(57)【要約】【課題】占有面積の小さい半導体装置を提供する。または、集積度の高い半導体装置を提供する。または、信頼性の良好な半導体装置を提供する。または、新規な半導体装置を提供する。【解決手段】第１のトランジスタのゲート電極と、第２のトランジスタのソース電極またはレイン電極の一方を電気的に接続する。第１のトランジスタと第２のトランジスタには、互いに禁制帯幅の異なる半導体層を用いる。第２のトランジスタは、ソース電極およびドレイン電極上に接する第１の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層上に接する第２の酸化物半導体層と、第２の酸化物半導体層上に接する第３の酸化物半導体層と、を有する。また、第３の酸化物半導体層で第２の酸化物半導体層を覆う。第３の酸化物半導体層上に絶縁層を介してゲート電極を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
前記第１のトランジスタは、第１の電極を有し、
前記第２のトランジスタは、第２の電極と、第３の電極と、を有し、
前記第１の電極と、前記第３の電極は電気的に接続され、
前記第２のトランジスタは、
前記第３の電極と接する第１の半導体と、
前記第１の半導体と接する第２の半導体と、
前記第２の半導体を覆う第３の半導体と、を有し、
前記第２の電極は、前記第１の半導体、前記第２の半導体、および前記第３の半導体と、絶縁層を介して重畳す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のトランジスタが有する半導体は、前記第２の半導体と異なる禁制帯幅を有す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、
前記第２の半導体の側面が、前記第３の半導体と接してい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において、
前記第２の半導体の側面が、前記第２の電極で覆われていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４において、
前記第１の半導体と、前記第２の半導体と、前記第３の半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、またはＺｎを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５において、
第１の半導体と第３の半導体の電子親和力は、第２の半導体の電子親和力よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
前記第１のトランジスタは、第１の電極を有し、
前記第２のトランジスタは、第２の電極と、第３の電極と、第４の電極とを有し、
前記第１の電極は、前記第３の電極または前記第４の電極の一方と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタは、
前記第３の電極および前記第４の電極上に第１の半導体を有し、
前記第１の半導体上に第２の半導体を有し、
前記第２の半導体上に第３の半導体を有し、
前記第３の半導体の上に、絶縁層を介して前記第２の電極を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記第１のトランジスタが有する半導体は、前記第２の半導体と異なる禁制帯幅を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８において、
前記第２の半導体の側面が、前記第３の半導体と接していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９のいずれか一項において、
前記第２の半導体の側面が、前記第２の電極で覆われていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項１０のいずれか一項において、
前記第１の半導体と、前記第２の半導体と、前記第３の半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、またはＺｎを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項７乃至請求項１１のいずれか一項において、
第１の半導体と第３の半導体の電子親和力は、第２の半導体の電子親和力よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
第１の電極と、開口部を有する第１の絶縁層と、第２の絶縁層と、第１の半導体と、第２の半導体と、第３の半導体と、第２の電極と、第３の電極と、を有する半導体装置であって、
前記第１の電極上に、前記開口部が重畳して前記第１の絶縁層を有し、
前記開口部を覆って前記第２の絶縁層を有し、前記第２の絶縁層上に、前記第１の半導体を有し、
前記第１の半導体上に前記第２の電極および前記第３の電極を有し、
前記第１の半導体、前記第２の電極、および前記第３の電極上に前記第２の半導体を有し、
前記第２の半導体上に前記第３の半導体を有し、
前記第２の半導体は、前記第３の半導体に覆われていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記第１の絶縁層は、前記第２の絶縁層よりも厚いことを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４において、
前記第１の絶縁層は、複数層の積層であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
請求項１３乃至請求項１５のいずれか一項において、
前記第２の半導体の側面が、前記第３の半導体と接していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１７】
請求項１３乃至請求項１６のいずれか一項において、
前記第１の半導体と、前記第２の半導体と、前記第３の半導体は、酸化物半導体であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１８】
請求項１３乃至請求項１７のいずれか一項において、
前記第１の半導体と、前記第２の半導体と、前記第３の半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、またはＺｎを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項１９】
請求項１３乃至請求項１８のいずれか一項において、
前記第１の半導体と前記第３の半導体の電子親和力は、前記第２の半導体の電子親和力よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２０】
第１のトランジスタと、第２のトランジスタとを有し、
前記第１のトランジスタは、第１の電極と、開口部を有する第１の絶縁層と、第２の絶縁層と、第１の半導体と、第２の半導体と、第３の半導体と、第２の電極と、第３の電極と、を有し、
前記第２のトランジスタは、第４の電極と、第４の半導体と、を有し、
前記第１のトランジスタは、
前記第１の電極上に、前記開口部が重畳して前記第１の絶縁層を有し、
前記開口部を覆って前記第２の絶縁層を有し、前記第２の絶縁層上に、前記第１の半導体を有し、
前記第１の半導体上に前記第２の電極および前記第３の電極を有し、
前記第１の半導体、前記第２の電極、および前記第３の電極上に前記第２の半導体を有し、
前記第２の半導体上に前記第３の半導体を有し、
前記第２の半導体は、前記第３の半導体に覆われていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２１】
請求項２０において、
前記第１の絶縁層は、前記第２の絶縁層よりも厚いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２２】
請求項２０または請求項２１において、
前記第１の絶縁層は、複数層の積層であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２３】
請求項２０乃至請求項２２のいずれか一項において、
前記第２の半導体の側面が、前記第３の半導体と接していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２４】
請求項２０乃至請求項２３のいずれか一項において、
前記第１の半導体と、前記第２の半導体と、前記第３の半導体は、酸化物半導体であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２５】
請求項２０乃至請求項２４のいずれか一項において、
前記第１の半導体と、前記第２の半導体と、前記第３の半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、またはＺｎを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２６】
請求項２０乃至請求項２５のいずれか一項において、
前記第１の半導体と前記第３の半導体の電子親和力は、前記第２の半導体の電子親和力よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２７】
請求項２０乃至請求項２６のいずれか一項において、
前記第２の半導体は、前記第４の半導体と異なる禁制帯幅を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２８】
請求項２０乃至請求項２７のいずれか一項において、
前記第４の半導体は、結晶性を有する半導体基板の一部であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２９】
第１乃至第３の電極と、第１及び第２の絶縁層と、第１乃至第３の半導体と、を有する半導体装置であって、
前記第１の絶縁層は、開口部を有し、
前記第１の絶縁層は、前記第１の電極上に設けられ、
前記開口部は、前記第１の電極と重なる領域を有し、
前記第２の絶縁層は、前記開口部上に設けられ、
前記第１の半導体は、前記第２の絶縁層上に設けられ、
前記第２の電極および前記第３の電極は、前記第１の半導体上に設けられ、
前記第２の半導体は、前記第１の半導体上、前記第２の電極上、および前記第３の電極上に設けられ、
前記第３の半導体は、前記第２の半導体上に設けられ、
前記第２の半導体は、前記第３の半導体に覆われている領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３０】
請求項２９において、
前記第１の絶縁層は、複数の層を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３１】
請求項２９または請求項３０において、
前記第２の絶縁層は、複数の層を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３２】
請求項２９乃至請求項３１のいずれか一項において、
前記第２の半導体の側面は、前記第３の半導体と接する領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３３】
請求項２９乃至請求項３２のいずれか一項において、
前記第１の半導体と、前記第２の半導体と、前記第３の半導体とは、酸化物半導体を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３４】
請求項２９乃至請求項３３のいずれか一項において、
前記第１の半導体と、前記第２の半導体と、前記第３の半導体とは、Ｉｎ、Ｇａ、またはＺｎを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３５】
請求項２９乃至請求項３４のいずれか一項において、
前記第１の半導体の電子親和力は、前記第２の半導体の電子親和力よりも小さく、
前記第３の半導体の電子親和力は、前記第２の半導体の電子親和力よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項３６】
第１のトランジスタと、第２のトランジスタとを有し、
前記第１のトランジスタは、第１乃至第３の電極と、第１及び第２の絶縁層と、第１乃至第３の半導体と、を有し、
前記第２のトランジスタは、第４の電極と、第４の半導体と、を有し、
前記第１の絶縁層は、開口部を有し、
前記第１の絶縁層は、前記第１の電極上に設けられ、
前記第２の絶縁層は、前記開口部上に設けられ、
前記第１の半導体は、前記第２の絶縁層上に設けられ、
前記第２の電極および前記第３の電極は、前記第１の半導体上に設けられ、
前記第２の半導体は、前記第１の半導体上、前記第２の電極上、および前記第３の電極上に設けられ、
前記第３の半導体は、前記第２の半導体上に設けられ、
前記第２の半導体は、前記第３の半導体に覆われている領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３７】
請求項３６において、
前記第１の絶縁層は、複数の層を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３８】
請求項３６または請求項３７において、
前記第２の絶縁層は、複数の層を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３９】
請求項３６乃至請求項３８のいずれか一項において、
前記第２の半導体の側面は、前記第３の半導体と接する領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４０】
請求項３６乃至請求項３９のいずれか一項において、
前記第１の半導体と、前記第２の半導体と、前記第３の半導体とは、酸化物半導体を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４１】
請求項３６乃至請求項４０のいずれか一項において、
前記第１の半導体と、前記第２の半導体と、前記第３の半導体とは、Ｉｎ、Ｇａ、またはＺｎを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４２】
請求項３６乃至請求項４１のいずれか一項において、
前記第１の半導体の電子親和力は、前記第２の半導体の電子親和力よりも小さく、
前記第３の半導体の電子親和力は、前記第２の半導体の電子親和力よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項４３】
請求項３６乃至請求項４２のいずれか一項において、
前記第２の半導体は、前記第４の半導体と異なる禁制帯幅を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４４】
請求項３６乃至請求項４３のいずれか一項において、
前記第４の半導体は、結晶性を有する半導体基板の一部であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４５】
請求項３６乃至請求項４４のいずれか一項に記載の半導体装置を有することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、半導体装置に関する。特に、本発明の一態様は、酸化物半導体を含む半導体装置に関する。
【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。例えば、本発明の一態様は、記憶装置、プロセッサそれらの駆動方法またはそれらの製造方法に関する。
【０００３】
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もの全般を指す。よって、トランジスタやダイオードなどの半導体素子や半導体回路は半導体装置である。また、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、および電子機器などは、半導体素子や半導体回路を含む場合がある。よって、これらも半導体装置を有する場合がある。
【背景技術】
【０００４】
トランジスタの半導体に用いられるシリコンは、用途によって非晶質シリコンと多結晶シリコンとが使い分けられている。例えば、大型の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、大面積基板への形成技術が確立されている非晶質シリコンを用いると好適である。一方、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を構成するトランジスタに適用する場合、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製可能な多結晶シリコンを用いると好適である。多結晶シリコンは、非晶質シリコンに対し高温での熱処理、またはレーザ光処理を行うことで形成する方法が知られる。
【０００５】
近年は、酸化物半導体が注目されている。例えば、インジウム、ガリウムおよび亜鉛を有する非晶質酸化物半導体を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照。）。
【０００６】
酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて形成できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、高い電界効果移動度を有するため、駆動回路を一体形成した高機能の表示装置を実現できる。また、非晶質シリコンを用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能であるため、設備投資を抑えられるメリットもある。
【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低いリーク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２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【特許文献２】特開２０１２−２５７１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
高い電界効果移動度を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することを課題の一とする。または、オフ時（非導通時）にソースとドレイン間に流れる電流（以下、「オフ電流」ともいう。）の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または、消費電力が少ないトランジスタを提供することを課題の一とする。または、信頼性の良好なトランジスタを提供することを課題の一とする。
【００１０】
または、占有面積の小さい半導体装置を提供することを課題の一とする。または、集積度の高い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、信頼性の良好な半導体装置を提供することを課題の一とする。
【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】
本発明の一態様は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、第１のトランジスタは、第１の電極を有し、第２のトランジスタは、第２の電極と、第３の電極と、を有し、第１の電極と、第３の電極は電気的に接続され、第２のトランジスタは、第３の電極と接する第１の半導体と、第１の半導体と接する第２の半導体と、第２の半導体を覆う第３の半導体と、を有し、第２の電極は、第１の半導体、第２の半導体、および第３の半導体と、絶縁層を介して重畳することを特徴とする半導体装置である。
【００１３】
または、本発明の一態様は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、第１のトランジスタは、第１の電極を有し、第２のトランジスタは、第２の電極と、第３の電極と、第４の電極とを有し、第１の電極は、第３の電極または第４の電極の一方と電気的に接続され、第２のトランジスタは、第３の電極および第４の電極上に第１の半導体を有し、第１の半導体上に第２の半導体を有し、第２の半導体上に第３の半導体を有し、第３の半導体の上に、絶縁層を介して第２の電極を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１４】
本発明の一態様は、第１の電極と、開口部を有する第１の絶縁層と、第２の絶縁層と、第１の半導体と、第２の半導体と、第３の半導体と、第２の電極と、第３の電極と、を有する半導体装置であって、第１の電極上に、開口部が重畳して第１の絶縁層を有し、開口部を覆って第２の絶縁層を有し、第２の絶縁層上に、第１の半導体を有し、第１の半導体上に第２の電極および第３の電極を有し、第１の半導体、第２の電極、および第３の電極上に第２の半導体を有し、第２の半導体上に第３の半導体を有し、第２の半導体は、第３の半導体に覆われていることを特徴とする半導体装置である。
【００１５】
または、本発明の一態様は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタとを有し、第１のトランジスタは、第１の電極と、開口部を有する第１の絶縁層と、第２の絶縁層と、第１の半導体と、第２の半導体と、第３の半導体と、第２の電極と、第３の電極と、を有し、第２のトランジスタは、第４の電極と、第４の半導体と、を有し、第１のトランジスタは、第１の電極上に、開口部が重畳して第１の絶縁層を有し、開口部を覆って第２の絶縁層を有し、第２の絶縁層上に、第１の半導体を有し、第１の半導体上に第２の電極および第３の電極を有し、第１の半導体、第２の電極、および第３の電極上に第２の半導体を有し、第２の半導体上に第３の半導体を有し、第２の半導体は、第３の半導体に覆われていることを特徴とする半導体装置である。
【００１６】
本発明の一態様は、第１乃至第３の電極と、第１および第２の絶縁層と、第１乃至第３の半導体と、を有する半導体装置であって、第１の絶縁層は、開口部を有し、第１の絶縁層は、第１の電極上に設けられ、開口部は、第１の電極と重なる領域を有し、第２の絶縁層は、開口部上に設けられ、第１の半導体は、第２の絶縁層上に設けられ、第２の電極および第３の電極は、第１の半導体上に設けられ、第２の半導体は、第１の半導体上、第２の電極上、および第３の電極上に設けられ、第３の半導体は、第２の半導体上に設けられ、第２の半導体は、第３の半導体に覆われている領域を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１７】
または、本発明の一態様は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタとを有し、第１のトランジスタは、第１乃至第３の電極と、第１及び第２の絶縁層と、第１乃至第３の半導体と、を有し、第２のトランジスタは、第４の電極と、第４の半導体と、を有し、第１の絶縁層は、開口部を有し、第１の絶縁層は、第１の電極上に設けられ、第２の絶縁層は、開口部上に設けられ、第１の半導体は、第２の絶縁層上に設けられ、第２の電極および第３の電極は、第１の半導体上に設けられ、第２の半導体は、第１の半導体上、第２の電極上、および第３の電極上に設けられ、第３の半導体は、第２の半導体上に設けられ、第２の半導体は、第３の半導体に覆われている領域を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
第１の絶縁層は、複数層の積層であってもよい。また、第２の絶縁層は、複数層の積層であってもよい。
【００１９】
また、第１の絶縁層は、第２の絶縁層よりも厚いことが好ましい。
【００２０】
第１のトランジスタが有する半導体は、第２の半導体と異なる禁制帯幅を有することが好ましい。
【００２１】
また、第１の半導体と第３の半導体の電子親和力は、第２の半導体の電子親和力よりも小さいことが好ましい。
【００２２】
また、第１の半導体と、第２の半導体と、第３の半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、またはＺｎを含むことが好ましい。また、第１の半導体と第３の半導体は、第２の半導体を構成する金属元素のうち、１種類以上の同じ金属元素を含むことが好ましい。
【００２３】
このような材料を用いると、第１の半導体と第２の半導体の界面、ならびに第２の半導体と第３の半導体の界面に界面準位を生じにくくすることができる。
【００２４】
また、第２の半導体の側面は、第３の半導体と接していることが好ましい。第１の半導体と、第２の半導体と、第３の半導体は、Ｉｎ、Ｇａ、またはＺｎを含むことが好ましい。第１の半導体と第３の半導体の電子親和力は、第２の半導体の電子親和力よりも小さいことが好ましい。
【００２５】
また、第２の半導体は、第４の半導体と異なる禁制帯幅を有することが好ましい。また、第４の半導体は、結晶性を有する半導体基板の一部であってもよい。
【００２６】
第１の半導体、第２の半導体、および第３の半導体として、例えば酸化物半導体を用いることができる。
【発明の効果】
【００２７】
高い電界効果移動度を有するトランジスタを提供することができる。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することができる。または、オフ電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、消費電力が少ないトランジスタを提供することができる。または、信頼性の良好なトランジスタを提供することができる。
【００２８】
占有面積の小さい半導体装置を提供することができる。または、集積度の高い半導体装置を提供することができる。または、信頼性の良好な半導体装置を提供することができる。
【００２９】
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】
【００３０】
【図１】半導体装置の一例を説明する図。
【図２】半導体装置の一例を説明する図。
【図３】半導体装置の一例を説明する図。
【図４】エネルギーバンド構造を説明する図。
【図５】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図６】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図７】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図８】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図９】半導体装置の一例を説明する図。
【図１０】半導体装置の一例を説明する図。
【図１１】半導体装置の一例を説明する図。
【図１２】半導体装置の一例を説明する図。
【図１３】半導体装置の一例を説明する図。
【図１４】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図１５】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図１６】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図１７】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図１８】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図１９】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図２０】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図２１】半導体装置の一例を説明する図。
【図２２】半導体装置の一例を説明する図。
【図２３】半導体装置の一例を説明する図。
【図２４】半導体装置の一例を説明する図。
【図２５】半導体装置の一例を説明する図。
【図２６】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図２７】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図２８】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図２９】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図３０】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図３１】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図３２】半導体装置の一例を説明する図。
【図３３】半導体装置の一例を説明する図。
【図３４】半導体装置の作製工程例を説明する図。
【図３５】半導体装置の一例を説明する図。
【図３６】半導体装置の一例を説明する断面図および回路図。
【図３７】半導体装置の一例を説明する断面図および回路図。
【図３８】半導体装置の一例を説明する断面図および回路図。
【図３９】本発明の一態様に係るＲＦタグのブロック図。
【図４０】本発明の一態様に係るＲＦタグの使用例を説明する図。
【図４１】半導体装置の一例を説明する図。
【図４２】半導体装置の一例を説明する図。
【図４３】半導体装置の一例を説明する図。
【図４４】半導体装置の一例を説明する図。
【図４５】半導体装置の一例を説明する図。
【図４６】半導体装置の一例を説明する図。
【図４７】半導体装置の一例を説明する図。
【図４８】半導体装置の一例を説明する図。
【図４９】半導体装置の一例を説明する図。
【図５０】半導体装置の一例を説明する図。
【図５１】半導体装置の一例を説明する図。
【図５２】半導体装置の一例を説明する図。
【図５３】半導体装置の一例を説明する図。
【図５４】半導体装置の一形態を説明するブロック図及び回路図。
【図５５】表示モジュールを説明する図。
【図５６】本発明の一態様に係る電子機器を説明する図。
【図５７】ＣＡＡＣ−ＯＳの断面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像、およびＣＡＡＣ−ＯＳの断面模式図。
【図５８】ＣＡＡＣ−ＯＳの平面におけるＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像。
【図５９】ＣＡＡＣ−ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図。
【図６０】ＣＡＡＣ−ＯＳの電子回折パターンを示す図。
【図６１】Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
【図６２】ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図。
【図６３】ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶、およびペレットを説明する図。
【図６４】ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜モデルを説明する模式図。
【図６５】半導体装置の一例を説明するブロック図。
【図６６】記憶装置の一例を説明する回路図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及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、本発明は以下に示す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。なお、以下に説明する発明の構成において、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。
【００３２】
また、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲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。
【００３３】
また、上面図（「平面図」ともいう。）において、図面をわかりやすくするために、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。
【００３４】
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【００３５】
なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。
【００３６】
また、ソースおよびドレインの機能は、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、動作条件などによって互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００３７】
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。よって、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。
【００３８】
また、本明細書において、「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。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」および「直交」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。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
【００３９】
なお、本明細書などにおいて、計数値および計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」または「均一」などと言う場合は、明示されている場合を除き、誤差としてプラスマイナス２０％の変動を含むものとする。
【００４０】
また、本明細書において、リソグラフィ工程を行った後にエッチング工程を行う場合は、特段の説明がない限り、リソグラフィ工程で形成したレジストマスクは、エッチング工程終了後に除去するものとする。
【００４１】
また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である。
【００４２】
なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
【００４３】
また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体」と言い換えることができる場合がある。
【００４４】
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である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔａｔｅ）が高くなることや、キャリア移動度が低下することや、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１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、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、例えば水素などの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、半導体がシリコン膜である場合、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。
【００４５】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、工程順または積層順など、なんらかの順番や順位を示すものではない。また、本明細書等において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲において異なる序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲などにおいて序数詞が省略される場合がある。
【００４６】
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）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネル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。
【００４７】
