(57)【要約】【課題】しきい値が適正化された半導体装置を提供する。【解決手段】半導体と、半導体に電気的に接するソース電極あるいはドレイン電極と、ゲート電極と、ゲート電極と半導体との間に設けられる電子捕獲層とを有するトランジスタにおいて、電子捕獲層は結晶化した酸化ハフニウムを有する。結晶化した酸化ハフニウムは、酸化ハフニウムをターゲットとするスパッタリング法で形成され、基板温度をＴｓｕｂ［℃］、雰囲気中の酸素の比率をＰ［％］とするとき、Ｐ≧４５−０．１５×Ｔｓｕｂ、である。結晶化した酸化ハフニウムは電子捕獲特性に優れているため、適切な量の電子を捕獲させることで、半導体装置のしきい値を適正化できる。【選択図】図１
2015073093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体と、
ゲート電極と、
前記第１の半導体と前記ゲート電極の間に設けられた電子捕獲層と、
前記第１の半導体と電気的に接する電極と、
を有し、
前記電子捕獲層は、結晶化した酸化ハフニウムを有し、
前記ゲート電極の電位を前記電極の電位より高い状態とすることにより前記電子捕獲層に捕獲させた電子を有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、前記電子捕獲層は、電子捕獲準位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２において、前記結晶化した酸化ハフニウムは単斜晶であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記電極が、ソース電極あるいはドレイン電極のいずれか一方である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の半導体を挟む第２の半導体および第３の半導体を有し、前記第２の半導体は、前記第１の半導体と前記ゲート電極の間にあり、前記第３の半導体は、前記第１の半導体と前記電子捕獲層の間にある請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ゲート電極に印加される電位は、前記半導体装置で使用される最高電位よりも低いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１の半導体が酸化物半導体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体層と、
ゲート電極と、
前記半導体層と前記ゲート電極の間に設けられた電子捕獲層と、
前記半導体層と電気的に接する電極と、
を有し、
前記電子捕獲層は、酸化ハフニウムをターゲットとするスパッタリング法で形成され、
前記スパッタリング法において、基板温度をＴｓｕｂ［℃］、雰囲気中の酸素の比率をＰ［％］とするとき、Ｐ≧４５−０．１５×Ｔｓｕｂ（ただし、０≦Ｐ≦１００、Ｔｓｕｂ≧−２７３）、であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体装置に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は半導体装置である場合がある。また、半導体回路を有する装置は半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００４】
例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物半導体層を用いたトランジスタが特許文献１に開示されている。
【０００５】
また、酸化物半導体層を、積層構造とすることで、キャリアの移動度を向上させる技術が特許文献２、特許文献３に開示されている。
【０００６】
ところで、酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ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、酸化物半導体層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４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２４３６０号公報
【特許文献３】特開２０１１−１３８９３４号公報
【特許文献４】特開２０１２−２５７１８７号公報
【特許文献５】特開２０１２−０７４６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
回路の高集積化に伴い、トランジスタのサイズも微細化している。トランジスタを微細化すると、オン電流、オフ電流、しきい値、Ｓ値（サブスレッショルド値）などのトランジスタの電気特性が悪化する場合がある（特許文献５参照）。一般に、チャネル長のみを縮小すると、オン電流は増加するが、一方でオフ電流の増大、Ｓ値の増大が起こる。また、チャネル幅のみを縮小すると、オン電流が小さくなる。
【０００９】
本明細書で開示する一態様は、半導体装置のしきい値を適正化（補正）する方法およびそれに適した半導体装置を提供することを目的の一つとする。微細化に伴い顕著となる電気特性の悪化を抑制できる構成の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、集積度の高い半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、オン電流の悪化を低減した半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、低消費電力の半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、信頼性の高い半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、電源が遮断されてもデータが保持される半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、特性の良い半導体装置を提供することを目的の一つとする。または、新規な半導体装置を提供することを目的の一つとする。
【００１０】
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、本明細書で開示する一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はない。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】
【００１１】
第１の半導体と、ゲート電極と、第１の半導体とゲート電極の間に設けられた電子捕獲層と、第１の半導体と電気的に接する電極（ソース電極、ドレイン電極等）と、を有し、電子捕獲層は、結晶化した酸化ハフニウムを有し、ゲート電極の電位を電極の電位より高い状態とすることにより電子捕獲層に捕獲させた電子を有することを特徴とする半導体装置である。または、電子捕獲層は、電子捕獲準位を有することを特徴とする半導体装置である。または、結晶化した酸化ハフニウムは単斜晶であることを特徴とする半導体装置である。または、第１の半導体を挟む第２の半導体および第３の半導体を有し、第２の半導体は、第１の半導体とゲート電極の間にあり、第３の半導体は、第１の半導体と電子捕獲層の間にある半導体装置である。または、ゲート電極に印加される電位は、半導体装置で使用される最高電位よりも低いことを特徴とする半導体装置である。または、第１の半導体が酸化物半導体であることを特徴とする半導体装置である。
【００１２】
または、第１の半導体と、ゲート電極と、第１の半導体とゲート電極の間に設けられた電子捕獲層と、半導体層と電気的に接する電極と、を有し、電子捕獲層は、酸化ハフニウムをターゲットとするスパッタリング法で形成され、スパッタリング法において、基板温度をＴｓｕｂ［℃］、雰囲気中の酸素の比率（体積比あるいはモル比）をＰ［％］とするとき、Ｐ≧４５−０．１５×Ｔｓｕｂ（ただし、０≦Ｐ≦１００、Ｔｓｕｂ≧−２７３）、であることを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【発明の効果】
【００１３】
半導体装置のしきい値を適正化する方法を提供すること、または、微細化に伴い顕著となる電気特性の低下を抑制できる構成の半導体装置を提供すること、または、集積度の高い半導体装置を提供すること、または、低消費電力の半導体装置を提供すること、または、信頼性の高い半導体装置を提供すること、または、電源が遮断されてもデータが保持される半導体装置を提供すること、または、別に説明されるその他の効果の少なくとも１つが達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態の半導体装置の例を示す図。
【図２】実施の形態の半導体装置のバンド図の例を示す図。
【図３】実施の形態の半導体装置の特性を模式的に示す図と半導体装置を応用した回路の例を示す図。
【図４】実施の形態のメモリセルの例を示す図。
【図５】半導体装置の作製工程の例を示す図。
【図６】トランジスタの例を説明する上面図および断面図。
【図７】積層された半導体層のバンドの模式図。
【図８】トランジスタの例を説明する上面図および断面図。
【図９】トランジスタの作製方法の例を説明する図。
【図１０】トランジスタの作製方法の例を説明する図。
【図１１】トランジスタの例を説明する上面図および断面図。
【図１２】トランジスタの例を説明する断面図。
【図１３】電子機器の例を示す図。
【図１４】実施例で作製したトランジスタの電気特性評価を説明する図。
【図１５】実施例で作製したトランジスタの電気特性評価を説明する図。
【図１６】実施例の酸化ハフニウム膜のＸ線回折パターン。
【図１７】実施例の酸化ハフニウム膜の透過型電子顕微鏡像。
【図１８】実施例の酸化ハフニウム膜の透過型電子顕微鏡像。
【図１９】実施例の酸化ハフニウム膜の透過型電子顕微鏡像。
【図２０】実施例の酸化ハフニウム膜のＥＳＲ測定によるスピン密度。
【図２１】実施例の酸化ハフニウム膜のＥＳＲ測定によるスピン密度。
【図２２】参考例で作製したトランジスタの電気特性評価を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本明細書で開示する技術思想は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本明細書で開示する技術思想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。
【００１６】
なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。
【００１７】
なお、トランジスタの「ソース（ソース電極）」や「ドレイン（ドレイン電極）」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」という用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００１８】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
【００１９】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体層と電子捕獲層とゲート電極とを有する半導体装置の構成および動作原理、および、それを応用する回路について説明する。図１（Ａ）は、半導体層１０１と電子捕獲層１０２とゲート電極１０３を有する半導体装置である。電子捕獲層１０２はゲート絶縁層を兼ねることができる。
【００２０】
ここで、電子捕獲層１０２としては、例えば、図１（Ｂ）に示されるような、第１の絶縁層１０２ａと結晶化した酸化ハフニウムを有する第２の絶縁層１０２ｂとの積層体でもよいし、図１（Ｃ）に示されるような、第１の絶縁層１０２ａ、結晶化した酸化ハフニウムを有する第２の絶縁層１０２ｂと第３の絶縁層１０２ｃとの積層体、あるいは、さらに多層の絶縁層の積層体でもよい。
【００２１】
なお、結晶化した酸化ハフニウムの一例として、Ｘ線回折法により得られた回折スペクトルからバックグラウンドを除去したものにおいて、２θ＝２５°乃至３０°に半値全幅（ＦＷＨＭ）が２°以下のピークを有し、ラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）による分析の結果、ハフニウム１原子に対して酸素１．９８原子以上であるものが挙げられる。ＲＢＳによって、酸素とハフニウム以外の元素が検出されてもよい。
【００２２】
例えば、図１（Ｂ）に示す半導体装置の点Ａから点Ｂにかけてのバンド図の例を図２（Ａ）に示す。図中、Ｅｃは伝導帯下端、Ｅｖは価電子帯上端を示す。図２（Ａ）では、ゲート電極１０３の電位はソース電極あるいはドレイン電極（いずれも図示せず）と同じである。
【００２３】
この例では、第１の絶縁層１０２ａのバンドギャップは第２の絶縁層１０２ｂのバンドギャップよりも大きく、第１の絶縁層１０２ａの電子親和力は第２の絶縁層１０２ｂの電子親和力よりも小さいものとするが、これに限られない。
【００２４】
第１の絶縁層１０２ａと第２の絶縁層１０２ｂの界面、あるいは、第２の絶縁層１０２ｂの内部に電子捕獲準位１０４が存在する。ゲート電極１０３の電位を、ソース電極あるいはドレイン電極より高くすると、図２（Ｂ）に示すようになる。ここで、ゲート電極１０３の電位は、ソース電極あるいはドレイン電極より１Ｖ以上高くしてもよい。また、この電位は、この処理の終了した後にゲート電極１０３に印加される最高電位よりも低くてもよい。代表的には、４Ｖ未満とするとよい。
【００２５】
半導体層１０１に存在する電子１０５は、より電位の高いゲート電極１０３の方向に移動しようとする。そして、半導体層１０１からゲート電極１０３の方向に移動した電子１０５のいくらかは、電子捕獲準位１０４に捕獲される。
【００２６】
電子１０５が、半導体層１０１と電子捕獲層１０２の間の障壁を超えて、電子捕獲準位１０４に捕獲されるには、いくつかの過程が考えられる。第１は、トンネル効果によるものである。トンネル効果は、第１の絶縁層１０２ａが薄いほど顕著となる。ただし、この場合、電子捕獲準位１０４に捕獲された電子が、トンネル効果により、再度、半導体層１０１に戻ってしまうことがある。
【００２７】
なお、ゲート電極１０３に適切な大きさの電圧を印加することで、電子捕獲層１０２が比較的厚い場合でも、トンネル効果（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果）を発現させることもできる。Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果の場合には、ゲート電極１０３と半導体層１０１の間の電場の自乗でトンネル電流が増加する。
【００２８】
第２は、電子１０５が、電子捕獲層１０２中の欠陥準位等のバンドギャップ中の捕獲準位をホッピングしながら、第２の絶縁層１０２ｂに到達するものである。これは、Ｐｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ伝導といわれる伝導機構であり、絶対温度が高いほど、捕獲準位が浅いほど、電気伝導性が高まる。
【００２９】
第３は、熱的な励起によって、電子１０５が、電子捕獲層１０２の障壁を超えるものである。半導体層１０１に存在する電子の分布はフェルミ・ディラック分布にしたがい、一般的には、エネルギーの高い電子の比率は、高温であるほど多くなる。例えば、フェルミ面から３電子ボルトだけ高いエネルギーを有する電子の３００Ｋ（２７℃）での密度を１としたとき、４５０Ｋ（１７７℃）では、６×１０１６、６００Ｋ（３２７℃）では、１．５×１０２５、７５０Ｋ（４７７℃）では、１．６×１０３０となる。
【００３０】
電子１０５が、電子捕獲層１０２の障壁を超えてゲート電極１０３に向かって移動する過程は、上記の３つの過程とそれらの組み合わせで生じていると考えられる。特に、第２の過程、第３の過程は、温度が高いと指数関数的に電流が増大することを示す。
【００３１】
また、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果も、電子捕獲層１０２の障壁層の薄い部分（エネルギーの高い部分）の電子の密度が高いほど起こりやすいので、温度が高いことが有利である。
