(57)【要約】【課題】電気特性の良好なトランジスタを提供する。【解決手段】半導体と、半導体と接する第１の絶縁体と、第１の絶縁体と接し、第１の絶縁体を介して半導体と重なる第１の導電体と、半導体と接する、第２の導電体および第３の導電体と、を有し、第１乃至第３の導電体のいずれか一以上は、タングステンと、シリコン、炭素、ゲルマニウム、スズ、アルミニウムまたはニッケルから選ばれた一以上の元素と、を有する領域を有する半導体装置。【選択図】図１
2022000934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体と、
前記半導体と接する第１の絶縁体と、
前記第１の絶縁体と接し、前記第１の絶縁体を介して前記半導体と重なる第１の導電体と、
前記半導体と接する、第２の導電体および第３の導電体と、を有し、
前記第１乃至前記第３の導電体のいずれか一以上は、タングステンと、シリコン、炭素、ゲルマニウム、スズ、アルミニウムまたはニッケルから選ばれた一以上の元素と、を有する領域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、
前記第１乃至前記第３の導電体のいずれか一以上は、ラザフォード後方散乱分析により得られるシリコン濃度が５ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下である領域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１乃至前記第３の導電体のいずれか一以上は、表面にシリコンおよび酸素を有する領域を有し、該領域の厚さは０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記半導体と接する第２の絶縁体と、
前記第２の絶縁体と接し、前記第２の絶縁体を介して前記半導体と重なる第４の導電体と、を有し、
前記第４の導電体は、タングステンと、シリコン、炭素、ゲルマニウム、スズ、アルミニウムまたはニッケルから選ばれた一以上の元素と、を有する領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記第４の導電体は、ラザフォード後方散乱分析により得られるシリコン濃度が５ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下である領域を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５において、
前記第４の導電体は、表面にシリコンおよび酸素を有する領域を有し、該領域の厚さは０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
前記半導体は、酸化物半導体を有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、トランジスタおよび半導体装置、ならびにそれらの製造方法に関する
。または、本発明は、例えば、表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮
像装置、プロセッサ、電子機器に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、
記憶装置、撮像装置、電子機器の製造方法に関する。または、半導体装置、表示装置、液
晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。
【０００２】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の
一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明
の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・
オブ・マター）に関するものである。
【０００３】
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、半導体回路および電子機器
は、半導体装置を有する場合がある。
【背景技術】
【０００４】
近年は、酸化物半導体を用いたトランジスタが注目されている。酸化物半導体を用いたト
ランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例え
ば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を応用した低消費
電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、水、水素などの不純物を低減させるために
、高温での熱処理を行うことがある。そのため、該トランジスタに用いるゲート電極、ソ
ース電極またはドレイン電極は、耐熱性および耐酸化性を有する材料により形成すること
が好ましい。
【０００７】
そこで、本発明の一態様は、耐熱性および耐酸化性を有する導電体を用いたトランジスタ
を提供することを課題の一とする。
【０００８】
また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することを課題の一とする。または
、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。または
、高い周波数特性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、ノー
マリーオフの電気特性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、
サブスレッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。
または、信頼性の高いトランジスタを提供することを課題の一とする。
【０００９】
または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、
該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該半導体装
置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。または、新
規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規なモジュールを提供する
ことを課題の一とする。または、新規な電子機器を提供することを課題の一とする。
【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】
【００１１】
本発明の一態様は、半導体と、半導体と接する第１の絶縁体と、第１の絶縁体と接し、第
１の絶縁体を介して半導体と重なる第１の導電体と、半導体と接する、第２の導電体およ
び第３の導電体と、を有し、第１乃至第３の導電体のいずれか一以上は、タングステン（
Ｗ）と、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、アルミ
ニウム（Ａｌ）またはニッケル（Ｎｉ）から選ばれた一以上の元素と、を有する領域を有
する半導体装置である。
【００１２】
本発明の一態様は、第１乃至第３の導電体のいずれか一以上は、ラザフォード後方散乱分
析（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍ
ｅｔｒｙ）により得られるシリコン濃度が５ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下
である領域を有する上記の半導体装置である。
【００１３】
本発明の一態様は、第１乃至第３の導電体のいずれか一以上は、表面にシリコンおよび酸
素を有する領域を有し、該領域の厚さは０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である上記の半導体
装置である。
【００１４】
本発明の一態様は、半導体と接する第２の絶縁体と、第２の絶縁体と接し、第２の絶縁体
を介して半導体と重なる第４の導電体と、を有し、第４の導電体は、タングステンと、シ
リコン、炭素、ゲルマニウム、スズ、アルミニウムまたはニッケルから選ばれた一以上の
元素と、を有する領域を有する上記の半導体装置である。
【００１５】
本発明の一態様は、第４の導電体は、ラザフォード後方散乱分析により得られるシリコン
濃度が５ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下である領域を有する上記の半導体装
置である。
【００１６】
本発明の一態様は、第４の導電体は、表面にシリコンおよび酸素を有する領域を有し、該
領域の厚さは０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である上記の半導体装置である。
【００１７】
本発明の一態様は、半導体は、酸化物半導体を有する上記の半導体装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一態様により、耐熱性および耐酸化性を有する導電体を用いたトランジスタを提
供することができる。
【００１９】
また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、非導通
時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、高い周波数特性
を有するトランジスタを提供することができる。または、ノーマリーオフの電気特性を有
するトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルドスイング値の小
さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の高いトランジスタを提供す
ることができる。
【００２０】
または、該トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、該半導体
装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装置、または該モジ
ュールを有する電子機器を提供することができる。または、新規な半導体装置を提供する
ことができる。または、新規なモジュールを提供することができる。または、新規な電子
機器を提供することができる。
【００２１】
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】
【００２２】
【図１】本発明の一態様に係るトランジスタを説明する上面図および断面図。
【図２】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、ならびにＣＡＡＣ−ＯＳの制限視野電子回折パターンを示す図。
【図３】ＣＡＡＣ−ＯＳの断面ＴＥＭ像、ならびに平面ＴＥＭ像およびその画像解析像。
【図４】ｎｃ−ＯＳの電子回折パターンを示す図、およびｎｃ−ＯＳの断面ＴＥＭ像。
【図５】ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの断面ＴＥＭ像。
【図６】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７】本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。
【図８】本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。
【図９】本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。
【図１０】本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。
【図１１】本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。
【図１２】本発明の一態様に係るトランジスタを説明する断面図。
【図１３】本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を説明する断面図。
【図１４】本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を説明する断面図。
【図１５】本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を説明する断面図。
【図１６】成膜装置を説明する模式図および断面図。
【図１７】本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を説明する断面図。
【図１８】本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を説明する断面図。
【図１９】本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を説明する断面図。
【図２０】本発明の一態様に係る製造装置を示す上面図。
【図２１】本発明の一態様に係るチャンバーを示す断面図。
【図２２】本発明の一態様に係るチャンバーを示す断面図。
【図２３】本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。
【図２４】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図２５】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図２６】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図２７】本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。
【図２８】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図２９】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図３０】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図３１】本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。
【図３２】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図３３】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図３４】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図３５】本発明の一態様に係る半導体装置を示す上面図。
【図３６】本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。
【図３７】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図３８】本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
【図３９】本発明の一態様に係る半導体装置を示す斜視図および断面図。
【図４０】本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。
【図４１】本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。
【図４２】本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図、上面図および断面図。
【図４３】本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図および断面図。
【図４４】本発明の一態様に係る電子機器を示す斜視図。
【図４５】試料のＸＰＳ結果を説明する図。
【図４６】試料のＳＴＥＭ結果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説
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。また、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、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異
なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じく
し、特に符号を付さない場合がある。
【００２４】
以下の実施の形態に示す構成は、実施の形態に示す他の構成に対して適宜、適用、組み合
わせ、または置き換えなどを行って、本発明の一態様とすることができる。
【００２５】
なお、図において、大きさ、膜（層）の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されて
いる場合がある。
【００２６】
なお、本明細書において、「膜」という表記と、「層」という表記と、を互いに入れ替え
ることが可能である。
【００２７】
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
。一般的に、電位（電圧）は、相対的なものであり、基準の電位からの相対的な大きさに
よって決定される。したがって、「接地電位」などと記載されている場合であっても、電
位が０Ｖであるとは限らない。例えば、回路で最も低い電位が、「接地電位」となる場合
もある。または、回路で中間くらいの電位が、「接地電位」となる場合もある。その場合
には、その電位を基準として、正の電位と負の電位が規定される。
【００２８】
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層
順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」な
どと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数詞
と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
【００２９】
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％（ａｔｏｍｉｃ％ともいう）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、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔａｔｅ）が形成されるこ
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１３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、半導体がシリコン層であ
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。
【００３０】
なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトラン
ジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重な
る領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース（ソース領域またはソース電
極）とドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）との間の距離をいう。なお、一つの
トランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一
つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細
書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、
最小値または平均値とする。
【００３１】
チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で
電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領
域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのト
ランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一
つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細
書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、
最小値または平均値とする。
【００３２】
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、
立体的な構造を有するトランジスタでは、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、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、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、上面図において示
される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の
方が大きくなる。
【００３３】
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測
による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積
もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状
が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
【００３４】
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが互いに
重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上
のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  Ｃｈａｎｎｅ
ｌ  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像などを取得して、その画像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。
【００３５】
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。
【００３６】
なお、本明細書において、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載する場合、上面図ま
たは断面図において、Ａの少なくとも一端が、Ｂの少なくとも一端よりも外側にある形状
を有することを示す場合がある。したがって、ＡがＢより迫り出した形状を有すると記載
されている場合、例えば上面図において、Ａの一端が、Ｂの一端よりも外側にある形状を
有すると読み替えることができる。
【００３７】
なお、本明細書において、単に半導体と記載される場合、様々な半導体に置き換えること
ができる場合がある。例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの第１４族半導体、酸化物半
導体、炭化シリコン、ケイ化ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、セレン化
亜鉛、硫化カドミウムなどの化合物半導体、および有機半導体に置き換えることができる
。
【００３８】
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、「略平
行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。ま
た、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態を
いう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二
つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
【００３９】
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
。
【００４０】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成について、図１乃至図１２を
用いて説明する。
【００４１】
＜トランジスタの構成＞
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の一例としてトランジスタの構成について説
明する。
【００４２】
図１（Ａ）乃至図１（Ｃ）を用いてトランジスタ１０の構成について説明する。図１（Ａ
）はトランジスタ１０の上面図である。図１（Ｂ）は図１（Ａ）の一点鎖線Ａ１−Ａ２に
対応する断面図であり、図１（Ｃ）は図１（Ａ）の一点鎖線Ａ３−Ａ４に対応する断面図
である。なお、一点鎖線Ａ１−Ａ２で示す領域では、トランジスタ１０のチャネル長方向
における構造を示しており、一点鎖線Ａ３−Ａ４で示す領域では、トランジスタ１０のチ
ャネル幅方向における構造を示している。なお、トランジスタのチャネル長方向とは、ソ
ース（ソース領域またはソース電極）およびドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極
）間において、キャリアが移動する方向を意味し、チャネル幅方向は、基板と水平な面に
おいて、チャネル長方向に対して垂直な方向を意味する。また、図１（Ａ）において、絶
縁体１０６ａ、半導体１０６ｂ、絶縁体１０６ｃは、導電体１０８ａ、１０８ｂなどとほ
ぼ重なるように設けることができるが、上面図では見にくくなるため、絶縁体１０６ａ、
半導体１０６ｂ、絶縁体１０６ｃは少しずらして細い破線で表している。
【００４３】
トランジスタ１０は、基板１００上の絶縁体１０１、導電体１０２、絶縁体１０５、絶縁
体１０３および絶縁体１０４と、絶縁体１０４上の絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよ
び絶縁体１０６ｃと、半導体１０６ｂ上の導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂと、絶縁
体１０６ｃ上の絶縁体１１２と、絶縁体１１２上の導電体１１４と、導電体１１４上の絶
縁体１１６、絶縁体１１８、導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂと、を有する。
【００４４】
ここで、絶縁体１０１、絶縁体１０３、絶縁体１０４、絶縁体１０５、絶縁体１０６ａ、
絶縁体１０６ｃ、絶縁体１１２、絶縁体１１６および絶縁体１１８は、絶縁膜または絶縁
層ということもできる。また、導電体１０２、導電体１０８ａ、導電体１０８ｂ、導電体
１１４、導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂは、導電膜または導電層ということもでき
る。また、半導体１０６ｂは、半導体膜または半導体層ということもできる。
【００４５】
なお、絶縁体１０６ａまたは／および絶縁体１０６ｃを設けない構成としてもよい。
【００４６】
また、絶縁体１０５、絶縁体１０３および絶縁体１０４のいずれか一以上を設ける構成と
してもよい。例えば、絶縁体１０４のみの単層構造としてもよく、絶縁体１０３および絶
縁体１０４の２層による積層構造としてもよい。
【００４７】
また、詳細は後述するが、絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６ｃは、単独で用いる場合、
導電体または半導体として機能させることができる材料を用いる場合がある。しかし、半
導体１０６ｂと積層させてトランジスタを形成する場合、キャリアは半導体１０６ｂ、半
導体１０６ｂと絶縁体１０６ａの界面近傍、および半導体１０６ｂと絶縁体１０６ｃの界
面近傍を流れ、絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６ｃは当該トランジスタのチャネルとし
て機能しない領域を有する。このため、本明細書などにおいては、絶縁体１０６ａおよび
絶縁体１０６ｃを導電体および半導体と記載せず、絶縁体と記載するものとする。
【００４８】
基板１００上に形成された絶縁体１０１上に導電体１０２が形成されている。導電体１０
２の少なくとも一部は、絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃ、と重な
っている。また、導電体１０２の上に接して、導電体１０２を覆うように絶縁体１０５が
形成されている。絶縁体１０５の上に絶縁体１０３が形成され、絶縁体１０３の上に絶縁
体１０４が形成されている。
【００４９】
絶縁体１０４の上に絶縁体１０６ａが形成され、絶縁体１０６ａの上面に接して半導体１
０６ｂが形成される。図１（Ｂ）においては、絶縁体１０６ａおよび半導体１０６ｂの端
部が概略一致するように絶縁体１０６ａおよび半導体１０６ｂが形成されているが、本実
施の形態に示す半導体装置の構成はこれに限られない。
【００５０】
半導体１０６ｂに接して導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂが形成されている。また、
導電体１０８ａと導電体１０８ｂは離間して形成されており、トランジスタ１０のソース
電極およびドレイン電極として機能することができる。
【００５１】
半導体１０６ｂに接して絶縁体１０６ｃが形成される。絶縁体１０６ｃは、導電体１０８
ａと導電体１０８ｂに挟まれる領域において半導体１０６ｂと接することが好ましい。図
１（Ｂ）において絶縁体１０６ｃは、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂの上面を概略
覆うように形成されているが、本実施の形態に示す半導体装置の構成はこれに限られない
。
【００５２】
絶縁体１０６ｃの上に絶縁体１１２が形成される。絶縁体１１２の上に、導電体１１４が
形成される。図１（Ｂ）において、絶縁体１１２および絶縁体１０６ｃの端部が概略一致
するように、絶縁体１１２と絶縁体１０６ｃが形成されているが、本実施の形態に示す半
導体装置の構成はこれに限られない。なお、導電体１１４はトランジスタ１０のゲート電
極として機能することができる。
【００５３】
導電体１１４および絶縁体１１２の上に絶縁体１１６が形成され、絶縁体１１６の上に絶
縁体１１８が形成される。絶縁体１１８の上に導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂが形
成されている。導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂは、絶縁体１０６ｃ、絶縁体１１２
、絶縁体１１６および絶縁体１１８に形成された開口を介して、導電体１０８ａおよび導
電体１０８ｂと接続されている。
【００５４】
また、導電体１０２、導電体１１４、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂのいずれか一
以上は、タングステンと、シリコン、炭素、ゲルマニウム、スズ、アルミニウムまたはニ
ッケルから選ばれた一以上の元素と、を有する領域を有すると好ましい。
【００５５】
特に、上記本実施の形態における導電体はタングステンとシリコンと、を有する領域を有
する導電体を用いると好ましい。また、該導電体は、ＲＢＳにより得られるシリコン濃度
が５ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下である領域を有すると好ましい。
【００５６】
また、例えばスパッタリング法によりタングステンを成膜すると、結晶性を有する導電体
となる場合がある。そのため、導電体の表面平坦性が悪くなることがある。しかし、本発
明に示すような導電体を用いることによって、非晶質を有する導電体を形成することがで
きる。それにより、良好な表面平坦性を有する導電体を形成しやすい。
【００５７】
また、上記導電体は、該導電体の表面にシリコンおよび酸素を有する領域を有し、該領域
の厚さは０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であると好ましい。該領域は、シリコンと酸素が多
く含まれた領域とすることができ、その場合、該領域は絶縁体として機能することができ
る。また、該領域が酸素のバリア層として機能することによって、導電体全体が酸化され
るのを抑制することができる。
【００５８】
導電体１０２、導電体１１４、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂに、上記示したよう
な導電体を用いることによって、例えばトランジスタ１０を作製する過程において、熱処
理や酸化性雰囲気に曝されることがある場合においても、導電体全体が酸化されるのを抑
制することができる。それにより、導電体の抵抗値が増加するのを抑制できるため、良好
な電気特性（オン電流など）のトランジスタを作製することができる。
【００５９】
＜半導体＞
以下、半導体１０６ｂの詳細な構成について説明する。
【００６０】
なお、半導体１０６ｂとともに絶縁体１０６ａ、絶縁体１０６ｃの詳細な構成についても
説明する。
【００６１】
半導体１０６ｂは、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。半導体１０６ｂは、
例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度（電子移動度）が高くなる。また、半導体
１０６ｂは、元素Ｍを含むと好ましい。元素Ｍは、好ましくは、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、ＳｎまたはＨｆを表すとする。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を
複数組み合わせても構わない場合がある。元素Ｍは、例えば、酸素との結合エネルギーが
高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも高い元素である。
または、元素Ｍは、例えば、酸化物半導体のエネルギーギャップを大きくする機能を有す
る元素である。また、半導体１０６ｂは、亜鉛を含むと好ましい。酸化物半導体は、亜鉛
を含むと結晶化しやすくなる場合がある。
【００６２】
ただし、半導体１０６ｂは、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体１０
６ｂは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物などの、インジウムを含まず、亜
鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物半導体などであ
っても構わない。
【００６３】
例えば、絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６ｃは、半導体１０６ｂを構成する酸素以外の
元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。半導体１０６ｂを構
成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６
ｃが構成されるため、絶縁体１０６ａと半導体１０６ｂとの界面、および半導体１０６ｂ
と絶縁体１０６ｃとの界面において、欠陥準位が形成されにくい。
【００６４】
絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃは、少なくともインジウムを含む
と好ましい。なお、絶縁体１０６ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を
１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０
ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａ
ｔｏｍｉｃ％より高いとする。また、半導体１０６ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物のとき、Ｉ
ｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ
％より高く、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏｍｉｃ％
より高く、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、絶縁体１０６ｃがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ
酸化物のとき、ＩｎおよびＭの和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたとき、好ましくはＩｎが
５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％より高く、さらに好ましくはＩｎが２
５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％より高くする。なお、絶縁体１０６ｃは
、絶縁体１０６ａと同種の酸化物を用いても構わない。ただし、絶縁体１０６ａまたは／
および絶縁体１０６ｃがインジウムを含まなくても構わない場合がある。例えば、絶縁体
１０６ａまたは／および絶縁体１０６ｃが酸化ガリウムであっても構わない。なお、絶縁
体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃに含まれる各元素の原子数が、簡単な
整数比にならなくても構わない。また、上記組成は例えばＲＢＳなどにより測定すればよ
い。
【００６５】
例えば、スパッタリング法を用いて成膜する場合、絶縁体１０６ａまたは絶縁体１０６ｃ
に用いるターゲットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：２：
４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：
３：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：８、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝
１：４：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：４：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚ
ｎ＝１：６：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：４、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：５、Ｉｎ：Ｍ
：Ｚｎ＝１：６：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：８、Ｉｎ
：Ｍ：Ｚｎ＝１：６：９等がある。
【００６６】
また、例えば、スパッタリング法を用いて成膜する場合、半導体１０６ｂに用いるターゲ
ットの金属元素の原子数比の代表例としては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：
Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：１．５、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：２
．３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝２：１：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４
：２：４．１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：７等がある。特に、スパッタリングターゲット
として、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１を用いる場合、成膜される半導体
１０６ｂの原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３近傍となる場合がある。
【００６７】
なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する
。そのため、絶縁体１０６ｃがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原
子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さら
に好ましくは９０％以上とする。
【００６８】
半導体１０６ｂは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体１０６
ｂのエネルギーギャップは、例えば、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下、好ましくは２．８
ｅＶ以上３．８ｅＶ以下、さらに好ましくは３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下とする。ここで、
絶縁体１０６ａのエネルギーギャップは、半導体１０６ｂのエネルギーギャップより大き
い。また、絶縁体１０６ｃのエネルギーギャップは、半導体１０６ｂのエネルギーギャッ
プより大きい。
【００６９】
半導体１０６ｂは、絶縁体１０６ａまたは絶縁体１０６ｃよりも電子親和力の大きい酸化
物を用いる。例えば、半導体１０６ｂとして、絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６ｃより
も電子親和力の０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下、好ましくは０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ
以下、さらに好ましくは０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下大きい酸化物を用いる。なお、
電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。言い換えると、絶縁体
１０６ａまたは絶縁体１０６ｃの伝導帯下端のエネルギー準位は、半導体１０６ｂの伝導
帯下端のエネルギー準位より真空準位に近い。
【００７０】
このとき、ゲート電圧を印加すると、絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０
６ｃのうち、電子親和力の大きい半導体１０６ｂにチャネルが形成される。なお、高いゲ
ート電圧を印加すると、絶縁体１０６ａの半導体１０６ｂとの界面近傍、および絶縁体１
０６ｃの半導体１０６ｂとの界面近傍においても電流が流れる場合がある。
【００７１】
上記の通り、絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６ｃは、単独で用いる場合、導電体、半導
体または絶縁体として機能させることができる物質からなる。しかしながら、半導体１０
６ｂと積層させてトランジスタを形成する場合、電子は半導体１０６ｂ、半導体１０６ｂ
と絶縁体１０６ａの界面近傍、および半導体１０６ｂと絶縁体１０６ｃの界面近傍を流れ
、絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６ｃは当該トランジスタのチャネルとして機能しない
領域を有する。このため、本明細書などにおいては、絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６
ｃを半導体と記載せず、絶縁体と記載するものとする。なお、絶縁体１０６ａおよび絶縁
体１０６ｃを絶縁体と記載するのは、あくまで半導体１０６ｂと比較してトランジスタの
機能上絶縁体に近い機能を有するためなので、絶縁体１０６ａまたは絶縁体１０６ｃとし
て、半導体１０６ｂに用いることができる物質を用いる場合もある。
【００７２】
ここで、絶縁体１０６ａと半導体１０６ｂとの間には、絶縁体１０６ａと半導体１０６ｂ
との混合領域を有する場合がある。また、半導体１０６ｂと絶縁体１０６ｃとの間には、
半導体１０６ｂと絶縁体１０６ｃとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、欠陥準
