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WO2019048983A1 - 半導体装置、および半導体装置の作製方法 - Google Patents

半導体装置、および半導体装置の作製方法 Download PDF

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WO2019048983A1
WO2019048983A1 PCT/IB2018/056534 IB2018056534W WO2019048983A1 WO 2019048983 A1 WO2019048983 A1 WO 2019048983A1 IB 2018056534 W IB2018056534 W IB 2018056534W WO 2019048983 A1 WO2019048983 A1 WO 2019048983A1
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WO
WIPO (PCT)
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insulator
oxide
conductor
film
transistor
Prior art date
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Ceased
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PCT/IB2018/056534
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English (en)
French (fr)
Inventor
山崎舜平
竹内敏彦
村川努
駒形大樹
松林大介
石原典隆
野中裕介
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Publication date
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Priority to KR1020207007931A priority patent/KR102651186B1/ko
Priority to KR1020247009315A priority patent/KR102894624B1/ko
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    • H10B12/31—DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells having a storage electrode stacked over the transistor
    • H10B12/315—DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells having a storage electrode stacked over the transistor with the capacitor higher than a bit line
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    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B41/00—Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates
    • H10B41/70—Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates the floating gate being an electrode shared by two or more components

Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
  • one embodiment of the present invention relates to a semiconductor wafer, a module, and an electronic device.
  • a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics.
  • a semiconductor circuit such as a transistor, a semiconductor circuit, an arithmetic device, and a memory device are one embodiment of a semiconductor device.
  • a display device (a liquid crystal display device, a light emitting display device, or the like), a projection device, a lighting device, an electro-optical device, a power storage device, a memory device, a semiconductor circuit, an imaging device, an electronic device, or the like may be considered to have a semiconductor device.
  • one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field.
  • One aspect of the invention disclosed in the present specification and the like relates to a product, a method, or a manufacturing method.
  • one aspect of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter).
  • the CPU is a group of semiconductor elements including a semiconductor integrated circuit (at least a transistor and a memory) separated from a semiconductor wafer and in which an electrode serving as a connection terminal is formed.
  • IC chips Semiconductor circuits (IC chips) such as LSIs, CPUs, and memories are mounted on a circuit board, for example, a printed wiring board, and used as one of components of various electronic devices.
  • a technique of forming a transistor by using a semiconductor thin film formed on a substrate having an insulating surface has attracted attention.
  • the transistor is widely applied to electronic devices such as integrated circuits (ICs) and image display devices (also simply referred to as display devices).
  • ICs integrated circuits
  • image display devices also simply referred to as display devices.
  • silicon-based semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, oxide semiconductors have attracted attention as other materials.
  • a transistor including an oxide semiconductor is known to have extremely small leakage current in a non-conduction state.
  • a low power consumption CPU or the like utilizing a characteristic that a leak current of a transistor including an oxide semiconductor is low is disclosed (see Patent Document 1).
  • Patent Document 2 discloses a method of
  • a metal film is formed over the source region and the drain region, heat treatment is performed, and then a dopant is introduced through the metal film; A method of reducing the resistance of the drain region is disclosed (see Patent Document 3).
  • Oxide semiconductor materials are widely known as semiconductor thin films applicable to transistors, but oxide semiconductors are attracting attention as other materials.
  • oxide semiconductor for example, not only single-component metal oxides such as indium oxide and zinc oxide but also multi-component metal oxides are known.
  • oxides of multi-element metals in particular, research on In-Ga-Zn oxide (hereinafter also referred to as IGZO) has been actively conducted.
  • Non-Patent Documents 1 to 3 a c-axis aligned crystalline (CAAC) structure and an nc (nanocrystalline) structure which are neither single crystal nor amorphous are found in an oxide semiconductor (see Non-Patent Documents 1 to 3) ).
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 also disclose a technique for manufacturing a transistor using an oxide semiconductor having a CAAC structure.
  • non-patent documents 4 and 5 disclose that even oxide semiconductors that are less crystalline than the CAAC structure and the nc structure have minute crystals.
  • Non-Patent Document 6 a transistor using IGZO as an active layer has an extremely low off current (see Non-Patent Document 6), and LSIs and displays utilizing the characteristics have been reported (see Non-Patent Document 7 and Non-Patent Document 8) .
  • Patent Document 2 when the resistance of the source region and the drain region is reduced, a metal film is formed on the source region and the drain region, and heat treatment is performed on the metal film in an oxygen atmosphere.
  • heat treatment a constituent element of the metal film is introduced as a dopant into the source region and the drain region of the oxide semiconductor film to reduce the resistance of the source region and the drain region.
  • heat treatment is performed in an oxygen atmosphere to oxidize the conductive film and to increase the resistance of the conductive film.
  • heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, oxygen is unlikely to be extracted from the oxide semiconductor film to the metal film.
  • Patent Document 2 describes the oxygen concentration in the channel formation region, but does not mention the concentration of impurities such as water and hydrogen. That is, there is a problem that the transistor characteristics of normally on are likely to be obtained because the channel formation region is not highly purified (reduction of impurities such as water and hydrogen, typically dehydration or dehydrogenation) is performed. .
  • “normally on” refers to a state in which a channel is present even when a voltage is not applied to the gate, and current flows in the transistor.
  • normally-off means that no current flows in the transistor when no voltage is applied to the gate.
  • one aspect of the present invention provides a semiconductor device having favorable electrical characteristics by stably reducing the resistance of the source region and the drain region of the transistor and by purifying the channel formation region. To be one of the issues.
  • an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device which can be miniaturized or highly integrated.
  • an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device having favorable electrical characteristics.
  • an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high productivity.
  • an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of holding data for a long time. Alternatively, it is an object of one embodiment of the present invention to provide a semiconductor device with high information writing speed. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with a high degree of freedom in design. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with low power consumption. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide a novel semiconductor device.
  • One embodiment of the present invention is a first insulator, an oxide on the first insulator, a second insulator on the oxide, and a first conductor on the second insulator.
  • a third insulator on and in contact with the top surface of the first insulator, the side of the oxide, the top of the oxide, the side of the second insulator and the side of the first conductor, and the third insulator
  • a first insulator a first oxide having an opening over the first insulator, a second oxide over the first oxide, and a second oxide
  • a second insulator on oxide a first conductor on the second insulator, an upper surface of the first insulator, a side of the first oxide, a side of the second oxide, the first A third insulator in contact with the top surface of the two oxides, the side surface of the second insulator, and the side surface of the first conductor, and a fourth insulator on the third insulator
  • the third insulator has an opening for exposing the first insulator
  • the fourth insulator is a semiconductor device in contact with the first insulator through the opening of the third insulator.
  • the first insulator and the fourth insulator transmit oxygen more easily than the third insulator.
  • the oxide preferably contains In, an element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn.
  • the first oxide contains In, the element M (M is Al, Ga, Y, or Sn), and Zn
  • the second oxide contains In and the element M (M is It is preferable to have Al, Ga, Y, or Sn) and Zn.
  • the second oxide preferably transmits oxygen more easily than the first oxide.
  • the third insulator is preferably an oxide containing one or both of aluminum and hafnium.
  • a first insulator is formed over a substrate, an oxide layer is formed over the first insulator, and a first insulating film and an oxide layer are formed over the oxide layer.
  • a dummy gate film is sequentially formed, and the first insulating film and the dummy gate film are processed to form a second insulator and a dummy gate layer, and a first insulator, an oxide layer, and a dummy gate are formed.
  • a first film containing a metal is formed in contact with the layer, a first heat treatment is performed in an atmosphere containing nitrogen, the first film is removed, and a first insulator, an oxide layer, and a dummy gate layer are formed.
  • a second insulating film is formed to be covered, and a third insulating film having an opening is formed by processing the second insulating film, and the third insulating film is formed on the third insulating film.
  • the dummy gate layer, the third insulator, and a part of the third insulating film are dummy gates.
  • the second gate insulating film is removed by removing a portion of the conductive film until a portion of the conductive film is exposed, the second insulating material is exposed, a conductive film is formed, and the second CMP process is performed.
  • a portion is removed until the third insulating film is exposed to form a first conductor layer and a fourth insulator, oxygen is injected into the fourth insulator, and the first conductor layer is formed.
  • This is a method for manufacturing a semiconductor device, in which the fifth insulator is formed over the upper and the fourth insulators, and the second heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen.
  • the first film is preferably formed by sputtering using one or more gases selected from argon, nitrogen, and oxygen.
  • oxygen is preferably injected into the oxide layer through the opening and the first insulator by performing the second heat treatment.
  • oxygen may be implanted using one selected from an ion implantation method, an ion doping method, a plasma treatment method, and a plasma immersion ion implantation method.
  • the implantation of oxygen may be performed using an ion implantation method.
  • a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be provided.
  • a semiconductor device which can be miniaturized or highly integrated can be provided.
  • a semiconductor device with high productivity can be provided.
  • a semiconductor device capable of holding data for a long time can be provided.
  • a semiconductor device with high data writing speed can be provided.
  • a semiconductor device with a high degree of freedom in design can be provided.
  • a semiconductor device with low power consumption can be provided.
  • a novel semiconductor device can be provided.
  • FIG. 7A and 7B are a top view and a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A and 7B are a top view and a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • 7A to 7C are a top view and a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 13A to 13C illustrate energy band structures of oxide semiconductors.
  • 7A and 7B are a top view and a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a circuit diagram of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a block diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a block diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A and 7B are a block diagram and a circuit diagram illustrating a configuration example of a memory device according to one embodiment of the present invention.
  • BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The block diagram which shows the structural example of AI system which concerns on 1 aspect of this invention.
  • FIG. 7 illustrates an electronic device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates an electronic device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates an electronic device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates an electronic device according to one embodiment of the present invention.
  • the size, layer thicknesses, or areas may be exaggerated for clarity. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.
  • the drawings schematically show ideal examples, and are not limited to the shapes or values shown in the drawings.
  • a layer, a resist mask, and the like may be unintentionally reduced by a process such as etching, but may not be reflected in the drawings for ease of understanding.
  • the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and repeated description may be omitted.
  • the hatch pattern may be the same and no reference numeral may be given.
  • the description of some components may be omitted particularly in a top view (also referred to as a “plan view”) or a perspective view.
  • the description of some hidden lines may be omitted.
  • the ordinal numbers given as the first, second and the like are used for the sake of convenience, and do not indicate the process order or the stacking order. Therefore, for example, “first” can be appropriately replaced with “second” or “third” and the like.
  • the ordinal numbers described in this specification and the like may not match the ordinal numbers used to specify one embodiment of the present invention.
  • the present invention is not limited to a predetermined connection relationship, for example, the connection relationship shown in the figure or the sentence, and anything other than the connection relationship shown in the figure or the sentence is also described in the figure or the sentence.
  • X and Y each denote an object (eg, a device, an element, a circuit, a wiring, an electrode, a terminal, a conductive film, a layer, or the like).
  • an element for example, a switch, a transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, a diode, a display, or the like
  • An element e.g., a switch, a transistor, a capacitive element, an inductor
  • a resistance element e.g., a diode, a display element, a light emitting element, a load, and the like.
  • an element for example, a switch, a transistor, a capacitor, an inductor, a resistor, a diode, a display, or the like
  • the switch has a function of controlling on and off. That is, the switch has a function of turning on (on) or non-conducting (off) and controlling whether current flows or not. Alternatively, the switch has a function of selecting and switching a path through which current flows.
  • X and Y are electrically connected, the case where X and Y are directly connected shall be included.
  • a circuit for example, a logic circuit (for example, an inverter, a NAND circuit, a NOR circuit, etc.) that enables functional connection of X and Y, signal conversion Circuits (DA converter circuit, AD converter circuit, gamma correction circuit, etc.), potential level converter circuits (power supply circuit (boost circuit, step-down circuit etc.), level shifter circuit for changing signal potential level, etc.) voltage source, current source, switching Circuits, amplifier circuits (circuits that can increase signal amplitude or current, etc., operational amplifiers, differential amplifiers, source follower circuits, buffer circuits, etc.), signal generation circuits, memory circuits, control circuits, etc.
  • a logic circuit for example, an inverter, a NAND circuit, a NOR circuit, etc.
  • signal conversion Circuits DA converter circuit, AD converter circuit, gamma correction circuit, etc.
  • potential level converter circuits power supply circuit (boost circuit, step-down circuit etc.), level shifter circuit for changing signal potential level
  • X and Y are functionally connected if the signal output from X is transmitted to Y. Do. Note that when X and Y are functionally connected, the case where X and Y are directly connected and the case where X and Y are electrically connected are included.
  • a transistor is an element having at least three terminals of a gate, a drain, and a source.
  • a region in which a channel is formed is provided between the drain (drain terminal, drain region or drain electrode) and a source (source terminal, source region or source electrode), and the region in which the channel is formed is provided.
  • a current can flow between the source and the drain.
  • a region where a channel is formed refers to a region through which current mainly flows.
  • the functions of the source and the drain may be switched when adopting transistors of different polarities or when the direction of current changes in circuit operation. Therefore, in the present specification and the like, the terms “source” and “drain” may be used interchangeably.
  • the channel length is, for example, a region where a semiconductor (or a portion through which current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other in a top view of the transistor, or a region where a channel is formed
  • the distance between the source (source region or source electrode) and the drain (drain region or drain electrode) in one transistor does not necessarily have the same value in all regions. That is, the channel length of one transistor may not be determined to one value. Therefore, in the present specification, the channel length is any one value, maximum value, minimum value, or average value in the region where the channel is formed.
  • the channel width is, for example, a region where a semiconductor (or a portion through which current flows in the semiconductor when the transistor is on) and a gate electrode overlap with each other in a top view of the transistor, or a region where a channel is formed It refers to the length of the region where the channel in the vertical direction is formed with reference to the channel length direction. Note that in one transistor, the channel width may not be the same in all regions. That is, the channel width of one transistor may not be determined to one value. Therefore, in the present specification, the channel width is set to any one value, maximum value, minimum value, or average value in the region where the channel is formed.
  • the channel width in the region where the channel is actually formed (hereinafter, also referred to as “effective channel width”) and the channel width shown in the top view of the transistor (hereinafter, “apparent” Also referred to as “channel width” may be different.
  • the effective channel width may be larger than the apparent channel width, and the effect may not be negligible.
  • the ratio of the channel formation region formed on the side surface of the semiconductor may be large. In that case, the effective channel width is larger than the apparent channel width.
  • the apparent channel width may be referred to as “surrounded channel width (SCW)”.
  • the term “channel width only” may refer to an enclosed channel width or an apparent channel width.
  • the term “channel width” may refer to an effective channel width. Note that the channel length, channel width, effective channel width, apparent channel width, enclosed channel width and the like can be determined by analyzing a cross-sectional TEM image or the like.
  • the impurity of a semiconductor means, for example, elements other than the main components of the semiconductor.
  • an element having a concentration of less than 0.1 atomic% can be said to be an impurity.
  • the inclusion of impurities may cause, for example, an increase in the DOS (Density of States) of the semiconductor, or a decrease in crystallinity.
  • the semiconductor is an oxide semiconductor
  • examples of the impurity that changes the characteristics of the semiconductor include a group 1 element, a group 2 element, a group 13 element, a group 14 element, a group 15 element, and an oxide semiconductor.
  • transition metals other than the main components thereof such as hydrogen, lithium, sodium, silicon, boron, phosphorus, carbon, nitrogen and the like.
  • water may also function as an impurity.
  • oxygen vacancies may be formed, for example, by the addition of impurities.
  • the impurity that changes the characteristics of the semiconductor include oxygen, a group 1 element excluding hydrogen, a group 2 element, a group 13 element, and a group 15 element.
  • the silicon oxynitride film is a film having a higher oxygen content than nitrogen as the composition.
  • oxygen is 55 atomic% or more and 65 atomic% or less
  • nitrogen is 1 atomic% or more and 20 atomic% or less
  • silicon is 25 atomic% or more and 35 atomic% or less
  • hydrogen is 0.1 atomic% or more and 10 atomic% or less It refers to what is included in the concentration range.
  • the silicon nitride oxide film is a film having a nitrogen content higher than that of oxygen as the composition thereof.
  • nitrogen is 55 atomic percent or more and 65 atomic percent or less
  • oxygen is 1 atomic percent or more and 20 atomic percent or less
  • silicon is 25 atomic percent or more and 35 atomic percent or less
  • hydrogen is 0.1 atomic percent or more and 10 atomic percent or less It refers to what is included in the concentration range.
  • membrane and the term “layer” can be interchanged with each other.
  • conductive layer to the term “conductive film”.
  • insulating film to the term “insulating layer”.
  • the term “insulator” can be reworded as an insulating film or an insulating layer. Further, the term “conductor” can be rephrased as a conductive film or a conductive layer. Further, the term “semiconductor” can be reworded as a semiconductor film or a semiconductor layer.
  • transistors shown in the present specification and the like are field effect transistors except when explicitly stated.
  • transistors shown in this specification and the like are n-channel transistors unless otherwise specified. Therefore, the threshold voltage (also referred to as "Vth”) is assumed to be larger than 0 V except when explicitly stated.
  • the "parallel” means the state by which two straight lines are arrange
  • substantially parallel means the state by which two straight lines are arrange
  • vertical means that two straight lines are arranged at an angle of 80 ° or more and 100 ° or less. Therefore, the case of 85 degrees or more and 95 degrees or less is also included.
  • “substantially perpendicular” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 60 ° or more and 120 ° or less.
  • a barrier film is a film having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen and oxygen, and in the case where the barrier film has conductivity, it is called a conductive barrier film. There is.
  • the metal oxide is a metal oxide in a broad sense.
  • Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as oxide semiconductor or simply OS), and the like.
  • oxide semiconductors also referred to as oxide semiconductor or simply OS
  • the metal oxide may be referred to as an oxide semiconductor. That is, in the case of describing an OS FET, the transistor can be put in another way as a transistor having an oxide or an oxide semiconductor.
  • normally-off means that the current per 1 ⁇ m of the channel width flowing in the transistor is 1 ⁇ 10 ⁇ 20 at room temperature when voltage is not applied to the gate or ground potential is applied to the gate. A or less, 1 ⁇ 10 ⁇ 18 A or less at 85 ° C., or 1 ⁇ 10 ⁇ 16 A or less at 125 ° C.
  • Embodiment 1 Hereinafter, an example of a semiconductor device including the transistor 200 according to one embodiment of the present invention will be described.
  • FIG. 1 is a top view and a cross-sectional view of a transistor 200 and a periphery of the transistor 200 according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a top view of a semiconductor device including the transistor 200.
  • FIG. 1B and 1C are cross-sectional views of the semiconductor device.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A1-A2 in FIG. 1A, and is also a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 200.
  • 1C is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A3-A4 in FIG. 1A, and is also a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200. Note that in the top view of FIG. 1A, some elements are omitted for the sake of clarity.
  • the semiconductor device of one embodiment of the present invention includes the transistor 200, an insulator 210 functioning as an interlayer film, an insulator 212, an insulator 280, an insulator 282, and an insulator 283. Further, the transistor 200 includes the conductor 203 electrically connected to the transistor 200 and functioning as a wiring, and the conductor 240 functioning as a plug (conductors 240 a and 240 b).
  • the conductor 203 is formed to be embedded in the insulator 212.
  • the height of the top surface of the conductor 203 and the height of the top surface of the insulator 212 can be approximately the same.
  • the conductor 203 is illustrated as a single layer, the present invention is not limited to this.
  • the conductor 203 may have a stacked structure of two or more layers.
  • an ordinal number may be provided and distinguished in order of formation.
  • the conductor 240 is formed in contact with the insulator 273, the insulator 280, the insulator 282, and the inner wall of the opening of the insulator 283.
  • the height of the top surface of the conductor 240 and the height of the top surface of the insulator 283 can be approximately the same.
  • the conductor 240 may have a stacked structure of two or more layers.
  • Transistor 200 As shown in FIG. 1B, the transistor 200 is disposed so as to be embedded in the insulator 214 and the insulator 216, and the insulator 214 and the insulator 216 which are disposed on a substrate (not shown).
  • Conductor 205 (conductor 205a and conductor 205b), insulator 220 disposed on insulator 216 and conductor 205, insulator 222 disposed on insulator 220, and insulator 222
  • the insulator 224 disposed on the top, the oxide 230 (the oxide 230 a, the oxide 230 b, and the oxide 230 c) disposed on the insulator 224, and the insulator 250 disposed on the oxide 230
  • a conductor 260 (conductor 260a and conductor 260b) disposed on the insulator 250, an upper surface of the insulator 224, a side surface of the oxide 230a, a side surface of the oxide 230b, With the upper surface of the product 230b, the side surface of the oxide 230c, the side surface of the insulator 250, and an insulator 273 arranged in contact with the side surface of the conductor 260.
  • the insulator 273 has an opening which exposes the insulator 224, and the insulator 280 is in contact with the insulator 224 through the opening.
  • the conductor 260 has a conductor 260a and a conductor 260b, and the conductor 260a is disposed so as to wrap the bottom and the side of the conductor 260b.
  • the top surface of the conductor 260 substantially coincides with the top surface of the insulator 280.
  • the transistor 200 illustrates a structure in which three layers of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c are stacked
  • the present invention is not limited to this.
  • a single layer of the oxide 230b, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230a, a two-layer structure of the oxide 230b and the oxide 230c, or a stacked structure of four or more layers may be provided.
  • the conductor 260a and the conductor 260b are stacked; however, the present invention is not limited to this.
  • the transistor 200 also functions as an oxide semiconductor in the oxide 230 (the oxide 230 a, the oxide 230 b, and the oxide 230 c) including a region where a channel is formed (hereinafter also referred to as a channel formation region). It is preferable to use an oxide semiconductor (hereinafter also referred to as an oxide semiconductor).
  • the transistor 200 in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region has extremely low leakage current in a non-conduction state; thus, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Further, an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like, and thus can be used for the transistor 200 included in a highly integrated semiconductor device.
  • In-M-Zn oxide as the oxide 230 (element M is aluminum, gallium, yttrium, tin, copper, vanadium, beryllium, boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium It is preferable to use a metal oxide such as one or more selected from neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium.
  • the element M is preferably aluminum, gallium, yttrium or tin.
  • an In-Ga oxide or an In-Zn oxide may be used as the oxide 230.
  • a metal compound is added to part of the oxide semiconductor by adding a metal element such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, chromium, tungsten, or the like to the oxide semiconductor in addition to the elements included in the oxide semiconductor. It may be formed to reduce resistance. Note that aluminum, titanium, tantalum, tungsten or the like is preferably used.
  • a metal film containing the metal element, a nitride film containing the metal element, or an oxide film containing the metal element may be provided over the oxide semiconductor.
  • part of oxygen in the oxide semiconductor located in the interface between the film and the oxide semiconductor or in the vicinity of the interface is absorbed by the film or the like to form an oxygen vacancy, which causes oxidation.
  • the resistance in the vicinity of the interface of the object semiconductor may be lowered.
  • heat treatment may be performed in an atmosphere containing nitrogen.
  • a metal element can be diffused from the metal film to the oxide semiconductor, and the metal element can be added to the oxide semiconductor.
  • hydrogen existing in the oxide semiconductor diffuses into the low-resistance region of the oxide semiconductor and enters an oxygen vacancy existing in the low-resistance region, which results in a relatively stable state.
  • hydrogen in an oxygen vacancy existing in the oxide semiconductor is released from the oxygen vacancy by heat treatment at 250 ° C. or higher, diffused to a low-resistance region of the oxide semiconductor, and present in the low-resistance region It is known to be in a relatively stable state. Therefore, the resistance-reduced region of the oxide semiconductor is further reduced in resistance by heat treatment, and the oxide semiconductor not reduced in resistance is highly purified (reduction of impurities such as water and hydrogen) and is further enhanced. There is a tendency to
  • an impurity element such as hydrogen or nitrogen increases carrier density.
  • Hydrogen in the oxide semiconductor reacts with oxygen bonded to a metal atom to be water, which may form an oxygen vacancy.
  • Carrier density is increased by the entry of hydrogen into the oxygen vacancies.
  • a part of hydrogen may be bonded to oxygen which is bonded to a metal atom to generate an electron which is a carrier. That is, an oxide semiconductor containing nitrogen or hydrogen is reduced in resistance.
  • the oxide 230 processed into an island shape has a low resistance which functions as a semiconductor region having a low carrier density and functions as a source region or a drain region. An area can be provided.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of a region 239 including the oxide layer 230 which is selectively reduced in resistance, which is surrounded by an alternate long and short dash line in FIG. 1B.
  • the oxide 230 includes a region 234 which functions as a channel formation region of the transistor 200 and a region 231 (a region 231 a and a region 231 b) which function as a source region or a drain region of the transistor 200. .
  • the region 231 which functions as a source region or a drain region is a low-resistance region in which the oxygen concentration is low and the carrier concentration is high. Further, the region 234 functioning as a channel formation region is a high resistance region having a higher oxygen concentration and a lower carrier density than the region 231 functioning as a source region or a drain region.
  • the region 231 preferably has a concentration of at least one of a metal element, hydrogen, and an impurity element such as nitrogen higher than that of the region 234.
  • the region 231 includes one or more metal elements selected from metal elements such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, tungsten, and chromium, in addition to the metal elements included in the oxide 230. preferable.
  • a metal element that enhances conductivity such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, tungsten, chromium, indium, and an impurity is added to a desired region do it.
  • an impurity an element which forms an oxygen vacancy, an element which is captured by the oxygen vacancy, or the like may be used.