【００３２】
なお、以上の伝導機構による電流は、特にゲート電極１０３と半導体層１０１の電位差が小さい（４Ｖ以下）場合には、きわめて微弱であることが多いが、長時間（例えば、１秒以上）の処理により、必要とする量の電子を電子捕獲準位１０４に捕獲せしめることができる。この結果、電子捕獲層１０２は負に帯電する。
【００３３】
すなわち、より高い温度（半導体装置の使用温度あるいは保管温度よりも高い温度、あるいは、１２５℃以上４５０℃以下、代表的には１５０℃以上３００℃以下）の下で、ゲート電極１０３の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、１秒以上、代表的には１分以上維持することで、半導体層１０１からゲート電極１０３に向かって、電子が移動し、そのうちのいくらかは電子捕獲準位１０４に捕獲される。このように電子を捕獲する処理のための温度を、以下、処理温度という。
【００３４】
このとき、電子捕獲準位１０４に捕獲される電子の量はゲート電極１０３の電位により補正できる。電子捕獲準位１０４に相応の量の電子が捕獲されると、その電子のために、ゲート電極１０３の電場が遮蔽され、半導体層１０１に形成されるチャネルが消失する。
【００３５】
電子捕獲準位１０４により捕獲される電子の総量は、当初は、線形に増加するが、徐々に増加率が低下し、やがて、一定の値に収斂する。収斂する値は、ゲート電極１０３の電位に依存し、電位が高いほどより多くの電子が捕獲される傾向にある。なお、電子捕獲準位１０４の総数を上回ることはない。
【００３６】
電子捕獲準位１０４に捕獲された電子は、電子捕獲層１０２から流失しないことが求められる。そのためには、第１には、電子捕獲層１０２の厚さが、トンネル効果が問題とならない程度の厚さであることが好ましい。例えば、物理的な厚さが１ｎｍより大きいことが好ましい。
【００３７】
一方で、半導体装置のチャネル長に比較して、電子捕獲層１０２が厚すぎると、サブスレショールド値が増加し、オフ特性が悪化するので、チャネル長は、電子捕獲層１０２の酸化シリコン換算の厚さ（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｘｉｄｅ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ、ＥＯＴ）の４倍以上、代表的には１０倍以上であるとよい。なお、いわゆるＨｉｇｈ−Ｋ材料では、ＥＯＴが物理的な厚さよりも小さくなる。
【００３８】
代表的には、電子捕獲層１０２の物理的な厚さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、ＥＯＴは、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とするとよい。なお、図１（Ｂ）あるいは図１（Ｃ）で示すような構造において、第１の絶縁層１０２ａの厚さは、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下、第２の絶縁層１０２ｂの、ＥＯＴは、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下とするとよい。
【００３９】
なお、図１（Ｃ）のように、電子捕獲層１０２を３層の絶縁層で形成し、第３の絶縁層１０２ｃの電子親和力を、第２の絶縁層１０２ｂの電子親和力よりも小さくし、第３の絶縁層１０２ｃのバンドギャップを、第２の絶縁層１０２ｂのバンドギャップよりも大きくすると、第２の絶縁層１０２ｂの内部、あるいは、他の絶縁層との界面にある電子捕獲準位１０４に捕獲された電子を保持する上で効果的である。
【００４０】
この場合には、第２の絶縁層１０２ｂが薄くても、第３の絶縁層１０２ｃが物理的に十分に厚ければ、電子捕獲準位１０４に捕獲された電子を保持できる。第３の絶縁層１０２ｃとしては、第１の絶縁層１０２ａと同じまたは同様な材料を用いることができる。また、第２の絶縁層１０２ｂと同じ構成元素であるが、電子捕獲準位が十分に少ないものも用いることができる。電子捕獲準位の数は、形成方法によっても異なる。第３の絶縁層１０２ｃの厚さは１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。
【００４１】
上記において、第１の絶縁層１０２ａ、第２の絶縁層１０２ｂ、第３の絶縁層１０２ｃ、は、それぞれ、複数の絶縁層より構成されてもよい。また、同じ構成元素からなるが、形成方法の異なる複数の絶縁層から構成されてもよい。
【００４２】
第１の絶縁層１０２ａと第２の絶縁層１０２ｂを酸化ハフニウムで構成する場合、第１の絶縁層１０２ａは、化学的気相成長法（ＣＶＤ法、原子層堆積（ＡＬＤ）法を含む）で形成し、第２の絶縁層１０２ｂは、スパッタリング法で形成してもよい。
【００４３】
後述するように、スパッタリング法で形成される酸化ハフニウムはＣＶＤ法で形成される酸化ハフニウムよりも結晶化しやすく、電子捕獲準位１０４を多く含み、電子を捕獲する性質が強い。同様な理由から、第２の絶縁層１０２ｂと第３の絶縁層１０２ｃを酸化ハフニウムで構成する場合、第２の絶縁層１０２ｂは、スパッタリング法で形成し、第３の絶縁層１０２ｃは、ＣＶＤ法で形成してもよい。
【００４４】
電子捕獲準位１０４に捕獲された電子が電子捕獲層１０２から流失しないための第２の方法は、半導体装置の使用温度あるいは保管温度を処理温度よりも十分に低くすることである。例えば、処理温度を３００℃とし、半導体装置を１２０℃以下で保管する。電子が、３電子ボルトの障壁を乗り越える確率は、１２０℃では３００℃の１０万分の１未満である。したがって、３００℃で処理の際には障壁を乗り越えて容易に電子捕獲準位１０４に捕獲される電子が、１２０℃で保管時には、障壁を乗り越えることが困難となり、電子が長期にわたって、電子捕獲準位１０４に捕獲された状態となる。
【００４５】
また、半導体層１０１で、ホールの有効質量が極めて大きい、あるいは、実質的に局在化していることも有効である。この場合には、半導体層１０１から電子捕獲層１０２へのホールの注入がなく、したがって、電子捕獲準位１０４に捕獲された電子がホールと結合して消滅することもない。
【００４６】
また、電子捕獲層１０２に捕獲された電子を放出させるような電圧がかからないように回路設計、材料選定をおこなってもよい。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体のように、ホールの有効質量が極めて大きい、あるいは、実質的に局在化しているような材料では、ゲート電極１０３の電位が、ソース電極あるいはドレイン電極の電位より高い場合にはチャネルが形成されるが、低い場合には、絶縁体と同様な特性を示す。この場合には、ゲート電極１０３と半導体層１０１の間の電場が極めて小さくなり、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果、あるいは、Ｐｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ伝導による電子伝導は著しく低下する。
【００４７】
第２の絶縁層１０２ｂは結晶化した酸化ハフニウムが多く含まれるような条件で形成されるが、そのため、第１の絶縁層１０２ａと第２の絶縁層１０２ｂの界面、第２の絶縁層１０２ｂと第３の絶縁層１０２ｃの界面にも多くの電子捕獲準位１０４が形成される。
【００４８】
そして、ゲート電極１０３の電位および温度を上記に示したものとすると、図２（Ｂ）で説明したように、半導体層１０１から電子捕獲準位１０４に電子が捕獲され、電子捕獲層１０２は負に帯電する。
【００４９】
このように電子捕獲層１０２が電子を捕獲すると、半導体装置のしきい値が増加する。特に、半導体層１０１が、バンドギャップが大きな材料（ワイドバンドギャップ半導体）であると、ゲート電極１０３の電位をソース電極の電位と同じとしたときのソースドレイン間の電流（カットオフ電流（Ｉｃｕｔ））を大幅に低下させることができる。
【００５０】
例えば、バンドギャップ３．２電子ボルトのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物であれば、チャネル幅１μｍあたりのＩｃｕｔは１ｚＡ／μｍ（１×１０−２１Ａ／μｍ）以下、代表的には、１ｙＡ／μｍ（１×１０−２４Ａ／μｍ）以下とできる。
【００５１】
図３（Ａ）は電子捕獲層１０２での電子の捕獲をおこなう前と、電子の捕獲をおこなった後での、室温でのソース電極ドレイン電極間のチャネル幅１μｍあたりの電流（Ｉｄ）のゲート電極１０３の電位（Ｖｇ）依存性を模式的に示したものである。なお、ソース電極の電位を０Ｖ、ドレイン電極の電位を＋１Ｖとする。１ｆＡより小さな電流は、直接は測定できないが、その他の方法で測定した値、すなわちサブスレショールド値等をもとに推定できる。なお、このような測定方法に関しては、参考例を参照するとよい。
【００５２】
最初、曲線１０８で示すように、半導体装置のしきい値はＶｔｈ１であったが、電子の捕獲をおこなった後では、しきい値が増加し（プラス方向に移動し）、Ｖｔｈ２となる。また、この結果、チャネル幅１μｍあたりのＩｃｕｔは、１ａＡ／μｍ（１×１０−１８Ａ／μｍ）以下、例えば、１ｚＡ／μｍ乃至１ｙＡ／μｍとなる。
【００５３】
例えば、図３（Ｂ）のように、容量素子１１１に蓄積される電荷をトランジスタ１１０で制御する回路を考える。ここで、容量素子１１１の電極間のリーク電流は無視する。容量素子１１１の容量が１ｆＦであり、容量素子１１１のトランジスタ１１０側の電位が＋１Ｖ、Ｖｄの電位が０Ｖであるとする。
【００５４】
トランジスタ１１０のＩｄ−Ｖｇ特性が図３（Ａ）中の曲線１０８で示されるもので、チャネル幅が０．１μｍであると、Ｉｃｕｔは約１ｆＡであり、トランジスタ１１０のこのときの抵抗は約１×１０１５Ωである。したがって、トランジスタ１１０と容量素子１１１よりなる回路の時定数は約１秒である。すなわち、約１秒で、容量素子１１１に蓄積されていた電荷の多くが失われてしまうことを意味する。
【００５５】
トランジスタ１１０のＩｄ−Ｖｇ特性が図３（Ａ）中の曲線１０９で示されるもので、チャネル幅が０．１μｍであると、Ｉｃｕｔは約１ｙＡであり、トランジスタ１１０のこのときの抵抗は約１×１０２４Ωである。したがって、トランジスタ１１０と容量素子１１１よりなる回路の時定数は約１×１０９秒（＝約３１年）である。すなわち、１０年経過後でも、容量素子１１１に蓄積されていた電荷の１／３は残っていることを意味する。
【００５６】
すなわち、トランジスタと容量素子という単純な回路で、１０年間の電荷の保持が可能である。このことは各種メモリ装置に用いることができる。例えば、図４に示すようなメモリセルに用いることもできる。
【００５７】
図４（Ａ）に示すメモリセルは、トランジスタ１２１、トランジスタ１２２、容量素子１２３からなり、トランジスタ１２１は、図１（Ａ）に示したように、電子捕獲層１０２を有するトランジスタである。回路が形成された後で、上記に示したようなしきい値を増加させる処理（しきい値適正化処理、あるいはしきい値補正処理、という）をおこない、Ｉｃｕｔを低下させる。なお、図に示すように、しきい値が適正化されたトランジスタは、電子捕獲層１０２中に電子を有するため、通常のトランジスタとは異なる記号を用いる。
【００５８】
図４（Ａ）に示すメモリセルはマトリクス状に形成され、例えば、第ｎ行ｍ列のメモリセルであれば、読み出しワード線ＲＷＬｎ、書き込みワード線ＷＷＬｎ、ビット線ＢＬｍ、ソース線ＳＬｍが接続する。
【００５９】
しきい値補正は以下のようにおこなえばよい。まず、すべての読み出しワード線、ソース線、ビット線の電位を０Ｖとする。そして、メモリセルが形成されたウェハーあるいはチップを適切な温度に保持し、すべての書き込みワード線の電位を適切な値（例えば、＋３Ｖ）として、適切な時間保持する。この結果、しきい値が適切な値になる。
【００６０】
なお、メモリセルは図４（Ｂ）に示すような、トランジスタ１２４、容量素子１２５からなるものでもよい。例えば、第ｎ行ｍ列のメモリセルであれば、ワード線ＷＬｎ、ビット線ＢＬｍ、ソース線ＳＬｎが接続する。しきい値補正の方法は図４（Ａ）のものと同様にできる。
【００６１】
なお、しきい値適正化処理をおこなう場合、室温あるいはその近傍の温度であっても、ゲート電極１０３の電位を十分に高くすると、しきい値を十分に上昇させるだけの電子を短時間で電子捕獲層１０２に供給することもできる。この性質を利用して、半導体装置を記憶装置として用いることもできる。特に、一度だけ書き込み可能な記憶装置（Ｏｎｅ  Ｔｉｍｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｍｅｍｏｒｙ）として利用できる。
【００６２】
しきい値適正化処理は、メモリセルを有する半導体装置を出荷する前におこなうとよい。例えば、図５に示すような工程が実施できる。まず、図５（Ａ）に示すように、メモリセルが完成した後、初期特性を測定し、良品を選別する。ここで、良品の基準は断線等による回復不可能な動作不良に限定するとよい。まだ、しきい値が適正化されていないため、容量素子の電荷を長時間保持することはできないが、そのことは選別の基準とはならない。
【００６３】
その後、図５（Ｂ）に示すように、電子を注入する。すなわち、電子捕獲層に適切な量の電子を捕獲させる。この操作は上述のとおりおこなう。このとき、ゲート電極１０３の電位と、ソース電極あるいはドレイン電極のいずれか低い方の電位との差（ゲート電圧）は、１Ｖ以上４Ｖ未満であり、かつ、このメモリセルが出荷された後でのゲート電圧と同じか低いものとする。
【００６４】
その後、図５（Ｃ）に示すように、再度、測定をおこなう。予定通りにしきい値が増加していることが良品の条件の一つである。この段階では、しきい値に異常のあるチップは不良品として、再度、電子注入をおこなってもよい。良品は、ダイシング、ワイヤボンディング、樹脂封止後、パッケージ化して出荷する。
【００６５】
しきい値の増加幅は電子捕獲層１０２が捕獲する電子密度によって決まる。例えば、図１（Ｂ）に示す半導体装置において、第１の絶縁層１０２ａと第２の絶縁層１０２ｂの界面においてのみ電子が捕獲される場合、捕獲された電子の面密度をＱ、第１の絶縁層１０２ａの誘電率をＣとするとき、しきい値は、Ｑ／Ｃだけ増加する。
【００６６】
なお、上記のようにゲート電極１０３の電位によって、捕獲される電子の量が一定の値になることから、ゲート電極１０３の電位によって、しきい値の増加分を制御することもできる。
【００６７】
例えば、ゲート電極１０３の電位を、ソース電極とドレイン電極の電位より１．５Ｖだけ高くし、温度を１５０℃以上２５０℃以下、代表的には２００℃±２０℃とする場合を考える。電子捕獲層１０２に電子が捕獲される前の半導体装置のしきい値（第１のしきい値、Ｖｔｈ１）が＋１．１Ｖであったとすると、当初は、半導体層１０１にチャネルが形成されており、電子捕獲層１０２に電子が捕獲される。その後、電子捕獲層１０２に捕獲される電子の量が増加し、チャネルが消失する。この段階で、電子捕獲層１０２での電子の捕獲はおこなわれなくなる。
【００６８】
この場合には、ゲート電極１０３の電位が、ソース電極、ドレイン電極より１．５Ｖ高い段階でチャネルが消失するので、しきい値が、＋１．５Ｖとなる。あるいは、電子捕獲層１０２に捕獲された電子によって、しきい値が、０．４Ｖだけ高くなったと言える。このように電子捕獲層１０２に捕獲された電子によって変化した後のしきい値を第２のしきい値（Ｖｔｈ２）という。
【００６９】
このような特性を用いれば、もともと相当なばらつきのあった複数の半導体装置のしきい値を適切な範囲内に収束させることもできる。例えば、第１のしきい値が＋１．２Ｖ、＋１．１Ｖ、＋０．９Ｖである３つの半導体装置があるとする。これらの半導体装置に、上記の条件で処理をおこなえば、それぞれの半導体装置のしきい値が＋１．５Ｖを大きく超えるような電子の捕獲は生じないので、３つの半導体装置とも第２のしきい値を＋１．５Ｖ付近とすることができる。例えば、当初のしきい値ばらつき（例えば、標準偏差）を、しきい値適正化処理後には、４分の１とすることもできる。
【００７０】
なお、このようにしきい値適正化処理によって、それぞれのトランジスタのしきい値を変更した場合、これら３つの半導体装置の電子捕獲層１０２に捕獲される電子の量（あるいは電子の面密度等）は異なる。