位密度が低くなる。そのため、絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃの
積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する（連続接合とも
いう。）バンド図となる。なお、絶縁体１０６ａと半導体１０６ｂ、または絶縁体１０６
ｃと半導体１０６ｂは、それぞれの界面を明確に判別できない場合がある。
【００７３】
このとき、電子は、絶縁体１０６ａ中および絶縁体１０６ｃ中ではなく、半導体１０６ｂ
中を主として移動する。上述したように、絶縁体１０６ａと半導体１０６ｂとの界面にお
ける欠陥準位密度、および半導体１０６ｂと絶縁体１０６ｃとの界面における欠陥準位密
度を低くすることによって、半導体１０６ｂ中で電子の移動が阻害されることが少なく、
トランジスタのオン電流を高くすることができる。
【００７４】
また、トランジスタのオン電流は、電子の移動を阻害する要因を低減するほど、高くする
ことができる。例えば、電子の移動を阻害する要因のない場合、効率よく電子が移動する
と推定される。電子の移動は、例えば、チャネル形成領域の物理的な凹凸が大きい場合に
も阻害される。
【００７５】
トランジスタのオン電流を高くするためには、例えば、半導体１０６ｂの上面または下面
（被形成面、ここでは絶縁体１０６ａの上面）の、１μｍ×１μｍの範囲における二乗平
均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）粗さが１ｎｍ未満、好ましくは
０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０．４ｎｍ未満とす
ればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における平均面粗さ（Ｒａともいう。）が１ｎｍ
未満、好ましくは０．６ｎｍ未満、さらに好ましくは０．５ｎｍ未満、より好ましくは０
．４ｎｍ未満とすればよい。また、１μｍ×１μｍの範囲における最大高低差（Ｐ−Ｖと
もいう。）が１０ｎｍ未満、好ましくは９ｎｍ未満、さらに好ましくは８ｎｍ未満、より
好ましくは７ｎｍ未満とすればよい。ＲＭＳ粗さ、ＲａおよびＰ−Ｖは、エスアイアイ・
ナノテクノロジー株式会社製走査型プローブ顕微鏡システムＳＰＡ−５００などを用いて
測定することができる。
【００７６】
また、トランジスタのオン電流を高くするためには、絶縁体１０６ｃの厚さは小さいほど
好ましい。絶縁体１０６ｃの厚さは、絶縁体１０６ａの厚さより小さく、半導体１０６ｂ
の厚さより小さいことが好ましい。例えば、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ以下、さら
に好ましくは３ｎｍ以下の領域を有する絶縁体１０６ｃとすればよい。一方、絶縁体１０
６ｃは、チャネルの形成される半導体１０６ｂへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の
元素（水素、シリコンなど）が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、
絶縁体１０６ｃは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、０．３ｎｍ以上、
好ましくは１ｎｍ以上、さらに好ましくは２ｎｍ以上の厚さの領域を有する絶縁体１０６
ｃとすればよい。
【００７７】
また、信頼性を高くするためには、絶縁体１０６ａは厚いことが好ましい。例えば、１０
ｎｍ以上、好ましくは２０ｎｍ以上、さらに好ましくは４０ｎｍ以上、より好ましくは６
０ｎｍ以上の厚さの領域を有する絶縁体１０６ａとすればよい。絶縁体１０６ａの厚さを
、厚くすることで、隣接する絶縁体と絶縁体１０６ａとの界面からチャネルの形成される
半導体１０６ｂまでの距離を離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する
場合があるため、例えば、２００ｎｍ以下、好ましくは１２０ｎｍ以下、さらに好ましく
は８０ｎｍ以下の厚さの領域を有する絶縁体１０６ａとすればよい。
【００７８】
酸化物半導体中のシリコンは、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。し
たがって、半導体１０６ｂのシリコン濃度は低いほど好ましい。例えば、半導体１０６ｂ
と絶縁体１０６ａとの間に、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）において、１×
１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×
１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましく
は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン
濃度となる領域を有する。また、半導体１０６ｂと絶縁体１０６ｃとの間に、ＳＩＭＳに
おいて、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好
ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さ
らに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以
下のシリコン濃度となる領域を有する。
【００７９】
また、半導体１０６ｂの水素濃度を低減するために、絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６
ｃの水素濃度を低減すると好ましい。絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６ｃは、ＳＩＭＳ
において、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、
好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、
より好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以
下、さらに好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ３以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体１０６ｂの窒素濃度を低減するた
めに、絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６ｃの窒素濃度を低減すると好ましい。絶縁体１
０６ａおよび絶縁体１０６ｃは、ＳＩＭＳにおいて、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以
上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以
上５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ
／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒素濃度となる領域を有する。
【００８０】
本実施の形態に示す絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃ、特に半導体
１０６ｂは、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低い（酸素欠損の少ない）酸化物半導体
であり、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ことができる。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。従って、該酸化物半導体にチャネル領域が形成さ
れるトランジスタは、しきい値電圧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
体は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。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は、オフ電流が著しく小さく、チャネ
ル幅Ｗが１×１０６μｍでチャネル長Ｌが１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレ
イン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導
体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０−１３Ａ以下という特性を得
ることができる。
【００８１】
したがって、上記高純度真性、または実質的に高純度真性の酸化物半導体にチャネル領域
が形成されるトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとす
ることができる。なお、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまで
に要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラッ
プ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が
不安定となる場合がある。酸化物半導体にトラップ準位を形成させる不純物としては、水
素、窒素、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属等がある。
【００８２】
絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃに含まれる水素は、金属原子と結
合する酸素と反応して水になると共に、酸素が脱離した格子（または酸素が脱離した部分
）に酸素欠損を形成する。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成さ
れる場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアであ
る電子を生成することがある。特に酸素欠損にトラップされた水素は、半導体のバンド構
造に対して浅いドナー準位を形成することがある。従って、水素が含まれている酸化物半
導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、絶縁体１０６
ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃは水素ができる限り低減されていることが好ま
しい。具体的には、絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃにおいて、Ｓ
ＩＭＳにより得られる水素濃度を、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、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
以下、より好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０
１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００８３】
絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃにおいて、第１４族元素の一つで
あるシリコンや炭素が含まれると、絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６
ｃにおいて酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、絶縁体１０６ａ、半導体１
０６ｂおよび絶縁体１０６ｃにおけるシリコンや炭素の濃度と、絶縁体１０６ａ、半導体
１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃとの界面近傍のシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳにより得
られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００８４】
また、絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃにおいて、ＳＩＭＳにより
得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。アルカリ金属およびア
ルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジ
スタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、絶縁体１０６ａ、半導体１０６
ｂおよび絶縁体１０６ｃのアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが
好ましい。
【００８５】
また、絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃに窒素が含まれていると、
キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が
含まれている酸化物半導体膜を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。
従って、該酸化物半導体膜において、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、
例えば、ＳＩＭＳにより得られる窒素濃度は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にす
ることが好ましい。
【００８６】
ここで、図１（Ｄ）に絶縁体１０６ａおよび半導体１０６ｂの中央近傍の拡大断面図を示
す。図１（Ｂ）および図１（Ｄ）に示すように、半導体１０６ｂの導電体１０８ａおよび
導電体１０８ｂと接する領域（図１（Ｂ）および図１（Ｄ）では点線で表示）に低抵抗領
域１０９ａおよび低抵抗領域１０９ｂが形成されることがある。低抵抗領域１０９ａおよ
び低抵抗領域１０９ｂは、半導体１０６ｂが接した導電体１０８ａまたは導電体１０８ｂ
に酸素を引き抜かれる、または導電体１０８ａまたは導電体１０８ｂに含まれる導電材料
が半導体１０６ｂ中の元素と結合することにより形成されることがある。このような低抵
抗領域１０９ａおよび低抵抗領域１０９ｂが形成されることにより、導電体１０８ａまた
は導電体１０８ｂと半導体１０６ｂとの接触抵抗を低減することが可能となるのでトラン
ジスタ１０のオン電流を増大させることができる。
【００８７】
また、図示してはいないが、絶縁体１０６ｃと導電体１０８ａまたは導電体１０８ｂとが
接する領域においても低抵抗領域が形成されることもある。また、以降の図面においても
同様の点線は低抵抗領域を指し示すものとする。
【００８８】
また、図１（Ｄ）に示すように、半導体１０６ｂは、導電体１０８ａと導電体１０８ｂの
間に導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂと重なった領域より膜厚の薄い領域を有するこ
とがある。これは、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂを形成する際に、半導体１０６
ｂの上面の一部を除去することにより形成される。半導体１０６ｂの上面には、導電体１
０８ａおよび導電体１０８ｂとなる導電体を成膜した際に、低抵抗領域１０９ａおよび１
０９ｂと同様の抵抗の低い領域が形成される場合がある。このように、半導体１０６ｂの
上面の導電体１０８ａと導電体１０８ｂの間に位置する領域を除去することにより、半導
体１０６ｂの上面の抵抗が低い領域にチャネルが形成されることを防ぐことができる。ま
た、以降の図面において、拡大図などで膜厚の薄い領域を示さない場合でも、同様の膜厚
の薄い領域が形成されている場合がある。
【００８９】
なお、上述の絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃの３層構造は一例で
ある。例えば、絶縁体１０６ａまたは絶縁体１０６ｃのいずれか一方を設けない２層構造
としてもよい。また、絶縁体１０６ａまたは絶縁体１０６ｃの両方を設けない単層構造と
してもよい。または、絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂまたは絶縁体１０６ｃとして例示
した絶縁体、半導体または導電体のいずれかを有するｎ層構造（ｎは４以上の整数）とし
ても構わない。
【００９０】
＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。
【００９１】
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  ｓｅｍｉｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌ
ｉｋｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがあ
る。
【００９２】
また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、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およびｎｃ−ＯＳなどがある。
【００９３】
非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置
が固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さな
い、などといわれている。
【００９４】
即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ
）酸化物半導体とは呼べない。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は呼べない。一方、ａ−ｌｉ
ｋｅ  ＯＳは、等方的でないが、鬆（ボイドともいう。）を有する不安定な構造である。
不安定であるという点では、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い
。
【００９５】
＜ＣＡＡＣ−ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳについて説明する。
【００９６】
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
導体の一種である。
【００９７】
ＣＡＡＣ−ＯＳをＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解
析した場合について説明する。例えば、空間群Ｒ−３ｍに分類される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２（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる。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では
、結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともいう
。）、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。なお、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、空間群Ｆｄ−３ｍに分類される結晶構造に起因する。そのため、ＣＡＡＣ−
ＯＳは、該ピークを示さないことが好ましい。
【００９８】
一方、ＣＡＡＣ−ＯＳに対し、被形成面に平行な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａ
ｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、Ｉ
ｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。そして、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
行っても、図２（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶ＩｎＧａＺｎ
Ｏ４に対し、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図２（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。
【００９９】
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、ＩｎＧａＺ
ｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳの被形成面に平行にプロー
ブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図２（Ｄ）に示すような回折パターン（制限
視野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、ＩｎＧ
ａＺｎＯ４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２（Ｅ）に示
す。図２（Ｅ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が
３００ｎｍの電子線を用いた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２（Ｅ）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２（Ｅ）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
。
【０１００】
また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉ
ｃｒｏｓｃｏｐｅ）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像であっても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場合がある。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。
【０１０１】
図３（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ＴＥ
Ｍ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ａｂｅ
ｒｒａｔｉｏｎ  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
て観察することができる。
【０１０２】
図３（Ａ）より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することがで
きる。ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあることがわか
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。また、ＣＡＡＣ−ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ｎａｎｏ
ｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、ＣＡＡＣ−
ＯＳの被形成面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。
【０１０３】
また、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図３（Ｄ）および図３（Ｅ）は、それぞれ
図３（Ｂ）および図３（Ｃ）を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法につい
て説明する。まず、図３（Ｂ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ
Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得する。次に、取得したＦＦＴ像に
おいて原点を基準に、２．８ｎｍ−１から５．０ｎｍ−１の間の範囲を残すマスク処理す
る。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Ｉｎｖｅｒｓｅ
Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することで画像処理した像を取
得する。こうして取得した像をＦＦＴフィルタリング像と呼ぶ。ＦＦＴフィルタリング像
は、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示してい
る。
【０１０４】
図３（Ｄ）では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一
つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である
。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレッ
トの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。
【０１０５】
図３（Ｅ）では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間を点線で
示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍
の格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または／および七角形
などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制してい
ることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において原子配列が稠密でな
いことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪
みを許容することができるためと考えられる。
【０１０６】
以上に示すように、ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複
数のペレット（ナノ結晶）が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、ＣＡ
ＡＣ−ＯＳを、ＣＡＡ  ｃｒｙｓｔａｌ（ｃ−ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ  ａ−ｂ−ｐｌ
ａｎｅ−ａｎｃｈｏｒｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体と称することもでき
る。
【０１０７】
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、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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合があ
る。例えば、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。例えば、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。
【０１１０】
不純物および酸素欠損の少ないＣＡＡＣ−ＯＳは、キャリア密度の低い酸化物半導体であ
る。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。
【０１１１】
＜ｎｃ−ＯＳ＞
次に、ｎｃ−ＯＳについて説明する。
【０１１２】
ｎｃ−ＯＳをＸＲＤによって解析した場合について説明する。例えば、ｎｃ−ＯＳに対し
、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない
。即ち、ｎｃ−ＯＳの結晶は配向性を有さない。
【０１１３】
また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するｎｃ−ＯＳを薄片化し、厚さが３４ｎｍ
の領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させると、図４（
Ａ）に示すようなリング状の回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）が観測される
。また、同じ試料にプローブ径が１ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（ナノ
ビーム電子回折パターン）を図４（Ｂ）に示す。図４（Ｂ）より、リング状の領域内に複
数のスポットが観測される。したがって、ｎｃ−ＯＳは、プローブ径が５０ｎｍの電子線
を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させ
ることでは秩序性が確認される。
【０１１４】
また、厚さが１０ｎｍ未満の領域に対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させると、
図４（Ｃ）に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測さ
れる場合がある。したがって、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ−ＯＳが秩序性
の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため
、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。
【０１１５】
図４（Ｄ）に、被形成面と略平行な方向から観察したｎｃ−ＯＳの断面のＣｓ補正高分解
能ＴＥＭ像を示す。ｎｃ−ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、補助線で示す箇所などの
ように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以下の大きさであ
り、特に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１０
ｎｍ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（ｍｉｃｒｏ  
ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ−ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性が
ある。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。
【０１１６】
このように、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、膜全体で配向性が見ら
れない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質
酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
【０１１７】
なお、ペレット（ナノ結晶）間で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。
【０１１８】
ｎｃ−ＯＳは、非晶質酸化物半導体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や非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる
。ただし、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
、ｎｃ−ＯＳは、ＣＡＡＣ−ＯＳと比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０１１９】
＜ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ＞
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半
導体である。
【０１２０】
図５に、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図５（Ａ）は電子
照射開始時におけるａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図５（Ｂ）は４
．３×１０８ｅ−／ｎｍ２の電子（ｅ−）照射後におけるａ−ｌｉｋｅ  ＯＳの高分解能
断面ＴＥＭ像である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）より、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは電子照射
開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は
、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推
測される。
【０１２１】
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。
【０１２２】
試料として、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳを準備する。いずれ
の試料もＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である。
【０１２３】
まず、各試料の高分解能断面ＴＥＭ像を取得する。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。
【０１２４】
なお、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。したがって、以
下では、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎ
Ｏ４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。
【０１２５】
図６は、各試料の結晶部（２２箇所から３０箇所）の平均の大きさを調査した例である。
なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図６より、ａ−ｌｉｋｅ  Ｏ
Ｓは、ＴＥＭ像の取得などに係る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。図６より、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。）が、電子（ｅ−）の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／ｎｍ
２においては１．９ｎｍ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、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０８ｅ−／
ｎｍ２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図６より、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
１．３ｎｍ程度および１．８ｎｍ程度であることがわかる。なお、電子線照射およびＴＥ
Ｍの観察は、日立透過電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを用いた。電子線照射条件は、加速
電圧を３００ｋＶ、電流密度を６．７×１０５ｅ−／（ｎｍ２・ｓ）、照射領域の直径を
２３０ｎｍとした。
【０１２６】
このように、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合があ
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。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。
【０１２７】
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％未満である。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％未満である。単結晶
の密度の７８％未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。
【０１２８】
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である。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未満である。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
未満である。
【０１２９】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、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。
【０１３０】
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、非晶質酸化物半導体、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。
【０１３１】
＜基板、絶縁体、導電体＞
以下に、トランジスタ１０の半導体以外の各構成要素について詳細な説明を行う。
【０１３２】
基板１００は、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁
体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基
板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板と
しては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、または炭化シリコン、
シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムなど
の半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体
基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導
電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または
、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体
基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けら
れた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これ
らの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量
素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
【０１３３】
また、基板１００として、トランジスタ作製時の加熱処理に耐えうる可とう性基板を用い
てもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基
板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板１０
０に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層
を設けるとよい。なお、基板１００として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔
などを用いてもよい。また、基板１００が伸縮性を有してもよい。また、基板１００は、
折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形
状に戻らない性質を有してもよい。基板１００の厚さは、例えば、５μｍ以上７００μｍ
以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μ
ｍ以下とする。基板１００を薄くすると、半導体装置を軽量化することができる。また、
基板１００を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り
曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下
などによって基板１００上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち
、丈夫な半導体装置を提供することができる。
【０１３４】
可とう性基板である基板１００としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、ま
たはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板１００は、線膨張
率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板１００とし
ては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１
０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリ
オレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、
アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板
１００として好適である。
【０１３５】
絶縁体１０１は、水素または水をブロックする機能を有する絶縁体を用いる。絶縁体１０
６ａ、半導体１０６ｂ、絶縁体１０６ｃ近傍に設けられる絶縁体中の水素や水は、絶縁体
１０６ａ、半導体１０６ｂ、絶縁体１０６ｃ中にキャリアを生成する要因の一つとなるこ
とがある。これによりトランジスタ１０の信頼性が低下するおそれがある。特に基板１０
０としてスイッチ素子などのシリコン系半導体素子を設けた基板を用いる場合、当該半導
体素子のダングリングボンドを終端するために水素が用いられ、当該水素がトランジスタ
１０まで拡散するおそれがある。これに対して水素または水をブロックする機能を有する
絶縁体１０１を設けることによりトランジスタ１０の下層から水素または水が拡散するの
を抑制し、トランジスタ１０の信頼性を向上させることができる。絶縁体１０１は、絶縁
体１０５または絶縁体１０４より水素または水を透過させにくいことが好ましい。
【０１３６】
また、絶縁体１０１は酸素をブロックする機能も有することが好ましい。絶縁体１０１が
絶縁体１０４から拡散する酸素をブロックすることにより、例えば絶縁体１０４などから
絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂ、絶縁体１０６ｃに効果的に酸素を供給することができ
る。
【０１３７】
絶縁体１０１としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウ
ム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸
化窒化ハフニウム等を用いることができる。これらを絶縁体１０１として用いることによ
り、酸素、水素または水の拡散をブロックする効果を示す絶縁膜として機能することがで
きる。また、絶縁体１０１としては、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用い
ることができる。これらを絶縁体１０１として用いることにより、水素、水の拡散をブロ
ックする効果を示す絶縁膜として機能することができる。
【０１３８】
導電体１０２は、少なくとも一部が導電体１０８ａと導電体１０８ｂに挟まれる領域にお
いて半導体１０６ｂと重なることが好ましい。導電体１０２は、トランジスタ１０のバッ
クゲートとして機能する。このような導電体１０２を設けることにより、トランジスタ１