また、「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。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネル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。
【００４８】
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呼ぶ。）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呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、三次元構造を有するチャネル（以下、三次元チャネル）を含むトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される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、微細かつ三次元チャネルを含有するトランジスタでは、半導体の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル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。
【００４９】
ところで、三次元チャネルを有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅を実測すること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。
【００５０】
そこで、本明細書等では、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。
【００５１】
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。
【００５２】
また、本明細書等において、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。
【００５３】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置１００について、図面を用いて説明する。
【００５４】
＜半導体装置の構成例＞
図１（Ａ）は、半導体装置１００の上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中のＡ１−Ａ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）中のＢ１−Ｂ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。半導体装置１００は、トランジスタ７５０、トランジスタ１５０、容量素子１９０を有する。図１（Ｂ）は、トランジスタ１５０のチャネル長方向の断面図であり、図１（Ｃ）は、トランジスタ１５０のチャネル幅方向の断面図である。
【００５５】
［トランジスタ７５０］
半導体装置１００が有するトランジスタ７５０は、基板７００を用いて形成されている。基板７００としては、シリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板や、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いることができる。半導体基板を用いて形成されたトランジスタは、高速動作が可能である。
【００５６】
本実施の形態では、基板７００としてｐ型の単結晶シリコン基板を用いる例を示す。トランジスタ７５０は、基板７００中にチャネルが形成されるトランジスタである。また、トランジスタ７５０は、チャネル形成領域７５３、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）領域やエクステンション領域として機能するｎ型不純物領域７５４、ソース領域又はドレイン領域として機能するｎ型不純物領域７５５、絶縁層７５２、電極７５１を有している。電極７５１はゲート電極として機能する。絶縁層７５２はゲート絶縁層として機能する。なお、ｎ型不純物領域７５５の不純物濃度は、ｎ型不純物領域７５４よりも高い。電極７５１の側面には側壁絶縁層７５６が設けられており、電極７５１及び側壁絶縁層７５６をマスクとして用いて、ｎ型不純物領域７５４、ｎ型不純物領域７５５を自己整合的に形成することができる。
【００５７】
また、トランジスタ７５０は素子分離領域７８９により、基板７００に形成される他のトランジスタと分離されている。また、電極７５１、側壁絶縁層７５６の周囲に、絶縁層７９０および絶縁層７９１が形成されている。
【００５８】
トランジスタ７５０としてシリサイド（サリサイド）を有するトランジスタや、側壁絶縁層を有さないトランジスタを用いてもよい。シリサイド（サリサイド）を有する構造であると、ソース領域及びドレイン領域がより低抵抗化でき、半導体装置の高速化が可能である。また、低電圧で動作できるため、半導体装置の消費電力を低減することが可能である。
【００５９】
なお、本実施の形態では説明を省略するが、基板７００の一部にｎ型を付与する不純物元素を添加してｎ型のウェルを形成し、ｎ型のウェルが形成された領域にｐ型のトランジスタを形成することも可能である。ｎ型を付与する不純物元素としては、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）等を用いることができる。ｐ型を付与する不純物元素としては、ボロン（Ｂ）等を用いることができる。
【００６０】
［トランジスタ１５０］
トランジスタ１５０は、電極１０２、絶縁層１０７、電極１０９、電極１１９、酸化物半導体層１０８（酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、酸化物半導体層１０８ｃ）、絶縁層１１０、電極１１１を含んで構成される。図１（Ｂ）に示すトランジスタ１５０の拡大図を図２（Ａ）に示す。なお、酸化物半導体層１０８は、酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、酸化物半導体層１０８ｃの少なくとも一つを省略してもよいし、さらに、層を追加してもよい。例えば、酸化物半導体層１０８ａを省略してもよい。その場合の例を、図３（Ａ）に示す。
【００６１】
また、絶縁層７９１上に電極１０２の一部と接して絶縁層１０６が形成され、絶縁層１０６上に絶縁層１０７が形成されている。絶縁層１０７の一部は、電極１０２の一部と接している。また、絶縁層１０７上に電極１０９および電極１１９が形成されている。電極１０９は、絶縁層１０７および絶縁層１０６に設けられた開口を介して電極７５１と電気的に接続されている。電極１１９は、絶縁層１０７および絶縁層１０６に設けられた開口を介して電極１０４と電気的に接続されている。
【００６２】
また、電極１０９および電極１１９上に、絶縁層１０７の一部と接して酸化物半導体層１０８ａが形成され、酸化物半導体層１０８ａ上に酸化物半導体層１０８ｂが形成されている。また、絶縁層１０７は凸部を有し、酸化物半導体層１０８ａは該凸部上に形成されている（図１（Ｂ）、図１（Ｃ）参照）。また、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂを覆って、酸化物半導体層１０８ｃが形成されている。
【００６３】
また、電極１１１が、絶縁層１１０を介して酸化物半導体層１０８ｃ上に形成されている。電極１１１は、酸化物半導体層１０８ｂ、電極１０２、電極１０９、および電極１１９の、それぞれの少なくとも一部と重畳する。
【００６４】
電極１０９および電極１１９は、ソース電極またはドレイン電極として機能することができる。
【００６５】
本実施の形態に例示するトランジスタ１５０は、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタである。また、トランジスタ１５０は、トップゲート型トランジスタの一種であり、スタガ型トランジスタの一種でもある。トランジスタ１５０は、バックゲート電極を有する。
【００６６】
［バックゲート電極］
一般に、バックゲート電極は導電層で形成され、ゲート電極とバックゲート電極で半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。よって、バックゲート電極は、ゲート電極と同様に機能させることができる。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（ＧＮＤ）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。
【００６７】
電極１０２および電極１１１は、どちらもゲート電極として機能することができる。よって、絶縁層１０７および絶縁層１１０は、どちらもゲート絶縁層として機能することができる。
【００６８】
なお、電極１０２および電極１１１のどちらか一方を、「ゲート電極」という場合、他方を「バックゲート電極」という。例えば、トランジスタ１５０において、電極１１１を「ゲート電極」と言う場合、電極１０２を「バックゲート電極」と言う場合がある。また、電極１０２を「ゲート電極」として用いる場合は、トランジスタ１５０をボトムゲート型のトランジスタの一種と考えることができる。また、電極１０２および電極１１１のどちらか一方を、「第１のゲート電極」といい、他方を「第２のゲート電極」という場合がある。
【００６９】
酸化物半導体層１０８を挟んで電極１０２および電極１１１を設けることで、更には、電極１０２および電極１１１を同電位とすることで、酸化物半導体層１０８においてキャリアの流れる領域が膜厚方向においてより大きくなるため、キャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタ１５０のオン電流が大きくなる共に、電界効果移動度が高くなる。
【００７０】
したがって、トランジスタ１５０は、占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジスタである。すなわち、求められるオン電流に対して、トランジスタ１５０の占有面積を小さくすることができる。本発明の一態様によれば、トランジスタの占有面積を小さくすることができる。よって、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【００７１】
また、ゲート電極とバックゲート電極は導電層で形成されるため、トランジスタの外部で生じる電界が、チャネルが形成される半導体層に作用しないようにする機能を有する。
【００７２】
電極１０２および電極１１１は、それぞれが外部からの電界を遮蔽する機能を有するため、基板７００側もしくは電極１１１上方に生じる荷電粒子等の電荷が酸化物半導体層１０８ｂに影響しない。この結果、ストレス（例えば、ゲートに負の電荷を印加する−ＧＢＴ（Ｇａｔｅ  Ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験）による劣化が抑制されると共に、閾値電圧のドレイン電圧による変動を抑制することができる。なお、この効果は、電極１０２および電極１１１が、同電位、または異なる電位の場合において生じる。
【００７３】
なお、ＢＴストレス試験は加速試験の一種であり、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化（すなわち、経年変化）を、短時間で評価することができる。特に、ＢＴストレス試験前後におけるトランジスタのしきい値電圧の変動量は、信頼性を調べるための重要な指標となる。しきい値電圧の変動量が少ないほど、信頼性が高いトランジスタであるといえる。
【００７４】
また、電極１０２および電極１１１を有し、且つ電極１０２および電極１１１を同電位とすることで、しきい値電圧の変動量が低減される。このため、複数のトランジスタにおける電気特性のばらつきも同時に低減される。
【００７５】
また、バックゲート電極を有するトランジスタ１５０は、ゲートに正の電荷を印加する＋ＧＢＴストレス試験前後におけるしきい値電圧の変動が小さい。
【００７６】
また、バックゲート電極側から光が入射する場合に、バックゲート電極を、遮光性を有する導電膜で形成することで、バックゲート電極側から半導体層に光が入射することを防ぐことができる。よって、半導体層の光劣化を防ぎ、トランジスタのしきい値電圧がシフトするなどの電気特性の劣化を防ぐことができる。
【００７７】
なお、電極１０２または電極１１１のどちらか一方があれば、トランジスタ１５０を動作させることができる。よって、目的に応じて、電極１０２または電極１１１のどちらか一方を形成しないことも可能である。電極１０２または電極１１１のどちらか一方を形成しないことで、半導体装置の生産性を高めることができる。
【００７８】
［酸化物半導体層のエネルギーバンド構造］
酸化物半導体層１０８は、酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、酸化物半導体層１０８ｃを積層した構成を有する。
【００７９】
酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、および酸化物半導体層１０８ｃは、ＩｎもしくはＧａの一方、または両方を含む材料で形成する。代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物（ＩｎとＧａを含む酸化物）、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物（ＩｎとＺｎを含む酸化物）、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ｉｎと、元素Ｍと、Ｚｎを含む酸化物。元素Ｍは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆから選ばれた１種類以上の元素で、Ｉｎよりも酸素との結合力が強い金属元素である。）がある。
【００８０】
酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｃは、酸化物半導体層１０８ｂを構成する金属元素のうち、１種類以上の同じ金属元素を含む材料により形成されることが好ましい。このような材料を用いると、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂとの界面、ならびに酸化物半導体層１０８ｃおよび酸化物半導体層１０８ｂとの界面に界面準位を生じにくくすることができる。よって、界面におけるキャリアの散乱や捕獲が生じにくく、トランジスタの電界効果移動度を向上させることが可能となる。また、トランジスタのしきい値電圧のばらつきを低減することが可能となる。よって、良好な電気特性を有する半導体装置を実現することが可能となる。
【００８１】
酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｃの厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、酸化物半導体層１０８ｂの厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
【００８２】
また、酸化物半導体層１０８ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であり、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｃもＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体層１０８ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも大きくなるように酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｃ、および酸化物半導体層１０８ｂを選択することができる。好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上大きくなるように酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｃ、および酸化物半導体層１０８ｂを選択する。さらに好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも２倍以上大きくなるように酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｃ、および酸化物半導体層１０８ｂを選択する。より好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも３倍以上大きくなるように酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｃおよび酸化物半導体層１０８ｂを選択する。ｙ１がｘ１以上であるとトランジスタに安定した電気特性を付与できるため好ましい。ただし、ｙ１がｘ１の３倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ１はｘ１の３倍未満であると好ましい。酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｃを上記構成とすることにより、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｃを、酸化物半導体層１０８ｂよりも酸素欠損が生じにくい層とすることができる。
【００８３】
なお、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であり、ＺｎおよびＯを除いたＩｎと元素Ｍの原子数比率は好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、元素Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、元素Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また、酸化物半導体層１０８ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＺｎおよびＯを除いたＩｎと元素Ｍの原子数比率は好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、元素Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、元素Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
【００８４】
例えば、ＩｎまたはＧａを含む酸化物半導体層１０８ａ、およびＩｎまたはＧａを含む酸化物半導体層１０８ｃとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：４、１：３：６、１：６：４、または１：９：６などの原子数比のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物や、Ｉｎ：Ｇａ＝１：９などの原子数比のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ酸化物を用いることができる。また、酸化物半導体層１０８ｂとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２、１：１：１または５：５：６などの原子数比のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。なお、酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、および酸化物半導体層１０８ｃの原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス２０％の変動を含む。
【００８５】
酸化物半導体層１０８ｂを用いたトランジスタに安定した電気特性を付与するためには、酸化物半導体層１０８ｂ中の不純物及び酸素欠損を低減して高純度真性化し、酸化物半導体層１０８ｂを真性または実質的に真性と見なせる酸化物半導体層とすることが好ましい。また、少なくとも酸化物半導体層１０８ｂ中のチャネル形成領域が真性または実質的に真性と見なせる半導体層とすることが好ましい。
【００８６】
なお、実質的に真性と見なせる酸化物半導体層とは、酸化物半導体層中のキャリア密度が、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以上である酸化物半導体層をいう。
【００８７】
ここで、酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、および酸化物半導体層１０８ｃの積層により構成される酸化物半導体層１０８の機能およびその効果について、図４に示すエネルギーバンド構造図を用いて説明する。図４は、図２（Ａ）にＣ１−Ｃ２の一点鎖線で示す部位のエネルギーバンド構造図である。図４は、トランジスタ１５０のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造を示している。
【００８８】
図４中、Ｅｃ３８２、Ｅｃ３８３ａ、Ｅｃ３８３ｂ、Ｅｃ３８３ｃ、Ｅｃ３８６は、それぞれ、絶縁層１０７、酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、酸化物半導体層１０８ｃ、絶縁層１１０の伝導帯下端のエネルギーを示している。
【００８９】
ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差（「電子親和力」ともいう。）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差（イオン化ポテンシャルともいう。）からエネルギーギャップを引いた値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（例えば、ＨＯＲＩＢＡ  ＪＯＢＩＮ  ＹＶＯＮ社  ＵＴ−３００）を用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置（例えば、ＰＨＩ社  ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定できる。
【００９０】
なお、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．５ｅＶ、電子親和力は約４．５ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．４ｅＶ、電子親和力は約４．５ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：６のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．３ｅＶ、電子親和力は約４．５ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：２のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．９ｅＶ、電子親和力は約４．３ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：８のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．５ｅＶ、電子親和力は約４．４ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：１０のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．５ｅＶ、電子親和力は約４．５ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約３．２ｅＶ、電子親和力は約４．７ｅＶである。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２のターゲットを用いて形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物のエネルギーギャップは約２．８ｅＶ、電子親和力は約５．０ｅＶである。
【００９１】
絶縁層１０７と絶縁層１１０は絶縁物であるため、Ｅｃ３８２とＥｃ３８６は、Ｅｃ３８３ａ、Ｅｃ３８３ｂ、およびＥｃ３８３ｃよりも真空準位に近い（電子親和力が小さい）。
【００９２】
また、Ｅｃ３８３ａは、Ｅｃ３８３ｂよりも真空準位に近い。具体的には、Ｅｃ３８３ａは、Ｅｃ３８３ｂよりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下真空準位に近いことが好ましい。
【００９３】
また、Ｅｃ３８３ｃは、Ｅｃ３８３ｂよりも真空準位に近い。具体的には、Ｅｃ３８３ｃは、Ｅｃ３８３ｂよりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下真空準位に近いことが好ましい。
【００９４】
また、酸化物半導体層１０８ａと酸化物半導体層１０８ｂとの界面近傍、および、酸化物半導体層１０８ｂと酸化物半導体層１０８ｃとの界面近傍では、混合領域が形成されるため、伝導帯下端のエネルギーは連続的に変化する。即ち、これらの界面において、準位は存在しないか、ほとんどない。
【００９５】
従って、当該エネルギーバンド構造を有する積層構造において、電子は酸化物半導体層１０８ｂを主として移動することになる。そのため、酸化物半導体層１０８ａと絶縁層１０７との界面、または、酸化物半導体層１０８ｃと絶縁層１１０との界面に準位が存在したとしても、当該準位は電子の移動にほとんど影響しない。また、酸化物半導体層１０８ａと酸化物半導体層１０８ｂとの界面、および酸化物半導体層１０８ｃと酸化物半導体層１０８ｂとの界面に準位が存在しないか、ほとんどないため、当該領域において電子の移動を阻害することもない。従って、上記酸化物半導体の積層構造を有するトランジスタ１５０は、高い電界効果移動度を実現することができる。
【００９６】
なお、図４に示すように、酸化物半導体層１０８ａと絶縁層１０７の界面、および酸化物半導体層１０８ｃと絶縁層１１０の界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位３９０が形成され得るものの、酸化物半導体層１０８ａ、および酸化物半導体層１０８ｃがあることにより、酸化物半導体層１０８ｂと当該トラップ準位とを遠ざけることができる。
【００９７】
特に、本実施の形態に例示するトランジスタ１５０は、酸化物半導体層１０８ｂの上面と側面が酸化物半導体層１０８ｃと接し、酸化物半導体層１０８ｂの下面が酸化物半導体層１０８ａと接して形成されている。このように、酸化物半導体層１０８ｂを酸化物半導体層１０８ａと酸化物半導体層１０８ｃで覆う構成とすることで、上記トラップ準位の影響をさらに低減することができる。
【００９８】
ただし、Ｅｃ３８３ａまたはＥｃ３８３ｃと、Ｅｃ３８３ｂとのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体層１０８ｂの電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位に達することがある。トラップ準位に電子が捕獲されることで、絶縁層の界面にマイナスの固定電荷が生じ、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。
【００９９】
従って、Ｅｃ３８３ａ、およびＥｃ３８３ｃと、Ｅｃ３８３ｂとのエネルギー差を、それぞれ０．１ｅＶ以上、好ましくは０．１５ｅＶ以上とすると、トランジスタのしきい値電圧の変動が低減され、トランジスタの電気特性を良好なものとすることができるため、好ましい。
【０１００】
また、酸化物半導体層１０８ａ、および酸化物半導体層１０８ｃのバンドギャップは、酸化物半導体層１０８ｂのバンドギャップよりも広いほうが好ましい。
【０１０１】
本発明の一態様によれば、電気特性のばらつきが少ないトランジスタを実現することができる。よって、電気特性のばらつきが少ない半導体装置を実現することができる。本発明の一態様によれば、信頼性の良好なトランジスタを実現することができる。よって、信頼性の良好な半導体装置を実現することができる。
【０１０２】
また、酸化物半導体のバンドギャップは２ｅＶ以上あるため、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流を極めて小さくすることができる。具体的には、チャネル幅１μｍ当たりのオフ電流を室温下において１×１０−２０Ａ未満、１×１０−２２Ａ未満、あるいは１×１０−２４Ａ未満とすることができる。すなわち、オンオフ比を２０桁以上１５０桁以下とすることができる。
【０１０３】
本発明の一態様によれば、消費電力が少ないトランジスタを実現することができる。よって、消費電力が少ない半導体装置を実現することができる。
【０１０４】
なお、上述の３層構造は一例である。例えば、酸化物半導体層１０８ａまたは酸化物半導体層１０８ｃの一方を形成しない２層構造としても構わない。
【０１０５】
また、図１（Ｃ）に示すように、トランジスタ１５０は、チャネル幅方向において、電極１１１が酸化物半導体層１０８ｂを覆っている。また、絶縁層１０７が凸部を有することによって、酸化物半導体層１０８ｂの側面も電極１１１で覆うことができる。すなわち、電極１１１の電界によって、酸化物半導体層１０８ｂを電気的に取り囲むことができる構造を有している（導電膜の電界によって、半導体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、酸化物半導体層１０８ｂの全体（バルク）にチャネルを形成することもできる。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのドレイン電流を大きくすることができ、さらに大きいオン電流を得ることができる。また、電極１１１の電界によって、酸化物半導体層１０８ｂに形成されるチャネル形成領域の全領域を空乏化することができる。したがって、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジスタのオフ電流をさらに小さくすることができる。
【０１０６】
なお、図２（Ｂ）に示すように、絶縁層１０７の凸部を高くして酸化物半導体層１０８ａの側面も電極１１１で覆い、また、チャネル幅を小さくすることで、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などを高めることができる。なお、図３（Ｂ）に示すように、酸化物半導体層１０８ａを省略してもよい。
【０１０７】
［容量素子１９０］
容量素子１９０は、電極１０９、絶縁層１１０、電極１０３を含んで構成される。一般に、容量素子は、誘電体を二つの電極で挟む構成を有する。容量素子１９０において、絶縁層１１０が誘電体として機能し、電極１０９が一方の電極として機能し、電極１０３が他方の電極として機能する。
【０１０８】
なお、トランジスタ７５０と容量素子１９０を重畳して設けることで、半導体装置１００の占有面積を小さくすることができる。よって、本発明の一態様によれば、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０１０９】
続いて、半導体装置１００が有する上記以外の構成について説明する。
【０１１０】
トランジスタ１５０および容量素子１９０を覆って、絶縁層１１２および絶縁層１１３が形成されている。また、絶縁層１１３上に形成された電極１１４が、絶縁層１１２および絶縁層１１３に形成された開口を介して電極１１９と電気的に接続されている。
【０１１１】
素子分離領域７８９は、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法や、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法を用いて形成することができる。なお、ＳＴＩ法はＬＯＣＯＳによる素子分離法で発生した素子分離部のバーズビークを抑制することができ、素子分離部の縮小等が可能となる。よって、素子分離領域７８９の形成は、ＳＴＩ法を用いて行うことが好ましい。
【０１１２】
絶縁層７５２は、酸化シリコンなどの酸化物絶縁材料や、窒化シリコンなどの窒化物絶縁材料を単層もしくは積層して用いることができる。また、絶縁層７５２は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、熱酸化法などを用いて形成することができる。
【０１１３】
電極１０２、電極１０４は、電極７５１と同じ層を用いて形成される。電極１０２、電極１０４、および電極７５１は、後の工程で行われる熱処理に耐える導電性材料を用いて形成すればよい。本実施の形態では、電極１０２、電極１０４、および電極７５１を、ｎ型シリコンを用いて形成する。
【０１１４】
電極１０４は、絶縁層７５２に設けられた開口部において、ｎ型不純物領域７６５と接続している。
【０１１５】
側壁絶縁層７５６は、酸化シリコンなどの酸化物絶縁材料や、窒化シリコンなどの窒化物絶縁材料を用いて、既知の方法で形成することができる。
【０１１６】
絶縁層７９０および絶縁層７９１は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム等の絶縁性材料を用いて、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、熱酸化法などにより形成することができる。
【０１１７】
絶縁層７９０、絶縁層７９１、電極７５１、電極１０２、および電極１０４上に、絶縁層１０６が形成されている。絶縁層１０６は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の不純物の拡散を防ぐ機能を有する絶縁膜を用いて形成することが好ましい。該絶縁膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム等がある。なお、該絶縁膜として、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム等を用いることで、基板７００側からの不純物の酸化物半導体層１０８ｂへの拡散を抑制することができる。なお、絶縁層１０６は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、熱酸化法などにより形成することができる。絶縁層１０６は、これらの材料を単層で、もしくは積層して用いることができる。
【０１１８】
絶縁層１０７は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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を、単層で、または積層して形成する。また、絶縁層１０７は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、熱酸化法などを用いて形成することができる。
【０１１９】
なお、絶縁層１０７を積層膜で構成する場合には、それぞれの膜を、異なる形成方法で形成してもよい。例えば、１層目をＭＯＣＶＤ法で形成し、２層目をスパッタリング法で形成してもよい。または、１層目をＡＬＤ法で形成し、２層目をＭＯＣＶＤ法で形成してもよい。または、１層目をＡＬＤ法で形成し、２層目をスパッタリング法で形成してもよい。または、１層目をＡＬＤ法で形成し、２層目をスパッタリング法で形成し、３層目をＡＬＤ法で形成してもよい。このように、それぞれ、異なる形成方法を用いることによって、各層の膜に異なる機能や性質を持たせることができる。そして、それらの膜を積層することによって、積層膜全体として、より適切な膜を構成することができる。
【０１２０】
また、絶縁層１０７は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁層を用いて形成することが好ましい。このような絶縁層は、加熱により酸素の一部が脱離する。例えば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、あるいは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である絶縁層が好ましい。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℃以下の範囲である。
【０１２１】