【００７１】
ゲート電極１０３は各種の材料を用いることができる。例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａおよびＷなどの導電層を用いることができる。また、ゲート電極１０３は、上記材料の積層であってもよい。また、ゲート電極１０３には、窒素を含んだ導電層を用いてもよい。たとえば、ゲート電極１０３に窒化チタン層上にタングステン層の積層、窒化タングステン層上にタングステン層の積層、窒化タンタル層上にタングステン層の積層などを用いることができる。
【００７２】
なお、半導体層１０１に対向するゲート電極１０３の仕事関数は、半導体装置のしきい値を決定する要因のひとつであり、一般に、仕事関数が小さい材料であると、しきい値が小さくなる。しかしながら、上述のように、電子捕獲層１０２に捕獲する電子の量によりしきい値を調整できるので、ゲート電極１０３の材料の選択の幅が広がる。
【００７３】
半導体層１０１は各種の材料を用いることができる。例えば、シリコンやゲルマニウム、シリコンゲルマニウム以外に、後述する各種酸化物半導体を用いることができる。
【００７４】
第１の絶縁層１０２ａは各種の材料を用いることができる。例えば、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、酸化ネオジムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁層を用いることができる。
【００７５】
第２の絶縁層１０２ｂは結晶化した酸化ハフニウムを用いることができる。結晶化した酸化ハフニウムは、例えば、酸化ハフニウムをターゲットとするスパッタリング法によって得られるが、これに限られない。スパッタリング法で得る場合には、一例として、基板温度をＴｓｕｂ［℃］、雰囲気中の酸素の比率（体積％あるいはモル％）をＰ［％］とするとき、Ｐ≧４５−０．１５×Ｔｓｕｂ（ただし、０≦Ｐ≦１００、Ｔｓｕｂ≧−２７３）、とするとよい。
【００７６】
酸化ハフニウムをターゲットとするスパッタリング法によって酸化ハフニウムを形成する場合、基板温度が高いほど、また、酸素の比率が大きいほど結晶化しやすい。なお、ターゲットに用いる酸化ハフニウムは、酸素原子とハフニウム原子の数の和が全体の９０％以上、典型的には、９９％以上を占め、また、ハフニウム１原子に対して酸素１．７原子以上、典型的には、酸素１．９８原子以上である。
【００７７】
また、スパッタリング法で得られる結晶化した酸化ハフニウムは、ラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）による分析の結果、酸素原子とハフニウム原子の数の和が全体の９０％以上、典型的には、９９％以上を占め、また、ハフニウム１原子に対して酸素１．９８原子以上２．３原子以下、典型的には、２．１４原子以上２．２４原子以下である。
【００７８】
第３の絶縁層１０２ｃは各種の材料を用いることができる。例えば、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、酸化ネオジムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁層を用いることができる。
【００７９】
このように電子捕獲層１０２に必要な量の電子を捕獲させた半導体装置は、通常のＭＯＳ型半導体装置と同じである。すなわち、電子捕獲層１０２はゲート絶縁層として機能する。
【００８０】
なお、しきい値適正化処理は、上記に限らず、例えば、半導体装置のソース電極あるいはドレイン電極に接続する配線の形成後、あるいは、前工程（ウェハー処理）の終了後、あるいは、ウェハーダイシング工程後、パッケージ工程後等、工場出荷前のいずれかの段階でおこなうとよい。いずれの場合にも、その後に１２５℃以上の温度に１時間以上さらされないことが好ましい。
【００８１】
以上の例では、電子が電子捕獲層１０２に捕獲されることにより、半導体装置のしきい値を適正化する例を示したが、電子捕獲層１０２や半導体層１０１の材料によっては、ホールが電子捕獲層１０２に捕獲されることもあり、同様な原理により、しきい値を低下させ、適正化できる。ホールを電子捕獲層１０２に捕獲せしめるのは、ゲート電極１０３の電位をソース電極やドレイン電極よりも１Ｖ以上低くすればよい。
【００８２】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本明細書で開示する一態様の半導体装置について図面を用いて説明する。
【００８３】
図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）は、本明細書で開示する一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図６（Ａ）は上面図であり、図６（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂの断面が図６（Ｂ）、一点鎖線Ｃ−Ｄの断面が図６（Ｃ）に相当する。なお、図６（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、一点鎖線Ａ−Ｂ方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｃ−Ｄ方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
【００８４】
図６（Ａ）乃至図６（Ｃ）に示すトランジスタ４５０は、基板４００と、基板４００上の凹部および凸部を有する下地絶縁層４０２と、下地絶縁層４０２の凸部上の酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｂと、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｂ上のソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂと、下地絶縁層４０２の凹部、下地絶縁層４０２の凸部（または凹部）の側面、酸化物半導体層４０４ａの側面、酸化物半導体層４０４ｂの側面および酸化物半導体層４０４ｂの上面、ソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂと接する酸化物半導体層４０４ｃと、酸化物半導体層４０４ｃ上のゲート絶縁層４０８と、ゲート絶縁層４０８上で接し、酸化物半導体層４０４ｂの上面および側面に面するゲート電極４１０と、ソース電極４０６ａ、ドレイン電極４０６ｂ、およびゲート電極４１０上の酸化物絶縁層４１２と、を有する。
【００８５】
また、ゲート絶縁層４０８は、実施の形態１で述べた電子捕獲層として機能する。ここでは、ゲート絶縁層４０８は、ＣＶＤ法によって形成された第１の絶縁層４０８ａの上にスパッタリング法によって形成された第２の絶縁層４０８ｂの積層であるが、図１（Ｃ）のように、さらに、その上にＣＶＤ法によって形成された絶縁層（実施の形態１の第３の絶縁層１０２ｃ）の積層であってもよい。
【００８６】
また、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、および酸化物半導体層４０４ｃを総称して多層半導体層４０４と呼称する。
【００８７】
ゲート絶縁層４０８に用いる材料を比誘電率が大きいものにすると、ゲート絶縁層４０８を厚くすることができる。たとえば、誘電率が１６の酸化ハフニウムを用いることにより、誘電率が３．９の酸化シリコンを用いる場合に比べて約４倍厚くすることが可能である。このため、捕獲された電子の流出を防止する上で好ましい。なお、ゲート絶縁層４０８の厚さは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、代表的には５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００８８】
なお、チャネル長とは、上面図において、半導体層とゲート電極とが重なる領域における、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）との距離をいう。すなわち、図６（Ａ）では、チャネル長は、酸化物半導体層４０４ｂとゲート電極４１０とが重なる領域における、ソース電極４０６ａとドレイン電極４０６ｂとの距離となる。チャネル幅とは、半導体層とゲート電極とが重なる領域における、ソースまたはドレインの幅をいう。すなわち、図６（Ａ）では、チャネル幅は、酸化物半導体層４０４ｂとゲート電極４１０とが重なる領域における、ソース電極４０６ａまたはドレイン電極４０６ｂの幅をいう。
【００８９】
ゲート絶縁層４０８を電子捕獲層として機能させることで、実施の形態１で述べたようにその内部に存在する電子捕獲準位に電子を捕獲することができる。このとき、電子捕獲準位に捕獲される電子の量はゲート電極４１０の電位により制御できる。
【００９０】
また、ゲート電極４１０が、酸化物半導体層４０４ｂを電気的に取り囲むことで、オン電流が高められる。このようなトランジスタの構造を、Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−Ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。なお、Ｓ−Ｃｈａｎｎｅｌ構造では、電流は酸化物半導体層４０４ｂの全体（バルク）を流れる。酸化物半導体層４０４ｂの内部を電流が流れることで、界面散乱の影響を受けにくいため、高いオン電流を得ることができる。なお、酸化物半導体層４０４ｂを厚くすると、オン電流を向上させることができる。
【００９１】
また、トランジスタのチャネル長およびチャネル幅を微細化するとき、レジストマスクを後退させながら電極や半導体層等を加工すると電極や半導体層等の上端部が丸みを帯びる（曲面を有する）場合がある。このような構成になることで、酸化物半導体層４０４ｂ上に形成されるゲート絶縁層４０８、ゲート電極４１０および酸化物絶縁層４１２の被覆性を向上させることができる。また、ソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂの端部に生じる恐れのある電界集中を緩和することができ、トランジスタの劣化を抑制することができる。
【００９２】
また、トランジスタを微細化することで、集積度を高め、高密度化することができる。例えば、トランジスタのチャネル長を１００ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下とし、かつ、トランジスタのチャネル幅を１００ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下とする。本明細書で開示する一態様に係るトランジスタは、上記のように狭チャネルでも、Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造を有することでオン電流を高めることができる。
【００９３】
基板４００は、単なる支持材料に限らず、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４５０のゲート電極４１０、ソース電極４０６ａ、およびドレイン電極４０６ｂの少なくとも一つは、上記の他のデバイスと電気的に接続されていてもよい。
【００９４】
下地絶縁層４０２は、基板４００からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、多層半導体層４０４に酸素を供給する役割を担うことができる。また、上述のように基板４００が他のデバイスが形成された基板である場合、下地絶縁層４０２は、層間絶縁層としての機能も有する。その場合、下地絶縁層４０２の表面には凹凸が形成されるため、表面が平坦になるようにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法等で平坦化処理を行うことが好ましい。
【００９５】
また、トランジスタ４５０のチャネルが形成される領域において多層半導体層４０４は、基板４００側から酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃが積層された構造を有している。また、酸化物半導体層４０４ｂは、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃで取り囲まれている構造となっている。また、図６（Ｃ）に示すようにゲート電極４１０は、酸化物半導体層４０４ｂを電気的に取り囲む構造になっている。
【００９６】
ここで、一例としては、酸化物半導体層４０４ｂには、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃよりも電子親和力（真空準位から伝導帯下端までのエネルギー）が大きい酸化物半導体を用いる。電子親和力は、真空準位と価電子帯上端とのエネルギー差（イオン化ポテンシャル）から、伝導帯下端と価電子帯上端とのエネルギー差（エネルギーギャップ）を差し引いた値として求めることができる。
【００９７】
酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃは、酸化物半導体層４０４ｂを構成する金属元素を一種以上含み、例えば、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体層４０４ｂよりも、０．０５ｅＶ、０．０７ｅＶ、０．１ｅＶ、０．１５ｅＶのいずれか以上であって、２ｅＶ、１ｅＶ、０．５ｅＶ、０．４ｅＶのいずれか以下の範囲で真空準位に近い酸化物半導体で形成することが好ましい。
【００９８】
このような構造において、ゲート電極４１０に電界を印加すると、多層半導体層４０４のうち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい酸化物半導体層４０４ｂにチャネルが形成される。すなわち、酸化物半導体層４０４ｂとゲート絶縁層４０８との間に酸化物半導体層４０４ｃが形成されていることよって、トランジスタのチャネルがゲート絶縁層４０８と接しない領域に形成される構造となる。
【００９９】
また、酸化物半導体層４０４ａは、酸化物半導体層４０４ｂを構成する金属元素を一種以上含んで構成されるため、酸化物半導体層４０４ｂと下地絶縁層４０２が接した場合の界面と比較して、酸化物半導体層４０４ｂと酸化物半導体層４０４ａの界面に界面準位を形成しにくくなる。該界面準位はチャネルを形成することがあるため、トランジスタのしきい値が変動することがある。したがって、酸化物半導体層４０４ａを設けることにより、トランジスタのしきい値などの電気特性のばらつきを低減することができる。また、当該トランジスタの信頼性を向上させることができる。
【０１００】
また、酸化物半導体層４０４ｃは、酸化物半導体層４０４ｂを構成する金属元素を一種以上含んで構成されるため、酸化物半導体層４０４ｂとゲート絶縁層４０８が接した場合の界面と比較して、酸化物半導体層４０４ｂと酸化物半導体層４０４ｃとの界面ではキャリアの散乱が起こりにくくなる。したがって、酸化物半導体層４０４ｃを設けることにより、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。
【０１０１】
酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃには、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆを酸化物半導体層４０４ｂよりも高い原子数比で含む材料を用いることができる。具体的には、当該原子数比を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物半導体層に生じることを抑制する機能を有する。すなわち、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃは酸化物半導体層４０４ｂよりも酸素欠損が生じにくいということができる。
【０１０２】