  • the element hydrogen, boron, carbon, nitrogen, fluorine, phosphorus, sulfur, chlorine, titanium, a rare gas and the like can be mentioned.
  • helium, neon, argon, krypton, xenon and the like are representative examples of the noble gas.
  • a film containing a metal element may be provided in contact with the oxide 230.
  • a metal film, an oxide film containing a metal element, or a nitride film containing a metal element can be used.
  • a layer 242 which is a compound layer may be formed at the interface between the film containing a metal element and the oxide 230.
  • the layer 242 is a layer including a metal compound including a component of a film including a metal element and a component of the oxide 230.
  • the layer 242 may be a layer in which the metal element in the oxide 230 and the added metal element are alloyed.
  • the metal element is added to the oxide 230, whereby the layer 242 is formed in the oxide 230, whereby the resistance of the region 231 can be reduced.
  • the layer 242 may not necessarily be formed in the oxide 230.
  • the layer 242 may be formed on the surface of the oxide 230 or at the interface between a film containing a metal element and the oxide 230.
  • region 231 may include layer 242. That is, in this specification, a region functioning as a source region or a drain region is referred to as a region 231.
  • the regions 234 and 231 are formed in the oxide 230 b in FIGS. 1 and 2, the invention is not limited to this.
  • these regions may also be formed on the oxide 230a and the oxide 230c.
  • the boundaries of the respective regions are displayed substantially perpendicularly to the top surface of the oxide 230, but the present embodiment is not limited to this.
  • the boundary between the region 231a and the region 234 may be shaped so as to recede to the A1 side in FIG. 1B in the vicinity of the lower surface of the oxide 230b, and the boundary between the region 231b and the region 234 is the lower surface of the oxide 230b. In the vicinity, there is a case in which the shape recedes to the A2 side in FIG.
  • the concentrations of metal elements and impurity elements such as hydrogen and nitrogen detected in each region are not limited to stepwise changes in each region, but are continuously changed (also referred to as gradation) in each region. It is also good. That is, the concentration of the metal element and the impurity element such as hydrogen and nitrogen may be reduced as the region is closer to the channel formation region.
  • a low-resistance region of the oxide 230 is illustrated as a layer 242.
  • the range of the layer 242 is not limited to the range of FIG.
  • the low-resistance layer 242 may be formed in a region near the interface between the oxide 230 and the conductor 240 or in a region from the top surface of the oxide 230 to the bottom surface of the oxide 230 in the region 231. is there. The same applies to the other drawings.
  • heat treatment may be performed in an atmosphere containing nitrogen in a state where the region 231 is in contact with the metal film, the nitride film containing a metal element, or the oxide film containing a metal element.
  • the metal element can be diffused from the metal film to the region 231 of the oxide 230, and the metal element can be added to the region 231.
  • the region 231 of the oxide 230 and the metal element may be alloyed.
  • the metal element added to the oxide semiconductor is in a relatively stable state; thus, a highly reliable semiconductor device can be provided.
  • hydrogen in the oxide 230 diffuses into the region 231 and enters the oxygen vacancy existing in the region 231, which results in a relatively stable state.
  • hydrogen in the oxygen vacancy existing in the region 234 is released from the oxygen vacancy by heat treatment at 250 ° C. or higher, diffused into the region 231, and enters the oxygen vacancy existing in the region 231, and is relatively stable. Become. Therefore, the heat treatment makes the region 231 lower in resistance, and the region 234 is highly purified (reduction of impurities such as water and hydrogen) and is higher in resistance.
  • the metal film, the oxide film containing a metal element, or the nitride film containing a metal element has a property of absorbing hydrogen
  • hydrogen in the oxide 230 is absorbed into the film. Therefore, hydrogen which is an impurity in the oxide 230 can be reduced.
  • the metal film, the oxide film containing a metal element, or the nitride film containing a metal element may be removed together with hydrogen absorbed from the oxide 230 in a later step.
  • the metal film, the oxide film containing a metal element, or the nitride film containing a metal element may not necessarily be removed.
  • the film is left. May be In that case, the film may function as an interlayer film.
  • heat treatment is performed to oxidize the conductive region. Then, the film becomes an insulator to increase resistance.
  • the heat treatment is preferably performed, for example, in an oxidizing atmosphere.
  • heat treatment is performed to form a metal film, an oxide film containing a metal element, or a metal element
  • the nitride film having the formula may react with oxygen contained in the structure to be oxidized.
  • a metal film, an oxide film containing a metal element, or a nitride film containing a metal element can be made to function as an interlayer film by being left as an insulator.
  • a metal film, an oxide film containing a metal element, or a nitride film containing a metal element is preferably provided with a thickness of 0.5 nm to 5 nm, preferably 1 nm to 2 nm.
  • aluminum of 0.5 nm or more and 5 nm or less is oxidized by heat treatment, aluminum oxide of 0.7 nm or more and 8 nm or less may be obtained. Note that in the case where heat treatment is performed in the above-described oxidizing atmosphere, the atmosphere containing nitrogen is in a state where the oxide 230 and a metal film, an oxide film containing a metal element, or a nitride film containing a metal element are in contact with each other.
  • the heat treatment is performed after the heat treatment.
  • oxygen in the oxide 230 can be easily diffused into a metal film, an oxide film containing a metal element, or a nitride film containing a metal element.
  • the transistor including an oxide semiconductor when impurities and oxygen vacancies are present in a region of the oxide semiconductor in which a channel is formed, the electrical characteristics are easily changed and the reliability might be deteriorated.
  • oxygen vacancies when oxygen vacancies are included in the region in the oxide semiconductor in which a channel is formed, the transistor is likely to be normally on. Therefore, it is preferable that oxygen deficiency in the region 234 where the channel is formed be reduced as much as possible.
  • an impurity such as water or hydrogen and an oxide having a function of suppressing permeation of oxygen may be used.
  • aluminum oxide or hafnium oxide is preferably used.
  • the insulator 273 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an oxide may be deposited using an ALD method. By depositing the oxide using the ALD method, even when depositing on the step shape, it is possible to deposit a dense thin film with excellent coverage with few defects.
  • the insulator 224 and the insulator 280 transmit oxygen more easily than the insulator 273.
  • the insulator 273 is disposed on the insulator 224 so as to cover the side surface of the oxide 230, the upper surface of the oxide 230, the side surface of the insulator 250, and the side surface of the conductor 260. There is.
  • the insulator 273 has an opening which exposes the insulator 224, and the insulator 280 is in contact with the insulator 224 through the opening.
  • the top surface of the conductor 260 is covered with an insulator 282.
  • an impurity such as water or hydrogen and an oxide having a function of suppressing permeation of oxygen may be used similarly to the insulator 273.
  • the transistor 200 is covered with the insulator 273 and the insulator 282 which are oxides having a function of suppressing transmission of oxygen.
  • the insulator 280 is included in the insulator 280 by disposing the insulator 280 containing more oxygen than the stoichiometric composition (also referred to as excess oxygen) over the transistor 200 with the insulator 273 interposed therebetween. Excess oxygen can diffuse into the insulator 224 through the opening of the insulator 273 and can be further injected into the region 234 which is a channel formation region through the insulator 224.
  • the insulator 282 can suppress upward diffusion of excess oxygen.
  • the diffusion of excess oxygen contained in the insulator 280 to the conductor 260 can be suppressed by the insulator 273, so oxidation of the conductor 260 can be suppressed. Permeation of excess oxygen is suppressed by the insulator 273 for other paths.
  • excess oxygen of the insulator 280 can be efficiently injected into the region 234, so that oxygen vacancies in the region 234 of the oxide 230 can be reduced.
  • the insulator 280 containing excess oxygen can be formed by performing treatment for injecting oxygen into the insulator 280 after the insulator 280 is formed.
  • a process for injecting oxygen for example, an aluminum oxide, a hafnium oxide, a silicon oxide film, or the like may be formed by a sputtering method using a gas containing oxygen.
  • a film containing aluminum oxide is formed by a sputtering method using a gas containing oxygen as the insulator 282. By depositing the aluminum oxide over the insulator 280, oxygen can be injected into the insulator 280.
  • Other treatments include plasma treatment using a gas containing oxygen, treatment for injecting oxygen ions using an ion implantation apparatus, and the like.
  • oxygen can be injected into the insulator 280 by irradiating the plasma with a gas containing oxygen using a device having a high density plasma source.
  • oxygen ions can be implanted into the insulator 280 using an ion implantation apparatus.
  • ion implantation using an ion implantation apparatus is preferable because the amount of ion implantation and the depth of ion implantation can be independently controlled. That is, since oxygen can be injected into the insulator 280 at an optimum injection amount and an optimum injection depth, it is possible to produce a semiconductor device having a high-performance transistor with small variation in performance.
  • the implantation amount and the implantation depth can be optimized as appropriate depending on the thickness of the insulator 280, the size of the transistor, the arrangement density of the transistor, and the arrangement of the transistor.
  • the oxide 230 can be selectively reduced in resistance by the above structure or a combination of the above steps.
  • the resistance of the oxide 230 is lowered in a self-aligned manner by using the conductor 260 serving as a gate electrode as a mask. Therefore, when the plurality of transistors 200 are formed at the same time, variation in electrical characteristics among the transistors can be reduced. Further, the channel length of the transistor 200 is determined by the width of the conductor 260, and by making the width of the conductor 260 the minimum processing dimension, the transistor 200 can be miniaturized.
  • an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like and thus can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device.
  • a transistor in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region has extremely low leak current (off current) in a non-conduction state; thus, a semiconductor device with low power consumption can be provided.
  • a semiconductor device having a transistor with a large on current can be provided.
  • a semiconductor device having a transistor with low off current can be provided.
  • the conductor 203 is extended in the channel width direction as shown in FIGS. 1A and 1C, and functions as a wiring for applying a potential to the conductor 205. Note that the conductor 203 is preferably provided so as to be embedded in the insulator 212.
  • the conductor 205 is disposed so as to overlap with the oxide 230 and the conductor 260. Further, the conductor 205 may be provided in contact with the top surface of the conductor 203. The conductor 205 is preferably provided so as to be embedded in the insulator 214 and the insulator 216.
  • the conductor 260 may function as a first gate (also referred to as a top gate) electrode.
  • the conductor 205 may function as a second gate (also referred to as a bottom gate) electrode.
  • the threshold voltage of the transistor 200 can be controlled by changing the potential applied to the conductor 205 independently, without interlocking with the potential applied to the conductor 260.
  • the threshold voltage of the transistor 200 can be greater than 0 V and off current can be reduced. Therefore, when a negative potential is applied to the conductor 205, the drain current when the potential applied to the conductor 260 is 0 V can be smaller than when no potential is applied.
  • the conductor 205 over the conductor 203, the distance between the conductor 260 having the function of the first gate electrode and the wiring and the conductor 203 can be appropriately designed. That is, by providing the insulator 214, the insulator 216, and the like between the conductor 203 and the conductor 260, the parasitic capacitance between the conductor 203 and the conductor 260 is reduced, and the conductor 203 and the conductor 260 are formed. The withstand voltage between them can be increased.
  • the switching speed of the transistor 200 can be improved, and a transistor with high frequency characteristics can be provided.
  • the reliability of the transistor 200 can be improved. Therefore, the thicknesses of the insulator 214 and the insulator 216 are preferably large. Note that the extension direction of the conductor 203 is not limited to this. For example, the conductor 203 may extend in the channel length direction of the transistor 200.
  • the conductor 205 is disposed so as to overlap with the oxide 230 and the conductor 260 as illustrated in FIG.
  • the conductor 205 may be larger than the region 234 in the oxide 230.
  • the conductor 205 is preferably extended also in a region outside the end portion of the region 234 of the oxide 230 which intersects the channel width direction.
  • the channel formation region of the region 234 can be electrically surrounded by the electric field of the conductor 260 having a function as the first gate electrode and the electric field of the conductor 205 having a function as the second gate electrode.
  • a structure of a transistor which electrically surrounds a channel formation region by an electric field of the first gate electrode and the second gate electrode is referred to as a surrounded channel (S-channel) structure.
  • a first conductor is formed in contact with the inner wall of the opening of the insulator 214 and the insulator 216, and a second conductor is formed further inside.
  • the heights of the top surfaces of the first conductor and the second conductor and the height of the top surface of the insulator 216 can be approximately the same.
  • the transistor 200 illustrates a structure in which the first conductor and the second conductor are stacked, the present invention is not limited to this.
  • the conductor 205 may have a single layer or a stacked structure of three or more layers.
  • the first conductor of the conductor 205 or the conductor 203 is a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, a nitrogen oxide molecule (N 2 O, NO, NO 2 or the like), copper
  • a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as atoms the above-described impurities are difficult to transmit.
  • a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, at least one of oxygen atoms, oxygen molecules, and the like
  • the function of suppressing the diffusion of impurities or oxygen is a function of suppressing the diffusion of any one or all of the impurities or the oxygen.
  • the conductor 205 or the first conductor of the conductor 203 has a function of suppressing the diffusion of oxygen
  • the conductor 205 or the second conductor of the conductor 203 is oxidized to lower the conductivity. Can be suppressed.
  • a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide or the like is preferably used. Therefore, as the conductor 205 or the first conductor of the conductor 203, the above conductive material may be used in a single layer or stacked layers. Accordingly, diffusion of impurities such as hydrogen and water to the transistor 200 side through the conductor 203 and the conductor 205 can be suppressed.
  • a conductive material mainly containing tungsten, copper, or aluminum is preferably used as a second conductor of the conductor 205.
  • a conductive material mainly containing tungsten, copper, or aluminum is preferably used as a second conductor of the conductor 205.
  • the second conductor of the conductor 205 is illustrated as a single layer, a stacked structure may be used, for example, titanium, titanium nitride, and the above conductive material may be stacked.
  • the second conductor of the conductor 203 functions as a wiring, it is preferable to use a conductor having higher conductivity than the second conductor of the conductor 205.
  • a conductor having higher conductivity for example, a conductive material containing copper or aluminum as a main component can be used.
  • the second conductor of the conductor 203 may have a stacked structure, for example, a stack of titanium and titanium nitride and the above conductive material.
  • copper is preferably used for the second conductor of the conductor 203.
  • Copper is preferably used for wiring and the like because it has low resistance.
  • copper is easily diffused; thus, diffusion to the oxide 230 may deteriorate the electrical characteristics of the transistor 200. Therefore, for example, by using a material such as aluminum oxide or hafnium oxide with low copper permeability for the insulator 214, copper diffusion can be suppressed.
  • the conductor 205, the insulator 214, and the insulator 216 may not necessarily be provided. In that case, part of the conductor 203 can function as a second gate electrode.
  • the insulator 210 and the insulator 214 preferably function as a barrier insulating film which suppresses impurities such as water or hydrogen from entering the transistor 200 from the substrate side. Therefore, the insulator 210 and the insulator 214 suppress the diffusion of impurities such as hydrogen atoms, hydrogen molecules, water molecules, nitrogen atoms, nitrogen molecules, nitrogen oxide molecules (N 2 O, NO, NO 2, etc.), copper atoms, etc. It is preferable to use an insulating material having the following function (it is difficult for the above-mentioned impurities to permeate). Alternatively, it is preferable to use an insulating material having a function of suppressing diffusion of oxygen (for example, at least one of oxygen atoms, oxygen molecules, and the like) (the above-described oxygen is difficult to permeate).
  • the insulator 210 aluminum oxide or the like is preferably used as the insulator 210, and silicon nitride or the like is preferably used as the insulator 214. Accordingly, diffusion of impurities such as hydrogen and water from the substrate side to the transistor 200 side through the insulator 210 and the insulator 214 can be suppressed. Alternatively, oxygen contained in the insulator 224 or the like can be suppressed from diffusing to the substrate side through the insulator 210 and the insulator 214.
  • the insulator 214 can be provided between the conductor 203 and the conductor 205.
  • the metal is diffused to a layer higher than the insulator 214 by providing silicon nitride or the like as the insulator 214. Can be suppressed.
  • the insulator 212, the insulator 216, and the insulator 280 each functioning as an interlayer film preferably have a lower dielectric constant than the insulator 210 or the insulator 214.
  • parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.
  • An insulator such as strontium (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) can be used in a single layer or a stack.
  • strontium (SrTiO 3 ) or (Ba, Sr) TiO 3 (BST) can be used in a single layer or a stack.
  • aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators.
  • these insulators may be nitrided.
  • silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.
  • the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 function as gate insulators.
  • an oxide insulator which contains oxygen at a higher proportion than the stoichiometric composition is preferably used as the insulator 224 in contact with the oxide 230. That is, it is preferable that an excess oxygen region be formed in the insulator 224. By providing the insulator including such excess oxygen in contact with the oxide 230, oxygen vacancies in the oxide 230 can be reduced and the reliability of the transistor 200 can be improved.
  • an oxide material from which part of oxygen is released by heating is preferably used as the insulator having an excess oxygen region.
  • the oxide from which oxygen is released by heating means that the amount of released oxygen is 1.0 ⁇ 10 18 atoms in terms of oxygen atoms in Thermal Desorption Spectroscopy (TDS) analysis.
  • An oxide having a density of at least 1 cm 3 preferably at least 1.0 10 19 atoms / cm 3 , more preferably at least 2.0 10 19 atoms / cm 3 , or at least 3.0 10 20 atoms / cm 3 It is a membrane.
  • the surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C., or 100 ° C. to 400 ° C.
  • the insulator 222 has a function of suppressing diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atom, oxygen molecule, and the like) (the above oxygen is difficult to transmit). Is preferred.
  • oxygen in the excess oxygen region of the insulator 224 can be efficiently supplied to the oxide 230 without being diffused to the insulator 220 side.
  • the conductor 205 can be inhibited from reacting with oxygen in the excess oxygen region of the insulator 224.
  • the insulator 222 is, for example, a so-called high material such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba, Sr) TiO 3 (BST). It is preferable to use an insulator containing a -k material in a single layer or a stack. As the miniaturization and higher integration of transistors progress, problems such as leakage current may occur due to thinning of the gate insulator. By using a high-k material for the insulator functioning as a gate insulator, it is possible to reduce the gate potential at the time of transistor operation while maintaining the physical thickness.
  • a so-called high material such as aluminum oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, lead zirconate titanate (PZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), or (Ba, Sr) TiO 3 (B
  • an insulator including an oxide of one or both of an impurity and an insulating material having a function of suppressing diffusion of oxygen or the like (the above-described oxygen is difficult to transmit).
  • an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like.
  • the insulator 222 is formed using such a material, the insulator 222 suppresses the release of oxygen from the oxide 230 and the entry of impurities such as hydrogen from the peripheral portion of the transistor 200 to the oxide 230. Act as a layer.
  • aluminum oxide, bismuth oxide, germanium oxide, niobium oxide, silicon oxide, titanium oxide, tungsten oxide, yttrium oxide, or zirconium oxide may be added to these insulators.
  • these insulators may be nitrided.
  • silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride may be stacked over the above insulator.
  • the insulator 220 is preferably thermally stable.
  • silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are thermally stable.
  • the insulator 220 with a stacked structure which is thermally stable and has a high relative dielectric constant can be obtained.
  • the insulator 220, the insulator 222, and the insulator 224 may have a stacked structure of two or more layers.
  • the invention is not limited to the laminated structure made of the same material, but may be a laminated structure made of different materials.
  • the oxide 230 includes an oxide 230a, an oxide 230b over the oxide 230a, and an oxide 230c over the oxide 230b.
  • the oxide 230a under the oxide 230b, diffusion of impurities from the structure formed below the oxide 230a to the oxide 230b can be suppressed.
  • the oxide 230c over the oxide 230b, diffusion of impurities from the structure formed above the oxide 230c to the oxide 230b can be suppressed.
  • the oxide 230 preferably has a stacked-layer structure of oxides having different atomic ratios of metal atoms.
  • the atomic ratio of the element M in the constituent elements is larger than the atomic ratio of the element M in the constituent elements of the metal oxide used for the oxide 230b.
  • the atomic ratio of the element M to In is preferably larger than the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230b.
  • the atomic ratio of In to the element M is preferably larger than the atomic ratio of In to the element M in the metal oxide used for the oxide 230a.
  • the oxide 230c a metal oxide which can be used for the oxide 230a or the oxide 230b can be used.
  • the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 230a and the oxide 230c be higher than the energy at the lower end of the conduction band of the oxide 230b.
  • the electron affinity of the oxide 230a and the oxide 230c is preferably smaller than the electron affinity of the oxide 230b.
  • the energy level at the lower end of the conduction band changes gently.
  • the energy level at the bottom of the conduction band at the junction of the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c can be said to be continuously changed or connected continuously.
  • the density of defect states in the mixed layer formed at the interface between the oxide 230 a and the oxide 230 b and at the interface between the oxide 230 b and the oxide 230 c may be lowered.
  • the oxide layer 230a and the oxide layer 230b or the oxide layer 230b and the oxide layer 230c have a common element other than oxygen (contains as a main component), whereby a mixed layer with a low density of defect states is formed.
  • a mixed layer with a low density of defect states is formed.
  • the oxide 230b is an In-Ga-Zn oxide
  • an In-Ga-Zn oxide, a Ga-Zn oxide, gallium oxide, or the like may be used as the oxide 230a and the oxide 230c.
  • the main route of the carrier is the oxide 230b.
  • the oxide 230 a and the oxide 230 c described above the density of defect states in the interface between the oxide 230 a and the oxide 230 b and the interface between the oxide 230 b and the oxide 230 c can be reduced. Therefore, the influence of interface scattering on carrier conduction is reduced, and the transistor 200 can obtain high on-state current.
  • the electron affinity or energy level Ec at the lower end of the conduction band can be determined from the ionization potential Ip, which is the difference between the vacuum level Evac and the energy Ev at the upper end of the valence band, and the band gap Eg, as shown in FIG. .
  • the ionization potential Ip can be measured, for example, using an ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) device.
  • the energy gap Eg can be measured, for example, using a spectroscopic ellipsometer.
  • the oxide 230 includes a region 231 and a region 234. Note that when the transistor 200 is turned on, the region 231a or the region 231b functions as a source region or a drain region. On the other hand, at least a part of the region 234 functions as a region in which a channel is formed.
  • a region higher in resistance than the region 231 is not formed between the region 231 functioning as a source region and a drain region and the region 234 in which a channel is formed; therefore, the on current and mobility of the transistor are large. can do. Since the source region and the drain region do not overlap with the first gate electrode (conductor 260), formation of unnecessary capacitance can be suppressed.
  • a metal oxide which functions as an oxide semiconductor (hereinafter, also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used.
  • the metal oxide to be the region 234 one having a band gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more is preferably used.
  • the off-state current of the transistor can be reduced.
  • a transistor including an oxide semiconductor has extremely low leakage current in a non-conduction state; thus, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Further, an oxide semiconductor can be formed by a sputtering method or the like and thus can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device.
  • the insulator 250 functions as a gate insulator.
  • the insulator 250 is preferably placed in contact with the top surface of the oxide 230c.
  • the insulator 250 is preferably formed using an insulator from which oxygen is released by heating.
  • the insulator 250 has, for example, a desorption amount of oxygen of 1.0 ⁇ 10 18 molecules / cm 3 or more, preferably 1.0 ⁇ 10 19 molecules / cm 3 or more in terms of molecular oxygen in TDS analysis. More preferably, the oxide film is 2.0 ⁇ 10 19 molecules / cm 3 or more, or 3.0 ⁇ 10 20 molecules / cm 3 or more.
  • the surface temperature of the film at the time of TDS analysis is preferably in the range of 100 ° C. to 700 ° C.
  • silicon oxide having excess oxygen silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, silicon oxide to which carbon is added, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, and vacancies.
  • Silicon oxide can be used.
  • silicon oxide and silicon oxynitride are preferable because they are stable to heat.
  • Oxygen can be effectively supplied from the insulator 250 to the region 234 of the oxide 230 b by providing an insulator from which oxygen is released by heating in contact with the top surface of the oxide 230 c as the insulator 250. . Further, similarly to the insulator 224, the concentration of impurities such as water or hydrogen in the insulator 250 is preferably reduced. The thickness of the insulator 250 is preferably 1 nm or more and 20 nm or less.
  • a metal oxide may be provided over the insulator 250 in order to efficiently supply the oxide 230 with excess oxygen of the insulator 250.
  • the metal oxide preferably suppresses oxygen diffusion from the insulator 250.
  • the diffusion of excess oxygen from the insulator 250 to the conductor 260 is suppressed. That is, the decrease in the amount of excess oxygen supplied to the oxide 230 can be suppressed.
  • the oxidation of the conductor 260 due to excess oxygen can be suppressed.
  • the metal oxide may have a function as part of the gate insulator. Therefore, in the case of using silicon oxide, silicon oxynitride, or the like for the insulator 250, it is preferable to use a metal oxide which is a high-k material having a high relative dielectric constant. With the laminated structure, a laminated structure stable to heat and having a high dielectric constant can be obtained. Therefore, while maintaining the physical film thickness, it is possible to reduce the gate potential applied at the time of transistor operation. In addition, it is possible to reduce the equivalent oxide thickness (EOT) of the insulator that functions as a gate insulator.
  • EOT equivalent oxide thickness
  • the metal oxide may have a function as part of the first gate electrode.
  • an oxide semiconductor that can be used as the oxide 230 can be used as the metal oxide.
  • the electric resistance value of the metal oxide can be reduced to be a conductor. This can be called an OC (Oxide Conductor) electrode.
  • the metal oxide With the metal oxide, the on-state current of the transistor 200 can be improved without weakening the influence of the electric field from the conductor 260.