０のしきい値電圧の制御を行うことができる。また、絶縁体１０３へ電荷注入するのに用
いることができる。しきい値電圧の制御を行うことによって、トランジスタ１０のゲート
（導電体１１４）に印加された電圧が低い、例えば印加された電圧が０Ｖ以下のときに、
トランジスタ１０が導通状態となることを防ぐことができる。つまり、トランジスタ１０
の電気特性を、よりノーマリーオフの方向にシフトさせることが容易になる。
【０１３９】
導電体１０２としては、タングステンと、シリコン、炭素、ゲルマニウム、スズ、アルミ
ニウムまたはニッケルから選ばれた一以上の元素と、を有する領域を有する導電体を用い
ればよい。特に、タングステンと、シリコンと、を有する導電体が好ましい。さらに、Ｒ
ＢＳにより得られるシリコン濃度が５ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下である
領域を有すると好ましく、シリコン濃度が１０ａｔｏｍｉｃ％以上６０ａｔｏｍｉｃ％以
下である領域を有すると、さらに好ましい。導電体１０２は、例えば合金や化合物であっ
てもよく、単層で、または積層で形成すればよい。
【０１４０】
また、導電体１０２は、導電体１０２の表面にシリコンおよび酸素を有する領域を有し、
該領域の厚さは０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であると好ましい。該領域は、シリコンと酸
素が多く含まれた領域とすることができ、その場合、該領域は絶縁体として機能すること
ができる。また、該領域がバリア層として機能することによって、導電体全体が酸化され
るのを抑制することができる。
【０１４１】
また、導電体１０２は、スパッタリング法により成膜すればよい。または、金属ＣＶＤ（
ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によ
り成膜すればよい。
【０１４２】
絶縁体１０５は導電体１０２を覆うように設けられる。絶縁体１０５は、後述する絶縁体
１０４または絶縁体１１２と同様の絶縁体を用いることができる。
【０１４３】
絶縁体１０３は絶縁体１０５を覆うように設けられる。絶縁体１０３は、酸素をブロック
する機能を有することが好ましい。このような絶縁体１０３を設けることにより絶縁体１
０４から導電体１０２が酸素を引き抜くことを防ぐことができる。これにより、絶縁体１
０４から絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂ、絶縁体１０６ｃに効果的に酸素を供給するこ
とができる。
【０１４４】
絶縁体１０３としては、ホウ素、アルミニウム、シリコン、スカンジウム、チタン、ガリ
ウム、イットリウム、ジルコニウム、インジウム、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフ
ニウムまたはタリウムを有する酸化物または窒化物を有していてもよい。好ましくは、酸
化ハフニウムまたは酸化アルミニウムを用いる。
【０１４５】
なお、絶縁体１０５、絶縁体１０３及び絶縁体１０４において、絶縁体１０３が電子捕
獲領域を有すると好ましい。絶縁体１０５および絶縁体１０４が電子の放出を抑制する機
能を有するとき、絶縁体１０３に捕獲された電子は、負の固定電荷のように振舞うことが
ある。
【０１４６】
絶縁体１０４は膜中に含まれる水または水素の量が少ないことが好ましい。また、絶縁体
１０４は過剰酸素を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、絶縁体１０４としては
、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン
、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ラン
タン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用い
ればよい。例えば、絶縁体１０４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
ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。好ましくは、酸化シリコンまたは酸化窒
化シリコンを用いる。
【０１４７】
絶縁体１０４中に含まれる水または水素の量は、少ないことが好ましい。例えば、絶縁体
１０４は、昇温脱離ガス分析（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅ
ｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）にて、１００℃以上７００℃以下または１００℃以上５００℃以下
の表面温度の範囲で、水分子の脱離量が１．０×１０１３分子／ｃｍ２以上１．４×１０
１６分子／ｃｍ２以下、さらに１．０×１０１３分子／ｃｍ２以上４．０×１０１５分子
／ｃｍ２以下、さらに１．０×１０１３分子／ｃｍ２以上２．０×１０１５分子／ｃｍ２
以下となることが好ましい。また、ＴＤＳにて、１００℃以上７００℃以下または１００
℃以上５００℃以下の表面温度の範囲で、水素分子の脱離量が１．０×１０１３分子／ｃ
ｍ２以上１．２×１０１５分子／ｃｍ２以下、さらに１．０×１０１３分子／ｃｍ２以上
９．０×１０１４分子／ｃｍ２以下となることが好ましい。なお、ＴＤＳを用いた分子の
放出量の測定方法の詳細については、後述する。
【０１４８】
水、水素などの不純物は、絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃ、特に
半導体１０６ｂにおいて欠陥準位を形成し、トランジスタの電気特性を変動させる要因と
なる。このため、絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃの下に設けられ
ている絶縁体１０４中の水または水素量を低減することにより、絶縁体１０４から水、水
素などが半導体１０６ｂなどに供給されて欠陥準位が形成されることを低減できる。この
ように欠陥準位密度が低減された酸化物半導体を用いることにより、安定した電気特性を
有するトランジスタを提供することができる。
【０１４９】
絶縁体１０４の成膜は、比較的低温で高品質の膜が得られるプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ
：Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＣＶＤ）法を用いて成膜するのが好ましい。しかし
、例えば、酸化シリコン膜などをＰＥＣＶＤ法で成膜する場合、原料ガスとしてシリコン
水素化物などが用いられることが多く、成膜時に絶縁体１０４中に水素、水などが導入さ
れてしまう。そのため、本実施の形態に示す絶縁体１０４の成膜は、原料ガスとしてハロ
ゲン化シリコンを用いて行うことが好ましい。ここで、ハロゲン化シリコンとしては、例
えば、ＳｉＦ４（四フッ化シリコン）、ＳｉＣｌ４（四塩化シリコン）、ＳｉＨＣｌ３（
三塩化シリコン）、ＳｉＨ２Ｃｌ２（ジクロルシラン）またはＳｉＢｒ４（四臭化シリコ
ン）などを用いることができ、特にＳｉＦ４（四フッ化シリコン）を用いることが好まし
い。
【０１５０】
また、絶縁体１０４の成膜に、原料ガスとしてハロゲン化シリコンを用いる場合、ハロゲ
ン化シリコンに加えてシリコン水素化物を加えてもよい。これにより、シリコン水素化物
だけを原料ガスにした場合より絶縁体１０４中の水素、水の含有量を減らし、且つハロゲ
ン化シリコンだけを原料ガスとした場合より成膜速度の向上を図ることができる。例えば
、ＳｉＦ４とＳｉＨ４を原料ガスとして絶縁体１０４の成膜を行えばよい。なお、ＳｉＦ
４とＳｉＨ４の流量の割合は、絶縁体１０４中の水、水素の含有量と成膜速度を考慮して
適宜設定すればよい。
【０１５１】
また、絶縁体１０４は過剰酸素を有する絶縁体であることが好ましい。このような絶縁体
１０４を設けることにより、絶縁体１０４から絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂ、絶縁体
１０６ｃに酸素を供給することができる。当該酸素により、酸化物半導体である絶縁体１
０６ａ、半導体１０６ｂ、絶縁体１０６ｃの欠陥となる酸素欠損を低減することができる
。これにより、絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂ、絶縁体１０６ｃを欠陥準位密度が低い
、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。
【０１５２】
なお、本明細書などにおいて、過剰酸素とは、例えば、化学量論的組成を超えて含まれる
酸素をいう。または、過剰酸素とは、例えば、加熱することで当該過剰酸素が含まれる膜
または層から放出される酸素をいう。過剰酸素は、例えば、膜や層の内部を移動すること
ができる。過剰酸素の移動は、膜や層の原子間を移動する場合や、膜や層を構成する酸素
と置き換わりながら玉突き的に移動する場合などがある。
【０１５３】
過剰酸素を有する絶縁体１０４は、ＴＤＳにて、１００℃以上７００℃以下または１００
℃以上５００℃以下の表面温度の範囲で、酸素分子の脱離量が１．０×１０１４分子／ｃ
ｍ２以上１．０×１０１６分子／ｃｍ２以下、より好ましくは、１．０×１０１５分子／
ｃｍ２以上５．０×１０１５分子／ｃｍ２以下となる。
【０１５４】
ＴＤＳを用いた分子の放出量の測定方法について、酸素の放出量を例として、以下に説明
する。
【０１５５】
測定試料をＴＤＳにより分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分
値に比例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる
。
【０１５６】
例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコン基板のＴＤＳ結果、および測定
試料のＴＤＳ結果から、測定試料の酸素分子の放出量（ＮＯ２）は、下に示す式で求める
ことができる。ここで、ＴＤＳによる分析で得られる質量電荷比３２で検出されるガスの
全てが酸素分子由来と仮定する。ＣＨ３ＯＨの質量電荷比は３２であるが、存在する可能
性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の酸
素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比率
が極微量であるため考慮しない。
【０１５７】
ＮＯ２＝ＮＨ２／ＳＨ２×ＳＯ２×α
【０１５８】
ＮＨ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。ＳＨ２は、標準試
料をＴＤＳにより分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値
を、ＮＨ２／ＳＨ２とする。ＳＯ２は、測定試料をＴＤＳにより分析したときのイオン強
度の積分値である。αは、ＴＤＳにおけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式
の詳細に関しては、特開平６−２７５６９７公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は
、電子科学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ−ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料
として一定量の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定する。
【０１５９】
また、ＴＤＳにおいて、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原子の
比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分子の
イオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量について
も見積もることができる。
【０１６０】
なお、ＮＯ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子
の放出量の２倍となる。
【０１６１】
または、加熱処理によって酸素を放出する絶縁体は、過酸化ラジカルを含むこともある。
具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ３
以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、電子スピン共鳴法（ＥＳ
Ｒ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）にて、ｇ値が２．０１近傍に非
対称の信号を有することもある。
【０１６２】
また、絶縁体１０４は、基板１００からの不純物の拡散を防止する機能を有してもよい。
【０１６３】
また、上述の通り半導体１０６ｂの上面または下面は平坦性が高いことが好ましい。この
ため、絶縁体１０４の上面に化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉ
ｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法などによって平坦化処理を行って平坦性の向上を図って
もよい。
【０１６４】
導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂは、それぞれトランジスタ１０のソース電極または
ドレイン電極のいずれかとして機能することができる。
【０１６５】
導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂは、導電体１０２と同様にして形成すればよい。
【０１６６】
また、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂは、導電体１１４と重ならない領域において
、少なくとも一部が絶縁体１０６ｃを介して絶縁体１１２と重なることが好ましい。例え
ば、図１（Ｂ）に示すように、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂの上面の大部分を絶
縁体１０６ｃで覆う構成にすればよい。このような構成にすることにより、導電体１０８
ａおよび導電体１０８ｂの上面において、絶縁体１１２から酸素を引き抜くことが抑制で
きる。これにより、絶縁体１１２から絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０
６ｃに効果的に酸素を供給することができる。
【０１６７】
絶縁体１１２は、トランジスタ１０のゲート絶縁膜として機能することができる。絶縁体
１１２は、絶縁体１０４と同様に過剰酸素を有する絶縁体としてもよい。このような絶縁
体１１２を設けることにより、絶縁体１１２から絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよび
絶縁体１０６に酸素を供給することができる。
【０１６８】
絶縁体１１２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、ア
ルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム
、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層
で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体１１２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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。
【０１６９】
導電体１１４はトランジスタ１０のゲート電極として機能することができる。導電体１１
４としては、導電体１０２と同様にして形成すればよい。
【０１７０】
ここで、図１（Ｃ）に示すように、導電体１０２および導電体１１４による電界によって
、半導体１０６ｂを電気的に取り囲むことができる（なお、導電体から生じる電界によっ
て、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎ
ｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。）。そのため、半導体１０６ｂの全体（上面
、下面および側面）にチャネルが形成される。ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トランジス
タのソースおよびドレイン間に大きな電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）
を高くすることができる。
【０１７１】
また、高いオン電流が得られるため、ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ構造は、微細化されたトランジ
スタに適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する
半導体装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例え
ば、トランジスタは、チャネル長が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ
以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が
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
の領域を有する。
【０１７２】
絶縁体１１６は、トランジスタ１０の保護絶縁膜として機能することができる。ここで絶
縁体１１６の膜厚としては、例えば１ｎｍ以上、または２０ｎｍ以上とすることができる
。また、絶縁体１１６は少なくとも一部が絶縁体１０４または絶縁体１１２の上面と接し
て形成されることが好ましい。
【０１７３】
絶縁体１１６としては、例えば、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウ
ム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコ
ニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、また
は積層で用いればよい。絶縁体１１６は酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金
属等をブロックする効果を有することが好ましい。このような絶縁体としては、例えば、
窒化物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化
シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、窒化物絶縁膜の代
わりに、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸
化物絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒
化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフ
ニウム等がある。
【０１７４】
ここで絶縁体１１６の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましく、酸素を含
む雰囲気下でスパッタリング法を用いて行うことがより好ましい。スパッタリング法で絶
縁体１１６の成膜をおこなうことにより、成膜と同時に絶縁体１０４または絶縁体１１２
の表面（絶縁体１１６成膜後は絶縁体１０４または絶縁体１１２と絶縁体１１６の界面）
近傍に酸素が添加される。
【０１７５】
絶縁体１１６は、絶縁体１０４および絶縁体１１２より酸素を透過させにくい絶縁体であ
り、酸素をブロックする効果を有することが好ましい。このような絶縁体１１６を設ける
ことにより、絶縁体１０４および絶縁体１１２から絶縁体１０６ａ、半導体１０６ｂおよ
び絶縁体１０６ｃに酸素を供給する際に、当該酸素が絶縁体１１６の上方に外部放出され
てしまうことを防ぐことができる。
【０１７６】
なお、酸化アルミニウムは、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透
過させない遮断効果が高いので絶縁体１１６に適用するのに好ましい。
【０１７７】
また、絶縁体１１６は、上述の絶縁体１０６ａまたは絶縁体１０６ｃとして用いることが
できる酸化物を用いることもできる。これらの酸化物はスパッタリング法を用いて比較的
容易に成膜できるため、絶縁体１０４および絶縁体１１２に効果的に酸素を添加すること
ができる。このような絶縁体１１６としては、Ｉｎを含む酸化絶縁物を用いることが好ま
しく、例えば、Ｉｎ−Ａｌ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いれ
ばよい。Ｉｎを含む酸化絶縁物はスパッタリング法で成膜する際に発生するパーティクル
数が少ないので、絶縁体１１６として用いるのに好適である。
【０１７８】
絶縁体１１８は、層間絶縁膜として機能する。絶縁体１１８としては、絶縁体１０５など
と同様にして形成すればよい。
【０１７９】
導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂは、トランジスタ１０のソース電極またはドレイン
電極に電気的に接続された配線として機能する。導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂと
しては、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂとして用いることができる導電体を用いれ
ばよい。それにより、耐熱性および耐酸化性を有する配線として機能することができる。
【０１８０】
以上のような構成とすることにより、耐熱性および耐酸化性を有する導電体を用いたトラ
ンジスタを提供することができる。安定した電気特性を有するトランジスタを提供するこ
とができる。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができ
る。または、高い周波数特性を有するトランジスタを提供することができる。または、ノ
ーマリーオフの電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、サブス
レッショルドスイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性
の高いトランジスタを提供することができる。
【０１８１】
＜トランジスタ変形例＞
以下、トランジスタ１０の変形例について図７乃至図１２を用いて説明する。なお、図７
乃至図１２は、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）と同様に、トランジスタのチャネル長方向の
断面図とトランジスタのチャネル幅方向の断面図になる。
【０１８２】
図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すトランジスタ１２は、導電体１０８ａの表面にシリコ
ンおよび酸素を有する領域１０８ｃを有し、また導電体１０８ｂの表面に、シリコンおよ
び酸素を有する領域１０８ｄを有する点において、トランジスタ１０と異なる。なお、図
７（Ａ）における一点鎖線で囲んだ部分について拡大した図を、図７（Ｃ）に示す。
【０１８３】
領域１０８ｃおよび領域１０８ｄは、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂの表面に酸素
が供給され、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂ中のシリコンが表面に偏析して酸素と
結合することによって形成される。また、領域１０８ｃおよび領域１０８ｄは、絶縁体と
して機能することができる場合がある。そのため、図７（Ｃ）に示すように、例えば導電
体１１４と、導電体１０８ａと、の間に絶縁体として機能する領域１０８ｃが設けられる
ことによって、導電体１１４と、導電体１０８ａと、の間の寄生容量が低減される。同様
にして、領域１０８ｄが設けられることで、導電体１１４と、導電体１０８ｂと、の間の
寄生容量も低減される。寄生容量が低減されることにより、トランジスタ１２の電気特性
を向上させることができる。
【０１８４】
また、絶縁体として機能する領域１０８ｃおよび領域１０８ｄが設けられることによって
、導電体１１４と、導電体１０８ａまたは導電体１０８ｂと、の間のリーク電流も低減さ
せることができる。
【０１８５】
また、領域１０８ｃおよび領域１０８ｄの厚さが薄すぎると、絶縁体として十分な機能を
有することができず、また厚すぎると、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂの領域が小
さくなり、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂの電気抵抗値が増加してしまう。そのた
め、領域１０８ｃおよび領域１０８ｄの厚さは０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であると好ま
しい。
【０１８６】
領域１０８ｃおよび領域１０８ｄは、大気中に暴露させるだけで自然と形成できる場合も
ある。また、意図的に形成させることもできる。意図的に形成させる方法としては、例え
ば酸化性雰囲気で熱処理を行えばよい。また、酸素を有する雰囲気にてプラズマ処理を行
ってもよい。プラズマ処理は、例えば周波数が２．４５ＧＨｚの電源を用いた高密度プラ
ズマ処理を用いると好ましい。また、その際、半導体１０６ｂにも酸素が添加されること
によって、半導体１０６ｂの酸素欠損を補償させてもよい。
【０１８７】
図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示すトランジスタ１６は、導電体１０２、絶縁体１０１、
絶縁体１０５が形成されていない点においてトランジスタ１０と異なる。
【０１８８】
図８（Ｃ）および図８（Ｄ）に示すトランジスタ１８は、導電体１１４が、絶縁体１１２
、絶縁体１０６ｃ、絶縁体１０４、絶縁体１０３、絶縁体１０５などに形成された開口部
を介して導電体１０２と接続される点においてトランジスタ１０と異なる。
【０１８９】
図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示すトランジスタ２０は、絶縁体１０７が絶縁体１０１上
に設けられており、絶縁体１０７に設けられた開口部に導電体１０２が埋め込まれている
点において、トランジスタ１０と異なる。ここで、絶縁体１０７としては、絶縁体１０５
として用いることができる絶縁体を用いればよい。また、絶縁体１０７および導電体１０
２の上面は、ＣＭＰ法などによって平坦化処理を行って平坦性の向上を図ることが好まし
い。これにより、バックゲートとして機能する導電体１０２を設けても、半導体１０６ｂ
を形成する面の平坦性が損なわれないため、キャリアの移動度を向上させ、トランジスタ
２０のオン電流を増大させることができる。また、導電体１０２の形状に起因する絶縁体
１０４表面の段差がなくなることにより、導電体１０８ａまたは導電体１０８ｂのドレイ
ンとして機能するものと、導電体１０２と、の間で、絶縁体１０４の段差部を介して発生
するリーク電流を低減することができる。これによりトランジスタ２０のオフ電流を低減
することができる。
【０１９０】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すトランジスタ２２は、導電体１０８ａ、導電体１
０８ｂおよび絶縁体１０４上に絶縁体１１７が設けられ、絶縁体１１７には半導体１０６
ｂに達する開口部が設けられている。当該開口部に絶縁体１０６ｃ、絶縁体１１２、導電
体１１４が埋め込まれるように設けられている点において、トランジスタ１０と異なる。
また、当該開口部によって、導電体１０８ａと、導電体１０８ｂと、は、離間させられて
いる。トランジスタ２２は、ゲート電極として機能することができる導電体１１４が、絶
縁体１１７に設けられる開口部を埋めるように、自己整合（ｓｅｌｆ  ａｌｉｇｎ）的に
形成されるので、ＴＧＳＡ  ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ  ＦＥＴ（Ｔｒｅｎｃｈ  Ｇａｔｅ  Ｓ
ｅｌｆ  Ａｌｉｇｎ  ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ  ＦＥＴ）と呼ぶこともできる。
【０１９１】
ここで、絶縁体１１７は、絶縁体１０４に用いることができる絶縁体を用いて形成すれば
よい。また、絶縁体１１７の上面はＣＭＰ法などによって平坦化してもよい。
【０１９２】
トランジスタ２２では、導電体１０８ａと導電体１１４の間に絶縁体１１７、絶縁体１０
６ｃおよび絶縁体１１２が設けられる。また、導電体１０８ｂと導電体１１４の間に絶縁
体１１７、絶縁体１０６ｃおよび絶縁体１１２が設けられる。よって、導電体１０８ａの
上面と導電体１１４の下面の間の距離、および導電体１０８ｂの上面と導電体１１４の下
面の間の距離を、絶縁体１１７の膜厚の分だけ広げることができる。これにより、導電体
１１４と導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂが重なる領域に発生する寄生容量を低減す
ることができる。寄生容量を低減することにより、トランジスタのスイッチング速度を向
上させることができるので、高い周波数特性を有するトランジスタを提供することができ
る。
【０１９３】
図１０（Ｃ）および図１０（Ｄ）に示すトランジスタ２４は、絶縁体１１７、絶縁体１０
６ｃ、絶縁体１１２および導電体１１４の上面が概略一致しており、平坦に設けられてい
る点において、トランジスタ２２と異なる。このように形成するために、絶縁体１１７、
絶縁体１０６ｃ、絶縁体１１２および導電体１１４の上面はＣＭＰ法などによって平坦化
すればよい。
【０１９４】
このような構造にすることにより、導電体１１４と導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂ
が重なる領域がほぼ形成されなくなるので、トランジスタ２４のゲート―ソース間、およ
びゲート―ドレイン間に発生する寄生容量を低減することができる。寄生容量を低減する
ことにより、トランジスタのスイッチング速度を向上させることができるので、高い周波
数特性を有するトランジスタを提供することができる。
【０１９５】
図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）に示すトランジスタ２９は、絶縁体１０７が絶縁体１０
１上に設けられており、絶縁体１０７中の開口部に導電体１０２が埋め込まれている点に
おいて、トランジスタ２４と異なる。また、絶縁体１０６ｃが、絶縁体１０６ａおよび半
導体１０６ｂを覆っている点も、トランジスタ２４と異なる。トランジスタ２９は、絶縁
体１１７の開口部の側面に絶縁体１０６ｃが設けられない。そのため、絶縁体１１７の開
口部における導電体１１４のチャネル長方向の長さを、トランジスタ２４などよりも長く
することができる。
【０１９６】
なお、トランジスタ２９において、導電体１０８ａの表面にシリコンおよび酸素を有する
領域１０８ｃを有し、また導電体１０８ｂの表面に、シリコンおよび酸素を有する領域１
０８ｄを有する点も、トランジスタ２４と異なる。領域１０８ｃおよび領域１０８ｄは、
図７に示すトランジスタ１２と同様にして形成すればよい。
【０１９７】
ただし、領域１０８ｃおよび領域１０８ｄは、トランジスタ１２、トランジスタ２９の場
合だけに限定されない。例えば、他のトランジスタが領域１０８ｃおよび領域１０８ｄを
有していても構わない。
【０１９８】
図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示すトランジスタ２６は、導電体１０８ａおよび導電
体１０８ｂが設けられていない点、および導電体１１４および絶縁体１１２の側面端部が
概略一致して設けられている点において、トランジスタ１０と異なる。
【０１９９】
トランジスタ２６において、低抵抗領域１０９ａおよび低抵抗領域１０９ｂは、絶縁体１
１６に含まれる元素の少なくとも一が含まれていてもよい。また、低抵抗領域１０９ａお
よび低抵抗領域１０９ｂには、電気抵抗を下げるために様々な元素が添加されていてもよ
い。
【０２００】
低抵抗領域１０９ａおよび低抵抗領域１０９ｂに添加される元素としては、例えば、ホウ
素、リン、窒素、アルゴン、ヘリウム、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン
、バナジウム、クロム、ニッケル、コバルト、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウ
ム、ニオブ、モリブデン、インジウム、スズ、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウ
ム、タンタルまたはタングステンなどが好ましい。例えば、低抵抗領域１０９ａおよび低
抵抗領域１０９ｂに上記の元素が１×１０１４／ｃｍ２以上２×１０１６／ｃｍ２以下含
まれることが好ましい。また、絶縁体１０６ｃにおける、低抵抗領域１０９ａおよび低抵
抗領域１０９ｂは、絶縁体１０６ｃの低抵抗領域１０９ａおよび低抵抗領域１０９ｂでは
ない領域（例えば、絶縁体１０６ｃの導電体１１４と重なる領域）より、上述の元素の濃
度が高い。
【０２０１】
また、トランジスタ２６では、半導体１０６ｂが絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６ｃに
よって包み込まれるように設けられている。よって、半導体１０６ｂの側面端部、特にチ
ャネル幅方向の側面端部近傍が、絶縁体１０６ａおよび絶縁体１０６ｃと接して設けられ
ていることにより、半導体１０６ｂの側面端部近傍において、絶縁体１０６ａまたは絶縁
体１０６ｃとの間に連続接合が形成され、欠陥準位密度が低減される。よって、低抵抗領
域１０９ａおよび低抵抗領域１０９ｂを設けることによりオン電流が流れやすくなっても
、半導体１０６ｂのチャネル幅方向の側面端部が寄生チャネルとならず、安定した電気特
性を得ることができる。なお、絶縁体１０６ａまたは／および絶縁体１０６ｃが無い構成
としてもよい。
【０２０２】
図１２（Ｃ）および図１２（Ｄ）に示すトランジスタ２８は、絶縁体１１２および導電体
１１４が設けられていない点において、トランジスタ１０と異なる。つまり、トランジス
タ２８は、所謂ボトムゲート型のトランジスタである。
【０２０３】
また本実施の形態では、トランジスタのゲート電極、ソース電極またはドレイン電極など
に、タングステンと、シリコン、炭素、ゲルマニウム、スズ、アルミニウムまたはニッケ
ルから選ばれた一以上の元素と、を有する領域を有する導電体を用いる構成について示し
たが、これに限られない。例えば、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａ
ｌ）などの容量素子における電極に、タングステンと、シリコン、炭素、ゲルマニウム、
スズ、アルミニウムまたはニッケルから選ばれた一以上の元素と、を有する領域を有する
導電体を用いてもよい。またその際、該導電体の表面にシリコンおよび酸素を有する領域
を有し、絶縁体と機能することができる該領域を、容量素子の誘電体として使用する構成
としてもよい。
【０２０４】
本実施の形態により、耐熱性および耐酸化性を有する導電体を用いたトランジスタを提供
することができる。
【０２０５】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合
わせて用いることができる。
【０２０６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法について、図１３乃至図
１９を用いて説明する。
【０２０７】
＜トランジスタの作製方法１＞
以下に、図１３乃至図１５を用いてトランジスタ１０の作製方法について説明する。
【０２０８】
まずは、基板１００を準備する。基板１００に用いる基板としては上述の基板を用いれば
よい。
【０２０９】
次に、絶縁体１０１を成膜する。絶縁体１０１としては上述の絶縁体を用いればよい。
【０２１０】
絶縁体１０１の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  
Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌ
ａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法またはパルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ  
Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅ
ｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
【０２１１】
次に、導電体１０２となる導電体を成膜する。導電体１０２となる導電体としては、上述
の導電体を用いることができる。導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ
法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０２１２】
次に、導電体上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、導電体１０２
を形成する（図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）参照。）。なお、単にレジストを形成する
という場合、レジストの下に反射防止層を形成する場合も含まれる。
【０２１３】
レジストは、対象物をエッチングなどによって加工した後で除去する。レジストの除去に
は、プラズマ処理または／およびウェットエッチングを用いる。なお、プラズマ処理とし
ては、プラズマアッシングが好適である。レジストなどの除去が不十分な場合、０．００
１ｖｏｌｕｍｅ％以上１ｖｏｌｕｍｅ％以下の濃度のフッ化水素酸または／およびオゾン
水などによって取り残したレジストなどを除去しても構わない。
【０２１４】
次に、絶縁体１０５を成膜する。絶縁体１０５としては上述の絶縁体を用いればよい。絶
縁体１０５の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法
などを用いて行うことができる。また、絶縁体１０５中に含まれる水、または水素を低減
するために基板を加熱しながら成膜を行ってもよい。例えば、トランジスタ１０より下に
半導体素子層が設けられている場合に比較的低い温度範囲（例えば、３５０℃以上４４５
℃以下程度の温度範囲）で加熱してもよい。
【０２１５】
また、後述する絶縁体１０４と同様の方法を用いてＰＥＣＶＤ法で成膜することにより、
絶縁体１０５に含まれる水、または水素を低減してもよい。
【０２１６】
次に、絶縁体１０３を成膜する。絶縁体１０３としては上述の絶縁体を用いればよい。絶
縁体１０３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法
などを用いて行うことができる。また、絶縁体１０３中に含まれる水、または水素を低減
するために基板を加熱しながら成膜を行ってもよい。例えば、トランジスタ１０より下に
半導体素子層が設けられている場合に比較的低い温度範囲（例えば、３５０℃以上４４５
℃以下程度の温度範囲）で加熱してもよい。
【０２１７】
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ  Ｅ
ｎｈａｎｃｅｄ  ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ  ＣＶ
Ｄ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ  ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用い
る原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（
ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  ＣＶＤ）法に分けることができる。
【０２１８】
ＰＥＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、ＴＣＶＤ法は、プラズマを
用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である
。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）など
は、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積
した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある
。一方、プラズマを用いないＴＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じない
ため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、ＴＣＶＤ法では、成膜中の
プラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
【０２１９】
また、ＡＬＤ法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法で
ある。また、ＡＬＤ法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が
得られる。
【０２２０】
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲットなどから放出される粒子が堆積する成膜方法とは
異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって
、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に
、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の
高い開口部の表面を被覆する場合などに好適である。またこれにより、成膜した膜にピン
ホールなどが形成れにくくなる。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜
速度の速いＣＶＤ法などの他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある
。
【０２２１】
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御するこ
とができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の
組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜し
ながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜す
ることができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用い
て成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くす
ることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
【０２２２】
従来のＣＶＤ法を利用した成膜装置は、成膜の際、反応のための原料ガスの１種または複
数種がチャンバーに同時に供給される。ＡＬＤ法を利用した成膜装置は、反応のための原
料ガス（プリカーサとも呼ぶ）と反応剤として機能するガス（リアクタントとも呼ぶ）を
交互にチャンバーに導入し、これらのガスの導入を繰り返すことで成膜を行う。なお、導
入ガスの切り替えは、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
切り替えて行うことができる。
【０２２３】
例えば、以下のような手順で成膜を行う。まず、プリカーサをチャンバーに導入し、基板
表面にプリカーサを吸着させる（第１ステップ）。ここで、プリカーサが基板表面に吸着
することにより、表面化学反応の自己停止機構が作用し、基板上のプリカーサの層の上に
さらにプリカーサが吸着することはない。なお、表面化学反応の自己停止機構が作用する
基板温度の適正範囲をＡＬＤ  Ｗｉｎｄｏｗとも呼ぶ。ＡＬＤ  Ｗｉｎｄｏｗは、プリカ