なお、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃが、少なくともインジウム、亜鉛およびＭ（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、ＣｅまたはＨｆ等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、酸化物半導体層４０４ａをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１［原子数比］、酸化物半導体層４０４ｂをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］、酸化物半導体層４０４ｃをＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ３：ｙ３：ｚ３［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも大きくなることが好ましい。ｙ１／ｘ１およびｙ３／ｘ３はｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上とする。このとき、酸化物半導体層４０４ｂにおいて、ｙ２がｘ２以上であるとトランジスタの電気特性を安定させることができる。ただし、ｙ２がｘ２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、ｙ２はｘ２の３倍未満であることが好ましい。
【０１０３】
酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃのＩｎとＭの原子数比Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｍ）は、好ましくは０．５未満、さらに好ましくは０．２５未満とする。また、酸化物半導体層４０４ｂのＩｎとＭの原子数比Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｍ）は、好ましくは０．２５以上、さらに好ましくは０．３４以上とする。
【０１０４】
酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃ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４０４ｂ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。また、酸化物半導体層４０４ｂは、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃより厚い方が好ましい。
【０１０５】
酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃには、例えば、インジウム、亜鉛およびガリウムを含んだ酸化物半導体を用いることができる。特に、酸化物半導体層４０４ｂにインジウムを含ませると、キャリア移動度が高くなるため好ましい。
【０１０６】
なお、酸化物半導体層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、酸化物半導体層中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体層を真性または実質的に真性にすることが有効である。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体層のキャリア密度が、１×１０１７／ｃｍ３未満であること、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３未満であること、さらに好ましくは１×１０１３／ｃｍ３未満であることを指す。
【０１０７】
また、酸化物半導体層において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密度を増大させてしまう。また、シリコンは酸化物半導体層中で不純物準位の形成に寄与する。当該不純物準位は捕獲となり、トランジスタの電気特性を劣化させることがある。したがって、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃの層中や、それぞれの界面において不純物濃度を低減させることが好ましい。
【０１０８】
酸化物半導体層を真性または実質的に真性とするためには、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析において、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、シリコン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする部分を有していることが好ましい。また、水素濃度は、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする部分を有していることが好ましい。また、窒素濃度は、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする部分を有していることが好ましい。
【０１０９】
また、酸化物半導体層が結晶を含む場合、シリコンや炭素が高濃度で含まれると、酸化物半導体層の結晶性を低下させることがある。酸化物半導体層の結晶性を低下させないためには、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、シリコン濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする部分を有していればよい。また、例えば、酸化物半導体層のある深さにおいて、または、酸化物半導体層のある領域において、炭素濃度を１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする部分を有していればよい。
【０１１０】
また、上述のように高純度化された酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流は極めて小さい。例えば、ソースとドレインとの間の電圧を０．１Ｖ、５Ｖ、または、１０Ｖ程度とした場合に、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流を数ｙＡ／μｍ乃至数ｚＡ／μｍにまで低減することが可能となる。
【０１１１】
次に、多層半導体層４０４のバンド構造を説明する。バンド構造の解析は、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃに相当する層としてエネルギーギャップが３．５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化物半導体層４０４ｂに相当する層としてエネルギーギャップが３．１５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用い、多層半導体層４０４に相当する積層を作製して行っている。
【０１１２】
酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃの厚さはそれぞれ１０ｎｍとし、エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（ＨＯＲＩＢＡ  ＪＯＢＩＮ  ＹＶＯＮ社  ＵＴ−３００）を用いて測定した。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（ＰＨＩ社  ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定した。
【０１１３】
図７（Ａ）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差と、各層のエネルギーギャップとの差分として算出される真空準位と伝導帯下端のエネルギー差（電子親和力）から模式的に示されるバンド構造の一部である。図７（Ａ）は、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃと接して、酸化シリコン層を設けた場合のバンド図である。ここで、Ｅｖａｃは真空準位のエネルギー、ＥｃＩ１は、ゲート絶縁層４０８（例えば、酸化ハフニウム）の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ１は酸化物半導体層４０４ａの伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ２は酸化物半導体層４０４ｂの伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ３は酸化物半導体層４０４ｃの伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＩ２は下地絶縁層４０２（例えば、酸化シリコン）の伝導帯下端のエネルギー、である。
【０１１４】
図７（Ａ）に示すように、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃにおいて、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃを構成する元素が共通することにより、酸素が相互に拡散しやすい点からも理解される。したがって、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃは組成が異なる層の積層体ではあるが、物性的に連続であるということもできる。
【０１１５】
主成分を共通として積層された多層半導体層４０４は、各層を単に積層するのではなく連続接合（ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するＵ字型の井戸構造（Ｕ  Ｓｈａｐｅ  Ｗｅｌｌ））が形成されるように作製する。すなわち、各層の界面にキャリア捕獲中心や再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が存在しないように積層構造を形成する。仮に、積層された多層半導体層の層間に不純物が混在していると、エネルギーバンドの連続性が失われ、界面でキャリアが捕獲あるいは再結合により消滅してしまう。
【０１１６】
なお、図７（Ａ）では、ＥｃＳ１とＥｃＳ３が同様である場合について示したが、それぞれが異なっていてもよい。例えば、ＥｃＳ３よりもＥｃＳ１が高いエネルギーを有する場合、バンド構造の一部は、図７（Ｂ）のように示される。
【０１１７】
例えば、ＥｃＳ１＝ＥｃＳ３である場合は、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃにＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：３、１：３：４、１：６：４または１：９：６（原子数比）、酸化物半導体層４０４ｂにＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１または３：１：２（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物などを用いることができる。また、ＥｃＳ１＞ＥｃＳ３である場合は、酸化物半導体層４０４ａにＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４または１：９：６（原子数比）、酸化物半導体層４０４ｂにＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１または３：１：２（原子数比）、酸化物半導体層４０４ｃにＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：３：３、１：３：４（原子数比）のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物などを用いることができる。
【０１１８】
図７（Ａ）、図７（Ｂ）より、多層半導体層４０４における酸化物半導体層４０４ｂがウェル（井戸）となり、多層半導体層４０４を用いたトランジスタにおいて、チャネルが酸化物半導体層４０４ｂに形成されることがわかる。また、このような構成で形成されたチャネルを埋め込みチャネルということもできる。
【０１１９】
なお、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃと、電子親和力の大きく異なる絶縁層との界面近傍には、不純物や欠陥に起因した捕獲準位が形成され得る。酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃがあることにより、酸化物半導体層４０４ｂと当該捕獲準位とを遠ざけることができる。ただし、ＥｃＳ１またはＥｃＳ３と、ＥｃＳ２とのエネルギー差が小さい場合、酸化物半導体層４０４ｂの電子がそのエネルギー差を超えて捕獲準位に達することがある。電子が捕獲準位に捕獲されることで、絶縁層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はプラス方向にシフトしてしまう。
【０１２０】
したがって、トランジスタのしきい値の変動を低減するには、ＥｃＳ１およびＥｃＳ３と、ＥｃＳ２との間にエネルギー差を設けることが必要となる。それぞれの当該エネルギー差は、０．１ｅＶ以上が好ましく、０．１５ｅＶ以上がより好ましい。
【０１２１】
なお、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃには、結晶部が含まれることが好ましい。特にｃ軸に配向した結晶を用いることでトランジスタに安定した電気特性を付与することができる。
【０１２２】
なお、多層半導体層４０４にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる場合は、Ｉｎのゲート絶縁層への拡散を防ぐために、酸化物半導体層４０４ｃは酸化物半導体層４０４ｂよりもＩｎが少ない組成とすることが好ましい。
【０１２３】
ソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂには、酸素と結合しやすい導電材料を用いることが好ましい。例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどを用いることができる。上記材料において、特に酸素と結合し易いＴｉや、後のプロセス温度が比較的高くできることなどから、融点の高いＷを用いることがより好ましい。なお、酸素と結合しやすい導電材料には、酸素が拡散しやすい材料も含まれる。
【０１２４】
酸素と結合しやすい導電材料と多層半導体層を接触させると、多層半導体層中の酸素が、酸素と結合しやすい導電材料側に拡散する現象が起こる。当該現象は、温度が高いほど顕著に起こる。トランジスタの作製工程には、いくつかの加熱工程があることから、上記現象により、多層半導体層のソース電極またはドレイン電極と接触した近傍の領域に酸素欠損が発生し、層中に僅かに含まれる水素と当該酸素欠損が結合することにより当該領域はｎ型化する。したがって、ｎ型化した当該領域はトランジスタのソース領域またはドレイン領域として作用させることができる。
【０１２５】
なお、チャネル長が極短いトランジスタを形成する場合、上記酸素欠損の発生によってｎ型化した領域がトランジスタのチャネル長方向に延在することで短絡してしまうことがある。この場合、トランジスタの電気特性には、しきい値のシフトにより、実用的なゲート電圧でオンオフの制御ができない状態（導通状態）が現れる。そのため、チャネル長が極短いトランジスタを形成する場合は、ソース電極およびドレイン電極に酸素と結合しやすい導電材料を用いることが必ずしも好ましいとはいえない場合がある。
【０１２６】
このような場合にはソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂには、上述した材料よりも酸素と結合しにくい導電材料を用いることが好ましい。当該導電材料としては、例えば、窒化タンタル、窒化チタン、またはルテニウムを含む材料などを用いることができる。なお、これら酸素と結合しにくい導電材料を酸化物半導体層４０４ｂと接触させ、その上に前述した酸素と結合しやすい導電材料を積層してもよい。