  • the leakage current between the conductor 260 and the oxide 230 can be reduced. It can be suppressed. Further, by providing the laminated structure of the insulator 250 and the metal oxide, the physical distance between the conductor 260 and the oxide 230 and the electric field strength applied from the conductor 260 to the oxide 230 can be easily obtained. Can be adjusted accordingly.
  • metal oxides containing one or more selected from hafnium, aluminum, gallium, yttrium, zirconium, tungsten, titanium, tantalum, nickel, germanium, or magnesium as a metal oxide A thing can be used.
  • the oxide semiconductor can be used as a metal oxide.
  • hafnium oxide an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like, which is an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium, is preferably used.
  • hafnium aluminate has higher heat resistance than the hafnium oxide film. Therefore, it is preferable because it is hard to crystallize in heat treatment in a later step.
  • a conductor 260 functioning as a first gate electrode includes a conductor 260a and a conductor 260b over the conductor 260a.
  • the conductor 260a is, similarly to the first conductor of the conductor 205, a hydrogen atom, a hydrogen molecule, a water molecule, a nitrogen atom, a nitrogen molecule, a nitrogen oxide molecule (N 2 O, NO, NO 2 etc.), a copper atom
  • a conductive material having a function of suppressing the diffusion of impurities such as Alternatively, it is preferable to use a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen (eg, at least one of oxygen atom, oxygen molecule, and the like).
  • the conductor 260a has a function of suppressing the diffusion of oxygen
  • the conductor 260b can be prevented from being oxidized and the conductivity being lowered by excess oxygen contained in the insulator 250 and the metal oxide.
  • a conductive material having a function of suppressing the diffusion of oxygen for example, tantalum, tantalum nitride, ruthenium, ruthenium oxide or the like is preferably used.
  • the conductor 260 b is preferably formed using a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • a conductor with high conductivity For example, a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component can be used.
  • the conductor 260b may have a stacked structure, for example, a stack of titanium and titanium nitride and the above conductive material.
  • the conductor 260 is In the region, it is preferable to overlap with the conductor 205 through the insulator 250. That is, in the outside of the side surface of the oxide 230, the conductor 205, the insulator 250, and the conductor 260 preferably form a stacked structure.
  • the electric field generated from the conductor 260 and the electric field generated from the conductor 205 are connected to form a channel formed in the oxide 230
  • the area can be electrically surrounded.
  • the channel formation region of the region 234 can be electrically surrounded by the electric field of the conductor 260 having a function as the first gate electrode and the electric field of the conductor 205 having a function as the second gate electrode. .
  • an insulator 280 which functions as an interlayer film is preferably provided to cover the oxide 230 and the insulator 273.
  • the insulator 280 preferably has a reduced concentration of impurities such as water or hydrogen in the film, similarly to the insulator 224 and the like.
  • the insulator 280 preferably has excess oxygen.
  • an insulator 282 similar to the insulator 210 may be provided over the insulator 280. By forming the insulator 282 by sputtering, impurities in the insulator 280 can be reduced.
  • an insulator 283 similar to the insulator 280 may be provided over the insulator 282.
  • the conductor 240 a and the conductor 240 b are provided in openings formed in the insulator 283, the insulator 282, the insulator 280, and the insulator 273.
  • the conductor 240 a and the conductor 240 b are provided opposite to each other with the conductor 260 interposed therebetween. Note that the heights of the top surfaces of the conductor 240 a and the conductor 240 b may be on the same plane as the top surface of the insulator 283.
  • the conductor 240a is in contact with the region 231a which functions as one of the source region and the drain region of the transistor 200
  • the conductor 240b is in contact with the region 231b which functions as the other of the source region and the drain region of the transistor 200.
  • the conductor 240a can function as one of a source electrode and a drain electrode
  • the conductor 240b can function as the other of the source electrode and the drain electrode.
  • a conductor 240 a is formed in contact with the inner wall of the insulator 283, the insulator 282, the insulator 280, and the opening of the insulator 273.
  • the region 231a of the oxide 230 is positioned at least at part of the bottom of the opening, and the conductor 240a is in contact with the region 231a.
  • a conductor 240 b is formed in contact with the inner wall of the insulator 280 and the opening of the insulator 273.
  • the region 231 b of the oxide 230 is positioned at least at part of the bottom of the opening, and the conductor 240 b is in contact with the region 231 b.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A5-A6 in FIG. 1A, and is a cross-sectional view of a region where the conductor 240a in the channel width direction of the transistor 200 is in contact with the oxide 230. It is. Note that the same structure is applied to a region where the conductor 240 b and the oxide 230 are in contact with each other.
  • the conductor 240 a is preferably in contact with at least the top surface of the oxide 230 and further in contact with the side surface of the oxide 230.
  • the conductor 240a is preferably in contact with one or both of the side surface on the A5 side and the side surface on the A6 side on the side surface of the oxide 230 which intersects the channel width direction. That is, a region in which the conductor 240a and the oxide 230 are in contact has a cross-sectional shape like a weir (this can be called a wedge contact).
  • the conductor 240 a may be in contact with the side surface on the A1 side on the side surface of the oxide 230 which intersects the channel length direction.
  • the region where the conductor 240a and the oxide 230 are in contact with each other is not limited to the example illustrated in FIG. 3A.
  • the conductor 240a is the top surface of the oxide 230 and It may have a region in contact with the side surface of the oxide 230 on the A5 side.
  • the conductor 240 a may be in contact with the side surface on the A1 side on the side surface of the oxide 230 which intersects the channel length direction.
  • the conductor 240a may have a region in contact with the side surface of the oxide 230 on the A6 side.
  • the conductor 240 a is preferably made of a conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as a main component.
  • the conductor 240a may have a stacked structure.
  • the layer 230 which is a low-resistance region in the region 231 is removed in the oxide 230.
  • a conductor used for the conductor 240 a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element may be used. That is, when the oxide 230 and the conductor 240 are in contact with each other, a new low-resistance region is formed in the oxide 230. By forming the low-resistance region, the contact resistance between the oxide 230 and the conductor 240 can be reduced.
  • the conductor 240 preferably contains a metal element such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, tungsten, or the like.
  • the conductor in contact with the insulator 283, the insulator 282, the insulator 280, and the insulator 273 may be water or water as in the first conductor of the conductor 205, or the like. It is preferable to use a conductive material having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen.
  • a conductive material having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen.
  • tantalum, tantalum nitride, titanium, titanium nitride, ruthenium or ruthenium oxide is preferably used.
  • a conductive material having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen may be used in a single layer or a stack. By using the conductive material, impurities such as hydrogen and water from above the insulator 283 can be prevented from being mixed into the oxide 230 through the conductor 240 a and the conductor 240 b.
  • a conductor that functions as a wiring may be disposed in contact with the top surface of the conductor 240a and the top surface of the conductor 240b. It is preferable to use a conductive material whose main component is tungsten, copper, or aluminum as the conductor functioning as the wiring.
  • the conductor may have a stacked structure, for example, a stack of titanium and titanium nitride and the above conductive material. Note that as in the case of the conductor 203 or the like, the conductor may be formed so as to be embedded in an opening provided in an insulator.
  • FIG. 4 is a top view and a cross-sectional view of a transistor 200a according to one embodiment of the present invention, and the periphery of the transistor 200a.
  • FIG. 4A is a top view of a semiconductor device including the transistor 200a.
  • 4B and 4C are cross-sectional views of the semiconductor device.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A1-A2 in FIG. 4A, and is also a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 200a.
  • 4C is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A3-A4 in FIG. 4A, and is also a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200a. Note that, in the top view of FIG. 4A, some elements are omitted for the sake of clarity.
  • the semiconductor device of one embodiment of the present invention includes the transistor 200 a, an insulator 210 functioning as an interlayer film, an insulator 212, an insulator 280, an insulator 282, and an insulator 283. Further, a conductor 203 electrically connected to the transistor 200 a and functioning as a wiring and a conductor 240 functioning as a plug are included.
  • the conductor 203 is formed to be embedded in the insulator 212.
  • the height of the top surface of the conductor 203 and the height of the top surface of the insulator 212 can be approximately the same.
  • the conductor 203 is illustrated as a single layer, the present invention is not limited to this.
  • the conductor 203 may have a stacked structure of two or more layers.
  • an ordinal number may be provided and distinguished in order of formation.
  • the conductor 240 is formed in contact with the insulator 273, the insulator 280, and the inner wall of the opening of the insulator 283.
  • the height of the top surface of the conductor 240 and the height of the top surface of the insulator 283 can be approximately the same.
  • the conductor 240 is a single layer, but the present invention is not limited to this.
  • the conductor 240 may have a stacked structure of two or more layers.
  • the height of the top surface of the conductor 260 and the height of the top surface of the insulator 280 substantially coincide with each other.
  • the transistor 200 a includes an insulator 214 and an insulator 216 disposed on a substrate (not shown), and a conductor 205 disposed to be embedded in the insulator 214 and the insulator 216.
  • An insulator 220 disposed on the insulator 216 and the conductor 205, an insulator 222 disposed on the insulator 220, an insulator 224 disposed on the insulator 222, and the insulator
  • the oxide 230 (the oxide 230a, the oxide 230b, and the oxide 230c) disposed on the 224, the insulator 250 disposed on the oxide 230, and the conductor disposed on the insulator 250 260 (conductors 260a and 260b), insulator 270 on conductor 260, top surface of insulator 224, side surface of oxide 230a, side surface of oxide 230b, oxide 230b
  • An insulator 273 disposed in contact with the top surface, the side surface of the oxide 230 c, the side surface of the insulator 250, the side surface of the conductor 260, and the side surface of the insulator 270 And an insulator 275.
  • the insulator 273 has an opening which exposes the insulator 224, and the insulator 280 is in contact with the insulator 224 through the opening.
  • the conductor 260 has a conductor 260a and a conductor 260b, and the conductor 260a is disposed so as to wrap the bottom and the side of the conductor 260b.
  • the top surface of the insulator 270 substantially coincides with the top surface of the insulator 273 and the top surface of the insulator 275.
  • the transistor 200 a is different from the above-described transistor 200 in that the transistor 200 a includes the insulator 270 and the insulator 275.
  • insulator 270 and the insulator 275 for example, aluminum oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or silicon nitride can be used.
  • the openings of the insulator 283, the insulator 282, the insulator 280, and the insulator 273 are formed so that the side surfaces of the insulator 275 are exposed.
  • the etching rate of the insulator 280 is preferably 5 or more, and more preferably 10 or more.
  • the opening can be formed in a self-aligned manner, the margin for alignment between the opening and the gate electrode can be broadened, and the distance between the opening and the gate electrode can be designed to be small. It enables high integration of the device. Further, in the structure of the transistor 200a which is an embodiment of the present invention, for example, even when the opening is shifted to a position overlapping with the top surface of the insulator 270 at the time of opening formation, the conductor 260 and the conductor 240a or the conductor 240b However, it can prevent an electrical short circuit.
  • the etching rate of the insulator 270 may be set to an opening condition which is significantly smaller than the etching rate of the insulator 280. Therefore, as the insulator 270, a material similar to that of the insulator 275 can be used.
  • the conductor 240 a and the conductor 240 b are provided in the openings formed in the insulator 283, the insulator 282, the insulator 280, and the insulator 273.
  • the conductor 240 a and the conductor 240 b are provided opposite to each other with the conductor 260 interposed therebetween. Note that the heights of the top surfaces of the conductor 240 a and the conductor 240 b may be on the same plane as the top surface of the insulator 283.
  • the conductor 240a is in contact with the region 231a functioning as one of the source region and the drain region of the transistor 200a, and the conductor 240b is in contact with the region 231b functioning as the other of the source region and the drain region of the transistor 200a.
  • the conductor 240a can function as one of a source electrode and a drain electrode, and the conductor 240b can function as the other of the source electrode and the drain electrode.
  • a conductor 240 a is formed in contact with the inner wall of the insulator 283, the insulator 282, the insulator 280, and the opening of the insulator 273.
  • the region 231a of the oxide 230 is positioned at least at part of the bottom of the opening, and the conductor 240a is in contact with the region 231a.
  • a conductor 240 b is formed in contact with the insulator 283, the insulator 282, the insulator 280, and the inner wall of the opening of the insulator 273.
  • the region 231 b of the oxide 230 is positioned at least at part of the bottom of the opening, and the conductor 240 b is in contact with the region 231 b.
  • a parasitic capacitance is formed between the conductor 260 and the conductor 240a.
  • parasitic capacitance is formed between the conductor 260 and the conductor 240b. The parasitic capacitance is reduced by increasing the film thickness in the channel length direction of the insulator disposed between the conductor 260 and the conductor 240a (conductor 240b).
  • parasitic capacitance can be reduced by providing the insulator 275 in addition to the insulator 273 in the transistor 200 a.
  • the total value of the film thickness in the channel length direction of the insulator 275 and the film thickness in the channel length direction of the insulator 273 is preferably 10 nm to 50 nm as an equivalent oxide thickness (EOT) converted to a silicon oxide film. Is set to 15 nm or more and 30 nm.
  • EOT equivalent oxide thickness
  • As the insulator 275 for example, aluminum oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, or silicon nitride can be used.
  • the transistor 200a can operate at high speed.
  • the description of the transistor 200 can be referred to for other structures, effects, and the like.
  • an insulator substrate for example, an insulator substrate, a semiconductor substrate, or a conductor substrate may be used.
  • the insulator substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a sapphire substrate, a stabilized zirconia substrate (such as a yttria stabilized zirconia substrate), and a resin substrate.
  • the semiconductor substrate may be, for example, a semiconductor substrate of silicon, germanium or the like, or a compound semiconductor substrate of silicon carbide, silicon germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc oxide or gallium oxide.
  • the conductive substrate there is a semiconductor substrate having an insulator region inside the aforementioned semiconductor substrate, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • the conductive substrate there are a graphite substrate, a metal substrate, an alloy substrate, a conductive resin substrate and the like.
  • a substrate provided with a conductor or a semiconductor on an insulator substrate a substrate provided with a conductor or an insulator on a semiconductor substrate, a substrate provided with a semiconductor or an insulator on the conductor substrate, and the like.
  • those provided with elements on these substrates may be used.
  • the elements provided on the substrate include a capacitor, a resistor, a switch, a light-emitting element, a memory element, and the like.
  • a flexible substrate may be used as the substrate.
  • a method for providing a transistor on a flexible substrate there is a method in which the transistor is peeled off after being manufactured on a non-flexible substrate and transposed to a substrate which is a flexible substrate.
  • a release layer may be provided between the non-flexible substrate and the transistor.
  • the substrate may have stretchability.
  • the substrate may have the property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. Alternatively, the substrate may have the property of not returning to its original shape.
  • the substrate has, for example, a region having a thickness of 5 ⁇ m to 700 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, and more preferably 15 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the substrate When the substrate is thinned, the weight of the semiconductor device including the transistor can be reduced.
  • the substrate when the substrate is made thin, it may have elasticity even when using glass or the like, or may return to its original shape when bending or pulling is stopped. Therefore, an impact or the like applied to the semiconductor device on the substrate due to a drop or the like can be alleviated. That is, a robust semiconductor device can be provided.
  • a substrate which is a flexible substrate for example, a metal, an alloy, a resin or glass, or a fiber thereof can be used.
  • a sheet, a film, a foil or the like in which fibers are woven may be used.
  • a substrate which is a flexible substrate has a low coefficient of linear expansion, deformation due to the environment is preferably suppressed.
  • a substrate which is a flexible substrate for example, a material having a linear expansion coefficient of 1 ⁇ 10 ⁇ 3 / K or less, 5 ⁇ 10 ⁇ 5 / K or less, or 1 ⁇ 10 ⁇ 5 / K or less may be used.
  • the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate, and acrylic.
  • aramid is suitable as a flexible substrate because it has a low coefficient of linear expansion.
  • the insulator includes, for example, an insulating oxide, a nitride, an oxynitride, a nitride oxide, a metal oxide, a metal oxynitride, a metal nitride oxide, and the like.
  • the thinning of the gate insulator may cause problems such as leakage current.
  • a high-k material for the insulator that functions as a gate insulator voltage reduction during transistor operation can be achieved while maintaining the physical thickness.
  • a material having a low relative dielectric constant for an insulator functioning as an interlayer film parasitic capacitance generated between wirings can be reduced. Therefore, depending on the function of the insulator, the material may be selected.
  • oxides of gallium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, aluminum and hafnium, oxynitrides of aluminum and hafnium, oxides of silicon and hafnium, silicon and hafnium can be used.
  • oxides of silicon and hafnium, silicon and hafnium can be used.
  • silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable. Therefore, for example, by combining with a resin, it is possible to obtain a laminated structure having a low thermal conductivity and a low dielectric constant.
  • the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate or acrylic.
  • silicon oxide and silicon oxynitride can be combined with an insulator with high relative permittivity to form a stacked structure with high thermal stability and high relative permittivity.
  • the transistor including an oxide semiconductor electrical characteristics of the transistor can be stabilized by being surrounded by an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen.
  • an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen for example, boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, zirconium
  • An insulator containing lanthanum, neodymium, hafnium or tantalum may be used in a single layer or a stack.
  • a metal oxide such as tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like can be used.
  • aluminum oxide has high barrier properties and can suppress the diffusion of hydrogen and nitrogen even if it is a thin film of 0.5 nm or more and 3.0 nm or less.
  • hafnium oxide has lower barrier properties than aluminum oxide, the barrier properties can be enhanced by increasing the film thickness. Therefore, by adjusting the film thickness of hafnium oxide, it is possible to adjust the appropriate addition amount of hydrogen and nitrogen.
  • insulator 224 and insulator 250 which function as part of a gate insulator, are preferably insulators having excess oxygen regions.
  • insulator 224 and insulator 250 which function as part of a gate insulator, are preferably insulators having excess oxygen regions.
  • oxygen vacancies in the oxide 230 can be compensated.
  • an insulator containing one or more oxides of aluminum, hafnium, and gallium can be used as the insulator 222 which functions as part of a gate insulator.
  • aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used as the insulator containing one or both of the oxides of aluminum and hafnium.
  • the insulator 220 silicon oxide or silicon oxynitride which is stable against heat is preferably used.
  • the gate insulator has a laminated structure of a film stable to heat and a film having a high relative dielectric constant, so that the thin film of the equivalent oxide thickness (EOT) of the gate insulator is maintained while maintaining the physical film thickness.
  • EOT equivalent oxide thickness
  • the on current can be improved without weakening the influence of the electric field from the gate electrode. Further, by keeping the distance between the gate electrode and the region where the channel is formed by the physical thickness of the gate insulator, the leakage current between the gate electrode and the channel formation region can be suppressed. .
  • Each of the insulator 212, the insulator 216, the insulator 270, the insulator 275, the insulator 280, and the insulator 283 preferably includes an insulator with a low relative dielectric constant.
  • the insulator 212, the insulator 216, the insulator 270, the insulator 275, the insulator 280, and the insulator 283 may be silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, or carbon. It is preferable to have added silicon oxide, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, silicon oxide having pores, or a resin.
  • the insulator 212, the insulator 216, the insulator 270, the insulator 275, the insulator 280, and the insulator 283 may be silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide to which fluorine is added, or carbon. It is preferable to have a laminated structure of added silicon oxide, silicon oxide to which carbon and nitrogen are added, or silicon oxide having holes and a resin. Silicon oxide and silicon oxynitride are thermally stable, and thus, when combined with a resin, a stacked structure with a thermally stable and low dielectric constant can be obtained. Examples of the resin include polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate or acrylic.
  • an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen can be used.
  • an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen can be used.
  • an insulator having a function of suppressing transmission of impurities such as hydrogen and oxygen can be used.
  • the insulator 210, the insulator 214, the insulator 222, the insulator 273, and the insulator 282 for example, aluminum oxide, hafnium oxide, magnesium oxide, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide
  • a metal oxide such as tantalum oxide, silicon nitride oxide, silicon nitride, or the like may be used.
  • the conductor is a metal selected from aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium, zirconium, beryllium, indium, ruthenium and the like
  • a material containing one or more elements can be used.
  • a semiconductor with high electrical conductivity typically a polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide may be used.
  • a plurality of conductive layers formed of the above materials may be stacked.
  • a stacked structure in which a material containing a metal element described above and a conductive material containing oxygen are combined may be used.
  • a stacked structure in which the material containing the metal element described above and the conductive material containing nitrogen are combined may be used.
  • a stacked structure in which the above-described material containing a metal element, the conductive material containing oxygen, and the conductive material containing nitrogen are combined may be used.
  • a stacked structure in which a material containing the above-described metal element and a conductive material containing oxygen are combined is used for a conductor functioning as a gate electrode.
  • a conductive material containing oxygen may be provided on the channel formation region side.
  • a conductor functioning as a gate electrode a conductive material containing oxygen and a metal element contained in a metal oxide in which a channel is formed is preferably used.
  • a conductive material containing the above-described metal element and nitrogen may be used.
  • a conductive material containing nitrogen such as titanium nitride or tantalum nitride may be used.
  • indium tin oxide, indium oxide containing tungsten oxide, indium zinc oxide containing tungsten oxide, indium oxide containing titanium oxide, indium tin oxide containing titanium oxide, indium zinc oxide, silicon were added.
  • Indium tin oxide may be used.
  • indium gallium zinc oxide containing nitrogen may be used.
  • the conductor 260, the conductor 203, the conductor 205, and the conductor 240 aluminum, chromium, copper, silver, gold, platinum, tantalum, nickel, titanium, molybdenum, tungsten, hafnium, vanadium, niobium, manganese, magnesium
  • a material containing one or more metal elements selected from zirconium, beryllium, indium, ruthenium and the like can be used.
  • a semiconductor with high electrical conductivity typically a polycrystalline silicon containing an impurity element such as phosphorus, or a silicide such as nickel silicide may be used.
  • a metal oxide which functions as an oxide semiconductor (hereinafter, also referred to as an oxide semiconductor) is preferably used.
  • an oxide semiconductor metal oxide which functions as an oxide semiconductor
  • metal oxides applicable to the oxide 230 according to the present invention will be described.
  • the metal oxide preferably contains at least indium or zinc. In particular, it is preferable to contain indium and zinc. In addition to them, aluminum, gallium, yttrium or tin is preferably contained. In addition, one or more selected from boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, or magnesium may be included.
  • the metal oxide is an In-M-Zn oxide having indium, an element M and zinc.
  • the element M is, for example, aluminum, gallium, yttrium or tin.
  • Other elements applicable to the element M include boron, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium and the like.
  • the element M a plurality of the aforementioned elements may be combined in some cases.
  • metal oxides having nitrogen may also be collectively referred to as metal oxides.
  • a metal oxide having nitrogen may be referred to as metal oxynitride.
  • CAC Cloud-Aligned Composite
  • CAAC c-axis aligned crystal
  • CAC Cloud-Aligned Composite
  • the CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive function in part of the material and an insulating function in part of the material, and functions as a semiconductor throughout the material.
  • the conductive function is a function of allowing electrons (or holes) to be carriers
  • the insulating function is a carrier. It is a function that does not flow electrons.
  • a function of switching can be imparted to the CAC-OS or the CAC-metal oxide by causing the conductive function and the insulating function to be complementary to each other.
  • CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive region and an insulating region.
  • the conductive region has the above-mentioned conductive function
  • the insulating region has the above-mentioned insulating function.
  • the conductive region and the insulating region may be separated at the nanoparticle level.
  • the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material.
  • the conductive region may be observed as connected in a cloud shape with a blurred periphery.
  • the conductive region and the insulating region are each dispersed in the material with a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less There is.
  • CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different band gaps.
  • CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of a component having a wide gap resulting from the insulating region and a component having a narrow gap resulting from the conductive region.
  • the carrier when the carrier flows, the carrier mainly flows in the component having the narrow gap.
  • the component having the narrow gap acts complementarily to the component having the wide gap, and the carrier also flows to the component having the wide gap in conjunction with the component having the narrow gap. Therefore, when the above-described CAC-OS or CAC-metal oxide is used for a channel formation region of a transistor, high current driving force, that is, high on current, and high field effect mobility can be obtained in the on state of the transistor.
  • CAC-OS or CAC-metal oxide can also be called a matrix composite (matrix composite) or a metal matrix composite (metal matrix composite).
  • Oxide semiconductors can be divided into single crystal oxide semiconductors and other non-single crystal oxide semiconductors.
  • non-single crystal oxide semiconductor for example, c-axis aligned crystalline oxide semiconductor (CAAC-OS), polycrystalline oxide semiconductor, nanocrystalline oxide semiconductor (nc-OS), pseudo amorphous oxide semiconductor (a-like) OS: amorphous-like oxide semiconductor) and amorphous oxide semiconductor.
  • the CAAC-OS has c-axis orientation, and a plurality of nanocrystals are connected in the a-b plane direction to form a strained crystal structure.
  • distortion refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between the region in which the lattice arrangement is aligned and the region in which another lattice arrangement is aligned in the region where the plurality of nanocrystals are connected.
  • the nanocrystals are based on hexagons, but may not be regular hexagons and may be non-hexagonal. Moreover, distortion may have a lattice arrangement such as pentagon and heptagon.
  • the CAAC-OS it is difficult to confirm clear crystal grain boundaries (also referred to as grain boundaries) even in the vicinity of strain. That is, it is understood that the formation of crystal grain boundaries is suppressed by the distortion of the lattice arrangement. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the a-b plane direction, or that the bonding distance between atoms is changed due to metal element substitution. It is for.
  • a CAAC-OS is a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as In layer) and a layer containing element M, zinc and oxygen (hereinafter referred to as (M, Zn) layer) are stacked. It tends to have a structure (also referred to as a layered structure).