電極１０３、電極１０９、電極１１１、電極１１４、および電極１１９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、マンガン、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単層構造または積層構造として用いることができる。例えば、マンガンを含む銅膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、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、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、タングステン膜上に銅膜を積層し、さらにその上にタングステン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
【０１２２】
なお、インジウム錫酸化物、亜鉛酸化物、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酸素を含む導電性材料、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、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料を組み合わせた積層構造とすることもできる。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を組み合わせた積層構造とすることもできる。また、前述した金属元素を含む材料、酸素を含む導電性材料、および窒素を含む導電性材料を組み合わせた積層構造とすることもできる。
【０１２３】
なお、電極１０９および電極１１９の、少なくとも、酸化物半導体層１０８と接する領域は、窒化チタン、インジウム錫酸化物、酸化ルテニウム、窒素を含むインジウムとガリウムと亜鉛の酸化物などの、酸素を透過しない材料を用いて形成することが好ましい。
【０１２４】
電極１０９および電極１１９は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法などを用いて形成することができる。
【０１２５】
絶縁層１１０は、絶縁層１０７と同様の材料および方法で形成することができる。
【０１２６】
絶縁層１１２は、酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の不純物の拡散を防ぐ機能を有する絶縁膜を用いて形成することが好ましい。このような材料を用いて絶縁層１１２を形成することにより、外部から酸化物半導体層１０８への不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物半導体層１０８に含まれる酸素の外部への拡散を抑制することができる。絶縁層１１２は、絶縁層１０６と同様の材料および方法で形成することができる。
【０１２７】
また、半導体装置１００は、絶縁層１０６と絶縁層１１２が接する領域を有する。図１（Ｂ）では、図１（Ｂ）の両端部に絶縁層１０６と絶縁層１１２が接する領域が示されている。このような構成とすることで、外部から酸化物半導体層１０８への不純物の拡散を抑制する効果をより高めることができる。また、酸化物半導体層１０８に含まれる酸素の外部への拡散を抑制する効果をより高めることができる。本発明の一態様によれば、信頼性の良好な半導体装置を提供することができる。
【０１２８】
絶縁層１１２は、絶縁層１０６と同様の材料および方法で形成することができる。ただし、絶縁層１１２は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁層でなくてもよい。
【０１２９】
電極１１４は、電極１０９および電極１１９と同様の材料および方法により形成することができる。
【０１３０】
また、電極１１４および絶縁層１１３上に平坦化絶縁層を設けてもよい。平坦化絶縁層としては、ポリイミド、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ系樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁層を形成してもよい。
【０１３１】
なおシロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基（例えばアルキル基やアリール基）やフッ素を用いても良い。また、有機基はフッ素を有していても良い。
【０１３２】
平坦化絶縁層の形成方法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）などを用いればよい。平坦化絶縁層の焼成工程と他の熱処理工程を兼ねることで効率よく半導体装置を作製することが可能となる。
【０１３３】
［成膜方法について］
金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜はスパッタ法やプラズマＣＶＤ法により形成することができるが、他の方法、例えば、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してもよい。熱ＣＶＤ法の例としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を使っても良い。
【０１３４】
熱ＣＶＤ法は、プラズマを使わない成膜方法のため、プラズマダメージにより欠陥が生成されることが無いという利点を有する。
【０１３５】
熱ＣＶＤ法は、原料ガスと酸化剤を同時にチャンバー内に送り、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、基板近傍または基板上で反応させて基板上に堆積させることで成膜を行ってもよい。
【０１３６】
また、ＡＬＤ法は、チャンバー内を大気圧または減圧下とし、反応のための原料ガスが順次にチャンバーに導入され、そのガス導入の順序を繰り返すことで成膜を行ってもよい。例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブとも呼ぶ）を切り替えて２種類以上の原料ガスを順番にチャンバーに供給し、複数種の原料ガスが混ざらないように第１の原料ガスと同時またはその後に不活性ガス（アルゴン、或いは窒素など）などを導入し、第２の原料ガスを導入する。なお、同時に不活性ガスを導入する場合には、不活性ガスはキャリアガスとなり、また、第２の原料ガスの導入時にも同時に不活性ガスを導入してもよい。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気によって第１の原料ガスを排出した後、第２の原料ガスを導入してもよい。第１の原料ガスが基板の表面に吸着して第１の層を成膜し、後から導入される第２の原料ガスと反応して、第２の層が第１の層上に積層されて薄膜が形成される。このガス導入順序を制御しつつ所望の厚さになるまで複数回繰り返すことで、段差被覆性に優れた薄膜を形成することができる。薄膜の厚さは、ガス導入順序を繰り返す回数によって調節することができるため、精密な膜厚調節が可能であり、微細なＦＥＴを作製する場合に適している。
【０１３７】
ＭＯＣＶＤ法やＡＬＤ法などの熱ＣＶＤ法は、これまでに記載した実施形態に開示された金属膜、半導体膜、無機絶縁膜など様々な膜を形成することができ、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウムを用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛を用いることもできる。
【０１３８】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化ハフニウム膜を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆体を含む液体（ハフニウムアルコキシドや、テトラキスジメチルアミドハフニウムなどのハフニウムアミド）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン（Ｏ３）の２種類のガスを用いる。また、他の材料液としては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウムなどがある。
【０１３９】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化アルミニウム膜を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体（トリメチルアルミニウムなど）を気化させた原料ガスと、酸化剤としてＨ２Ｏの２種類のガスを用いる。また、他の材料液としては、トリス（ジメチルアミド）アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート）などがある。
【０１４０】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化シリコン膜を形成する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、酸化性ガス（Ｏ２、一酸化二窒素）のラジカルを供給して吸着物と反応させる。
【０１４１】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置によりタングステン膜を成膜する場合には、ＷＦ６ガスとＢ２Ｈ６ガスを順次繰り返し導入して初期タングステン膜を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを順次繰り返し導入してタングステン膜を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いてもよい。
【０１４２】
例えば、ＡＬＤを利用する成膜装置により酸化物半導体膜、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する場合には、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＩｎ−Ｏ層を形成し、その後、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＧａＯ層を形成し、更にその後Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスとＯ３ガスを順次繰り返し導入してＺｎＯ層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｏ層やＩｎ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Ｏ３ガスに変えてＡｒ等の不活性ガスでバブリングして得られたＨ２Ｏガスを用いても良いが、Ｈを含まないＯ３ガスを用いる方が好ましい。また、Ｉｎ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｇａ（ＣＨ３）３ガスにかえて、Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３ガスを用いても良い。また、Ｚｎ（ＣＨ３）２ガスを用いても良い。
【０１４３】
＜半導体装置の作製方法例＞
半導体装置１００の作製方法について、図５乃至図８を用いて説明する。なお、図５乃至図８は、図１（Ａ）中の一点鎖線Ａ１−Ａ２で示す部位の断面に相当する。
【０１４４】
まず、基板７００中にＳＴＩ法を用いて素子分離領域７８９を形成する。本実施の形態では、基板７００としてｎ型の単結晶シリコンを用いる。次に、素子分離領域７８９以外の領域の一部に、トランジスタ７５０を形成する。絶縁層７５２として、熱酸化法により形成された酸化シリコンを用いる。電極７５１として、ＣＶＤ法により形成されたｎ型の多結晶シリコンを用いる。電極１０２および電極１０４は、電極７５１と同時に形成することができる。なお、電極７５１、電極１０２、および電極１０４の形成前に、絶縁層７５２の一部を除去して、開口部７５７を形成する。また、側壁絶縁層７５６として、ＣＶＤ法により形成された酸化窒化シリコンを用いる。
【０１４５】
ｎ型不純物領域７５４およびｎ型不純物領域７５５は、イオン注入法などの既知の方法を用いて形成することができる。ｎ型不純物領域７６５は、ｎ型不純物領域７５５と同時に形成することができる。
【０１４６】
トランジスタ７５０の形成後、トランジスタ７５０、電極１０２および電極１０４を覆って水素を含む絶縁層７９０を形成する。本実施の形態では、絶縁層７９０として、ＣＶＤ法により形成された水素を含む酸化窒化シリコンを用いる。また、絶縁層７９０形成後、絶縁層７９０に水素を添加する処理を行ってもよい。水素を添加する処理は、イオン注入装置、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いて行うことができる。
【０１４７】
次に、絶縁層７９０上に絶縁層７９１を形成する。本実施の形態では、絶縁層７９１として、ＣＶＤ法により形成された酸化窒化シリコンを用いる。
【０１４８】
次に、絶縁層７９０に含まれる水素をトランジスタ７５０中に拡散させて、トランジスタ７５０に含まれる未結合手などに起因する欠陥を低減するための加熱処理を行う。加熱処理は、３００℃以上８００℃以下、好ましくは４００℃以上７００℃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。加熱処理を行うことにより、トランジスタ７５０に含まれる未結合手などに起因する欠陥が低減されるとともに、酸化物半導体中で不純物となる水素を低減することができる。
【０１４９】
加熱処理に用いる加熱装置に特別な限定はなく、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、電気炉や、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。
【０１５０】
次に、電極７５１、電極１０２および電極１０４の表面を露出するため、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理（以下、「ＣＭＰ処理」ともいう。）を行う。また、ＣＭＰ処理を行うことにより、試料表面の凹凸を低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる（図５（Ａ）参照）。
【０１５１】
なお、前記加熱処理は、ＣＭＰ処理後に行ってもよい。
【０１５２】
次に、絶縁層７９０、絶縁層７９１、電極７５１、電極１０２および電極１０４を覆って、絶縁層１０６を形成する。絶縁層１０６の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましい。本実施の形態では、絶縁層１０６として、スパッタリング法により形成された厚さ５０ｎｍの酸化アルミニウムを用いる。
【０１５３】
次に、レジストマスクを用いて、絶縁層１０６の一部を選択的にエッチングし、電極７５１、電極１０２および電極１０４の表面を露出させる（図５（Ｂ）参照）。
【０１５４】
レジストマスクの形成は、リソグラフィ法、印刷法、インクジェット法等を適宜用いて行うことができる。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【０１５５】
絶縁層１０６のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。絶縁層１０６のエッチング終了後、レジストマスクを除去する。
【０１５６】
なお、前記加熱処理は、絶縁層１０６形成後に行ってもよい。
【０１５７】
次に、絶縁層１０７を形成する。絶縁層１０７の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましい。本実施の形態では、絶縁層１０７として、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコンを用いる。絶縁層１０７は、ＣＶＤ法により形成することができる（図５（Ｃ）参照）。
【０１５８】
また、過剰酸素を含む絶縁層は、絶縁層に酸素を添加する処理を行って形成することもできる。酸素を添加する処理は、酸素雰囲気下による熱処理や、イオン注入装置、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いて行うことができる。酸素を添加するためのガスとしては、１６Ｏ２もしくは１８Ｏ２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いることができる。なお、本明細書では酸素を添加する処理を「酸素ドープ処理」ともいう。
【０１５９】
次に、レジストマスクを用いて、絶縁層１０７の一部を選択的にエッチングし、電極７５１、および電極１０４の表面を露出させる（図５（Ｄ）参照）。絶縁層１０７のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。
【０１６０】
次に、絶縁層１０７上に、電極１０９および電極１１９を形成するための導電層１２７を成膜する（図６（Ａ）参照）。本実施の形態では、導電層１２７として、スパッタリング法により厚さ１００ｎｍのタングステンを成膜する。
【０１６１】
次に、レジストマスクを用いて、導電層１２７の一部を選択的にエッチングし、電極１０９、および電極１１９（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）を形成する（図６（Ｂ）参照）。導電層１２７のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。
【０１６２】
なお、チャネル長が極めて短いトランジスタを形成する場合は、電子ビーム露光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）露光、液浸露光などの細線加工に適した方法を用いてレジストマスクを形成し、エッチング処理を行うことによって電極１０９、および電極１１９を形成すればよい。なお、レジストマスクとしては、ポジ型レジストを用いれば、露光領域を最小限にすることができ、スループットを向上させることができる。このような方法を用いれば、チャネル長を３０ｎｍ以下とするトランジスタを作製することができる。
【０１６３】
また、電極１０９および電極１１９（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）は、その端部をテーパー形状とすることで、電極１０９および電極１１９の側面を被覆する層の被覆性を向上させることができる。具体的には、端部のテーパー角θを、８０°以下、好ましくは６０°以下、さらに好ましくは４５°以下とする。なお、「テーパー角」とは、テーパー形状を有する層を、その断面（基板の表面と直交する面）方向から観察した際に、当該層の側面と底面がなす当該層内の角度を示す。また、テーパー角が９０°未満である場合を順テーパーといい、テーパー角が９０°よりも大きい場合を逆テーパーという（図６（Ｂ）参照。）。
【０１６４】
また、電極１０９および電極１１９（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）の端部の断面形状を複数段の階段形状とすることで、その上に被覆する層の被覆性を向上させることもできる。なお、電極１０９および電極１１９に限らず、各層の端部を順テーパー形状または階段形状とすることで、該端部を覆って形成する層が、該端部で途切れてしまう現象（段切れ）を防ぎ、被覆性を良好なものとすることができる。
【０１６５】
次に、絶縁層１０７、電極１０９および電極１１９上に、酸化物半導体層１０８ａを形成するための、酸化物半導体層１１５ａを形成する。また、酸化物半導体層１１５ａ上に酸化物半導体層１０８ｂを形成するための、酸化物半導体層１１５ｂを形成する。
【０１６６】
なお、酸化物半導体層の成膜には、スパッタ法を用いることが好ましい。スパッタ法としては、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法、ＡＣスパッタ法等を用いることができる。ＤＣスパッタ法、またはＡＣスパッタ法は、ＲＦスパッタ法よりも均一性良く成膜することができる場合がある。
【０１６７】
本実施の形態では、酸化物半導体層１１５ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）を用いて、スパッタリング法により厚さ２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。また、酸化物半導体層１１５ｂとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）を用いて、スパッタリング法により厚さ３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する（図６（Ａ）参照）。なお、酸化物半導体層１１５ａおよび酸化物半導体層１１５ｂに適用可能な構成元素および組成はこれに限られるものではない。
【０１６８】
また、酸化物半導体層１１５ａ形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。また、酸化物半導体層１１５ｂ形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０１６９】
次に、酸化物半導体層１１５ｂ上にレジストマスクを形成し、該レジストマスクを用いて、酸化物半導体層１１５ａおよび酸化物半導体層１１５ｂの一部を選択的にエッチングし、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂを形成する。また、酸化物半導体層１１５ａのエッチングにより露出した領域の絶縁層１０７を少しエッチングして、該領域の絶縁層１０７の膜厚を薄くする。該領域のエッチング深さは、もとの絶縁層１０７の厚さの２０％以上５０％以下が好ましい。
【０１７０】
酸化物半導体層１１５ａおよび酸化物半導体層１１５ｂのエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。エッチング終了後、レジストマスクを除去する。このようにして、凸部を有する絶縁層１０７を形成することができる（図６（Ｄ）参照。）。
【０１７１】
次に、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂ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、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂを高純度化するために、加熱処理を行うことが好ましい。
【０１７２】
例えば、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性雰囲気下、酸化性雰囲気下、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）雰囲気下で、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂに加熱処理を施す。なお、酸化性雰囲気とは、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。
【０１７３】
また、加熱処理を行うことにより、不純物の放出と同時に絶縁層１０７に含まれる酸素を酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂに拡散させ、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂの酸素欠損を低減することができる。なお、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。なお、加熱処理は、酸化物半導体層１１５ａおよび酸化物半導体層１１５ｂの形成後であれば、いつ行ってもよい。
【０１７４】
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。
【０１７５】
本実施の形態では、窒素ガス雰囲気中で４５０℃１時間の加熱処理を行った後、酸素ガス雰囲気中で４５０℃１時間の加熱処理を行う。
【０１７６】
次に、酸化物半導体層１０８ｃを形成するための、酸化物半導体層１１５ｃを形成する。本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）を用いたスパッタリング法により、酸化物半導体層１１５ｃとして厚さ５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する（図７（Ａ）参照）。なお、酸化物半導体層１１５ｃに適用可能な構成元素および組成はこれに限られるものではない。
【０１７７】
次に、レジストマスクを用いて、酸化物半導体層１１５ｃの一部を選択的にエッチングし、酸化物半導体層１０８ｃを形成する（図７（Ｂ）参照。）。
【０１７８】
酸化物半導体層１１５ｃのエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。エッチング終了後、レジストマスクを除去する。
【０１７９】
次に、絶縁層１１０を形成するための絶縁層１２０を形成する。本実施の形態では、絶縁層１２０として、プラズマＣＶＤ法により厚さ２０ｎｍの酸化窒化シリコンを形成する（図７（Ｃ）参照。）。
【０１８０】
続いて、電極１０３および電極１１１を形成するための導電層１２１を絶縁層１２０上に形成する。本実施の形態では、導電層１２１として、スパッタリング法により厚さ３０ｎｍの窒化タンタル上に厚さ１３５ｎｍのタングステンを積層して用いる（図７（Ｃ）参照。）。
【０１８１】
次に、レジストマスクを用いて、導電層１２１の一部を選択的にエッチングし、電極１０３および電極１１１（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）を形成する。導電層のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。その後、レジストマスクを除去する。
【０１８２】
次に、電極１０３および電極１１１をマスクとして用いて、絶縁層１２０の一部をエッチングして絶縁層１１０を形成する。絶縁層１２０のエッチングは、導電層１２１のエッチング時に用いたレジストマスクを除去せずに行ってもよい。また、導電層１２１と絶縁層１２０のエッチングを、同一のエッチング工程で行ってもよい（図７（Ｄ）参照。）。
【０１８３】
このようにして、トランジスタ７５０、トランジスタ１５０、容量素子１９０を形成することができる。
【０１８４】
次に、絶縁層１１２を形成する。本実施の形態では、絶縁層１１２として厚さ７０ｎｍの酸化アルミニウムを形成する。また、絶縁層１１２の形成後に、酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０１８５】
次に、絶縁層１１２上に絶縁層１１３を形成する（図８（Ａ）参照）。本実施の形態では、絶縁層１１３として厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコンを形成する。また、絶縁層１１３の形成後に、酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０１８６】
次に、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性雰囲気下、酸化性雰囲気下、又は超乾燥エア雰囲気下で、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。
【０１８７】
次に、レジストマスクを用いて絶縁層１１２および絶縁層１１３の一部を選択的にエッチングし、開口部１５７を形成する（図８（Ｂ）参照。）。
【０１８８】
次に、電極１１４を形成するための導電層を形成する。本実施の形態では、厚さ５０ｎｍのチタン層上に厚さ２００ｎｍのアルミニウム層を積層し、さらにその上に厚さ５０ｎｍのチタン層を形成する三層構造の導電層をスパッタリング法により形成する。また、導電層上に形成したレジストマスクを用いて該導電層の一部を選択的にエッチングして、電極１１４を形成する（図８（Ｃ）参照。）。
【０１８９】
次に、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性雰囲気下、酸化性雰囲気下、又は超乾燥エア雰囲気下で、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。
【０１９０】
以上の工程により半導体装置１００を作製することができる。
【０１９１】
＜半導体装置の変形例＞
図９および図１０に半導体装置１００の変形例を示す。
【０１９２】
図９（Ａ）に示す半導体装置２１０のように、電極１０３および電極１１１の形成後、絶縁層１１０の一部をエッチングせず、残してもよい。絶縁層１１０を残すことで、電極１０３および電極１１１の形成後に絶縁層１１０の一部をエッチングする工程を削減することができ、半導体装置の生産性を高めることができる。
【０１９３】
また、図９（Ｂ）に示す半導体装置２２０のように、電極１０３および電極１１１をマスクとして用いて、絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃの一部を選択的にエッチングしてもよい。この場合、電極１０３および電極１１１の形成時に絶縁層１１０および酸化物半導体層１０８ｃの選択的なエッチングを同一工程内で行うことができるため、絶縁層１１０形成前に行う酸化物半導体層１０８ｃを形成する工程を削減することができ、半導体装置の生産性を高めることができる。
【０１９４】
また、半導体装置２２０では、容量素子１９０を構成する電極１０３と電極１０９の間に絶縁層１１０の一部だけでなく、酸化物半導体層１０８ｃの一部も形成される。容量素子１９０の誘電体層として絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃを用いることにより、電極１０３と電極１０９間の距離を広げることができるため、容量素子１９０の絶縁耐圧を高めることができる。また、電極１０３と電極１０９間のリーク電流を低減することができる。よって、半導体装置の信頼性を高めることができる。また、半導体装置の消費電力を低減することができる。
【０１９５】
また、図９（Ｃ）に示す半導体装置２３０のように、酸化物半導体層１０８ｃと絶縁層１１０を連続して形成した後、レジストマスクを用いて絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃの一部を選択的に除去し、その後、電極１０３および電極１１１を形成してもよい。
【０１９６】
また、図１０（Ａ）に示す半導体装置２４０のように、絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃをエッチングしなくてもよい。
【０１９７】
また、図１０（Ｂ）に示す半導体装置２５０のように、電極１０２上の絶縁層１０６を除去せず残してもよい。このような構成とすることで、外部から酸化物半導体層１０８への不純物の拡散を抑制する効果をより高めることができる。また、酸化物半導体層１０８に含まれる酸素の外部への拡散を抑制する効果をより高めることができる。
【０１９８】
また、図１０（Ｃ）に示す半導体装置２６０のように、絶縁層７９０の上に絶縁層１０６を形成し、絶縁層１０６の上に電極１０２と同様に機能できる電極１１８を設けてもよい。半導体装置２６０では、絶縁層１０６を絶縁層７９０の上に形成するため、電極７５１および電極１０４と同時に電極１０２を形成することができない。このため、絶縁層１０６上に電極１０２と同様に機能できる電極１１８を形成する。しかしながら、絶縁層１０６を下層に配置することで、絶縁層１０６の厚さ分、電極１１８を酸化物半導体層１０８に近づけることができるため、電極１１８がゲート電極またはバックゲート電極として機能する時の効果を高めることができる。電極１１８は、電極１０３、電極１０９、電極１１１、電極１１４、または電極１１９と同様の材料および方法で形成することができる。
【０１９９】
本発明の一態様によれば、電気特性の良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、生産性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、信頼性の良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、消費電力の少ない半導体装置を提供することができる。
【０２００】
また、本実施の形態では、トランジスタ１５０に用いる半導体層として酸化物半導体を例示して説明した。ただし、本発明の一態様は、これに限定されず、半導体層として、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体等を用いてもよい。例えば、非晶質シリコンや、微結晶ゲルマニウムや、多結晶シリコン等を用いてもよい。例えば、トランジスタ１５０により大きな電界効果移動度が求められる場合、トランジスタ１５０の半導体層として多結晶シリコンなどを用いてもよい。また、炭化シリコン、ガリウム砒素、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体等を用いてもよい。
【０２０１】
本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０２０２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１に開示した半導体装置１００などと異なる構成を有する半導体装置１１００について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、説明の重複を減らすため、明示する場合を除き、半導体装置１００などと同等部分についての説明を省略する。
【０２０３】
＜半導体装置の構成例＞
図１１（Ａ）は、半導体装置１１００の上面図である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）中のＡ１−Ａ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図１１（Ｃ）は、図１１（Ａ）中のＢ１−Ｂ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。半導体装置１１００は、トランジスタ７５０、トランジスタ１６０、容量素子１９０を有する。図１１（Ｂ）は、トランジスタ１６０のチャネル長方向の断面図であり、図１１（Ｃ）は、トランジスタ１６０のチャネル幅方向の断面図である。
【０２０４】
［トランジスタ７５０］
実施の形態１に示した半導体装置１００などと同様に、半導体装置１１００が有するトランジスタ７５０は、基板７００を用いて形成されている。本実施の形態では、基板７００としてｐ型の単結晶シリコン基板を用いる例を示す。トランジスタ７５０は、基板７００中にチャネルが形成されるトランジスタである。
【０２０５】
［トランジスタ１６０］
トランジスタ１６０は、電極１０２、絶縁層１０７、電極１０９、電極１１９、酸化物半導体層１０８（酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、酸化物半導体層１０８ｃ）、絶縁層１１０、電極１１１を含んで構成される。図１１（Ｂ）に示すトランジスタ１６０の拡大図を図１２（Ａ）に示す。なお、酸化物半導体層１０８は、酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、酸化物半導体層１０８ｃの少なくとも一つを省略してもよいし、さらに、層を追加してもよい。例えば、酸化物半導体層１０８ａを省略してもよい。その場合の例を、図１３（Ａ）に示す。
【０２０６】
また、絶縁層７９１上に電極１０２の一部と接して絶縁層１０６が形成され、絶縁層１０６上に絶縁層１０７が形成されている。また、電極１０２と重畳して、絶縁層１０６および絶縁層１０７の一部に開口部１３５が形成され、開口部１３５を覆って絶縁層１３１が形成されている。また、絶縁層１３１上に重畳して酸化物半導体層１０８ａが形成されている。また、酸化物半導体層１０８ａの一部と接して、絶縁層１０７上に電極１０９および電極１１９が形成されている。電極１０９は、絶縁層１０７および絶縁層１０６に設けられた開口部１３６を介して電極７５１と電気的に接続されている。電極１１９は、絶縁層１０７および絶縁層１０６に設けられた開口部１３７を介して電極１０４と電気的に接続されている。
【０２０７】
また、電極１０９、電極１１９、および酸化物半導体層１０８ａ上に酸化物半導体層１０８ｂが形成されている。また、酸化物半導体層１０８ｂを覆って、酸化物半導体層１０８ｃが形成されている（図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）参照）。
【０２０８】
また、電極１１１が、絶縁層１１０を介して酸化物半導体層１０８ｃ上に形成されている。電極１１１は、酸化物半導体層１０８ｂ、電極１０２、電極１０９、および電極１１９の、それぞれの少なくとも一部と重畳する。
【０２０９】