【０１２７】
下地絶縁層４０２には、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、酸化ネオジムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁層を用いることができる。また、ゲート絶縁層４０８には、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、アルミニウムシリケートなどを一種以上含む絶縁層を用いることができる。なお、ゲート絶縁層の厚さは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【０１２８】
ゲート電極４１０は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａおよびＷなどの導電層を用いることができる。また、当該ゲート電極は、上記材料の積層であってもよい。また、ゲート電極４１０には、窒素を含んだ導電層を用いてもよい。たとえば、ゲート電極４１０に窒化チタン層上にタングステン層の積層、窒化タングステン層上にタングステン層の積層、窒化タンタル層上にタングステン層の積層などを用いることができる。
【０１２９】
ゲート絶縁層４０８、およびゲート電極４１０上には酸化物絶縁層４１２が形成されていてもよい。当該酸化物絶縁層には、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、酸化ネオジムおよび酸化タンタルを一種以上含む絶縁層を用いることができる。また、当該酸化物絶縁層は上記材料の積層であってもよい。
【０１３０】
ここで、酸化物絶縁層４１２は過剰酸素を有することが好ましい。過剰酸素を含む酸化物絶縁層とは、加熱処理などによって酸素を放出することができる酸化物絶縁層をいう。好ましくは、昇温脱離ガス分光法分析にて、酸素原子に換算しての酸素の放出量が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である層とする。なお、上記昇温脱離ガス分光法分析時における層の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。当該酸化物絶縁層から放出される酸素はゲート絶縁層４０８を経由して多層半導体層４０４のチャネル形成領域に拡散させることができることから、チャネル形成領域に酸素欠損が形成された場合においても酸素を補填することができる。したがって、安定したトランジスタの電気特性を得ることができる。
【０１３１】
半導体装置を高集積化するにはトランジスタの微細化が必須である。一方、トランジスタの微細化によりトランジスタの電気特性が悪化することが知られており、チャネル幅が縮小するとオン電流が低下する。
【０１３２】
しかしながら、本明細書で開示する一態様のトランジスタでは、前述したように、酸化物半導体層４０４ｂのチャネルが形成される領域を覆うように酸化物半導体層４０４ｃが形成されており、チャネル形成領域とゲート絶縁層が接しない構成となっている。そのため、チャネル形成領域とゲート絶縁層との界面で生じるキャリアの散乱を抑えることができ、トランジスタのオン電流を高くすることができる。
【０１３３】
また、酸化物半導体層を真性または実質的に真性とすると、酸化物半導体層に含まれるキャリア数の減少により、電界効果移動度の低下が懸念される。しかしながら、本明細書で開示する一態様のトランジスタにおいては、酸化物半導体層に垂直方向からのゲート電界に加えて、側面方向からのゲート電界が印加される。すなわち、酸化物半導体層の全体的にゲート電界が印加させることとなり、電流は酸化物半導体層のバルクを流れる。これによって、高純度真性化による、電気特性の変動の抑制を達成しつつ、トランジスタの電界効果移動度の向上を図ることが可能となる。
【０１３４】
また、本明細書で開示する一態様のトランジスタは、酸化物半導体層４０４ｂを酸化物半導体層４０４ａ上に形成することで界面準位を形成しにくくする効果や、酸化物半導体層４０４ｂを三層構造の中間層とすることで上下からの不純物混入の影響を排除できる効果などを併せて有する。そのため、酸化物半導体層４０４ｂは酸化物半導体層４０４ａと酸化物半導体層４０４ｃで取り囲まれた構造（また、ゲート電極４１０で電気的に取り囲まれた構造）となり、上述したトランジスタのオン電流の向上に加えて、しきい値の安定化や、Ｓ値を小さくすることができる。したがって、Ｉｃｕｔを下げることができ、消費電力を低減させることができる。また、トランジスタのしきい値が安定化することから、半導体装置の長期信頼性を向上させることができる。
【０１３５】
また、図８に示すトランジスタ４６０を用いることもできる。図８（Ａ）乃至図８（Ｃ）は、トランジスタ４６０の上面図および断面図である。図８（Ａ）は上面図であり、図８（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂの断面が図８（Ｂ）、一点鎖線Ｃ−Ｄの断面が図８（Ｃ）に相当する。なお、図８（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０１３６】
トランジスタ４６０は、ソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂを形成するとき、実質的に下地絶縁層４０２がエッチングされていない形状となっている。
【０１３７】
下地絶縁層４０２を実質的にエッチングさせないようにするには、下地絶縁層４０２のエッチングレートを、ソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂとなる導電層のエッチングレートより十分小さくすればよい。
【０１３８】
また、本実施の形態では、酸化物半導体層４０４ｂを酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃで挟んでいる構成であったがこれに限られず、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃを有さず酸化物半導体層４０４ｂのみがゲート電極に電気的に取り囲まれている構成としてもよい。
【０１３９】
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。
【０１４０】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２で説明した図６に示すトランジスタ４５０の作製方法について、図９および図１０を用いて説明する。
【０１４１】
まず、基板４００上に下地絶縁層４０２を形成する（図９（Ａ）参照）。
【０１４２】
基板４００には、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコン、シリコンゲルマニウムなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用いることも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを用いてもよい。
【０１４３】
なお、下地絶縁層４０２にイオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法などを用いて酸素を添加してもよい。酸素を添加することによって、下地絶縁層４０２から多層半導体層４０４への酸素の供給をさらに容易にすることができる。
【０１４４】
次に、下地絶縁層４０２上に酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂをスパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法（有機金属化学堆積（ＭＯＣＶＤ）法、原子層成膜（ＡＬＤ）法あるいはプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法を含む）、真空蒸着法またはパルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法を用いて形成する（図９（Ｂ）参照）。このとき、図示するように下地絶縁層４０２を若干過度にエッチングしてもよい。下地絶縁層４０２を過度にエッチングすることで、後に形成するゲート電極４１０で酸化物半導体層４０４ｃを覆いやすくすることができる。
【０１４５】
なお、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂを島状に形成する際に、まず、酸化物半導体層４０４ｂ上にハードマスクとなる層（たとえばタングステン層）およびレジストマスクを設け、ハードマスクとなる層をエッチングしてハードマスクを形成し、その後、レジストマスクを除去し、ハードマスクをマスクとして酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂをエッチングする。その後、ハードマスクを除去する。この時、エッチングするにつれて徐々にハードマスクが縮小していくため、自然にハードマスクの端部が丸みを帯び、曲面を有する。これに伴い、酸化物半導体層４０４ｂの形状も端部が丸みを帯び、曲面を有する。このような構成になることで、酸化物半導体層４０４ｂ上に形成される、酸化物半導体層４０４ｃ、ゲート絶縁層４０８、ゲート電極４１０、酸化物絶縁層４１２の被覆性が向上し、段切れ等の形状不良の発生を防ぐことができる。また、ソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂの端部に生じる恐れのある電界集中を緩和することができ、トランジスタの劣化を抑制することができる。
【０１４６】
また、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂの積層、および後の工程で形成する酸化物半導体層４０４ｃを含めた積層において連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の形成装置（例えばスパッタリング装置）を用いて各層を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべく、クライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０−７Ｐａ乃至１×１０−４Ｐａ程度まで）できること、かつ、形成される基板を１００℃以上、好ましくは５００℃以上に加熱できることが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に炭素成分や水分等を含む気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【０１４７】
高純度真性酸化物半導体を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパッタリングガスの高純度化も必要である。スパッタリングガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いることで酸化物半導体層に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０１４８】
酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、および後の工程で形成される酸化物半導体層４０４ｃには、実施の形態２で説明した材料を用いることができる。例えば、酸化物半導体層４０４ａにＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４または１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化物半導体層４０４ｂにＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化物半導体層４０４ｃにＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４または１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。
【０１４９】
また、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃとして用いることのできる酸化物は、少なくともインジウム（Ｉｎ）もしくは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。または、ＩｎとＺｎの双方を含むことが好ましい。また、該酸化物を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
【０１５０】
スタビライザーとしては、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）等がある。
【０１５１】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。
【０１５２】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味である。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。また、本明細書においては、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物で構成した層をＩＧＺＯ層とも呼ぶ。
【０１５３】
また、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一つの金属元素または複数の金属元素を示す。また、Ｉｎ２ＳｎＯ５（ＺｎＯ）ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。
【０１５４】
ただし、実施の形態２に詳細を記したように、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃは、酸化物半導体層４０４ｂよりも電子親和力が小さくなるように材料を選択する。
【０１５５】
なお、酸化物半導体層の形成には、スパッタリング法を用いることが好ましい。スパッタリング法としては、ＲＦスパッタリング法、ＤＣスパッタリング法、ＡＣスパッタリング法等を用いることができる。特に、形成時に発生するゴミを低減でき、かつ厚さ分布も均一とすることからＤＣスパッタリング法を用いることが好ましい。
【０１５６】
酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比としては、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：４：３、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：５：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：９：６、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：４、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２のいずれかの材料を用い、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃの電子親和力が酸化物半導体層４０４ｂよりも小さくなるようにすればよい。
【０１５７】
なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）２＋（ｂ−Ｂ）２＋（ｃ−Ｃ）２≦ｒ２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。
【０１５８】