  • In layer a layer containing indium and oxygen
  • M, Zn zinc and oxygen
  • indium and the element M can be substituted with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is replaced with indium, it can also be expressed as a (In, M, Zn) layer.
  • indium in the In layer is substituted with the element M, it can also be represented as an (In, M) layer.
  • CAAC-OS is a highly crystalline metal oxide. On the other hand, it is difficult to confirm clear crystal grain boundaries in CAAC-OS, so it can be said that the decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries does not easily occur. In addition, since the crystallinity of a metal oxide may decrease due to the mixing of impurities or generation of defects, the CAAC-OS is a metal oxide with few impurities or defects (also referred to as oxygen vacancies (Vo)). It can be said that. Therefore, the metal oxide having a CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, a metal oxide having a CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.
  • the nc-OS has periodicity in atomic arrangement in a minute region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm).
  • nc-OS has no regularity in crystal orientation among different nanocrystals. Therefore, no orientation can be seen in the entire film. Therefore, the nc-OS may not be distinguished from the a-like OS or the amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.
  • indium-gallium-zinc oxide which is a kind of metal oxide having indium, gallium and zinc
  • IGZO indium-gallium-zinc oxide
  • crystals eg, the above-mentioned nanocrystals
  • large crystals here, several mm or several cm. May become stable.
  • the a-like OS is a metal oxide having a structure between nc-OS and an amorphous oxide semiconductor.
  • the a-like OS has a wrinkle or low density region. That is, a-like OS has lower crystallinity than nc-OS and CAAC-OS.
  • Oxide semiconductors have various structures, and each has different characteristics.
  • the oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may have two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS.
  • a metal oxide with low carrier density is preferably used for the transistor.
  • the impurity concentration in the metal oxide film may be lowered to lower the density of defect states.
  • a low impurity concentration and a low density of defect levels are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic.
  • the metal oxide has a carrier density of less than 8 ⁇ 10 11 / cm 3 , preferably less than 1 ⁇ 10 11 / cm 3 , more preferably less than 1 ⁇ 10 10 / cm 3 , and 1 ⁇ 10 ⁇ 9 / cm 3. It should be cm 3 or more.
  • the trap state density may also be low.
  • the charge trapped in the trap level of the metal oxide may take a long time to disappear and behave as if it were fixed charge. Therefore, a transistor including a metal oxide with a high trap state density in a channel formation region may have unstable electrical characteristics.
  • the impurities include hydrogen, nitrogen, alkali metals, alkaline earth metals, iron, nickel, silicon and the like.
  • a thin film with high crystallinity is preferably used as the metal oxide used for the semiconductor of the transistor.
  • the stability or the reliability of the transistor can be improved.
  • the thin film include thin films of single crystal metal oxides or thin films of polycrystalline metal oxides.
  • a high temperature or laser heating step is required to form a thin film of monocrystalline metal oxide or a thin film of polycrystalline metal oxide on a substrate. Therefore, the cost of the manufacturing process increases, and the throughput also decreases.
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 In-Ga-Zn oxide having a CAAC structure (referred to as CAAC-IGZO) was discovered in 2009.
  • CAAC-IGZO has c-axis orientation, can not be clearly identified in grain boundaries, and can be formed on a substrate at a low temperature.
  • a transistor using CAAC-IGZO is reported to have excellent electrical characteristics and reliability.
  • nc-IGZO In-Ga-Zn oxide having an nc structure was discovered (see Non-Patent Document 3).
  • nc-IGZO has periodicity in atomic arrangement in a minute area (for example, an area of 1 nm or more and 3 nm or less) and regularity in crystal orientation is not observed between different areas. There is.
  • Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5 show the transition of the average crystal size by the irradiation of an electron beam to the thin films of the above-described CAAC-IGZO, nc-IGZO, and IGZO with low crystallinity.
  • a low crystalline IGZO thin film crystalline IGZO of about 1 nm has been observed even before electron beam irradiation. Therefore, it is reported here that in IGZO, the presence of a completely amorphous structure could not be confirmed.
  • the thin film of CAAC-IGZO and the thin film of nc-IGZO have high stability to electron beam irradiation as compared with the thin film of IGZO having low crystallinity. Therefore, it is preferable to use a thin film of CAAC-IGZO or a thin film of nc-IGZO as a semiconductor of the transistor.
  • a transistor using a metal oxide has extremely low leakage current in the non-conductive state, specifically, the off-state current per ⁇ m channel width of the transistor is on the order of yA / ⁇ m (10 -24 A / ⁇ m).
  • Non-Patent Document 6 For example, a low power consumption CPU using a characteristic that a leak current of a transistor using a metal oxide is low is disclosed (see Non-Patent Document 7).
  • Non-Patent Document 8 application to a display device of a transistor using a characteristic that the leakage current of a transistor using a metal oxide is low has been reported (see Non-Patent Document 8).
  • the displayed image is switched several tens of times per second.
  • the number of times of switching images per second is called a refresh rate.
  • the refresh rate may be referred to as a drive frequency.
  • Such fast screen switching which is difficult for human eyes to perceive, is considered as the cause of eye fatigue. Therefore, it has been proposed to reduce the number of image rewrites by reducing the refresh rate of the display device.
  • power consumption of the display device can be reduced by driving with a lower refresh rate.
  • Such a driving method is called idling stop (IDS) driving.
  • IDS idling stop
  • the discovery of the CAAC structure and the nc structure contributes to the improvement of the electrical characteristics and reliability of a transistor using a metal oxide having a CAAC structure or an nc structure, as well as to the cost reduction and the throughput improvement of the manufacturing process.
  • researches on application of the transistor to a display device and an LSI using the characteristic that the leakage current of the transistor is low have been advanced.
  • the concentration of silicon or carbon in the metal oxide and the concentration of silicon or carbon in the vicinity of the interface with the metal oxide are 2 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • the metal oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal
  • a defect level may be formed to generate a carrier. Therefore, a transistor in which a metal oxide containing an alkali metal or an alkaline earth metal is used for a channel formation region is likely to be normally on. For this reason, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide.
  • the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in the metal oxide obtained by SIMS is 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 16 atoms / cm 3 or less.
  • the nitrogen in the channel formation region is preferably reduced as much as possible.
  • the nitrogen concentration in the metal oxide is less than 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, in SIMS. Preferably, it is 5 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • hydrogen contained in the metal oxide reacts with oxygen bonded to a metal atom to form water, which may form an oxygen vacancy.
  • oxygen vacancies When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons which are carriers may be generated.
  • a part of hydrogen may be bonded to oxygen which is bonded to a metal atom to generate an electron which is a carrier. Therefore, a transistor using a metal oxide containing hydrogen is likely to be normally on.
  • hydrogen contained in the metal oxide may form a shallow defect level (sDOS) in the metal oxide.
  • the shallow defect level refers to an interface level located near the lower end of the conduction band.
  • Shallow defect states are presumed to exist near the boundary between the high density region and the low density region in the metal oxide.
  • the high density region and the low density region in the metal oxide are distinguished by the amount of hydrogen contained in the region. That is, the high density region is a region containing more hydrogen as compared to the low density region. In the vicinity of the boundary between the high density region and the low density region in the metal oxide, stress and strain between the two regions tend to cause micro cracks, and oxygen vacancy and indium dangling bonds are generated in the vicinity of the cracks. It is presumed that shallow defect levels are formed due to the localization of impurities such as hydrogen or water.
  • the high density region in the metal oxide may be higher in crystallinity than the low density region.
  • the high density region in the metal oxide may have a higher film density than the low density region.
  • the metal oxide contains indium, gallium and zinc
  • the high density region contains indium, gallium and zinc
  • the low density region contains indium, zinc and , May have.
  • the low density region may have a lower percentage of gallium than the high density region.
  • the shallow defect level is presumed to be due to oxygen deficiency. It is estimated that as the oxygen deficiency in the metal oxide increases, the deep defect state density (dDOS) also increases with the shallow defect state density. This is because deep defect levels are also considered to be oxygen deficiency.
  • the deep defect level refers to a defect level located near the center of the band gap.
  • the shallow defect levels may be controlled to some extent by adjusting the temperature at the time of film formation of the metal oxide. Specifically, the shallow defect state density can be reduced by setting the temperature at the time of film formation of the metal oxide to 170 ° C. or near, preferably 130 ° C. or near, more preferably room temperature. .
  • shallow defect states of metal oxide affect the electrical characteristics of a transistor using the metal oxide as a semiconductor. That is, due to the shallow defect states, in the drain current-gate voltage (Id-Vg) characteristics of the transistor, the change of the drain current Id relative to the gate voltage Vg becomes gentle, and the rise characteristic from off to on of the transistor is improved.
  • the S value (Subthreshold Swing, also referred to as SS), which is one of the criteria for This is considered to be because electrons were trapped in shallow defect levels.
  • the hydrogen concentration obtained by SIMS is less than 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , preferably less than 1 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 , more preferably 5 ⁇ 10 18 atoms / cm. It is less than 3 and more preferably less than 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
  • oxygen vacancies are an example of defects leading to defects in the electrical characteristics of the transistor.
  • the threshold voltage is likely to change in the negative direction, and the on-state characteristic is likely to be obtained. This is because a donor is generated due to oxygen deficiency contained in the metal oxide, and the carrier concentration is increased.
  • various problems occur such as an operation failure is likely to occur during operation, or power consumption during non-operation is increased.
  • a weak Zn-O bond is a bond between a zinc atom and an oxygen atom bonded with such a strength that it is broken by high temperature treatment performed in the process of production or electrical stress given in a stress test. It is the resulting bond.
  • thermal history or current stress breaks the bond and forms an oxygen vacancy. The formation of oxygen vacancies reduces the stability of the transistor, such as resistance to thermal history and resistance to electrical stress.
  • the bond generated between the zinc atom and the oxygen atom which is bonded to a large number of zinc atoms may be a weak Zn-O bond.
  • Zinc atoms have a weaker bond to oxygen atoms than gallium atoms. Therefore, oxygen atoms, which are bound to a large number of zinc atoms, are easily lost. That is, the bond generated between the zinc atom and the oxygen atom is presumed to be weaker than the bonds with other metals.
  • impurities in the metal oxide when impurities are present in the metal oxide, it is presumed that a weak Zn-O bond is likely to be formed.
  • impurities in the metal oxide include water molecules and hydrogen. The presence of water molecules or hydrogen in the metal oxide may cause a hydrogen atom to bond to an oxygen atom constituting the metal oxide (also referred to as an OH bond).
  • an oxygen atom bonded to a hydrogen atom When the In—Ga—Zn oxide is a single crystal, oxygen atoms constituting the metal oxide are bonded to four metal atoms constituting the metal oxide.
  • an oxygen atom bonded to a hydrogen atom may be bonded to two or three metal atoms. The reduction in the number of metal atoms bonded to the oxygen atom makes the oxygen atom more likely to be deficient.
  • a zinc atom is bonded to an oxygen atom forming an OH bond, the bond between the oxygen atom and the zinc atom is presumed to be weak.
  • weak Zn-O bonds may be formed in a strain existing in a region where a plurality of nanocrystals are connected.
  • the nanocrystals are based on hexagons, but at the strain they have lattice arrangements such as pentagons and heptagones. In this strain, it is presumed that weak Zn—O bonds are formed because the bonding distance between atoms is not uniform.
  • the formation of oxygen vacancies due to thermal history or electrical stress can be suppressed, and the stability of the transistor can be improved.
  • the oxygen atom that constitutes the weak Zn-O bond is reduced and the zinc atom that constitutes the weak Zn-O bond does not decrease, when the oxygen atom is supplied near the zinc atom, the weak Zn-O bond re-grows May be formed. Therefore, it is preferable to reduce zinc atoms and oxygen atoms that constitute weak Zn-O bonds.
  • Vacuum baking is heat treatment performed in a vacuum atmosphere.
  • the vacuum atmosphere is maintained by exhausting with a turbo molecular pump or the like.
  • the pressure in the treatment chamber may be 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less, preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa or less.
  • the temperature of the substrate at the time of heat treatment may be 300 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher.
  • oxygen atoms and zinc atoms that constitute weak Zn—O bonds can be reduced.
  • heat is applied to the metal oxide by vacuum baking, the number of oxygen atoms and zinc atoms constituting the weak Zn-O bond is reduced, and then the atoms constituting the metal oxide are rearranged to obtain four metals. More oxygen atoms are attached to atoms. Therefore, while reducing the oxygen atom and zinc atom which comprise a weak Zn-O bond, it can suppress that a weak Zn-O bond is reformed.
  • the stability of the transistor can be improved by the process.
  • the degree of freedom in selection of materials and formation methods is increased.
  • FIG. 6 to FIG. 20 shows a top view.
  • (B) in each drawing is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by an alternate long and short dash line A1-A2 illustrated in (A), and is also a cross-sectional view in the channel length direction of the transistor 200.
  • (C) in each drawing is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by dashed dotted line A3-A4 in (A), and is also a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200.
  • one part element is abbreviate
  • a substrate (not shown) is prepared, and an insulator 210 is formed on the substrate.
  • the film formation of the insulator 210 may be performed by sputtering, chemical vapor deposition (CVD), molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), or ALD. This can be performed using an atomic layer deposition (Atomic Layer Deposition) method or the like.
  • the CVD method can be classified into a plasma enhanced CVD (PECVD) method using plasma, a thermal CVD (TCVD: thermal CVD) method using heat, a photo CVD method using light, etc. . Furthermore, it can be divided into metal CVD (MCVD: Metal CVD) and metal organic CVD (MOCVD: Metal Organic CVD) depending on the source gas used.
  • PECVD plasma enhanced CVD
  • TCVD thermal CVD
  • MCVD Metal CVD
  • MOCVD Metal Organic CVD
  • the plasma CVD method provides high quality films at relatively low temperatures.
  • the thermal CVD method is a film formation method capable of reducing plasma damage to an object to be processed because plasma is not used.
  • a wiring, an electrode, an element (such as a transistor or a capacitor), or the like included in a semiconductor device may be charged up by receiving charge from plasma. At this time, wirings, electrodes, elements, and the like included in the semiconductor device may be broken by the stored charge.
  • a thermal CVD method which does not use plasma, such plasma damage does not occur, so that the yield of the semiconductor device can be increased.
  • the thermal CVD method since plasma damage does not occur during film formation, a film with few defects can be obtained.
  • the ALD method is also a film formation method capable of reducing plasma damage to an object to be processed. Further, in the ALD method, since plasma damage does not occur during film formation, a film with few defects can be obtained. Some precursors used in the ALD method include impurities such as carbon. For this reason, the film provided by the ALD method may contain a large amount of impurities such as carbon, as compared with a film provided by another film formation method. In addition, quantification of impurities can be performed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
  • XPS X-ray photoelectron spectroscopy
  • the CVD method and the ALD method are film forming methods in which a film is formed by a reaction on the surface of an object to be processed unlike a film forming method in which particles released from a target or the like are deposited. Therefore, the film forming method is less susceptible to the shape of the object to be processed, and has good step coverage.
  • the ALD method since the ALD method has excellent step coverage and uniformity of thickness, it is suitable for coating the surface of an opening with a high aspect ratio.
  • the ALD method may be preferably used in combination with another deposition method such as a CVD method having a high deposition rate.
  • the CVD method and the ALD method can control the composition of the obtained film by the flow rate ratio of the source gas.
  • a film having any composition can be formed depending on the flow rate ratio of the source gas.
  • a film whose composition is continuously changed can be formed by changing the flow ratio of the source gas while forming the film.
  • aluminum oxide is deposited as the insulator 210 by a sputtering method.
  • the insulator 210 may have a multilayer structure.
  • an aluminum oxide film may be formed by a sputtering method, and an aluminum oxide film may be formed by an ALD method over the aluminum oxide.
  • an aluminum oxide film may be formed by an ALD method, and an aluminum oxide film may be formed by a sputtering method over the aluminum oxide.
  • a conductive film to be the conductor 203 is formed over the insulator 210.
  • the conductive film to be the conductor 203 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the conductive film to be the conductor 203 can be a multilayer film. In this embodiment mode, tungsten is formed as a conductive film to be the conductor 203.
  • a conductive film to be the conductor 203 is processed using a lithography method to form the conductor 203.
  • the resist is exposed through a mask.
  • the exposed area is removed or left using a developer to form a resist mask.
  • the conductor, the semiconductor, the insulator, or the like can be processed into a desired shape by etching through the resist mask.
  • the resist mask may be formed by exposing the resist using KrF excimer laser light, ArF excimer laser light, EUV (Extreme Ultraviolet) light, or the like.
  • a liquid immersion technique may be used in which a liquid (for example, water) is filled and exposed between the substrate and the projection lens.
  • an electron beam or an ion beam may be used instead of the light described above.
  • the mask is unnecessary. Note that for the removal of the resist mask, dry etching such as ashing can be performed, wet etching can be performed, wet etching can be performed after the dry etching, or dry etching can be performed after the wet etching.
  • a hard mask made of an insulator or a conductor may be used instead of the resist mask.
  • an insulating film or a conductive film serving as a hard mask material is formed over the conductive film to be the conductor 203, a resist mask is formed over the conductive film, and the hard mask material is etched.
  • a hard mask can be formed. The etching of the conductive film to be the conductor 203 may be performed after removing the resist mask, or may be performed with the resist mask left. In the latter case, the resist mask may disappear during etching. The hard mask may be removed by etching after the conductive film to be the conductor 203 is etched. On the other hand, when the material of the hard mask does not affect the post-process or can be used in the post-process, it is not necessary to remove the hard mask.
  • a capacitively coupled plasma (CCP) etching apparatus having a parallel plate electrode can be used as a dry etching apparatus.
  • the capacitive coupling type plasma etching apparatus having a parallel plate type electrode may be configured to apply a high frequency power to one of the parallel plate type electrodes.
  • a plurality of different high frequency power supplies may be applied to one of the parallel plate electrodes.
  • a high frequency power supply of the same frequency may be applied to each of the parallel plate electrodes.
  • high-frequency power supplies having different frequencies may be applied to the parallel plate electrodes.
  • a dry etching apparatus having a high density plasma source can be used.
  • an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus can be used as a dry etching apparatus having a high density plasma source.
  • an insulating film to be the insulator 212 is formed over the insulator 210 and the conductor 203.
  • the insulator to be the insulator 212 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • silicon oxide is deposited by a CVD method as an insulating film to be the insulator 212.
  • the thickness of the insulating film to be the insulator 212 is preferably equal to or larger than the thickness of the conductor 203.
  • the thickness of the conductor 203 is 1, the thickness of the insulating film to be the insulator 212 is 1 or more and 3 or less.
  • the film thickness of the conductor 203 is 150 nm, and the film thickness of the insulating film to be the insulator 212 is 350 nm.
  • a CMP (chemical mechanical polishing) process is performed on the insulating film to be the insulator 212, so that part of the insulating film to be the insulator 212 is removed and the surface of the conductor 203 is exposed.
  • the conductor 203 and the insulator 212 whose top surface is flat can be formed (see FIG. 6).
  • the insulator 212 is formed over the insulator 210.
  • the insulator 212 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an opening reaching the insulator 210 is formed in the insulator 212.
  • the openings include, for example, grooves and slits.
  • the region in which the opening is formed may be referred to as an opening.
  • the formation of the opening may use wet etching, it is preferable to use dry etching for fine processing.
  • the insulator 210 it is preferable to select an insulator that functions as an etching stopper film at the time of forming the groove by etching the insulator 212.
  • a silicon oxide film is used as the insulator 212 which forms a groove
  • a silicon nitride film, an aluminum oxide film, or a hafnium oxide film may be used as the insulator 210.
  • the conductive film preferably includes a conductor having a function of suppressing permeation of oxygen.
  • a conductor having a function of suppressing permeation of oxygen For example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride or the like can be used. Alternatively, a stacked film of tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper, and a molybdenum-tungsten alloy can be used.
  • the conductive film to be the conductor 203 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a conductive film to be the conductor 203 has a multilayer structure.
  • tantalum nitride is deposited by sputtering.
  • a film in which titanium nitride is stacked over the tantalum nitride is formed.
  • a conductive film over the conductive film to be the conductor 203 is formed.
  • the conductive film can be formed by a plating method, a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a low-resistance conductive material such as copper is formed as a conductive film over the conductive film to be the conductor 203.
  • CMP treatment is performed to remove part of the upper layer of the conductive film to be the conductor 203 and the lower layer of the conductive film to be the conductor 203, thereby exposing the insulator 212.
  • the conductive film to be the conductor 203 remains only in the opening.
  • the conductor 203 whose top surface is flat can be formed.
  • part of the insulator 212 may be removed by the CMP treatment. The above is the different method of forming the conductor 203.
  • the insulator 214 is formed over the insulator 212 and the conductor 203.
  • the insulator 214 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • silicon nitride is formed as the insulator 214 by a CVD method. In this manner, by using an insulator that is less likely to transmit copper such as silicon nitride as the insulator 214, even if a metal that easily diffuses copper such as copper is used for the second conductor of the conductor 203, the metal is insulated. Diffusion to layers above the body 214 can be suppressed.
  • the insulator 216 is formed over the insulator 214.
  • the insulator 216 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • silicon oxide is deposited as the insulator 216 by a CVD method.
  • an opening which reaches the conductor 203 is formed in the insulator 214 and the insulator 216.
  • wet etching may be used to form the openings, dry etching is preferred for fine processing.
  • a conductive film to be the conductor 205a is formed.
  • the conductive film to be the conductor 205a preferably contains a conductive material having a function of suppressing permeation of oxygen.
  • a conductive material having a function of suppressing permeation of oxygen for example, tantalum nitride, tungsten nitride, titanium nitride, or the like can be used.
  • a stacked film of tantalum, tungsten, titanium, molybdenum, aluminum, copper, and a molybdenum-tungsten alloy can be used.
  • the conductive film to be the conductor 205a can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • tantalum nitride is formed by a sputtering method as a conductive film to be the conductor 205a.
  • a conductive film to be the conductor 205b is formed over the conductive film to be the conductor 205a.
  • the conductive film can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • titanium nitride is formed by a CVD method as a conductive film to be the conductor 205b, and tungsten is formed over the titanium nitride film by a CVD method.
  • CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the conductor 205 a and the conductive film to be the conductor 205 b, thereby exposing the insulator 216.
  • the conductive film to be the conductor 205a and the conductive film to be the conductor 205b remain only in the opening.
  • the conductor 205 including the conductor 205a and the conductor 205b with a flat top surface can be formed (see FIG. 6). Note that part of the insulator 216 may be removed by the CMP treatment.
  • the insulator 220 is formed over the insulator 216 and the conductor 205.
  • the insulator 220 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • silicon oxide is deposited as the insulator 220 by a CVD method.
  • the insulator 222 is formed over the insulator 220.
  • an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium may be deposited.
  • aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like is preferably used as the insulator containing one or both of the oxides of aluminum and hafnium.
  • An insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium has barrier properties against oxygen, hydrogen, and water.
  • the insulator 222 has a barrier property to hydrogen and water, diffusion of hydrogen and water contained in a structure provided in the periphery of the transistor 200 to the inside of the transistor 200 through the insulator 222 is suppressed. , And the formation of oxygen vacancies in the oxide 230 can be suppressed.
  • the insulator 222 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the insulating film 224A is formed over the insulator 222.
  • the insulating film 224A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like (see FIG. 6).
  • silicon oxide is formed as the insulating film 224A by a CVD method.
  • heat treatment is preferably performed.
  • the heat treatment may be performed at 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., more preferably 320 ° C. to 450 ° C.
  • the heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere or an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas. Further, the heat treatment may be performed under reduced pressure.
  • the heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas in order to compensate for desorbed oxygen. Good.
  • heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at a temperature of 400 ° C. for one hour after the formation of the insulating film 224A.
  • impurities such as hydrogen and water contained in the insulating film 224A can be removed and the like.
  • the heat treatment can also be performed at each timing after the insulator 220 is formed and after the insulator 222 is formed.
  • the heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment, it is preferable that the heat treatment after the deposition of the insulator 220 be performed in an atmosphere containing nitrogen.
  • plasma treatment including oxygen may be performed under reduced pressure.
  • a device having a power supply for generating high density plasma using microwaves is preferably used.
  • the substrate side may have a power supply for applying an RF (Radio Frequency).
  • RF Radio Frequency
  • high-density plasma high-density oxygen radicals can be generated, and by applying RF to the substrate side, oxygen radicals generated by high-density plasma can be efficiently introduced into the insulating film 224A. it can.
  • plasma treatment including oxygen may be performed to compensate for the released oxygen. Note that impurities such as hydrogen and water contained in the insulating film 224A can be removed by appropriately selecting the conditions of the plasma treatment. In that case, the heat treatment may not be performed.
  • an oxide film 230A and an oxide film 230B are sequentially formed on the insulating film 224A (see FIG. 6).
  • the oxide film is preferably formed continuously without being exposed to the air environment. By forming the film without opening to the atmosphere, impurities or moisture from the air environment can be prevented from adhering to the oxide film 230A and the oxide film 230B, and the vicinity of the interface between the oxide film 230A and the oxide film 230B can be It can be kept clean.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B are formed by sputtering
  • oxygen or a mixed gas of oxygen and a rare gas is used as a sputtering gas.
  • excess oxygen in the oxide film to be formed can be increased.
  • the above In-M-Zn oxide target can be used.
  • the proportion of oxygen contained in the sputtering gas of the oxide film 230A may be 70% or more, preferably 80% or more, and more preferably 100%.