ーサの温度特性、蒸気圧、分解温度などによって決まる。次に、不活性ガス（アルゴン、
或いは窒素など）などをチャンバーに導入し、余剰なプリカーサや反応生成物などをチャ
ンバーから排出する（第２ステップ）。また、不活性ガスを導入する代わりに真空排気に
よって、余剰なプリカーサや反応生成物などをチャンバーから排出してもよい。次に、リ
アクタント（例えば、酸化剤（Ｈ２Ｏ、Ｏ３など））をチャンバーに導入し、基板表面吸
着したプリカーサと反応させて、膜の構成分子を基板に吸着させたままプリカーサの一部
を除去する（第３ステップ）。次に、不活性ガスの導入または真空排気によって、余剰な
リアクタントや反応生成物などをチャンバーから排出する（第４ステップ）。
【０２２４】
なお、第３ステップにおけるリアクタントの導入と、第４ステップにおける不活性ガスの
導入を複数回繰り返し行ってもよい。つまり、第１ステップ、第２ステップの後に、第３
ステップ、第４ステップ、第３ステップ、第４ステップ…、と第３ステップと第４ステッ
プを繰り返し行ってもよい。
【０２２５】
例えば、第３ステップで酸化剤としてＯ３を導入し、第４ステップでＮ２パージを行い、
この工程を複数回繰り返してもよい。
【０２２６】
また、第３ステップと第４ステップを繰り返す場合、必ずしも同じ種類のリアクタントの
導入を繰り返す必要はない。例えば、１回目の第３ステップで酸化剤としてＨ２Ｏを用い
、２回目以降の第３ステップで酸化剤としてＯ３を用いてもよい。
【０２２７】
このようにして、チャンバー内で酸化剤の導入と不活性ガスの導入（または真空排気）を
短時間で複数回繰り返すことで、基板表面に吸着したプリカーサから、余分な水素原子な
どをより確実に取り除き、チャンバーの外に排除することができる。また、酸化剤の種類
を２種類に増やすことにより、基板表面に吸着したプリカーサから、余分な水素原子など
をより多く取り除くことができる。このように、成膜中に水素原子が膜中に取り込まれな
いようにすることにより成膜した絶縁体１０３などに含まれる水、水素などを低減するこ
とができる。
【０２２８】
このようにして、基板表面に第１の単一層を成膜することができ、第１乃至第４ステップ
を再び行うことで、第１の単一層の上に第２の単一層を積層することができる。第１乃至
第４ステップを、ガス導入を制御しつつ、膜が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、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、微細なトランジスタを作
製する場合に適している。
【０２２９】
ＡＬＤ法は、熱エネルギーを用いてプリカーサを反応させて行う成膜方法である。さらに
、上記のリアクタントの反応において、プラズマを用いてリアクタントをラジカル状態と
して処理を行うＡＬＤ法をプラズマＡＬＤ法と呼ぶことがある。またこれに対して、プリ
カーサおよびリアクタントの反応を熱エネルギーで行うＡＬＤ法を熱ＡＬＤ法と呼ぶこと
がある。
【０２３０】
ＡＬＤ法は、極めて薄い膜を均一な膜厚で成膜することができる。また、凹凸を有する面
に対しても、表面被覆率が高い。
【０２３１】
また、プラズマＡＬＤ法により成膜することで、熱ＡＬＤ法に比べてさらに低温での成膜
が可能となる。プラズマＡＬＤ法は、例えば、１００度以下でも成膜速度を低下させずに
成膜することができる。また、プラズマＡＬＤ法では、酸化剤だけでなく、窒素ガスなど
多くのリアクタントを用いることができるので、酸化物だけでなく、窒化物、フッ化物、
金属など多くの種類の膜を成膜することができる。
【０２３２】
また、プラズマＡＬＤ法を行う場合には、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌ
ｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）などのように基板から離れた状態でプラズマを発生させることもで
きる。このようにプラズマを発生させることにより、プラズマダメージを抑えることがで
きる。
【０２３３】
ここで、ＡＬＤ法を用いて成膜することが可能な装置の一例として、成膜装置１０００の
構成について、図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）を用いて説明する。図１６（Ａ）は、マ
ルチチャンバー型の成膜装置１０００の模式図であり、図１６（Ｂ）は、成膜装置１００
０に用いることができるＡＬＤ装置の断面図である。
【０２３４】
＜成膜装置の構成例＞
成膜装置１０００は、搬入室１００２と、搬出室１００４と、搬送室１００６と、成膜室
１００８と、成膜室１００９と、成膜室１０１０と、搬送アーム１０１４と、を有する。
ここで、搬入室１００２、搬出室１００４、成膜室１００８乃至１０１０は、搬送室１０
０６と接続されている。これにより、成膜室１００８乃至１０１０において大気に曝すこ
となく、連続成膜を行うことができ、膜中に不純物が混入するのを防ぐことができる。
【０２３５】
なお、搬入室１００２、搬出室１００４、搬送室１００６、成膜室１００８乃至１０１０
は、水分の付着などを防ぐため、露点が管理された不活性ガス（窒素ガス等）を充填させ
ておくことが好ましく、減圧を維持させることが望ましい。
【０２３６】
また、成膜室１００８乃至１０１０には、ＡＬＤ装置を用いることができる。また、成膜
室１００８乃至１０１０のいずれかにＡＬＤ装置以外の成膜装置を用いる構成としてもよ
い。成膜室１００８乃至１０１０に用いる成膜装置としては、例えば、スパッタリング装
置、ＰＥＣＶＤ装置、ＴＣＶＤ装置、ＭＯＣＶＤ装置などがある。
【０２３７】
例えば、成膜室１００８乃至１０１０に、ＡＬＤ装置とＰＥＣＶＤ装置を設ける構成とす
ることで、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すトランジスタ１０の酸化シリコンからなる絶縁体１０
５をＰＥＣＶＤ法で成膜し、酸化ハフニウムからなる絶縁体１０３をＡＬＤ法で成膜し、
ハロゲンを含む酸化シリコンからなる絶縁体１０４をＰＥＣＶＤ法で成膜することができ
る。一連の成膜は膜を大気に曝すことなく、連続で行われるので、膜中に不純物が混入す
ることなく成膜を行うことができる。
【０２３８】
また、成膜装置１０００は、搬入室１００２、搬出室１００４、成膜室１００８乃至１０
１０を有する構成としているが、本発明はこれに限られるものではない。成膜装置１００
０の成膜室を４個以上にする構成としてもよいし、熱処理やプラズマ処理を行うための処
理室を追加する構成としてもよい。また、成膜装置１０００は枚葉式としてもよいし、複
数の基板を一括で成膜するバッチ式にしてもよい。
【０２３９】
＜ＡＬＤ装置＞
次に、成膜装置１０００に用いることができるＡＬＤ装置の構成について説明する。ＡＬ
Ｄ装置は、成膜室（チャンバー１０２０）と、原料供給部１０２１ａ、１０２１ｂと、流
量制御器である高速バルブ１０２２ａ、１０２２ｂと、原料導入口１０２３ａ、１０２３
ｂと、原料排出口１０２４と、排気装置１０２５を有する。チャンバー１０２０内に設置
される原料導入口１０２３ａ、１０２３ｂは供給管やバルブを介して原料供給部１０２１
ａ、１０２１ｂとそれぞれ接続されており、原料排出口１０２４は、排出管やバルブや圧
力調整器を介して排気装置１０２５と接続されている。
【０２４０】
また、図１６（Ｂ）に示すようにチャンバー１０２０にプラズマ発生装置１０２８を接続
することにより、熱ＡＬＤ法に加えて、プラズマＡＬＤ法で成膜を行うことができる。プ
ラズマＡＬＤ法では、低温でも成膜レートを落とさず成膜ができるので、成膜効率の低い
枚葉式の成膜装置で用いるとよい。
【０２４１】
チャンバー内部にはヒータを備えた基板ホルダ１０２６があり、その基板ホルダ１０２６
上に被成膜させる基板１０３０を配置する。
【０２４２】
原料供給部１０２１ａ、１０２１ｂでは、気化器や加熱手段などによって固体の原料や液
体の原料から原料ガスを形成する。または、原料供給部１０２１ａ、１０２１ｂは、気体
の原料ガスを供給する構成としてもよい。
【０２４３】
また、原料供給部１０２１ａ、１０２１ｂを２つ設けている例を示しているが特に限定さ
れず、３つ以上設けてもよい。また、高速バルブ１０２２ａ、１０２２ｂは時間で精密に
制御することができ、原料ガスと不活性ガスのいずれか一方を供給する構成となっている
。高速バルブ１０２２ａ、１０２２ｂは原料ガスの流量制御器であり、かつ、不活性ガス
の流量制御器とも言える。
【０２４４】
図１６（Ｂ）に示す成膜装置では、基板１０３０を基板ホルダ１０２６上に搬入し、チャ
ンバー１０２０を密閉状態とした後、基板ホルダ１０２６のヒータ加熱により基板１０３
０を所望の温度（例えば、８０℃以上、１００℃以上または１５０℃以上）とし、原料ガ
スの供給と、排気装置１０２５による排気と、不活性ガスの供給と、排気装置１０２５に
よる排気とを繰りかえすことで薄膜を基板表面に形成する。
【０２４５】
図１６（Ｂ）に示す成膜装置では、原料供給部１０２１ａ、１０２１ｂで用いる原料（揮
発性有機金属化合物など）を適宜選択することにより、ハフニウム、アルミニウム、タン
タル、ジルコニウム等から選択された一種以上の元素を含む酸化物（複合酸化物も含む）
を含んで構成される絶縁層を成膜することができる。具体的には、酸化ハフニウムを含ん
で構成される絶縁層、酸化アルミニウムを含んで構成される絶縁層、ハフニウムシリケー
トを含んで構成される絶縁層、またはアルミニウムシリケートを含んで構成される絶縁層
などを成膜することができる。また、原料供給部１０２１ａ、１０２１ｂで用いる原料（
揮発性有機金属化合物など）を適宜選択することにより、タングステン層、チタン層など
の金属層や、窒化チタン層などの窒化物層などの薄膜を成膜することもできる。
【０２４６】
例えば、ＡＬＤ装置により酸化ハフニウム層を形成する場合には、溶媒とハフニウム前駆
体化合物を含む液体（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
（ＴＤＭＡＨ）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。この場合、原料供給部１０２１ａから供給する第１の
原料ガスがＴＤＭＡＨであり、原料供給部１０２１ｂから供給する第２の原料ガスがオゾ
ンとなる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はＨｆ［Ｎ（ＣＨ３）２
］４である。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。
【０２４７】
ＡＬＤ装置により酸化アルミニウム層を形成する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化
合物（ＴＭＡ：トリメチルアルミニウムなど）を含む液体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。この場合、原料供給部１０２１ａから供給する
第１の原料ガスがＴＭＡであり、原料供給部１０２１ｂから供給する第２の原料ガスがＨ
２Ｏとなる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はＡｌ（ＣＨ３）３である。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。
【０２４８】
なお、ＡＬＤ装置によりタングステン層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層を形成し、その後、ＷＦ６ガスとＨ２ガスを
用いてタングステン層を形成する。なお、Ｂ２Ｈ６ガスに代えてＳｉＨ４ガスを用いても
よい。これらのガスは、マスフローコントローラによって制御する装置構成としてもよい
。
【０２４９】
次に、絶縁体１０４を成膜する（図１３（Ｃ）および図１３（Ｄ）参照）。絶縁体１０４
としては上述の絶縁体を用いればよい。絶縁体１０４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶ
Ｄ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０２５０】
絶縁体１０４の成膜は、ＣＶＤ法を用いて行うことが好ましく、特にＰＥＣＶＤ法を用い
て行うことが好ましい。
【０２５１】
絶縁体１０４をＰＥＣＶＤ法で成膜する場合、原料ガスとしては、水素を含まないまたは
水素の含有量が少ない物質を用いることが好ましく、例えば、ハロゲン化物を用いること
が好ましい。例えば、絶縁体１０４として酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを成膜す
る場合、原料ガスとしてハロゲン化シリコンを用いることが好ましく、例えば、ＳｉＦ４
（四フッ化シリコン）、ＳｉＣｌ４（四塩化シリコン）、ＳｉＨＣｌ３（三塩化シリコン
）、ＳｉＨ２Ｃｌ２（ジクロルシラン）またはＳｉＢｒ４（四臭化シリコン）などを用い
ることができる。
【０２５２】
絶縁体１０４をＰＥＣＶＤ法で成膜する際、酸化性ガス（例えばＮ２Ｏなど）を導入して
成膜を行う。上記ハロゲン化シリコンはＳｉＨ４と比較すると反応性が低いため、酸化性
ガスが絶縁体１０３に作用しやすい。これにより、絶縁体１０３中に含まれる水または水
素が当該酸化性ガスによって脱離され、絶縁体１０３中に含まれる水、水素量の低減を図
ることができる可能性がある。
【０２５３】
また、絶縁体１０４の成膜に、原料ガスとしてハロゲン化シリコンを用いる場合、ハロゲ
ン化シリコンに加えてシリコン水素化物を加えてもよい。これにより、シリコン水素化物
だけを原料ガスにした場合より絶縁体１０４中の水素、水の含有量を減らし、且つハロゲ
ン化シリコンだけを原料ガスとした場合より成膜速度の向上を図ることができる。例えば
、ＳｉＦ４とＳｉＨ４を原料ガスとして絶縁体１０４の成膜を行えばよい。例えば、Ｓｉ
Ｈ４の流量を１ｓｃｃｍより大きく１０ｓｃｃｍ未満、より好ましくは、２ｓｃｃｍ以上
４ｓｃｃｍ以下とすることにより、絶縁体１０４中の水、水素の含有量と成膜速度の両方
を比較的良好に得ることができる。ただし、ＳｉＦ４およびＳｉＨ４の流量の割合は、絶
縁体１０４中の水、水素の含有量と成膜速度を考慮して適宜設定することができる。
【０２５４】
また、絶縁体１０４中に含まれる水、または水素を低減するために基板を加熱しながら成
膜を行うことが好ましい。
【０２５５】
また、後で形成する半導体１０６ｂの上面または下面は平坦性が高いことが好ましい。こ
のため、絶縁体１０４の上面にＣＭＰ処理などの平坦化処理を行って平坦性の向上を図っ
てもよい。
【０２５６】
次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、絶縁体１０５、絶縁体１
０３および絶縁体１０４中の水、または水素をさらに低減させることができる。また、絶
縁体１０４に過剰酸素を有せしめることができる場合がある。加熱処理は、２５０℃以上
６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下、さらに好ましくは５２０℃以上５
７０℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐ
ｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行っても
よい。または、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補う
ために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を
行ってもよい。加熱処理によって、絶縁体１２６ａおよび半導体１２６ｂの結晶性を高め
ることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。加熱処理は、ランプ加熱
によるＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用いることも
できる。ＲＴＡ装置による加熱処理は、炉と比べて短時間で済むため、生産性を高めるた
めに有効である。
【０２５７】
なお、トランジスタ１０より下に半導体素子層が設けられている場合、比較的低い温度範
囲（例えば、３５０℃以上４４５℃以下程度の温度範囲）で加熱することができる。例え
ば、絶縁体１０５、絶縁体１０３および絶縁体１０４の成膜時の基板加熱温度のいずれか
のうち最も高い加熱温度以下とすることが好ましい。
【０２５８】
次に、絶縁体１２６ａを成膜する。絶縁体１２６ａとしては上述の絶縁体１０６ａとして
用いることができる絶縁体または半導体などを用いればよい。絶縁体１２６ａの成膜は、
スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うこと
ができる。
【０２５９】
次に、半導体１２６ｂを成膜する。半導体１２６ｂとしては上述の半導体１０６ｂとして
用いることができる半導体を用いればよい。半導体１２６ｂの成膜は、スパッタリング法
、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。なお、
絶縁体１２６ａの成膜と、半導体１２６ｂの成膜と、を大気に暴露することなく連続で行
うことで、膜中および界面への不純物の混入を低減することができる。
【０２６０】
次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、絶縁体１２６ａ、半導体
１７６ｂの水素濃度を低減させることができる場合がある。また、絶縁体１２６ａおよび
半導体１２６ｂの酸素欠損を低減させることができる場合がある。加熱処理は、２５０℃
以上６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下、さらに好ましくは５２０℃以
上５７０℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０
ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行っ
てもよい。または、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を
補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処
理を行ってもよい。加熱処理によって、絶縁体１２６ａおよび半導体１２６ｂの結晶性を
高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。加熱処理は、ランプ
加熱によるＲＴＡ装置を用いることもできる。ＲＴＡ装置による加熱処理は、炉と比べて
短時間で済むため、生産性を高めるために有効である。絶縁体１２６ａおよび半導体１２
６ｂとしてＣＡＡＣ−ＯＳを用いる場合、加熱処理を行うことで、ピーク強度が高くなり
、半値全幅が小さくなる。即ち、加熱処理によってＣＡＡＣ−ＯＳの結晶性が高くなる。
【０２６１】
なお、トランジスタ１０より下に半導体素子層が設けられている場合、比較的低い温度範
囲（例えば、３５０℃以上４４５℃以下程度の温度範囲）で加熱することができる。例え
ば、絶縁体１０５、絶縁体１０３および絶縁体１０４の成膜時の基板加熱温度、または絶
縁体１０４成膜後の加熱処理の温度、のいずれかのうち最も高い加熱温度以下とすること
が好ましい。上記に示す方法で絶縁体１０４を成膜することにより絶縁体１０４中の水、
水素などを十分除去できているので、絶縁体１２６ａおよび半導体１２６ｂに水または水
素が供給されるのを十分低減することができる。
【０２６２】
当該加熱処理により、絶縁体１０４から絶縁体１２６ａ、および半導体１２６ｂに酸素を
供給することができる。絶縁体１０４に対して加熱処理を行うことにより、極めて容易に
酸素を絶縁体１２６ａおよび半導体１２６ｂに供給することができる。
【０２６３】
ここで、絶縁体１０３は、酸素をブロックするバリア膜として機能する。絶縁体１０３が
絶縁体１０４の下に設けられていることにより、絶縁体１０４中に拡散した酸素が絶縁体
１０４より下層に拡散することを防ぐことができる。
【０２６４】
このように絶縁体１２６ａおよび半導体１２６ｂに酸素を供給し、酸素欠損を低減させる
ことにより、欠陥準位密度の低い、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体
とすることができる。
【０２６５】
また、高密度プラズマ処理などを行ってもよい。高密度プラズマは、マイクロ波を用いて
生成すればよい。高密度プラズマ処理では、例えば、酸素、亜酸化窒素などの酸化性ガス
を用いればよい。または、酸化性ガスと、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガスと、の混
合ガスを用いてもよい。高密度プラズマ処理において、基板にバイアスを印加してもよい
。これにより、プラズマ中の酸素イオンなどを基板側に引き込むことができる。高密度プ
ラズマ処理は基板を加熱しながら行ってもよい。例えば、上記加熱処理の代わりに高密度
プラズマ処理を行う場合、上記加熱処理の温度より低温で同様の効果を得ることができる
。高密度プラズマ処理は、絶縁体１２６ａの成膜前に行ってもよいし、後述する絶縁体１
２６ａの成膜前に行ってもよいし、絶縁体１１２の成膜後に行ってもよいし、絶縁体１１
６の成膜後などに行ってもよい。
【０２６６】
次に、導電体１２８を成膜する（図１３（Ｅ）および図１３（Ｆ）参照。）。導電体１２
８としては上述の導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂとして用いることができる導電体
を用いればよい。導電体１２８の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法または
ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０２６７】
次に、導電体１２８上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、導電体
１０８ａおよび導電体１０８ｂを形成する。
【０２６８】
次に、半導体１２６ｂ上にレジストなどを形成し、該レジストなど、導電体１０８ａおよ
び導電体１０８ｂを用いて加工し、絶縁体１０６ａおよび半導体１０６ｂを形成する（図
１３（Ｇ）および図１３（Ｈ）参照。）。
【０２６９】
また、ここで、半導体１０６ｂの導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂと接する領域にお
いて、低抵抗領域１０９ａおよび低抵抗領域１０９ｂが形成されることがある。また、半
導体１０６ｂは、導電体１０８ａと導電体１０８ｂの間に導電体１０８ａおよび導電体１
０８ｂと重なった領域より膜厚の薄い領域を有することがある。これは、導電体１０８ａ
および導電体１０８ｂを形成する際に、半導体１０６ｂの上面の一部を除去することによ
り形成される。
【０２７０】
なお、導電体１２８を形成した後、絶縁体１２６ａ、半導体１２６ｂ、導電体１２８を一
括して加工し、絶縁体１０６ａと、半導体１０６ｂと、および半導体１０６ｂと重なる形
状の導電体と、を形成し、半導体１０６ｂと重なる形状の導電体をさらに加工して導電体
１０８ａおよび導電体１０８ｂを形成してもよい。
【０２７１】
次に、絶縁体１２６ｃを成膜する。絶縁体１２６ｃとしては上述の絶縁体１０６ｃとして
用いることができる絶縁体または半導体などを用いればよい。絶縁体１２６ｃの成膜は、
スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うこと
ができる。絶縁体１２６ｃの成膜の前に、半導体１０６ｂ、導電体１０８ａおよび導電体
１０８ｂの表面をエッチングしても構わない。例えば、希ガスを含むプラズマを用いてエ
ッチングすることができる。その後、大気に暴露することなく連続で絶縁体１２６ｃを成
膜することにより、半導体１０６ｂ、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂと、絶縁体１
０６ｃと、の界面への不純物の混入を低減することができる。膜と膜との界面などに存在
する不純物は、膜中の不純物よりも拡散しやすい場合がある。そのため、該不純物の混入
を低減することにより、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。
【０２７２】
次に、絶縁体１３２を成膜する。絶縁体１３２としては上述の絶縁体１１２として用いる
ことができる絶縁体を用いればよい。絶縁体１３２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。なお、絶縁体１
２６ｃの成膜と、絶縁体１３２の成膜と、を大気に暴露することなく連続で行うことで、
膜中および界面への不純物の混入を低減することができる。
【０２７３】
次に、導電体１３４を成膜する（図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）参照。）。導電体１３
４としては、上述の導電体１１４として用いることができる導電体を用いればよい。導電
体１３４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法な
どを用いて行うことができる。なお、絶縁体１３２の成膜と、導電体１３４の成膜と、を
大気に暴露することなく連続で行うことで、膜中および界面への不純物の混入を低減する
ことができる。
【０２７４】
次に、導電体１３４上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、導電体
１１４を形成する。
【０２７５】
次に、導電体１１４および絶縁体１３２上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用
いて加工し、絶縁体１０６ｃおよび絶縁体１１２を形成する（図１４（Ｃ）および図１４
（Ｄ）参照。）。なお、このとき、後に形成する導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂが
導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂと接する領域を露出するように絶縁体１０６ｃおよ
び絶縁体１１２を形成してもよい。
【０２７６】
次に、絶縁体１１６を成膜する（図１４（Ｅ）および図１４（Ｆ）参照。）。絶縁体１１
６としては上述の絶縁体を用いればよい。絶縁体１１６の成膜は、スパッタリング法、Ｃ
ＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０２７７】
ここで、絶縁体１１６として、酸化アルミニウムなどの酸素、水素、水等のブロッキング
効果を有する酸化物絶縁膜を設けることが好ましい。
【０２７８】
絶縁体１１６の成膜は、プラズマを用いて行うことが好ましく、スパッタリング法を用い
て行うことがより好ましく、酸素を有する雰囲気下でスパッタリング法を用いて行うこと
がさらに好ましい。
【０２７９】
スパッタリング法としては、スパッタ用電源に直流電源を用いるＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃ
ｕｒｒｅｎｔ）スパッタリング法、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスＤＣスパッ
タ法、スパッタ用電源に高周波電源を用いるＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ス
パッタリング法を用いてもよい。また、チャンバー内部に磁石機構を備えたマグネトロン
スパッタリング法、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタリング法、反応性ガ
ス雰囲気で行う反応性スパッタリング法などを用いてもよい。なお、スパッタリングの酸
素ガス流量や成膜電力は、酸素の添加量などに応じて適宜決定すればよい。
【０２８０】
スパッタリング法で絶縁体１１６の成膜をおこなうことにより、成膜と同時に絶縁体１０
４または絶縁体１１２の表面（絶縁体１１６成膜後は絶縁体１０４または絶縁体１１２と
絶縁体１１６の界面）近傍に酸素が添加される。ここで、酸素は、例えば、酸素ラジカル
として絶縁体１０４または絶縁体１１２に添加されるが、酸素が添加されるときの状態は
これに限定されない。酸素は、酸素原子、または酸素イオンなどの状態で絶縁体１０４ま
たは絶縁体１１２に添加されてもよい。なお、酸素の添加に伴い、絶縁体１０４または絶
縁体１１２中に酸素が化学量論的組成を超えて含まれる場合があり、このときの酸素を過
剰酸素と呼ぶこともできる。
【０２８１】
次に、加熱処理を行うことが好ましい（図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）参照）。加熱処
理を行うことにより、絶縁体１０４または絶縁体１１２に添加した酸素を拡散させ、絶縁
体１０６ａ、半導体１０６ｂ、絶縁体１０６ｃに供給することができる。加熱処理は、２
５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３５０℃以上４５０℃以下で行えばよい。加熱処理
は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以
上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。加熱処理は、ランプ加熱によ
るＲＴＡ装置を用いることもできる。
【０２８２】
また、当該加熱処理は、半導体１２６ｂ成膜後の加熱処理よりも低い温度が好ましい。半
導体１２６ｂ成膜後の加熱処理との温度差は、２０℃以上１５０℃以下、好ましくは４０
℃以上１００℃以下とする。これにより、絶縁体１０４などから余分に過剰酸素（酸素）
が放出することを抑えることができる。なお、絶縁体１１８成膜後の加熱処理は、同等の
加熱処理を各層の成膜時の加熱によって兼ねることができる場合（例えば絶縁体１１８の
成膜で同等の加熱が行われる場合）、行わなくてもよい場合がある。
【０２８３】
当該加熱処理により、上記絶縁体１１６の成膜により、絶縁体１０４および絶縁体１１２
中に添加された酸素（以下、酸素１８６とする）を絶縁体１０４または絶縁体１１２中に
拡散させる（図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）参照）。絶縁体１１６は、絶縁体１０４ま
たは絶縁体１１２より酸素を透過させにくい絶縁体であり、酸素をブロックするバリア膜
として機能する。このような絶縁体１１６が絶縁体１０４または絶縁体１１２上に形成さ
れているので、絶縁体１０４または絶縁体１１２中を拡散する酸素１８６が絶縁体１０４
または絶縁体１１２の上方に拡散せず、絶縁体１０４または絶縁体１１２を主に横方向ま
たは下方向に拡散していく。
【０２８４】
絶縁体１０４または絶縁体１１２中を拡散する酸素１８６は、矢印で示すように、絶縁体
１０６ａ、絶縁体１０６ｃおよび半導体１０６ｂに供給される。このとき、酸素をブロッ
クする機能を有する絶縁体１０３が絶縁体１０４の下に設けられていることにより、絶縁
体１０４中に拡散した酸素１８６が絶縁体１０４より下層に拡散することを防ぐことがで
きる。
【０２８５】
このようにして、絶縁体１０６ａ、絶縁体１０６ｃおよび半導体１０６ｂ、特に半導体１
０６ｂでチャネルが形成される領域に酸素１８６を効果的に供給することができる。この
ように絶縁体１０６ａ、絶縁体１０６ｃおよび半導体１０６ｂに酸素を供給し、酸素欠損
を低減させることにより、欠陥準位密度の低い、高純度真性または実質的に高純度真性な
酸化物半導体とすることができる。
【０２８６】
なお、絶縁体１１６成膜後の加熱処理は、絶縁体１１６成膜後ならばいつ行ってもよい。
例えば、絶縁体１１８の形成後に行ってもよいし、導電体１２０ａおよび１２０ｂの形成
後に行ってもよい。
【０２８７】
次に、絶縁体１１８を成膜する。絶縁体１１８としては上述の絶縁体を用いればよい。絶
縁体１１８の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法
などを用いて行うことができる。
【０２８８】
次に、絶縁体１１８上にレジストなどを形成し、絶縁体１１８、絶縁体１１６、絶縁体１
１２および絶縁体１０６ｃに開口を形成する。それから、導電体１２０ａおよび導電体１
２０ｂとなる導電体を成膜する。導電体１２０ａおよび導電体１２０ｂとなる導電体とし
ては、上述の導電体を用いることができる。導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０２８９】
次に、導電体上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、導電体１２０
ａおよび導電体１２０ｂを形成する（図１５（Ｃ）および図１５（Ｄ）参照。）。
【０２９０】
以上の工程により、本発明の一態様に係るトランジスタ１０を作製することができる。
【０２９１】
＜トランジスタの作製方法２＞
以下に、図１７乃至図１９を用いてトランジスタ２９の作製方法について説明する。なお
、トランジスタ２９の作製方法については、適宜上述したトランジスタの作製方法を参酌
することができる。
【０２９２】
まずは、基板１００を準備する。基板１００に用いる基板としては上述の基板を用いれば
よい。
【０２９３】
次に、絶縁体１０１を成膜する。絶縁体１０１としては上述の絶縁体を用いればよい。
【０２９４】
次に、絶縁体１０７となる絶縁体を成膜する。絶縁体としては上述の絶縁体を用いればよ
い。絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法
などを用いて行うことができる。
【０２９５】
次に、絶縁体上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、開口部を有す
る絶縁体１０７を形成する。
【０２９６】
次に、導電体１０２となる導電体を成膜する。導電体１０２となる導電体としては、上述
の導電体を用いることができる。導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ
法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０２９７】
次に、絶縁体１０７が露出するまで導電体を研磨し、導電体１０２を形成する（図１７（
Ａ）および図１７（Ｂ）参照。）。研磨は、ＣＭＰ処理などによって行うことができる。
【０２９８】
次に、絶縁体１０５を成膜する。絶縁体１０５としては上述の絶縁体を用いればよい。絶
縁体１０５の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法
などを用いて行うことができる。また、絶縁体１０５中に含まれる水、または水素を低減
するために基板を加熱しながら成膜を行ってもよい。例えば、トランジスタ２９より下に
半導体素子層が設けられている場合に比較的低い温度範囲（例えば、３５０℃以上４４５
℃以下程度の温度範囲）で加熱してもよい。
【０２９９】
また、前述した絶縁体１０４と同様の方法を用いてＰＥＣＶＤ法で成膜することにより、
絶縁体１０３に含まれる水、または水素を低減してもよい。
【０３００】
次に、絶縁体１０３を成膜する。絶縁体１０３としては上述の絶縁体を用いればよい。絶
縁体１０３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法
などを用いて行うことができる。また、絶縁体１０３中に含まれる水、または水素を低減
するために基板を加熱しながら成膜を行ってもよい。例えば、トランジスタ１０より下に
半導体素子層が設けられている場合に比較的低い温度範囲（例えば、３５０℃以上４４５
℃以下程度の温度範囲）で加熱してもよい。
【０３０１】
次に、絶縁体１０４を成膜する（図１７（Ｃ）および図１７（Ｄ）参照。）。絶縁体１０
４としては上述の絶縁体を用いればよい。絶縁体１０４の成膜は、スパッタリング法、Ｃ
ＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３０２】
また、後で形成する半導体１０６ｂの上面または下面は平坦性が高いことが好ましい。こ
のため、絶縁体１０４の上面にＣＭＰ処理などの平坦化処理を行って平坦性の向上を図っ
てもよい。
【０３０３】
次に、加熱処理を行うことが好ましい。
【０３０４】
次に、絶縁体１０６ａとなる絶縁体を成膜する。絶縁体としては上述の絶縁体１０６ａと
して用いることができる絶縁体または半導体などを用いればよい。絶縁体の成膜は、スパ
ッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことがで
きる。
【０３０５】
次に、半導体１０６ｂとなる半導体を成膜する。半導体としては上述の半導体１０６ｂと
して用いることができる半導体を用いればよい。半導体の成膜は、スパッタリング法、Ｃ
ＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。なお、絶縁
体の成膜と、半導体の成膜と、を大気に暴露することなく連続で行うことで、膜中および
界面への不純物の混入を低減することができる。
【０３０６】
次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、絶縁体１０５、絶縁体１
０３および絶縁体１０４中の水、または水素をさらに低減させることができる。また、絶
縁体１０４に過剰酸素を有せしめることができる場合がある。加熱処理は、２５０℃以上
６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下、さらに好ましくは５２０℃以上５
７０℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐ
ｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行っても
よい。または、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補う
ために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を
行ってもよい。加熱処理によって、絶縁体１０６ａとなる絶縁体、半導体１０６ｂとなる
半導体の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。加
熱処理は、ランプ加熱によるＲＴＡ装置を用いることもできる。ＲＴＡ装置による加熱処
理は、炉と比べて短時間で済むため、生産性を高めるために有効である。
【０３０７】
なお、トランジスタ１０より下に半導体素子層が設けられている場合、比較的低い温度範
囲（例えば、３５０℃以上４４５℃以下程度の温度範囲）で加熱することができる。例え
ば、絶縁体１０５、絶縁体１０３および絶縁体１０４の成膜時の基板加熱温度のいずれか
のうち最も高い加熱温度以下とすることが好ましい。
【０３０８】
次に、半導体上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、絶縁体１０６
ａおよび半導体１０６ｂを形成する（図１７（Ｅ）および図１７（Ｆ）参照。）。
【０３０９】
次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、絶縁体１０５、絶縁体１
０３および絶縁体１０４中の水、または水素をさらに低減させることができる。また、絶
縁体１０４に過剰酸素を有せしめることができる場合がある。加熱処理は、２５０℃以上
６５０℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下、さらに好ましくは５２０℃以上５
７０℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐ
ｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行っても
よい。または、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補う
ために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を
行ってもよい。加熱処理によって、絶縁体１０６ａとなる絶縁体、半導体１０６ｂとなる
半導体の結晶性を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。加
熱処理は、ランプ加熱によるＲＴＡ装置を用いることもできる。ＲＴＡ装置による加熱処
理は、炉と比べて短時間で済むため、生産性を高めるために有効である。
【０３１０】
なお、トランジスタ１０より下に半導体素子層が設けられている場合、比較的低い温度範
囲（例えば、３５０℃以上４４５℃以下程度の温度範囲）で加熱することができる。例え
ば、絶縁体１０５、絶縁体１０３および絶縁体１０４の成膜時の基板加熱温度のいずれか
のうち最も高い加熱温度以下とすることが好ましい。
【０３１１】
次に、絶縁体１０６ｃを成膜する（図１７（Ｇ）および図１７（Ｈ）参照。）。絶縁体１
０６ｃとしては上述の絶縁体１０６ｃとして用いることができる絶縁体または半導体など
を用いればよい。絶縁体１０６ｃの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法また
はＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３１２】
次に、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂとなる導電体を成膜する。導電体としては上
述の導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂとして用いることができる導電体を用いればよ
い。導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法
などを用いて行うことができる。
【０３１３】
また、ここで、半導体１０６ｂおよび絶縁体１０６ｃの、導電体１０８となる導電体の近
傍の領域において、低抵抗領域１０９が形成されることがある。
【０３１４】
次に、導電体上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、導電体１０８
を形成する。
【０３１５】
次に、絶縁体１１０となる絶縁体１１３を成膜する。絶縁体１１３としては上述の絶縁体
１１０として用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体１１３の成膜は、スパッ
タリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができ
る。
【０３１６】
絶縁体１１０を成膜する際、導電体１０８の表面に、シリコンおよび酸素を有する領域１
１１が形成される場合がある（図１８（Ａ）およぶ図１８（Ｂ）参照。）。なお、絶縁体
１１０を成膜していなくても領域１１１が形成される場合もあり、また絶縁体１１０の成
膜条件によっては、絶縁体１１０の成膜時に領域１１１が形成されない場合もある。
【０３１７】
次に、絶縁体１１３上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、絶縁体
１１０、領域１０８ｃ、領域１０８ｄ、導電体１０８ａおよび導電体１０８ｂを形成する
（図１８（Ｃ）および図１８（Ｄ）参照。）。また、この際、半導体１０６ｂにおける低
抵抗領域１０９を除去するため、絶縁体１０６ｃおよび半導体１０６ｂの一部を加工して
もよい。
【０３１８】
次に、高密度プラズマ処理を行ってもよい。高密度プラズマ処理は、酸素を有する雰囲気
で行うと好ましい。酸素を有する雰囲気とは、酸素原子を有する気体雰囲気であり、酸素
、オゾンまたは窒素酸化物（一酸化窒素、二酸化窒素、一酸化二窒素、三酸化二窒素、四
酸化二窒素、五酸化二窒素など）雰囲気をいう。また、酸素を有する雰囲気において、窒
素、または希ガス（ヘリウム、アルゴンなど）の不活性気体が含まれてもよい。このよう
に酸素を有する雰囲気での高密度プラズマ処理を行うことによって、例えば炭素、水素な
どを脱離させることができる。また、酸素を有する雰囲気で高密度プラズマ処理を行うこ
とによって、被処理物から炭化水素などの有機化合物も脱離させやすい。
【０３１９】
また、高密度プラズマ処理の前後にアニール処理を行ってもよい。なお、プラズマの密度
を高くするためには、十分な量のガスを流すことが好ましい場合がある。ガスの量が十分
でないと、ラジカルの生成速度よりも失活速度が高くなる場合がある。例えば、ガスを１
００ｓｃｃｍ以上、３００ｓｃｃｍ以上または８００ｓｃｃｍ以上流すと好ましい場合が
ある。
【０３２０】
高密度プラズマ処理は、例えば、周波数０．３ＧＨｚ以上３．０ＧＨｚ以下または２．２
ＧＨｚ以上２．８ＧＨｚ以下（代表的には２．４５ＧＨｚ）の高周波発生器を用いて発生
させたマイクロ波を用いればよい。また、処理圧力を１０Ｐａ以上５０００Ｐａ以下、好
ましくは２００Ｐａ以上１５００Ｐａ以下、さらに好ましくは３００Ｐａ以上１０００Ｐ
ａ以下、基板温度を１００℃以上６００℃以下（代表的には４００℃）とし、酸素とアル
ゴンとの混合ガスを用いて行うことができる。
【０３２１】