また、酸化物半導体層４０４ｂは、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃよりもインジウムの含有量を多くするとよい。酸化物半導体では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、Ｉｎの含有率を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるため、ＩｎがＧａよりも多い組成となる酸化物はＩｎがＧａと同等または少ない組成となる酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、酸化物半導体層４０４ｂにインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、高い移動度のトランジスタを実現することができる。
【０１５９】
以下では、酸化物半導体層の構造について説明する。
【０１６０】
なお、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。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
【０１６１】
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
【０１６２】
酸化物半導体層は、非単結晶酸化物半導体層と単結晶酸化物半導体層とに大別される。非単結晶酸化物半導体層とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）層、多結晶酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、非晶質酸化物半導体層などをいう。
【０１６３】
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ層について説明する。
【０１６４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、複数の結晶部を有する酸化物半導体層の一つであり、ほとんどの結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳ層に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。
【０１６５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ層を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、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。
【０１６６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ層を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の被形成面または上面と平行に配列する。
【０１６７】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【０１６８】
断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の結晶部は配向性を有していることがわかる。
【０１６９】
ＣＡＡＣ−ＯＳ層に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ層のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に由来することから、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０１７０】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ層に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に由来する。ＩｎＧａＺｎＯ４の単結晶酸化物半導体層であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に由来するピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の場合は、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。
【０１７１】
以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ層では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。したがって、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。
【０１７２】
なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を形成した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。したがって、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ層の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。
【０１７３】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ層の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。
【０１７４】
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ層のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ層中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。
【０１７５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、不純物濃度の低い酸化物半導体層である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体層の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体層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、酸化物半導体層から酸素を奪うことで酸化物半導体層の原子配列を乱し、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、酸化物半導体層内部に含まれると、酸化物半導体層の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体層に含まれる不純物は、キャリア捕獲中心やキャリア発生源となる場合がある。
【０１７６】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体層である。例えば、酸化物半導体層中の酸素欠損は、キャリア捕獲中心となることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。
【０１７７】
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体層は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、当該酸化物半導体層を用いたトランジスタは、しきい値がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体層は、キャリア捕獲中心が少ない。そのため、当該酸化物半導体層を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体層のキャリア捕獲中心に捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体層を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０１７８】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
【０１７９】
次に、微結晶酸化物半導体層について説明する。
【０１８０】
微結晶酸化物半導体層は、ＴＥＭによる観察像では、明確に結晶部を確認することができない場合がある。微結晶酸化物半導体層に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体層を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）層と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳ層は、例えば、ＴＥＭによる観察像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
【０１８１】
ｎｃ−ＯＳ層は、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層は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、層全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳ層は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体層と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ層に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ層に対し、結晶部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線回折（制限視野電子線回折ともいう。）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。一方、ｎｃ−ＯＳ層に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の電子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ層に対しナノビーム電子線回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳ層に対しナノビーム電子線回折を行うと、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。
【０１８２】
ｎｃ−ＯＳ層は、非晶質酸化物半導体層よりも規則性の高い酸化物半導体層である。そのため、ｎｃ−ＯＳ層は、非晶質酸化物半導体層よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ層は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳ層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ層と比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０１８３】
なお、酸化物半導体層は、例えば、非晶質酸化物半導体層、微結晶酸化物半導体層、ＣＡＡＣ−ＯＳ層のうち、二種以上を有する積層であってもよい。
【０１８４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ層は、例えば、多結晶である酸化物半導体スパッタリング用ターゲットを用い、スパッタリング法によって形成することができる。当該スパッタリング用ターゲットにイオンが衝突すると、スパッタリング用ターゲットに含まれる結晶領域がａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、スパッタリング粒子は帯電しているためプラズマ中で凝集せず、結晶状態を維持したまま基板に到達し、ＣＡＡＣ−ＯＳ層を形成することができる。
【０１８５】
酸化物半導体層４０４ｂの形成後に、第１の加熱処理を行ってもよい。第１の加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、第１の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上含む雰囲気で行ってもよい。第１の加熱処理によって、酸化物半導体層４０４ｂの結晶性を高め、さらに下地絶縁層４０２、酸化物半導体層４０４ａから水素や水などの不純物を除去することができる。なお、酸化物半導体層４０４ｂを形成するエッチングの前に第１の加熱工程を行ってもよい。
【０１８６】
次に、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｂ上にソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂとなる第１の導電層を形成する。第１の導電層としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。例えば、スパッタリング法などにより１００ｎｍのチタン層を形成する。またＣＶＤ法によりタングステン層を形成してもよい。
【０１８７】
次に、第１の導電層を酸化物半導体層４０４ｂ上で分断するようにエッチングし、ソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂを形成する（図９（Ｃ）参照）。
【０１８８】
次に、酸化物半導体層４０４ｂ、ソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂ上に、酸化物半導体層４０３ｃを形成する。
【０１８９】
なお、酸化物半導体層４０３ｃを形成後に第２の加熱処理を行ってもよい。第２の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第２の加熱処理により、酸化物半導体層４０３ｃから水素や水などの不純物を除去することができる。また、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｂから、さらに水素や水などの不純物を除去することができる。
【０１９０】
次に、酸化物半導体層４０３ｃ上に絶縁層４０７ａと絶縁層４０７ｂを形成する（図１０（Ａ）参照）。例えば、絶縁層４０７ａはＣＶＤ法で、絶縁層４０７ｂスパッタリング法で形成する。しかし、この組み合わせに限られず、それぞれ、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法（有機金属化学堆積（ＭＯＣＶＤ）法、原子層成膜（ＡＬＤ）法あるいはプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法を含む）、真空蒸着法またはパルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法などを用いて形成することができる。
【０１９１】
次に、絶縁層４０７ｂ上にゲート電極４１０となる第２の導電層４０９を形成する（図１０（Ｂ）参照）。第２の導電層４０９としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、またはこれらを主成分とする合金材料を用いることができる。第２の導電層４０９は、スパッタリング法やＣＶＤ法などにより形成することができる。また、第２の導電層４０９としては、窒素を含んだ導電層を用いてもよく、上記材料を含む導電層と窒素を含んだ導電層の積層を用いてもよい。
【０１９２】
次に、ゲート電極４１０を形成するためのレジストマスクを用いて、第２の導電層４０９を選択的にエッチングし、ゲート電極４１０を形成する（図１０（Ｃ）参照）。なお、図６（Ｃ）に示すように、ゲート電極４１０は、酸化物半導体層４０４ｂを電気的に取り囲むように形成される。
【０１９３】
続いて、上記レジストマスクまたはゲート電極４１０をマスクとして絶縁層４０７ａと絶縁層４０７ｂを選択的にエッチングし、第１の絶縁層４０８ａと第２の絶縁層４０８ｂ（これらを、ゲート絶縁層４０８、という）を形成する。
【０１９４】
続いて、上記レジストマスクまたはゲート電極４１０をマスクとして酸化物半導体層４０３ｃをエッチングし、酸化物半導体層４０４ｃを形成する。
