酸化シリコン膜を４００ｎｍの膜厚で成膜した。続いて、絶縁体２１２上に絶縁体２１４として、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を４０ｎｍの膜厚で成膜した。また、絶縁体２１４上に絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって、酸化窒化シリコン膜を１６０ｎｍの膜厚で成膜した。
【０３６８】
次に、絶縁体２１６上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を３５ｎｍの膜厚で成膜した。次に、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、タングステン膜を加工し、タングステン膜を有するハードマスクを形成した。
【０３６９】
次に、ダマシン法によって、絶縁体２１６を加工し、開口部および配線となる溝を形成した。なお、図に示すように、本工程では、絶縁体２１４の一部が除去される場合がある。
【０３７０】
続いて、上記開口部および上記溝に、スパッタリング法によって、窒化タンタル膜を成膜し、窒化タンタル膜上に、ＡＬＤ法によって、窒化チタン膜を成膜し、窒化チタン膜上に、ＣＶＤ法によって、タングステン膜を成膜した。次にＣＭＰ処理によって、酸化窒化シリコン膜の上面に達するまで、タングステン膜、窒化チタン膜、および窒化タンタル膜を研磨し、開口部内および溝にタングステン、窒化チタン、および窒化タンタルの不要な一部を除去することで、導電体２０５（導電体２０５ａ、導電体２０５ｂ、および導電体２０５ｃ）に対応する導電体を形成した。
【０３７１】
次に、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４として、酸化窒化シリコン膜、酸化ハフニウム膜、および酸化窒化シリコン膜を順に成膜した。酸化窒化シリコン膜は、ＣＶＤ法によって１０ｎｍの膜厚で成膜し、酸化ハフニウム膜は、ＡＬＤ法によって２０ｎｍの膜厚で成膜し、酸化窒化シリコン膜は、ＣＶＤ法によって、３０ｎｍの膜厚で成膜した。
【０３７２】
次に熱処理を行った。熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。
【０３７３】
次に、酸化物２３０ａとなる第１の酸化物をスパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を５ｎｍの膜厚で成膜した。第１の酸化物は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて、酸素ガス流量４５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度２００℃の条件にて成膜した。
【０３７４】
次に、第１の酸化物上に、酸化物２３０ｂとなる第２の酸化物をスパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を２０ｎｍの膜厚で成膜した。第２の酸化物は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のターゲットを用いて、アルゴンガス流量３０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量１５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度３００℃の条件にて成膜した。なお、第１の酸化物と第２の酸化物とは、連続成膜した。
【０３７５】
次に熱処理を行った。熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。
【０３７６】
次に、第２の酸化物上に、スパッタリング法によって、窒化タンタル膜を３０ｎｍの膜厚で成膜した。次に窒化タンタル膜上に、ＡＬＤ法によって、酸化アルミニウム膜を５ｎｍの膜厚で成膜した。次に、酸化アルミニウム膜上に、スパッタリング法によって、タングステン膜を１５ｎｍの膜厚で成膜した。
【０３７７】
次に、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、チャネルが形成される領域の上記タングステン膜をエッチングした。該エッチングは、ドライエッチング法を用いた。
【０３７８】
次に、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、タングステン膜、酸化アルミニウム、および窒化タンタル膜の不要部分をエッチングした。該エッチングはドライエッチング法を用いた。
【０３７９】