高密度プラズマは、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いることによって生成され、
高密度プラズマ処理は電子密度が１×１０１１／ｃｍ３以上１×１０１３／ｃｍ３以下、
電子温度が２ｅＶ以下、またはイオンエネルギーが５ｅＶ以下の条件で行うと好ましい。
このような高密度プラズマ処理は、ラジカルの運動エネルギーが小さく、従来のプラズマ
処理と比較してプラズマによるダメージが少ない。そのため、欠陥の少ない膜を形成する
ことができる。マイクロ波を発生するアンテナから被処理物までの距離は５ｍｍ以上１２
０ｍｍ以下、好ましくは２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とするとよい。
【０３２２】
または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）バイアスを印加するプラズマ
電源を有してもよい。ＲＦバイアスの周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚまたは２７．１
２ＭＨｚなどを用いればよい。高密度プラズマを用いることより高密度の酸素イオンを生
成することができ、基板側にＲＦバイアスを印加することで高密度プラズマによって生成
された酸素イオンを効率よく被処理物に導くことができる。また、アスペクト比の高い開
口部の内部などにも効率よく酸素イオンを導くことができる。そのため、基板バイアスを
印加しながら、高密度プラズマ処理を行うことが好ましい。
【０３２３】
また、高密度プラズマ処理の後、大気に暴露することなく連続してアニール処理を行って
もよい。また、高密度プラズマ処理は、アニール処理の後、大気に暴露することなく連続
して行ってもよい。高密度プラズマ処理と、アニール処理と、を連続して行うことによっ
て、処理の間で不純物が混入することを抑制できる。また、酸素雰囲気で高密度プラズマ
処理を行った後、アニール処理を行うことによって、被処理物へ添加された酸素のうち、
酸素欠損の補償に使用されなかった不要な酸素を脱離させることができる。また、上記ア
ニール処理は、例えばランプアニールなどにより行えばよい。
【０３２４】
また、高密度プラズマ処理の処理時間は、３０秒以上１２０分以下、１分以上９０分以下
、２分以上３０分以下、または３分以上１５分以下とすると好ましい。
【０３２５】
また、アニール処理は、２５０℃以上８００℃以下、３００℃以上７００℃以下または４
００℃以上６００℃以下の処理時間は、３０秒以上１２０分以下、１分以上９０分以下、
２分以上３０分以下、または３分以上１５分以下とすると好ましい。
【０３２６】
高密度プラズマ処理または／およびアニール処理を行うことによって、半導体１０６ｂの
チャネル形成領域となる領域の欠陥準位を低減することができる。即ち、チャネル形成領
域を高純度真性とすることができる。その際に、低抵抗領域１０９の一部も高抵抗化し、
低抵抗領域１０９ａおよび低抵抗領域１０９ｂに分離される場合がある。また、導電体１
０８ａおよび導電体１０８ｂの側面においても、領域１０８ｃおよび領域１０８ｄを形成
することができる（図１８（Ｅ）および図１８（Ｆ）参照）。
【０３２７】
次に、絶縁体１３２を成膜する。絶縁体１３２としては上述の絶縁体１１２として用いる
ことができる絶縁体を用いればよい。絶縁体１３２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。なお、絶縁体１
２６ｃの成膜と、絶縁体１３２の成膜と、を大気に暴露することなく連続で行うことで、
膜中および界面への不純物の混入を低減することができる。
【０３２８】
次に、導電体１３４を成膜する（図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）参照。）。導電体１３
４としては、上述の導電体１１４として用いることができる導電体を用いればよい。導電
体１３４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法な
どを用いて行うことができる。なお、絶縁体１３２の成膜と、導電体１３４の成膜と、を
大気に暴露することなく連続で行うことで、膜中および界面への不純物の混入を低減する
ことができる。
【０３２９】
次に、導電体１３４上から絶縁体１１３が露出するまで研磨をすることで、導電体１１４
、絶縁体１１２および絶縁体１１０を形成する（図１９（Ｃ）および図１９（Ｄ）参照。
）。導電体１１４および絶縁体１１２は、それぞれトランジスタ２９のゲート電極および
ゲート絶縁体としての機能を有する。上述した方法によって、導電体１１４および絶縁体
１１２を自己整合的に形成することができる。
【０３３０】
次に、絶縁体１１６を成膜する（図１９（Ｅ）および図１９（Ｆ）参照。）。絶縁体１１
６としては上述の絶縁体を用いればよい。絶縁体１１６の成膜は、スパッタリング法、Ｃ
ＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
【０３３１】
次に、加熱処理を行うことが好ましい。
【０３３２】
以上の工程により、本発明の一態様に係るトランジスタ２９を作製することができる。
【０３３３】
本実施の形態に示す方法を用いてトランジスタを作製することにより、耐熱性および耐酸
化性を有する導電体を用いたトランジスタを提供することができる。
【０３３４】
また、安定した電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、非導通
時のリーク電流の小さいトランジスタを提供することができる。または、ノーマリーオフ
の電気特性を有するトランジスタを提供することができる。または、サブスレッショルド
スイング値の小さいトランジスタを提供することができる。または、信頼性の高いトラン
ジスタを提供することができる。
【０３３５】
さらに、本実施の形態に示す方法を用いてトランジスタを作製することにより、比較的低
い温度範囲の加熱処理で、半導体１０６ｂなどに水、水素などが供給されるのを抑制する
ことができるので、当該トランジスタの下の層などに、半導体素子層または配線層などを
形成していても、高温で劣化させることなく、当該トランジスタの作製を行うことができ
る。
【０３３６】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合
わせて用いることができる。
【０３３７】
（実施の形態３）
＜製造装置＞
以下では、本発明の一態様に係る高密度プラズマ処理を行う製造装置について説明する。
【０３３８】
まずは、半導体装置などの製造時に不純物の混入が少ない製造装置の構成について図２０
乃至図２２を用いて説明する。
【０３３９】
図２０は、枚葉式マルチチャンバーの製造装置２７００の上面図を模式的に示している。
製造装置２７００は、基板を収容するカセットポート２７６１と、基板のアライメントを
行うアライメントポート２７６２と、を備える大気側基板供給室２７０１と、大気側基板
供給室２７０１から、基板を搬送する大気側基板搬送室２７０２と、基板の搬入を行い、
かつ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室２
７０３ａと、基板の搬出を行い、かつ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減
圧へ切り替えるアンロードロック室２７０３ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室２７
０４と、チャンバー２７０６ａと、チャンバー２７０６ｂと、チャンバー２７０６ｃと、
チャンバー２７０６ｄと、を有する。
【０３４０】
また、大気側基板搬送室２７０２は、ロードロック室２７０３ａおよびアンロードロック
室２７０３ｂと接続され、ロードロック室２７０３ａおよびアンロードロック室２７０３
ｂは、搬送室２７０４と接続され、搬送室２７０４は、チャンバー２７０６ａ、チャンバ
ー２７０６ｂ、チャンバー２７０６ｃおよびチャンバー２７０６ｄと接続する。
【０３４１】
なお、各室の接続部にはゲートバルブＧＶが設けられており、大気側基板供給室２７０１
と、大気側基板搬送室２７０２を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる
。また、大気側基板搬送室２７０２には搬送ロボット２７６３ａが設けられており、搬送
室２７０４には搬送ロボット２７６３ｂが設けられている。搬送ロボット２７６３ａおよ
び搬送ロボット２７６３ｂによって、製造装置２７００内で基板を搬送することができる
。
【０３４２】
搬送室２７０４および各チャンバーの背圧（全圧）は、例えば、１×１０−４Ｐａ以下、
好ましくは３×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０−５Ｐａ以下とする。また
、搬送室２７０４および各チャンバーの質量電荷比（ｍ／ｚ）が１８である気体分子（原
子）の分圧は、例えば、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さら
に好ましくは３×１０−６Ｐａ以下とする。また、搬送室２７０４および各チャンバーの
ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）の分圧は、例えば、３×１０−５Ｐａ以下、好まし
くは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０−６Ｐａ以下とする。また、搬送
室２７０４および各チャンバーのｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の分圧は、例えば
、３×１０−５Ｐａ以下、好ましくは１×１０−５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０
−６Ｐａ以下とする。
【０３４３】
なお、搬送室２７０４および各チャンバー内の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測
定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極形質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓ
ともいう。）Ｑｕｌｅｅ  ＣＧＭ−０５１を用いればよい。
【０３４４】
また、搬送室２７０４および各チャンバーは、外部リークまたは内部リークが少ない構成
とすることが望ましい。例えば、搬送室２７０４および各チャンバーのリークレートは、
３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。
また、例えば、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−７Ｐａ
・ｍ３／ｓ以下、好ましくは３×１０−８Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。また、例えば、ｍ
／ｚが２８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０−５Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、
好ましくは１×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。また、例えば、ｍ／ｚが４４である
気体分子（原子）のリークレートが３×１０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１
０−６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。
【０３４５】
なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧および分圧から
導出すればよい。リークレートは、外部リークおよび内部リークに依存する。外部リーク
は、微小な穴やシール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リ
ークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れや内部の部材からの放出ガスに起因す
る。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リークおよび内部リークの両面か
ら対策をとる必要がある。
【０３４６】
例えば、搬送室２７０４および各チャンバーの開閉部分はメタルガスケットでシールする
とよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって
被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、
外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって
被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む
放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。
【０３４７】
また、製造装置２７００を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニ
ウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述
の部材を鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロム
およびニッケルなどを含む合金は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここ
で、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出
ガスを低減できる。
【０３４８】
または、前述の製造装置２７００の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなど
で被覆してもよい。
【０３４９】
製造装置２７００の部材は、極力金属のみで構成することが好ましく、例えば石英などで
構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸
化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。
【０３５０】
搬送室２７０４および各チャンバーに存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために
搬送室２７０４および各チャンバーの圧力に影響しないが、搬送室２７０４および各チャ
ンバーを排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関
はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、搬送室２７０４および各チャンバーに存
在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸
着物の脱離を促すために、搬送室２７０４および各チャンバーをベーキングしてもよい。
ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくすることができる。ベーキン
グは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを搬送室２７０４お
よび各チャンバーに導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい
水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。なお、導入する不活性ガスをベーキ
ングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。
ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。
【０３５１】
または、加熱した希ガスなどの不活性ガスまたは酸素などを導入することで搬送室２７０
４および各チャンバー内の圧力を高め、一定時間経過後に再び搬送室２７０４および各チ
ャンバーを排気する処理を行うと好ましい。加熱したガスの導入により搬送室２７０４お
よび各チャンバー内の吸着物を脱離させることができ、搬送室２７０４および各チャンバ
ー内に存在する不純物を低減することができる。なお、この処理は２回以上３０回以下、
好ましくは５回以上１５回以下の範囲で繰り返し行うと効果的である。具体的には、温度
が４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下である不活性ガスまたは
酸素などを導入することで搬送室２７０４および各チャンバー内の圧力を０．１Ｐａ以上
１０ｋＰａ以下、好ましくは１Ｐａ以上１ｋＰａ以下、さらに好ましくは５Ｐａ以上１０
０Ｐａ以下とし、圧力を保つ期間を１分以上３００分以下、好ましくは５分以上１２０分
以下とすればよい。その後、搬送室２７０４および各チャンバーを５分以上３００分以下
、好ましくは１０分以上１２０分以下の期間排気する。
【０３５２】
次に、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃについて図２１に示す断面模式
図を用いて説明する。
【０３５３】
チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃは、例えば、被処理物に高密度プラズ
マ処理を行うことが可能なチャンバーである。なお、チャンバー２７０６ｂと、チャンバ
ー２７０６ｃと、は高密度プラズマ処理を行う際の雰囲気が異なるのみである。そのほか
の構成については共通するため、以下ではまとめて説明を行う。
【０３５４】
チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃは、スロットアンテナ板２８０８と、
誘電体板２８０９と、基板ステージ２８１２と、排気口２８１９と、を有する。また、チ
ャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃの外などには、ガス供給源２８０１と、
バルブ２８０２と、高周波発生器２８０３と、導波管２８０４と、モード変換器２８０５
と、ガス管２８０６と、導波管２８０７と、マッチングボックス２８１５と、高周波電源
２８１６と、真空ポンプ２８１７と、バルブ２８１８と、が設けられる。
【０３５５】
高周波発生器２８０３は、導波管２８０４を介してモード変換器２８０５と接続している
。モード変換器２８０５は、導波管２８０７を介してスロットアンテナ板２８０８に接続
している。スロットアンテナ板２８０８は、誘電体板２８０９と接して配置される。また
、ガス供給源２８０１は、バルブ２８０２を介してモード変換器２８０５に接続している
。そして、モード変換器２８０５、導波管２８０７および誘電体板２８０９を通るガス管
２８０６によって、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃにガスが送られる
。また、真空ポンプ２８１７は、バルブ２８１８および排気口２８１９を介して、チャン
バー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃからガスなどを排気する機能を有する。また
、高周波電源２８１６は、マッチングボックス２８１５を介して基板ステージ２８１２に
接続している。
【０３５６】
基板ステージ２８１２は、基板２８１１を保持する機能を有する。例えば、基板２８１１
を静電チャックまたは機械的にチャックする機能を有する。また、高周波電源２８１６か
ら電力を供給される電極としての機能を有する。また、内部に加熱機構２８１３を有し、
基板２８１１を加熱する機能を有する。
【０３５７】
真空ポンプ２８１７としては、例えば、ドライポンプ、メカニカルブースターポンプ、イ
オンポンプ、チタンサブリメーションポンプ、クライオポンプまたはターボ分子ポンプな
どを用いることができる。また、真空ポンプ２８１７に加えて、クライオトラップを用い
てもよい。クライオポンプおよびクライオトラップを用いると、水を効率よく排気できて
特に好ましい。
【０３５８】
また、加熱機構２８１３としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構と
すればよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加
熱する加熱機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ
Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）またはＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎ
ｎｅａｌｉｎｇ）などのＲＴＡを用いることができる。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて
熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。
【０３５９】
また、ガス供給源２８０１は、マスフローコントローラを介して、精製機と接続されてい
てもよい。ガスは、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるガスを用いる
ことが好ましい。例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス（アルゴンガスなど）を用
いればよい。
【０３６０】
誘電体板２８０９としては、例えば、酸化シリコン（石英）、酸化アルミニウムまたは酸
化イットリウム（イットリア）などを用いればよい。また、誘電体板２８０９の表面に、
さらに別の保護層が形成されていてもよい。保護層としては、酸化マグネシウム、酸化チ
タン、酸化クロム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化シリコン、
酸化アルミニウムまたは酸化イットリウムなどを用いればよい。誘電体板２８０９は、後
述する高密度プラズマ２８１０の特に高密度領域に曝されることになるため、保護層を設
けることで損傷を緩和することができる。その結果、処理時のパーティクルの増加などを
抑制することができる。
【０３６１】
高周波発生器２８０３では、例えば、０．３ＧＨｚ以上３．０ＧＨｚ以下または２．２Ｇ
Ｈｚ以上２．８ＧＨｚ以下のマイクロ波を発生させる機能を有する。高周波発生器２８０
３で発生させたマイクロ波は、導波管２８０４を介してモード変換器２８０５に伝わる。
モード変換器２８０５では、ＴＥモードとして伝わったマイクロ波がＴＥＭモードに変換
される。そして、マイクロ波は、導波管２８０７を介してスロットアンテナ板２８０８に
伝わる。スロットアンテナ板２８０８は、複数のスロット孔が設けられており、マイクロ
波は該スロット孔および誘電体板２８０９を通過する。そして、誘電体板２８０９の下方
に電界を生じさせ、高密度プラズマ２８１０を生成することができる。高密度プラズマ２
８１０には、ガス供給源２８０１から供給されたガス種に応じたイオンおよびラジカルが
存在する。例えば、酸素ラジカルまたは窒素ラジカルなどが存在する。
【０３６２】
このとき、高密度プラズマ２８１０で生成されたイオンおよびラジカルによって、基板２
８１１上の膜などを改質することができる。なお、高周波電源２８１６を用いて、基板２
８１１側にバイアスを印加すると好ましい場合がある。高周波電源２８１６には、例えば
、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚなどの周波数のＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅ
ｎｃｙ）電源を用いればよい。基板側にバイアスを印加することで、高密度プラズマ２８
１０中のイオンを基板２８１１上の膜などの開口部の奥まで効率よく到達させることがで
きる。
【０３６３】
例えば、チャンバー２７０６ｂでは、ガス供給源２８０１から酸素を導入することで高密
度プラズマ２８１０を用いた酸素ラジカル処理を行い、チャンバー２７０６ｃでは、ガス
供給源２８０１から窒素を導入することで高密度プラズマ２８１０を用いた窒素ラジカル
処理を行うことができる。
【０３６４】
次に、チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄについて図２２に示す断面模式
図を用いて説明する。
【０３６５】
チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄは、例えば、被処理物に電磁波の照射
を行うことが可能なチャンバーである。なお、チャンバー２７０６ａと、チャンバー２７
０６ｄと、は電磁波の種類が異なるのみである。そのほかの構成については共通する部分
が多いため、以下ではまとめて説明を行う。
【０３６６】
チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄは、一または複数のランプ２８２０と
、基板ステージ２８２５と、ガス導入口２８２３と、排気口２８３０と、を有する。また
、チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄの外などには、ガス供給源２８２１
と、バルブ２８２２と、真空ポンプ２８２８と、バルブ２８２９と、が設けられる。
【０３６７】
ガス供給源２８２１は、バルブ２８２２を介してガス導入口２８２３に接続している。真
空ポンプ２８２８は、バルブ２８２９を介して排気口２８３０に接続している。ランプ２
８２０は、基板ステージ２８２５と向かい合って配置されている。基板ステージ２８２５
は、基板２８２４を保持する機能を有する。また、基板ステージ２８２５は、内部に加熱
機構２８２６を有し、基板２８２４を加熱する機能を有する。
【０３６８】
ランプ２８２０としては、例えば、可視光または紫外光などの電磁波を放射する機能を有
する光源を用いればよい。例えば、波長１０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下、５００ｎｍ以上
２０００ｎｍ以下、または４０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下にピークを有する電磁波を放射す
る機能を有する光源を用いればよい。
【０３６９】
例えば、ランプ２８２０としては、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または高圧水銀ランプなどの
光源を用いればよい。
【０３７０】
例えば、ランプ２８２０から放射される電磁波は、その一部または全部が基板２８２４に
吸収されることで基板２８２４上の膜などを改質することができる。例えば、欠陥の生成
もしくは低減、または不純物の除去などができる。なお、基板２８２４を加熱しながら行
うと、効率よく、欠陥の生成もしくは低減、または不純物の除去などができる。
【０３７１】
または、例えば、ランプ２８２０から放射される電磁波によって、基板ステージ２８２５
を発熱させ、基板２８２４を加熱してもよい。その場合、基板ステージ２８２５の内部に
加熱機構２８２６を有さなくてもよい。
【０３７２】
真空ポンプ２８２８は、真空ポンプ２８１７についての記載を参照する。また、加熱機構
２８２６は、加熱機構２８１３についての記載を参照する。また、ガス供給源２８２１は
、ガス供給源２８０１についての記載を参照する。
【０３７３】
以上の製造装置を用いることで、被処理物への不純物の混入を抑制しつつ、膜の改質など
が可能となる。
【０３７４】
以上、本実施の形態で示す構成、方法は、他の実施の形態で示す構成、方法と適宜組み合
わせて用いることができる。
【０３７５】
（実施の形態４）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置
の回路の一例について説明する。
【０３７６】
＜回路＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例に
ついて説明する。
【０３７７】
＜ＣＭＯＳインバータ＞
図２３（Ａ）に示す回路図は、ｐチャネル型のトランジスタ２２００とｎチャネル型のト
ランジスタ２１００を直列に接続し、かつそれぞれのゲートを接続した、いわゆるＣＭＯ
Ｓインバータの構成を示している。
【０３７８】
＜半導体装置の構造１＞
図２４は、図２３（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図２４に示す半導体装置
は、トランジスタ２２００と、トランジスタ２１００と、を有する。また、トランジスタ
２１００は、トランジスタ２２００の上方に配置する。なお、トランジスタ２１００は、
図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示したトランジスタ２０の説明を適宜参酌すればよいが、
本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されるものではない。上述の実施の形態
において記載したトランジスタをトランジスタ２１００として用いることができる。よっ
て、トランジスタ２１００については、適宜上述したトランジスタについての記載を参酌
する。
【０３７９】
図２４に示すトランジスタ２２００は、半導体基板４５０を用いたトランジスタである。
トランジスタ２２００は、半導体基板４５０中の領域４７２ａと、半導体基板４５０中の
領域４７２ｂと、絶縁体４６２と、導電体４５４と、を有する。導電体４５４は、タング
ステンと、シリコン、炭素、ゲルマニウム、スズ、アルミニウムまたはニッケルから選ば
れた一以上の元素と、を有する領域を有する導電体を用いることが好ましい。
【０３８０】
トランジスタ２２００において、領域４７２ａおよび領域４７２ｂは、ソース領域および
ドレイン領域としての機能を有する。また、絶縁体４６２は、ゲート絶縁体としての機能
を有する。また、導電体４５４は、ゲート電極としての機能を有する。したがって、導電
体４５４に印加する電位によって、チャネル形成領域の抵抗を制御することができる。即
ち、導電体４５４に印加する電位によって、領域４７２ａと領域４７２ｂとの間の導通・
非導通を制御することができる。
【０３８１】
半導体基板４５０としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、ま
たは炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛
、酸化ガリウムなどの半導体基板などを用いればよい。好ましくは、半導体基板４５０と
して単結晶シリコン基板を用いる。
【０３８２】
半導体基板４５０は、ｎ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いる。ただ
し、半導体基板４５０として、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用い
ても構わない。その場合、トランジスタ２２００となる領域には、ｎ型の導電型を付与す
る不純物を有するウェルを配置すればよい。または、半導体基板４５０がｉ型であっても
構わない。
【０３８３】
半導体基板４５０の上面は、（１１０）面を有することが好ましい。こうすることで、ト
ランジスタ２２００のオン特性を向上させることができる。
【０３８４】
領域４７２ａおよび領域４７２ｂは、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する領域である
。このようにして、トランジスタ２２００はｐチャネル型トランジスタを構成する。
【０３８５】
なお、トランジスタ２２００は、領域４６０などによって隣接するトランジスタと分離さ
れる。領域４６０は、絶縁性を有する領域である。
【０３８６】
図２４に示す半導体装置は、絶縁体４６４と、絶縁体４６６と、絶縁体４６８と、導電体
４８０ａと、導電体４８０ｂと、導電体４８０ｃと、導電体４７８ａと、導電体４７８ｂ
と、導電体４７８ｃと、導電体４７６ａと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ａと、導電
体４７４ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ａと、導電体４９６ｂと、導電体４９６
ｃと、導電体４９６ｄと、導電体４９８ａと、導電体４９８ｂと、導電体４９８ｃと、絶
縁体４８９と、絶縁体４９０と、絶縁体４９１と、絶縁体４９２と、絶縁体４９３と、絶
縁体４９４と、を有する。導電体４８０ａと、導電体４８０ｂと、導電体４８０ｃと、は
、タングステンと、シリコン、炭素、ゲルマニウム、スズ、アルミニウムまたはニッケル
から選ばれた一以上の元素と、を有する領域を有する導電体を用いると好ましい。
【０３８７】
絶縁体４６４は、トランジスタ２２００上に配置する。また、絶縁体４６６は、絶縁体４
６４上に配置する。また、絶縁体４６８は、絶縁体４６６上に配置する。また、絶縁体４
８９は、絶縁体４６８上に配置する。また、トランジスタ２１００は、絶縁体４８９上に
配置する。また、絶縁体４９３は、トランジスタ２１００上に配置する。また、絶縁体４
９４は、絶縁体４９３上に配置する。
【０３８８】
絶縁体４６４は、領域４７２ａに達する開口部と、領域４７２ｂに達する開口部と、導電
体４５４に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８０ａ、導
電体４８０ｂまたは導電体４８０ｃが埋め込まれている。
【０３８９】
また、絶縁体４６６は、導電体４８０ａに達する開口部と、導電体４８０ｂに達する開口
部と、導電体４８０ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体
４７８ａ、導電体４７８ｂまたは導電体４７８ｃが埋め込まれている。
【０３９０】
また、絶縁体４６８は、導電体４７８ｂに達する開口部と、導電体４７８ｃに達する開口
部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７６ａまたは導電体４７６ｂが埋
め込まれている。
【０３９１】
また、絶縁体４８９は、トランジスタ２１００のチャネル形成領域と重なる開口部と、導
電体４７６ａに達する開口部と、導電体４７６ｂに達する開口部と、を有する。また、開
口部には、それぞれ導電体４７４ａ、導電体４７４ｂまたは導電体４７４ｃが埋め込まれ
ている。
【０３９２】
導電体４７４ａは、トランジスタ２１００のゲート電極としての機能を有しても構わない
。または、例えば、導電体４７４ａに一定の電位を印加することで、トランジスタ２１０
０のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体４７４
ａとトランジスタ２１００のゲート電極としての機能を有する導電体５０４とを電気的に
接続しても構わない。こうすることで、トランジスタ２１００のオン電流を大きくするこ
とができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ２１０
０の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。なお、導電体４７４ａは上記
実施の形態の導電体１０２に相当するため、詳細については導電体１０２の記載を参酌す
ることができる。
【０３９３】
また、絶縁体４９０は、導電体４７４ｂに達する開口部と、導電体４７４ｃに達する開口
部と、を有する。なお、絶縁体４９０は上記実施の形態の絶縁体１０３に相当するため、
詳細については絶縁体１０３の記載を参酌することができる。上記実施の形態に記載した
ように、開口部を除いて導電体４７４ａ乃至４７４ｃの上を覆うように絶縁体４９０を設
けることにより、絶縁体４９１から導電体４７４ａ乃至４７４ｃが酸素を引き抜くことを
防ぐことができる。これにより、絶縁体４９１からトランジスタ２１００の酸化物半導体
に効果的に酸素を供給することができる。
【０３９４】
また、絶縁体４９１は、導電体４７４ｂに達する開口部と、導電体４７４ｃに達する開口
部と、を有する。なお、絶縁体４９１は上記実施の形態の絶縁体１０４に相当するため、
詳細については絶縁体１０４の記載を参酌することができる。
【０３９５】
上記実施の形態に示したように、絶縁体４９１の水、水素の含有量を低減することにより
、トランジスタ２１００の酸化物半導体に欠陥準位が形成されるのを抑制することができ
る。これにより、トランジスタ２１００の電気特性を安定させることができる。
【０３９６】
また、このような、水、水素が低減された絶縁体は絶縁体４９１だけでなく、他の絶縁体
に用いてもよい。例えば、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４８９、絶縁体４９３な
どに用いてもよい。
【０３９７】
また、図２４においては、トランジスタ２０における絶縁体１０５、絶縁体１０１に相当
する絶縁体を図示していないが、もちろんこれらを設ける構成としてもよい。例えば、絶
縁体４６８と絶縁体４８９の間に絶縁体１０１に相当する絶縁体を設けてもよいし、絶縁
体４８９と絶縁体４９０の間に絶縁体１０５に相当する絶縁体を設けてもよい。特に、絶
縁体４６８と絶縁体４８９の間に絶縁体１０１に相当する、水、水素などをブロックする
機能を有する絶縁体を設け、上記のように絶縁体４９１の水、水素の含有量を低減するこ
とにより、トランジスタ２１００の酸化物半導体に欠陥準位が形成されるのをさらに抑制
することができる。
【０３９８】
また、絶縁体４９２は、トランジスタ２１００のソース電極またはドレイン電極の一方で
ある導電体５１６ｂを通って、導電体４７４ｂに達する開口部と、トランジスタ２１００
のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体５１６ａに達する開口部と、トラン
ジスタ２１００のゲート電極である導電体５０４に達する開口部と、導電体４７４ｃに達
する開口部と、を有する。なお、絶縁体４９２は上記実施の形態の絶縁体１１６に相当す
るため、詳細については絶縁体１１６の記載を参酌することができる。
【０３９９】
また、絶縁体４９３は、トランジスタ２１００のソース電極またはドレイン電極の一方で
ある導電体５１６ｂを通って、導電体４７４ｂに達する開口部と、トランジスタ２１００
のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体５１６ａに達する開口部と、トラン
ジスタ２１００のゲート電極である導電体５０４に達する開口部と、導電体４７４ｃに達
する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ
、導電体４９６ｃまたは導電体４９６ｄが埋め込まれている。ただし、それぞれの開口部
は、さらにトランジスタ２１００などの構成要素のいずれかが有する開口部を介する場合
がある。
【０４００】
また、絶縁体４９４は、導電体４９６ａに達する開口部と、導電体４９６ｂおよび導電体
４９６ｄに達する開口部と、導電体４９６ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部
には、それぞれ導電体４９８ａ、導電体４９８ｂまたは導電体４９８ｃが埋め込まれてい
る。
【０４０１】
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４８９、絶縁体４９３および絶縁体
４９４としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニ
ウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジル
コニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、ま
たは積層で用いればよい。
【０４０２】
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４８９、絶縁体４９３または絶縁体
４９４の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有
することが好ましい。トランジスタ２１００の近傍に、水素などの不純物および酸素をブ
ロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ２１００の電気特
性を安定にすることができる。
【０４０３】
水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ
素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、
アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム
、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
【０４０４】
導電体４５４、導電体４８０ａ、導電体４８０ｂ、導電体４８０ｃ、導電体４７８ａ、導
電体４７８ｂ、導電体４７８ｃ、導電体４７６ａ、導電体４７６ｂ、導電体４７４ａ、導
電体４７４ｂ、導電体４７４ｃ、導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ、導電体４９６ｃ、導
電体４９６ｄ、導電体４９８ａ、導電体４９８ｂおよび導電体４９８ｃとしては、タング
ステンと、シリコン、炭素、ゲルマニウム、スズ、アルミニウムまたはニッケルから選ば
れた一以上の元素と、を有する領域を有する導電体を用いればよい。特に、タングステン
と、シリコンと、を有する導電体が好ましい。また、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリ
コン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛
、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、
スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用い
てもよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅および
チタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含
む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。
【０４０５】
なお、図２５に示す半導体装置は、図２４に示した半導体装置のトランジスタ２２００の
構造が異なるのみである。よって、図２５に示す半導体装置については、図２４に示した
半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図２５に示す半導体装置は、トランジスタ２
２００がＦｉｎ型である場合を示している。トランジスタ２２００をＦｉｎ型とすること
により、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ２２００のオン特性を向
上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、ト
ランジスタ２２００のオフ特性を向上させることができる。
【０４０６】
また、図２６に示す半導体装置は、図２４に示した半導体装置のトランジスタ２２００の
構造が異なるのみである。よって、図２６に示す半導体装置については、図２４に示した
半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図２６に示す半導体装置は、トランジスタ２
２００がＳＯＩ基板である半導体基板４５０に設けられた場合を示している。図２６には
、絶縁体４５２によって領域４５６が半導体基板４５０と分離されている構造を示す。半
導体基板４５０としてＳＯＩ基板を用いることによって、パンチスルー現象などを抑制す
ることができるためトランジスタ２２００のオフ特性を向上させることができる。なお、
絶縁体４５２は、半導体基板４５０を絶縁体化させることによって形成することができる
。例えば、絶縁体４５２としては、酸化シリコンを用いることができる。
【０４０７】
図２４乃至図２６に示した半導体装置は、半導体基板を用いてｐチャネル型トランジスタ
を作製し、その上方にｎチャネル型トランジスタを作製するため、素子の占有面積を縮小
することができる。即ち、半導体装置の集積度を高くすることができる。また、ｎチャネ
ル型トランジスタと、ｐチャネル型トランジスタとを同一の半導体基板を用いて作製した
場合と比べて、工程を簡略化することができるため、半導体装置の生産性を高くすること
ができる。また、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、ｐチャネル型ト
ランジスタは、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）領域、シャロートレ