電極１０９および電極１１９は、ソース電極またはドレイン電極として機能することができる。
【０２１０】
本実施の形態に例示するトランジスタ１６０は、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタである。また、トランジスタ１６０は、トップゲート型トランジスタの一種であり、スタガ型トランジスタの一種でもある。トランジスタ１６０は、バックゲート電極を有する。
【０２１１】
実施の形態１に開示したトランジスタと同様に、トランジスタ１６０も、占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジスタである。すなわち、求められるオン電流に対して、トランジスタ１６０の占有面積を小さくすることができる。本発明の一態様によれば、トランジスタの占有面積を小さくすることができる。よって、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０２１２】
また、ゲート絶縁層を薄くすると、ゲート電極から生じる電界を効率よく半導体層に伝達できるため、半導体装置の電気特性を高めることができる。しかしながら、ゲート絶縁層を薄くすると、ゲート絶縁層を介して重畳する電極または配線間に絶縁破壊が生じやすくなり、半導体装置の信頼性悪化の一因となる。
【０２１３】
本発明の一態様によれば、電極１０２と重畳する絶縁層１０６と絶縁層１０７それぞれの一部を除去して開口部１３５を形成し、開口部１３５を覆って絶縁層１３１を形成し、絶縁層１３１上に酸化物半導体層１０８を形成することで、電極１０２の電位変化を効率良く酸化物半導体層１０８に伝えることができる。一方で、開口部１３５以外の領域では絶縁層１０６と絶縁層１０７が残るため、前述した配線間の絶縁破壊が生じにくい。なお、絶縁層１３１の厚さは、絶縁層１０６と絶縁層１０７を合わせた厚さよりも薄くすることが好ましい。本発明の一態様によれば、電気特性が良好な半導体装置を実現できる。また、信頼性が良好な半導体装置を実現できる。
【０２１４】
なお、電極１０２または電極１１１のどちらか一方があれば、トランジスタ１６０を動作させることができる。よって、目的に応じて、電極１０２または電極１１１のどちらか一方を形成しないことも可能である。電極１０２または電極１１１のどちらか一方を形成しないことで、半導体装置の生産性を高めることができる。
【０２１５】
酸化物半導体層１０８は、酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、酸化物半導体層１０８ｃを積層した構成を有する。
【０２１６】
なお、酸化物半導体層１０８ａと絶縁層１３１の界面、および酸化物半導体層１０８ｃと絶縁層１１０の界面近傍には、不純物や欠陥に起因したトラップ準位が形成され得るものの、酸化物半導体層１０８ａ、および酸化物半導体層１０８ｃがあることにより、酸化物半導体層１０８ｂと当該トラップ準位とを遠ざけることができる。
【０２１７】
なお、上述の３層構造は一例である。例えば、酸化物半導体層１０８ａまたは酸化物半導体層１０８ｃの一方を形成しない２層構造としても構わない。
【０２１８】
また、図１１（Ｃ）に示すように、トランジスタ１６０は、チャネル幅方向において、電極１１１が酸化物半導体層１０８ｂを覆っている。また、酸化物半導体層１０８ｂの側面も電極１１１で覆うことによって、電極１１１の電界によって、酸化物半導体層１０８ｂを電気的に取り囲むｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造となる。
【０２１９】
なお、図１２（Ｂ）に示すように、酸化物半導体層１０８ｂを厚くして、チャネル幅を小さくすることで、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などを高めることができる。なお、図１３（Ｂ）に示すように、酸化物半導体層１０８ａを省略してもよい。
【０２２０】
［容量素子１９０］
容量素子１９０は、電極１０９、絶縁層１１０、電極１０３を含んで構成される。トランジスタ７５０と容量素子１９０を重畳して設けることで、半導体装置１１００の占有面積を小さくすることができる。よって、本発明の一態様によれば、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０２２１】
続いて、半導体装置１１００が有する上記以外の構成について説明する。
【０２２２】
トランジスタ１６０および容量素子１９０を覆って、絶縁層１１２および絶縁層１１３が形成されている。また、絶縁層１１３上に形成された電極１１４が、絶縁層１１２および絶縁層１１３に形成された開口部１５７を介して電極１１９と電気的に接続されている。
【０２２３】
電極１０２、電極１０４は、電極７５１と同じ層を用いて形成される。電極１０２、電極１０４、および電極７５１は、後の工程で行われる熱処理に耐える導電性材料を用いて形成すればよい。本実施の形態では、電極１０２、電極１０４、および電極７５１を、ｎ型シリコンを用いて形成する。
【０２２４】
電極１０４は、絶縁層７５２に設けられた開口部において、ｎ型不純物領域７６５と接続している。
【０２２５】
また、絶縁層１３１は、絶縁層１０７と同様の材料および方法を用いて形成することができる。
【０２２６】
また、絶縁層１０７および絶縁層１３１は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁層を用いて形成することが好ましい。
【０２２７】
また、半導体装置１１００は、絶縁層１０６と絶縁層１１２が接する領域を有する。図１１（Ｂ）では、図１１（Ｂ）の両端部に絶縁層１０６と絶縁層１１２が接する領域が示されている。このような構成とすることで、外部から酸化物半導体層１０８への不純物の拡散を抑制する効果をより高めることができる。また、酸化物半導体層１０８に含まれる酸素の外部への拡散を抑制する効果をより高めることができる。本発明の一態様によれば、信頼性の良好な半導体装置を提供することができる。
【０２２８】
また、電極１１４および絶縁層１１３上に平坦化絶縁層を設けてもよい。平坦化絶縁層としては、ポリイミド、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ系樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁層を形成してもよい。
【０２２９】
＜半導体装置の作製方法例＞
半導体装置１１００の作製方法について、図１４乃至図２０を用いて説明する。これらの図は、図１１（Ａ）中の一点鎖線Ａ１−Ａ２で示す部位の断面に相当する。
【０２３０】
まず、基板７００中にＳＴＩ法を用いて素子分離領域７８９を形成する。本実施の形態では、基板７００としてｐ型の単結晶シリコンを用いる。次に、素子分離領域７８９以外の領域の一部に、トランジスタ７５０を形成する。絶縁層７５２として、熱酸化法により形成された酸化シリコンを用いる。電極７５１として、ＣＶＤ法により形成されたｎ型の多結晶シリコンを用いる。電極１０２および電極１０４は、電極７５１と同時に形成することができる。なお、電極７５１、電極１０２、および電極１０４の形成前に、絶縁層７５２の一部を除去して、開口部７５７を形成する。また、側壁絶縁層７５６として、ＣＶＤ法により形成された酸化窒化シリコンを用いる。
【０２３１】
ｎ型不純物領域７５４およびｎ型不純物領域７５５は、イオン注入法などの既知の方法を用いて形成することができる。ｎ型不純物領域７６５は、ｎ型不純物領域７５５と同時に形成することができる。
【０２３２】
トランジスタ７５０の形成後、トランジスタ７５０、電極１０２および電極１０４を覆って水素を含む絶縁層７９０を形成する。本実施の形態では、絶縁層７９０として、ＣＶＤ法により形成された水素を含む酸化窒化シリコンを用いる。また、絶縁層７９０形成後、絶縁層７９０に水素を添加する処理を行ってもよい。水素を添加する処理は、イオン注入装置、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いて行うことができる。
【０２３３】
次に、絶縁層７９０上に絶縁層７９１を形成する。本実施の形態では、絶縁層７９１として、ＣＶＤ法により形成された酸化窒化シリコンを用いる。
【０２３４】
次に、絶縁層７９０に含まれる水素をトランジスタ７５０中に拡散させて、トランジスタ７５０に含まれる未結合手などに起因する欠陥を低減するための加熱処理を行う。加熱処理は、３００℃以上８００℃以下、好ましくは４００℃以上７００℃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。加熱処理を行うことにより、トランジスタ７５０に含まれる未結合手などに起因する欠陥が低減されるとともに、酸化物半導体中で不純物となる水素を低減することができる。
【０２３５】
加熱処理に用いる加熱装置に特別な限定はなく、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。
【０２３６】
次に、電極７５１、電極１０２および電極１０４の表面を露出するため、ＣＭＰ処理を行う。また、ＣＭＰ処理を行うことにより、試料表面の凹凸を低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる（図１４（Ａ）参照）。
【０２３７】
なお、前述した加熱処理は、ＣＭＰ処理後に行ってもよい。
【０２３８】
次に、絶縁層７９０、絶縁層７９１、電極７５１、電極１０２および電極１０４を覆って、絶縁層１０６を形成する。絶縁層１０６の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましい。本実施の形態では、絶縁層１０６として、スパッタリング法により形成された厚さ５０ｎｍの酸化アルミニウムを用いる。
【０２３９】
次に、レジストマスクを用いて、絶縁層１０６の一部を選択的にエッチングし、電極７５１、電極１０２および電極１０４の表面を露出させる（図１４（Ｂ）参照）。
【０２４０】
レジストマスクの形成は、リソグラフィ法、印刷法、インクジェット法等を適宜用いて行うことができる。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【０２４１】
絶縁層１０６のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。絶縁層１０６のエッチング終了後、レジストマスクを除去する。
【０２４２】
なお、前述した加熱処理は、絶縁層１０６形成後に行ってもよい。
【０２４３】
次に、絶縁層１０７を形成する。絶縁層１０７の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましい。本実施の形態では、絶縁層１０７として、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコンを用いる。絶縁層１０７は、ＣＶＤ法により形成することができる（図１４（Ｃ）参照）。
【０２４４】
また、過剰酸素を含む絶縁層は、絶縁層に酸素を添加する処理を行って形成することもできる。酸素を添加する処理は、酸素雰囲気下による熱処理や、イオン注入装置、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いて行うことができる。酸素を添加するためのガスとしては、１６Ｏ２もしくは１８Ｏ２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いることができる。なお、本明細書では酸素を添加する処理を「酸素ドープ処理」ともいう。
【０２４５】
次に、レジストマスクを用いて、絶縁層１０７の一部を選択的にエッチングし、電極７５１、電極１０２、および電極１０４の表面を露出させる（図１４（Ｄ）参照）。絶縁層１０７のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。
【０２４６】
このようにして、絶縁層１０６および絶縁層１０７に、電極７５１と重畳する開口部１３６、電極１０２と重畳する開口部１３５、および電極１０４と重畳する開口部１３７が形成される。
【０２４７】
なお、絶縁層７９０、絶縁層７９１、電極７５１、電極１０２および電極１０４を覆って、絶縁層１０６を形成した後、続けて絶縁層１０７を形成し（図１９（Ａ）参照。）、その後、絶縁層１０６と絶縁層１０７の一部を選択的にエッチングして開口部１３５、開口部１３６、および開口部１３７を形成してもよい（図１９（Ｂ）参照。）。絶縁層１０６と絶縁層１０７を同一工程でエッチングすることで、作製工程を低減することができる。よって、半導体装置の生産性を高めることができる。この場合、エッチングの条件によっては、絶縁層１０６と絶縁層１０７の端部が揃うような形状となる。
【０２４８】
次に、絶縁層１０７上に、絶縁層１３１を形成する。絶縁層１３１の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましい。本実施の形態では、絶縁層１３１として、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコンを用いる。絶縁層１３１は、ＣＶＤ法により形成することができる（図１５（Ａ）参照）。
【０２４９】
次に、レジストマスクを用いて、絶縁層１３１の一部を選択的にエッチングし、電極７５１および電極１０４の表面を露出させる。また、電極１０２と重畳する開口部１３５は絶縁層１３１に覆われている（図１５（Ｂ）参照）。
【０２５０】
レジストマスクの形成は、リソグラフィ法、印刷法、インクジェット法等を適宜用いて行うことができる。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【０２５１】
絶縁層１３１のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。絶縁層１３１のエッチング終了後、レジストマスクを除去する。
【０２５２】
次に、絶縁層１０７および絶縁層１３１を覆って、酸化物半導体層１０８ａを形成するための酸化物半導体層１１５ａを形成する（図１５（Ｃ）参照）。
【０２５３】
本実施の形態では、酸化物半導体層１１５ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）を用いたスパッタリング法により厚さ２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する。なお、酸化物半導体層１１５ａに適用可能な構成元素および組成はこれに限られるものではない。
【０２５４】
また、酸化物半導体層１１５ａ形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０２５５】
次に、酸化物半導体層１１５ａ上にレジストマスクを形成し、該レジストマスクを用いて、酸化物半導体層１１５ａの一部を選択的にエッチングし、酸化物半導体層１０８ａを形成する。
【０２５６】
酸化物半導体層１１５ａのエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。エッチング終了後、レジストマスクを除去する（図１５（Ｄ）参照）。また、酸化物半導体層１０８ａは、絶縁層１３１と重畳して形成される。
【０２５７】
なお、図１５（Ａ）の後、図１５（Ｂ）の工程を省略してもよい。その場合、図１５（Ｃ）は、図２０（Ａ）に示すような断面図となる。その後、図１５（Ｄ）と同様に、酸化物半導体層１１５ａをエッチングする。このとき、絶縁層１３１も同時にエッチングする（図２０（Ｂ）参照）。そのため、エッチングの条件によっては、端部が揃うような形状となる。
【０２５８】
次に、絶縁層１０７、絶縁層１３１、酸化物半導体層１０８ａ上に、電極１０９および電極１１９を形成するための導電層１２７を形成する（図１６（Ａ）参照）。本実施の形態では、導電層１２７として、スパッタリング法により厚さ１００ｎｍのタングステンを成膜する。
【０２５９】
次に、レジストマスクを用いて、導電層１２７の一部を選択的にエッチングし、電極１０９、および電極１１９（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）を形成する（図１６（Ｂ）参照）。導電層１２７のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。
【０２６０】
なお、チャネル長が極めて短いトランジスタを形成する場合は、電子ビーム露光、ＥＵＶ露光、液浸露光などの細線加工に適した方法を用いてレジストマスクを形成し、エッチング処理を行うことによって電極１０９、および電極１１９を形成すればよい。なお、レジストマスクとしては、ポジ型レジストを用いれば、露光領域を最小限にすることができ、スループットを向上させることができる。このような方法を用いれば、チャネル長を３０ｎｍ以下とするトランジスタを作製することができる。
【０２６１】
また、電極１０９および電極１１９（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）は、その端部をテーパー形状とすることで、電極１０９および電極１１９の側面を被覆する層の被覆性を向上させることができる。具体的には、端部のテーパー角θを、８０°以下、好ましくは６０°以下、さらに好ましくは４５°以下とする。なお、「テーパー角」とは、テーパー形状を有する層を、その断面（基板の表面と直交する面）方向から観察した際に、当該層の側面と底面がなす当該層内の角度を示す。また、テーパー角が９０°未満である場合を順テーパーといい、テーパー角が９０°よりも大きい場合を逆テーパーという（図１６（Ｂ）参照。）。
【０２６２】
また、電極１０９および電極１１９（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）の端部の断面形状を複数段の階段形状とすることで、その上に被覆する層の被覆性を向上させることもできる。なお、電極１０９および電極１１９に限らず、各層の端部を順テーパー形状または階段形状とすることで、該端部を覆って形成する層が、該端部で途切れてしまう現象（段切れ）を防ぎ、被覆性を良好なものとすることができる。
【０２６３】
次に、絶縁層１０７、電極１０９および電極１１９上に、酸化物半導体層１０８ｂを形成するための、酸化物半導体層１１５ｂを形成する。
【０２６４】
本実施の形態では、酸化物半導体層１１５ｂとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）を用いて、スパッタリング法により厚さ３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する（図１６（Ｃ）参照。）。なお、酸化物半導体層１１５ａおよび酸化物半導体層１１５ｂに適用可能な構成元素および組成はこれに限られるものではない。
【０２６５】
また、酸化物半導体層１１５ｂ形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０２６６】
次に、酸化物半導体層１１５ｂ上にレジストマスクを形成し、該レジストマスクを用いて、酸化物半導体層１１５ｂの一部を選択的にエッチングし、酸化物半導体層１０８ｂを形成する。
【０２６７】
酸化物半導体層１１５ｂのエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。エッチング終了後、レジストマスクを除去する。このようにして、凸部を有する絶縁層１０７を形成することができる（図１６（Ｄ）参照。）。
【０２６８】
次に、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂ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、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂを高純度化するために、加熱処理を行うことが好ましい。
【０２６９】
例えば、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性雰囲気下、酸化性雰囲気下、又は超乾燥エア雰囲気下で、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂに加熱処理を施す。
【０２７０】
また、加熱処理を行うことにより、不純物の放出と同時に絶縁層１０７および／または絶縁層１３１に含まれる酸素を酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂに拡散させ、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂの酸素欠損を低減することができる。なお、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。なお、加熱処理は、酸化物半導体層１１５ａおよび酸化物半導体層１１５ｂの形成後であれば、いつ行ってもよい。
【０２７１】
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。
【０２７２】
本実施の形態では、窒素ガス雰囲気中で４５０℃１時間の加熱処理を行った後、酸素ガス雰囲気中で４５０℃１時間の加熱処理を行う。
【０２７３】
次に、酸化物半導体層１０８ｃを形成するための、酸化物半導体層１１５ｃを形成する。本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）を用いたスパッタリング法により、酸化物半導体層１１５ｃとして厚さ５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する（図１７（Ａ）参照。）。なお、酸化物半導体層１１５ｃに適用可能な構成元素および組成はこれに限られるものではない。
【０２７４】
次に、レジストマスクを用いて、酸化物半導体層１１５ｃの一部を選択的にエッチングし、酸化物半導体層１０８ｃを形成する（図１７（Ｂ）参照。）。
【０２７５】
酸化物半導体層１１５ｃのエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。エッチング終了後、レジストマスクを除去する。
【０２７６】
次に、絶縁層１１０を形成するための絶縁層１２０を形成する。本実施の形態では、絶縁層１２０として、プラズマＣＶＤ法により厚さ２０ｎｍの酸化窒化シリコンを形成する（図１７（Ｃ）参照。）。
【０２７７】
続いて、電極１０３および電極１１１を形成するための導電層１２１を絶縁層１２０上に形成する。本実施の形態では、導電層１２１として、スパッタリング法により厚さ３０ｎｍの窒化タンタル上に厚さ１３５ｎｍのタングステンを積層して用いる（図１７（Ｃ）参照。）。
【０２７８】
次に、レジストマスクを用いて、導電層１２１の一部を選択的にエッチングし、電極１０３および電極１１１（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）を形成する。導電層のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。その後、レジストマスクを除去する。
【０２７９】
次に、電極１０３および電極１１１をマスクとして用いて、絶縁層１２０の一部をエッチングして絶縁層１１０を形成する。絶縁層１２０のエッチングは、導電層１２１のエッチング時に用いたレジストマスクを除去せずに行ってもよい。また、導電層１２１と絶縁層１２０のエッチングを、同一のエッチング工程で行ってもよい（図１７（Ｄ）参照。）。
【０２８０】
このようにして、トランジスタ７５０、トランジスタ１６０、容量素子１９０を形成することができる。
【０２８１】
次に、絶縁層１１２を形成する。本実施の形態では、絶縁層１１２として厚さ７０ｎｍの酸化アルミニウムを形成する。また、絶縁層１１２の形成後に、酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０２８２】
次に、絶縁層１１２上に絶縁層１１３を形成する（図１８（Ａ）参照）。本実施の形態では、絶縁層１１３として厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコンを形成する。また、絶縁層１１３の形成後に、酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０２８３】
次に、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性雰囲気下、酸化性雰囲気下、又は超乾燥エア雰囲気下で、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。
【０２８４】
次に、レジストマスクを用いて絶縁層１１２および絶縁層１１３の一部を選択的にエッチングし、開口部１５７を形成する（図１８（Ｂ）参照）。
【０２８５】
次に、電極１１４を形成するための導電層を形成する。本実施の形態では、厚さ５０ｎｍのチタン層上に厚さ２００ｎｍのアルミニウム層を積層し、さらにその上に厚さ５０ｎｍのチタン層を形成する三層構造の導電層をスパッタリング法により形成する。また、導電層上に形成したレジストマスクを用いて該導電層の一部を選択的にエッチングして、電極１１４を形成する（図１８（Ｃ）参照。）。
【０２８６】
次に、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性雰囲気下、酸化性雰囲気下、又は超乾燥エア雰囲気下で、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。
【０２８７】
以上の工程により半導体装置１１００を作製することができる。
【０２８８】
＜半導体装置の変形例＞
図２１乃至図２３に半導体装置１１００の変形例を示す。
【０２８９】
図２１（Ａ）に示す半導体装置１１１０のように、電極１０３および電極１１１の形成後、絶縁層１１０の一部をエッチングせず、残してもよい。絶縁層１１０を残すことで、電極１０３および電極１１１の形成後に絶縁層１１０の一部をエッチングする工程を削減することができ、半導体装置の生産性を高めることができる。
【０２９０】
また、図２１（Ｂ）に示す半導体装置１１２０のように、電極１０３および電極１１１をマスクとして用いて、絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃの一部を選択的にエッチングしてもよい。この場合、電極１０３および電極１１１の形成時に絶縁層１１０および酸化物半導体層１０８ｃの選択的なエッチングを同一工程内で行うことができるため、絶縁層１１０形成前に行う酸化物半導体層１０８ｃの形成工程を削減することができ、半導体装置の生産性を高めることができる。
【０２９１】
また、半導体装置１１２０では、容量素子１９０を構成する電極１０３と電極１０９の間に絶縁層１１０の一部だけでなく、酸化物半導体層１０８ｃの一部も形成される。容量素子１９０の誘電体層として絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃを用いることにより、電極１０３と電極１０９間の距離を広げることができるため、容量素子１９０の絶縁耐圧を高めることができる。また、電極１０３と電極１０９間のリーク電流を低減することができる。よって、半導体装置の信頼性を高めることができる。また、半導体装置の消費電力を低減することができる。
【０２９２】
また、図２１（Ｃ）に示す半導体装置１１３０のように、酸化物半導体層１０８ｃと絶縁層１１０を連続して形成した後、レジストマスクを用いて絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃの一部を選択的に除去し、その後、電極１０３および電極１１１を形成してもよい。
【０２９３】
また、図２２（Ａ）に示す半導体装置１１４０のように、絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃをエッチングしなくてもよい。
【０２９４】
また、図２２（Ｂ）に示す半導体装置１１５０のように、電極１０２上の絶縁層１０６を除去せず残してもよい。このような構成とすることで、外部から酸化物半導体層１０８への不純物の拡散を抑制する効果をより高めることができる。また、酸化物半導体層１０８に含まれる酸素の外部への拡散を抑制する効果をより高めることができる。
【０２９５】
また、図２２（Ｃ）に示す半導体装置１１６０のように、絶縁層７９０の上に絶縁層１０６を形成し、絶縁層１０６の上に電極１０２と同様に機能できる電極１１８を設けてもよい。半導体装置１１６０では、絶縁層１０６を絶縁層７９０の上に形成するため、電極７５１および電極１０４と同時に電極１０２を形成することができない。このため、絶縁層１０６上に電極１０２と同様に機能できる電極１１８を形成する。しかしながら、絶縁層１０６を下層に配置することで、絶縁層１０６の厚さ分、電極１１８を酸化物半導体層１０８に近づけることができるため、電極１１８がゲート電極またはバックゲート電極として機能する時の効果を高めることができる。電極１１８は、電極１０３、電極１０９、電極１１１、電極１１４、または電極１１９と同様の材料および方法で形成することができる。
【０２９６】
また、図２３に示す半導体装置１１７０のような構成としてもよい。図２３（Ａ）は、半導体装置１１７０の上面図である。図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）中のＡ３−Ａ４の一点鎖線で示した部位の断面図である。図２３（Ｃ）は、図２３（Ａ）中のＢ３−Ｂ４の一点鎖線で示した部位の断面図である。
【０２９７】
図２３に示す半導体装置１１７０では、絶縁層１３１と酸化物半導体層１１５ａを連続して成膜した後、同一工程でエッチングを行う。また、酸化物半導体層１１５ｃ、絶縁層１２０、および導電層１２１を連続して成膜し、同一工程でエッチングを行う。複数の層を同一工程でエッチングすることにより、半導体装置の作製工程数を減らすことができるため、歩留まりが向上しやすく、半導体装置の生産性を高めることができる。また、半導体装置の作製工程数を減らすことができるため、半導体装置の作製コストを低減することができる。
【０２９８】
本発明の一態様によれば、電気特性の良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、生産性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、信頼性の良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、消費電力の少ない半導体装置を提供することができる。
【０２９９】
また、本実施の形態では、トランジスタ１６０に用いる半導体層として酸化物半導体を例示して説明した。ただし、本発明の一態様は、これに限定されず、半導体層として、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体等を用いてもよい。例えば、非晶質シリコンや、微結晶ゲルマニウムや、多結晶シリコン等を用いてもよい。例えば、トランジスタ１６０により大きな電界効果移動度が求められる場合、トランジスタ１６０の半導体層として多結晶シリコンなどを用いてもよい。また、炭化シリコン、ガリウム砒素、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体等を用いてもよい。
【０３００】
本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０３０１】
（実施の形態３）
本実施の形態では、上記実施の形態に開示した半導体装置１００および半導体装置１１００などと異なる構成を有する半導体装置１２００について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、説明の重複を減らすため、明示する場合を除き、半導体装置１００および半導体装置１１００などと同等部分についての説明は省略する。半導体装置１００および半導体装置１１００などと同等部分については、他の実施の形態を参酌すればよい。
【０３０２】
＜半導体装置の構成例＞
図２４（Ａ）は、半導体装置１２００の上面図である。図２４（Ｂ）は、図２４（Ａ）中のＡ１−Ａ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図２４（Ｃ）は、図２４（Ａ）中のＢ１−Ｂ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。半導体装置１２００は、トランジスタ７５０、トランジスタ１７０、容量素子１９０を有する。図２４（Ｂ）は、トランジスタ１７０のチャネル長方向の断面図であり、図２４（Ｃ）は、トランジスタ１７０のチャネル幅方向の断面図である。
【０３０３】
［トランジスタ７５０］
上記実施の形態に示した半導体装置１００などと同様に、半導体装置１２００が有するトランジスタ７５０は、基板７００を用いて形成されている。
【０３０４】
本実施の形態では、基板７００としてｐ型の単結晶シリコン基板を用いる例を示す。トランジスタ７５０は、基板７００中にチャネルが形成されるトランジスタである。
【０３０５】
また、トランジスタ７５０は素子分離領域７８９により、基板７００に形成される他のトランジスタと分離されている。また、電極７５１、側壁絶縁層７５６の周囲に、絶縁層７９０および絶縁層７９１が形成されている。
【０３０６】
［トランジスタ１７０］
トランジスタ１７０は、電極１０２、絶縁層１０７、電極１０９、電極１１９、酸化物半導体層１０８（酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、酸化物半導体層１０８ｃ）、絶縁層１１０、電極１１１を含んで構成される。図２４（Ｂ）に示すトランジスタ１７０の拡大図を図２５（Ａ）に示す。なお、酸化物半導体層１０８は、酸化物半導体層１０８ａ、酸化物半導体層１０８ｂ、酸化物半導体層１０８ｃの少なくとも一つを省略してもよいし、さらに、層を追加してもよい。
【０３０７】
また、絶縁層７９１上に電極１０２の一部と接して絶縁層１０６が形成され、絶縁層１０６上に絶縁層１０７が形成されている。絶縁層１０７の一部は、電極１０２の一部と接している。また、絶縁層１０７上に酸化物半導体層１０８ａが形成され、酸化物半導体層１０８ａ上に電極１０９および電極１１９が形成されている。また、絶縁層１０７は凸部を有し、酸化物半導体層１０８ａは該凸部上に形成されている（図２４（Ｂ）、図２４（Ｃ）参照）。
【０３０８】
電極１０９は、酸化物半導体層１０８ａ、絶縁層１０７および絶縁層１０６に設けられた開口を介して電極７５１と電気的に接続されている。電極１１９は、酸化物半導体層１０８ａ、絶縁層１０７および絶縁層１０６に設けられた開口を介して電極１０４と電気的に接続されている。
【０３０９】
また、電極１０９および電極１１９上に、酸化物半導体層１０８ａの一部と接して酸化物半導体層１０８ｂが形成されている。また、酸化物半導体層１０８ｂを覆って、酸化物半導体層１０８ｃが形成されている。
【０３１０】
また、電極１１１が、絶縁層１１０を介して酸化物半導体層１０８ｃ上に形成されている。電極１１１は、酸化物半導体層１０８ｂ、電極１０２、電極１０９、および電極１１９の、それぞれの少なくとも一部と重畳する。
【０３１１】
電極１０９および電極１１９は、ソース電極またはドレイン電極として機能することができる。
【０３１２】
本実施の形態に例示するトランジスタ１７０は、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタである。また、トランジスタ１７０は、トップゲート型トランジスタの一種であり、スタガ型トランジスタの一種でもある。トランジスタ１７０は、バックゲート電極を有する。
【０３１３】
したがって、トランジスタ１７０は、占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジスタである。すなわち、求められるオン電流に対して、トランジスタ１７０の占有面積を小さくすることができる。本発明の一態様によれば、トランジスタの占有面積を小さくすることができる。よって、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０３１４】
また、バックゲート電極を有するトランジスタ１７０は、ゲートに正の電荷を印加する＋ＧＢＴストレス試験前後におけるしきい値電圧の変動が小さい。
【０３１５】
なお、電極１０２または電極１１１のどちらか一方があれば、トランジスタ１７０を動作させることができる。よって、目的に応じて、電極１０２または電極１１１のどちらか一方を形成しないことも可能である。電極１０２または電極１１１のどちらか一方を形成しないことで、半導体装置の生産性を高めることができる。
【０３１６】
本発明の一態様によれば、電気特性のばらつきが少ないトランジスタを実現することができる。よって、電気特性のばらつきが少ない半導体装置を実現することができる。本発明の一態様によれば、信頼性の良好なトランジスタを実現することができる。よって、信頼性の良好な半導体装置を実現することができる。