続いて、不要な領域を除去したタングステン膜、および酸化アルミニウムを、ハードマスクとして用い、第２の酸化物、および第１の酸化物をエッチングし、トランジスタのチャネルが形成される領域を有するアイランドを形成した。また該エッチングと同時に、チャネルが形成される領域の酸化アルミニウム膜をエッチングした。該エッチングはドライエッチング法を用いた。当該加工により、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、バリア層２４５ａ、およびバリア層２４５ｂを形成した。
【０３８０】
次に、不要な領域を除去したタングステン膜をハードマスクとして用い、チャネルが形成される領域の窒化タンタル膜をエッチングした。該エッチングはドライエッチング法を用いた。当該加工により、導電体２４０ａ、および導電体２４０ｂを形成した。なお、該エッチングにより、ハードマスクとして用いたタングステン膜は消失した。
【０３８１】
次に熱処理を行った。熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、３０分の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度４００℃、３０分の処理を行った。
【０３８２】
次に、酸化物２３０ｃとなる第３の酸化物をスパッタリング法によって、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を５ｎｍの膜厚で成膜した。第３の酸化物は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のターゲットを用いて、酸素ガス流量４５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、基板温度Ｒ．Ｔ．の条件にて成膜した。
【０３８３】
次に、絶縁体２５０となる酸化窒化シリコン膜をＣＶＤ法によって１３ｎｍの膜厚で成膜した。
【０３８４】
次に、熱処理を行った。熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。
【０３８５】
次に、絶縁体２５０となる酸化窒化シリコン膜上に、スパッタリング法によって、導電体２６０ａとなる窒化チタン膜を３０ｎｍの膜厚で成膜し、該窒化チタン膜上に、スパッタリング法によって、導電体２６０ｂとなるタングステン膜を５５ｎｍの膜厚で成膜した。なお、窒化チタン膜とタングステン膜は、連続成膜した。
【０３８６】
ここで、試料１Ａにのみ、熱処理を行った。熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。
【０３８７】
次に、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、タングステン膜、および窒化チタン膜をエッチングした。タングステン膜、窒化チタン膜のエッチングはドライエッチング法を用いた。当該加工により、導電体２６０を形成した。
【０３８８】
次に、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、絶縁体２５０となる酸化窒化シリコン膜、および第３の酸化物の一部をエッチングした。該エッチングはドライエッチング法を用いた。また、当該加工により、絶縁体２５０、および酸化物２３０ｃを形成した。
【０３８９】
次に、ＡＬＤ法によって、バリア層２７０となる酸化アルミニウム膜を７ｎｍの膜厚で成膜した。続いて、リソグラフィ法によって形成したレジストマスクを用いて、該酸化アルミニウム膜の一部をエッチングした。酸化アルミニウム膜のエッチングはドライエッチング法を用いた。当該加工により、バリア層２７０を形成した。
【０３９０】
次に、ＣＶＤ法によって、絶縁体２８０となる酸化窒化シリコン膜を４５０ｎｍの膜厚で成膜した。次に、ＣＭＰ処理を行ない、酸化窒化シリコン膜を研磨し、酸化窒化シリコン膜の表面を平坦化することで、絶縁体２８０を６０ｎｍの膜厚となるように、形成した。
【０３９１】
次に、絶縁体２８０上に、スパッタリング法によって、絶縁体２８２として、酸化アルミニウム膜をアルゴンガス流量２５ｓｃｃｍ、酸素ガス流量２５ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｐａ、基板温度２５０℃の条件にて４０ｎｍの膜厚で成膜した。
【０３９２】
次に熱処理を行った。熱処理は、窒素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行い、続いて酸素を含む雰囲気にて温度４００℃、１時間の処理を行った。
【０３９３】
次に、ＣＶＤ法によって、絶縁体２８６として、酸化窒化シリコン膜を１５０ｎｍの膜厚で成膜した。