  • an oxygen-deficient oxide semiconductor can be formed by deposition with the proportion of oxygen contained in the sputtering gas being 1% to 30%, preferably 5% to 20%. It is formed.
  • a transistor in which an oxygen-deficient oxide semiconductor is used for a channel formation region can achieve relatively high field-effect mobility.
  • heat treatment may be performed.
  • the above-described heat treatment conditions can be used.
  • impurities such as hydrogen and water in the oxide film 230A and the oxide film 230B can be removed.
  • treatment for 1 hour at a temperature of 400 ° C. in an oxygen atmosphere is continuously performed.
  • the oxide film 230A and the oxide film 230B are processed into an island shape to form an oxide 230a and an oxide 230b.
  • the insulator 224 may be formed so that the film thickness of a region of the insulating film 224A which does not overlap with the oxide 230a is thinner than the region of the insulating film 224A which overlaps with the oxide 230a (FIG. 7). reference).
  • the oxide 230 a and the oxide 230 b are formed so that at least part thereof overlaps with the conductor 205.
  • the side surfaces of the oxide 230 a and the oxide 230 b are preferably substantially perpendicular to the top surface of the insulator 222.
  • reduction in area and density can be achieved when the plurality of transistors 200 is provided.
  • an angle between the side surface of the oxide 230 a and the side surface of the oxide 230 b and the top surface of the insulator 222 may be acute.
  • the angle between the side surface of the oxide 230a and the side surface of the oxide 230b and the top surface of the insulator 222 is preferably greater than or equal to 60 ° and less than 70 °.
  • a curved surface is provided between the side surfaces of the oxide 230 a and the oxide 230 b and the top surface of the oxide 230 b. That is, the end of the side surface and the end of the upper surface are preferably curved (hereinafter, also referred to as a round shape).
  • the radius of curvature of the curved surface is, for example, 3 nm to 10 nm, preferably 5 nm to 6 nm, at an end portion of the oxide 230 b.
  • the processing of the oxide film may be performed using a lithography method.
  • dry etching or wet etching can be used for the processing. Machining by dry etching is suitable for micromachining.
  • an impurity due to an etching gas or the like may be attached or diffused to the surface or the inside of the oxide 230a, the oxide 230b, or the like.
  • the impurities include, for example, fluorine or chlorine.
  • the cleaning method may be wet cleaning using a cleaning solution or the like, plasma treatment using plasma, cleaning by heat treatment, or the like, and the above cleaning may be performed in combination as appropriate.
  • cleaning treatment may be performed using an aqueous solution prepared by diluting oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, or the like with carbonated water or pure water.
  • ultrasonic cleaning may be performed using pure water or carbonated water. In this embodiment, ultrasonic cleaning using pure water or carbonated water is performed.
  • heat treatment may be performed.
  • the heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment.
  • an oxide film to be the oxide film 230C is formed over the insulator 224, the oxide 230a, and the oxide 230b.
  • the oxide film to be the oxide film 230C can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • An oxide film to be the oxide film 230C may be formed using a film formation method similar to the oxide film 230A or the oxide film 230B in accordance with the characteristics required for the oxide 230c.
  • the oxide film to be the oxide film 230C is processed by the lithography method to form the oxide film 230C (see FIG. 8).
  • the insulating film 250A and the dummy gate film 262A are sequentially formed on the oxide film 230C (see FIG. 8).
  • the insulating film 250A is formed.
  • the insulating film 250A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a silicon oxynitride film is preferably formed by a CVD method.
  • the film formation temperature at the time of forming the insulating film 250A is preferably 350 ° C. or more and less than 450 ° C., particularly about 400 ° C. By forming the insulating film 250A at 400 ° C., an insulating film with few impurities can be formed.
  • oxygen can be introduced into the insulating film 250A by exciting oxygen with microwaves, generating high-density oxygen plasma, and exposing the insulating film 250A to the oxygen plasma.
  • heat treatment may be performed.
  • the heat treatment conditions described above can be used for the heat treatment.
  • the heat treatment the water concentration and the hydrogen concentration of the insulating film 250A can be reduced.
  • the dummy gate film 262A is processed and used as a dummy gate.
  • the dummy gate is a temporary gate electrode. That is, by processing the dummy gate film 262A, a temporary gate electrode is formed, the dummy gate is removed in a later step, and a gate electrode made of a conductive film or the like is formed instead. Therefore, it is preferable that the dummy gate film 262A be a film which is easily microfabricated and easy to remove.
  • the dummy gate film 262A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an insulator, a semiconductor, or a conductor can be used.
  • polysilicon, silicon such as microcrystalline silicon or amorphous silicon, or a metal film such as aluminum, titanium, or tungsten may be used.
  • the resin film may be formed using a coating method. Examples of the resin include photoresist, polyester, polyolefin, polyamide (such as nylon and aramid), polyimide, polycarbonate or acrylic.
  • the surface of the dummy gate film 262A can be planarized. As described above, by flattening the surface of the dummy gate film 262A, fine processing becomes easy, and furthermore, removal becomes easy.
  • the dummy gate film 262A can be a multilayer film using different film types.
  • the dummy gate film 262A can have a two-layer structure in which a conductive film and a resin film are formed over the conductive film.
  • the conductive film may function as a stopper film for CMP treatment in a later CMP step.
  • the end point detection of the CMP process may be possible, and the process variation may be reduced.
  • the oxide film 230C, the insulating film 250A and the dummy gate film 262A are etched by lithography to form an oxide 230c, an insulator 250 and a dummy gate layer 262B (see FIG. 9).
  • the oxide 230 c, the insulator 250, and the dummy gate layer 262 B are formed so as to at least partially overlap with the conductor 205 and the oxide 230.
  • the side surfaces of the oxide 230c, the side surfaces of the insulator 250, and the side surfaces of the dummy gate layer 262B are preferably in the same plane.
  • the same surface shared by the side surface of the oxide 230c, the side surface of the insulator 250, and the side surface of the dummy gate layer 262B is preferably substantially perpendicular to the top surface of the substrate. That is, in the cross-sectional shape, the oxide 230c, the insulator 250, and the dummy gate layer 262B preferably have an angle of about 90 ° with respect to the upper surface of the substrate.
  • a film 242A is formed to cover the insulator 224, the oxide 230, the insulator 250, and the dummy gate layer 262B (see FIG. 10).
  • the film 242A may have a thickness of 0.5 nm to 5 nm, preferably, 1 nm to 3 nm.
  • a metal film, a nitride film containing a metal element, or an oxide film containing a metal element is used.
  • the film 242A is, for example, a film containing a metal element such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, tungsten, or chromium.
  • the film 242A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the heat treatment may be performed at 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., more preferably 320 ° C. to 450 ° C.
  • the heat treatment is performed in a nitrogen or inert gas atmosphere. Further, the heat treatment may be performed under reduced pressure. For example, after the film 242A is formed, heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere.
  • the above-described metal element can be diffused from the film 242A to the oxide 230, and the metal element can be added to the oxide 230.
  • oxygen in the vicinity of the interface between the oxide 230 and the film 242A may be absorbed by the film 242A.
  • the vicinity of the interface between the oxide 230 and the film 242A becomes a metal compound, which reduces the resistance.
  • a part of the oxide 230 and the above-described metal element may be alloyed.
  • the metal element added to the oxide 230 is in a relatively stable state, so that a highly reliable semiconductor device can be provided.
  • hydrogen in the oxide 230 diffuses into the region 231 and enters the oxygen vacancy existing in the region 231, which results in a relatively stable state.
  • hydrogen in the oxygen vacancy existing in the region 234 is released from the oxygen vacancy by heat treatment at 250 ° C. or higher, diffused into the region 231, and enters the oxygen vacancy existing in the region 231, and is relatively stable. Become. Therefore, the heat treatment makes the region 231 lower in resistance, and the region 234 is highly purified (reduction of impurities such as water and hydrogen) and is higher in resistance.
  • heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more, 1% or more, or 10% or more of an oxidizing gas.
  • the heat treatment may be performed at 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., more preferably 320 ° C. to 450 ° C.
  • the film 242A becomes an insulator by oxidizing the region having conductivity by performing heat treatment in an oxidizing atmosphere, and the resistance is increased.
  • the film 242A can be made to function as an interlayer film by remaining as an insulator.
  • oxygen in the oxide 230 may be absorbed in the film 242A, whereby oxygen vacancies may be generated in the region 231.
  • the hydrogen in the oxide 230 enters the oxygen vacancies, whereby the carrier density in the region 231 is increased. Therefore, the region 231 of the oxide 230 is n-type and has a low resistance.
  • the film 242A is removed.
  • the metal film, the oxide film containing a metal element, or the nitride film containing a metal element may not necessarily be removed.
  • the film may function as an interlayer film.
  • a dry etching method or a wet etching method can be used.
  • the insulating film 273A is formed (see FIG. 12).
  • the insulating film 273A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the insulating film 273A is preferably formed by an ALD method excellent in coverage.
  • the insulating film 273A having a uniform thickness is formed on the side surfaces of the oxide 230c, the insulator 250, and the dummy gate layer 262B even in the stepped portion formed by the dummy gate layer 262B and the like. can do.
  • a dense thin film can be formed by using the ALD method.
  • aluminum oxide or the like having a barrier property may be provided as the insulating film 273A.
  • the conductor 260 is a metal film which is easily oxidized, oxidation of the conductor 260 with oxygen from the outside of the insulator 273 can be suppressed by using an insulator having a barrier property. This can suppress an increase in the resistance value of the conductor 260.
  • the thickness of the insulating film 273A is 0.5 nm to 20 nm, preferably 1 nm to 10 nm.
  • the insulating film 273A is processed by a lithography method to form an insulator 273B having an opening. (See Figure 13).
  • an insulating film to be the insulator 280 is formed over the insulator 273B.
  • the insulating film to be the insulator 280 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the insulating film to be the insulator 280, the dummy gate layer 262B, and a portion of the insulator 273B are removed until a portion of the dummy gate layer 262B is exposed, and the insulator 280, the dummy gate 262, and the insulator 273 are removed.
  • CMP is preferably used to form the insulator 280, the dummy gate 262, and the insulator 273.
  • the dummy gate film 262A is, for example, a conductive film and a two-layered film in which a resin film is formed on the conductive film, whereby the conductive film serves as a stopper film for CMP processing in the CMP step.
  • the conductive film may make it possible to detect the end point of the CMP process, and may make it possible to reduce the variation in height of the dummy gate 262.
  • the upper surface of the dummy gate 262 and the upper surfaces of the insulator 273 and the insulator 280 substantially coincide with each other.
  • the dummy gate 262 is removed.
  • the removal of the dummy gate 262 can be performed using wet etching, dry etching, ashing, or the like. Alternatively, a plurality of the above processes may be combined as appropriate. For example, a wet etching process may be performed after the ashing process.
  • a wet etching process may be performed after the ashing process.
  • the conductive film 260Aa and the conductive film 260Ab are formed.
  • the conductive film 260Aa and the conductive film 260Ab can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a CVD method it is preferable to use a CVD method.
  • the conductive film 260Aa is formed using an ALD method
  • the conductive film 260Ab is formed using a CVD method (see FIG. 16).
  • the conductive film 260Aa and the conductive film 260Ab are polished by CMP treatment until the insulator 280 is exposed, whereby the conductor 260 including the conductor 260a and the conductor 260b is formed (see FIG. 17).
  • oxygen may be injected into the insulator 280.
  • a process for injecting oxygen there is a plasma process using a gas containing oxygen, a process for injecting oxygen ions using an ion implantation apparatus, and the like.
  • Oxygen can be injected into the insulator 280 by irradiating the plasma with a gas containing oxygen, for example, using a device having a high density plasma source.
  • oxygen ions are implanted using an ion implantation apparatus (see FIG. 17).
  • Ion implantation using an ion implantation apparatus is preferable because the amount of ion implantation and the depth of ion implantation can be independently controlled. That is, since oxygen can be injected into the insulator 280 at an optimum injection amount and an optimum injection depth, it is possible to produce a semiconductor device having a high-performance transistor with small variation in performance.
  • the implantation amount and the implantation depth may be optimized as appropriate depending on the thickness of the insulator 280, the size of the transistor, the arrangement density of the transistor, and the arrangement of the transistor.
  • oxygen may be injected into the insulator 280 by forming an insulating film to be the insulator 282 over the insulator 280.
  • the insulating film to be the insulator 282 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an insulating film to be the insulator 282 for example, an aluminum oxide film is preferably formed by sputtering.
  • Oxygen can be injected into the insulator 280 by depositing an aluminum oxide film using a gas containing oxygen by a sputtering method. That is, the insulator 280 has excess oxygen. Further, diffusion of hydrogen contained in the insulator 280 into the oxide 230 can be suppressed in some cases (see FIG. 18).
  • Heat treatment may be performed in the subsequent steps.
  • excess oxygen contained in the insulator 280 can be injected into the oxide 230 through the opening of the insulator 273 and the insulator 224.
  • the heat treatment may be performed at 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., more preferably 320 ° C. to 450 ° C.
  • the heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing oxygen gas.
  • the heat treatment may be performed under reduced pressure. For example, heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. for 1 hour in an atmosphere containing oxygen.
  • an insulator to be the insulator 283 may be formed over the insulator 282.
  • the insulating film to be the insulator 283 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like (see FIG. 19).
  • an opening reaching the region 231 of the oxide 230 is formed in the insulator 273, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 283 (see FIG. 20).
  • the formation of the opening may be performed using a lithography method.
  • the conductive film to be the conductor 240 a and the conductor 240 b preferably has a stacked structure including a conductor having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen.
  • a stack of tantalum nitride, titanium nitride, or the like, tungsten, molybdenum, copper, or the like can be used.
  • the conductive film to be the conductor 240 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the low-resistance region of the region 231 in the oxide 230 may be removed.
  • a conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b is formed in the opening, the oxide 230 and a conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b are in contact with each other.
  • An oxygen vacancy is formed, and the contact region between the oxide 230 and the conductive film to be the conductor 240 a and the conductor 240 b can be reduced in resistance.
  • the conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b preferably contains a metal element such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, tungsten, or chromium.
  • CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b, and the insulator 283 is exposed.
  • the conductor 240a and the conductor 240b having a flat top surface can be formed (see FIG. 1).
  • the conductor 240 a and the conductor 240 b may be formed after aluminum oxide is formed on the sidewall portion of the opening.
  • aluminum oxide By forming aluminum oxide on the side wall portion of the opening, transmission of oxygen from the outside can be suppressed, and oxidation of the conductor 240a and the conductor 240b can be prevented. Further, impurities such as water and hydrogen can be prevented from diffusing to the outside from the conductor 240a and the conductor 240b.
  • the aluminum oxide can be formed by depositing aluminum oxide in an opening using an ALD method or the like and performing anisotropic etching.
  • FIG. 21 to FIG. 31 shows a top view.
  • (B) of each drawing is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by an alternate long and short dash line of A1-A2 shown in (A).
  • (C) of each drawing is a cross-sectional view corresponding to a portion indicated by an alternate long and short dash line of A3-A4 in (A).
  • one part element is abbreviate
  • the insulating film 275A is formed over the insulating film 273A.
  • the insulating film 275A can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like (see FIG. 21).
  • the insulating film 275A is anisotropically etched to form an insulator 275B (see FIG. 22).
  • the insulator 275B can be formed in a self-aligned manner by removing the insulating film formed on a surface substantially parallel to the substrate surface.
  • the insulating film 273A is processed by a lithography method to form an insulator 273B having an opening. (See Figure 23).
  • an insulating film to be the insulator 280 is formed to cover the insulator 273B, the oxide 230, the insulator 275B, and the dummy gate layer 262B.
  • the insulating film to be the insulator 280 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the insulating film to be the insulator 280, the dummy gate layer 262B, the insulator 273B, and a portion of the insulator 275B are removed until a portion of the dummy gate layer 262B is exposed, and the insulator 280, the dummy gate 262, the insulator Form body 273 and insulator 275 (see FIG. 24).
  • CMP treatment is preferably used to form the insulator 280, the dummy gate 262, the insulator 273, and the insulator 275.
  • the dummy gate film 262A is, for example, a conductive film and a two-layered film in which a resin film is formed on the conductive film, whereby the conductive film serves as a stopper film for CMP processing in the CMP step.
  • the conductive film may make it possible to detect the end point of the CMP process, and may make it possible to reduce the variation in height of the dummy gate 262.
  • the upper surface of the dummy gate 262 and the upper surfaces of the insulator 273 and the insulator 280 substantially coincide with each other.
  • the dummy gate 262 is removed.
  • the removal of the dummy gate 262 can be performed using wet etching, dry etching, ashing, or the like. Alternatively, a plurality of the above processes may be combined as appropriate. For example, a wet etching process may be performed after the ashing process.
  • a wet etching process may be performed after the ashing process.
  • the conductive film 260Aa and the conductive film 260Ab are formed.
  • the conductive film 260Aa and the conductive film 260Ab can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a CVD method it is preferable to use a CVD method.
  • the conductive film 260Aa is formed by using the ALD method
  • the conductive film 260Ab is formed by using the CVD method (see FIG. 26).
  • the conductive film 260Aa and the conductive film 260Ab are polished by CMP treatment until the insulator 280 is exposed, whereby a conductor 260B having a conductor 260Ba and a conductor 260Bb is formed (see FIG. 27).
  • the conductor 260Ba and a part of the conductor 260Bb are removed, and the conductor 260B is thinned to form the conductor 260a and the conductor 260b.
  • wet etching or dry etching can be used.
  • the thickness to be thinned be about 1/4 of the thickness of the conductor 260B (see FIG. 28).
  • an insulating film to be the insulator 270 is formed.
  • the insulating film to be the insulator 270 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • a material similar to that of the insulator 275 is preferably used as the insulating film to be the insulator 270.
  • the insulator 270 can be formed by polishing the insulating film to be the insulator 270 by CMP treatment until the insulator 280 is exposed (see FIG. 28).
  • oxygen may be injected into the insulator 280.
  • a process for injecting oxygen there is a plasma process using a gas containing oxygen, a process for injecting oxygen ions using an ion implantation apparatus, and the like.
  • Oxygen can be injected into the insulator 280 by irradiating the plasma with a gas containing oxygen, for example, using a device having a high density plasma source.
  • oxygen ions are implanted using an ion implantation apparatus (see FIG. 28).
  • Ion implantation using an ion implantation apparatus is preferable because the amount of ion implantation and the depth of ion implantation can be independently controlled. That is, since oxygen can be injected into the insulator 280 at an optimum injection amount and an optimum injection depth, it is possible to produce a semiconductor device having a high-performance transistor with small variation in performance.
  • the implantation amount and the implantation depth may be optimized as appropriate depending on the thickness of the insulator 280, the size of the transistor, the arrangement density of the transistor, and the arrangement of the transistor.
  • oxygen may be injected into the insulator 280 by forming an insulating film to be the insulator 282 over the insulator 280.
  • the insulating film to be the insulator 282 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • an insulating film to be the insulator 282 for example, an aluminum oxide film is preferably formed by sputtering.
  • Oxygen can be injected into the insulator 280 by depositing an aluminum oxide film using a gas containing oxygen by a sputtering method. That is, the insulator 280 has excess oxygen.
  • diffusion of hydrogen contained in the insulator 280 into the oxide 230 can be suppressed in some cases (see FIG. 29).
  • Heat treatment may be performed in the subsequent steps.
  • excess oxygen contained in the insulator 280 can be injected into the oxide 230 through the opening of the insulator 273 and the insulator 224.
  • the heat treatment may be performed at 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., more preferably 320 ° C. to 450 ° C.
  • the heat treatment is preferably performed in an atmosphere containing oxygen gas.
  • the heat treatment may be performed under reduced pressure. For example, heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. for 1 hour in an atmosphere containing oxygen.
  • an insulator to be the insulator 283 may be formed over the insulator 282.
  • the insulating film to be the insulator 283 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like (see FIG. 30).
  • an opening reaching the region 231 of the oxide 230 is formed in the insulator 273, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 283 (see FIG. 31).
  • the formation of the opening may be performed using a lithography method.
  • the opening is formed so that the conductor 240 is provided in contact with the side surface of the insulator 275.
  • the opening is preferably formed under the condition that the insulator 275 is hardly etched, that is, the etching rate of the insulator 280 is preferably higher than the etching rate of the insulator 275.
  • the etching rate of the insulator 280 is preferably 5 or more, and more preferably 10 or more. With such an opening condition, the opening can be arranged in a self-aligned manner in the region 231, so that a minute transistor can be manufactured. In addition, for example, even when the opening is shifted to a position where the opening overlaps with the upper surface of the insulator 270, the etching rate of the insulator 270 is set to an opening condition significantly smaller than the etching rate of the insulator 280 as in the insulator 275. For example, the opening does not reach the conductor 260.
  • the conductive film to be the conductor 240 a and the conductor 240 b preferably has a stacked structure including a conductor having a function of suppressing permeation of impurities such as water or hydrogen.
  • a stack of tantalum nitride, titanium nitride, or the like, tungsten, molybdenum, copper, or the like can be used.
  • the conductive film to be the conductor 240 can be formed by a sputtering method, a CVD method, an MBE method, a PLD method, an ALD method, or the like.
  • the low-resistance region of the region 231 in the oxide 230 may be removed.
  • a conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b is formed in the opening, the oxide 230 and a conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b are in contact with each other.
  • An oxygen vacancy is formed, and the contact region between the oxide 230 and the conductive film to be the conductor 240 a and the conductor 240 b can be reduced in resistance.
  • the conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b preferably contains a metal element such as aluminum, ruthenium, titanium, tantalum, tungsten, or chromium.
  • CMP treatment is performed to remove part of the conductive film to be the conductor 240a and the conductor 240b, and the insulator 283 is exposed.
  • the conductor 240a and the conductor 240b having a flat top surface can be formed (see FIG. 4).
  • the conductor 240 a and the conductor 240 b may be formed after aluminum oxide is formed on the sidewall portion of the opening.
  • aluminum oxide By forming aluminum oxide on the side wall portion of the opening, transmission of oxygen from the outside can be suppressed, and oxidation of the conductor 240a and the conductor 240b can be prevented. Further, impurities such as water and hydrogen can be prevented from diffusing to the outside from the conductor 240a and the conductor 240b.
  • the aluminum oxide can be formed by depositing aluminum oxide in an opening using an ALD method or the like and performing anisotropic etching.
  • a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be provided.
  • a semiconductor device with low off current can be provided.
  • a semiconductor device with large on-state current can be provided.
  • a highly reliable semiconductor device can be provided.
  • a semiconductor device which can be miniaturized or highly integrated can be provided.
  • a semiconductor device with low power consumption can be provided.
  • a semiconductor device with high productivity can be provided.
  • ⁇ Modification Example of Semiconductor Device> a semiconductor device including the transistor 200 according to one embodiment of the present invention, which is different from those shown in ⁇ Configuration Example 1 of Semiconductor Device> and ⁇ Configuration Example 2 of Semiconductor Device> described above with reference to FIG. An example will be described.
  • FIG. 5A is a top view of a semiconductor device including the transistor 200.
  • FIG. 5B and 5C are cross-sectional views of the semiconductor device.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A1-A2 in FIG. 5A, and is also a cross-sectional view of the transistor 200 in the channel length direction.
  • 5C is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A3-A4 in FIG. 5A, which is also a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor 200. Note that, in the top view of FIG. 5A, some elements are omitted for the sake of clarity.
  • the semiconductor device shown in FIG. 5 has the same function as the constituent elements of the semiconductor device (see FIGS. 1 and 4) shown in ⁇ Configuration Example 1 of Semiconductor Device> and ⁇ Configuration Example 2 of Semiconductor Device>. The same sign is added to the component.
  • the configuration of the transistor 200 is described with reference to FIG. Also in this item, as the constituent material of the transistor 200, the materials described in detail in ⁇ Configuration Example 1 of Semiconductor Device> and ⁇ Configuration Example 2 of Semiconductor Device> can be used.
  • the semiconductor device shown in FIG. 5 includes the insulator 224, the oxide 230a, and the semiconductor device (see FIGS. 1 and 4) shown in ⁇ Configuration Example 1 of Semiconductor Device> and ⁇ Configuration Example 2 of Semiconductor Device>. , And an oxide 230d having an opening is provided. The oxide 230a is in contact with the insulator 224 through an opening provided in the oxide 230d.
  • the material used for the oxide 230 d is preferably a material with a high ratio of Ga and Zn as compared to the oxide 230 a and the oxide 230 b.
  • the atomic ratio of the element M in the constituent elements is smaller than the atomic ratio of the element M in the constituent elements of the metal oxide used for the oxide 230a, It is preferable that the atomic ratio of the element M in the constituent elements in the metal oxide used for the oxide 230 b be larger.
  • the atomic ratio of the element M to In is the atomic ratio of the element M to In in the metal oxide used for the oxide 230 a, and the metal oxide used for the oxide 230 b It is preferable that the atomic ratio of the element M to the In in the atomic ratio of.
  • the oxide 230 d has an opening at a position overlapping with the region 234. Therefore, oxygen contained in the insulator 224 diffuses into the oxide 230 a and the oxide 230 b through the opening. Arrows shown in FIG. 5B visualize how oxygen contained in the insulator 280 and the insulator 224 diffuses. Oxygen contained in the insulator 280 diffuses into the insulator 224 through an opening provided in the insulator 273. In addition, oxygen in the insulator 224 is diffused into the oxide 230 a and the region 234 of the oxide 230 b through the opening provided in the oxide 230 d. Note that oxygen supplied to the oxide 230 a and the oxide 230 b may diffuse to the region 231. By providing the oxide 230 d in the transistor 200, oxygen can be efficiently supplied to the region 234.