【０３１７】
また、酸化物半導体のバンドギャップは２ｅＶ以上あるため、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流を極めて小さくすることができる。具体的には、チャネル幅１μｍ当たりのオフ電流を室温下において１×１０−２０Ａ未満、１×１０−２２Ａ未満、あるいは１×１０−２４Ａ未満とすることができる。すなわち、オンオフ比を２０桁以上１５０桁以下とすることができる。
【０３１８】
本発明の一態様によれば、消費電力が少ないトランジスタを実現することができる。よって、消費電力が少ない半導体装置を実現することができる。
【０３１９】
なお、上述の３層構造は一例である。例えば、酸化物半導体層１０８ａまたは酸化物半導体層１０８ｃの一方を形成しない２層構造としても構わない。
【０３２０】
また、図２４（Ｃ）に示すように、トランジスタ１７０は、チャネル幅方向において、電極１１１が酸化物半導体層１０８ｂを覆っている。また、絶縁層１０７が凸部を有することによって、酸化物半導体層１０８ｂの側面も電極１１１で覆うことができる。すなわち、電極１１１の電界によって、酸化物半導体層１０８ｂを電気的に取り囲むｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造となる。
【０３２１】
なお、図２５（Ｂ）に示すように、絶縁層１０７の凸部を高くして酸化物半導体層１０８ａの側面も電極１１１で覆い、また、チャネル幅を小さくすることで、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造によるオン電流の増大効果、オフ電流の低減効果などを高めることができる。また、酸化物半導体層１１５ｂのエッチング時（酸化物半導体層１０８ｂの形成時）に露出する酸化物半導体層１０８ａの一部も除去してもよい。この場合、図２５（Ｃ）に示すように、酸化物半導体層１０８ａと酸化物半導体層１０８ｂの側面が揃う場合がある。
【０３２２】
［容量素子１９０］
容量素子１９０は、電極１０９、絶縁層１１０、電極１０３を含んで構成される。トランジスタ７５０と容量素子１９０を重畳して設けることで、半導体装置１２００の占有面積を小さくすることができる。よって、本発明の一態様によれば、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０３２３】
続いて、半導体装置１２００が有する上記以外の構成について説明する。
【０３２４】
トランジスタ１７０および容量素子１９０を覆って、絶縁層１１２および絶縁層１１３が形成されている。また、絶縁層１１３上に形成された電極１１４が、絶縁層１１２および絶縁層１１３に形成された開口部１３８を介して電極１１９と電気的に接続されている。
【０３２５】
電極１０２、電極１０４は、電極７５１と同じ層を用いて形成される。電極１０２、電極１０４、および電極７５１は、後の工程で行われる熱処理に耐える導電性材料を用いて形成すればよい。本実施の形態では、電極１０２、電極１０４、および電極７５１を、ｐ型シリコンを用いて形成する。
【０３２６】
電極１０４は、絶縁層７５２に設けられた開口部において、ｎ型不純物領域７６５と接続している。
【０３２７】
また、絶縁層１０７は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁層を用いて形成することが好ましい。
【０３２８】
また、半導体装置１２００は、絶縁層１０６と絶縁層１１２が接する領域を有する。図２４（Ｂ）では、図２４（Ｂ）の両端部に絶縁層１０６と絶縁層１１２が接する領域が示されている。また、図２４（Ｃ）では、端部に絶縁層１０６と絶縁層１１２が接する領域が示されている。このような構成とすることで、外部から酸化物半導体層１０８への不純物の拡散を抑制する効果をより高めることができる。また、酸化物半導体層１０８に含まれる酸素の外部への拡散を抑制する効果をより高めることができる。本発明の一態様によれば、信頼性の良好な半導体装置を提供することができる。
【０３２９】
また、電極１１４および絶縁層１１３上に平坦化絶縁層を設けてもよい。平坦化絶縁層としては、ポリイミド、アクリル系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド、エポキシ系樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁層を形成してもよい。
【０３３０】
＜半導体装置の作製方法例＞
半導体装置１２００の作製方法について、図２６乃至図３１を用いて説明する。なお、図２６乃至図３０は、図２４（Ａ）中の一点鎖線Ａ１−Ａ２で示す部位の断面に相当する。また、図３１は、図２４（Ａ）中の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２で示す部位の断面に相当する。
【０３３１】
まず、基板７００中にＳＴＩ法を用いて素子分離領域７８９を形成する。本実施の形態では、基板７００としてｐ型の単結晶シリコンを用いる。次に、素子分離領域７８９以外の領域の一部に、トランジスタ７５０を形成する。絶縁層７５２として、熱酸化法により形成された酸化シリコンを用いる。電極７５１として、ＣＶＤ法により形成されたｎ型の多結晶シリコンを用いる。電極１０２および電極１０４は、電極７５１と同時に形成することができる。なお、電極７５１、電極１０２、および電極１０４の形成前に、絶縁層７５２の一部を除去して、開口部７５７を形成する。また、側壁絶縁層７５６として、ＣＶＤ法により形成された酸化窒化シリコンを用いる。
【０３３２】
ｎ型不純物領域７５４およびｎ型不純物領域７５５は、イオン注入法などの既知の方法を用いて形成することができる。ｎ型不純物領域７６５は、ｎ型不純物領域７５５と同時に形成することができる。
【０３３３】
トランジスタ７５０の形成後、トランジスタ７５０、電極１０２および電極１０４を覆って水素を含む絶縁層７９０を形成する。本実施の形態では、絶縁層７９０として、ＣＶＤ法により形成された水素を含む酸化窒化シリコンを用いる。また、絶縁層７９０形成後、絶縁層７９０に水素を添加する処理を行ってもよい。水素を添加する処理は、イオン注入装置、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いて行うことができる。
【０３３４】
次に、絶縁層７９０上に絶縁層７９１を形成する。本実施の形態では、絶縁層７９１として、ＣＶＤ法により形成された酸化窒化シリコンを用いる。
【０３３５】
次に、絶縁層７９０に含まれる水素をトランジスタ７５０中に拡散させて、トランジスタ７５０に含まれる未結合手などに起因する欠陥を低減するための加熱処理を行う。加熱処理は、３００℃以上８００℃以下、好ましくは４００℃以上７００℃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。加熱処理を行うことにより、トランジスタ７５０に含まれる未結合手などに起因する欠陥が低減されるとともに、酸化物半導体中で不純物となる水素を低減することができる。
【０３３６】
加熱処理に用いる加熱装置に特別な限定はなく、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。
【０３３７】
次に、電極７５１、電極１０２および電極１０４の表面を露出するため、ＣＭＰ処理を行う。また、ＣＭＰ処理を行うことにより、試料表面の凹凸を低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる（図２６（Ａ）参照）。
【０３３８】
なお、前記加熱処理は、ＣＭＰ処理後に行ってもよい。
【０３３９】
次に、絶縁層７９０、絶縁層７９１、電極７５１、電極１０２および電極１０４を覆って、絶縁層１０６を形成する。絶縁層１０６の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましい。本実施の形態では、絶縁層１０６として、スパッタリング法により形成された厚さ５０ｎｍの酸化アルミニウムを用いる。
【０３４０】
次に、レジストマスクを用いて、絶縁層１０６の一部を選択的にエッチングし、電極７５１、電極１０２および電極１０４の表面を露出させる（図２６（Ｂ）参照）。
【０３４１】
レジストマスクの形成は、リソグラフィ法、印刷法、インクジェット法等を適宜用いて行うことができる。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【０３４２】
絶縁層１０６のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。絶縁層１０６のエッチング終了後、レジストマスクを除去する。
【０３４３】
なお、前記加熱処理は、絶縁層１０６形成後に行ってもよい。
【０３４４】
次に、絶縁層１０７を形成する。絶縁層１０７の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましい。本実施の形態では、絶縁層１０７として、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む厚さ１００ｎｍの酸化窒化シリコンを用いる。絶縁層１０７は、ＣＶＤ法により形成することができる（図２６（Ｃ）参照）。
【０３４５】
また、過剰酸素を含む絶縁層は、絶縁層に酸素を添加する処理を行って形成することもできる。酸素を添加する処理は、酸素雰囲気下による熱処理や、イオン注入装置、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いて行うことができる。酸素を添加するためのガスとしては、１６Ｏ２もしくは１８Ｏ２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いることができる。なお、本明細書では酸素を添加する処理を「酸素ドープ処理」ともいう。
【０３４６】
次に、レジストマスクを用いて、絶縁層１０７の一部を選択的にエッチングし、電極７５１、および電極１０４の表面を露出させる。このようにして開口部１３６および開口部１３７を形成することができる（図２６（Ｄ）、図３１（Ａ）参照）。絶縁層１０７のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。
【０３４７】
次に、絶縁層１０７上に、酸化物半導体層１０８ａを形成するための、酸化物半導体層１１５ａを形成する。
【０３４８】
本実施の形態では、酸化物半導体層１１５ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）を用いて、スパッタリング法により厚さ２０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する（図２７（Ａ）、図３１（Ｂ）参照）。
【０３４９】
次に、酸化物半導体層１１５ａ上にレジストマスクを形成し、該レジストマスクを用いて、酸化物半導体層１１５ａの一部を選択的にエッチングし、酸化物半導体層１０８ａを形成する。また、酸化物半導体層１１５ａのエッチングにより露出した領域の絶縁層１０７を少しエッチングして、該領域の絶縁層１０７の膜厚を薄くする。該領域のエッチング深さは、もとの絶縁層１０７の厚さの２０％以上５０％以下が好ましい。このようにして、絶縁層１０７に凸部を設けることができる。
【０３５０】
酸化物半導体層１１５ａのエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。エッチング終了後、レジストマスクを除去する（図２７（Ｂ）、図３１（Ｃ）参照。）。
【０３５１】
次に、酸化物半導体層１０８ａ上に、電極１０９および電極１１９を形成するための導電層１２７を成膜する（図２７（Ｃ）参照）。本実施の形態では、導電層１２７として、スパッタリング法により厚さ１００ｎｍのタングステンを成膜する。
【０３５２】
次に、レジストマスクを用いて、導電層１２７の一部を選択的にエッチングし、電極１０９、および電極１１９（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）を形成する（図２７（Ｄ）参照）。導電層１２７のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。
【０３５３】
また、電極１０９および電極１１９（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）は、その端部をテーパー形状とすることで、電極１０９および電極１１９の側面を被覆する層の被覆性を向上させることができる。具体的には、端部のテーパー角θを、８０°以下、好ましくは６０°以下、さらに好ましくは４５°以下とする。なお、「テーパー角」とは、テーパー形状を有する層を、その断面（基板の表面と直交する面）方向から観察した際に、当該層の側面と底面がなす当該層内の角度を示す。また、テーパー角が９０°未満である場合を順テーパーといい、テーパー角が９０°よりも大きい場合を逆テーパーという（図２７（Ｄ）参照。）。
【０３５４】
また、電極１０９および電極１１９（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）の端部の断面形状を複数段の階段形状とすることで、その上に被覆する層の被覆性を向上させることもできる。なお、電極１０９および電極１１９に限らず、各層の端部を順テーパー形状または階段形状とすることで、該端部を覆って形成する層が、該端部で途切れてしまう現象（段切れ）を防ぎ、被覆性を良好なものとすることができる。
【０３５５】
次に、酸化物半導体層１０８ａ、電極１０９および電極１１９上に、酸化物半導体層１０８ｂを形成するための、酸化物半導体層１１５ｂを形成する。
【０３５６】
本実施の形態では、酸化物半導体層１１５ｂとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）を用いて、スパッタリング法により厚さ３０ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する（図２８（Ａ）参照）。なお、酸化物半導体層１１５ｂに適用可能な構成元素および組成はこれに限られるものではない。
【０３５７】
また、酸化物半導体層１１５ｂ形成後に酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０３５８】
次に、酸化物半導体層１１５ｂ上にレジストマスクを形成し、該レジストマスクを用いて、酸化物半導体層１１５ｂの一部を選択的にエッチングし、酸化物半導体層１０８ｂを形成する。
【０３５９】
酸化物半導体層１１５ｂのエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。エッチング終了後、レジストマスクを除去する（図２８（Ｂ）、図３１（Ｄ）参照。）。
【０３６０】
次に、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂ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、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂを高純度化するために、加熱処理を行うことが好ましい。
【０３６１】
また、加熱処理を行うことにより、不純物の放出と同時に絶縁層１０７に含まれる酸素を酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂに拡散させ、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂの酸素欠損を低減することができる。なお、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。なお、加熱処理は、酸化物半導体層１１５ｂの形成後であれば、いつ行ってもよい。例えば、酸化物半導体層１１５ｂのエッチング前に加熱処理を行ってもよい。
【０３６２】
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。
【０３６３】
本実施の形態では、窒素ガス雰囲気中で４５０℃１時間の加熱処理を行った後、酸素ガス雰囲気中で４５０℃１時間の加熱処理を行う。
【０３６４】
次に、酸化物半導体層１０８ｃを形成するための、酸化物半導体層１１５ｃを形成する。本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２）を用いたスパッタリング法により、酸化物半導体層１１５ｃとして厚さ５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を形成する（図２８（Ｃ）参照）。なお、酸化物半導体層１１５ｃに適用可能な構成元素および組成はこれに限られるものではない。
【０３６５】
次に、レジストマスクを用いて、酸化物半導体層１１５ｃの一部を選択的にエッチングし、酸化物半導体層１０８ｃを形成する（図２８（Ｄ）参照。）。
【０３６６】
酸化物半導体層１１５ｃのエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。エッチング終了後、レジストマスクを除去する。
【０３６７】
次に、絶縁層１１０を形成するための絶縁層１２０を形成する。本実施の形態では、絶縁層１２０として、プラズマＣＶＤ法により厚さ２０ｎｍの酸化窒化シリコンを形成する。
【０３６８】
続いて、電極１０３および電極１１１を形成するための導電層１２１を絶縁層１２０上に形成する。本実施の形態では、導電層１２１として、スパッタリング法により厚さ３０ｎｍの窒化タンタル上に厚さ１３５ｎｍのタングステンを積層して用いる（図２９（Ａ）参照。）。
【０３６９】
次に、レジストマスクを用いて、導電層１２１の一部を選択的にエッチングし、電極１０３および電極１１１（これらと同じ層で形成される他の電極または配線を含む）を形成する。導電層のエッチングは、ドライエッチング法でもウェットエッチング法でもよく、両方を用いてもよい。その後、レジストマスクを除去する。
【０３７０】
次に、電極１０３および電極１１１をマスクとして用いて、絶縁層１２０の一部をエッチングして絶縁層１１０を形成する。絶縁層１２０のエッチングは、導電層１２１のエッチング時に用いたレジストマスクを除去せずに行ってもよい。また、導電層１２１と絶縁層１２０のエッチングを、同一のエッチング工程で行ってもよい（図２９（Ｂ）参照。）。
【０３７１】
このようにして、トランジスタ７５０、トランジスタ１７０、容量素子１９０を形成することができる。
【０３７２】
次に、絶縁層１１２を形成する。本実施の形態では、絶縁層１１２として厚さ７０ｎｍの酸化アルミニウムを形成する。また、絶縁層１１２の形成後に、酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０３７３】
次に、絶縁層１１２上に絶縁層１１３を形成する（図２９（Ｃ）参照）。本実施の形態では、絶縁層１１３として厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコンを形成する。また、絶縁層１１３の形成後に、酸素ドープ処理を行ってもよい。
【０３７４】
次に、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性雰囲気下、酸化性雰囲気下、又は超乾燥エア雰囲気下で、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。
【０３７５】
次に、レジストマスクを用いて絶縁層１１２および絶縁層１１３の一部を選択的にエッチングし、開口部１３８を形成する（図３０（Ａ）参照。）。
【０３７６】
次に、電極１１４を形成するための導電層を形成する。本実施の形態では、厚さ５０ｎｍのチタン層上に厚さ２００ｎｍのアルミニウム層を積層し、さらにその上に厚さ５０ｎｍのチタン層を形成する三層構造の導電層をスパッタリング法により形成する。また、導電層上に形成したレジストマスクを用いて該導電層の一部を選択的にエッチングして、電極１１４を形成する（図３０（Ｂ）参照。）。
【０３７７】
次に、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性雰囲気下、酸化性雰囲気下、又は超乾燥エア雰囲気下で、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。
【０３７８】
以上の工程により半導体装置１２００を作製することができる。
【０３７９】
＜半導体装置の変形例＞
図３２および図３３に半導体装置１２００の変形例を示す。
【０３８０】
図３２（Ａ）に示す半導体装置１２１０のように、電極１０３および電極１１１の形成後、絶縁層１１０の一部をエッチングせず、残してもよい。絶縁層１１０を残すことで、電極１０３および電極１１１の形成後に絶縁層１１０の一部をエッチングする工程を削減することができ、半導体装置の生産性を高めることができる。
【０３８１】
また、図３２（Ｂ）に示す半導体装置１２２０のように、電極１０３および電極１１１をマスクとして用いて、絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃの一部を選択的にエッチングしてもよい。この場合、電極１０３および電極１１１の形成時に絶縁層１１０および酸化物半導体層１０８ｃの選択的なエッチングを同一工程内で行うことができるため、絶縁層１１０形成前に行う酸化物半導体層１０８ｃを形成する工程を削減することができ、半導体装置の生産性を高めることができる。
【０３８２】
また、半導体装置１２２０では、容量素子１９０を構成する電極１０３と電極１０９の間に絶縁層１１０の一部だけでなく、酸化物半導体層１０８ｃの一部も形成される。容量素子１９０の誘電体層として絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃを用いることにより、電極１０３と電極１０９間の距離を広げることができるため、容量素子１９０の絶縁耐圧を高めることができる。また、電極１０３と電極１０９間のリーク電流を低減することができる。よって、半導体装置の信頼性を高めることができる。また、半導体装置の消費電力を低減することができる。
【０３８３】
また、図３２（Ｃ）に示す半導体装置１２３０のように、酸化物半導体層１０８ｃと絶縁層１１０を連続して形成した後、レジストマスクを用いて絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃの一部を選択的に除去し、その後、電極１０３および電極１１１を形成してもよい。
【０３８４】
また、図３３（Ａ）に示す半導体装置１２４０のように、絶縁層１１０と酸化物半導体層１０８ｃをエッチングしなくてもよい。
【０３８５】
また、図３３（Ｂ）に示す半導体装置１２５０のように、電極１０２上の絶縁層１０６を除去せず残してもよい。このような構成とすることで、外部から酸化物半導体層１０８への不純物の拡散を抑制する効果をより高めることができる。また、酸化物半導体層１０８に含まれる酸素の外部への拡散を抑制する効果をより高めることができる。
【０３８６】
また、図３３（Ｃ）に示す半導体装置１２６０のように、絶縁層７９０の上に絶縁層１０６を形成し、絶縁層１０６の上に電極１０２と同様に機能できる電極１１８を設けてもよい。半導体装置１２６０では、絶縁層１０６を絶縁層７９０の上に形成するため、電極７５１および電極１０４と同時に電極１０２を形成することができない。このため、絶縁層１０６上に電極１０２と同様に機能できる電極１１８を形成する。しかしながら、絶縁層１０６を下層に配置することで、絶縁層１０６の厚さ分、電極１１８を酸化物半導体層１０８に近づけることができるため、電極１１８がゲート電極またはバックゲート電極として機能する時の効果を高めることができる。電極１１８は、電極１０３、電極１０９、電極１１１、電極１１４、または電極１１９と同様の材料および方法で形成することができる。
【０３８７】
また、電極１０２上の絶縁層１０６を除去せず残す場合、絶縁層１０７と酸化物半導体層１１５ａのエッチングを同一工程で行ってもよい。具体的には、まず、絶縁層１０６を選択的にエッチングした後、絶縁層１０７と酸化物半導体層１１５ａを連続して形成する（図３４（Ａ）参照。）。次に、酸化物半導体層１１５ａ上にレジストマスクを形成し、絶縁層１０７と酸化物半導体層１１５ａを同一工程で選択的にエッチングして開口部１３６および開口部１３７を形成すればよい（図３４（Ｂ）参照。）。
【０３８８】
絶縁層１０７と酸化物半導体層１１５ａを同時にエッチングすることで、半導体装置の作製工程を低減することができる。よって、半導体装置の生産性を高めることができる。
【０３８９】
このようにして作製した半導体装置１２７０の上面図を図３５（Ａ）に示す。また、図３５（Ｂ）は、図３５（Ａ）中のＦ１−Ｆ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図３５（Ｃ）は、図３５（Ａ）中のＧ１−Ｇ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。
【０３９０】
本発明の一態様によれば、電気特性の良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、生産性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、信頼性の良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、消費電力の少ない半導体装置を提供することができる。
【０３９１】
また、本実施の形態では、トランジスタ１７０に用いる半導体層として酸化物半導体を例示して説明した。ただし、本発明の一態様は、これに限定されず、半導体層として、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体等を用いてもよい。例えば、非晶質シリコンや、微結晶ゲルマニウムや、多結晶シリコン等を用いてもよい。例えば、トランジスタ１７０により大きな電界効果移動度が求められる場合、トランジスタ１７０の半導体層として多結晶シリコンなどを用いてもよい。また、炭化シリコン、ガリウム砒素、窒化物半導体などの化合物半導体や、有機半導体等を用いてもよい。
【０３９２】
本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０３９３】
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で開示した半導体装置を、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にもほとんど制限が無い記憶装置５００（記憶装置）として用いる例を、図面を用いて説明する。
【０３９４】
図３６（Ａ）に半導体装置１００を用いた記憶装置５００の断面図を示す。また、図３６（Ｂ）に記憶装置５００の回路図を示す。図３７（Ａ）に半導体装置１１００を用いた記憶装置１５００の断面図を示す。また、図３７（Ｂ）に記憶装置５００の回路図を示す。図３８（Ａ）に半導体装置１２００を用いた記憶装置１６００の断面図を示す。また、図３８（Ｂ）に記憶装置１６００の回路図を示す。
【０３９５】
記憶装置５００、記憶装置１５００、および記憶装置１６００は、絶縁層１１３および電極１１４上に、平坦化絶縁層として絶縁層１１６が形成された構成を有する。本実施の形態では、絶縁層１１６としてポリイミドを用いる。また、絶縁層１１６上に電極１１７が形成され、絶縁層１１６に形成された開口部で、電極１１４と電気的に接続している。
【０３９６】
電極７５１は、電極１０９と電気的に接続されている。また、トランジスタ７５０が有するｎ型不純物領域７５５の一方は、配線３００１と電気的に接続され、ｎ型不純物領域７５５の他方は、配線３００２と電気的に接続されている（図３６（Ａ）、図３７（Ａ）、図３８（Ａ）に図示せず。）。また、電極１１９は、配線３００３と電気的に接続され、電極１０３は配線３００５と電気的に接続され、電極１１１および電極１０２は配線３００４と電気的に接続されている（図３６（Ａ）、図３７（Ａ）、図３８（Ａ）に図示せず。）。
【０３９７】
なお、トランジスタ７５０のチャネルが形成される半導体層の材料と、トランジスタ１５０のチャネルが形成される半導体層の材料は、異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが望ましい。例えば、トランジスタ１５０のチャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いる場合、トランジスタ７５０のチャネルが形成される半導体層に酸化物半導体以外の半導体材料を用いることが好ましい。
【０３９８】
結晶性シリコンなどの、酸化物半導体以外の半導体材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジスタよりも高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が小さい電気特性により長時間の電荷保持を可能とする。
【０３９９】
なお、上記トランジスタは、いずれもｎチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、ｐチャネル型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。また、特段の説明がない限り、半導体装置に用いられる材料や半導体装置の構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。
【０４００】
トランジスタ１５０、トランジスタ１６０、およびトランジスタ１７０は、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタである。トランジスタ１５０、トランジスタ１６０、およびトランジスタ１７０はオフ電流が小さいため、この特性を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、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置を実現することが可能となる。よって、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０４０１】
また、図３６（Ａ）に示すように、トランジスタ７５０を形成する基板上にトランジスタ１５０および容量素子１９０を形成することができるため、半導体装置の集積度を高めることができる。
【０４０２】
図３６（Ｂ）において、配線３００１はトランジスタ７５０のソース電極と電気的に接続され、配線３００２はトランジスタ７５０のドレイン電極と電気的に接続されている。また、配線３００３はトランジスタ１５０のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続され、配線３００４はトランジスタ１５０のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ７５０のゲート電極、トランジスタ１５０のソース電極またはドレイン電極の他方、および容量素子１９０の電極の一方は、ノードＮＤと電気的に接続されている。また、配線３００５は容量素子１９０の電極の他方と電気的に接続されている。
【０４０３】
図３７（Ｂ）において、配線３００１はトランジスタ７５０のソース電極と電気的に接続され、配線３００２はトランジスタ７５０のドレイン電極と電気的に接続されている。また、配線３００３はトランジスタ１６０のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続され、配線３００４はトランジスタ１６０のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ７５０のゲート電極、トランジスタ１６０のソース電極またはドレイン電極の他方、および容量素子１９０の電極の一方は、ノードＮＤと電気的に接続されている。また、配線３００５は容量素子１９０の電極の他方と電気的に接続されている。
【０４０４】
図３８（Ｂ）において、配線３００１はトランジスタ７５０のソース電極と電気的に接続され、配線３００２はトランジスタ７５０のドレイン電極と電気的に接続されている。また、配線３００３はトランジスタ１７０のソース電極またはドレイン電極の一方と電気的に接続され、配線３００４はトランジスタ１７０のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ７５０のゲート電極、トランジスタ１７０のソース電極またはドレイン電極の他方、および容量素子１９０の電極の一方は、ノードＮＤと電気的に接続されている。また、配線３００５は容量素子１９０の電極の他方と電気的に接続されている。
【０４０５】
チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流を極めて小さくすることができる。トランジスタ１５０、トランジスタ１６０、およびトランジスタ１７０として、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることで、ノードＮＤの電荷を長期間保持することができる。よって、トランジスタ７５０のゲート電極の電荷を長期間保持することができる。
【０４０６】
記憶装置５００、記憶装置１５００、記憶装置１６００では、トランジスタ７５０のゲート電極の電荷が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０４０７】
記憶装置５００を用いた場合の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１５０がオン状態となる電位にして、トランジスタ１５０をオン状態とする。これにより、配線３００３の電位が、トランジスタ７５０のゲート電極、および容量素子１９０に与えられる。すなわち、トランジスタ７５０のゲート電極には、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）のいずれ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１５０がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１５０をオフ状態とすることにより、トランジスタ７５０のゲート電極に与えられた電荷が保持される（保持）。
【０４０８】
トランジスタ１５０のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ７５０のゲート電極の電荷は長時間にわたって保持される。
【０４０９】
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、トランジスタ７５０のゲート電極に保持された電荷量に応じて、配線３００２は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ７５０をｎチャネル型とすると、トランジスタ７５０のゲート電極にＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ７５０のゲート電極にＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、「見かけのしきい値電圧」とは、トランジスタ７５０をオン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、トランジスタ７５０のゲート電極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、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７５０は「オン状態」となる。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７５０は「オフ状態」のままである。このため、配線３００２の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。
【０４１０】
なお、記憶装置１５００および記憶装置１６００を用いた場合の、情報の書き込みおよび保持については、上記説明中のトランジスタ１５０を、トランジスタ１６０またはトランジスタ１７０に読み替えて理解できる。
【０４１１】
なお、１つの記憶装置を１つのメモリセル（記憶素子）として用いて、メモリセルをアレイ状に配置する場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ７５０がオフ状態となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｈより小さい電位を配線３００５に与えればよい。または、ゲート電極の状態にかかわらずトランジスタ７５０がオン状態となるような電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより大きい電位を配線３００５に与えればよい。