【０１９５】
つまり、酸化物半導体層４０４ｃの上端部はゲート絶縁層４０８の下端部と一致し、ゲート絶縁層４０８の上端部はゲート電極４１０の下端部と一致する。なお、ゲート電極４１０をマスクとしてゲート絶縁層４０８および酸化物半導体層４０４ｃを形成しているがこれに限られず、第２の導電層４０９の形成前にゲート絶縁層４０８および酸化物半導体層４０４ｃを形成してもよい。
【０１９６】
次に、ソース電極４０６ａ、ドレイン電極４０６ｂ、ゲート電極４１０上に酸化物絶縁層４１２を形成する（図６（Ｂ）、図６（Ｃ）参照）。酸化物絶縁層４１２は、下地絶縁層４０２と同様の材料、方法を用いて形成することができる。酸化物絶縁層４１２としては、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、酸化ハフニウムおよび酸化タンタル、もしくは窒素を含む上記酸化物を用いるとよい。酸化物絶縁層４１２は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法（有機金属化学堆積（ＭＯＣＶＤ）法、原子層成膜（ＡＬＤ）法あるいはプラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法を含む）、真空蒸着法またはパルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法を用いて形成することができ、多層半導体層４０４に対し酸素を供給できるよう過剰に酸素を含む層とすることが好ましい。
【０１９７】
次に、第３の加熱処理を行ってもよい。第３の加熱処理は、第１の加熱処理と同様の条件で行うことができる。第３の加熱処理により、下地絶縁層４０２、ゲート絶縁層４０８、酸化物絶縁層４１２から過剰酸素が放出されやすくなり、多層半導体層４０４の酸素欠損を低減することができる。
【０１９８】
次に、第４の加熱処理を行う。第４の加熱処理は、１２５℃以上４５０℃以下、好ましくは１５０℃以上３００℃以下の温度で、ゲート電極４１０の電位をソース電極やドレイン電極の電位より高い状態を、１秒以上、代表的には１分以上維持することで、多層半導体層４０４からゲート電極４１０に向かって、必要とする電子が移動し、そのうちのいくらかはゲート絶縁層４０８の内部にある電子捕獲準位に捕獲される。このようにして、捕獲される電子の量を制御して、しきい値の増加幅を補正することができる。
【０１９９】
以上の工程で、図６に示すトランジスタ４５０を作製することができる。
【０２００】
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。
【０２０１】
（実施の形態４）
本実施の形態では、プレナー構造のトランジスタについて説明する。
【０２０２】
図１１（Ａ）乃至図１１（Ｃ）は、本明細書で開示する一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図１１（Ａ）は上面図であり、図１１（Ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ｂの断面が図１１（Ｂ）、一点鎖線Ｃ−Ｄの断面が図１１（Ｃ）に相当する。なお、図１１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、一点鎖線Ａ−Ｂ方向をチャネル長方向、一点鎖線Ｃ−Ｄ方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。
【０２０３】
図１１（Ａ）乃至図１１（Ｃ）に示すトランジスタ４７０は、基板４００上の下地絶縁層４０２と、下地絶縁層４０２上の酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｂと、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｂ上のソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂと、下地絶縁層４０２、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、ソース電極４０６ａおよびドレイン電極４０６ｂと接する酸化物半導体層４０４ｃと、酸化物半導体層４０４ｃ上のゲート絶縁層４０８と、ゲート絶縁層４０８上のゲート電極４１０と、ソース電極４０６ａ、ドレイン電極４０６ｂ、およびゲート電極４１０上の酸化物絶縁層４１２と、を有する。また、ゲート絶縁層４０８は、実施の形態１で述べた電子捕獲層として機能する。また、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、および酸化物半導体層４０４ｃを総称して多層半導体層４０４と呼称する。
【０２０４】
本実施の形態のトランジスタ４７０は、チャネル長およびチャネル幅がいずれも、多層半導体層４０４の厚さよりも２倍以上、代表的には１０倍以上大きいことという点で実施の形態２のトランジスタ４５０と異なる。
【０２０５】
なお、チャネル長とは、上面図において、半導体層とゲート電極とが重なる領域における、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）との距離をいう。すなわち、図１１（Ａ）では、チャネル長は、酸化物半導体層４０４ｂとゲート電極４１０とが重なる領域における、ソース電極４０６ａとドレイン電極４０６ｂとの距離となる。チャネル幅とは、半導体層とゲート電極とが重なる領域における、ソースまたはドレインの幅をいう。すなわち、図１１（Ａ）では、チャネル幅は、酸化物半導体層４０４ｂとゲート電極４１０とが重なる領域における、ソース電極４０６ａまたはドレイン電極４０６ｂの幅をいう。
【０２０６】
また、本実施の形態では、酸化物半導体層４０４ｂを酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃで挟んでいる構成であったがこれに限られず、酸化物半導体層４０４ａおよび酸化物半導体層４０４ｃを有さず酸化物半導体層４０４ｂのみがある構成としてもよい。あるいは、酸化物半導体層４０４ａ、酸化物半導体層４０４ｂ、酸化物半導体層４０４ｃのいずれか１つあるいは２つだけで構成されてもよい。
【０２０７】
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。
【０２０８】
（実施の形態５）
本実施の形態では、他の構造のトランジスタについて説明する。
【０２０９】
図１２（Ａ）にその一断面を示すトランジスタ４８０は、第２のゲート電極４１３（バックゲート電極）を有する以外は、図６（Ｂ）に示すトランジスタ４５０と同じである。また、図１２（Ｂ）にその一断面を示すトランジスタ４９０は、第２のゲート電極４１３を有する以外は、図８に示すトランジスタ４６０と同じである。同様なバックゲート電極は図１１に示すトランジスタ４７０にも設けることができる。
【０２１０】
（実施の形態６）
本明細書で開示する一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本明細書で開示する一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図１３に示す。
【０２１１】
図１３（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体５０１、筐体５０２、表示部５０３、表示部５０４、マイクロフォン５０５、スピーカー５０６、操作キー５０７、スタイラス５０８等を有する。なお、図１３（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部５０３と表示部５０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
【０２１２】
図１３（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体５１１、第２筐体５１２、第１表示部５１３、第２表示部５１４、接続部５１５、操作キー５１６等を有する。第１表示部５１３は第１筐体５１１に設けられており、第２表示部５１４は第２筐体５１２に設けられている。そして、第１筐体５１１と第２筐体５１２とは、接続部５１５により接続されており、第１筐体５１１と第２筐体５１２の間の角度は、接続部５１５により変更が可能である。第１表示部５１３における映像を、接続部５１５における第１筐体５１１と第２筐体５１２との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第１表示部５１３および第２表示部５１４の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
【０２１３】
図１３（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体５２１、表示部５２２、キーボード５２３、ポインティングデバイス５２４等を有する。
【０２１４】
図１３（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体５３１、冷蔵室用扉５３２、冷凍室用扉５３３等を有する。
【０２１５】
図１３（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体５４１、第２筐体５４２、表示部５４３、操作キー５４４、レンズ５４５、接続部５４６等を有する。操作キー５４４およびレンズ５４５は第１筐体５４１に設けられており、表示部５４３は第２筐体５４２に設けられている。そして、第１筐体５４１と第２筐体５４２とは、接続部５４６により接続されており、第１筐体５４１と第２筐体５４２の間の角度は、接続部５４６により変更が可能である。表示部５４３における映像を、接続部５４６における第１筐体５４１と第２筐体５４２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。
【０２１６】
図１３（Ｆ）は普通自動車であり、車体５５１、車輪５５２、ダッシュボード５５３、ライト５５４等を有する。
【０２１７】
本実施の形態は、本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【実施例１】
【０２１８】
本実施例では、実施例試料として、図１１に示すトランジスタ４７０と同様の構成のトランジスタについて作製し、電気特性の評価を行った。
【０２１９】
はじめに、トランジスタのストレス試験について説明する。ストレス試験では、トランジスタのソース電位およびドレイン電位を０Ｖ、ゲート電位を＋３．３Ｖとし、１５０℃で１時間保持する。ある条件で作製した２つの試料のストレス試験前後の、測定結果を図１４に示す。図１４は、ドレイン電位が０．１Ｖおよび３．０Ｖ（いずれもソース電位が０Ｖ）のときの測定結果であり、横軸はゲート電位（Ｖｇ：［Ｖ］）、縦軸はドレイン電流（Ｉｄ：［Ａ］）を示す。なお、図中の実線は、ドレイン電位Ｖｄが３．０Ｖのときの測定結果を表し、図中の点線は、ドレイン電位Ｖｄが０．１Ｖのときの測定結果を表す。
【０２２０】
図中には、ストレス試験前後の電気特性を示す。なお、図中の矢印は、矢印の根本の方がストレス試験前の電気特性、矢印の先がストレス試験後の電気特性を表している。図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）に示すようにしきい値の変化量ΔＶｔｈは、図１４（Ａ）では１．７６Ｖ、図１４（Ｂ）では１．７８Ｖであり、ストレス試験後にしきい値がプラス側にシフトしたことが確認できた。
【０２２１】
なお、図１４に示したしきい値のシフトは、高温での保持試験においても、十分に維持できることが示された。保持試験は、上記のストレス試験後のトランジスタに対しておこない、ゲート電位を０Ｖとして、１５０℃で１時間保持するもの（第１の条件）、または、ゲート電位を−３．３Ｖとして、１５０℃で１時間保持するもの（第２の条件）のいずれかをおこなった。
【０２２２】
図１５（Ａ）には、第１の条件の、また、図１５（Ｂ）には、第２の条件の保持試験前後の電気特性を、それぞれ、示す。なお、図中の矢印は、矢印の根本の方が保持試験前の電気特性、矢印の先が保持試験後の電気特性を表している。図１５（Ａ）に示すように、第１の条件では、トランジスタの保持試験前後でのしきい値の変化量ΔＶｔｈは、−０．０７Ｖであった。また、図１５（Ｂ）に示すように、第２の条件では、トランジスタの保持試験前後でのしきい値の変化量ΔＶｔｈは、−０．１４Ｖであった。保持試験後にしきい値がほとんど変動していないことが確認できた。
【０２２３】
次に、実施例試料１乃至３の作製方法について示す。
【０２２４】
まず、表面に厚さ１００ｎｍの熱酸化膜を設けたシリコン基板上に下地絶縁層となる厚さ３００ｎｍの酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）層をプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法により形成した。酸化窒化シリコン層は、シランおよび一酸化二窒素（ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１ｓｃｃｍ：８００ｓｃｃｍ）混合雰囲気下、圧力２００Ｐａ、電源電力１５０ｋＷを印加し、基板温度３５０℃としての条件によって形成した。
【０２２５】
酸化窒化シリコン層表面を研磨処理後、厚さ２０ｎｍの第１の酸化物半導体層と厚さ１５ｎｍの第２の酸化物半導体層を積層して形成した。形成条件は、第１の酸化物半導体層はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２（原子数比）の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法によりアルゴンおよび酸素（アルゴン：酸素＝３０ｓｃｃｍ：１５ｓｃｃｍ）混合雰囲気下において、圧力０．４Ｐａ、電源電力０．５ｋＷを印加し、ターゲットと基板の間の距離を６０ｍｍ、基板温度２００℃として形成し、第２の酸化物半導体層はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（原子数比）の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法によりアルゴンおよび酸素（アルゴン：酸素＝３０ｓｃｃｍ：１５ｓｃｃｍ）混合雰囲気下において、圧力０．４Ｐａ、電源電力０．５ｋＷを印加し、ターゲットと基板の間の距離を６０ｍｍ、基板温度３００℃として形成した。なお、第１の酸化物半導体層および第２の酸化物半導体層は、大気曝露せずに連続的に形成した。
【０２２６】
続いて、加熱処理を行った。加熱処理は窒素雰囲気下、４５０℃で１時間行った後、酸素雰囲気下、４５０℃で１時間行った。
【０２２７】
続いて、第１の酸化物半導体層および第２の酸化物半導体層を、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法により、三塩化ホウ素および塩素（ＢＣｌ３：Ｃｌ２＝６０ｓｃｃｍ：２０ｓｃｃｍ）雰囲気下、電源電力４５０Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．９Ｐａにおいてエッチングして島状の第１の酸化物半導体層および第２の酸化物半導体層に加工した。
【０２２８】
続いて、第１の酸化物半導体層および第２の酸化物半導体層上に、ソース電極およびドレイン電極となるタングステン層を厚さ１００ｎｍ形成した。形成条件は、タングステンターゲットを用いたスパッタリング法によりアルゴン（Ａｒ＝８０ｓｃｃｍ）雰囲気下において、圧力０．８Ｐａ、電源電力（電源出力）１．０ｋＷを印加し、シリコン基板とターゲットとの間の距離を６０ｍｍ、基板温度２３０℃の条件によって形成した。
【０２２９】