  • an oxide film to be the oxide 230 d (hereinafter referred to as an oxide film 230 D) is formed over the insulator 224.
  • an opening is formed in the oxide film 230D.
  • the opening is formed to overlap with the conductor 205 and the conductor 203.
  • the opening is preferably formed to overlap with the region 234 of the oxide 230 which is formed in a later step.
  • an oxide film 230A and an oxide film 230B are formed over the oxide film 230D in the same manner as in ⁇ Production Method 1 of Semiconductor Device>. Before and after formation of the film, heat treatment may be appropriately performed.
  • the oxide film 230B, the oxide film 230A, and the oxide film 230D are processed into an island shape by a lithography method to form an oxide 230b, an oxide 230a, and an oxide 230d.
  • the processing can be performed using a dry etching method or a wet etching method. Machining by dry etching is suitable for micromachining.
  • the transistor 200 including the oxide 230 d can be manufactured by performing steps similar to the above ⁇ Production method of semiconductor device 1>.
  • FIG. 33A and 33B show a cell 600 which constitutes a memory device.
  • the cell 600 includes a transistor 200a, a transistor 200b, a capacitor 100a, and a capacitor 100b.
  • FIG. 33A is a top view of the cell 600.
  • FIG. 33B is a cross-sectional view of a portion indicated by an alternate long and short dash line A1-A2 in FIG. Note that in the top view of FIG. 33A, some elements are omitted for the sake of clarity.
  • the cell 600 includes a transistor 200a and a transistor 200b, has a capacitor 100a superimposed on the transistor 200a, and has a capacitor 100b superimposed on the transistor 200b.
  • the transistor 200a and the transistor 200b, and the capacitor 100a and the capacitor 100b may be arranged symmetrically.
  • the transistor 200a and the transistor 200b preferably have similar structures
  • the capacitor 100a and the capacitor 100b preferably have similar structures.
  • the cell 600 includes the insulator 130 on the insulator 283 over the transistors 200 a and 200 b and the insulator 150 on the insulator 130.
  • the insulator 150 an insulator that can be used for the insulator 283 may be used.
  • the conductor 160 is provided over the insulator 150.
  • a conductor 240 is provided so as to be embedded in an opening formed in the insulator 273, the insulator 280, the insulator 282, the insulator 283, the insulator 130, and the insulator 150.
  • the lower surface of the conductor 240 is in contact with the region 231, and the upper surface of the conductor 240 is in contact with the conductor 160.
  • the transistor 200 described in the above embodiment can be used for the transistor 200 a and the transistor 200 b.
  • the description of the transistor 200 can be referred to.
  • FIGS. 33A and 33B reference numerals of elements of the transistors 200a and 200b are omitted.
  • the transistor 200 a and the transistor 200 b illustrated in FIGS. 33A and 33B are examples, and the present invention is not limited to the structures, and appropriate transistors may be used depending on the circuit configuration and the driving method.
  • the transistor 200a and the transistor 200b both share the oxide 230, and one of the source and the drain of the transistor 200a and one of the source and the drain of the transistor 200b are shared. Thus, one of the source and the drain of the transistor 200 a and one of the source and the drain of the transistor 200 b are electrically connected to the conductor 240. Thus, the contact portions of the transistor 200a and the transistor 200b are shared, and the number of plugs and contact holes can be reduced. As described above, by sharing the wiring electrically connected to one of the source and the drain, the occupied area of the memory cell array can be reduced.
  • Capacitance Element 100a and Capacitance Element 100b As illustrated in FIGS. 33A and 33B, the capacitor 100a is provided in a region overlapping with the transistor 200a. Similarly, the capacitor 100 b is provided in a region overlapping with the transistor 200 b. Note that the capacitor 100 b has a structure corresponding to that of the capacitor 100 a. Although the detailed structure of the capacitive element 100a will be described below, the description of the capacitive element 100a can be referred to for the capacitive element 100b unless otherwise noted.
  • the capacitive element 100 a includes the conductor 110, the insulator 130, and the conductor 120 over the insulator 130.
  • the conductor 110 and the conductor 120 a conductor that can be used for the conductor 203, the conductor 205, the conductor 260, or the like may be used.
  • the capacitor 100 a is formed in an opening of the insulator 273, the insulator 280, the insulator 282, and the insulator 283.
  • the conductor 110 functioning as the lower electrode and the conductor 120 functioning as the upper electrode face each other on the bottom surface and the side surface of the opening with the insulator 130 functioning as the dielectric interposed therebetween.
  • the conductor 110 of the capacitor 100a is formed in contact with the other of the source and the drain of the transistor 200a.
  • the capacitive element 100 a be cylindrical (the side area is larger than the base area).
  • the capacitance per unit area of the capacitor 100a can be increased, and miniaturization or high integration of the semiconductor device can be promoted.
  • the value of the capacitance of the capacitor 100a can be set as appropriate depending on the thicknesses of the insulator 280 and the insulator 283. Therefore, a semiconductor device with a high degree of freedom in design can be provided.
  • an insulator having a large relative dielectric constant it is preferable to use an insulator having a large relative dielectric constant.
  • an insulator containing an oxide of one or both of aluminum and hafnium can be used.
  • an insulator containing one or both oxides of aluminum and hafnium it is preferable to use aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing aluminum and hafnium (hafnium aluminate), or the like.
  • the insulator 130 may have a stacked structure, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, an oxide containing hafnium and aluminum (hafnium aluminate), etc. Therefore, two or more layers may be selected to form a laminated structure. For example, it is preferable to deposit hafnium oxide, aluminum oxide, and hafnium oxide in order by an ALD method to form a stacked structure. The film thicknesses of hafnium oxide and aluminum oxide are respectively 0.5 nm or more and 5 nm or less. With such a stacked structure, the capacitor 100a can have a large capacitance value and a small leak current.
  • the conductor 110 or the conductor 120 may have a stacked structure.
  • the conductor 110 or the conductor 120 is a stack of a conductive material whose main component is titanium, titanium nitride, tantalum, or tantalum nitride, and a conductive material whose main component is tungsten, copper, or aluminum. It may be a structure.
  • the conductor 110 or the conductor 120 may have a single-layer structure or a stacked structure of three or more layers.
  • FIG. 34 An example of a cell array in which the above cells are arranged in a matrix or matrix will be described using FIGS. 34 to 37.
  • FIG. 34 An example of a cell array in which the above cells are arranged in a matrix or matrix will be described using FIGS. 34 to 37.
  • FIG. 34 is a circuit diagram showing one form in which the cells 600 shown in FIG. 33 are arranged in a matrix.
  • FIG. 35 is a schematic view showing a cross-sectional structure in the vicinity of the cell 600 in the circuit diagram shown in FIG. 34 and the cell 601 adjacent to the cell 600.
  • FIG. 36 is a schematic view showing a layout of the wiring WL, the wiring BL, and the oxide 230 in the circuit diagram shown in FIG. 34 to 37, the extending direction of the wiring BL is the x direction, the extending direction of the wiring WL is the y direction, and the direction perpendicular to the xy plane is the z direction.
  • FIGS. 36 and 37 show an example in which 3 ⁇ 3 cells are arranged, the present embodiment is not limited to this, and memory cells or wirings included in a cell array are not limited to this. The number and arrangement may be set as appropriate. Also, in the top views of FIGS. 36 and 37, some elements shown in FIG. 34 are omitted for the sake of clarity.
  • one of the source and the drain of the transistor 200a and the transistor 200b which form a cell is electrically connected to a common wiring BL (BL01, BL02, BL03).
  • the wiring BL is also electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 200 a and the transistor 200 b included in a cell arranged in the x direction.
  • the first gate of the transistor 200a and the first gate of the transistor 200b which form a cell are electrically connected to different wirings WL (WL01 to WL06). Further, the wirings WL electrically connect the first gate of the transistor 200 a and the first gate of the transistor 200 b included in the cells arranged in the y direction.
  • one electrode of the capacitor 100 a and one electrode of the capacitor 100 b included in the cell are electrically connected to the wiring PL.
  • the wiring PL may be formed to extend in the y direction.
  • the second gate BG may be provided in each of the transistor 200 a and the transistor 200 b included in each cell.
  • the threshold voltage of the transistor can be controlled by the potential applied to the second gate BG.
  • the second gate BG is connected to the transistor 400, and the potential applied to the second gate BG can be controlled by the transistor 400.
  • the conductor 160 is extended in the x direction to function as the wiring BL, and the conductor 260 is extended in the y direction to function as the wiring WL, and the conductor 120 is extended in the y direction.
  • the conductor 203 can be extended in the y direction to function as a wiring connected to the second gate BG.
  • the conductor 120 functioning as one electrode of the capacitor 100b of the cell 600 also serves as one electrode of the capacitor 100a of the cell 601.
  • the conductor 120 functioning as one electrode of the capacitor 100 a of the cell 600 doubles as one electrode of the capacitor of the cell adjacent to the left side of the cell 600.
  • the same configuration is applied to the cell on the right side of the cell 601. Therefore, a cell array can be configured. With the configuration of the cell array, the distance between adjacent cells can be reduced, so that the projection area of the cell array can be reduced and high integration can be achieved.
  • the oxide 230 and the wirings WL are arranged in a matrix, whereby the semiconductor device of the circuit diagram shown in FIG. 34 can be formed.
  • the wiring BL is preferably provided in a layer different from the wiring WL and the oxide 230.
  • the capacitor 100a and the capacitor 100b in a lower layer than the wiring BL, a layout in which the long side direction of the oxide 230 and the wiring BL are substantially parallel can be realized. Therefore, the layout of cells can be simplified, the degree of freedom in design can be improved, and the process cost can be reduced.
  • the oxide 230 and the wiring WL are provided such that the long side of the oxide 230 is substantially orthogonal to the extending direction of the wiring WL, but the present invention is not limited to this.
  • the long side of the oxide 230 may not be orthogonal to the extending direction of the wiring WL, and the long side of the oxide 230 may be inclined with respect to the extending direction of the wiring WL. .
  • the capacitor 100a and the capacitor 100b and the wiring BL can be arranged without crossing each other, so the capacitor 100a and the capacitor 100b extend in the z direction.
  • the capacitance of the capacitive element 100a and the capacitive element 100b can be increased.
  • the oxide 230 and the wiring WL may be provided such that the angle between the long side of the oxide 230 and the wiring WL is 20 ° to 70 °, preferably 30 ° to 60 °.
  • the cell array may be stacked not only on a plane surface. By stacking a plurality of cell arrays, cells can be integrated and arranged without increasing the occupied area of the cell array. That is, a 3D cell array can be configured.
  • a semiconductor device which can be miniaturized or highly integrated can be provided.
  • a semiconductor device having favorable electrical characteristics can be provided.
  • a semiconductor device with low off current can be provided.
  • a transistor with large on-state current can be provided.
  • a highly reliable semiconductor device can be provided.
  • a semiconductor device with low power consumption can be provided.
  • a semiconductor device with high productivity can be provided.
  • the memory device illustrated in FIGS. 38 and 40 includes the transistor 300, the transistor 200, and the capacitor 100.
  • 38 and 40 are cross-sectional views in the channel length direction of the transistor 200 and the transistor 300.
  • FIG. FIG. 39 shows a cross section in the channel width direction of the transistor 300 and the vicinity thereof.
  • the transistor 200 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer including an oxide semiconductor. Since the transistor 200 has low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor for the memory device. That is, since the refresh operation is not required or the frequency of the refresh operation is extremely low, power consumption of the memory device can be sufficiently reduced.
  • the wiring 1001 is electrically connected to the source of the transistor 300, and the wiring 1002 is electrically connected to the drain of the transistor 300.
  • the wiring 1003 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 200, the wiring 1004 is electrically connected to the top gate of the transistor 200, and the wiring 1006 is electrically connected to the bottom gate of the transistor 200.
  • the gate of the transistor 300 and the other of the source and the drain of the transistor 200 are electrically connected to one of the electrodes of the capacitor 100, and the wiring 1005 is electrically connected to the other of the electrodes of the capacitor 100. .
  • the memory devices illustrated in FIGS. 38 and 40 have characteristics in which the potential of the gate of the transistor 300 can be held, whereby information can be written, held, and read as described below.
  • the potential of the wiring 1004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned on, whereby the transistor 200 is turned on.
  • the potential of the wiring 1003 is applied to the node SN electrically connected to the gate of the transistor 300 and one of the electrodes of the capacitor 100. That is, predetermined charge is given to the gate of the transistor 300 (writing).
  • the potential of the wiring 1004 is set to a potential at which the transistor 200 is turned off, whereby the transistor 200 is turned off, whereby charge is held at the node SN (holding).
  • the wiring 1002 takes a potential corresponding to the amount of charge held at the node SN.
  • the threshold voltage V th_L is lower than the apparent threshold voltage V th_L .
  • the apparent threshold voltage refers to the potential of the wiring 1005 which is required to turn on the transistor 300.
  • the charge given to the node SN can be determined. For example, in the case where a high level charge is given to the node SN in writing, the transistor 300 is turned “on” when the potential of the wiring 1005 is V 0 (> V th — H ). On the other hand, in the case where low level charge is applied to the node SN, the transistor 300 remains in the “non-conductive state” even if the potential of the wiring 1005 becomes V 0 ( ⁇ V th — L ). Therefore, the information held in the node SN can be read by determining the potential of the wiring 1002.
  • the memory device of one embodiment of the present invention includes a transistor 300, a transistor 200, and a capacitor 100 as illustrated in FIG.
  • the transistor 200 is provided above the transistor 300
  • the capacitor 100 is provided above the transistor 300 and the transistor 200.
  • the transistor 300 is provided over a substrate 311 and includes a conductor 316, an insulator 315, a semiconductor region 313 formed of part of the substrate 311, a low resistance region 314a functioning as a source region or a drain region, and a low resistance region 314b.
  • a conductor 316 includes a conductor 316, an insulator 315, a semiconductor region 313 formed of part of the substrate 311, a low resistance region 314a functioning as a source region or a drain region, and a low resistance region 314b.
  • the transistor 300 As shown in FIG. 39, in the transistor 300, the top surface of the semiconductor region 313 and the side surface in the channel width direction are covered with the conductor 316 with the insulator 315 in between.
  • the on-characteristic of the transistor 300 can be improved by increasing the effective channel width.
  • the contribution of the electric field of the gate electrode can be increased, the off characteristics of the transistor 300 can be improved.
  • the transistor 300 may be either p-channel or n-channel.
  • a semiconductor such as a silicon-based semiconductor is preferably included in a region where the channel of the semiconductor region 313 is to be formed, a region in the vicinity thereof, a low resistance region 314a to be a source or drain region, a low resistance region 314b, and the like.
  • crystalline silicon is included.
  • it may be formed using a material having Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), GaAlAs (gallium aluminum arsenide) or the like. It is also possible to use silicon whose effective mass is controlled by applying stress to the crystal lattice and changing the lattice spacing.
  • the transistor 300 may be a HEMT (High Electron Mobility Transistor) by using GaAs and GaAlAs or the like.
  • the low-resistance region 314a and the low-resistance region 314b impart p-type conductivity such as an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus or p-type conductivity such as boron in addition to the semiconductor material applied to the semiconductor region 313 Containing elements.
  • the conductor 316 functioning as a gate electrode is a semiconductor material such as silicon containing an element imparting n-type conductivity such as arsenic or phosphorus or an element imparting p-type conductivity such as boron, a metal material, an alloy Materials or conductive materials such as metal oxide materials can be used.
  • the threshold voltage can be adjusted by changing the material of the conductor. Specifically, it is preferable to use a material such as titanium nitride or tantalum nitride for the conductor. Furthermore, in order to achieve both conductivity and embeddability, it is preferable to use a metal material such as tungsten or aluminum as a laminate for the conductor, and it is particularly preferable to use tungsten from the viewpoint of heat resistance.
  • transistor 300 illustrated in FIG. 38 is an example, and is not limited to the structure. An appropriate transistor may be used depending on the circuit configuration and the driving method.
  • An insulator 320, an insulator 322, an insulator 324, and an insulator 326 are sequentially stacked over the transistor 300.
  • silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, silicon oxide, aluminum oxide, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, or the like is used as the insulator 320, the insulator 322, the insulator 324, and the insulator 326. Just do it.
  • the insulator 322 may have a function as a planarization film which planarizes a difference in level caused by the transistor 300 or the like provided therebelow.
  • the top surface of the insulator 322 may be planarized by a planarization process using a chemical mechanical polishing (CMP) method or the like to enhance the planarity.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • a film having a barrier property to prevent diffusion of hydrogen or an impurity from the substrate 311, the transistor 300, or the like to the region where the transistor 200 is provided is preferably used.
  • a film having a barrier property to hydrogen for example, silicon nitride formed by a CVD method can be used.
  • silicon nitride formed by a CVD method when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, the characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, it is preferable to use a film which suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 200 and the transistor 300.
  • the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of desorption of hydrogen.
  • the desorption amount of hydrogen can be analyzed using, for example, TDS.
  • TDS the amount of desorption of hydrogen in the insulator 324 is converted to the amount of desorption of hydrogen atoms per area of the insulator 324 in the range where the surface temperature of the film is 50 ° C. to 500 ° C. In this case, it is 10 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 or less, preferably 5 ⁇ 10 15 atoms / cm 2 or less.
  • the insulator 326 preferably has a relative dielectric constant lower than that of the insulator 324.
  • the dielectric constant of the insulator 326 is preferably less than 4, and more preferably less than 3.
  • the relative permittivity of the insulator 326 is preferably 0.7 times or less of the relative permittivity of the insulator 324, and more preferably 0.6 times or less.
  • the conductor 328 electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 200, the conductor 330, and the like are embedded.
  • the conductor 328 and the conductor 330 function as a plug or a wiring.
  • the conductor which functions as a plug or wiring may put the same code
  • the wiring and the plug electrically connected to the wiring may be an integral body. That is, a part of the conductor may function as a wiring, and a part of the conductor may function as a plug.
  • each plug and wiring As a material of each plug and wiring (conductor 328, conductor 330, and the like), a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is used in a single layer or a lamination be able to. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum which achieves both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten. Alternatively, it is preferably formed of a low resistance conductive material such as aluminum or copper. Wiring resistance can be lowered by using a low resistance conductive material.
  • a conductive material such as a metal material, an alloy material, a metal nitride material, or a metal oxide material is used in a single layer or a lamination be able to. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum which achieves both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use
  • a wiring layer may be provided over the insulator 326 and the conductor 330.
  • an insulator 350, an insulator 352, and an insulator 354 are sequentially stacked and provided.
  • a conductor 356 is formed on the insulator 350, the insulator 352, and the insulator 354.
  • the conductor 356 functions as a plug or a wire. Note that the conductor 356 can be formed using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used.
  • the conductor 356 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen.
  • a conductor having a barrier property to hydrogen is preferably formed in an opening portion of the insulator 350 having a barrier property to hydrogen.
  • a conductor having a barrier property to hydrogen for example, tantalum nitride or the like may be used. Further, by stacking tantalum nitride and tungsten with high conductivity, diffusion of hydrogen from the transistor 300 can be suppressed while maintaining conductivity as a wiring. In this case, it is preferable that the tantalum nitride layer having a barrier property to hydrogen be in contact with the insulator 350 having a barrier property to hydrogen.
  • a wiring layer may be provided over the insulator 350 and the conductor 356.
  • an insulator 360, an insulator 362, and an insulator 364 are sequentially stacked and provided.
  • a conductor 366 is formed in the insulator 360, the insulator 362, and the insulator 364, a conductor 366 is formed.
  • the conductor 366 functions as a plug or a wire. Note that the conductor 366 can be formed using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used.
  • the conductor 366 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen.
  • a conductor having a barrier to hydrogen is preferably formed in an opening of the insulator 360 having a barrier to hydrogen.
  • a wiring layer may be provided over the insulator 364 and the conductor 366.
  • an insulator 370, an insulator 372, and an insulator 374 are sequentially stacked.
  • a conductor 376 is formed in the insulator 370, the insulator 372, and the insulator 374.
  • the conductor 376 functions as a plug or a wire. Note that the conductor 376 can be formed using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • an insulator having a barrier property to hydrogen is preferably used.
  • the conductor 376 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen.
  • a conductor having a barrier to hydrogen is preferably formed in an opening portion of the insulator 370 having a barrier to hydrogen.
  • a wiring layer may be provided over the insulator 374 and the conductor 376.
  • an insulator 380, an insulator 382, and an insulator 384 are sequentially stacked.
  • a conductor 386 is formed in the insulator 380, the insulator 382, and the insulator 384.
  • the conductor 386 functions as a plug or a wiring. Note that the conductor 386 can be formed using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • the conductor 386 preferably includes a conductor having a barrier property to hydrogen.
  • a conductor having a barrier to hydrogen is formed in an opening of the insulator 380 having a barrier to hydrogen.
  • the memory device according to this embodiment It is not limited to this.
  • the number of wiring layers similar to the wiring layer including the conductor 356 may be three or less, or five or more.
  • An insulator 210, an insulator 212, an insulator 214, and an insulator 216 are sequentially stacked over the insulator 384.
  • a material having a barrier property to oxygen or hydrogen is preferably used.
  • the insulator 210 and the insulator 214 for example, a film having a barrier property to prevent diffusion of hydrogen and impurities from the region where the substrate 311 or the transistor 300 is provided to the region where the transistor 200 is provided Is preferred. Therefore, the same material as the insulator 324 can be used.
  • silicon nitride formed by a CVD method can be used as an example of a film having a barrier property to hydrogen.
  • silicon nitride formed by a CVD method when hydrogen diffuses into a semiconductor element including an oxide semiconductor such as the transistor 200, the characteristics of the semiconductor element may be reduced. Therefore, it is preferable to use a film which suppresses the diffusion of hydrogen between the transistor 200 and the transistor 300.
  • the film that suppresses the diffusion of hydrogen is a film with a small amount of desorption of hydrogen.
  • a metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used for the insulator 210 and the insulator 214.
  • aluminum oxide has a high blocking effect of preventing permeation of the film against both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture which cause fluctuation of the electrical characteristics of the transistor.
  • aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed in the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. Further, release of oxygen from the oxide of the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable to be used as a protective film for the transistor 200.
  • the same material as the insulator 320 can be used.
  • a material having a relatively low relative dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.
  • a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used as the insulator 212 and the insulator 216.
  • the conductor 218, the conductor included in the transistor 200, and the like are embedded.
  • the conductor 218 has a function as a plug electrically connected to the capacitor 100 or the transistor 300, or a wiring.
  • the conductor 218 can be formed using a material similar to the conductor 328 and the conductor 330.
  • the conductor 218 in a region in contact with the insulator 210 and the insulator 214 is preferably a conductor having a barrier property to oxygen, hydrogen, and water.
  • the transistor 300 and the transistor 200 can be separated by a layer having a barrier property to oxygen, hydrogen, and water, and diffusion of hydrogen from the transistor 300 to the transistor 200 can be suppressed.
  • the transistor 200 is provided above the insulator 216. Note that as a structure of the transistor 200, a structure of a transistor included in the semiconductor device described in the above embodiment may be used.
  • the transistor 200 illustrated in FIG. 38 is an example, and is not limited to the structure. An appropriate transistor may be used in accordance with the circuit configuration and the driving method.
  • An insulator 280 is provided above the transistor 200.
  • An insulator 282 is provided on the insulator 280.
  • a substance having a barrier property to oxygen or hydrogen is preferably used. Therefore, for the insulator 282, the same material as the insulator 214 can be used.
  • metal oxide such as aluminum oxide, hafnium oxide, or tantalum oxide is preferably used.
  • aluminum oxide has a high blocking effect of preventing permeation of the film against both oxygen and impurities such as hydrogen and moisture which cause fluctuation of the electrical characteristics of the transistor.
  • aluminum oxide can prevent impurities such as hydrogen and moisture from being mixed in the transistor 200 during and after the manufacturing process of the transistor. Further, release of oxygen from the oxide of the transistor 200 can be suppressed. Therefore, it is suitable to be used as a protective film for the transistor 200.
  • an insulator 283 is provided over the insulator 282.
  • the insulator 283 can use the same material as the insulator 320.
  • a material having a relatively low relative dielectric constant as an interlayer film, parasitic capacitance generated between wirings can be reduced.
  • a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or the like can be used as the insulator 283.
  • the conductor 246, the conductor 248, and the like are embedded.
  • the conductor 246 and the conductor 248 function as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300.
  • the conductor 246 and the conductor 248 can be formed using the same material as the conductor 328 and the conductor 330.
  • the capacitive element 100 includes a conductor 110, a conductor 120, and an insulator 130.
  • the conductor 112 may be provided over the conductor 246 and the conductor 248.
  • the conductor 112 functions as a plug or a wiring electrically connected to the capacitor 100, the transistor 200, or the transistor 300.
  • the conductor 110 functions as an electrode of the capacitor 100. Note that the conductor 112 and the conductor 110 can be formed at the same time.
  • a tantalum nitride film, a titanium nitride film, a molybdenum nitride film, a tungsten nitride film, or the like can be used.
  • indium tin oxide indium oxide including tungsten oxide, indium zinc oxide including tungsten oxide, indium oxide including titanium oxide, indium tin oxide including titanium oxide, indium zinc oxide, silicon oxide
  • Conductive materials such as indium tin oxide can also be used.
  • the conductor 112 and the conductor 110 are illustrated in a single-layer structure in FIG. 38, the structure is not limited to this structure, and a stacked structure of two or more layers may be used. For example, between a conductor having a barrier property and a conductor having high conductivity, a conductor having high adhesion to a conductor having a barrier property and a conductor having high conductivity may be formed.