【０４１２】
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを用いることで、極めて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、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０４１３】
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
【０４１４】
また、半導体装置１００に代えて、半導体装置２１０乃至半導体装置２６０のいずれかなどを用いることもできる。また、半導体装置１１００に代えて、半導体装置１１１０乃至半導体装置１１７０のいずれかなどを用いることもできる。また、半導体装置１２００に代えて、半導体装置１２１０乃至半導体装置１２６０のいずれかなどを用いることもできる。
【０４１５】
以上のように、微細化および高集積化を実現し、かつ高い電気的特性を付与された半導体装置を提供することができる。
【０４１６】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０４１７】
（実施の形態５）
本実施の形態では、半導体装置の一例について説明する。なお、本実施の形態では、ＣＰＵを例にして本発明の一態様である半導体装置を説明する。
【０４１８】
図６５は、本発明の一態様の半導体装置を少なくとも一部に用いたＣＰＵの一例の構成を示すブロック図である。
【０４１９】
図６５に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  ｌｏｇｉｃ  ｕｎｉｔ、演算回路）、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、タイミングコントローラ１１９５、レジスタ１１９６、レジスタコントローラ１１９７、バスインターフェース１１９８（Ｂｕｓ  Ｉ／Ｆ）、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９（ＲＯＭ  Ｉ／Ｆ）を有している。基板１１９０は、半導体基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを用いる。ＲＯＭ１１９９およびＲＯＭインターフェース１１８９は、別チップに設けてもよい。もちろん、図６５に示すＣＰＵは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のＣＰＵはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図６５に示すＣＰＵまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、ＣＰＵが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば８ビット、１６ビット、３２ビット、６４ビットなどとすることができる。
【０４２０】
バスインターフェース１１９８を介してＣＰＵに入力された命令は、インストラクションデコーダ１１９３に入力され、デコードされた後、ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５に入力される。
【０４２１】
ＡＬＵコントローラ１１９２、インタラプトコントローラ１１９４、レジスタコントローラ１１９７、タイミングコントローラ１１９５は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にＡＬＵコントローラ１１９２は、ＡＬＵ１１９１の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ１１９４は、ＣＰＵのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ１１９７は、レジスタ１１９６のアドレスを生成し、ＣＰＵの状態に応じてレジスタ１１９６の読み出しや書き込みを行なう。
【０４２２】
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９２、インストラクションデコーダ１１９３、インタラプトコントローラ１１９４、およびレジスタコントローラ１１９７の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ１１９５は、基準クロック信号ＣＬＫ１を元に、内部クロック信号ＣＬＫ２を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号ＣＬＫ２を上記各種回路に供給する。
【０４２３】
図６５に示すＣＰＵでは、レジスタ１１９６に、メモリセルが設けられている。レジスタ１１９６のメモリセルとして、先の実施の形態に示した半導体装置を用いることができる。
【０４２４】
図６５に示すＣＰＵにおいて、レジスタコントローラ１１９７は、ＡＬＵ１１９１からの指示に従い、レジスタ１１９６における保持動作を制御する。
【０４２５】
図６６は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶装置の回路図の一例である。記憶装置７３０は、電源遮断で記憶データが揮発する回路７０１と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路７０２と、スイッチ７０３と、スイッチ７０４と、論理素子７０６と、容量素子７０７と、選択機能を有する回路７２０と、を有する。回路７０２は、容量素子７０８と、トランジスタ７０９と、トランジスタ７１０と、を有する。なお、記憶装置７３０は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していても良い。
【０４２６】
ここで、記憶装置７３０中の回路７０２に、上記実施の形態４で説明した記憶装置を用いることができる。記憶装置７３０への電力の供給が停止した際、回路７０２のトランジスタ７０９のゲートには接地電位（０Ｖ）、またはトランジスタ７０９がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ７０９のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。
【０４２７】
スイッチ７０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ７１３を用いて構成され、スイッチ７０４は、一導電型とは逆の導電型（例えば、ｐチャネル型）のトランジスタ７１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ７０３の第１の端子はトランジスタ７１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ７０３の第２の端子はトランジスタ７１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ７０３はトランジスタ７１３のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ７１３のオン状態またはオフ状態）が選択される。スイッチ７０４の第１の端子はトランジスタ７１４のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ７０４の第２の端子はトランジスタ７１４のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ７０４はトランジスタ７１４のゲートに入力される制御信号ＲＤによって、第１の端子と第２の端子の間の導通または非導通（つまり、トランジスタ７１４のオン状態またはオフ状態）が選択される。
【０４２８】
トランジスタ７０９のソースとドレインの一方は、容量素子７０８の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ７１０のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ２とする。トランジスタ７１０のソースとドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ線）に電気的に接続され、他方は、スイッチ７０３の第１の端子と電気的に接続される。スイッチ７０３の第２の端子はスイッチ７０４の第１の端子と電気的に接続される。スイッチ７０４の第２の端子は電源電位ＶＤＤを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ７０３の第２の端子と、スイッチ７０４の第１の端子と、論理素子７０６の入力端子と、容量素子７０７の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードＭ１とする。容量素子７０７の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。容量素子７０８の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位（ＧＮＤ等）または高電源電位（ＶＤＤ等）が入力される構成とすることができる。
【０４２９】
なお、容量素子７０７および容量素子７０８は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。
【０４３０】
トランジスタ７０９のゲートには、制御信号ＷＥが入力される。スイッチ７０３およびスイッチ７０４は、制御信号ＷＥとは異なる制御信号ＲＤによって第１の端子と第２の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第１の端子と第２の端子の間は非導通状態となる。
【０４３１】
トランジスタ７０９のソースとドレインの他方には、回路７０１に保持されたデータに対応する信号が入力される。スイッチ７０３の第２の端子から出力される信号は、論理素子７０６によってその論理値が反転された反転信号となり、回路７２０を介して回路７０１に入力される。
【０４３２】
なお、図６６では、スイッチ７０３の第２の端子から出力される信号は、論理素子７０６および回路７２０を介して回路７０１に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ７０３の第２の端子から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路７０１に入力されてもよい。例えば、回路７０１内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合、スイッチ７０３の第２の端子から出力される信号を当該ノードに直接入力することができる。
【０４３３】
図６６におけるトランジスタ７０９は、上記実施の形態で例示したトランジスタ１５０、トランジスタ１６０、またはトランジスタ１７０などを用いることができる。また、ゲート電極には制御信号ＷＥを入力し、バックゲート電極には制御信号ＷＥ２を入力することができる。制御信号ＷＥ２は、一定の電位の信号とすればよい。当該一定の電位には、例えば、接地電位ＧＮＤやトランジスタ７０９のソース電位よりも小さい電位などが選ばれる。制御信号ＷＥ２は、トランジスタ７０９のしきい値電圧を制御するための電位信号であり、トランジスタ７０９のゲート電圧が０Ｖの時のドレイン電流をより低減することができる。なお、トランジスタ７０９としては、バックゲート電極を有さないトランジスタを用いることもできる。
【０４３４】
また、図６６において、トランジスタ７１０、７１３、７１４は、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶装置７３０に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶装置７３０は、トランジスタ７０９以外にも、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板１１９０にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。
【０４３５】
図６６における回路７０１には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子７０６としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。
【０４３６】
本発明の一態様における半導体装置では、記憶装置７３０に電力が供給されない間は、回路７０１に記憶されていたデータを、回路７０２に設けられた容量素子７０８によって保持することができる。
【０４３７】
また、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ７０９として用いることによって、記憶装置７３０に電力が供給されない間も容量素子７０８に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶装置７３０は電力の供給が停止した間も記憶内容（データ）を保持することが可能である。
【０４３８】
また、スイッチ７０３およびスイッチ７０４を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電力供給再開後に、回路７０１が元のデータを回復するまでの時間を短くすることができる。
【０４３９】
また、回路７０２において、容量素子７０８によって保持された信号はトランジスタ７１０のゲートに入力される。そのため、記憶装置７３０への電力の供給が再開された後、容量素子７０８によって保持された信号を、トランジスタ７１０の状態（オン状態、またはオフ状態）に変換して、回路７０２から読み出すことができる。それ故、容量素子７０８に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。
【０４４０】
このような記憶装置７３０を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電力の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電力の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、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、適宜電源を停止することができるため、消費電力を抑えることができる。
【０４４１】
本実施の形態では、記憶装置７３０をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶装置７３０は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ−ＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）にも応用可能である。
【０４４２】
本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０４４３】
（実施の形態６）
本実施の形態では、半導体装置の一例について説明する。なお、本実施の形態では、ＲＦタグを例にして本発明の一態様である半導体装置を説明する。
【０４４４】
本発明の一態様に係るＲＦタグは、内部に記憶回路を有し、記憶回路に情報を記憶し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このような特徴から、ＲＦタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個体認証システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには高い信頼性が要求される。
【０４４５】
ＲＦタグの構成について図３９を用いて説明する。図３９は、ＲＦタグの構成例を示すブロック図である。
【０４４６】
図３９に示すようにＲＦタグ８００は、通信器８０１（質問器、リーダ／ライタなどともいう）に接続されたアンテナ８０２から送信される無線信号８０３を受信するアンテナ８０４を有する。またＲＦタグ８００は、整流回路８０５、定電圧回路８０６、復調回路８０７、変調回路８０８、論理回路８０９、記憶回路８１０、ＲＯＭ８１１を有している。なお、復調回路８０７に含まれる整流作用を示すトランジスタの半導体には、逆方向電流を十分に抑制することが可能な、例えば、酸化物半導体を用いてもよい。これにより、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることができる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の３つに大別される。ＲＦタグ８００は、そのいずれの方式に用いることも可能である。
【０４４７】
次に各回路の構成について説明する。アンテナ８０４は、通信器８０１に接続されたアンテナ８０２との間で無線信号８０３の送受信を行うためのものである。また、整流回路８０５は、アンテナ８０４で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整流、例えば、半波２倍圧整流し、後段の容量素子により、整流された信号を平滑化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路８０５の入力側または出力側には、リミッタ回路を有してもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないように制御するための回路である。
【０４４８】
定電圧回路８０６は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するための回路である。なお、定電圧回路８０６は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路８０９のリセット信号を生成するための回路である。
【０４４９】
復調回路８０７は、入力交流信号を包絡線検出することにより復調し、復調信号を生成するための回路である。また、変調回路８０８は、アンテナ８０４より出力するデータに応じて変調をおこなうための回路である。
【０４５０】
論理回路８０９は復調信号を解析し、処理を行うための回路である。記憶回路８１０は、入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域などを有する。また、ＲＯＭ８１１は、固有番号（ＩＤ）などを格納し、処理に応じて出力を行うための回路である。
【０４５１】
なお、上述の各回路は、適宜、取捨することができる。
【０４５２】
ここで、上記実施の形態で説明した記憶装置などを、記憶回路８１０に用いることができる。本発明の一態様に係る記憶装置は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため、ＲＦタグに好適である。さらに本発明の一態様に係る記憶装置は、データの書き込みに必要な電力（電圧）が従来の不揮発性メモリに比べて低いため、データの読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制することができる。
【０４５３】
また、本発明の一態様に係る記憶装置は、不揮発性メモリとして用いることが可能であるため、ＲＯＭ８１１に適用することもできる。その場合には、生産者がＲＯＭ８１１にデータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにしておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込むことで、作製したＲＦタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にのみ固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になることがなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。
【０４５４】
以下では、本発明の一態様に係るＲＦタグの使用例について図４０を用いて説明する。ＲＦタグの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図４０（Ａ）参照。）、包装用容器類（包装紙やボトル等、図４０（Ｃ）参照。）、記録媒体（ＤＶＤやビデオテープ等、図４０（Ｂ）参照。）、乗り物類（自転車等、図４０（Ｄ）参照。）、身の回り品（鞄や眼鏡等）、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器（液晶表示装置、ＥＬ表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話）等の物品、もしくは各物品に取り付ける荷札（図４０（Ｅ）および図４０（Ｆ）参照。）等に設けて使用することができる。
【０４５５】
本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００は、表面に貼る、または埋め込むことにより、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであれば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書類等に本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００により、認証機能を付与することができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００を取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るＲＦタグ４０００を取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。
【０４５６】
以上のように、本発明の一態様に係るＲＦタグは、上述したような各用途に用いることができる。
【０４５７】
本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０４５８】
（実施の形態７）
本実施の形態では、上記実施の形態で開示したトランジスタと異なる構成を有するトランジスタを含む半導体装置について、図面を用いて説明する。
【０４５９】
はじめに、トランジスタ１５５を有する半導体装置１００１について、図４１を用いて説明する。なお、半導体装置１００１が有するトランジスタ１５５および容量素子１９０は、上記実施の形態で開示したトランジスタ１５０などと同様の材料および方法で作製することができる。
【０４６０】
図４１（Ａ）は、トランジスタ１５５および容量素子１９０の上面図である。図４１（Ｂ）は、図４１（Ａ）中のＤ１−Ｄ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図４１（Ｃ）は、図４１（Ａ）中のＥ１−Ｅ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図４１（Ｂ）は、トランジスタ１５５のチャネル長方向の断面図であり、図４１（Ｃ）は、トランジスタ１５５のチャネル幅方向の断面図である。
【０４６１】
本実施の形態に示すトランジスタ１５５は、基板７６０上に絶縁層１０６が形成され、絶縁層１０６上に絶縁層７９１と電極１０２が形成されている。また、絶縁層７９１と電極１０２上に絶縁層１０７が形成されている。具体的には、絶縁層１０６上に電極１０２を形成し、電極１０２を覆って絶縁層７９１を形成し、ＣＭＰ処理などの平坦化処理により凹凸を軽減して電極１０２表面を露出させ、絶縁層７９１および電極１０２上に絶縁層１０７を形成する。
【０４６２】
本実施の形態では、絶縁層１０６上に電極１０２を形成しているが、電極１０２上に絶縁層１０６を形成してもよい。また、絶縁層１０６を形成しなくてもよい。または、図４３（Ａ）、図４３（Ｂ）、図４３（Ｃ）に示すように、電極１０２を設けなくてもよい。なお、他の図面に示すトランジスタにおいても図４３と同様に、電極１０２を設けない構成としてもよい。
【０４６３】
基板７６０として用いる材料に大きな制限はないが、少なくとも後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。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。
【０４６４】
また、基板７６０としてシリコンや炭化シリコンなどを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどを材料とした化合物半導体基板等を用いてもよい。また、ＳＯＩ基板や、半導体基板上に半導体素子が設けられたものなどを用いることもできる。
【０４６５】
なお、基板７６０として、可撓性基板（フレキシブル基板）を用いてもよい。可撓性基板を用いる場合、可撓性基板上に、トランジスタや容量素子などを直接作製してもよいし、他の作製基板上にトランジスタや容量素子などを作製し、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、作製基板とトランジスタや容量素子などとの間に、剥離層を設けるとよい。
【０４６６】
また、基板７６０は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタ１５５のゲート電極、ソース電極、又はドレイン電極の少なくとも一つは、上記他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
【０４６７】
また、電極１０２と重畳し、かつ、電極１０９および電極１１９の一部に接して酸化物半導体層１０８ａが形成されている。また、酸化物半導体層１０８ａ上に重畳して酸化物半導体層１０８ｂが形成され、酸化物半導体層１０８ａおよび酸化物半導体層１０８ｂを覆って酸化物半導体層１０８ｃが形成されている。また、酸化物半導体層１０８上に、絶縁層１１０を介して電極１１１が形成されている。
【０４６８】
トランジスタ１５５および容量素子１９０を覆って、絶縁層１１２および絶縁層１１３が形成されている。また、絶縁層１１３上に形成された電極１１４が、絶縁層１１２および絶縁層１１３に形成された開口を介して電極１１９と電気的に接続されている。
【０４６９】
上記実施の形態で説明した通り、電極１０２および電極１１１は、一方がゲート電極として機能し、他方がバックゲート電極として機能する。また、電極１０９および電極１１９は、どちらか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。
【０４７０】
本実施の形態に示すトランジスタ１５５は、電極１０２および電極１１１が、電極１０９および電極１１９と重畳しない構成を有する。ゲート電極またはバックゲート電極と、ソース電極またはドレイン電極の間に生じる寄生容量は、主に電極１０２または電極１１１と、電極１０９または電極１１９が重畳する面積に応じて変化し、重畳する面積が大きくなると寄生容量も大きくなる。寄生容量は、ソースとドレイン間を伝達する信号波形の劣化や信号の遅延の要因となり、半導体装置の誤動作や、動作特性が悪化する要因となる。
【０４７１】
電極１０２および電極１１１が、電極１０９および電極１１９と重畳しない構成とすることで、寄生容量を小さくすることができる。よって、半導体装置の誤動作を軽減し、半導体装置の信頼性を高めることができる。また、良好な動作特性を有する半導体装置を実現することができる。また、消費電力の少ない半導体装置を実現することができる。
【０４７２】
次に、寄生容量が低減されたトランジスタ１５６を有する半導体装置１００２について、図４２を用いて説明する。半導体装置１００２が有するトランジスタ１５６および容量素子１９０は、トランジスタ１５０やトランジスタ１５５などと同様の材料および方法で作製することができる。
【０４７３】
図４２（Ａ）は、トランジスタ１５６および容量素子１９０の断面図である。なお、図４２（Ａ）は図４１（Ａ）中のＤ１−Ｄ２の一点鎖線で示した部位の断面に相当する。また、トランジスタ１５６は、トランジスタ１５５と電極１１１および電極１０２のチャネル長方向の長さが異なる。図４２（Ａ）に示すように、トランジスタ１５６は、電極１０２および電極１１１が、電極１０９と電極１１９と重畳せずに、離れた位置に形成されている。従って、酸化物半導体層１０８ａ乃至１０８ｃは電極１０９、１１９のいずれにも重ならない領域を有する。
【０４７４】
また、電極１１１の形成後に、電極１１１をマスクとして用いて、イオン注入法などにより、アルゴンなどの不活性ガスや、リン、またはボロンなどを、不純物元素２８０として酸化物半導体層１０８中に導入してもよい（図４２（Ｂ）参照）。なお、図４２（Ｂ）では、不純物元素２８０が導入された領域の境界面を、境界面２８１として破線で示している。ただし、電極１１１と電極１０９（電極１１９）との間の間隔が、十分に短い場合（例えば、電極１１１の幅の半分以下、より好ましくは１／５以下）には、不純物元素の導入は、行わなくてもよい。
【０４７５】
酸化物半導体層１０８中の不純物元素２８０が導入された領域（以下、「不純物領域」ともいう。）は、酸化物半導体層１０８中の電極１１１と重畳する領域よりも導電率が高くなる。また、アルゴンなどの不純物元素２８０を導入した後に、不純物領域に水素や窒素などを導入すると、不純物領域の導電率をより高めることができ、また、トランジスタの特性ばらつきも低減することができる。よって、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【０４７６】
また、電極１１１をマスクとして用いて酸化物半導体層１０８中に不純物領域を形成した後、不純物領域上に窒素を含む層を形成して、当該層中の窒素を酸化物半導体層１０８中の不純物領域に拡散させてもよい。窒素を含む層は、絶縁層１１２と酸化物半導体層１０８の間に形成してもよいし、絶縁層１１２を、窒素を含む層で形成してもよい。
【０４７７】
また、酸化物半導体層１０８中の不純物元素２８０の濃度は、酸化物半導体層１０８ｃ側から絶縁層１０７側に向かって低下する。すなわち、酸化物半導体層１０８中の不純物領域は深さ方向に濃度勾配を有する。また、不純物元素２８０は導入時に散乱し、不純物領域の一部が絶縁層１１０または電極１１１と重畳する場合がある。
【０４７８】
また、電極１１１の形成後、電極１１１および酸化物半導体層１０８を覆ってアルミニウムまたは酸化アルミニウムを形成し、酸化性雰囲気で加熱処理することにより酸化物半導体層１０８中にアルミニウムを拡散させて、酸化物半導体層１０８のアルミニウムまたは酸化アルミニウムと接する領域の導電率を高めてもよい。なお、電極１１１および酸化物半導体層１０８上に残ったアルミニウムは酸化性雰囲気中で加熱することにより酸化アルミニウム（絶縁物）とすることができる。
【０４７９】
イオン注入法などにより不純物元素２８０を導入した後に、上記処理を行ってもよい。
【０４８０】
また、不純物領域の形成後に、加熱処理を行ってもよい。
【０４８１】
なお、他の図面においても、図４２（Ａ）と同様に、電極１１１の幅を小さくして、電極１１１と電極１０９（電極１１９）とが、重ならないような構成としてもよい。
【０４８２】
なお、図４４（Ａ）に示すように、絶縁層１１０は、電極１１１の外側にも配置されていてもよい。その場合、図４４（Ｂ）に示すように、イオン注入法などによる不純物元素２８０の導入は、絶縁層１１０を通過して、実行されることとなる。
【０４８３】
次に、トランジスタ１６５を有する半導体装置１１０１について、図４５を用いて説明する。なお、半導体装置１１０１が有するトランジスタ１６５および容量素子１９０は、上記実施の形態で開示したトランジスタ１６０などと同様の材料および方法で作製することができる。
【０４８４】
図４５（Ａ）は、トランジスタ１６５および容量素子１９０の上面図である。図４５（Ｂ）は、図４５（Ａ）中のＤ１−Ｄ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図４５（Ｃ）は、図４５（Ａ）中のＥ１−Ｅ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図４５（Ｂ）は、トランジスタ１６５のチャネル長方向の断面図であり、図４５（Ｃ）は、トランジスタ１６５のチャネル幅方向の断面図である。
【０４８５】
本実施の形態に示すトランジスタ１６５は、基板７６０上に電極１０２、電極１３２、電極１４２、絶縁層７９１が形成され、それらの上に絶縁層１０６が形成されている。具体的には、基板７６０上に電極１０２、電極１３２、電極１４２を形成し、これらの電極を覆って絶縁層７９１を形成し、ＣＭＰ処理などの平坦化処理により表面の凹凸を軽減するとともに電極表面を露出させ、その後、絶縁層１０６を形成する。
【０４８６】
本実施の形態では、電極１０２、電極１３２、電極１４２上に絶縁層１０６を形成しているが、絶縁層１０６上に電極１０２、電極１３２、電極１４２を形成してもよい。また、絶縁層１０６を形成しなくてもよい。または、図４７（Ａ）、図４７（Ｂ）、図４７（Ｃ）に示すように、電極１０２、電極１３２、および電極１４２を設けなくてもよい。なお、他の図面に示すトランジスタにおいても、電極１０２、電極１３２、および電極１４２のうち少なくとも１つを設けない構成としてもよい。また、図４８（Ａ）、図４８（Ｂ）、図４８（Ｃ）に示すように、基板７６０上に絶縁層１０６を設けてもよい。
【０４８７】
また、電極１３２は、絶縁層１０７および絶縁層１０６に形成された開口部を介して、電極１０９と電気的に接続している。また、電極１４２は、絶縁層１０７および絶縁層１０６に形成された開口部を介して、電極１１９と電気的に接続している。また、絶縁層１３１を介して電極１０２と重畳し、かつ、電極１０９および電極１１９の一部に接して酸化物半導体層１０８ａが形成されている。また、電極１０９、電極１１９、および酸化物半導体層１０８ａ上に重畳して酸化物半導体層１０８ｂが形成され、酸化物半導体層１０８ｂを覆って酸化物半導体層１０８ｃが形成されている。また、酸化物半導体層１０８上に、絶縁層１１０を介して電極１１１が形成されている。
【０４８８】
また、トランジスタ１６５および容量素子１９０を覆って、絶縁層１１２および絶縁層１１３が形成されている。また、絶縁層１１３上に形成された電極１１４が、絶縁層１１２および絶縁層１１３に形成された開口を介して電極１１９と電気的に接続されている。
【０４８９】
本実施の形態に示すトランジスタ１６５は、電極１０２および電極１１１が、電極１０９および電極１１９と重畳しない構成を有する。
【０４９０】
電極１０２および電極１１１が、電極１０９および電極１１９と重畳しない構成とすることで、寄生容量を小さくすることができる。よって、半導体装置の誤動作を軽減し、半導体装置の信頼性を高めることができる。また、良好な動作特性を有する半導体装置を実現することができる。また、消費電力の少ない半導体装置を実現することができる。
【０４９１】
次に、寄生容量が低減されたトランジスタ１６６を有する半導体装置１１０２について、図４６を用いて説明する。半導体装置１１０２が有するトランジスタ１６６および容量素子１９０は、トランジスタ１６０やトランジスタ１６５などと同様の材料および方法で作製することができる。
【０４９２】
図４６（Ａ）は、トランジスタ１６６および容量素子１９０の断面図である。なお、図４６（Ａ）は図４５（Ａ）中のＤ１−Ｄ２の一点鎖線で示した部位の断面に相当する。また、トランジスタ１６６は、トランジスタ１６５と電極１１１および電極１０２のチャネル長方向の長さが異なる。図４６（Ａ）に示すように、トランジスタ１６６は、電極１０２および電極１１１が、電極１０９と電極１１９と重畳せずに、離れた位置に形成されている。従って、酸化物半導体層１０８ａ乃至１０８ｃは電極１０９、１１９のいずれにも重ならない領域を有する。
【０４９３】
また、電極１１１の形成後に、電極１１１をマスクとして用いて、イオン注入法などにより、アルゴンなどの不活性ガスや、リン、またはボロンなどを、不純物元素２８０として酸化物半導体層１０８中に導入してもよい（図４６（Ｂ）参照）。なお、図４６（Ｂ）では、不純物元素２８０が導入された領域の境界面を、境界面２８１として破線で示している。ただし、電極１１１と電極１０９（電極１１９）との間の間隔が、十分に短い場合（例えば、電極１１１の幅の半分以下、より好ましくは１／５以下）には、不純物元素の導入は、行わなくてもよい。
【０４９４】
酸化物半導体層１０８中の不純物領域は、酸化物半導体層１０８中の電極１１１と重畳する領域よりも導電率が高くなる。また、アルゴンなどの不純物元素２８０を導入した後に、不純物領域に水素や窒素などを導入すると、不純物領域の導電率をより高めることができ、また、トランジスタの特性ばらつきも低減することができる。よって、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【０４９５】