【０３９４】
以上の工程より、試料１Ａ、および試料１Ｂを作製した。
【０３９５】
＜トランジスタの電気特性＞
次に、試料１Ａ、および試料１Ｂの電気特性として、Ｉｄ−Ｖｇ特性を測定した。また、比較例として、従来の作製方法により、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの組成が異なるトランジスタを作製し、比較例が有するトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を測定した。
【０３９６】
なお、Ｉｄ−Ｖｇ特性の測定では、トランジスタ２００の第１のゲート電極として機能する導電体２６０に印加する電位（以下、ゲート電位（Ｖｇ）ともいう）を、第１の値から第２の値まで変化させたときの、ソース電極として機能する導電体２４０ａとドレイン電極として機能する導電体２４０ｂとの間の電流（以下、ドレイン電流（Ｉｄ）ともいう）の変化を測定する。
【０３９７】
ここでは、導電体２４０ａと導電体２４０ｂとの間の電位（以下、ドレイン電位Ｖｄともいう）を＋０．１Ｖ、＋３．３Ｖとし、導電体２４０ａと導電体２６０との間の電位を−３．３Ｖから＋３．３Ｖまで変化させたときのドレイン電流（Ｉｄ）の変化を測定した。
【０３９８】
なお、本測定においては、第２のゲート電極（バックゲート電極）として機能する導電体２０５の電位（以下、バックゲート電位（Ｖｂｇ）ともいう）を、０．００Ｖ、−１．００Ｖ、または−３．００Ｖに設定し、それぞれの場合を測定した。
【０３９９】
また、トランジスタの信頼性を調べるために、試料１Ａ、試料１Ｂ、および比較例に対し、１個のトランジスタに対し、ＧＢＴ（Ｇａｔｅ  Ｂｉａｓ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験を行った。ＧＢＴストレス試験は信頼性試験の一種であり、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化を、評価することができる。
【０４００】
ＧＢＴストレス試験では、トランジスタが形成されている基板を一定の温度に維持し、トランジスタのソース電位とドレイン電位を同電位とし、第１のゲート電位にはソース電位及びドレイン電位とは異なる電位を一定時間与える。本実施例では、試料１Ａ、および試料１Ｂが形成されている基板の温度を１７５度に２時間維持することで、加速試験とした。また、トランジスタのソース電位とドレイン電位を０．００Ｖとし、第１のゲート電位を＋３．６３Ｖとし、２時間保持した。
【０４０１】
はじめに、３６個のトランジスタに対し、Ｉｄ−Ｖｇ特性の初期特性を測定した。その結果を、図１８に示す。
【０４０２】
次に、ＧＢＴストレス試験において、任意の時間が経過した際に、初期特性の測定と同じ条件で、Ｉｄ−Ｖｇ特性を測定した。なお、バックゲート電位は、０．００Ｖに設定した。
【０４０３】
本実施例では、０ｓｅｃ経過後、１００ｓｅｃ経過後、３００ｓｅｃ経過後、６００ｓｅｃ経過後、１０００ｓｅｃ経過後、１８００ｓｅｃ経過後、３６００ｓｅｃ経過後、および７２００ｓｅｃ経過後の８回行った。その結果を図１９に示す。なお、試料１Ａの結果を図１９（Ａ）、試料１Ｂの結果を図１９（Ｂ）、比較例の結果を図１９（Ｃ）に示した。
【０４０４】
また、トランジスタの電気特性の変動量の指標として、トランジスタのしきい値電圧（以下、Ｖｓｈともいう）の経時変化（以下、ΔＶｓｈともいう）を用いた。なお、Ｖｓｈとは、Ｉｄ−Ｖｇ特性において、Ｉｄ＝１．０×１０−１２［Ａ］の時のＶｇの値と定義する。ここで、ΔＶｓｈは、例えば、ストレス開始時のＶｓｈが＋０．５０Ｖであり、ストレス１００ｓｅｃ経過時のＶｓｈが、−０．５５Ｖであったとすると、ストレス１００ｓｅｃ経過時のΔＶｓｈは、−１．０５Ｖとなる。
【０４０５】
ＧＢＴストレス試験前後におけるΔＶｓｈのストレス時間依存性を、図２０に示す。なお、試料１Ａの結果を、図２０（Ａ）、試料１Ｂの結果を図２０（Ｂ）、比較例の結果を図２０（Ｃ）に示した。
【０４０６】
図１８より、試料１Ａ、および試料１Ｂの初期特性は、比較例よりも、基板内でのばらつきが小さかった。
【０４０７】
図１９、および図２０より、試料１Ａ、および試料１Ｂのトランジスタのしきい値電圧の変化量が小さいことがわかった。つまり、試料１Ａ、および試料１Ｂの信頼性は、比較例よりも、優れていることがわかった。また、特に、試料１Ａ、および試料１Ｂは、ＧＢＴストレス試験による｜ΔＶｓｈ｜の変動が、０．１Ｖ以内であり、非常に小さいことがわかった。
【０４０８】