ンチ構造、歪み設計などの複雑な工程を省略できる場合がある。そのため、ｎチャネル型
トランジスタを、半導体基板を用いて作製する場合と比べて、生産性および歩留まりを高
くすることができる場合がある。
【０４０８】
＜ＣＭＯＳアナログスイッチ＞
また図２３（Ｂ）に示す回路図は、トランジスタ２１００とトランジスタ２２００のそれ
ぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、い
わゆるＣＭＯＳアナログスイッチとして機能させることができる。
【０４０９】
＜記憶装置１＞
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、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、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を図２７
に示す。
【０４１０】
図２７（Ａ）に示す半導体装置は、第１の半導体を用いたトランジスタ３２００と第２の
半導体を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。なお、ト
ランジスタ３３００としては、上述のトランジスタ２１００と同様のトランジスタを用い
ることができる。
【０４１１】
トランジスタ３３００は、オフ電流の小さいトランジスタが好ましい。トランジスタ３３
００は、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。トランジス
タ３３００のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに長期にわたり記
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、または
リフレッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半導
体装置となる。
【０４１２】
図２７（Ａ）において、第１の配線３００１はトランジスタ３２００のソースと電気的に
接続され、第２の配線３００２はトランジスタ３２００のドレインと電気的に接続される
。また、第３の配線３００３はトランジスタ３３００のソース、ドレインの一方と電気的
に接続され、第４の配線３００４はトランジスタ３３００のゲートと電気的に接続されて
いる。そして、トランジスタ３２００のゲート、およびトランジスタ３３００のソース、
ドレインの他方は、容量素子３４００の電極の一方と電気的に接続され、第５の配線３０
０５は容量素子３４００の電極の他方と電気的に接続されている。
【０４１３】
図２７（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００のゲートの電位が保持可能とい
う特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能であ
る。
【０４１４】
情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線３００４の電位を、トラ
ンジスタ３３００が導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を導通状態とする
。これにより、第３の配線３００３の電位が、トランジスタ３２００のゲート、および容
量素子３４００の電極の一方と電気的に接続するノードＦＧに与えられる。即ち、トラン
ジスタ３２００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる
二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という。）
のどちらかが与えられるものとする。その後、第４の配線３００４の電位を、トランジス
タ３３００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ３３００を非導通状態とするこ
とにより、ノードＦＧに電荷が保持される（保持）。
【０４１５】
トランジスタ３３００のオフ電流が小さいため、ノードＦＧの電荷は長期間にわたって保
持される。
【０４１６】
次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与
えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線
３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ
３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷
が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００の
ゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌよ
り低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を
「導通状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがっ
て、第５の配線３００５の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ０とすることによ
り、ノードＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧ
にＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＞
Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧ
にＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ０（＜Ｖ
ｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「非導通状態」のままである。このため
、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み
出すことができる。
【０４１７】
なお、メモリセルをアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報
を読み出さなくてはならない。情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノードＦＧに
与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「非導通状態」となるような電位、つま
り、Ｖｔｈ＿Ｈより低い電位を第５の配線３００５に与えることで所望のメモリセルの情
報のみを読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセルにおいて
は、ノードＦＧに与えられた電荷によらずトランジスタ３２００が「導通状態」となるよ
うな電位、つまり、Ｖｔｈ＿Ｌより高い電位を第５の配線３００５に与えることで所望の
メモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。
【０４１８】
なお、上記においては、２種類の電荷をノードＦＧに保持する例について示したが、本発
明に係る半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、半導体装置のノードＦＧに
３種類以上の電荷を保持できる構成としてもよい。このような構成とすることにより、当
該半導体装置を多値化して記憶容量の増大を図ることができる。
【０４１９】
＜記憶装置の構造１＞
図２８は、図２７（Ａ）に対応する半導体装置の断面図である。図２８に示す半導体装置
は、トランジスタ３２００と、トランジスタ３３００と、容量素子３４００と、を有する
。また、トランジスタ３３００および容量素子３４００は、トランジスタ３２００の上方
に配置する。なお、トランジスタ３３００としては、上述したトランジスタ２１００につ
いての記載を参照する。また、トランジスタ３２００としては、図２４に示したトランジ
スタ２２００についての記載を参照する。なお、図２４では、トランジスタ２２００がｐ
チャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャ
ネル型トランジスタであっても構わない。
【０４２０】
図２８に示すトランジスタ３２００は、半導体基板４５０を用いたトランジスタである。
トランジスタ３２００は、半導体基板４５０中の領域４７２ａと、半導体基板４５０中の
領域４７２ｂと、絶縁体４６２と、導電体４５４と、を有する。
【０４２１】
図２８に示す半導体装置は、絶縁体４６４と、絶縁体４６６と、絶縁体４６８と、導電体
４８０ａと、導電体４８０ｂと、導電体４８０ｃと、導電体４７８ａと、導電体４７８ｂ
と、導電体４７８ｃと、導電体４７６ａと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ａと、導電
体４７４ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ａと、導電体４９６ｂと、導電体４９６
ｃと、導電体４９６ｄと、導電体４９８ａと、導電体４９８ｂと、導電体４９８ｃと、絶
縁体４８９と、絶縁体４９０と、絶縁体４９１と、絶縁体４９２と、絶縁体４９３と、絶
縁体４９４と、を有する。
【０４２２】
絶縁体４６４は、トランジスタ３２００上に配置する。また、絶縁体４６６は、絶縁体４
６４上に配置する。また、絶縁体４６８は、絶縁体４６６上に配置する。また、絶縁体４
８９は、絶縁体４６８上に配置する。また、トランジスタ３３００は、絶縁体４８９上に
配置する。また、絶縁体４９３は、トランジスタ３３００上に配置する。また、絶縁体４
９４は、絶縁体４９３上に配置する。
【０４２３】
絶縁体４６４は、領域４７２ａに達する開口部と、領域４７２ｂに達する開口部と、導電
体４５４に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４８０ａ、導
電体４８０ｂまたは導電体４８０ｃが埋め込まれている。
【０４２４】
また、絶縁体４６６は、導電体４８０ａに達する開口部と、導電体４８０ｂに達する開口
部と、導電体４８０ｃに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体
４７８ａ、導電体４７８ｂまたは導電体４７８ｃが埋め込まれている。
【０４２５】
また、絶縁体４６８は、導電体４７８ｂに達する開口部と、導電体４７８ｃに達する開口
部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体４７６ａまたは導電体４７６ｂが埋
め込まれている。
【０４２６】
また、絶縁体４８９は、トランジスタ３３００のチャネル形成領域と重なる開口部と、導
電体４７６ａに達する開口部と、導電体４７６ｂに達する開口部と、を有する。また、開
口部には、それぞれ導電体４７４ａ、導電体４７４ｂまたは導電体４７４ｃが埋め込まれ
ている。
【０４２７】
導電体４７４ａは、トランジスタ３３００のボトムゲート電極としての機能を有しても構
わない。または、例えば、導電体４７４ａに一定の電位を印加することで、トランジスタ
３３００のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、導電体
４７４ａとトランジスタ３３００のトップゲート電極である導電体５０４とを電気的に接
続しても構わない。こうすることで、トランジスタ３３００のオン電流を大きくすること
ができる。また、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ３３００
の飽和領域における電気特性を安定にすることができる。
【０４２８】
また、絶縁体４９０は、導電体４７４ｂに達する開口部と、導電体４７４ｃに達する開口
部と、を有する。なお、絶縁体４９０は上記実施の形態の絶縁体１０３に相当するため、
詳細については絶縁体１０３の記載を参酌することができる。上記実施の形態に記載した
ように、開口部を除いて導電体４７４ａ乃至４７４ｃの上を覆うように絶縁体４９０を設
けることにより、絶縁体４９１から導電体４７４ａ乃至４７４ｃが酸素を引き抜くことを
防ぐことができる。これにより、絶縁体４９１からトランジスタ３３００の酸化物半導体
に効果的に酸素を供給することができる。
【０４２９】
また、絶縁体４９１は、導電体４７４ｂに達する開口部と、導電体４７４ｃに達する開口
部と、を有する。なお、絶縁体４９１は上記実施の形態の絶縁体１０４に相当するため、
詳細については絶縁体１０４の記載を参酌することができる。
【０４３０】
上記実施の形態に示したように、絶縁体４９１の水、水素の含有量を低減することにより
、トランジスタ２１００の酸化物半導体に欠陥準位が形成されるのを抑制することができ
る。これにより、トランジスタ２１００の電気特性を安定させることができる。
【０４３１】
また、このような、水、水素が低減された絶縁体は絶縁体４９１だけでなく、他の絶縁体
に用いてもよい。例えば、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４８９、絶縁体４９３な
どに用いてもよい。
【０４３２】
また、図２４においては、トランジスタ２０における絶縁体１０５、絶縁体１０１に相当
する絶縁体を図示していないが、もちろんこれらを設ける構成としてもよい。例えば、絶
縁体４６８と絶縁体４８９の間に絶縁体１０１に相当する絶縁体を設けてもよいし、絶縁
体４８９と絶縁体４９０の間に絶縁体１０５に相当する絶縁体を設けてもよい。特に、絶
縁体４６８と絶縁体４８９の間に絶縁体１０１に相当する、水、水素などをブロックする
機能を有する絶縁体を設け、上記のように絶縁体４９１の水、水素の含有量を低減するこ
とにより、トランジスタ３３００の酸化物半導体に欠陥準位が形成されるのをさらに抑制
することができる。
【０４３３】
また、絶縁体４９２は、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方で
ある導電体５１６ｂを通って、導電体４７４ｂに達する開口部と、トランジスタ３３００
のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体５１６ａと絶縁体５１１を介して重
なる導電体５１４に達する開口部と、トランジスタ３３００のゲート電極である導電体５
０４に達する開口部と、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方で
ある導電体５１６ａを通って、導電体４７４ｃに達する開口部と、を有する。なお、絶縁
体４９２は上記実施の形態の絶縁体１１６に相当するため、詳細については絶縁体１１６
の記載を参酌することができる。
【０４３４】
また、絶縁体４９３は、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の一方で
ある導電体５１６ｂを通って、導電体４７４ｂに達する開口部と、トランジスタ３３００
のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体５１６ａと絶縁体５１１を介して重
なる導電体５１４に達する開口部と、トランジスタ３３００のゲート電極である導電体５
０４に達する開口部と、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方で
ある導電体５１６ａを通って、導電体４７４ｃに達する開口部と、を有する。また、開口
部には、それぞれ導電体４９６ａ、導電体４９６ｂ、導電体４９６ｃまたは導電体４９６
ｄが埋め込まれている。ただし、それぞれの開口部は、さらにトランジスタ３３００など
の構成要素のいずれかが有する開口部を介する場合がある。
【０４３５】
また、絶縁体４９４は、導電体４９６ａに達する開口部と、導電体４９６ｂに達する開口
部と、導電体４９６ｃに達する開口部と、導電体４９６ｄに達する開口部と、を有する。
また、開口部には、それぞれ導電体４９８ａ、導電体４９８ｂ、導電体４９８ｃおよび導
電体４９８ｄが埋め込まれている。
【０４３６】
絶縁体４６４、絶縁体４６６、絶縁体４６８、絶縁体４８９、絶縁体４９３または絶縁体
４９４の一以上は、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を有
することが好ましい。トランジスタ３３００の近傍に、水素などの不純物および酸素をブ
ロックする機能を有する絶縁体を配置することによって、トランジスタ３３００の電気特
性を安定にすることができる。
【０４３７】
トランジスタ３２００のソースまたはドレインは、導電体４８０ｂと、導電体４７８ｂと
、導電体４７６ａと、導電体４７４ｂと、導電体４９６ｃと、を介してトランジスタ３３
００のソース電極またはドレイン電極の一方である導電体５１６ｂと電気的に接続する。
また、トランジスタ３２００のゲート電極である導電体４５４は、導電体４８０ｃと、導
電体４７８ｃと、導電体４７６ｂと、導電体４７４ｃと、導電体４９６ｄと、を介してト
ランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方である導電体５１６ａと電気
的に接続する。
【０４３８】
容量素子３４００は、トランジスタ３３００のソース電極またはドレイン電極の他方であ
る導電体５１６ａと、導電体５１４と、絶縁体５１１と、を有する。なお、絶縁体５１１
は、トランジスタ３３００のゲート絶縁体として機能する絶縁体と同一工程を経て形成で
きるため、生産性を高めることができて好ましい場合がある。また、導電体５１４として
、トランジスタ３３００のゲート電極として機能する導電体５０４と同一工程を経て形成
した層を用いると、生産性を高めることができて好ましい場合がある。
【０４３９】
そのほかの構造については、適宜図２４などについての記載を参酌することができる。
【０４４０】
なお、図２９に示す半導体装置は、図２８に示した半導体装置のトランジスタ３２００の
構造が異なるのみである。よって、図２９に示す半導体装置については、図２８に示した
半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図２９に示す半導体装置は、トランジスタ３
２００がＦｉｎ型である場合を示している。Ｆｉｎ型であるトランジスタ３２００につい
ては、図２５に示したトランジスタ２２００の記載を参照する。なお、図２５では、トラ
ンジスタ２２００がｐチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジ
スタ３２００がｎチャネル型トランジスタであっても構わない。
【０４４１】
また、図３０に示す半導体装置は、図２８に示した半導体装置のトランジスタ３２００の
構造が異なるのみである。よって、図３０に示す半導体装置については、図２８に示した
半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図３０に示す半導体装置は、トランジスタ３
２００がＳＯＩ基板である半導体基板４５０に設けられた場合を示している。ＳＯＩ基板
である半導体基板４５０に設けられたトランジスタ３２００については、図２６に示した
トランジスタ２２００の記載を参照する。なお、図２６では、トランジスタ２２００がｐ
チャネル型トランジスタである場合について説明したが、トランジスタ３２００がｎチャ
ネル型トランジスタであっても構わない。
【０４４２】
＜記憶装置２＞
図２７（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を有さない点で図２７（Ａ）に
示した半導体装置と異なる。この場合も図２７（Ａ）に示した半導体装置と同様の動作に
より情報の書き込みおよび保持動作が可能である。
【０４４３】
図２７（Ｂ）に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジス
タ３３００が導通状態になると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子３４００
とが導通し、第３の配線３００３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結
果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量
素子３４００の電極の一方の電位（または容量素子３４００に蓄積された電荷）によって
、異なる値をとる。
【０４４４】
例えば、容量素子３４００の電極の一方の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３
の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の
電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×
ＶＢ０＋ＣＶ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子
３４００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２つの状態をとるとすると、
電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ１）
／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（Ｃ
Ｂ×ＶＢ０＋ＣＶ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。
【０４４５】
そして、第３の配線３００３の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すこと
ができる。
【０４４６】
この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第１の半導体が適用されたトラ
ンジスタを用い、トランジスタ３３００として第２の半導体が適用されたトランジスタを
駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。
【０４４７】
以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用
することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。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、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。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好ましい）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。
【０４４８】
また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こ
りにくい。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わないため、絶縁体の劣化といっ
た問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、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した半導体装置
である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行わ
れるため、高速な動作が可能となる。
【０４４９】
＜記憶装置３＞
図２７（Ａ）に示す半導体装置（記憶装置）の変形例について、図３１に示す回路図を用
いて説明する。
【０４５０】
図３１に示す半導体装置は、トランジスタ４１００乃至トランジスタ４４００と、容量素
子４５００および容量素子４６００と、を有する。ここでトランジスタ４１００は、上述
のトランジスタ３２００と同様のトランジスタを用いることができ、トランジスタ４２０
０乃至４４００は、上述のトランジスタ３３００と同様のトランジスタを用いることがで
きる。なお、図３１に示す半導体装置は、図３１では図示を省略したが、マトリクス状に
複数設けられる。図３１に示す半導体装置は、配線４００１、配線４００３、配線４００
５乃至４００９に与える信号または電位に従って、データ電圧の書き込み、読み出しを制
御することができる。
【０４５１】
トランジスタ４１００のソースまたはドレインの一方は、配線４００３に接続される。ト
ランジスタ４１００のソースまたはドレインの他方は、配線４００１に接続される。なお
図３１では、トランジスタ４１００の導電型をｐチャネル型として示すが、ｎチャネル型
でもよい。
【０４５２】
図３１に示す半導体装置は、２つのデータ保持部を有する。例えば第１のデータ保持部は
、ノードＦＧ１に接続されるトランジスタ４４００のソースまたはドレインの一方、容量
素子４６００の一方の電極、およびトランジスタ４２００のソースまたはドレインの一方
の間で電荷を保持する。また、第２のデータ保持部は、ノードＦＧ２に接続されるトラン
ジスタ４１００のゲート、トランジスタ４２００のソースまたはドレインの他方、トラン
ジスタ４３００のソースまたはドレインの一方、および容量素子４５００の一方の電極の
間で電荷を保持する。
【０４５３】
トランジスタ４３００のソースまたはドレインの他方は、配線４００３に接続される。ト
ランジスタ４４００のソースまたはドレインの他方は、配線４００１に接続される。トラ
ンジスタ４４００のゲートは、配線４００５に接続される。トランジスタ４２００のゲー
トは、配線４００６に接続される。トランジスタ４３００のゲートは、配線４００７に接
続される。容量素子４６００の他方の電極は、配線４００８に接続される。容量素子４５
００の他方の電極は、配線４００９に接続される。
【０４５４】
トランジスタ４２００乃至４４００は、データ電圧の書き込みと電荷の保持を制御するス
イッチとしての機能を有する。なおトランジスタ４２００乃至４４００は、非導通状態に
おいてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ電流）が低いトランジスタが用いられ
ることが好適である。オフ電流が少ないトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化
物半導体を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）であることが好ましい。ＯＳトラン
ジスタは、オフ電流が低い、シリコンを有するトランジスタと重ねて作製できる等の利点
がある。なお図３１では、トランジスタ４２００乃至４４００の導電型をｎチャネル型と
して示すが、ｐチャネル型でもよい。
【０４５５】
トランジスタ４２００およびトランジスタ４３００と、トランジスタ４４００とは、酸化
物半導体を用いたトランジスタであっても別層に設けることが好ましい。すなわち、図３
１に示す半導体装置は、図３１に示すように、トランジスタ４１００を有する第１の層４
０２１と、トランジスタ４２００およびトランジスタ４３００を有する第２の層４０２２
と、トランジスタ４４００を有する第３の層４０２３と、で構成されることが好ましい。
トランジスタを有する層を積層して設けることで、回路面積を縮小することができ、半導
体装置の小型化を図ることができる。
【０４５６】
次いで、図３１に示す半導体装置への情報の書き込み動作について説明する。
【０４５７】
最初に、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作（以下、
書き込み動作１とよぶ。）について説明する。なお、以下において、ノードＦＧ１に接続
されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をＶＤ１とし、トランジスタ４１００の閾値電
圧をＶｔｈとする。
【０４５８】
書き込み動作１では、配線４００３をＶＤ１とし、配線４００１を接地電位とした後に、
電気的に浮遊状態とする。また配線４００５、４００６をハイレベルにする。また配線４
００７乃至４００９をローレベルにする。すると、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２
の電位が上昇し、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、配線４０
０１の電位が上昇する。またトランジスタ４４００、トランジスタ４２００が導通状態と
なる。そのため、配線４００１の電位の上昇につれて、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位が上
昇する。ノードＦＧ２の電位が上昇し、トランジスタ４１００でゲートとソースとの間の
電圧（Ｖｇｓ）がトランジスタ４１００の閾値電圧Ｖｔｈになると、トランジスタ４１０
０を流れる電流が小さくなる。そのため、配線４００１、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位の
上昇は止まり、ＶＤ１からＶｔｈだけ下がった「ＶＤ１−Ｖｔｈ」で一定となる。
【０４５９】
つまり、配線４００３に与えたＶＤ１は、トランジスタ４１００に電流が流れることで、
配線４００１に与えられ、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位が上昇する。電位の上昇によって
、ノードＦＧ２の電位が「ＶＤ１−Ｖｔｈ」となると、トランジスタ４１００のＶｇｓが
Ｖｔｈとなるため、電流が止まる。
【０４６０】
次に、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作（以下、書
き込み動作２とよぶ。）について説明する。なお、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持
部に書きこむデータ電圧をＶＤ２として説明する。
【０４６１】
書き込み動作２では、配線４００１をＶＤ２とし、配線４００３を接地電位とした後に、
電気的に浮遊状態とする。また配線４００７をハイレベルにする。また配線４００５、４
００６、４００８、４００９をローレベルにする。トランジスタ４３００を導通状態とし
て配線４００３をローレベルにする。そのため、ノードＦＧ２の電位もローレベルにまで
低下し、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、配線４００３の電
位が上昇する。またトランジスタ４３００が導通状態となる。そのため、配線４００３の
電位の上昇につれて、ノードＦＧ２の電位が上昇する。ノードＦＧ２の電位が上昇し、ト
ランジスタ４１００でＶｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４
１００を流れる電流が小さくなる。そのため、配線４００３、ＦＧ２の電位の上昇は止ま
り、ＶＤ２からＶｔｈだけ下がった「ＶＤ２−Ｖｔｈ」で一定となる。
【０４６２】
つまり、配線４００１に与えたＶＤ２は、トランジスタ４１００に電流が流れることで、
配線４００３に与えられ、ノードＦＧ２の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノード
ＦＧ２の電位が「ＶＤ２−Ｖｔｈ」となると、トランジスタ４１００のＶｇｓがＶｔｈと
なるため、電流が止まる。このとき、ノードＦＧ１の電位は、トランジスタ４２００、４
４００共に非導通状態であり、書き込み動作１で書きこんだ「ＶＤ１−Ｖｔｈ」が保持さ
れる。
【０４６３】
図３１に示す半導体装置では、複数のデータ保持部にデータ電圧を書きこんだのち、配線
４００９をハイレベルにして、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位を上昇させる。そして、各ト
ランジスタを非導通状態として、電荷の移動をなくし、書きこんだデータ電圧を保持する
。
【０４６４】
以上説明したノードＦＧ１、ＦＧ２へのデータ電圧の書き込み動作によって、複数のデー
タ保持部にデータ電圧を保持させることができる。なお書きこまれる電位として、「ＶＤ
１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を一例として挙げて説明したが、これらは多値のデー
タに対応するデータ電圧である。そのため、それぞれのデータ保持部で４ビットのデータ
を保持する場合、１６値の「ＶＤ１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を取り得る。
【０４６５】
次いで、図３１に示す半導体装置からの情報の読み出し動作について説明する。
【０４６６】
最初に、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作（以下、
読み出し動作１とよぶ。）について説明する。
【０４６７】
読み出し動作１では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線４００３
を放電させる。配線４００５乃至４００８をローレベルにする。また、配線４００９をロ
ーレベルとして、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２の電位を「ＶＤ２−Ｖｔｈ」とす
る。ノードＦＧ２の電位が下がることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が
流れることで、電気的に浮遊状態の配線４００３の電位が低下する。配線４００３の電位
の低下につれて、トランジスタ４１００のＶｇｓが小さくなる。トランジスタ４１００の
Ｖｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が
小さくなる。すなわち、配線４００３の電位が、ノードＦＧ２の電位「ＶＤ２−Ｖｔｈ」
からＶｔｈだけ大きい値である「ＶＤ２」となる。この配線４００３の電位は、ノードＦ
Ｇ２に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデー
タ電圧はＡ／Ｄ変換を行い、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータを取得する
。
【０４６８】
つまり、プリチャージ後の配線４００３を浮遊状態とし、配線４００９の電位をハイレベ
ルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流
れることで、浮遊状態にあった配線４００３の電位は低下して「ＶＤ２」となる。トラン
ジスタ４１００では、ノードＦＧ２の「ＶＤ２−Ｖｔｈ」との間のＶｇｓがＶｔｈとなる
ため、電流が止まる。そして、配線４００３には、書き込み動作２で書きこんだ「ＶＤ２
」が読み出される。
【０４６９】
ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータを取得したら、トランジスタ４３００を
導通状態として、ノードＦＧ２の「ＶＤ２−Ｖｔｈ」を放電させる。
【０４７０】
次に、ノードＦＧ１に保持される電荷をノードＦＧ２に分配し、ノードＦＧ１に接続され
るデータ保持部のデータ電圧を、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部に移す。ここで
、配線４００１、４００３をローレベルとする。配線４００６をハイレベルにする。また
、配線４００５、配線４００７乃至４００９をローレベルにする。トランジスタ４２００
が導通状態となることで、ノードＦＧ１の電荷が、ノードＦＧ２との間で分配される。
【０４７１】
ここで、電荷の分配後の電位は、書きこんだ電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」から低下する。その
ため、容量素子４６００の容量値は、容量素子４５００の容量値よりも大きくしておくこ
とが好ましい。あるいは、ノードＦＧ１に書きこむ電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」は、同じデー
タを表す電位「ＶＤ２−Ｖｔｈ」よりも大きくすることが好ましい。このように、容量値
の比を変えること、予め書きこむ電位を大きくしておくことで、電荷の分配後の電位の低
下を抑制することができる。電荷の分配による電位の変動については、後述する。
【０４７２】
次に、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作（以下、読
み出し動作２とよぶ。）について説明する。
【０４７３】
読み出し動作２では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線４００３
を放電させる。配線４００５乃至４００８をローレベルにする。また、配線４００９は、
プリチャージ時にハイレベルとして、その後ローレベルとする。配線４００９をローレベ
ルとすることで、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２を電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」とする
。ノードＦＧ２の電位が下がることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流
れることで、電気的に浮遊状態の配線４００３の電位が低下する。配線４００３の電位の
低下につれて、トランジスタ４１００のＶｇｓが小さくなる。トランジスタ４１００のＶ
ｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小
さくなる。すなわち、配線４００３の電位が、ノードＦＧ２の電位「ＶＤ１−Ｖｔｈ」か
らＶｔｈだけ大きい値である「ＶＤ１」となる。この配線４００３の電位は、ノードＦＧ
１に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ
電圧はＡ／Ｄ変換を行い、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部のデータを取得する。
以上が、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作である。
【０４７４】
つまり、プリチャージ後の配線４００３を浮遊状態とし、配線４００９の電位をハイレベ
ルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流
れることで、浮遊状態にあった配線４００３の電位は低下して「ＶＤ１」となる。トラン
ジスタ４１００では、ノードＦＧ２の「ＶＤ１−Ｖｔｈ」との間のＶｇｓがＶｔｈとなる
ため、電流が止まる。そして、配線４００３には、書き込み動作１で書きこんだ「ＶＤ１
」が読み出される。
【０４７５】
以上説明したノードＦＧ１、ＦＧ２からのデータ電圧の読み出し動作によって、複数のデ
ータ保持部からデータ電圧を読み出すことができる。例えば、ノードＦＧ１およびノード
ＦＧ２にそれぞれ４ビット（１６値）のデータを保持することで計８ビット（２５６値）
のデータを保持することができる。また、図３１においては、第１の層４０２１乃至第３
の層４０２３からなる構成としたが、さらに層を形成することによって、半導体装置の面
積を増大させず記憶容量の増加を図ることができる。
【０４７６】
なお読み出される電位は、書きこんだデータ電圧よりＶｔｈだけ大きい電圧として読み出
すことができる。そのため、書き込み動作で書きこんだ「ＶＤ１−Ｖｔｈ」や「ＶＤ２−
Ｖｔｈ」のＶｔｈを相殺して読み出す構成とすることができる。その結果、メモリセルあ
たりの記憶容量を向上させるとともに、読み出されるデータを正しいデータに近づけるこ
とができるため、データの信頼性に優れたものとすることができる。
【０４７７】
また、図３２に図３１に対応する半導体装置の断面図を示す。図３２に示す半導体装置は
、トランジスタ４１００、トランジスタ４２００、トランジスタ４３００、トランジスタ
４４００、容量素子４５００および容量素子４６００を有する。ここで、トランジスタ４
１００は第１の層４０２１に形成され、トランジスタ４２００、トランジスタ４３００、
および容量素子４５００は第２の層４０２２に形成され、トランジスタ４４００および容
量素子４６００は第３の層４０２３に形成される。
【０４７８】
ここで、トランジスタ４２００乃至４４００としてはトランジスタ３３００の記載を、ト
ランジスタ４１００としてはトランジスタ３２００の記載を参酌することができる。また
、その他の配線、絶縁体等についても適宜図２８の記載を参酌することができる。
【０４７９】
なお、図２８に示す半導体装置の容量素子３４００では導電層を基板に対して平行に設け
て容量を形成する構成としたが、容量素子４５００、４６００では、トレンチ状に導電層
を設けて、容量を形成する構成としている。このような構成とすることで、同じ占有面積
であっても大きい容量値を確保することができる。
【０４８０】
＜記憶装置４＞
図２７（Ｃ）に示す半導体装置は、トランジスタ３５００、第６の配線３００６を有する
点で図２７（Ａ）に示した半導体装置と異なる。この場合も図２７（Ａ）に示した半導体
装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。また、トランジス
タ３５００としては上記のトランジスタ３２００と同様のトランジスタを用いればよい。
【０４８１】
第６の配線３００６は、トランジスタ３５００のゲートと電気的に接続され、トランジス
タ３５００のソース、ドレインの一方はトランジスタ３２００のドレインと電気的に接続
され、トランジスタ３５００のソース、ドレインの他方は第３の配線３００３と電気的に
接続される。
【０４８２】
図３３は、図２７（Ｃ）に示す半導体装置の断面図の一例を示す。図３４は、図３３に示
すＡ１−Ａ２方向と概略垂直な断面の一例を示す。図３３および図３４に示す、図２７（
Ｃ）に示す半導体装置は、層１６２７乃至層１６３１の５つの層を有する。層１６２７は
トランジスタ３２００乃至トランジスタ３６００を有する。層１６２８及び層１６２９は
トランジスタ３３００を有する。
【０４８３】
層１６２７は、基板１４００と、基板１４００上のトランジスタ３２００乃至トランジス
タ３６００と、トランジスタ３２００等の上の絶縁体１４６４と、プラグ１５４１等のプ
ラグを有する。プラグ１５４１等は例えばトランジスタ３２００等のゲート電極、ソース
電極またはドレイン電極等に接続する。プラグ１５４１は、絶縁体１４６４を埋めるよう
に形成されることが好ましい。
【０４８４】
トランジスタ３２００乃至トランジスタ３６００については、トランジスタ２２００の記
載を参酌することができる。
【０４８５】
絶縁体１４６４として例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒
化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化ア
ルミニウムなどを用いればよい。
【０４８６】
絶縁体１４６４はスパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ
法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法、またはＰＬＤ法などにより形成することができる。
特に、当該絶縁体をＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法によって成膜すると、被覆性
を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダメージを減らすには、熱
ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法が好ましい。
【０４８７】
また、絶縁体１４６４として、炭化窒化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｏｎｉｔｒ
ｉｄｅ）、酸化炭化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｘｙｃａｒｂｉｄｅ）などを用いるこ
とができる。また、ＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳ
Ｇ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＢＳＧ（Ｂ
ｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）等を用いることができる。ＵＳＧ、ＢＰＳＧ等は
、常圧ＣＶＤ法を用いて形成すればよい。また、例えば、ＨＳＱ（水素シルセスキオキサ
ン）等を塗布法を用いて形成してもよい。
【０４８８】
絶縁体１４６４は単層でもよく、複数の材料を積層して用いてもよい。
【０４８９】
ここで、図３３には絶縁体１４６４を絶縁体１４６４ａと、絶縁体１４６４ａ上の絶縁体
１４６４ｂとの２層とする例を示す。
【０４９０】
絶縁体１４６４ａは、トランジスタ３２００の領域１４７６、トランジスタ３２００等の