また、電極１１１をマスクとして用いて酸化物半導体層１０８中に不純物領域を形成した後、不純物領域上に窒素を含む層を形成して、当該層中の窒素を酸化物半導体層１０８中の不純物領域に拡散させてもよい。窒素を含む層は、絶縁層１１２と酸化物半導体層１０８の間に形成してもよいし、絶縁層１１２を、窒素を含む層で形成してもよい。
【０４９６】
また、酸化物半導体層１０８中の不純物元素２８０の濃度は、酸化物半導体層１０８ｃ側から絶縁層１０７側に向かって低下する。すなわち、酸化物半導体層１０８中の不純物領域は深さ方向に濃度勾配を有する。また、不純物元素２８０は導入時に散乱し、不純物領域の一部が絶縁層１１０または電極１１１と重畳する場合がある。
【０４９７】
また、電極１１１の形成後、電極１１１および酸化物半導体層１０８を覆ってアルミニウムまたは酸化アルミニウムを形成し、酸化性雰囲気で加熱処理することにより酸化物半導体層１０８中にアルミニウムを拡散させて、酸化物半導体層１０８のアルミニウムまたは酸化アルミニウムと接する領域の導電率を高めてもよい。よって、アルミニウムも不純物元素２８０の一つである。なお、電極１１１および酸化物半導体層１０８上に残ったアルミニウムは酸化性雰囲気中で加熱することにより酸化アルミニウム（絶縁物）とすることができる。
【０４９８】
イオン注入法などにより不純物元素２８０を導入した後に、上記処理を行ってもよい。
【０４９９】
また、不純物領域の形成後に、加熱処理を行ってもよい。
【０５００】
なお、図４９（Ａ）に示すように、絶縁層１１０は、電極１１１の外側にも配置されていてもよい。その場合、図４９（Ｂ）に示すように、イオン注入法などによる不純物元素２８０の導入は、絶縁層１１０を通過して、実行されることとなる。
【０５０１】
次に、トランジスタ１７５を有する半導体装置１２０１について、図５０を用いて説明する。なお、半導体装置１２０１が有するトランジスタ１７５および容量素子１９０は、上記実施の形態で開示したトランジスタ１７０などと同様の材料および方法で作製することができる。
【０５０２】
図５０（Ａ）は、トランジスタ１７５および容量素子１９０の上面図である。図５０（Ｂ）は、図５０（Ａ）中のＤ１−Ｄ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図５０（Ｃ）は、図５０（Ａ）中のＥ１−Ｅ２の一点鎖線で示した部位の断面図である。図５０（Ｂ）は、トランジスタ１７５のチャネル長方向の断面図であり、図５０（Ｃ）は、トランジスタ１７５のチャネル幅方向の断面図である。
【０５０３】
本実施の形態に示すトランジスタ１７５は、基板７６０上に絶縁層１０６が形成され、絶縁層１０６上に絶縁層７９１と電極１０２が形成されている。また、絶縁層７９１と電極１０２上に絶縁層１０７が形成されている。具体的には、絶縁層１０６上に電極１０２を形成し、電極１０２を覆って絶縁層７９１を形成し、ＣＭＰ処理などの平坦化処理により凹凸を軽減して電極１０２表面を露出させ、絶縁層７９１および電極１０２上に絶縁層１０７を形成する。本実施の形態では、絶縁層１０６上に電極１０２を形成しているが、電極１０２上に絶縁層１０６を形成してもよい。また、絶縁層１０６を形成しなくてもよい。または、図５２（Ａ）、図５２（Ｂ）、図５２（Ｃ）に示すように、電極１０２を設けなくてもよい。
【０５０４】
また、基板７６０は、単なる支持基板に限らず、他のトランジスタなどのデバイスが形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタ１７５のゲート電極、ソース電極、又はドレイン電極の少なくとも一つは、上記他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
【０５０５】
また、絶縁層１０７上に酸化物半導体層１０８ａが形成され、酸化物半導体層１０８ａ上に電極１０９および電極１１９が形成されている。また、酸化物半導体層１０８ａ、電極１０９および電極１１９上に、電極１０２と重畳し、かつ、電極１０９および電極１１９の一部に接して酸化物半導体層１０８ｂが形成されている。また、酸化物半導体層１０８ｂを覆って酸化物半導体層１０８ｃが形成されている。また、酸化物半導体層１０８上に、絶縁層１１０を介して電極１１１が形成されている。
【０５０６】
トランジスタ１７５および容量素子１９０を覆って、絶縁層１１２および絶縁層１１３が形成されている。また、絶縁層１１３上に形成された電極１１４が、絶縁層１１２および絶縁層１１３に形成された開口を介して電極１１９と電気的に接続されている。
【０５０７】
本実施の形態に示すトランジスタ１７５は、電極１０２および電極１１１が、電極１０９および電極１１９と重畳しない構成を有する。
【０５０８】
電極１０２および電極１１１が、電極１０９および電極１１９と重畳しない構成とすることで、寄生容量を小さくすることができる。よって、半導体装置の誤動作を軽減し、半導体装置の信頼性を高めることができる。また、良好な動作特性を有する半導体装置を実現することができる。また、消費電力の少ない半導体装置を実現することができる。
【０５０９】
次に、寄生容量が低減されたトランジスタ１７６を有する半導体装置１２０２について、図５１を用いて説明する。半導体装置１２０２が有するトランジスタ１７６および容量素子１９０は、トランジスタ１７０やトランジスタ１７５などと同様の材料および方法で作製することができる。
【０５１０】
図５１（Ａ）は、トランジスタ１７６および容量素子１９０の断面図である。なお、図５１（Ａ）は図５０（Ａ）中のＤ１−Ｄ２の一点鎖線で示した部位の断面に相当する。また、トランジスタ１７６は、トランジスタ１７５と電極１１１および電極１０２のチャネル長方向の長さが異なる。図５１（Ａ）に示すように、トランジスタ１７６は、電極１０２および電極１１１が、電極１０９と電極１１９と重畳せず、電極１０９と電極１１９の端部から離れた位置に形成されている。従って、酸化物半導体層１０８ａ乃至１０８ｃは電極１０９、１１９のいずれにも重ならない領域を有する。
【０５１１】
また、電極１１１の形成後に、電極１１１をマスクとして用いて、イオン注入法などにより、アルゴンなどの不活性ガスや、リン、またはボロンなどを、不純物元素２８０として酸化物半導体層１０８中に導入してもよい（図５１（Ｂ）参照）。なお、図５１（Ｂ）では、不純物元素２８０が導入された領域の境界面を、境界面２８１として破線で示している。ただし、電極１１１と電極１０９（電極１１９）との間の間隔が、十分に短い場合（例えば、電極１１１の幅の半分以下、より好ましくは１／５以下）には、不純物元素の導入は、行わなくてもよい。
【０５１２】
酸化物半導体層１０８中の不純物領域は、酸化物半導体層１０８中の電極１１１と重畳する領域よりも導電率が高くなる。また、アルゴンなどの不純物元素２８０を導入した後に、不純物領域に水素や窒素などを導入すると、不純物領域の導電率をより高めることができ、また、トランジスタの特性ばらつきも低減することができる。よって、半導体装置の信頼性を高めることができる。
【０５１３】
また、電極１１１をマスクとして用いて酸化物半導体層１０８中に不純物領域を形成した後、不純物領域上に窒素を含む層を形成して、当該層中の窒素を酸化物半導体層１０８中の不純物領域に拡散させてもよい。窒素を含む層は、絶縁層１１２と酸化物半導体層１０８の間に形成してもよいし、絶縁層１１２を、窒素を含む層で形成してもよい。
【０５１４】
また、酸化物半導体層１０８中の不純物元素２８０の濃度は、酸化物半導体層１０８ｃ側から絶縁層１０７に向かって低下する。すなわち、酸化物半導体層１０８中の不純物領域は深さ方向に濃度勾配を有する。また、不純物元素２８０は導入時に散乱し、不純物領域の一部が絶縁層１１０または電極１１１と重畳する場合がある。
【０５１５】
また、電極１１１の形成後、電極１１１および酸化物半導体層１０８を覆ってアルミニウムまたは酸化アルミニウムを形成し、酸化性雰囲気で加熱処理することにより酸化物半導体層１０８中にアルミニウムを拡散させて、酸化物半導体層１０８のアルミニウムまたは酸化アルミニウムと接する領域の導電率を高めてもよい。なお、電極１１１および酸化物半導体層１０８上に残ったアルミニウムは酸化性雰囲気中で加熱することにより酸化アルミニウム（絶縁物）とすることができる。
【０５１６】
イオン注入法などにより不純物元素２８０を導入した後に、上記処理を行ってもよい。
【０５１７】
また、不純物領域の形成後に、加熱処理を行ってもよい。
【０５１８】
なお、図５３（Ａ）に示すように、絶縁層１１０は、電極１１１の外側にも配置されていてもよい。その場合、図５３（Ｂ）に示すように、イオン注入法などによる不純物元素２８０の導入は、絶縁層１１０を通過して、実行されることとなる。
【０５１９】
本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０５２０】
（実施の形態８）
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置の一例について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、半導体装置の一例として、表示装置を例示して説明する。
【０５２１】
図５４（Ａ）に、表示装置の一例を示す。図５４（Ａ）に示す表示装置は、画素部４０１と、走査線駆動回路４０４と、信号線駆動回路４０６と、各々が平行または略平行に配設され、且つ走査線駆動回路４０４によって電位が制御されるｍ本の走査線４０７と、各々が平行または略平行に配設され、且つ信号線駆動回路４０６によって電位が制御されるｎ本の信号線４０９と、を有する。ｍ、ｎは、ともに１以上の整数である。さらに、画素部４０１はｍ行ｎ列のマトリクス状に配設された複数の画素４１１を有する。
【０５２２】
また、３つの画素４１１を１つの画素として用いることで、カラー表示を行うことができる。例えば、赤色光を発する画素４１１と、緑色光を発する画素４１１と、青色光を発する画素４１１を一つの画素として動作させることで、カラー表示を行うことができる。３つの画素４１１が発する光の色は、赤、緑、青以外にも、黄、シアン、マゼンダなどとしてもよい。
【０５２３】
また、４つの画素４１１を１つの画素として用いてもよい。例えば、４つの画素４１１がそれぞれ赤、緑、青、黄の光を発する構成としてもよい。１つの画素として用いる画素４１１の数を増やすことで、特に色の再現性を高めることができる。よって、表示装置の表示品位を高めることができる。また、４つの画素４１１がそれぞれ赤、緑、青、白の光を発する構成としてもよい。白の光を発する画素４１１を設けることで、表示領域の輝度を高めることができる。また、表示装置の用途によっては、２つの画素４１１を１つの画素として用いることもできる。
【０５２４】
また、図５４（Ａ）に示す表示装置は、走査線４０７に沿って、各々が平行または略平行に配設された容量線４１５を有する。なお、容量線４１５は、信号線４０９に沿って、各々が平行または略平行に配設されていてもよい。また、走査線駆動回路４０４および信号線駆動回路４０６をまとめて駆動回路部という場合がある。
【０５２５】
各走査線４０７は、画素部４０１の画素４１１のうち、いずれかの行に配設されたｎ個の画素４１１と電気的に接続される。また、各信号線４０９は、画素４１１のうち、いずれかの列に配設されたｍ個の画素４１１に電気的に接続される。また、各容量線４１５は、画素４１１のうち、いずれかの行に配設されたｎ個の画素４１１と電気的に接続される。なお、容量線４１５が、信号線４０９に沿って、各々が平行または略平行に配設されている場合は、画素４１１のうち、いずれかの列に配設されたｍ個の画素４１１に電気的に接続される。
【０５２６】
図５４（Ｂ）および図５４（Ｃ）は、図５４（Ａ）に示す表示装置の画素４１１に用いることができる回路構成を示している。
【０５２７】
図５４（Ｂ）に示す画素４１１は、液晶素子４３２と、トランジスタ４３１＿１と、容量素子４３３＿１と、を有する。トランジスタ４３１＿１として、上記実施の形態に開示したトランジスタを用いることができる。特に、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が小さいため、トランジスタ４３１＿１として好ましい。
【０５２８】
液晶素子４３２の一対の電極の一方の電位は、画素４１１の仕様に応じて適宜設定される。液晶素子４３２中の液晶は、書き込まれるデータにより配向状態が設定される。なお、複数の画素４１１のそれぞれが有する液晶素子４３２の一対の電極の一方に共通の電位（コモン電位）を与えてもよい。また、各行の画素４１１毎の液晶素子４３２の一対の電極の一方に異なる電位を与えてもよい。
【０５２９】
例えば、液晶素子４３２のモードとしては、ＴＮモード、ＳＴＮモード、ＶＡモード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＭＶＡモード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＩＰＳモード、ＦＦＳモード、またはＴＢＡ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｂｅｎｄ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードなどを用いてもよい。また、他の例として、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＰＮＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ゲストホストモードなどがある。ただし、これに限定されず、様々なモードを用いることができる。
【０５３０】
また、ブルー相（Ｂｌｕｅ  Ｐｈａｓｅ）を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物により液晶素子を構成してもよい。ブルー相を示す液晶は、応答速度が１ｍｓｅｃ以下と短く、光学的等方性であるため、配向処理が不要であり、かつ、視野角依存性が小さい。
【０５３１】
ｍ行ｎ列目の画素４１１において、トランジスタ４３１＿１のソース電極およびドレイン電極の一方は、信号線ＤＬ＿ｎに電気的に接続され、他方は液晶素子４３２の一対の電極の他方に電気的に接続される。また、トランジスタ４３１＿１のゲート電極は、走査線ＧＬ＿ｍに電気的に接続される。トランジスタ４３１＿１は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号の書き込みを制御する機能を有する。
【０５３２】
容量素子４３３＿１の一対の電極の一方は、容量線ＣＬに電気的に接続され、他方は、液晶素子４３２の一対の電極の他方に電気的に接続される。なお、容量線ＣＬの電位の値は、画素４１１の仕様に応じて適宜設定される。容量素子４３３＿１は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
【０５３３】
例えば、図５４（Ｂ）の画素４１１を有する表示装置では、走査線駆動回路４０４により各行の画素４１１を順次選択し、トランジスタ４３１＿１をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
【０５３４】
データが書き込まれた画素４１１は、トランジスタ４３１＿１がオフ状態になることで保持状態になる。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
【０５３５】
また、図５４（Ｃ）に示す画素４１１は、トランジスタ４３１＿２と、容量素子４３３＿２と、トランジスタ４３４と、発光素子４３５と、を有する。トランジスタ４３１＿２およびトランジスタ４３４として、上記実施の形態に開示したトランジスタを用いることができる。特に、オフ電流が小さいため、酸化物半導体を用いたトランジスタをトランジスタ４３１＿２として用いることが好ましい。
【０５３６】
トランジスタ４３１＿２のソース電極およびドレイン電極の一方は、信号線ＤＬ＿ｎに電気的に接続される。さらに、トランジスタ４３１＿２のゲート電極は、走査線ＧＬ＿ｍに電気的に接続される。
【０５３７】
トランジスタ４３１＿２は、オン状態またはオフ状態になることにより、データ信号のデータの書き込みを制御する機能を有する。
【０５３８】
容量素子４３３＿２の一対の電極の一方は、ノード４３６に電気的に接続され、他方は、ノード４３７に電気的に接続される。
【０５３９】
容量素子４３３＿２は、書き込まれたデータを保持する保持容量としての機能を有する。
【０５４０】
トランジスタ４３４のソース電極およびドレイン電極の一方は、電位供給線ＶＬ＿ａに電気的に接続される。さらに、トランジスタ４３４のゲート電極は、ノード４３６に電気的に接続される。
【０５４１】
発光素子４３５のアノードおよびカソードの一方は、電位供給線ＶＬ＿ｂに電気的に接続され、他方は、ノード４３７に電気的に接続される。
【０５４２】
発光素子４３５としては、例えば有機エレクトロルミネセンス素子（有機ＥＬ素子ともいう）などを用いることができる。ただし、発光素子４３５としては、これに限定されず、無機材料からなる無機ＥＬ素子を用いても良い。
【０５４３】
なお、電位供給線ＶＬ＿ａおよび電位供給線ＶＬ＿ｂの一方には、高電源電位ＶＤＤが与えられ、他方には、低電源電位ＶＳＳが与えられる。
【０５４４】
図５４（Ｃ）の画素４１１を有する表示装置では、走査線駆動回路４０４により各行の画素４１１を順次選択し、トランジスタ４３１＿２をオン状態にしてデータ信号のデータを書き込む。
【０５４５】
データが書き込まれた画素４１１は、トランジスタ４３１＿２がオフ状態になることで保持状態になる。さらに、書き込まれたデータ信号の電位に応じてトランジスタ４３４のソース電極とドレイン電極の間に流れる電流量が制御され、発光素子４３５は、流れる電流量に応じた輝度で発光する。これを行毎に順次行うことにより、画像を表示できる。
【０５４６】
なお、本実施の形態では、表示素子として、液晶素子や発光素子を用いた場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。
【０５４７】
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、及び発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、又は様々な素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子又は発光装置は、例えば、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＭＩＲＡＳＯＬ（「ＭＩＲＡＳＯＬ」は登録商標。）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していても良い。ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）又はＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インク、電子粉流体（登録商標）、又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。
【０５４８】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０５４９】
（実施の形態９）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた表示モジュールについて、図５５を用いて説明を行う。
【０５５０】
図５５に示す表示モジュール８０００は、上部カバー８００１と下部カバー８００２との間に、ＦＰＣ８００３に接続されたタッチセンサ８００４、ＦＰＣ８００５に接続されたセル８００６、バックライトユニット８００７、フレーム８００９、プリント基板８０１０、バッテリー８０１１を有する。なお、バックライトユニット８００７、バッテリー８０１１、タッチセンサ８００４などを有さない場合もある。
【０５５１】
本発明の一態様に係る半導体装置は、例えば、セル８００６に用いることができる。
【０５５２】
上部カバー８００１および下部カバー８００２は、タッチセンサ８００４およびセル８００６のサイズに合わせて、形状や寸法を適宜変更することができる。
【０５５３】
タッチセンサ８００４は、抵抗膜方式または静電容量方式のタッチセンサをセル８００６に重畳して用いることができる。また、セル８００６の対向基板（封止基板）に、タッチセンサ機能を持たせるようにすることも可能である。または、セル８００６の各画素内に光センサを設け、光学式のタッチセンサとすることも可能である。または、セル８００６の各画素内にタッチセンサ用電極を設け、静電容量方式のタッチセンサとすることも可能である。
【０５５４】
バックライトユニット８００７は、光源８００８を有する。光源８００８をバックライトユニット８００７の端部に設け、光拡散板を用いる構成としてもよい。
【０５５５】
フレーム８００９は、セル８００６の保護機能の他、プリント基板８０１０の動作により発生する電磁波を遮断するための電磁シールドとしての機能を有してもよい。またフレーム８００９は、放熱板としての機能を有していてもよい。
【０５５６】
プリント基板８０１０は、電源回路、ビデオ信号およびクロック信号を出力するための信号処理回路を有する。電源回路に電力を供給する電源としては、外部の商用電源であってもよいし、別途設けたバッテリー８０１１による電源であってもよい。商用電源を用いる場合には、バッテリー８０１１を有さなくてもよい。
【０５５７】
また、表示モジュール８０００には、偏光板、位相差板、プリズムシートなどの部材を追加して設けてもよい。
【０５５８】
本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０５５９】
（実施の形態１０）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の一例について説明する。
【０５６０】
本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器として、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型或いはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、ポータブルＣＤプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、置き時計、壁掛け時計、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、タブレット型端末、パチンコ機などの固定式ゲーム機、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、温水器、扇風機、毛髪乾燥機、エアコンディショナー、加湿器、除湿器などの空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、懐中電灯、チェーンソー等の工具、煙感知器、透析装置等の医療機器などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム、電力の平準化やスマートグリッドのための蓄電装置等の産業機器が挙げられる。また、燃料を用いたエンジンや、蓄電体からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電子機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船などが挙げられる。
【０５６１】
図５６（Ａ）は携帯型ゲーム機の一例であり、筐体９０１、筐体９０２、表示部９０３、表示部９０４、マイクロフォン９０５、スピーカー９０６、操作キー９０７、スタイラス９０８等を有する。なお、図５６（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部９０３と表示部９０４とを有しているが、表示部の数は、これに限定されない。
【０５６２】
図５６（Ｂ）は携帯データ端末の一例であり、第１筐体９１１、第２筐体９１２、第１表示部９１３、第２表示部９１４、接続部９１５、操作キー９１６等を有する。第１表示部９１３は第１筐体９１１に設けられており、第２表示部９１４は第２筐体９１２に設けられている。そして、第１筐体９１１と第２筐体９１２とは、接続部９１５により接続されており、第１筐体９１１と第２筐体９１２の間の角度は、接続部９１５により変更が可能である。第１表示部９１３における映像を、接続部９１５における第１筐体９１１と第２筐体９１２との間の角度にしたがって、切り替える構成としてもよい。また、第１表示部９１３および第２表示部９１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
【０５６３】
図５６（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータの一例であり、筐体９２１、表示部９２２、キーボード９２３、ポインティングデバイス９２４等を有する。
【０５６４】
図５６（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫の一例であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３３等を有する。
【０５６５】
図５６（Ｅ）はビデオカメラの一例であり、第１筐体９４１、第２筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６等を有する。操作キー９４４およびレンズ９４５は第１筐体９４１に設けられており、表示部９４３は第２筐体９４２に設けられている。そして、第１筐体９４１と第２筐体９４２とは、接続部９４６により接続されており、第１筐体９４１と第２筐体９４２の間の角度は、接続部９４６により変更が可能である。表示部９４３における映像を、接続部９４６における第１筐体９４１と第２筐体９４２との間の角度にしたがって切り替える構成としてもよい。
【０５６６】
図５６（Ｆ）は自動車の一例であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト９５４等を有する。
【０５６７】
本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０５６８】
（実施の形態１１）
本実施の形態では、酸化物半導体の構造と性質について説明する。
【０５６９】
＜酸化物半導体の構造について＞
【０５７０】
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、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）、非晶質酸化物半導体などがある。
【０５７１】
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体（ａ−ＯＳ）と、それ以外の結晶性酸化物半導体とに分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳなどがある。
【０５７２】
［ａ−ＯＳ］
非晶質構造の定義としては、一般に、準安定状態で固定化していないこと、等方的であって不均質構造を持たないことなどが知られている。また、結合角度が固定されておらず、短距離秩序性は有するが、長距離秩序性を有さない構造と言い換えることもできる。
【０５７３】
逆の見方をすると、本質的に安定な酸化物半導体の場合、完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）酸化物半導体と呼ぶことはできない。また、等方的でない（例えば、微小な領域において周期構造を有する）酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体と呼ぶことはできない。
【０５７４】
ただし、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、微小な領域において周期構造を有するものの、鬆（ボイドともいう。）を有し、不安定な構造である。そのため、物性的には非晶質酸化物半導体に近いといえる。
【０５７５】
［ＣＡＡＣ−ＯＳ］
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向した複数の結晶部（ペレットともいう。）を有する酸化物半導体の一つである。
【０５７６】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳの明視野像と回折パターンとの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察すると、複数のペレットを確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像ではペレット同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を明確に確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
【０５７７】
以下では、ＴＥＭによって観察したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。図５７（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの断面の高分解能ＴＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像の取得は、例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆなどによって行うことができる。
【０５７８】
図５７（Ａ）の領域（１）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を図５７（Ｂ）に示す。図５７（Ｂ）より、ペレットにおいて、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層の配列は、ＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面または上面と平行となる。
【０５７９】
図５７（Ｂ）に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは特徴的な原子配列を有する。図５７（Ｃ）は、特徴的な原子配列を、補助線で示したものである。図５７（Ｂ）および図５７（Ｃ）より、ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度であり、ペレットとペレットとの傾きにより生じる隙間の大きさは０．８ｎｍ程度であることがわかる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこともできる。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳをＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０５８０】
ここで、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像をもとに、基板５１２０上のＣＡＡＣ−ＯＳのペレット５１００の配置を模式的に示すと、レンガまたはブロックが積み重なったような構造となる（図５７（Ｄ）参照。）。図５７（Ｃ）で観察されたペレットとペレットとの間で傾きが生じている箇所は、図５７（Ｄ）に示す領域５１６１に相当する。
【０５８１】
また、図５８（Ａ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図５８（Ａ）の領域（１）、領域（２）および領域（３）を拡大したＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を、それぞれ図５８（Ｂ）、図５８（Ｃ）および図５８（Ｄ）に示す。図５８（Ｂ）、図５８（Ｃ）および図５８（Ｄ）より、ペレットは、金属原子が三角形状、四角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なるペレット間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【０５８２】
次に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、図５９（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳの結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０５８３】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳのｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°のピークの他に、２θが３６°にもピークが現れる場合がある。２θが３６°のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ｃ軸配向性が非常に高い場合には、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析では、２θが３１°にピークを示し、２θが３６°にピークを示さない。
【０５８４】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ｃ軸に略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°にピークが現れる。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＣＡＡＣ−ＯＳの場合は、２θを５６°に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行っても、図５９（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。これに対し、ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体であれば、２θを５６°に固定してφスキャンした場合、図５９（Ｃ）に示すように（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、ＸＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であることが確認できる。
【０５８５】
次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、試料面に平行にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図６０（Ａ）に示すような回折パターン（制限視野透過電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図６０（Ｂ）に示す。図６０（Ｂ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、電子回折によっても、ＣＡＡＣ−ＯＳに含まれるペレットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図６０（Ｂ）における第１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因すると考えられる。また、図６０（Ｂ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると考えられる。
【０５８６】
上述したように、ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。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、逆の見方をすると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。
【０５８７】
なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。
【０５８８】
酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリア発生源となる場合がある。また、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップとなる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。