また、試料１Ａ、および試料１Ｂは、２時間経過した後も、第１のゲートに与える電圧（Ｖｇ）が０Ｖの際に、非導通状態であった。一方、比較例は、第１のゲートに与える電圧（Ｖｇ）が０Ｖの際に、導通状態となった。つまり、試料１Ａ、および試料１Ｂは、ストレス後においても優れたオフ特性を維持するトランジスタであることが確認できた。
【０４０９】
以上より、本発明の一態様を用いたトランジスタは、優れた信頼性を有するトランジスタを有する半導体装置であることが確認できた。また、本発明の一態様を用いたトランジスタは良好な電気特性を有し、また、ばらつきが小さいことがわかった。
【０４１０】
本実施例は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の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】
【０４１１】
１００    容量素子
１０１    容量素子
１１０    導電体
１１２    導電体
１２０    導電体
１２２    バリア層
１３０    絶縁体
１５０    絶縁体
２００    トランジスタ
２０１    トランジスタ
２０５    導電体
２０５ａ    導電体
２０５Ａ    導電膜
２０５ｂ    導電体
２０５Ｂ    導電膜
２０５ｃ    導電体
２１０    絶縁体
２１２    絶縁体
２１４    絶縁体
２１６    絶縁体
２１８    導電体
２２０    絶縁体
２２２    絶縁体
２２４    絶縁体
２３０    酸化物
２３０ａ    酸化物
２３０Ａ    酸化膜
２３０ｂ    酸化物
２３０Ｂ    酸化膜
２３０ｃ    酸化物
２３０Ｃ    酸化膜
２４０    導電体
２４０ａ    導電体
２４０Ａ    導電膜
２４０ｂ    導電体
２４０Ｂ    導電膜
２４５    バリア層
２４５ａ    バリア層
２４５Ａ    バリア膜
２４５ｂ    バリア層
２４５Ｂ    バリア膜
２４６    導電体
２４８    導電体
２５０    絶縁体
２５０ａ    絶縁体
２５０Ａ    絶縁膜
２６０    導電体
２６０ａ    導電体
２６０Ａ    導電膜
２６０ｂ    導電体
２６０Ｂ    導電膜
２６０ｃ    導電体
２６０Ｃ    導電膜
２７０    バリア層
２７０Ａ    バリア膜
２７２    絶縁体
２７４    絶縁体
２８０    絶縁体
２８２    絶縁体
２８６    絶縁体
２９０ａ    ハードマスク
２９０Ａ    膜
２９０ｂ    ハードマスク
２９０Ｂ    膜
３００    トランジスタ
３０１    トランジスタ
３１１    基板
３１３    半導体領域
３１４ａ    低抵抗領域
３１４ｂ    低抵抗領域
３１５    絶縁体
３１６    導電体
３２０    絶縁体
３２２    絶縁体
３２４    絶縁体
３２６    絶縁体
３２８    導電体
３３０    導電体
３５０    絶縁体
３５２    絶縁体
３５４    絶縁体
３５６    導電体
４００    トランジスタ
４０５    導電体
４０５ａ    導電体
４０５ｂ    導電体
４３０ｃ    酸化物
４３１ａ    酸化物
４３１ｂ    酸化物
４３２ａ    酸化物
４３２ｂ    酸化物
４４０    導電体
４４０ａ    導電体
４４０ｂ    導電体
４４１ａ    導電体
４４１ｂ    導電体
４４５    バリア層
４４５ａ    バリア層
４４５ｂ    バリア層
４５０    絶縁体
４６０    導電体
４６０ａ    導電体
４６０ｂ    導電体
４７０    バリア層
５００    構造
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
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
【図１】
2018064090.tif 000003
【図２】
2018064090.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018064090.tif 000009
【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】
2018064090.tif 000017
【図１６】
2018064090.tif 000018
【図１７】
2018064090.tif 000019
【図１８】
2018064090.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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