次に、タングステン層上にレジストマスクを形成して、エッチングを行った。エッチングは、ＩＣＰエッチング法により、四弗化炭素、塩素および酸素（ＣＦ４：Ｃｌ２：Ｏ２＝４５ｓｃｃｍ：４５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ）混合雰囲気下、電源電力３０００Ｗ、バイアス電力１１０Ｗ、圧力０．６７Ｐａにて第１のエッチングを行い、その後、酸素（Ｏ２＝１００ｓｃｃｍ）雰囲気下、電源電力２０００Ｗ、バイアス電力０Ｗ、圧力３．０Ｐａにて第２のエッチングを行い、さらにその後、四弗化炭素、塩素および酸素（ＣＦ４：Ｃｌ２：Ｏ２＝４５ｓｃｃｍ：４５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ）混合雰囲気下、電源電力３０００Ｗ、バイアス電力１１０Ｗ、圧力０．６７Ｐａにて第３のエッチングを行い、ソース電極およびドレイン電極を形成した。
【０２３０】
次に、第２の酸化物半導体層、ソース電極およびドレイン電極上に厚さ５ｎｍの第３の酸化物半導体層を形成した。形成条件は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２（原子数比）の酸化物ターゲットを用いたスパッタリング法によりアルゴンおよび酸素（アルゴン：酸素＝３０ｓｃｃｍ：１５ｓｃｃｍ）混合雰囲気下において、圧力０．４Ｐａ、電源電力０．５ｋＷを印加し、ターゲットと基板の間の距離を６０ｍｍ、基板温度２００℃とした。
【０２３１】
続いて、プラズマＣＶＤ法により第１のゲート絶縁層となる厚さ１５ｎｍの酸化窒化シリコン層を、シランおよび一酸化二窒素（ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１ｓｃｃｍ：８００ｓｃｃｍ）混合雰囲気下、圧力２００Ｐａ、電源電力１５０ｋＷを印加し、基板温度３５０℃として形成し、その上に、スパッタリング法により第２のゲート絶縁層となる厚さ２０ｎｍあるいは３０ｎｍの酸化ハフニウム層をアルゴンおよび酸素（Ａｒ：Ｏ２＝５０ｓｃｃｍ：０ｓｃｃｍ、あるいは２５ｓｃｃｍ：２５ｓｃｃｍ）混合雰囲気下、圧力０．６Ｐａ、電源電力２．５ｋＷを印加し、ターゲットと基板の間の距離を６０ｍｍ、基板温度１００℃、２００℃、あるいは３５０℃として積層して形成した。
【０２３２】
続いて、厚さ３０ｎｍの窒化タンタル層および厚さ１３５ｎｍのタングステン層を、スパッタリング法により形成した。窒化タンタル層の形成条件は、スパッタリング法によりアルゴンおよび窒素（アルゴン：窒素＝５０ｓｃｃｍ：１０ｓｃｃｍ）混合雰囲気下において、圧力０．６Ｐａ、電源電力１ｋＷを印加し、ターゲットと基板の間の距離を６０ｍｍ、基板温度２５℃とした。タングステン層の形成条件は、スパッタリング法によりアルゴン（Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ）雰囲気下において、圧力２．０Ｐａ、電源電力４ｋＷを印加し、ターゲットと基板の間の距離を６０ｍｍ、基板温度２３０℃とした。
【０２３３】
次に、ＩＣＰエッチング法により、厚さ３０ｎｍの窒化タンタル層および厚さ１３５ｎｍのタングステン層の積層をエッチングした。エッチング条件は、塩素、四弗化炭素および酸素（Ｃｌ２：ＣＦ４：Ｏ２＝４５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ）混合雰囲気下、電源電力３０００Ｗ、バイアス電力１１０Ｗ、圧力０．６７Ｐａにおいて第１のエッチングを行い、第１のエッチングの後に塩素（Ｃｌ２＝１００ｓｃｃｍ）雰囲気下、電源電力２０００Ｗ、バイアス電力５０Ｗ、圧力０．６７Ｐａにおいて第２のエッチングを行い、ゲート電極を形成した。
【０２３４】
次に、ゲート電極をマスクとして、ゲート絶縁層、第３の酸化物半導体層の積層をエッチングした。エッチング条件は、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３＝８０ｓｃｃｍ）雰囲気下、電源電力４５０Ｗ、バイアス電力１００Ｗ、圧力１．０Ｐａにおいてエッチングを行った。
【０２３５】
次に、ゲート電極上に厚さ２０ｎｍの酸化アルミニウム層をスパッタリング法により形成し、その上に、厚さ１５０ｎｍの酸化窒化シリコン層をＣＶＤ法により形成した。
【０２３６】
以上の工程を経て、実施例試料１乃至３のトランジスタを作製した。
【０２３７】
次に、比較例試料の作製方法について示す。比較例試料は、第１のゲート絶縁層を厚さ２０ｎｍの酸化窒化シリコン膜とし、第２のゲート絶縁層を設けない以外は、実施例試料１乃至３と同じである。
【０２３８】
表１に、実施例試料１乃至３および比較例試料の作製条件の相違を示す。
【０２３９】
【表１】
2015073093.tif 000003
【０２４０】
次に、上記に示したストレス試験を比較例試料、実施例試料１乃至３に対しておこなった。結果を表２に示す。比較例試料および実施例試料１はしきい値の変動が小さいのに対して、実施例試料２および３では、大きなしきい値変動が観測された。
【０２４１】
【表２】
2015073093.tif 000004
【０２４２】
実施例試料１は、実施例試料２および３と同様に第２のゲート絶縁層として、酸化ハフニウム膜を用いているため、この差異が成膜条件あるいは得られた膜質の差異によるものであると推定された。
【０２４３】
そこで、成膜条件の違いによる酸化ハフニウム膜の膜質の差異を確かめた。シリコン基板上に厚さ５ｎｍの酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜をプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法により形成した。その上に、スパッタリング法により厚さ３０ｎｍの酸化ハフニウム膜をアルゴンおよび酸素（Ａｒ：Ｏ２＝５０ｓｃｃｍ：０ｓｃｃｍ、あるいは２５ｓｃｃｍ：２５ｓｃｃｍ）混合雰囲気下、圧力０．６Ｐａ、電源電力２．５ｋＷを印加し、ターゲットと基板の間の距離を６０ｍｍ、基板温度１００℃、２００℃、あるいは３５０℃として積層して成膜した。
【０２４４】
図１６には、さまざまな条件で作製した酸化ハフニウム膜のＸ線回折パターンを示す。図１６（Ａ）は酸素分圧０％、基板温度１００℃のものであり、図１６（Ｂ）は酸素分圧５０％、基板温度１００℃のものであり、図１６（Ｃ）は酸素分圧０％、基板温度２００℃のものであり、図１６（Ｄ）は酸素分圧５０％、基板温度２００℃のものであり、図１６（Ｅ）は酸素分圧０％、基板温度３５０℃のものであり、図１６（Ｆ）は酸素分圧５０％、基板温度３５０℃のものである。
【０２４５】
図から明らかなように、酸素分圧が５０％のものでは、酸化ハフニウムの（−１，１，１）面の回折が観測され、酸化ハフニウム膜が結晶化していることがわかる。また、酸素分圧が０％でも、基板温度が３５０℃のものでは、酸化ハフニウムが結晶化していることがわかる。回折パターンより、酸化ハフニウムの単斜晶系の結晶であることがわかった。
【０２４６】
実施例試料１の第２のゲート絶縁層は、図１６（Ａ）のＸ線回折パターンを示す膜と同じ条件で形成され、実施例試料２および３は、それぞれ、図１６（Ｄ）および図１６（Ｆ）のＸ線回折パターンを示す膜と同じ条件で形成された。そして、実施例試料２および３が、顕著なしきい値シフトを示すことから、酸化ハフニウムが結晶化していることが、その要因のひとつであることが推定される。
【０２４７】
図１７乃至図１９には、図１６（Ｄ）のＸ線回折パターンを示す膜の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す。図１７は酸化ハフニウム膜の膜面に平行な方向からみたＴＥＭ像（断面ＴＥＭ像）であり、図１８（Ａ）および図１８（Ｂ）は、それぞれ、図１７中に示す領域ＰおよびＱの拡大像である。また、図１９（Ａ）は、酸化ハフニウム膜の膜面に垂直な方向からみたＴＥＭ像（平面ＴＥＭ像）であり、図１９（Ｂ）は、その高倍率像である。
【０２４８】
図１７乃至図１９から、酸化ハフニウムが、柱状に結晶成長し、結晶間に粒界が存在することが確認された。このため、しきい値シフトの要因が、酸化ハフニウムの結晶化であり、特に、結晶粒界の存在によるものであることが強く示唆された。
【０２４９】
さらに、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）測定により、成膜条件による欠陥の差異について調べた。温度１０Ｋで、マイクロ波（周波数９．４７ＧＨｚ、パワー０．１ｍＷ）を酸化ハフニウム膜に平行に照射した。なお、酸化ハフニウム膜は、石英基板上にＲＦスパッタリング法（パワー２．５ｋＷ、成膜時圧力０．６Ｐａ、基板ターゲット間距離６０ｍｍ、基板温度１００℃、２００℃、３５０℃のいずれか、雰囲気Ａｒ１００％、Ａｒ５０％／酸素５０％のいずれか、酸素とアルゴンの合計流量５０ｓｃｃｍ）で成膜された。また、一部は、成膜後、酸素中で３００℃、３５０℃、４００℃のいずれかの温度でベーク処理された。
【０２５０】
酸化ハフニウムの酸素欠損に起因するＥＳＲ信号は、ｇ値１．９２乃至１．９８に現れると推定される。図２０に示すように、酸素が希薄な条件（成膜時酸素分圧０％）で成膜された酸化ハフニウム膜では、ｇ値が１．９２付近であるスピンの密度が大きくなり、また、その後の酸素中でのベークにより減少することから酸素欠損によるものであることが示唆される。
【０２５１】
なお、表３に示すように、ラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）による分析の結果、酸素が希薄な条件（成膜時酸素分圧０％）で成膜された酸化ハフニウム膜では、酸素がより多く存在する条件（成膜時酸素分圧５０％）で成膜された酸化ハフニウム膜より、酸素の比率が少なく、成膜時に混入したと見られるアルゴンの比率が大きい。
【０２５２】
【表３】
2015073093.tif 000005
【０２５３】
一方、酸素がより多く存在する条件（成膜時酸素分圧５０％）で成膜された酸化ハフニウム膜では、ｇ値が１．９２付近であるスピンの密度はほとんど観測されず、図２１に示すように、ｇ値が２．００付近であるスピンの密度が、酸素が希薄な条件（成膜時酸素分圧０％）で成膜された酸化ハフニウム膜より大きくなっている。これは過剰な酸素に起因すると推定される。
【参考例】
【０２５４】
本参考例では、トランジスタを作製してオフ電流を求めた結果について説明する。
【０２５５】
参考例トランジスタは、実施例で用いたトランジスタの構成のゲート絶縁層およびゲート電極以外は同じである。ゲート絶縁層およびゲート電極のみの作製方法を説明する。
【０２５６】
第３の酸化物半導体層形成後、ＣＶＤ法によりゲート絶縁層となる１０ｎｍの酸化窒化シリコン層を、シランおよび一酸化二窒素（ＳｉＨ４：Ｎ２Ｏ＝１ｓｃｃｍ：８００ｓｃｃｍ）混合雰囲気下、圧力２００Ｐａ、電源電力１５０ｋＷを印加し、ターゲットと基板の間の距離を２８ｍｍ、基板温度３５０℃として形成した。
【０２５７】
続いて、厚さ１０ｎｍの窒化チタン層および厚さ１０ｎｍのタングステン層を、スパッタリング法により形成した。窒化チタン層の形成条件は、スパッタリング法により窒素（窒素＝５０ｓｃｃｍ）雰囲気下において、圧力０．２Ｐａ、電源電力１２ｋＷを印加し、ターゲットと基板の間の距離を４００ｍｍ、基板温度２５℃とした。タングステン層の形成条件は、スパッタリング法によりアルゴン（Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ）雰囲気下において、圧力２．０Ｐａ、電源電力１ｋＷを印加し、ターゲットと基板の間の距離を６０ｍｍ、基板温度２３０℃とした。
【０２５８】
次に、ＩＣＰエッチング法により、厚さ１０ｎｍの窒化チタン層および厚さ１０ｎｍのタングステン層の積層をエッチングした。エッチング条件は、塩素、四弗化炭素および酸素（Ｃｌ２：ＣＦ４：Ｏ２＝４５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ：５５ｓｃｃｍ）混合雰囲気下、電源電力３０００Ｗ、バイアス電力１１０Ｗ、圧力０．６７Ｐａにおいて第１のエッチングを行い、第１のエッチングの後に塩素および三塩化ホウ素（Ｃｌ２：ＢＣｌ３＝５０ｓｃｃｍ：１５０ｓｃｃｍ）混合雰囲気下、電源電力１０００Ｗ、バイアス電力５０Ｗ、圧力０．６７Ｐａにおいて第２のエッチングを行い、ゲート電極を形成した。
【０２５９】
以上の工程を経て、トランジスタを作製した。トランジスタのチャネル長は５０ｎｍ、チャネル幅は４０ｎｍであった。
【０２６０】
次に作製したトランジスタにおいて、オフ電流を求めた。
【０２６１】
１ｆＡより小さな電流は、直接は測定できないため、作製した参考例トランジスタを並列に２５万個並べて接続し、実質的なチャネル幅が１０ｍｍ（４０ｎｍ×２５万）のトランジスタを作製した。
【０２６２】
図２２にチャネル幅が１０ｍｍのトランジスタのドレイン電位（Ｖｄ：［Ｖ］）が１ＶのときのＩｄ−Ｖｇ特性を示す。図２２に示すように、Ｖｇ＜−１Ｖのとき、オフ電流は１０−１３Ａ未満（つまり、チャネル幅１μｍあたりのオフ電流は、１０−１７Ａ／μｍ未満）であることが確認された。
【符号の説明】
【０２６３】
１０１      半導体層
１０２      電子捕獲層
１０２ａ      第１の絶縁層
１０２ｂ      第２の絶縁層
１０２ｃ      第３の絶縁層
１０３      ゲート電極
１０４      電子捕獲準位
１０５      電子
１０８      曲線
１０９      曲線
１１０      トランジスタ
１１１      容量素子
１２１      トランジスタ
１２２      トランジスタ
１２３      容量素子
１２４      トランジスタ
１２５      容量素子
４００    基板
４０２    下地絶縁層
４０３ｃ    酸化物半導体層
４０４    多層半導体層
４０４ａ    酸化物半導体層
４０４ｂ    酸化物半導体層
４０４ｃ    酸化物半導体層
４０６ａ    ソース電極
４０６ｂ    ドレイン電極
４０７ａ    絶縁層
４０７ｂ    絶縁層
４０８    ゲート絶縁層
４０８ａ    第１の絶縁層
４０８ｂ    第２の絶縁層
４０９    導電層
４１０    ゲート電極
４１２    酸化物絶縁層
４１３    第２のゲート電極
４５０    トランジスタ
４６０    トランジスタ
４７０    トランジスタ
４８０    トランジスタ
４９０    トランジスタ
５０１    筐体
５０２    筐体
５０３    表示部
５０４    表示部
５０５    マイクロフォン
５０６    スピーカー
５０７    操作キー
５０８    スタイラス
５１１    筐体
５１２    筐体
５１３    表示部
５１４    表示部
５１５    接続部
５１６    操作キー
５２１    筐体
５２２    表示部
５２３    キーボード
５２４    ポインティングデバイス
５３１    筐体
５３２    冷蔵室用扉
５３３    冷凍室用扉
５４１    筐体
５４２    筐体
５４３    表示部
５４４    操作キー
５４５    レンズ
５４６    接続部
５５１    車体
５５２    車輪
５５３    ダッシュボード
５５４    ライト
【図１】
2015073093.tif 000006
【図２】
2015073093.tif 000007
【図３】
2015073093.tif 000008
【図４】
2015073093.tif 000009
【図５】
2015073093.tif 000010
【図６】
2015073093.tif 000011
【図７】
2015073093.tif 000012
【図８】
2015073093.tif 000013
【図９】
2015073093.tif 000014
【図１０】
2015073093.tif 000015
【図１１】
2015073093.tif 000016
【図１２】
2015073093.tif 000017
【図１３】
2015073093.tif 000018
【図１４】
2015073093.tif 000019
【図１５】
2015073093.tif 000020
【図１６】
2015073093.tif 000021
【図２０】
2015073093.tif 000022
【図２１】
2015073093.tif 000023
【図２２】
2015073093.tif 000024
【図１７】
2015073093.tif 000025
【図１８】
2015073093.tif 000026
【図１９】
2015073093.tif 000027