【０５８９】
このため、不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度が非常に低い。具体的には、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以上のキャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。ＣＡＡＣ−ＯＳは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
【０５９０】
［ｎｃ−ＯＳ］
ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ｎｃ−ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体と呼ぶことがある。ｎｃ−ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。なお、ナノ結晶の結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットに相当するとも言える。そのため、以下ではｎｃ−ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。
【０５９１】
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、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で結晶の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ａ−ＯＳと区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きい径のＸ線を用いた場合、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークは検出されない。また、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットよりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。
【０５９２】
一方、ｎｃ−ＯＳに対し、ペレットの大きさと近いかペレットより小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳに対しナノビーム電子回折を行うと、円周状に分布した複数のスポットが観測される場合がある。さらに、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
【０５９３】
このように、ペレット（ナノ結晶）間では結晶方位が規則性を有さないことから、ｎｃ−ＯＳを、ＲＡＮＣ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体、またはＮＡＮＣ（Ｎｏｎ−Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。
【０５９４】
ｎｃ−ＯＳは、ａ−ＯＳよりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、ｎｃ−ＯＳは、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳやａ−ＯＳよりも欠陥準位密度が低いが、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高い。
【０５９５】
［ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ］
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳとａ−ＯＳとの間の構造を有する酸化物半導体である。そのような構造を有する酸化物半導体を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
【０５９６】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。
【０５９７】
鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、不安定な構造である。以下では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳが、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳと比べて不安定な構造であることを示すため、電子照射による構造の変化を示す。
【０５９８】
電子照射を行う試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ（試料Ａと表記する。）、ｎｃ−ＯＳ（試料Ｂと表記する。）およびＣＡＡＣ−ＯＳ（試料Ｃと表記する。）を準備した。いずれの試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物であった。
【０５９９】
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得した。高分解能断面ＴＥＭ像により、各試料は、いずれも結晶部を有することがわかる。
【０６００】
なお、どの部分を一つの結晶部と見なすかの判定は、以下のように行った。ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。これらの知見に基づき、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶部と見なした。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０６０１】
作製した資料に対して電子線を照射し、そのドーズ量に対する結晶部（２２箇所から４５箇所）の平均の大きさをプロットしたものが図６１である。図６１より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ（試料Ａ）は、電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなっていくことがわかる。具体的には、図６１に示すように、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさだった結晶部（初期核ともいう）は累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２において２．６ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ２に達しても結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。具体的には、図６１に示すように、電子の累積照射量によらず、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳの結晶部の大きさは、それぞれ１．４ｎｍ程度および２．１ｎｍ程度であることがわかる。
【０６０２】
このように、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が生じる。一方、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳは、電子照射による結晶部の成長がほとんど見られないことがわかる。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、不安定な構造であることがわかる。
【０６０３】
また、鬆を有するため、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて密度の低い構造である。具体的には、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の７８．６％以上９２．３％未満となる。また、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満となる。単結晶の密度の７８％未満となる酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０６０４】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、ｎｃ−ＯＳの密度およびＣＡＡＣ−ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
【０６０５】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて見積もることが好ましい。
【０６０６】
以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。なお、酸化物半導体は、例えば、ａ−ＯＳ、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０６０７】
＜成膜モデル＞
以下では、ＣＡＡＣ−ＯＳおよびｎｃ−ＯＳの成膜モデルの一例について説明する。
【０６０８】
図６２（Ａ）は、スパッタリング法によりＣＡＡＣ−ＯＳが成膜される様子を示した成膜室内の模式図である。
【０６０９】
ターゲット５１３０は、バッキングプレートに接着されている。バッキングプレートを介してターゲット５１３０と向かい合う位置には、複数のマグネットが配置される。該複数のマグネットによって磁場が生じている。マグネットの磁場を利用して成膜速度を高めるスパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法と呼ばれる。
【０６１０】
基板５１２０は、ターゲット５１３０と向かい合うように配置しており、その距離ｄ（ターゲット−基板間距離（Ｔ−Ｓ間距離）ともいう。）は０．０１ｍ以上１ｍ以下、好ましくは０．０２ｍ以上０．５ｍ以下とする。成膜室内は、ほとんどが成膜ガス（例えば、酸素、アルゴン、または酸素を５体積％以上の割合で含む混合ガス）で満たされ、０．０１Ｐａ以上１００Ｐａ以下、好ましくは０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下に制御される。ここで、ターゲット５１３０に一定以上の電圧を印加することで、放電が始まり、プラズマが確認される。なお、ターゲット５１３０の近傍には磁場によって、高密度プラズマ領域が形成される。高密度プラズマ領域では、成膜ガスがイオン化することで、イオン５１０１が生じる。イオン５１０１は、例えば、酸素の陽イオン（Ｏ＋）やアルゴンの陽イオン（Ａｒ＋）などである。
【０６１１】
ここで、ターゲット５１３０は、複数の結晶粒を有する多結晶構造を有し、いずれかの結晶粒には劈開面が含まれる。図６３（Ａ）に、一例として、ターゲット５１３０に含まれるＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の構造を示す。なお、図６３（Ａ）は、ｂ軸に平行な方向からＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を観察した場合の構造である。図６３（Ａ）より、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層において、それぞれの層における酸素原子同士が近距離に配置されていることがわかる。そして、酸素原子が負の電荷を有することにより、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の間には斥力が生じる。その結果、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は、近接する二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の間に劈開面を有すると考えられる。
【０６１２】
高密度プラズマ領域で生じたイオン５１０１は、電界によってターゲット５１３０側に加速され、やがてターゲット５１３０と衝突する。このとき、劈開面から平板状またはペレット状のスパッタ粒子であるペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂが剥離し、叩き出される。なお、ペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂは、イオン５１０１の衝突の衝撃によって、構造に歪みが生じる場合がある。
【０６１３】
ペレット５１００ａは、三角形、例えば正三角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。また、ペレット５１００ｂは、六角形、例えば正六角形の平面を有する平板状またはペレット状のスパッタ粒子である。なお、ペレット５１００ａおよびペレット５１００ｂなどの平板状またはペレット状のスパッタ粒子を総称してペレット５１００と呼ぶ。ペレット５１００の平面の形状は、三角形、六角形に限定されない、例えば、三角形が複数個合わさった形状となる場合がある。例えば、三角形（例えば、正三角形）が２個合わさった四角形（例えば、ひし形）となる場合もある。
【０６１４】
ペレット５１００は、成膜ガスの種類などに応じて厚さが決定する。理由は後述するが、ペレット５１００の厚さは、均一にすることが好ましい。また、スパッタ粒子は厚みのないペレット状である方が、厚みのあるサイコロ状であるよりも好ましい。例えば、ペレット５１００は、厚さを０．４ｎｍ以上１ｎｍ以下、好ましくは０．６ｎｍ以上０．８ｎｍ以下とする。また、例えば、ペレット５１００は、幅を１ｎｍ以上３ｎｍ以下、好ましくは１．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とする。ペレット５１００は、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳのＴＥＭ観察における初期核に相当すると考えられる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を有するターゲット５１３０にイオン５１０１を衝突させると、図６３（Ｂ）に示すように、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層、Ｉｎ−Ｏ層およびＧａ−Ｚｎ−Ｏ層の３層を有するペレット５１００が剥離する。図６３（Ｃ）に、剥離したペレット５１００をｃ軸に平行な方向から観察した構造を示す。ペレット５１００は、二つのＧａ−Ｚｎ−Ｏ層と、それに挟持されたＩｎ−Ｏ層とを有するナノサイズのサンドイッチ構造と呼ぶこともできる。
【０６１５】
ペレット５１００は、プラズマを通過する際に、側面が負または正に帯電する場合がある。ペレット５１００は、例えば、側面に位置する酸素原子が負に帯電する可能性がある。側面が同じ極性の電荷を有することにより、電荷同士の反発が起こり、平板状またはペレット状の形状を維持することが可能となる。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳが、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合、インジウム原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。または、インジウム原子、ガリウム原子または亜鉛原子と結合した酸素原子が負に帯電する可能性がある。また、ペレット５１００は、プラズマを通過する際に、プラズマ中のインジウム原子、ガリウム原子、亜鉛原子および酸素原子などと結合することで成長する場合がある。図６１中の資料Ａの平均結晶サイズの増大がプラズマ中での成長分に相当する可能性がある。ここで、基板５１２０が室温程度である場合、基板５１２０上におけるペレット５１００の成長が起こりにくいためｎｃ−ＯＳとなる（図６２（Ｂ）参照。）。室温程度で成膜できることから、基板５１２０が大面積である場合でもｎｃ−ＯＳの成膜が可能である。なお、ペレット５１００をプラズマ中で成長させるためには、スパッタリング法における成膜電力を高くすることが有効である。成膜電力を高くすることで、ペレット５１００の構造を安定にすることができる。
【０６１６】
図６２（Ａ）および図６２（Ｂ）に示すように、例えば、ペレット５１００は、プラズマ中を飛翔し、基板５１２０上に達する。ペレット５１００は電荷を帯びているため、ほかのペレット５１００が既に堆積している領域が近づくと、斥力が生じる。ここで、基板５１２０の上面では、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場（水平磁場ともいう。）が生じている。また、基板５１２０およびターゲット５１３０間には、電位差が与えられるため、基板５１２０からターゲット５１３０に向かう方向に電流が流れる可能性がある。したがって、ペレット５１００は、基板５１２０の上面において、磁場および電流の作用によって、力（ローレンツ力）を受けるものと考えられる。このことは、フレミングの左手の法則によって理解できる。
【０６１７】
ペレット５１００は、原子一つと比べると質量が大きい。そのため、基板５１２０の上面を移動するためには何らかの力を外部から印加することが重要となる。その力の一つが磁場および電流の作用で生じる力である可能性がある。なお、ペレット５１００に、基板５１２０の上面を移動するために十分な力を与えるには、基板５１２０の上面において、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場が１０Ｇ以上、好ましくは２０Ｇ以上、さらに好ましくは３０Ｇ以上、より好ましくは５０Ｇ以上となる領域を設けるとよい。または、基板５１２０の上面において、基板５１２０の上面に平行な向きの磁場が、基板５１２０の上面に垂直な向きの磁場の１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上、より好ましくは５倍以上となる領域を設けるとよい。
【０６１８】
このとき、マグネットと基板５１２０とが相対的に移動すること、または回転することによって、基板５１２０の上面における水平磁場の向きは変化し続ける。したがって、基板５１２０の上面において、ペレット５１００は、様々な方向から力を受け、様々な方向へ移動することができる可能性がある。
【０６１９】
また、図６２（Ａ）に示すように基板５１２０が加熱されている場合、ペレット５１００と基板５１２０との間で摩擦などによる抵抗が低下する可能性がある。その結果、ペレット５１００は、、平板面を基板５１２０に向けた状態で基板５１２０の上面を滑空するものと考えられる。その後、既に堆積しているほかのペレット５１００の側面まで到達すると、側面同士が結合する。このとき、ペレット５１００の側面にある酸素原子が脱離する。脱離した酸素原子によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ中の酸素欠損が埋まる場合があるため、欠陥準位密度の低いＣＡＡＣ−ＯＳとなる。なお、基板５１２０の上面の温度は、例えば、１００℃以上５００℃未満、１５０℃以上４５０℃未満、または１７０℃以上４００℃未満とすればよい。したがって、基板５１２０が大面積である場合でもＣＡＡＣ−ＯＳの成膜は可能である。
【０６２０】
また、ペレット５１００は、基板５１２０上で加熱されることにより、原子が再配列し、イオン５１０１の衝突で生じた構造の歪みが緩和される。歪みの緩和されたペレット５１００は、ほとんど単結晶となる。ペレット５１００がほとんど単結晶となることにより、ペレット５１００同士が結合した後に加熱されたとしても、ペレット５１００自体の伸縮はほとんど起こり得ない。したがって、ペレット５１００間の隙間が広がることで結晶粒界などの欠陥を形成し、クレバス化することがない。
【０６２１】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、単結晶酸化物半導体が一枚板のようになっているのではなく、ペレット５１００（ナノ結晶）の集合体がレンガまたはブロックが積み重なったような配列をしている。また、ペレット５１００同士の間には結晶粒界を有さない。そのため、成膜時の加熱、成膜後の加熱または曲げなどで、ＣＡＡＣ−ＯＳに縮みなどの変形が生じた場合でも、局部応力を緩和する、または歪みを逃がすことが可能と思われる。したがって、可とう性を有する半導体装置に用いることに適した構造である。なお、ｎｃ−ＯＳは、ペレット５１００（ナノ結晶）が無秩序に積み重なったような配列となる。
【０６２２】
ターゲット５１３０をイオン５１０１でスパッタした際に、ペレット５１００だけでなく、酸化亜鉛などが剥離する場合がある。酸化亜鉛はペレット５１００よりも軽量であるため、先に基板５１２０の上面に到達する可能性がある。そして、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下、または０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下の酸化亜鉛層５１０２を形成するものと考えられる。図６４に断面模式図を示す。
【０６２３】
図６４（Ａ）に示すように、酸化亜鉛層５１０２上にはペレット５１０５ａと、ペレット５１０５ｂと、が堆積する。ここで、ペレット５１０５ａとペレット５１０５ｂとは、互いに側面が接するように配置している。また、ペレット５１０５ｃは、ペレット５１０５ｂ上に堆積した後、ペレット５１０５ｂ上を滑るように移動するものと考えられる。また、ペレット５１０５ａの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲットから剥離した複数の粒子５１０３が、基板５１２０からの加熱により結晶化し、領域５１０５ａ１を形成する。なお、複数の粒子５１０３は、酸素、亜鉛、インジウムおよびガリウムなどを含む可能性がある。
【０６２４】
そして、図６４（Ｂ）に示すように、領域５１０５ａ１は、ペレット５１０５ａと一体化し、ペレット５１０５ａ２となる。また、ペレット５１０５ｃは、その側面がペレット５１０５ｂの別の側面と接するように配置する。
【０６２５】
次に、図６４（Ｃ）に示すように、さらにペレット５１０５ｄがペレット５１０５ａ２上およびペレット５１０５ｂ上に堆積した後、ペレット５１０５ａ２上およびペレット５１０５ｂ上を滑るように移動するものと考えられる。また、ペレット５１０５ｃの別の側面に向けて、さらにペレット５１０５ｅが酸化亜鉛層５１０２上を滑るように移動する。
【０６２６】
そして、図６４（Ｄ）に示すように、ペレット５１０５ｄは、その側面がペレット５１０５ａ２の側面と接するように配置し、ペレット５１０５ｅは、その側面がペレット５１０５ｃの別の側面と接するように配置するものと考えられる。また、ペレット５１０５ｄの別の側面において、酸化亜鉛とともにターゲット５１３０から剥離した複数の粒子５１０３が基板５１２０からの加熱により結晶化し、領域５１０５ｄ１を形成する。
【０６２７】
以上のように、堆積したペレット同士が接するように配置し、ペレットの側面において成長が起こることで、基板５１２０上にＣＡＡＣ−ＯＳが形成される。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｎｃ−ＯＳよりも一つ一つのペレットが大きくなる。図６１に示したように、サンプルＢとサンプルＣの平均結晶サイズの違いが、堆積後の成長分に相当する。
【０６２８】
また、ペレット同士の隙間が極めて小さくなることで、一つの大きなペレットが形成される場合がある。一つの大きなペレットは、単結晶構造を有する。例えば、ペレットの大きさが、上面から見て１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となる場合がある。このとき、微細なトランジスタに用いる酸化物半導体において、チャネル形成領域が一つの大きなペレットに収まる場合がある。即ち、単結晶構造を有する領域をチャネル形成領域として用いることができる。また、ペレットが大きくなることで、単結晶構造を有する領域をトランジスタのチャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域として用いることができる場合がある。
【０６２９】
このように、トランジスタのチャネル形成領域などが、単結晶構造を有する領域に形成されることによって、トランジスタの周波数特性を高くすることができる場合がある。
【０６３０】
以上のようなモデルにより、ペレット５１００が基板５１２０上に堆積していくと考えられる。被形成面が結晶構造を有さない場合においても、ＣＡＡＣ−ＯＳの成膜が可能であることから、エピタキシャル成長とは異なる成長機構であることがわかる。また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、レーザ結晶化が不要であり、大面積のガラス基板などであっても均一な成膜が可能である。例えば、被形成面が非晶質構造（例えば非晶質酸化シリコン）であっても、ＣＡＡＣ−ＯＳを成膜することは可能である。
【０６３１】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、被形成面である基板５１２０の上面に凹凸がある場合でも、その形状に沿ってペレット５１００が配列することがわかった。例えば、基板５１２０の上面が原子レベルで平坦な場合、ペレット５１００はａ−ｂ面と平行な平面である平板面を下に向けて並置する。ペレット５１００の厚さが均一である場合、厚さが均一で平坦、かつ高い結晶性を有する層が形成されるものと考えられる。そして、当該層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なることで、ＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができる。
【０６３２】
一方、基板５１２０の上面が凹凸を有する場合でも、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１００が凹凸に沿って並置した層がｎ段（ｎは自然数。）積み重なった構造となる。基板５１２０が凹凸を有するため、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ペレット５１００間に隙間が生じやすい場合がある。ただし、この場合でも、ペレット間の隙間はなるべく小さくなるように配列する。したがって、凹凸があっても高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳとすることができる。
【０６３３】
このようなモデルによってＣＡＡＣ−ＯＳが成膜されると考えられるため、スパッタ粒子が厚みのないペレット状である方が好ましい。なお、スパッタ粒子が厚みのあるサイコロ状である場合、基板５１２０上に向ける面が一定とならず、厚さや結晶の配向を均一にできない場合がある。
【０６３４】
以上に示した成膜モデルにより、非晶質構造を有する被形成面上であっても、高い結晶性を有するＣＡＡＣ−ＯＳを得ることができるものと考えられる。
【符号の説明】
【０６３５】
１００    半導体装置
１０２    電極
１０３    電極
１０４    電極
１０６    絶縁層
１０７    絶縁層
１０８    酸化物半導体層
１０９    電極
１１０    絶縁層
１１１    電極
１１２    絶縁層
１１３    絶縁層
１１４    電極
１１６    絶縁層
１１７    電極
１１８    電極
１１９    電極
１２０    絶縁層
１２１    導電層
１２７    導電層
１３１    絶縁層
１３２    電極
１３５    開口部
１３６    開口部
１３７    開口部
１３８    開口部
１４２    電極
１５０    トランジスタ
１５５    トランジスタ
１５６    トランジスタ
１５７    開口部
１６０    トランジスタ
１６５    トランジスタ
１６６    トランジスタ
１７０    トランジスタ
１７５    トランジスタ
１７６    トランジスタ
１９０    容量素子
２１０    半導体装置
２２０    半導体装置
２３０    半導体装置
２４０    半導体装置
２５０    半導体装置
２６０    半導体装置
２８０    不純物元素
２８１    境界面
３８２    Ｅｃ
３８６    Ｅｃ
３９０    トラップ準位
４０１    画素部
４０４    走査線駆動回路
４０６    信号線駆動回路
４０７    走査線
４０９    信号線
４１１    画素
４１５    容量線
４３２    液晶素子
４３４    トランジスタ
４３５    発光素子
４３６    ノード
４３７    ノード
５００    記憶装置
７００    基板
７０１    回路
７０２    回路
７０３    スイッチ
７０４    スイッチ
７０６    論理素子
７０７    容量素子
７０８    容量素子
７０９    トランジスタ
７１０    トランジスタ
７１３    トランジスタ
７１４    トランジスタ
７２０    回路
７３０    記憶装置
７５０    トランジスタ
７５１    電極
７５２    絶縁層
７５３    チャネル形成領域
７５４    ｎ型不純物領域
７５５    ｎ型不純物領域
７５６    側壁絶縁層
７５７    開口部
７６０    基板
７６５    ｎ型不純物領域
７８９    素子分離領域
７９０    絶縁層
７９１    絶縁層
８００    ＲＦタグ
８０１    通信器
８０２    アンテナ
８０３    無線信号
８０４    アンテナ
８０５    整流回路
８０６    定電圧回路
８０７    復調回路
８０８    変調回路
８０９    論理回路
８１０    記憶回路
８１１    ＲＯＭ
９０１    筐体
９０２    筐体
９０３    表示部
９０４    表示部
９０５    マイクロフォン
９０６    スピーカー
９０７    操作キー
９０８    スタイラス
９１１    筐体
９１２    筐体
９１３    表示部
９１４    表示部
９１５    接続部
９１６    操作キー
９２１    筐体
９２２    表示部
９２３    キーボード
９２４    ポインティングデバイス
９３１    筐体
９３２    冷蔵室用扉
９３３    冷凍室用扉
９４１    筐体
９４２    筐体
９４３    表示部
９４４    操作キー
９４５    レンズ
９４６    接続部
９５１    車体
９５２    車輪
９５３    ダッシュボード
９５４    ライト
１００１    半導体装置
１００２    半導体装置
１１００    半導体装置
１１０１    半導体装置
１１０２    半導体装置
１１１０    半導体装置
１１２０    半導体装置
１１３０    半導体装置
１１４０    半導体装置
１１５０    半導体装置
１１６０    半導体装置
１１７０    半導体装置
１１８９    ＲＯＭインターフェース
１１９０    基板
１１９１    ＡＬＵ
１１９２    ＡＬＵコントローラ
１１９３    インストラクションデコーダ
１１９４    インタラプトコントローラ
１１９５    タイミングコントローラ
１１９６    レジスタ
１１９７    レジスタコントローラ
１１９８    バスインターフェース
１１９９    ＲＯＭ
１２００    半導体装置
１２０１    半導体装置
１２０２    半導体装置
１２１０    半導体装置
１２２０    半導体装置
１２３０    半導体装置
１２４０    半導体装置
１２５０    半導体装置
１２６０    半導体装置
１２７０    半導体装置
１５００    記憶装置
１６００    記憶装置
３００１    配線
３００２    配線
３００３    配線
３００４    配線
３００５    配線
４０００    ＲＦタグ
８０００    表示モジュール
８００１    上部カバー
８００２    下部カバー
８００３    ＦＰＣ
８００４    タッチセンサ
８００５    ＦＰＣ
８００６    セル
８００７    バックライトユニット
８００８    光源
８００９    フレーム
８０１０    プリント基板
８０１１    バッテリー
１０８ａ    酸化物半導体層
１０８ｂ    酸化物半導体層
１０８ｃ    酸化物半導体層
１１５ａ    酸化物半導体層
１１５ｂ    酸化物半導体層
１１５ｃ    酸化物半導体層
３８３ａ    Ｅｃ
３８３ｂ    Ｅｃ
３８３ｃ    Ｅｃ
４３１＿１    トランジスタ
４３１＿２    トランジスタ
４３３＿１    容量素子
４３３＿２    容量素子
【図１】
2015156477.tif 000003
【図２】
2015156477.tif 000004
【図３】
2015156477.tif 000005
【図４】
2015156477.tif 000006
【図５】
2015156477.tif 000007
【図６】
2015156477.tif 000008
【図７】
2015156477.tif 000009
【図８】
2015156477.tif 000010
【図９】
2015156477.tif 000011
【図１０】
2015156477.tif 000012
【図１１】
2015156477.tif 000013
【図１２】
2015156477.tif 000014
【図１３】
2015156477.tif 000015
【図１４】
2015156477.tif 000016
【図１５】
2015156477.tif 000017
【図１６】
2015156477.tif 000018
【図１７】
2015156477.tif 000019
【図１８】
2015156477.tif 000020
【図１９】
2015156477.tif 000021
【図２０】
2015156477.tif 000022
【図２１】
2015156477.tif 000023
【図２２】
2015156477.tif 000024
【図２３】
2015156477.tif 000025
【図２４】
2015156477.tif 000026
【図２５】
2015156477.tif 000027
【図２６】
2015156477.tif 000028
【図２７】
2015156477.tif 000029
【図２８】
2015156477.tif 000030
【図２９】
2015156477.tif 000031
【図３０】
2015156477.tif 000032
【図３１】
2015156477.tif 000033
【図３２】
2015156477.tif 000034
【図３３】
2015156477.tif 000035
【図３４】
2015156477.tif 000036
【図３５】
2015156477.tif 000037
【図３６】
2015156477.tif 000038
【図３７】
2015156477.tif 000039
【図３８】
2015156477.tif 000040
【図３９】
2015156477.tif 000041
【図４０】
2015156477.tif 000042
【図４１】
2015156477.tif 000043
【図４２】
2015156477.tif 000044
【図４３】
2015156477.tif 000045
【図４４】
2015156477.tif 000046
【図４５】
2015156477.tif 000047
【図４６】
2015156477.tif 000048
【図４７】
2015156477.tif 000049
【図４８】
2015156477.tif 000050
【図４９】
2015156477.tif 000051
【図５０】
2015156477.tif 000052
【図５１】
2015156477.tif 000053
【図５２】
2015156477.tif 000054
【図５３】
2015156477.tif 000055
【図５４】
2015156477.tif 000056
【図５５】
2015156477.tif 000057
【図５６】
2015156477.tif 000058
【図６１】
2015156477.tif 000059
【図６２】
2015156477.tif 000060
【図６４】
2015156477.tif 000061
【図６５】
2015156477.tif 000062
【図６６】
2015156477.tif 000063
【図５７】
2015156477.tif 000064
【図５８】
2015156477.tif 000065
【図５９】
2015156477.tif 000066
【図６０】
2015156477.tif 000067
【図６３】
2015156477.tif 000068