  • an insulator 130 is provided over the conductor 112 and the conductor 110 as a dielectric of the capacitor 100.
  • the insulator 130 may be, for example, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum oxide nitride, aluminum oxynitride, aluminum nitride oxide, aluminum nitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, hafnium oxynitride, hafnium oxide, etc. It may be used, and it can be provided in a stack or a single layer.
  • the capacitor 100 can improve the dielectric strength and can suppress electrostatic breakdown of the capacitor 100 by including the insulator 130.
  • the conductor 120 is provided over the insulator 130 so as to overlap with the conductor 110.
  • a conductive material such as a metal material, an alloy material, or a metal oxide material can be used. It is preferable to use a high melting point material such as tungsten or molybdenum which achieves both heat resistance and conductivity, and it is particularly preferable to use tungsten.
  • tungsten In the case of forming simultaneously with other structures such as a conductor, Cu (copper) or Al (aluminum) or the like which is a low resistance metal material may be used.
  • An insulator 150 is provided over the conductor 120 and the insulator 130.
  • the insulator 150 can be provided using a material similar to that of the insulator 320.
  • the insulator 150 may function as a planarizing film which covers the uneven shape below it.
  • a transistor including an oxide semiconductor in a semiconductor device using a transistor including an oxide semiconductor, variation in electrical characteristics can be suppressed and reliability can be improved.
  • a transistor including an oxide semiconductor with high on-state current can be provided.
  • a transistor including an oxide semiconductor with low off current can be provided.
  • a semiconductor device with low power consumption can be provided.
  • FIG. 40 is a cross-sectional view of a memory device including the capacitor 100, the transistor 200, and the transistor 300.
  • the same reference numerals are applied to components having the same functions as the semiconductor device shown in the above embodiment and ⁇ structure of memory device 1> and the components constituting the memory device. Note.
  • the storage device shown in FIG. 40 differs from the storage device shown in ⁇ Structure of Storage Device 1> in that the cell 600 described in the above embodiment is provided.
  • the memory device illustrated in FIG. 40 includes the cell 600 in which a part of the structure is shared by the capacitor 100 and the transistor 200.
  • the projected area of the memory device can be reduced by overlapping part or all of the cell 600 and the transistor 300. Therefore, miniaturization or high integration of the cell 600 is facilitated. In addition, the process can be shortened.
  • Embodiment 4 a transistor using an oxide as a semiconductor (hereinafter, referred to as an OS transistor) and a storage device to which a capacitor is applied according to one embodiment of the present invention with reference to FIGS. 41 to 43.
  • OS transistor oxide as a semiconductor
  • NOSRAM registered trademark
  • NOSRAM is an abbreviation of "nonvolatile oxide semiconductor RAM” and refers to a RAM having memory cells of gain cell type (2T type, 3T type).
  • a memory device using an OS transistor such as a NOSRAM may be referred to as an OS memory.
  • OS memory a memory device in which an OS transistor is used for a memory cell is applied.
  • the OS memory is a memory that has at least a capacitor and an OS transistor that controls charging and discharging of the capacitor. Since the OS transistor is a transistor with extremely small off current, the OS memory has excellent retention characteristics and can function as a non-volatile memory.
  • the NOSRAM 1600 shown in FIG. 41 includes a memory cell array 1610, a controller 1640, a row driver 1650, a column driver 1660, and an output driver 1670.
  • the NOSRAM 1600 is a multivalued NOSRAM that stores multivalued data in one memory cell.
  • the memory cell array 1610 has a plurality of memory cells 1611, a plurality of word lines WWL and RWL, a bit line BL, and a source line SL.
  • the word line WWL is a write word line
  • the word line RWL is a read word line.
  • 3-bit (eight-valued) data is stored in one memory cell 1611.
  • the controller 1640 controls the entire NOSRAM 1600 in a centralized manner, writes the data WDA [31: 0], and reads the data RDA [31: 0].
  • the controller 1640 processes external command signals (for example, a chip enable signal, a write enable signal, etc.) to generate control signals for the row driver 1650, the column driver 1660 and the output driver 1670.
  • the row driver 1650 has a function of selecting a row to access.
  • the row driver 1650 includes a row decoder 1651 and a word line driver 1652.
  • Column driver 1660 drives source line SL and bit line BL.
  • the column driver 1660 includes a column decoder 1661, a write driver 1662, and a DAC (digital-to-analog conversion circuit) 1663.
  • the DAC 1663 converts 3-bit digital data into an analog voltage.
  • the DAC 1663 converts 32-bit data WDA [31: 0] into analog voltages every three bits.
  • the write driver 1662 has a function of precharging the source line SL, a function of electrically floating the source line SL, a function of selecting the source line SL, and an input of the write voltage generated by the DAC 1663 to the selected source line SL.
  • the output driver 1670 includes a selector 1671, an ADC (analog-digital conversion circuit) 1672, and an output buffer 1673.
  • the selector 1671 selects the source line SL to be accessed, and transmits the voltage of the selected source line SL to the ADC 1672.
  • the ADC 1672 has a function of converting an analog voltage into 3-bit digital data. The voltage of the source line SL is converted into 3-bit data in the ADC 1672, and the output buffer 1673 holds the data output from the ADC 1672.
  • the configurations of the row driver 1650, the column driver 1660, and the output driver 1670 described in this embodiment are not limited to the above. Arrangements of these drivers and wirings connected to the drivers may be changed according to the configuration or driving method of the memory cell array 1610 or the like, or functions of the drivers and wirings connected to the drivers are changed Or you may add. For example, part of the functions of the source line SL may be provided to the bit line BL.
  • each memory cell 1611 is 3 bits in the above description, the configuration of the storage device described in this embodiment is not limited to this.
  • the amount of information held by each memory cell 1611 may be 2 bits or less, or 4 bits or more.
  • the DAC 1663 and the ADC 1672 may not be provided.
  • FIG. 42A is a circuit diagram showing a configuration example of the memory cell 1611.
  • the memory cell 1611 is a 2T-type gain cell, and the memory cell 1611 is electrically connected to the word lines WWL and RWL, the bit line BL, the source line SL, and the wiring BGL.
  • the memory cell 1611 includes a node SN, an OS transistor MO61, a transistor MP61, and a capacitive element C61.
  • the OS transistor MO61 is a write transistor.
  • the transistor MP61 is a read transistor, and is formed of, for example, a p-channel Si transistor.
  • the capacitive element C61 is a holding capacitance for holding the voltage of the node SN.
  • the node SN is a data holding node and corresponds to the gate of the transistor MP61 here.
  • the NOSRAM 1600 can hold data for a long time.
  • bit line WBL functioning as a writing bit line and the reading bit line
  • a functional bit line RBL may be provided.
  • FIGS. 42C to 42E show other configuration examples of the memory cell.
  • 42C-FIG. 42E show an example in which the bit line WBL for writing and the bit line RBL for reading are provided, but as shown in FIG. 42A, they are shared by writing and reading. Bit lines may be provided.
  • a memory cell 1612 shown in FIG. 42C is a modified example of the memory cell 1611, and the read transistor is changed to an n-channel transistor (MN 61).
  • the transistor MN61 may be an OS transistor or a Si transistor.
  • the OS transistor MO61 may be an OS transistor without a back gate.
  • the memory cell 1613 shown in FIG. 42D is a 3T type gain cell, and is electrically connected to the word lines WWL and RWL, the bit lines WBL and RBL, the source line SL, and the wirings BGL and PCL.
  • the memory cell 1613 includes a node SN, an OS transistor MO62, a transistor MP62, a transistor MP63, and a capacitor C62.
  • the OS transistor MO62 is a write transistor.
  • the transistor MP62 is a read transistor, and the transistor MP63 is a selection transistor.
  • a memory cell 1614 shown in FIG. 42E is a modification of the memory cell 1613, in which the read transistor and the select transistor are changed to n-channel transistors (MN62 and MN63).
  • the transistors MN62 and MN63 may be OS transistors or Si transistors.
  • the OS transistors provided in the memory cells 1611-1614 may be transistors without back gates or may be transistors with back gates.
  • NOR type memory device in which memory cells 1611 and the like are connected in parallel is described, but the memory device described in this embodiment is not limited to this.
  • NAND memory device in which memory cells 1615 as shown below are connected in series may be used.
  • FIG. 43 is a circuit diagram showing a configuration example of a NAND type memory cell array 1610.
  • the memory cell array 1610 shown in FIG. 43 includes a source line SL, a bit line RBL, a bit line WBL, a word line WWL, a word line RWL, a wiring BGL, and a memory cell 1615.
  • the memory cell 1615 includes a node SN, an OS transistor MO63, a transistor MN64, and a capacitive element C63.
  • the transistor MN64 is formed of, for example, an n-channel Si transistor.
  • the transistor MN 64 may be a p-channel Si transistor or an OS transistor.
  • the memory cell 1615a and the memory cell 1615b illustrated in FIG. 43 will be described as an example.
  • reference numerals of a wiring or a circuit element connected to either the memory cell 1615 a or the memory cell 1615 b are denoted by a or b.
  • the gate of the transistor MN64a, one of the source and the drain of the OS transistor MO63a, and one of the electrodes of the capacitive element C63a are electrically connected. Further, the bit line WBL and the other of the source and the drain of the OS transistor MO63a are electrically connected. In addition, the word line WWLa and the gate of the OS transistor MO63a are electrically connected. Further, the wiring BGLa and the back gate of the OS transistor MO63a are electrically connected. The word line RWLa and the other of the electrodes of the capacitive element C 63 a are electrically connected.
  • the memory cell 1615 b can be provided symmetrically with the memory cell 1615 a with the contact portion with the bit line WBL as an axis of symmetry. Accordingly, the circuit element included in the memory cell 1615 b is also connected to the wiring in the same manner as the memory cell 1615 a.
  • the source of the transistor MN64a included in the memory cell 1615a is electrically connected to the drain of the transistor MN64b in the memory cell 1615b.
  • the drain of the transistor MN64a included in the memory cell 1615a is electrically connected to the bit line RBL.
  • the source of the transistor MN64b included in the memory cell 1615b is electrically connected to the source line SL through the transistor MN64 included in the plurality of memory cells 1615.
  • the plurality of transistors MN64 are connected in series between the bit line RBL and the source line SL.
  • the memory device having the memory cell array 1610 shown in FIG. 43 performs the write operation and the read operation for each of a plurality of memory cells (hereinafter referred to as a memory cell column) connected to the same word line WWL (or word line RWL).
  • the write operation can be performed as follows. A potential at which the OS transistor MO63 is turned on is applied to the word line WWL connected to the memory cell column to be written, and the OS transistor MO63 of the memory cell column to be written is turned on. Thereby, the potential of the bit line WBL is applied to one of the gate of the transistor MN64 of the designated memory cell column and the electrode of the capacitive element C63, and a predetermined charge is applied to the gate. Then, when the OS transistor MO63 of the memory cell column is turned off, the predetermined charge given to the gate can be held. Thus, data can be written to the memory cell 1615 of the specified memory cell column.
  • the read operation can be performed as follows. First, to a word line RWL not connected to a memory cell column to be read, a potential that turns on the transistor MN64 regardless of the charge applied to the gate of the transistor MN64 is applied to read a memory cell column The other transistors MN64 are turned on. Then, a potential (read potential) is applied to the word line RWL connected to the memory cell column to be read by the charge of the gate of the transistor MN64 so that the on state or the off state of the transistor MN64 is selected. Then, a constant potential is applied to the source line SL, and the reading circuit connected to the bit line RBL is brought into an operating state.
  • the conductance between the source line SL and the bit line RBL is for reading It is determined by the state (on state or off state) of the transistor MN64 of the memory cell column.
  • the conductance of the transistor differs depending on the charge of the gate of the transistor MN64 in the memory cell column to be read, and accordingly, the potential of the bit line RBL takes a different value.
  • Information can be read out from the memory cell 1615 of the specified memory cell column by reading out the potential of the bit line RBL by the reading circuit.
  • the number of times of rewriting is in principle not limited, and data can be written and read with low energy.
  • the refresh frequency can be reduced.
  • the transistor 200 is used as the OS transistors MO61, MO62, and MO63
  • the capacitor 100 is used as the capacitors C61, C62, and C63.
  • the transistor 300 can be used as the transistors MP61, MP62, MP63, MN61, MN62, MN63, and MN64.
  • DOSRAM a transistor using an oxide as a semiconductor
  • a storage device to which a capacitor is applied according to one embodiment of the present invention with reference to FIGS. 44 and 45.
  • DOSRAM registered trademark
  • DOSRAM is an abbreviation of "Dynamic Oxide Semiconductor RAM” and refers to a RAM having 1T (transistor) 1C (capacitance) type memory cells.
  • OS memory a memory device in which an OS transistor is used for a memory cell is applied.
  • the OS memory is a memory that has at least a capacitor and an OS transistor that controls charging and discharging of the capacitor. Since the OS transistor is a transistor with extremely small off current, the OS memory has excellent retention characteristics and can function as a non-volatile memory.
  • FIG. 44 shows a configuration example of the DOSRAM.
  • the DOSRAM 1400 has a controller 1405, a row circuit 1410, a column circuit 1415, a memory cell and a sense amplifier array 1420 (hereinafter referred to as "MC-SA array 1420").
  • the row circuit 1410 includes a decoder 1411, a word line driver circuit 1412, a column selector 1413, and a sense amplifier driver circuit 1414.
  • the column circuit 1415 has a global sense amplifier array 1416 and an input / output circuit 1417.
  • the global sense amplifier array 1416 has a plurality of global sense amplifiers 1447.
  • the MC-SA array 1420 has a memory cell array 1422, a sense amplifier array 1423, and global bit lines GBLL and GBLR.
  • the MC-SA array 1420 has a stacked structure in which the memory cell array 1422 is stacked on the sense amplifier array 1423.
  • Global bit lines GBLL and GBLR are stacked on memory cell array 1422.
  • a hierarchical bit line structure hierarchized by local bit lines and global bit lines is adopted as the structure of bit lines.
  • Memory cell array 1422 includes N (N is an integer of 2 or more) local memory cell arrays 1425 ⁇ 0> -1425 ⁇ N-1>.
  • FIG. 45A shows a configuration example of the local memory cell array 1425.
  • the local memory cell array 1425 has a plurality of memory cells 1445, a plurality of word lines WL, and a plurality of bit lines BLL and BLR.
  • the structure of the local memory cell array 1425 is an open bit line type, but may be a folded bit line type.
  • FIG. 45B shows a circuit configuration example of a pair of memory cells 1445a and 1445b connected to a common bit line BLL (BLR).
  • the memory cell 1445a includes a transistor MW1a, a capacitive element CS1a, and terminals B1a and B2a, and is connected to the word line WLa and the bit line BLL (BLR).
  • the memory cell 1445 b has a transistor MW 1 b, a capacitive element CS 1 b, terminals B 1 b and B 2 b, and is connected to the word line WLb and the bit line BLL (BLR). Note that, in the following, when one of the memory cell 1445a and the memory cell 1445b is not particularly limited, the memory cell 1445 and the configuration attached to the memory cell 1445 may not be denoted by the symbol a or b.
  • the transistor MW1a has a function of controlling charging and discharging of the capacitive element CS1a
  • the transistor MW1b has a function of controlling charging and discharging of the capacitive element CS1b.
  • the gate of transistor MW1a is electrically connected to word line WLa, the first terminal is electrically connected to bit line BLL (BLR), and the second terminal is electrically connected to the first terminal of capacitive element CS1a.
  • the gate of transistor MW1b is electrically connected to word line WLb, the first terminal is electrically connected to bit line BLL (BLR), and the second terminal is electrically connected to the first terminal of capacitive element CS1b. It is done.
  • the second terminal of the capacitive element CS1 is electrically connected to the terminal B2.
  • a constant voltage (for example, low power supply voltage) is input to the terminal B2.
  • the transistor 200a is used as the transistor MW1a
  • the transistor 200b is used as the transistor MW1b
  • the capacitor 100a is used as the capacitor CS1a and the capacitor 100b is used as the capacitor CS1b.
  • the area occupied by the pair of the transistor and the capacitor in top view can be reduced, so that the memory device according to this embodiment can be highly integrated. Therefore, the storage capacity per unit area of the storage device according to the present embodiment can be increased.
  • the transistor MW1 has a back gate, and the back gate is electrically connected to the terminal B1. Therefore, the threshold voltage of the transistor MW1 can be changed by the voltage of the terminal B1.
  • the voltage of the terminal B1 may be a fixed voltage (for example, a negative constant voltage), or the voltage of the terminal B1 may be changed according to the operation of the DOS RAM 1400.
  • the back gate of the transistor MW1 may be electrically connected to the gate, the first terminal, or the second terminal of the transistor MW1. Alternatively, the transistor MW1 may not be provided with a back gate.
  • Sense amplifier array 1423 includes N local sense amplifier arrays 1426 ⁇ 0> to 1426 ⁇ N-1>.
  • the local sense amplifier array 1426 includes one switch array 1444 and a plurality of sense amplifiers 1446.
  • a bit line pair is electrically connected to sense amplifier 1446.
  • the sense amplifier 1446 has a function of precharging the bit line pair, a function of amplifying a voltage difference between the bit line pair, and a function of holding the voltage difference.
  • the switch array 1444 has a function of selecting a bit line pair and conducting between the selected bit line pair and the global bit line pair.
  • bit line pair means two bit lines which are simultaneously compared by the sense amplifier.
  • the global bit line pair refers to two global bit lines which are simultaneously compared by the global sense amplifier.
  • a bit line pair can be called a pair of bit lines, and a global bit line pair can be called a pair of global bit lines.
  • bit line BLL and the bit line BLR form a pair of bit lines.
  • Global bit line GBLL and global bit line GBLR form a pair of global bit lines.
  • bit line pair (BLL, BLR) and the global bit line pair (GBLL, GBLR) are also referred to.
  • the controller 1405 has a function of controlling the overall operation of the DOS RAM 1400.
  • the controller 1405 performs a logical operation on an externally input command signal to determine an operation mode, and generates a control signal for the row circuit 1410 and the column circuit 1415 so that the determined operation mode is executed. And a function of holding an address signal input from the outside, and a function of generating an internal address signal.
  • the row circuit 1410 has a function of driving the MC-SA array 1420.
  • the decoder 1411 has a function of decoding an address signal.
  • the word line driver circuit 1412 generates a selection signal for selecting the word line WL in the access target row.
  • the column selector 1413 and the sense amplifier driver circuit 1414 are circuits for driving the sense amplifier array 1423.
  • the column selector 1413 has a function of generating a selection signal for selecting a bit line of the access target column.
  • the selection signal of column selector 1413 controls switch array 1444 of each local sense amplifier array 1426.
  • the control signals of the sense amplifier driver circuit 1414 drive the plurality of local sense amplifier arrays 1426 independently.
  • Column circuit 1415 has a function of controlling an input of data signal WDA [31: 0] and a function of controlling an output of data signal RDA [31: 0].
  • the data signal WDA [31: 0] is a write data signal
  • the data signal RDA [31: 0] is a read data signal.
  • Global sense amplifier 1447 is electrically connected to global bit line pair (GBLL, GBLR).
  • the global sense amplifier 1447 has a function of amplifying a voltage difference between the global bit line pair (GBLL, GBLR) and a function of holding this voltage difference. Writing and reading of data to the global bit line pair (GBLL, GBLR) are performed by the input / output circuit 1417.
  • Data is written to the global bit line pair by input / output circuit 1417.
  • Data of the global bit line pair is held by the global sense amplifier array 1416.
  • the data of the global bit line pair is written to the bit line pair of the target column by the switch array 1444 of the local sense amplifier array 1426 specified by the address signal.
  • the local sense amplifier array 1426 amplifies and holds the written data.
  • the row circuit 1410 selects the word line WL of the target row, and the data held by the local sense amplifier array 1426 is written to the memory cell 1445 of the selected row.
  • One row of the local memory cell array 1425 is designated by the address signal.
  • the word line WL in the target row is selected, and the data of the memory cell 1445 is written to the bit line.
  • the local sense amplifier array 1426 detects and holds the voltage difference of the bit line pair of each column as data.
  • data in the column designated by the address signal is written to the global bit line pair by switch array 1444.
  • Global sense amplifier array 1416 detects and holds data of global bit line pairs. The held data of the global sense amplifier array 1416 is output to the input / output circuit 1417. Thus, the read operation is completed.
  • the number of times of rewriting is not limited in principle in the DOSRAM 1400, and data can be written and read with low energy.
  • the circuit configuration of the memory cell 1445 is simple, the capacity can be easily increased.
  • the transistor MW1 is an OS transistor. Since the off-state current of the OS transistor is extremely small, charge leakage from the capacitive element CS1 can be suppressed. Therefore, the retention time of the DOS RAM 1400 is very long compared to the DRAM. Therefore, since the frequency of refresh can be reduced, the power required for the refresh operation can be reduced. Therefore, the DOSRAM 1400 is suitable for a memory device that rewrites a large amount of data with high frequency, for example, a frame memory used for image processing.
  • bit lines can be shortened to a length approximately equal to the length of local sense amplifier array 1426. By shortening the bit line, the bit line capacitance can be reduced and the storage capacitance of the memory cell 1445 can be reduced. Further, by providing the switch array 1444 in the local sense amplifier array 1426, the number of long bit lines can be reduced. From the above reasons, the load driven at the time of access to the DOS RAM 1400 is reduced, and power consumption can be reduced.
  • FIG. 46 is a block diagram showing a configuration example of the AI system 4041.
  • the AI system 4041 includes an operation unit 4010, a control unit 4020, and an input / output unit 4030.
  • the operation unit 4010 includes an analog operation circuit 4011, a DOSRAM 4012, a NOSRAM 4013, and an FPGA 4014.
  • the DOSRAM 1400 and the NOSRAM 1600 described in the above embodiment can be used as the DOSRAM 4012 and the NOSRAM 4013.
  • the control unit 4020 includes a central processing unit (CPU) 4021, a graphics processing unit (GPU) 4022, a phase locked loop (PLL) 4023, a static random access memory (SRAM) 4024, and a programmable read only memory (PROM) 4025. , A memory controller 4026, a power supply circuit 4027, and a PMU (Power Management Unit) 4028.
  • CPU central processing unit
  • GPU graphics processing unit
  • PLL phase locked loop
  • SRAM static random access memory
  • PROM programmable read only memory
  • the input / output unit 4030 includes an external storage control circuit 4031, an audio codec 4032, a video codec 4033, a general purpose input / output module 4034, and a communication module 4035.
  • the operation unit 4010 can execute learning or inference by a neural network.
  • the analog operation circuit 4011 includes an A / D (analog / digital) conversion circuit, a D / A (digital / analog) conversion circuit, and a product-sum operation circuit.
  • the analog arithmetic circuit 4011 is preferably formed using an OS transistor.
  • the analog operation circuit 4011 using the OS transistor has an analog memory, and can perform the product-sum operation necessary for learning or inference with low power consumption.
  • the DOSRAM 4012 is a DRAM formed using an OS transistor, and the DOSRAM 4012 is a memory for temporarily storing digital data sent from the CPU 4021.
  • the DOSRAM 4012 has a memory cell including an OS transistor and a read out circuit unit including an Si transistor. Since the memory cell and the read out circuit portion can be provided in different stacked layers, the DOSRAM 4012 can reduce the entire circuit area.
  • Calculations using neural networks may have more than 1000 input data.
  • the SRAM 4024 has a limited circuit area and has a small storage capacity, so the input data can not but be divided and stored.
  • the DOSRAM 4012 can arrange memory cells in a highly integrated manner even with a limited circuit area, and has a larger storage capacity than the SRAM 4024. Therefore, the DOS RAM 4012 can store the input data efficiently.
  • the NOSRAM 4013 is a non-volatile memory using an OS transistor.
  • the NOSRAM 4013 consumes less power when writing data as compared to other non-volatile memories such as flash memory, ReRAM (Resistive Random Access Memory) and MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory).
  • flash memory ReRAM (Resistive Random Access Memory)
  • MRAM Magneticoresistive Random Access Memory
  • the NOSRAM 4013 can store multi-value data of 2 bits or more in addition to 1-bit binary data.
  • the NOSRAM 4013 can reduce the memory cell area per bit by storing multi-value data.
  • the NOSRAM 4013 can store analog data. Therefore, the analog operation circuit 4011 can also use the NOSRAM 4013 as an analog memory. Since the NOSRAM 4013 can store analog data as it is, no D / A conversion circuit or A / D conversion circuit is required. Therefore, the NOSRAM 4013 can reduce the area of peripheral circuits.
  • analog data refers to data having a resolution of 3 bits (eight values) or more. The above-mentioned multi-value data may be included in the analog data.
  • Data and parameters used for neural network calculations can be temporarily stored in the NOSRAM 4013.
  • the above data and parameters may be stored in a memory provided outside the AI system 4041 via the CPU 4021.
  • the NOSRAM 4013 provided inside has higher speed and lower power consumption than the data and parameters. Can be stored. Further, since the NOSRAM 4013 can make the bit line longer than the DOS RAM 4012, the storage capacity can be increased.
  • the FPGA 4014 is an FPGA using an OS transistor.
  • the FPGA according to this embodiment can apply OS memory to configuration memory and registers.
  • OS-FPGA Such an FPGA is called "OS-FPGA”.