ゲートとして機能する導電体１４５４等との密着性や、被覆性がよいことが好ましい。
【０４９１】
絶縁体１４６４ａの一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる
。ここで絶縁体１４６４ａは水素を有すると好ましい場合がある。絶縁体１４６４ａが水
素を有することにより、基板１４００が有する欠陥等を低減し、トランジスタ３２００等
の特性を向上させる場合がある。例えば基板１４００としてシリコンを有する材料を用い
た場合には、水素によりシリコンのダングリングボンド等の欠陥を終端することができる
。
【０４９２】
ここで導電体１４５４等の絶縁体１４６４ａの下の導電体と、導電体１５１１等の絶縁体
１４６４ｂ上に形成される導電体との間に形成される寄生容量は小さいことが好ましい。
よって、絶縁体１４６４ｂは誘電率が低いことが好ましい。絶縁体１４６４ｂは、トラン
ジスタ３２００などのゲート絶縁体として機能する絶縁体１４６２よりも誘電率が低いこ
とが好ましい。また、絶縁体１４６４ｂは、絶縁体１４６４ａよりも誘電率が低いことが
好ましい。例えば、絶縁体１４６４ｂの比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ま
しい。また例えば、絶縁体１４６４ｂの比誘電率は、絶縁体１４６４ａの比誘電率の０．
７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。
【０４９３】
ここで一例として、絶縁体１４６４ａに窒化シリコンを、絶縁体１４６４ｂにＵＳＧを用
いることができる。
【０４９４】
ここで、絶縁体１４６４ａおよび絶縁体１５８１ａ等に窒化シリコンや、炭化窒化シリコ
ンなどの銅の透過性の低い材料を用いることにより、導電体１５１１等に銅を用いた場合
に、絶縁体１４６４ａおよび絶縁体１５８１ａ等の上下の層への銅の拡散を抑制できる場
合がある。
【０４９５】
また、例えば導電体１５１１の上面から、絶縁体１５８４等を介して上層に銅などの不純
物が拡散する可能性がある。よって、導電体１５１１上の絶縁体１５８４は、銅などの不
純物の透過性が低い材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体１５８４を、絶縁体１
５８１ａおよび絶縁体１５８１ｂの積層構造のように積層構造とすればよい。
【０４９６】
層１６２８は、絶縁体１５８１と、絶縁体１５８１上の絶縁体１５８４と、絶縁体１５８
４上の絶縁体１５７１と、絶縁体１５７１上の絶縁体１５８５と、を有する。また、絶縁
体１４６４上の導電体１５１１等と、導電体１５１１等に接続するプラグ１５４３等と、
絶縁体１５７１上の導電体１５１３と、を有する。導電体１５１１は絶縁体１５８１の開
口部を埋めるように形成されることが好ましい。プラグ１５４３等は絶縁体１５８４およ
び絶縁体１５７１の開口部を埋めるように形成されることが好ましい。導電体１５１３は
、絶縁体１５８５の開口部を埋めるように形成されることが好ましい。
【０４９７】
また、層１６２８は、導電体１４１３を有してもよい。導電体１４１３は、絶縁体１５８
５の開口部を埋めるように形成されることが好ましい。
【０４９８】
絶縁体１５８４および絶縁体１５８５として例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、
窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化
アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
【０４９９】
絶縁体１５８４および絶縁体１５８５は、スパッタリング法、ＣＶＤ法（熱ＣＶＤ法、Ｍ
ＯＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法等を含む）、ＭＢＥ法、ＡＬＤ法、またはＰＬＤ法などにより
形成することができる。特に、当該絶縁体をＣＶＤ法、好ましくはプラズマＣＶＤ法によ
って成膜すると、被覆性を向上させることができるため好ましい。またプラズマによるダ
メージを減らすには、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法あるいはＡＬＤ法が好ましい。
【０５００】
また、絶縁体１５８４および絶縁体１５８５として、炭化シリコン、炭化窒化シリコン（
ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅ）、酸化炭化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏ
ｘｙｃａｒｂｉｄｅ）などを用いることができる。また、ＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉ
ｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉ
ｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）、ＢＳＧ（Ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）等を用いる
ことができる。ＵＳＧ、ＢＰＳＧ等は、常圧ＣＶＤ法を用いて形成すればよい。また、例
えば、ＨＳＱ（水素シルセスキオキサン）等を塗布法を用いて形成してもよい。
【０５０１】
絶縁体１５８４および絶縁体１５８５は単層でもよく、複数の材料を積層して用いてもよ
い。
【０５０２】
絶縁体１５８１は複数の層を積層して形成してもよい。例えば図３３に示すように、絶縁
体１５８１は絶縁体１５８１ａと、絶縁体１５８１ａ上の絶縁体１５８１ｂの２層として
もよい。
【０５０３】
またプラグ１５４３は、絶縁体１５７１上に凸部を有する。
【０５０４】
導電体１５１１、導電体１５１３、導電体１４１３、プラグ１５４３等として、金属材料
、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。例えば、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、ニオブ、モ
リブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合
金を単層構造または積層構造として用いることができる。また、窒化タングステン、窒化
モリブデン、窒化チタンなどの金属窒化物を用いることができる。
【０５０５】
ここで、導電体１５１１、導電体１５１３等の導電体は図２７（Ｃ）に示す半導体装置の
配線として機能することが好ましい。よって、これらの導電体を、配線、あるいは配線層
と呼ぶ場合がある。また、これらの導電体間は、プラグ１５４３等のプラグで接続される
ことが好ましい。
【０５０６】
絶縁体１５８１は、絶縁体１４６４の記載を参照すればよい。また、絶縁体１５８１は単
層でもよく、複数の材料を積層して用いてもよい。ここで、図３３には絶縁体１５８１を
絶縁体１５８１ａと、絶縁体１５８１ａ上の絶縁体１５８１ｂとの２層とする例を示す。
絶縁体１５８１ａおよび絶縁体１５８１ｂに用いることのできる材料や、形成方法につい
てはそれぞれ、絶縁体１４６４ａおよび絶縁体１４６４ｂに用いることのできる材料や形
成方法の記載を参照することができる。
【０５０７】
絶縁体１５８１ａの一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる
。ここで、図２７（Ｃ）に示す半導体装置が有する半導体素子、例えばトランジスタ３３
００等において、水素が該半導体素子に拡散することにより該半導体素子の特性が低下す
る場合がある。よって絶縁体１５８１ａとして水素の脱離量が少ない膜を用いることが好
ましい。水素の脱離量は、例えばＴＤＳなどを用いて分析することができる。絶縁体１５
８１ａの水素の脱離量は、ＴＤＳにおいて、５０℃から５００℃の範囲において、水素原
子に換算した脱離量が例えば５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０
２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であ
る。または、絶縁体１５８１ａは、水素原子に換算した脱離量は、絶縁膜の面積あたりで
例えば５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは２×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ
２以下、より好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
【０５０８】
また、このような水素の脱離量が少ない窒化シリコンは、絶縁体１５８１ａだけでなく、
図３３に示す絶縁体１５８１ａより上の層の絶縁体に用いてもよい。また、上記窒化シリ
コンに代えて、上記実施の形態に示す、水素、水が低減された絶縁体１０４と同様の絶縁
体を用いてもよい。
【０５０９】
また絶縁体１５８１ｂは、絶縁体１５８１ａよりも誘電率が低いことが好ましい。例えば
、絶縁体１５８１ｂの比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば
、絶縁体１５８１ｂの比誘電率は、絶縁体１５８１ａの比誘電率の０．７倍以下が好まし
く、０．６倍以下がより好ましい。
【０５１０】
絶縁体１５７１は不純物の透過性が低い絶縁性材料を用いて形成することが好ましい。例
えば、絶縁体１５７１は酸素の透過性が低いことが好ましい。また例えば、絶縁体１５７
１は水素の透過性が低いことが好ましい。また例えば、絶縁体１５７１は水の透過性が低
いことが好ましい。
【０５１１】
絶縁体１５７１として例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化
ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ
３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）、窒化シリコン等を単層または積層で用い
ることができる。またはこれらの絶縁体に例えば酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化
ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イット
リウム、酸化ジルコニウム、酸化ガリウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒
化処理して酸化窒化物としてもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンま
たは窒化シリコンを積層して用いてもよい。特に、酸化アルミニウムは水や水素に対する
バリア性に優れているため好ましい。
【０５１２】
また、絶縁体１５７１として例えば、炭化シリコン、炭化窒化シリコン、酸化炭化シリコ
ンなどを用いてもよい。
【０５１３】
絶縁体１５７１は水や水素の透過性が低い材料の層に、他の絶縁材料を含む層を積層させ
てもよい。例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む層、金属酸化物を含む層
などを積層させて用いてもよい。
【０５１４】
ここで例えば、図２７（Ｃ）に示す半導体装置が絶縁体１５７１を有することにより、導
電体１５１３、導電体１４１３等が有する元素が、絶縁体１５７１およびその下層（絶縁
体１５８４、絶縁体１５８１、層１６２７等）へ拡散することを抑制できる。
【０５１５】
ここで絶縁体１５７１の誘電率が絶縁体１５８４よりも高い場合には、絶縁体１５７１の
膜厚は絶縁体１５８４の膜厚よりも小さいことが好ましい。ここで絶縁体１５８４の比誘
電率は例えば、絶縁体１５７１の比誘電率の好ましくは０．７倍以下、より好ましくは０
．６倍以下である。また例えば、絶縁体１５７１の膜厚は好ましくは５ｎｍ以上２００ｎ
ｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、絶縁体１５８４の膜厚は好まし
くは３０ｎｍ以上８００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
また、例えば絶縁体１５７１の膜厚は絶縁体１５８４の膜厚の３分の１以下であることが
好ましい。
【０５１６】
図３３は図２７（Ｃ）に示す半導体装置の構成要素の一部を示す断面図である。図３３に
は、絶縁体１４６４ｂと、絶縁体１４６４ｂに埋め込まれるように形成されるプラグ１５
４１と、絶縁体１４６４ｂ上の絶縁体１５８１と、プラグ１５４１および絶縁体１４６４
ｂ上の導電体１５１１と、絶縁体１４８１上の絶縁体１５８４と、絶縁体１５８４上の絶
縁体１５７１と、絶縁体１５８４および絶縁体１５７１に埋め込まれるように形成され、
導電体１５１１上に位置するプラグ１５４３と、絶縁体１５７１上の絶縁体１５８５と、
プラグ１５４３および絶縁体１５７１上の導電体１５１３と、を示す。ここで図３３に示
す断面において、プラグ１５４３の上面のうち、最も高い領域の高さは、絶縁体１５７１
の上面のうち、最も高い領域の高さよりも高いことが好ましい。
【０５１７】
また、導電体１５１３を形成するための開口部は、絶縁体１５７１の一部を除去する場合
がある。
【０５１８】
ここで一例として、絶縁体１４６４ａとして窒化シリコン、絶縁体１５８１ａとして炭化
窒化シリコンを用いる。ここで絶縁体１５７１ａまたは絶縁体１５７１の少なくとも一方
に、水素の透過性の低い材料を用いる。この時、導電体１５１３ｂとして例えば窒化チタ
ンを用いることにより、窒化シリコンや炭化窒化シリコンが有する水素がトランジスタ３
３００へ拡散することを抑制できる。
【０５１９】
層１６２９は、トランジスタ３３００と、プラグ１５４４およびプラグ１５４４ｂ等のプ
ラグと、を有する。プラグ１５４４およびプラグ１５４４ｂ等のプラグは、層１６２８が
有する導電体１５１３や、トランジスタ３３００が有するゲート電極、ソース電極または
ドレイン電極と接続する。トランジスタ３３００の構成は上記トランジスタ２０、トラン
ジスタ２１００などの記載を参酌することができる。
【０５２０】
トランジスタ３３００は、導電体１４１３、絶縁体１５７１ａ、絶縁体１４０２、導電体
１４１６ａ、導電体１４１６ｂ、導電体１４０４、絶縁体１４０８、絶縁体５９１を有し
ている。トランジスタ３３００の各構成は、トランジスタ２０の各構成を参酌することが
できる。導電体１４１３は導電体１０２、絶縁体１５７１ａは絶縁体１０３、絶縁体１４
０２は絶縁体１０４、導電体１４１６ａは導電体１０８ａ、導電体１４１６ｂは導電体１
０８ｂ、導電体１４０４は導電体１１４、絶縁体１４０８は絶縁体１１６、絶縁体５９１
は絶縁体１１８を参酌することができる。また、図３３においては、トランジスタ２０に
おける絶縁体１０５に相当する絶縁体を図示していないが、もちろんこれを設ける構成と
してもよい。例えば、絶縁体１５８５と絶縁体１５７１ａの間に絶縁体１０５に相当する
絶縁体を設けてもよい。
【０５２１】
上記実施の形態と同様に、絶縁体１５７１とトランジスタ２０の絶縁体１０６ａに相当す
る絶縁体の間に設けられる絶縁体の積層体（本実施の形態においては、絶縁体１５８５、
絶縁体１５７１ａ、絶縁体１４０２の積層体）に含まれる水、または水素の量が少ないこ
とが好ましい。上述のように、絶縁体１５７１を水、水素をブロックする機能を有する絶
縁体とすると、トランジスタ２０の絶縁体１０６ａおよび半導体１０６ｂとなる酸化物を
成膜するときに、当該酸化物に供給される水、水素は、絶縁体１５８５、絶縁体１５７１
ａ、絶縁体１４０２に含まれるものである。このため、当該酸化物を成膜するときに、絶
縁体１５８５、絶縁体１５７１ａおよび絶縁体１４０２の積層体、その中でも特に絶縁体
１４０２に含まれる水、または水素の量が十分少なければ、当該酸化物に水または水素が
供給されるのを低減することができる。
【０５２２】
また、導電体１４１６ａおよび導電体１４１６ｂは、その上面に接して形成されるプラグ
１５４４ｂが有する元素の透過性が低い材料を有することが好ましい。
【０５２３】
また、導電体１４１６ａおよび導電体１４１６ｂを積層膜としてもよい。ここで一例とし
て、導電体１４１６ａおよび導電体１４１６ｂを第１の層および第２の層の積層とする。
ここで酸化物層４０６ｂ上に第１の層を形成し、第１の層上に第２の層を形成する。第１
の層として例えばタングステンを用い、第２の層として例えば窒化タンタルを用いる。こ
こでプラグ１５４４ｂ等として例えば銅を用いる。銅は抵抗が小さく、プラグや配線等の
導電体として用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすく、トランジスタの半導体層
やゲート絶縁膜等へ拡散することによりトランジスタ特性を低下させる場合がある。ここ
で導電体１４１６ａおよび導電体１４１６ｂが窒化タンタルを有することにより、プラグ
１５４４ｂ等が有する銅が酸化物層４０６ｂへ拡散することを抑制できる場合がある。
【０５２４】
本発明の一態様の図２７（Ｃ）に示す半導体装置は、プラグや配線等が半導体素子の特性
低下を招く元素および化合物を有する場合に、該元素や化合物が半導体素子へ拡散するこ
とを抑制する構造を有することが好ましい。
【０５２５】
層１６３０は、絶縁体１５９２と、導電体１５１４等の導電体と、プラグ１５４５等のプ
ラグと、を有する。プラグ１５４５等は、導電体１５１４等の導電体と接続する。
【０５２６】
層１６３１は、容量素子３４００と、を有する。容量素子３４００は、導電体１５１６と
、導電体１５１７と、絶縁体１５７１と、を有する。絶縁体１５７１は、導電体１５１６
と導電体１５１７で挟まれる領域を有する。また、層１６３１は、絶縁体１５９４と、導
電体１５１７上のプラグ１５４７を有することが好ましい。プラグ１５４７は絶縁体１５
９４の開口部を埋めるように形成されることが好ましい。また、層１６３１は、層１６３
０が有するプラグに接続する導電体１５１６ｂと、導電体１５１６ｂ上のプラグ１５４７
ｂを有することが好ましい。
【０５２７】
また層１６３１は、プラグ１５４７やプラグ１５４７ｂに接続する、配線層を有してもよ
い。図３３に示す例では、配線層はプラグ１５４７やプラグ１５４７ｂに接続する導電体
１５１８等と、導電体１５１８上のプラグ１５４８と、絶縁体１５９５と、プラグ１５４
８上の導電体１５１９と、導電体１５１９上の絶縁体１５９９とを有する。プラグ１５４
８は絶縁体１５９５の開口部を埋めるように形成されることが好ましい。また、絶縁体１
５９９は、導電体１５１９上に開口部を有する。
【０５２８】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることが
できる。
【０５２９】
（実施の形態５）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した撮像装置の
一例について説明する。
【０５３０】
＜撮像装置＞
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。
【０５３１】
図３５（Ａ）は、本発明の一態様に係る撮像装置２００の例を示す平面図である。撮像装
置２００は、画素部２１０と、画素部２１０を駆動するための周辺回路２６０と、周辺回
路２７０、周辺回路２８０と、周辺回路２９０と、を有する。画素部２１０は、ｐ行ｑ列
（ｐおよびｑは２以上の整数）のマトリクス状に配置された複数の画素２１１を有する。
周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０は、それぞれ複
数の画素２１１に接続し、複数の画素２１１を駆動するための信号を供給する機能を有す
る。なお、本明細書等において、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０およ
び周辺回路２９０などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある
。例えば、周辺回路２６０は周辺回路の一部といえる。
【０５３２】
また、撮像装置２００は、光源２９１を有することが好ましい。光源２９１は、検出光Ｐ
１を放射することができる。
【０５３３】
また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換
回路の１つを有する。また、周辺回路は、画素部２１０を形成する基板上に形成してもよ
い。また、周辺回路の一部または全部にＩＣチップ等の半導体装置を用いてもよい。なお
、周辺回路は、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０
のいずれか一以上を省略してもよい。
【０５３４】
また、図３５（Ｂ）に示すように、撮像装置２００が有する画素部２１０において、画素
２１１を傾けて配置してもよい。画素２１１を傾けて配置することにより、行方向および
列方向の画素間隔（ピッチ）を短くすることができる。これにより、撮像装置２００にお
ける撮像の品質をより高めることができる。
【０５３５】
＜画素の構成例１＞
撮像装置２００が有する１つの画素２１１を複数の副画素２１２で構成し、それぞれの副
画素２１２に特定の波長域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を組み合わせるこ
とで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。
【０５３６】
図３６（Ａ）は、カラー画像を取得するための画素２１１の一例を示す平面図である。図
３６（Ａ）に示す画素２１１は、赤（Ｒ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設け
られた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｒ」ともいう）、緑（Ｇ）の波長域の光を透
過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｇ」ともいう）
および青（Ｂ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下
、「副画素２１２Ｂ」ともいう）を有する。副画素２１２は、フォトセンサとして機能さ
せることができる。
【０５３７】
副画素２１２（副画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂ）は、配線２３
１、配線２４７、配線２４８、配線２４９、配線２５０と電気的に接続される。また、副
画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂは、それぞれが独立した配線２５
３に接続している。また、本明細書等において、例えばｎ行目の画素２１１に接続された
配線２４８および配線２４９を、それぞれ配線２４８［ｎ］および配線２４９［ｎ］と記
載する。また、例えばｍ列目の画素２１１に接続された配線２５３を、配線２５３［ｍ］
と記載する。なお、図３６（Ａ）において、ｍ列目の画素２１１が有する副画素２１２Ｒ
に接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｒ、副画素２１２Ｇに接続する配線２５３を配
線２５３［ｍ］Ｇ、および副画素２１２Ｂに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｂと
記載している。副画素２１２は、上記配線を介して周辺回路と電気的に接続される。
【０５３８】
また、撮像装置２００は、隣接する画素２１１の、同じ波長域の光を透過するカラーフィ
ルタが設けられた副画素２１２同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する。
図３６（Ｂ）に、ｎ行（ｎは１以上ｐ以下の整数）ｍ列（ｍは１以上ｑ以下の整数）に配
置された画素２１１が有する副画素２１２と、該画素２１１に隣接するｎ＋１行ｍ列に配
置された画素２１１が有する副画素２１２の接続例を示す。図３６（Ｂ）において、ｎ行
ｍ列に配置された副画素２１２Ｒと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒがスイッ
チ２０１を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇと、ｎ＋
１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇがスイッチ２０２を介して接続されている。また、
ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂがス
イッチ２０３を介して接続されている。
【０５３９】
なお、副画素２１２に用いるカラーフィルタは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に限定さ
れず、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィ
ルタを用いてもよい。１つの画素２１１に３種類の異なる波長域の光を検出する副画素２
１２を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。
【０５４０】
または、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設
けられた副画素２１２に加えて、黄（Ｙ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副
画素２１２を有する画素２１１を用いてもよい。または、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ
）およびマゼンダ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２に加え
て、青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２を有する画素２１
１を用いてもよい。１つの画素２１１に４種類の異なる波長域の光を検出する副画素２１
２を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。
【０５４１】
また、例えば、図３６（Ａ）において、赤の波長域の光を検出する副画素２１２、緑の波
長域の光を検出する副画素２１２、および青の波長域の光を検出する副画素２１２の画素
数比（または受光面積比）は、１：１：１でなくても構わない。例えば、画素数比（受光
面積比）を赤：緑：青＝１：２：１とするＢａｙｅｒ配列としてもよい。または、画素数
比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：６：１としてもよい。
【０５４２】
なお、画素２１１に設ける副画素２１２は１つでもよいが、２つ以上が好ましい。例えば
、同じ波長域の光を検出する副画素２１２を２つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像
装置２００の信頼性を高めることができる。
【０５４３】
また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するＩＲ（ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）
フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置２００を実現することができる。
【０５４４】
また、ＮＤ（ＮＤ：Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ（減光フィルタ）を用い
ることで、光電変換素子（受光素子）に大光量光が入射した時に生じる出力飽和すること
を防ぐことができる。減光量の異なるＮＤフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装
置のダイナミックレンジを大きくすることができる。
【０５４５】
また、前述したフィルタ以外に、画素２１１にレンズを設けてもよい。ここで、図３７の
断面図を用いて、画素２１１、フィルタ２５４、レンズ２５５の配置例を説明する。レン
ズ２５５を設けることで、光電変換素子が入射光を効率よく受光することができる。具体
的には、図３７（Ａ）に示すように、画素２１１に形成したレンズ２５５、フィルタ２５
４（フィルタ２５４Ｒ、フィルタ２５４Ｇおよびフィルタ２５４Ｂ）、および画素回路２
３０等を通して光２５６を光電変換素子２２０に入射させる構造とすることができる。
【０５４６】
ただし、一点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光２５６の一部が配線２５７の
一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図３７（Ｂ）に示すように光電
変換素子２２０側にレンズ２５５およびフィルタ２５４を配置して、光電変換素子２２０
が光２５６を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子２２０側から光２５６を
光電変換素子２２０に入射させることで、検出感度の高い撮像装置２００を提供すること
ができる。
【０５４７】
図３７に示す光電変換素子２２０として、ｐｎ型接合またはｐｉｎ型の接合が形成された
光電変換素子を用いてもよい。
【０５４８】
また、光電変換素子２２０を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用
いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セ
レン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金
等がある。
【０５４９】
例えば、光電変換素子２２０にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、
Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子２２
０を実現できる。
【０５５０】
ここで、撮像装置２００が有する１つの画素２１１は、図３６に示す副画素２１２に加え
て、第１のフィルタを有する副画素２１２を有してもよい。
【０５５１】
＜画素の構成例２＞
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を
用いて画素を構成する一例について説明する。
【０５５２】
図３８（Ａ）および図３８（Ｂ）は、撮像装置を構成する素子の断面図である。図３８（
Ａ）に示す撮像装置は、シリコン基板３００に設けられたシリコンを用いたトランジスタ
３５１、トランジスタ３５１上に積層して配置された酸化物半導体を用いたトランジスタ
３５２およびトランジスタ３５３、ならびにシリコン基板３００に設けられたフォトダイ
オード３６０を含む。各トランジスタおよびフォトダイオード３６０は、種々のプラグ３
７０および配線３７１と電気的な接続を有する。また、フォトダイオード３６０のアノー
ド３６１は、低抵抗領域３６３を介してプラグ３７０と電気的に接続を有する。
【０５５３】
また撮像装置は、シリコン基板３００に設けられたトランジスタ３５１およびフォトダイ
オード３６０を有する層３１０と、層３１０と接して設けられ、配線３７１を有する層３
２０と、層３２０と接して設けられ、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３を有
する層３３０と、層３３０と接して設けられ、配線３７２および配線３７３を有する層３
４０を備えている。
【０５５４】
なお図３８（Ａ）の断面図の一例では、シリコン基板３００において、トランジスタ３５
１が形成された面とは逆側の面にフォトダイオード３６０の受光面を有する構成とする。
該構成とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保すること
ができる。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード
３６０の受光面をトランジスタ３５１が形成された面と同じとすることもできる。
【０５５５】
なお、酸化物半導体を用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層３１
０を、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層とすればよい。または層３１０を省
略し、酸化物半導体を用いたトランジスタのみで画素を構成してもよい。
【０５５６】
なおシリコンを用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層３３０を省
略すればよい。層３３０を省略した断面図の一例を図３８（Ｂ）に示す。
【０５５７】
なお、シリコン基板３００は、ＳＯＩ基板であってもよい。また、シリコン基板３００に
替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アル
ミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムまたは有機半導体を有する基板を用
いることもできる。
【０５５８】
ここで、トランジスタ３５１およびフォトダイオード３６０を有する層３１０と、トラン
ジスタ３５２およびトランジスタ３５３を有する層３３０と、の間には絶縁体３８０が設
けられる。ただし、絶縁体３８０の位置は限定されない。
【０５５９】
トランジスタ３５１のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダ
ングリングボンドを終端し、トランジスタ３５１の信頼性を向上させる効果がある。一方
、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３などの近傍に設けられる絶縁体中の水素
は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなる。そのため、トランジスタ３
５２およびトランジスタ３５３などの信頼性を低下させる要因となる場合がある。したが
って、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジス
タを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体３８０を
設けることが好ましい。絶縁体３８０より下層に水素を閉じ込めることで、トランジスタ
３５１の信頼性を向上させることができる。さらに、絶縁体３８０より下層から、絶縁体
３８０より上層に水素が拡散することを抑制できるため、トランジスタ３５２およびトラ
ンジスタ３５３などの信頼性を向上させることができる。
【０５６０】
絶縁体３８０としては、例えば、酸素または水素をブロックする機能を有する絶縁体を用
いる。
【０５６１】
また、図３８（Ａ）の断面図において、層３１０に設けるフォトダイオード３６０と、層
３３０に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素
の集積度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
【０５６２】
また、図３９（Ａ１）および図３９（Ｂ１）に示すように、撮像装置の一部または全部を
湾曲させてもよい。図３９（Ａ１）は、撮像装置を同図中の一点鎖線Ｘ１−Ｘ２の方向に
湾曲させた状態を示している。図３９（Ａ２）は、図３９（Ａ１）中の一点鎖線Ｘ１−Ｘ
２で示した部位の断面図である。図３９（Ａ３）は、図３９（Ａ１）中の一点鎖線Ｙ１−
Ｙ２で示した部位の断面図である。
【０５６３】
図３９（Ｂ１）は、撮像装置を同図中の一点鎖線Ｘ３−Ｘ４の方向に湾曲させ、かつ、同
図中の一点鎖線Ｙ３−Ｙ４の方向に湾曲させた状態を示している。図３９（Ｂ２）は、図
３９（Ｂ１）中の一点鎖線Ｘ３−Ｘ４で示した部位の断面図である。図３９（Ｂ３）は、
図３９（Ｂ１）中の一点鎖線Ｙ３−Ｙ４で示した部位の断面図である。
【０５６４】
撮像装置を湾曲させることで、像面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮
像装置と組み合わせて用いるレンズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、
収差補正のためのレンズ枚数を低減できるため、撮像装置を用いた電子機器などの小型化
や軽量化を実現することができる。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる
。
【０５６５】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることが
できる。
【０５６６】
（実施の形態６）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタや上述した記憶装置などの
半導体装置を含むＣＰＵの一例について説明する。
【０５６７】
＜ＣＰＵの構成＞
図４０は、上述したトランジスタを一部に用いたＣＰＵの一例の構成を示すブロック図で
ある。
【０５６８】
図４０に示すＣＰＵは、基板１１９０上に、ＡＬＵ１１９１（ＡＬＵ：Ａｒｉｔｈｍｅｔ
ｉｃ  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１
１９８、書き換え可能なＲＯＭ１１９９、およびＲＯＭインターフェース１１８９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。ＲＯＭ１
１９９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４０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４０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。
【０５６９】
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。
【０５７０】
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。
【０５７１】
また、タイミングコントローラ１１９５は、ＡＬＵ１１９１、ＡＬＵコントローラ１１９
２、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、基準クロック信号を元に、内部クロック信号を生成す
る内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号を上記各種回路に供給する。
【０５７２】
図４０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、上述したトランジスタや記憶装置などを用いることができ
る。
【０５７３】
図４０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における保持動作の選択を行う。即ち、レジスタ１１９６
が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子
によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択
されている場合、レジスタ１１９６内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容
量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行
われ、レジスタ１１９６内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。
【０５７４】
図４１は、レジスタ１１９６として用いることのできる記憶素子１２００の回路図の一例
である。記憶素子１２００は、電源遮断で記憶データが揮発する回路１２０１と、電源遮
断で記憶データが揮発しない回路１２０２と、スイッチ１２０３と、スイッチ１２０４と
、論理素子１２０６と、容量素子１２０７と、選択機能を有する回路１２２０と、を有す
る。回路１２０２は、容量素子１２０８と、トランジスタ１２０９と、トランジスタ１２
１０と、を有する。なお、記憶素子１２００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よい。
【０５７５】
ここで、回路１２０２には、上述した記憶装置を用いることができる。記憶素子１２００
への電源電圧の供給が停止した際、回路１２０２のトランジスタ１２０９のゲートにはＧ
ＮＤ（０Ｖ）、またはトランジスタ１２０９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１２０９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
。
【０５７６】
スイッチ１２０３は、一導電型（例えば、ｎチャネル型）のトランジスタ１２１３を用い
て構成され、スイッチ１２０４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１２１４を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ１２０３の第１の端
子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの一方に対応し、スイッチ１２０３の第２
の端子はトランジスタ１２１３のソースとドレインの他方に対応し、スイッチ１２０３は
トランジスタ１２１３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１２１３の導通状態または非導通状
態）が選択される。スイッチ１２０４の第１の端子はトランジスタ１２１４のソースとド
レインの一方に対応し、スイッチ１２０４の第２の端子はトランジスタ１２１４のソース
とドレインの他方に対応し、スイッチ１２０４はトランジスタ１２１４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１２１４の導通状態または非導通状態）が選択される。
【０５７７】
トランジスタ１２０９のソースとドレインの一方は、容量素子１２０８の一対の電極のう
ちの一方、およびトランジスタ１２１０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１２１０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
１２０３の第１の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの一方）と電気的に接
続される。スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの
他方）はスイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一
方）と電気的に接続される。スイッチ１２０４の第２の端子（トランジスタ１２１４のソ
ースとドレインの他方）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１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方
）と、スイッチ１２０４の第１の端子（トランジスタ１２１４のソースとドレインの一方
）と、論理素子１２０６の入力端子と、容量素子１２０７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１２０７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１２０７の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配
線（例えばＧＮＤ線）と電気的に接続される。容量素子１２０８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１２０
８の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線（例えばＧＮＤ
線）と電気的に接続される。
【０５７８】
なお、容量素子１２０７および容量素子１２０８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。
【０５７９】
トランジスタ１２０９のゲートには、制御信号ＷＥが入力される。スイッチ１２０３およ
びスイッチ１２０４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。
【０５８０】
トランジスタ１２０９のソースとドレインの他方には、回路１２０１に保持されたデータ
に対応する信号が入力される。図４１では、回路１２０１から出力された信号が、トラン
ジスタ１２０９のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ１２０３の
第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）から出力される信号は、
論理素子１２０６によってその論理値が反転された反転信号となり、回路１２２０を介し
て回路１２０１に入力される。
【０５８１】
なお、図４１では、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとド
レインの他方）から出力される信号は、論理素子１２０６および回路１２２０を介して回
路１２０１に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ１２０３の第２の端子
（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）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１２０１に入力されてもよい。例えば、回路１２０１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
に、スイッチ１２０３の第２の端子（トランジスタ１２１３のソースとドレインの他方）
から出力される信号を当該ノードに入力することができる。
【０５８２】
また、図４１において、記憶素子１２００に用いられるトランジスタのうち、トランジス
タ１２０９以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる膜または基板１１９
０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、シリコン膜または
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、記憶素子
１２００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、記憶素子１２００は、トランジスタ１２０９以外に
も、チャネルが酸化物半導体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。
【０５８３】
図４１における回路１２０１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１２０６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。
【０５８４】
本発明の一態様に係る半導体装置では、記憶素子１２００に電源電圧が供給されない間は
、回路１２０１に記憶されていたデータを、回路１２０２に設けられた容量素子１２０８
によって保持することができる。
【０５８５】
また、酸化物半導体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、酸化物半導体にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、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１２０９として用いることによって、記憶素子１２０
０に電源電圧が供給されない間も容量素子１２０８に保持された信号は長期間にわたり保
たれる。こうして、記憶素子１２００は電源電圧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。
【０５８６】
また、スイッチ１２０３およびスイッチ１２０４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、電源電圧供給再開後に、回路１２０１が
元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。
【０５８７】
また、回路１２０２において、容量素子１２０８によって保持された信号はトランジスタ
１２１０のゲートに入力される。そのため、記憶素子１２００への電源電圧の供給が再開
された後、容量素子１２０８によって保持された信号に応じてトランジスタ１２１０の状
態（導通状態、または非導通状態）が決まり、回路１２０２から読み出すことができる。
それ故、容量素子１２０８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。
【０５８８】
このような記憶素子１２００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、電源電圧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、電源電圧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、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を
抑えることができる。
【０５８９】
記憶素子１２００をＣＰＵに用いる例として説明したが、記憶素子１２００は、ＤＳＰ（
Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、カスタムＬＳＩ、ＰＬＤ（Ｐｒ
ｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）等のＬＳＩ、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆ
ｒｅｑｕｅｎｃｙ）デバイスにも応用可能である。
【０５９０】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることが
できる。
【０５９１】
（実施の形態７）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した表示装置に
ついて、図４２および図４３を用いて説明する。
【０５９２】
＜表示装置の構成＞
表示装置に用いられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう。）、発光素子
（発光表示素子ともいう。）などを用いることができる。発光素子は、電流または電圧に
よって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬなどを含む。以下では、表示装置の一例とし
てＥＬ素子を用いた表示装置（ＥＬ表示装置）および液晶素子を用いた表示装置（液晶表
示装置）について説明する。
【０５９３】
なお、以下に示す表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコ
ントローラを含むＩＣなどを実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０５９４】
また、以下に示す表示装置は画像表示デバイス、または光源（照明装置含む）を指す。ま
た、コネクター、例えばＦＰＣ、ＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＣＰの先にプリ
ント配線板を有するモジュールまたは表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直
接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
【０５９５】
図４２は、本発明の一態様に係るＥＬ表示装置の一例である。図４２（Ａ）に、ＥＬ表示
装置の画素の回路図を示す。図４２（Ｂ）は、ＥＬ表示装置全体を示す上面図である。ま
た、図４２（Ｃ）は、図４２（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎの一部に対応するＭ−Ｎ断面である
。
【０５９６】
図４２（Ａ）は、ＥＬ表示装置に用いられる画素の回路図の一例である。
【０５９７】
なお、本明細書等においては、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（
容量素子、抵抗素子など）などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなく
ても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続
先を特定しなくても、発明の一態様が明確であるといえる。そして、接続先が特定された
内容が、本明細書等に記載されている場合、接続先を特定しない発明の一態様が、本明細
書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。特に、端子の接続先として複
数の箇所が想定される場合には、その端子の接続先を特定の箇所に限定する必要はない。
したがって、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（容量素子、抵抗素
子など）などが有する一部の端子についてのみ、その接続先を特定することによって、発
明の一態様を構成することが可能な場合がある。
【０５９８】
なお、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業
者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。または、ある回路について、少な
くとも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つ
まり、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であるといえる。そして、機能が特定され
た発明の一態様が、本明細書等に記載されていると判断することが可能な場合がある。し
たがって、ある回路について、機能を特定しなくても、接続先を特定すれば、発明の一態
様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。または
、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定すれば、発明の一態様として
開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可能である。
【０５９９】
図４２（Ａ）に示すＥＬ表示装置は、スイッチ素子７４３と、トランジスタ７４１と、容
量素子７４２と、発光素子７１９と、を有する。
【０６００】
なお、図４２（Ａ）などは、回路構成の一例であるため、さらに、トランジスタを追加す
ることが可能である。逆に、図４２（Ａ）の各ノードにおいて、トランジスタ、スイッチ
、受動素子などを追加しないようにすることも可能である。
【０６０１】
トランジスタ７４１のゲートはスイッチ素子７４３の一端および容量素子７４２の一方の
電極と電気的に接続される。トランジスタ７４１のソースは容量素子７４２の他方の電極
と電気的に接続され、発光素子７１９の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ
７４１のドレインは電源電位ＶＤＤが与えられる。スイッチ素子７４３の他端は信号線７
４４と電気的に接続される。発光素子７１９の他方の電極は定電位が与えられる。なお、
定電位は接地電位ＧＮＤまたはそれより小さい電位とする。
【０６０２】
スイッチ素子７４３としては、トランジスタを用いると好ましい。トランジスタを用いる
ことで、画素の面積を小さくでき、解像度の高いＥＬ表示装置とすることができる。また
、スイッチ素子７４３として、トランジスタ７４１と同一工程を経て作製されたトランジ
スタを用いると、ＥＬ表示装置の生産性を高めることができる。なお、トランジスタ７４
１または／およびスイッチ素子７４３としては、例えば、上述したトランジスタを適用す
ることができる。
【０６０３】
図４２（Ｂ）は、ＥＬ表示装置の上面図である。ＥＬ表示装置は、基板７００と、基板７
５０と、シール材７３４と、駆動回路７３５と、駆動回路７３６と、画素７３７と、ＦＰ
Ｃ７３２と、を有する。シール材７３４は、画素７３７、駆動回路７３５および駆動回路
７３６を囲むように基板７００と基板７５０との間に配置される。なお、駆動回路７３５
または／および駆動回路７３６をシール材７３４の外側に配置しても構わない。
【０６０４】
図４２（Ｃ）は、図４２（Ｂ）の一点鎖線Ｍ−Ｎの一部に対応するＥＬ表示装置の断面図
である。
【０６０５】
図４２（Ｃ）には、トランジスタ７４１として、基板７００上の導電体７０４ａと、導電
体７０４ａ上の絶縁体７１２ａと、絶縁体７１２ａ上の絶縁体７１２ｂと、絶縁体７１２
ｂ上にあり導電体７０４ａと重なる半導体７０６ａおよび半導体７０６ｂと、半導体７０
６ａおよび半導体７０６ｂと接する導電体７１６ａおよび導電体７１６ｂと、半導体７０
６ｂ上、導電体７１６ａ上および導電体７１６ｂ上の絶縁体７１８ａと、絶縁体７１８ａ
上の絶縁体７１８ｂと、絶縁体７１８ｂ上の絶縁体７１８ｃと、絶縁体７１８ｃ上にあり
半導体７０６ｂと重なる導電体７１４ａと、を有する構造を示す。なお、トランジスタ７
４１の構造は一例であり、図４２（Ｃ）に示す構造と異なる構造であっても構わない。
【０６０６】
したがって、図４２（Ｃ）に示すトランジスタ７４１において、導電体７０４ａはゲート
電極としての機能を有し、絶縁体７１２ａおよび絶縁体７１２ｂはゲート絶縁体としての
機能を有し、導電体７１６ａはソース電極としての機能を有し、導電体７１６ｂはドレイ
ン電極としての機能を有し、絶縁体７１８ａ、絶縁体７１８ｂおよび絶縁体７１８ｃはゲ
ート絶縁体としての機能を有し、導電体７１４ａはゲート電極としての機能を有する。な
お、半導体７０６ａ、７０６ｂは、光が当たることで電気特性が変動する場合がある。し
たがって、導電体７０４ａ、導電体７１６ａ、導電体７１６ｂ、導電体７１４ａのいずれ
か一以上が遮光性を有すると好ましい。
【０６０７】
なお、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂの界面を破線で表したが、これは両者の境界
が明確でない場合があることを示す。例えば、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂとし
て、同種の絶縁体を用いた場合、観察手法によっては両者の区別が付かない場合がある。
【０６０８】
図４２（Ｃ）には、容量素子７４２として、基板上の導電体７０４ｂと、導電体７０４ｂ
上の絶縁体７１２ａと、絶縁体７１２ａ上の絶縁体７１２ｂと、絶縁体７１２ｂ上にあり
導電体７０４ｂと重なる導電体７１６ａと、導電体７１６ａ上の絶縁体７１８ａと、絶縁
体７１８ａ上の絶縁体７１８ｂと、絶縁体７１８ｂ上の絶縁体７１８ｃと、絶縁体７１８
ｃ上にあり導電体７１６ａと重なる導電体７１４ｂと、を有し、導電体７１６ａおよび導
電体７１４ｂの重なる領域で、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂの一部が除去されて
いる構造を示す。
【０６０９】
容量素子７４２において、導電体７０４ｂおよび導電体７１４ｂは一方の電極として機能
し、導電体７１６ａは他方の電極として機能する。
【０６１０】
したがって、容量素子７４２は、トランジスタ７４１と共通する膜を用いて作製すること
ができる。また、導電体７０４ａおよび導電体７０４ｂを同種の導電体とすると好ましい
。その場合、導電体７０４ａおよび導電体７０４ｂは、同一工程を経て形成することがで
きる。また、導電体７１４ａおよび導電体７１４ｂを同種の導電体とすると好ましい。そ
の場合、導電体７１４ａおよび導電体７１４ｂは、同一工程を経て形成することができる
。
【０６１１】
図４２（Ｃ）に示す容量素子７４２は、占有面積当たりの容量が大きい容量素子である。
したがって、図４２（Ｃ）は表示品位の高いＥＬ表示装置である。なお、図４２（Ｃ）に
示す容量素子７４２は、導電体７１６ａおよび導電体７１４ｂの重なる領域を薄くするた
め、絶縁体７１８ａおよび絶縁体７１８ｂの一部が除去された構造を有するが、本発明の
一態様に係る容量素子はこれに限定されるものではない。例えば、導電体７１６ａおよび
導電体７１４ｂの重なる領域を薄くするため、絶縁体７１８ｃの一部が除去された構造を
有しても構わない。
【０６１２】
トランジスタ７４１および容量素子７４２上には、絶縁体７２０が配置される。ここで、
絶縁体７２０は、トランジスタ７４１のソース電極として機能する導電体７１６ａに達す
る開口部を有してもよい。絶縁体７２０上には、導電体７８１が配置される。導電体７８
１は、絶縁体７２０の開口部を介してトランジスタ７４１と電気的に接続してもよい。
【０６１３】
導電体７８１上には、導電体７８１に達する開口部を有する隔壁７８４が配置される。隔
壁７８４上には、隔壁７８４の開口部で導電体７８１と接する発光層７８２が配置される
。発光層７８２上には、導電体７８３が配置される。導電体７８１、発光層７８２および
導電体７８３の重なる領域が、発光素子７１９となる。
【０６１４】
ここまでは、ＥＬ表示装置の例について説明した。次に、液晶表示装置の例について説明
する。
【０６１５】
図４３（Ａ）は、液晶表示装置の画素の構成例を示す回路図である。図４３に示す画素は
、トランジスタ７５１と、容量素子７５２と、一対の電極間に液晶の充填された素子（液
晶素子）７５３とを有する。
【０６１６】
トランジスタ７５１では、ソース、ドレインの一方が信号線７５５に電気的に接続され、
ゲートが走査線７５４に電気的に接続されている。
【０６１７】
容量素子７５２では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気
的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。
【０６１８】
液晶素子７５３では、一方の電極がトランジスタ７５１のソース、ドレインの他方に電気
的に接続され、他方の電極が共通電位を供給する配線に電気的に接続されている。なお、
上述した容量素子７５２の他方の電極が電気的に接続する配線に与えられる共通電位と、
液晶素子７５３の他方の電極に与えられる共通電位とが異なる電位であってもよい。
【０６１９】
なお、液晶表示装置も、上面図はＥＬ表示装置と同様として説明する。図４２（Ｂ）の一
点鎖線Ｍ−Ｎに対応する液晶表示装置の断面図を図４３（Ｂ）に示す。図４３（Ｂ）にお
いて、ＦＰＣ７３２は、端子７３１を介して配線７３３ａと接続される。なお、配線７３
３ａは、トランジスタ７５１を構成する導電体または半導体のいずれかと同種の導電体ま
たは半導体を用いてもよい。
【０６２０】
トランジスタ７５１は、トランジスタ７４１についての記載を参照する。また、容量素子
７５２は、容量素子７４２についての記載を参照する。なお、図４３（Ｂ）には、図４２
（Ｃ）の容量素子７４２に対応した容量素子７５２の構造を示したが、これに限定されな
い。
【０６２１】
なお、トランジスタ７５１の半導体に酸化物半導体を用いた場合、極めてオフ電流の小さ
いトランジスタとすることができる。したがって、容量素子７５２に保持された電荷がリ
ークしにくく、長期間に渡って液晶素子７５３に印加される電圧を維持することができる
。そのため、動きの少ない動画や静止画の表示の際に、トランジスタ７５１をオフ状態と
することで、トランジスタ７５１の動作のための電力が不要となり、消費電力の小さい液
晶表示装置とすることができる。また、容量素子７５２の占有面積を小さくできるため、
開口率の高い液晶表示装置、または高精細化した液晶表示装置を提供することができる。
【０６２２】
トランジスタ７５１および容量素子７５２上には、絶縁体７２１が配置される。ここで、
絶縁体７２１は、トランジスタ７５１に達する開口部（図示しない）を有する。絶縁体７
２１上には、導電体７９１が配置される。導電体７９１は、絶縁体７２１の開口部を介し
てトランジスタ７５１と電気的に接続する。
【０６２３】
導電体７９１上には、配向膜として機能する絶縁体７９２が配置される。絶縁体７９２上
には、液晶層７９３が配置される。液晶層７９３上には、配向膜として機能する絶縁体７
９４が配置される。絶縁体７９４上には、スペーサ７９５が配置される。スペーサ７９５
および絶縁体７９４上には、導電体７９６が配置される。導電体７９６上には、基板７９
７が配置される。
【０６２４】
上述した構造を有することで、占有面積の小さい容量素子を有する表示装置を提供するこ
とができる、または、表示品位の高い表示装置を提供することができる。または、高精細
の表示装置を提供することができる。
【０６２５】
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、およ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、または様
々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例え
ば、白色、赤色、緑色または青色などの発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔ
ｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、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パネル（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）、ＩＭＯＤ（インターフェロメトリック・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。
【０６２６】
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）また
はＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ−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。電子インクまた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。
【０６２７】
なお、ＬＥＤを用いる場合、ＬＥＤの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファ
イトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜として
もよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物
半導体、例えば、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体などを容易に成膜することができる。さ
らに、その上に、結晶を有するｐ型ＧａＮ半導体などを設けて、ＬＥＤを構成することが
できる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体との間に、
ＡｌＮ層を設けてもよい。なお、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、ＭＯＣＶＤで成膜して
もよい。ただし、グラフェンを設けることにより、ＬＥＤが有するＧａＮ半導体は、スパ
ッタリング法で成膜することも可能である。
【０６２８】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることが
できる。
【０６２９】
（実施の形態８）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した電子機器に
ついて説明する。
【０６３０】
＜電子機器＞
本発明の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、本発明の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、電子書籍端末、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４４に示
す。
【０６３１】
図４４（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、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４４（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、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
。
【０６３２】
図４４（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体９１１、第２筐体９１２、第１表示部９
１３、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９
１２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。
【０６３３】
図４４（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、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。
【０６３４】
図４４（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体９３１、冷蔵室用扉９３２、冷凍室用扉９３
３等を有する。
【０６３５】
図４４（Ｅ）はビデオカメラであり、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９４
２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。
【０６３６】
図４４（Ｆ）は自動車であり、車体９５１、車輪９５２、ダッシュボード９５３、ライト
９５４等を有する。
【０６３７】
なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様
は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態などでは、様々な発明の態様が記載さ
れているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様
として、トランジスタのチャネル形成領域、ソースドレイン領域などが、酸化物半導体を
有する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。場合によっては、
または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチ
ャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、様々な半導体を有
していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々
なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレ
イン領域などは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコ
ン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または
、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例えば、場合によっては
、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタの
チャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、酸化物半導体を
有していなくてもよい。
【実施例１】
【０６３８】
本実施例では、トランジスタなどの導電体として用いる、Ｗ−Ｓｉ膜の組成を調査した結
果について説明する。
【０６３９】
試料は、Ｓｉウェハに厚さが５０ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を熱酸化法によって形
成し、その後、スパッタリング装置により、Ｗ−Ｓｉ膜を５０ｎｍの厚さで形成して作製
した。
【０６４０】
Ｗ−Ｓｉ膜の成膜は、Ｗ−Ｓｉ（Ｗ：Ｓｉ＝１：２．７（原子数比））ターゲットを用い
たスパッタリング装置によって、アルゴンガス５０ｓｃｃｍを含む雰囲気にて圧力を０．
４Ｐａに制御し、基板温度は室温、ターゲットにＤＣ電源により出力１ｋＷ印加して行っ
た。
【０６４１】
以上のようにして作製した試料について、熱処理を行っていない試料のＸＰＳ（Ｘ−ｒａ
ｙ  ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により測定した結果を図
４５（Ａ）に示し、大気雰囲気中にて４００℃、１ｈｒの熱処理を行った試料のＸＰＳに
より測定した結果を図４５（Ｂ）に示す。なお、ＸＰＳによる測定によって、Ｗ−Ｓｉ膜
の表面から、深さ方向の濃度プロファイルを調査した。
【０６４２】
図４５（Ａ）に示すＸＰＳ結果より、Ｗ−Ｓｉ膜の膜表面近傍にＳｉとＯの濃度が高い領
域が見られ、ＳｉＯｘによる層が形成されていることがわかった。また、図４５（Ｂ）に
示すＸＰＳ結果より、Ｗ−Ｓｉ膜に熱処理を行っても、図４５（Ａ）の結果と比べてＷ−
Ｓｉ膜表面におけるＯ濃度がわずかに増加しただけであった。
【０６４３】
この結果より、Ｗ−Ｓｉ膜は、熱処理によって酸化しづらい膜であることがわかった。
【実施例２】
【０６４４】
本実施例では、トランジスタなどの導電体として用いる、Ｗ−Ｓｉ膜について走査型透過
電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による断面観察を行った結果について説明する。
【０６４５】
試料は、Ｓｉウェハに厚さが５０ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を熱酸化法によって形
成し、その後、スパッタリング装置により、Ｗ−Ｓｉ膜を５０ｎｍの厚さで形成して作製
した。
【０６４６】
Ｗ−Ｓｉ膜の成膜は、Ｗ−Ｓｉ（Ｗ：Ｓｉ＝１：２．７（原子数比））ターゲットを用い
たスパッタリング装置によって、アルゴンガス５０ｓｃｃｍを含む雰囲気にて圧力を０．
４Ｐａに制御し、基板温度は室温、ターゲットにＤＣ電源により出力１ｋＷ印加して行っ
た。
【０６４７】
以上のようにして作製した試料について、大気雰囲気中にて４００℃、１ｈｒの熱処理を
行い、ＳＴＥＭによる断面観察を行った結果を図４６（Ａ）に示す。なお、比較のため、
Ｗ−Ｓｉ膜の代わりにＷ膜を厚さ５０ｎｍ形成し、大気雰囲気中にて４００℃、１ｈｒの
熱処理を行い、ＳＴＥＭによる断面観察を行った結果を図４６（Ｂ）に示す。
【０６４８】
図４６（Ａ）に示すＳＴＥＭ像より、Ｗ−Ｓｉ膜は、熱処理を行った試料であっても、表
面にわずかに酸化膜が確認される程度であり、酸化されにくいことがわかった。また、図
４６（Ｂ）に示すＳＴＥＭ結果より、Ｗ膜の表面には、厚い酸化膜が形成されていること
がわかった。
【０６４９】
この結果より、Ｗ膜に比べてＷ−Ｓｉ膜は耐酸化性が高いことがわかった。
【０６５０】
以上の結果より、Ｗ−Ｓｉ膜をトランジスタの導電体に用いることによって、トランジス
タ作製中の熱処理などによって、導電体の酸化による電気抵抗の増加を抑制することがで
き、それにより良好な電気特性および安定した電気特性を有するトランジスタを作製する
ことができることがわかった。
【符号の説明】
【０６５１】
１０    トランジスタ
１２    トランジスタ
１６    トランジスタ
１８    トランジスタ
２０    トランジスタ
２２    トランジスタ
２４    トランジスタ
２６    トランジスタ
２８    トランジスタ
２９    トランジスタ
１００    基板
１０１    絶縁体
１０２    導電体
１０３    絶縁体
１０４    絶縁体
１０５    絶縁体
１０６    絶縁体
１０６ａ    絶縁体
１０６ｂ    半導体
１０６ｃ    絶縁体
１０７    絶縁体
１０８    導電体
１０８ａ    導電体
１０８ｂ    導電体
１０８ｃ    領域
１０８ｄ    領域
１０９    低抵抗領域
１０９ａ    低抵抗領域
１０９ｂ    低抵抗領域
１１０    絶縁体
１１１    領域
１１２    絶縁体
１１３    絶縁体
１１４    導電体
１１６    絶縁体
１１７    絶縁体
１１８    絶縁体
１２０ａ    導電体
１２０ｂ    導電体
１２６ａ    絶縁体
１２６ｂ    半導体
１２６ｃ    絶縁体
１２８    導電体
１３２    絶縁体
１３４    導電体
１７６ｂ    半導体
１８６    酸素
２００    撮像装置
２０１    スイッチ
２０２    スイッチ
２０３    スイッチ
２１０    画素部
２１１    画素
２１２    副画素
２１２Ｂ    副画素
２１２Ｇ    副画素
２１２Ｒ    副画素
２２０    光電変換素子
２３０    画素回路
２３１    配線
２４７    配線
２４８    配線
２４９    配線
２５０    配線
２５３    配線
２５４    フィルタ
２５４Ｂ    フィルタ
２５４Ｇ    フィルタ
２５４Ｒ    フィルタ
２５５    レンズ
２５６    光
２５７    配線
２６０    周辺回路
２７０    周辺回路
２８０    周辺回路
２９０    周辺回路
２９１    光源
３００    シリコン基板
３１０    層
３２０    層
３３０    層
３４０    層
３５１    トランジスタ
３５２    トランジスタ
３５３    トランジスタ
３６０    フォトダイオード
３６１    アノード
３６３    低抵抗領域
３７０    プラグ
３７１    配線
３７２    配線
３７３    配線
３８０    絶縁体
４０６ｂ    酸化物層
４５０    半導体基板
４５２    絶縁体
４５４    導電体
４５６    領域
４６２    絶縁体
４６４    絶縁体
４６６    絶縁体
４６８    絶縁体
４７２ａ    領域
４７２ｂ    領域
４７４ａ    導電体
４７４ｂ    導電体
４７４ｃ    導電体
４７６ａ    導電体
４７６ｂ    導電体
４７８ａ    導電体
４７８ｂ    導電体
４７８ｃ    導電体
４８０ａ    導電体
４８０ｂ    導電体
４８０ｃ    導電体
４８９    絶縁体
４９０    絶縁体
４９１    絶縁体
４９２    絶縁体
４９３    絶縁体
４９４    絶縁体
４９６ａ    導電体
４９６ｂ    導電体
４９６ｃ    導電体
４９６ｄ    導電体
４９８ａ    導電体
４９８ｂ    導電体
４９８ｃ    導電体
５０４    導電体
５１１    絶縁体
５１４    導電体
５１６ａ    導電体
５１６ｂ    導電体
５９１    絶縁体
７００    基板
７０４ａ    導電体
７０４ｂ    導電体
７０６ａ    半導体
７０６ｂ    半導体
７１２ａ    絶縁体
７１２ｂ    絶縁体
７１４ａ    導電体
７１４ｂ    導電体
７１６ａ    導電体
７１６ｂ    導電体
７１８ａ    絶縁体
７１８ｂ    絶縁体
７１８ｃ    絶縁体
７１９    発光素子
７２０    絶縁体
７２１    絶縁体
７３１    端子
７３２    ＦＰＣ
７３３ａ    配線
７３４    シール材
７３５    駆動回路
７３６    駆動回路
７３７    画素
７４１    トランジスタ
７４２    容量素子
７４３    スイッチ素子
７４４    信号線
７５０    基板
７５１    トランジスタ
７５２    容量素子
７５３    液晶素子
７５４    走査線
７５５    信号線
７８１    導電体
７８２    発光層
７８３    導電体
７８４    隔壁
７９１    導電体
７９２    絶縁体
７９３    液晶層
７９４    絶縁体
７９５    スペーサ
７９６    導電体
７９７    基板
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
１０００    成膜装置
１００２    搬入室
１００４    搬出室
１００６    搬送室
１００８    成膜室
１０１０    成膜室
１０１４    搬送アーム
１０２０    チャンバー
１０２１ａ    原料供給部
１０２１ｂ    原料供給部
１０２２ａ    高速バルブ
１０２２ｂ    高速バルブ
１０２３ａ    原料導入口
１０２３ｂ    原料導入口
１０２４    原料排出口
１０２５    排気装置
１０２６    基板ホルダ
１０２８    プラズマ発生装置
１０３０    基板
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    記憶素子
１２０１    回路
１２０２    回路
１２０３    スイッチ
１２０４    スイッチ
１２０６    論理素子
１２０７    容量素子
１２０８    容量素子
１２０９    トランジスタ
１２１０    トランジスタ
１２１３    トランジスタ
１２１４    トランジスタ
１２２０    回路
１４００    基板
１４０２    絶縁体
１４０４    導電体
１４０８    絶縁体
１４１３    導電体
１４１６ａ    導電体
１４１６ｂ    導電体
１４５４    導電体
４６０    領域
１４６２    絶縁体
１４６４    絶縁体
１４６４ａ    絶縁体
１４６４ｂ    絶縁体
１４７６    領域
１４８１    絶縁体
１５１１    導電体
１５１３    導電体
１５１３ｂ    導電体
１５１４    導電体
１５１６    導電体
１５１６ｂ    導電体
１５１７    導電体
１５１８    導電体
１５１９    導電体
１５４１    プラグ
１５４３    プラグ
１５４４    プラグ
１５４４ｂ    プラグ
１５４５    プラグ
１５４７    プラグ
１５４７ｂ    プラグ
１５４８    プラグ
１５７１    絶縁体
１５７１ａ    絶縁体
１５８１    絶縁体
１５８１ａ    絶縁体
１５８１ｂ    絶縁体
１５８４    絶縁体
１５８５    絶縁体
１５９２    絶縁体
１５９４    絶縁体
１５９５    絶縁体
１５９９    絶縁体
１６２７    層
１６２８    層
１６２９    層
１６３０    層
１６３１    層
２１００    トランジスタ
２２００    トランジスタ
２７００    製造装置
２７０１    大気側基板供給室
２７０２    大気側基板搬送室
２７０３ａ    ロードロック室
２７０３ｂ    アンロードロック室
２７０４    搬送室
２７０６ａ    チャンバー
２７０６ｂ    チャンバー
２７０６ｃ    チャンバー
２７０６ｄ    チャンバー
２７６１    カセットポート
２７６２    アライメントポート
２７６３ａ    搬送ロボット
２７６３ｂ    搬送ロボット
２８０１    ガス供給源
２８０２    バルブ
２８０３    高周波発生器
２８０４    導波管
２８０５    モード変換器
２８０６    ガス管
２８０７    導波管
２８０８    スロットアンテナ板
２８０９    誘電体板
２８１０    高密度プラズマ
２８１１    基板
２８１２    基板ステージ
２８１３    加熱機構
２８１５    マッチングボックス
２８１６    高周波電源
２８１７    真空ポンプ
２８１８    バルブ
２８１９    排気口
２８２０    ランプ
２８２１    ガス供給源
２８２２    バルブ
２８２３    ガス導入口
２８２４    基板
２８２５    基板ステージ
２８２６    加熱機構
２８２８    真空ポンプ
２８２９    バルブ
２８３０    排気口
３００１    配線
３００２    配線
３００３    配線
３００４    配線
３００５    配線
３００６    配線
３２００    トランジスタ
３３００    トランジスタ
３４００    容量素子
３５００    トランジスタ
３６００    トランジスタ
４００１    配線
４００３    配線
４００５    配線
４００６    配線
４００７    配線
４００８    配線
４００９    配線
４０２１    層
４０２２    層
４０２３    層
４１００    トランジスタ
４２００    トランジスタ
４３００    トランジスタ
４４００    トランジスタ
４５００    容量素子
４６００    容量素子
【図１】
2022000934.tif 000003
【図２】
2022000934.tif 000004
【図３】
2022000934.tif 000005
【図４】
2022000934.tif 000006
【図５】
2022000934.tif 000007
【図６】
2022000934.tif 000008
【図７】
2022000934.tif 000009
【図８】
2022000934.tif 000010
【図９】
2022000934.tif 000011
【図１０】
2022000934.tif 000012
【図１１】
2022000934.tif 000013
【図１２】
2022000934.tif 000014
【図１３】
2022000934.tif 000015
【図１４】
2022000934.tif 000016
【図１５】
2022000934.tif 000017
【図１６】
2022000934.tif 000018
【図１７】
2022000934.tif 000019
【図１８】
2022000934.tif 000020
【図１９】
2022000934.tif 000021
【図２０】
2022000934.tif 000022
【図２１】
2022000934.tif 000023
【図２２】
2022000934.tif 000024
【図２３】
2022000934.tif 000025
【図２４】
2022000934.tif 000026
【図２５】
2022000934.tif 000027
【図２６】
2022000934.tif 000028
【図２７】
2022000934.tif 000029
【図２８】
2022000934.tif 000030
【図２９】
2022000934.tif 000031
【図３０】
2022000934.tif 000032
【図３１】
2022000934.tif 000033
【図３２】
2022000934.tif 000034
【図３３】
2022000934.tif 000035
【図３４】
2022000934.tif 000036
【図３５】
2022000934.tif 000037
【図３６】
2022000934.tif 000038
【図３７】
2022000934.tif 000039
【図３８】
2022000934.tif 000040
【図３９】
2022000934.tif 000041
【図４０】
2022000934.tif 000042
【図４１】
2022000934.tif 000043
【図４２】
2022000934.tif 000044
【図４３】
2022000934.tif 000045
【図４４】
2022000934.tif 000046
【図４５】
2022000934.tif 000047
【図４６】
2022000934.tif 000048
【手続補正書】
【提出日】令和3年11月2日(2021.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータを構成する第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、シリコンを有する第１のチャネル形成領域と、前記第１のチャネル形成領域上の第１のゲート電極と、を有し、
前記第２のトランジスタは、酸化物半導体を有する第２のチャネル形成領域と、前記第２のチャネル形成領域上の第２のゲート電極と、を有し、
前記第２のチャネル形成領域は、前記第１のチャネル形成領域及び前記第１のゲート電極の上方に位置し、
前記第１のゲート電極は、第１の導電体を介して、前記第２のゲート電極に電気的に接続され、
前記第１の導電体は、絶縁体の上面に接する領域を有し、
前記絶縁体は、前記第２のゲート電極上に位置する半導体装置。
【請求項２】
インバータを構成する第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、シリコンを有する第１のチャネル形成領域と、前記第１のチャネル形成領域上の第１のゲート電極と、を有し、
前記第２のトランジスタは、酸化物半導体を有する第２のチャネル形成領域と、前記第２のチャネル形成領域上の第２のゲート電極と、前記第２のチャネル形成領域下の第３のゲート電極と、を有し、
前記第３のゲート電極は、前記第２のゲート電極に電気的に接続され、
前記第２のチャネル形成領域は、前記第１のチャネル形成領域及び前記第１のゲート電極の上方に位置し、
前記第１のゲート電極は、第１の導電体を介して、前記第２のゲート電極に電気的に接続され、
前記第１の導電体は、絶縁体の上面に接する領域を有し、
前記絶縁体は、前記第２のゲート電極上に位置する半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記酸化物半導体は、ＩｎとＧａとＺｎとを有する半導体装置。