  • the AI system 4041 uses the FPGA 4014 to describe deep neural networks (DNN), convolutional neural networks (CNN), recursive neural networks (RNN), self-coder, deep Boltzmann machine (DBM), deep belief, which will be described later. Connections of neural networks, such as networks (DBNs) can be configured in hardware. The connection of the above neural network can be implemented at higher speed by configuring it with hardware.
  • the FPGA 4014 is an OS-FPGA.
  • the OS-FPGA can have a smaller memory area than an FPGA configured with an SRAM. Therefore, even if the context switching function is added, the area increase is small. Also, the OS-FPGA can transmit data and parameters at high speed by boosting.
  • the AI system 4041 can provide the analog operation circuit 4011, the DOSRAM 4012, the NOSRAM 4013, and the FPGA 4014 on one die (chip). Therefore, the AI system 4041 can perform neural network calculations at high speed and low power consumption. Further, the analog arithmetic circuit 4011, the DOSRAM 4012, the NOSRAM 4013, and the FPGA 4014 can be manufactured by the same manufacturing process. Therefore, the AI system 4041 can be manufactured at low cost.
  • the arithmetic unit 4010 need not have all the DOS RAM 4012, the NOSRAM 4013, and the FPGA 4014.
  • One or more of the DOSRAM 4012, the NOSRAM 4013, and the FPGA 4014 may be selected and provided in accordance with the problem that the AI system 4041 wants to solve.
  • the AI system 4041 can perform deep neural network (DNN), convolutional neural network (CNN), recursive neural network (RNN), self-coder, deep Boltzmann machine (DBM), deep belief network ( Methods such as DBN) can be implemented.
  • the PROM 4025 can store programs for performing at least one of these techniques. In addition, part or all of the program may be stored in the NOSRAM 4013.
  • the AI system 4041 preferably includes a GPU 4022.
  • the AI system 4041 can execute the product-sum operation that is rate-limiting in the operation unit 4010 and can execute the other product-sum operations in the GPU 4022. By doing so, learning and inference can be performed at high speed.
  • the power supply circuit 4027 not only generates a low power supply potential for a logic circuit, but also performs potential generation for analog operation.
  • the power supply circuit 4027 may use an OS memory.
  • the power supply circuit 4027 can reduce power consumption by storing the reference potential in the OS memory.
  • the PMU 4028 has a function of temporarily turning off the power supply of the AI system 4041.
  • the CPU 4021 and the GPU 4022 preferably have OS memory as a register.
  • OS memory By having the OS memory, the CPU 4021 and the GPU 4022 can keep data (logical value) in the OS memory even when the power supply is turned off. As a result, the AI system 4041 can save power.
  • the PLL 4023 has a function of generating a clock.
  • the AI system 4041 operates based on the clock generated by the PLL 4023.
  • the PLL 4023 preferably has an OS memory.
  • the PLL 4023 having an OS memory can hold an analog potential for controlling the oscillation cycle of the clock.
  • the AI system 4041 may store data in an external memory such as DRAM. Therefore, the AI system 4041 preferably has a memory controller 4026 that functions as an interface with an external DRAM. In addition, the memory controller 4026 is preferably disposed near the CPU 4021 or the GPU 4022. By doing so, it is possible to exchange data at high speed.
  • Part or all of the circuits illustrated in the control unit 4020 can be formed over the same die as the computing unit 4010. By doing so, the AI system 4041 can perform neural network calculations at high speed and low power consumption.
  • the AI system 4041 preferably includes an external storage control circuit 4031 that functions as an interface with an external storage device.
  • the AI system 4041 includes a voice codec 4032 and a video codec 4033.
  • the audio codec 4032 encodes (decodes) and decodes (decodes) audio data
  • the video codec 4033 encodes and decodes video data.
  • the AI system 4041 can perform learning or inference using data obtained from an external sensor. Therefore, the AI system 4041 has a general purpose input / output module 4034.
  • the general-purpose input / output module 4034 includes, for example, Universal Serial Bus (USB), Inter-Integrated Circuit (I2C), and the like.
  • the AI system 4041 can perform learning or inference using data obtained via the Internet. Therefore, the AI system 4041 preferably has a communication module 4035.
  • the analog operation circuit 4011 may use a multi-level flash memory as an analog memory.
  • the flash memory is limited in the number of rewrites.
  • the analog arithmetic circuit 4011 may use ReRAM as an analog memory.
  • ReRAM is limited in the number of times of rewriting, and there is a problem in storage accuracy.
  • the element since the element has two terminals, the circuit design that separates writing and reading of data becomes complicated.
  • the analog operation circuit 4011 may use an MRAM as an analog memory.
  • the MRAM has a low rate of change in resistance, and has problems in storage accuracy.
  • the analog arithmetic circuit 4011 use the OS memory as an analog memory.
  • FIG. 47A shows an AI system 4041A in which the AI systems 4041 described with reference to FIG. 46 are arranged in parallel to enable transmission and reception of signals between the systems via a bus line.
  • An AI system 4041A illustrated in FIG. 47A includes a plurality of AI systems 4041_1 to AI systems 4041 — n (n is a natural number).
  • the AI systems 4041_1 to AI systems 4041 — n are connected to one another via a bus line 4098.
  • FIG. 47B is an AI system 4041B in which the AI systems 4041 described in FIG. 46 are arranged in parallel in the same manner as FIG. 47A, enabling transmission and reception of signals between systems via a network. is there.
  • An AI system 4041B illustrated in FIG. 47B includes a plurality of AI systems 4041_1 to AI systems 4041 — n.
  • the AI systems 4041_1 to AI systems 4041 — n are connected to one another via a network 4099.
  • the network 4099 may be provided with a communication module for each of the AI systems 4041_1 to 4041_n to perform communication by wireless or wired communication.
  • the communication module can communicate via the antenna.
  • the Internet intranet, extranet, PAN (Personal Area Network), LAN (Local Area Network), CAN (Campus Area Network), MAN (Metropolitan Area Network), WAN (Wide Area), which is the foundation of the World Wide Web (WWW).
  • Communication can be performed by connecting each electronic device to a computer network such as Network) or GAN (Global Area Network).
  • LTE Long Term Evolution
  • GSM Global System for Mobile Communication
  • EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
  • CDMA2000 Code Division Multiple Access 2000
  • W-CDMA registered trademark
  • IEEE Wi-Fi
  • Bluetooth registered trademark
  • ZigBee registered trademark
  • analog signals obtained by an external sensor or the like can be processed by different AI systems.
  • information such as brain waves, pulse, blood pressure, and body temperature may be acquired by various sensors such as brain wave sensors, pulse wave sensors, blood pressure sensors, and temperature sensors, and analog signals may be processed by separate AI systems. it can.
  • processing or learning signals in each of the separate AI systems it is possible to reduce the amount of information processing per AI system. Therefore, signal processing or learning can be performed with a smaller amount of calculation. As a result, recognition accuracy can be enhanced. From information obtained by each AI system, it can be expected that complex changing biological information can be integrated and grasped in an instant.
  • Embodiment Mode 8 This embodiment mode shows an example of an IC in which the AI system shown in the above embodiment mode is incorporated.
  • the AI system described in the above embodiment integrates a digital processing circuit consisting of a Si transistor such as a CPU, an analog operation circuit using an OS transistor, an OS memory such as an OS-FPGA and DOSRAM, NOSRAM, etc. into one die. be able to.
  • FIG. 48 shows an example of an IC incorporating an AI system.
  • An AI system IC 7000 shown in FIG. 48 has a lead 7001 and a circuit portion 7003.
  • AI system IC 7000 is mounted on, for example, printed circuit board 7002.
  • a plurality of such IC chips are combined and electrically connected on the printed circuit board 7002 to complete a board (mounting board 7004) on which electronic components are mounted.
  • the various circuits described in the above embodiment are provided in one die.
  • the circuit portion 7003 has a stacked structure and is roughly classified into a Si transistor layer 7031, a wiring layer 7032, and an OS transistor layer 7033. Since the OS transistor layer 7033 can be stacked on the Si transistor layer 7031, the AI system IC 7000 can be easily miniaturized.
  • the QFP Quad Flat Package
  • the aspect of the package is not limited to this.
  • a digital processing circuit such as a CPU, an analog operation circuit using an OS transistor, an OS-FPGA and an OS memory such as DOSRAM or NOSRAM may be formed in the Si transistor layer 7031, the wiring layer 7032 and the OS transistor layer 7033 it can. That is, the elements constituting the above AI system can be formed by the same manufacturing process. Therefore, the IC shown in this embodiment does not need to increase the manufacturing process even if the number of elements is increased, and the above-mentioned AI system can be incorporated at low cost.
  • the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used for various electronic devices.
  • 49 and 50 show specific examples of electronic devices using the semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • a robot 2000 illustrated in FIG. 49A includes an arithmetic device 2001, a sensor 2002, a light 2003, a lift 2004, a driver 2005, and a moving mechanism 2011, and can capture still images and moving images while moving.
  • a robot can be used as a security system or a surveillance system.
  • the robot 2000 may further include a communication unit 2006, a speaker 2007, a microphone 2008, a display unit 2009, a light emitting unit 2010, and the like.
  • the semiconductor device As the arithmetic device 2001, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used.
  • an IC in which the AI system according to one embodiment of the present invention is incorporated can be used.
  • the sensor 2002 has a function as a camera that captures the surroundings of the robot 2000.
  • the light 2003 can be used as a light when the sensor 2002 shoots the surroundings of the robot 2000. Note that the light 2003 preferably functions as a flashlight when shooting a still image with the sensor 2002.
  • the sensor 2002 is connected to the robot main body via the lift 2004.
  • the height of the sensor 2002 can be adjusted by the lift 2004.
  • the lift 2004 is preferably telescopic.
  • the lift 2004 may also be a foldable type constituted by a plurality of booms. Further, since the robot 2000 is provided with the drive unit 2005 and the moving mechanism 2011 connected to the drive unit 2005, the imaging range by the sensor 2002, that is, the monitoring range is expanded, which is preferable.
  • the communication unit 2006 can transmit the information captured by the sensor 2002 to the administrator or a server owned by the administrator.
  • the information captured by the sensor 2002 is analyzed by the computing device 2001, and if it is determined to be a crime, accident, fire, or other emergency, the security company, the police, the fire department, the medical institution, the owner of the land or building I can contact you.
  • the speaker 2007 can transmit information around the robot, such as warning to a criminal, asking an injured person or a sudden sick person, and guiding evacuation.
  • the microphone 2008 can be used to obtain sound around the robot 2000.
  • the robot 2000 can have a function as a telephone by being used in combination with the communication unit 2006 and the speaker 2007. A person around the robot 2000 can talk with a manager or any person.
  • the display unit 2009 can display arbitrary information. In an emergency, disaster information and evacuation routes can be displayed.
  • the robot 2000 can have a function as a videophone by using in combination with the communication unit 2006, the speaker 2007, and the microphone 2008. A person around the robot 2000 can talk with the manager or any person while looking at the display portion 2009.
  • the light emitting unit 2010 can indicate the traveling direction and the stop state of the robot 2000 with characters and light. It may also indicate an emergency.
  • FIG. 49B is a block diagram showing a configuration of the robot 2000.
  • the arithmetic device 2001 performs on / off and lightness adjustment of the light 2003 based on information such as an image obtained by the sensor 2002. Further, the height of the lift 2004 is adjusted, or the drive unit 2005 is controlled, and the alignment of the robot 2000 and the sensor 2002 is performed. Further, the operating condition of the drive unit 2005 can be indicated using the light emitting unit 2010. Further, the communication means 2006 can be used to transmit information around the robot 2000 obtained from the sensor 2002 or the microphone 2008 to a manager or a server owned by the manager. Further, information can be transmitted around the robot 2000 using the speaker 2007 or the display portion 2009 according to the determination of the arithmetic device 2001 or the administrator.
  • the light 2003 may not be provided.
  • an image sensor using selenium (Se) in a light receiving portion can be used.
  • Such a robot 2000 can be used for security of commercial facilities and offices.
  • Information obtained from the sensor 2002 and the microphone 2008 is stored in the arithmetic device 2001 and a server.
  • the stored information is analyzed by the AI system to determine the presence or absence of an abnormality such as loss or damage of an article, intrusion of a suspicious person, or a disaster such as a fire.
  • Deep learning may be used to analyze information. If it is determined that an abnormality has occurred, the robot 2000 contacts the administrator and sends information to the surroundings, and records the surrounding situation.
  • the robot 2000 may also be used to monitor the growth condition of agricultural products.
  • a robot 2000 installed in a rice field or field monitors the shape, size, and color of the leaves or fruits of the crop by using a sensor 2002, and determines whether or not there is disease or adhesion of a pest. Since the robot 2000 is provided with the moving mechanism 2011, the growth status of a wide range of crops can be monitored. In addition, since the robot 2000 is provided with the lift 2004, it is possible to monitor leaves and fruits of any height regardless of the type of crop and the growing condition.
  • the monitoring results are sent to the producer using the communication means 2006, and the producer can determine the type, amount, and application time of fertilizers and pesticides necessary for the crop. Further, the monitoring result may be analyzed by the AI system using the computing device 2001 to determine the type, amount, and application time of fertilizers and pesticides necessary for agricultural products, and may be notified to the producer. Deep learning may be used to analyze the monitoring results.
  • FIG. 50A shows a sorting system 6000 using a robot 6001.
  • the robot 6001 includes an arithmetic unit 6002, a boom 6003, and an arm 6004.
  • the robot 6001 may include a wired or wireless communication unit 6011.
  • the sorting system 6000 also includes a housing 6008 having a sensor 6009.
  • the housing 6008 includes a communication unit 6010.
  • the housing 6008 is provided on the sorting system 6000 or on a ceiling, a wall, or a beam (all not shown) of the sorting work area.
  • the housing 6008 may be provided in the robot 6001.
  • the boom 6003 or the arm 6004 may be provided.
  • the information obtained by the sensor 6009 may be sent to the arithmetic device 6002 and processed without passing through the communication unit 6010 and the communication unit 6011.
  • the boom 6003 is movable, and the arm 6004 can be disposed at a desired position. Further, the arm 6004 may be extendable. After the arm disposed on the desired article 6007 is extended, the desired article 6007 is grasped, and the arm 6004 is contracted, the arm 6004 may be moved by the boom 6003.
  • the sorting system 6000 can move the articles 6007 in the container 6005 to the container 6006.
  • the container 6005 and the container 6006 may have the same shape or different shapes. Further, a plurality of articles 6007 placed in one container 6005 may be moved to a plurality of containers 6006 and distributed.
  • a container, a cardboard box, a box for packing goods, a case, a film, or a bag, a vat for storing food, a lunch box, and the like are used.
  • at least one of the container 6005 and the container 6006 may be a cooker such as a pot or a frying pan.
  • the semiconductor device can be used for the arithmetic device 6002.
  • an IC in which the AI system according to one embodiment of the present invention is incorporated can be used as the arithmetic device 6002 as the arithmetic device 6002.
  • the sensor 6009 reads the position of the container 6005, the position of the container 6006, the inside of the container 6005, and the state of the article 6007 in the container 6005, and transmits information to the arithmetic device 6002 using the communication unit 6010. Transmission of information is wireless or wired. Alternatively, the information may be transmitted by wire without using the communication unit 6010.
  • the arithmetic device 6002 analyzes the transmitted information.
  • the state of the article 6007 refers to a shape, a number, an overlap of the articles 6007, and the like.
  • the arithmetic device 6002 analyzes based on the information from the sensor 6009 and derives detailed information of the article 6007.
  • the three-dimensional shape and stiffness (softness) of the article 6007 are derived by comparison with data stored in the computing device 6002 or a server that can communicate with the robot 6001. Further, the shape of the arm 6004 can be changed from the three-dimensional shape and the rigidity (softness) of the article 6007.
  • Analysis using an AI system can be used to derive detailed information on the article 6007.
  • Deep learning may be used to analyze information.
  • FIG. 50B illustrates an arm in which a pair of plates 6021 moves in the horizontal direction and can sandwich an article 6007. By moving the pair of plates 6021 in the horizontal direction toward the center, the article 6007 can be held. Such an arm can capture an article 6007 in a plane, and is suitable for grasping an article 6007 having a columnar shape, such as a cube or a rectangular parallelepiped.
  • FIG. 50C shows an arm in which the plurality of bars 6022 move in the horizontal direction and can sandwich an article 6007. By moving the plurality of bars 6022 in the horizontal direction toward the center, the article 6007 can be sandwiched.
  • Such an arm can catch an article 6007 at a point, and is suitable for grasping an article 6007 having a spherical shape, or when the form of the article 6007 is not constant, that is, grasping an irregular article 6007.
  • the number of bars 6022 is four in FIG. 50C, the present embodiment is not limited to this. The number of bars 6022 may be three, or five or more.
  • FIG. 50D shows an arm which can hold an article 6007 by rotating a pair of plates 6023 so that they approach each other about a common axis. Such an arm can capture an article 6007 in a plane, and is suitable for grasping an article 6007 having a thin film shape such as paper or film.
  • 50E shows an arm which can pinch an article 6007 by rotating a pair of hook-like plates 6024 so that their tips approach each other about a common axis.
  • Such an arm can catch an article 6007 with a point or a line, and is suitable for grasping an article 6007 having a thin film shape such as paper or film, or an article 6007 having a smaller granular shape .
  • a spatula 6025 may be attached to the tip of the arm to scoop an article 6007 having a smaller granular shape.
  • FIGS. 50A to 50F are examples, and one embodiment of the present invention is not limited to these shapes. Further, the description of the use of each arm is also an example, and one aspect of the present invention is not limited to these descriptions.
  • the robot 6001 moves the boom 6003 based on a signal from the computing device 6002 to move the arm 6004 onto a desired article 6007 in the container 6005.
  • the arm 6004 is extended and the tip of the arm 6004 is lowered to the height of the article 6007.
  • the tip of the arm is moved to grip the desired article 6007.
  • the arm is retracted.
  • the boom 6003 is moved again to move the arm 6004 to the desired position of the container 6006.
  • the arm 6004 may be rotated. Extend arm 6004 and place article 6007 in container 6006, and arm 6004 releases article 6007. The above operation is repeated, and the robot 6001 can move the article 6007 from the container 6005 to the container 6006.
  • the article 6007 can be reliably moved regardless of the shape and stiffness of the article 6007.
  • the article 6007 include not only articles packed in a cube or rectangular box, or a box or case of any shape, but also processed food such as eggs, hamburgs and croquettes, potatoes and tomatoes, etc. Foods such as fixed vegetables, machine parts such as screws and nuts, thin films such as paper and films, etc. may be mentioned.
  • the sorting system 6000 shown in the present embodiment can change the shape of the arm in consideration of the shape and rigidity of the article 6007. Therefore, the article 6007 exemplified above is a container regardless of the shape and rigidity. It can be moved from 6005 to the container 6006.
  • a memory device using the semiconductor device of one embodiment of the present invention can hold control information of the electronic device described above, a control program, and the like for a long time.
  • a highly reliable electronic device can be realized.
  • an IC in which the above-described AI system is incorporated in the arithmetic device of the electronic device described above can be used. Accordingly, the electronic device described in this embodiment can perform appropriate operation according to the situation with low power consumption by the AI system.
  • This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments and the like.
  • FIG. 51 illustrates a specific example of an electronic device using the semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
  • the monitor 830 is shown in FIG.
  • the monitor 830 includes a display portion 831, a housing 832, a speaker 833, and the like. Furthermore, an LED lamp, an operation key (including a power switch or an operation switch), a connection terminal, various sensors, a microphone, and the like can be included.
  • the monitor 830 can be operated by the remote controller 834.
  • the monitor 830 can also function as a television device by receiving broadcast waves.
  • Examples of broadcast radio waves that can be received by the monitor 830 include ground waves, radio waves transmitted from satellites, and the like. Further, as the airwaves, there are analog broadcasting, digital broadcasting and the like, and also there are broadcasting of video and audio or audio only. For example, broadcast radio waves transmitted in a specific frequency band in the UHF band (300 MHz to 3 GHz) or the VHF band (30 MHz to 300 MHz) can be received. Further, for example, by using a plurality of data received in a plurality of frequency bands, the transfer rate can be increased, and more information can be obtained. Thus, an image having a resolution exceeding full high vision can be displayed on the display portion 831. For example, images having resolutions of 4K-2K, 8K-4K, 16K-8K, or higher can be displayed.
  • a computer network such as the Internet, LAN (Local Area Network), Wi-Fi (registered trademark) or the like It may be At this time, the monitor 830 may not have a tuner.
  • the monitor 830 can be connected to a computer and used as a computer monitor. Further, the monitor 830 connected to the computer can be viewed by a plurality of people simultaneously, and can be used for a conference system. Further, the monitor 830 can be used for a video conference system by displaying information of a computer via a network or connecting the monitor 830 to the network.
  • the monitor 830 can also be used as digital signage.
  • the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used for a driver circuit of a display portion or an image processing portion.
  • the semiconductor device of one embodiment of the present invention for a driver circuit of a display portion or an image processing portion, high-speed operation and signal processing can be realized with low power consumption.
  • image processing such as noise removal processing, gradation conversion processing, color tone correction processing, luminance correction processing, and the like is performed by using an AI system using the semiconductor device of one embodiment of the present invention for the image processing unit of the monitor 830.
  • inter-pixel interpolation processing accompanying resolution up-conversion
  • inter-frame interpolation processing accompanying frame frequency up-conversion.
  • gradation conversion process not only conversion of the number of gradations of an image, but also interpolation of gradation values in the case of increasing the number of gradations can be performed.
  • high dynamic range (HDR) processing which extends the dynamic range, is also included in the tone conversion processing.
  • a video camera 2940 illustrated in FIG. 51B includes a housing 2941, a housing 2942, a display portion 2943, an operation switch 2944, a lens 2945, a connection portion 2946, and the like.
  • the operation switch 2944 and the lens 2945 are provided in the housing 2941
  • the display portion 2943 is provided in the housing 2942.
  • the video camera 2940 includes an antenna, a battery, and the like inside a housing 2941.
  • the housing 2941 and the housing 2942 are connected by the connection portion 2946, and the angle between the housing 2941 and the housing 2942 can be changed by the connection portion 2946.
  • the direction of the image displayed on the display portion 2943 can be changed and the display / non-display of the image can be switched.
  • the semiconductor device of one embodiment of the present invention can be used for a driver circuit of a display portion or an image processing portion.
  • the semiconductor device of one embodiment of the present invention for a driver circuit of a display portion or an image processing portion, high-speed operation and signal processing can be realized with low power consumption.
  • an AI system including the semiconductor device of one embodiment of the present invention for the image processing unit of the video camera 2940, imaging in accordance with the environment around the video camera 2940 can be realized. Specifically, shooting can be performed with the optimal exposure according to the ambient brightness. In addition, high dynamic range (HDR) shooting can be performed in the case of simultaneously shooting a situation with different brightness, such as shooting in back light, indoors and outdoors.
  • HDR high dynamic range
  • the AI system can learn the habit of the photographer and assist the imaging. Specifically, by learning the blurring of the camera shake of the photographer and correcting the camera shake during shooting, it is possible to minimize the disturbance of the image due to the camera shake in the photographed image. In addition, when using the zoom function during shooting, it is possible to control the orientation of the lens so that the subject is always shot at the center of the image.
  • An information terminal 2910 illustrated in FIG. 51C includes a housing 2911, a display portion 2912, a microphone 2917, a speaker portion 2914, a camera 2913, an external connection portion 2916, an operation switch 2915, and the like.
  • the display portion 2912 includes a display panel and a touch screen in which a flexible substrate is used.
  • the information terminal 2910 includes an antenna, a battery, and the like inside the housing 2911.
  • the information terminal 2910 can be used as, for example, a smartphone, a mobile phone, a tablet information terminal, a tablet personal computer, an electronic book reader, or the like.
  • a memory device using the semiconductor device of one embodiment of the present invention can hold control information of the data terminal 2910, a control program, and the like for a long time.
  • image processing such as noise removal processing, tone conversion processing, color tone correction processing, and luminance correction processing is performed. be able to. Further, it is possible to execute inter-pixel interpolation processing accompanying resolution up-conversion and inter-frame interpolation processing accompanying frame frequency up-conversion. Further, in the gradation conversion process, not only conversion of the number of gradations of an image, but also interpolation of gradation values in the case of increasing the number of gradations can be performed. Also, high dynamic range (HDR) processing, which extends the dynamic range, is also included in the tone conversion processing.
  • HDR high dynamic range
  • the AI system can learn the habit of the user and assist the operation of the information terminal 2910.
  • An information terminal 2910 equipped with an AI system can predict touch input from movement of a user's finger, eyes, or the like.
  • a laptop personal computer 2920 illustrated in FIG. 51D includes a housing 2921, a display portion 2922, a keyboard 2923, a pointing device 2924, and the like.
  • the laptop personal computer 2920 includes an antenna, a battery, and the like inside a housing 2921.
  • a memory device using the semiconductor device of one embodiment of the present invention can hold control information of a laptop personal computer 2920, a control program, and the like for a long time.
  • an image such as a noise removal process, a gradation conversion process, a color tone correction process, and a luminance correction process. Processing can be performed. Further, it is possible to execute inter-pixel interpolation processing accompanying resolution up-conversion and inter-frame interpolation processing accompanying frame frequency up-conversion. Further, in the gradation conversion process, not only conversion of the number of gradations of an image, but also interpolation of gradation values in the case of increasing the number of gradations can be performed. Also, high dynamic range (HDR) processing, which extends the dynamic range, is also included in the tone conversion processing.
  • HDR high dynamic range
  • the AI system can learn the habit of the user and assist the operation of the laptop personal computer 2920.
  • a laptop personal computer 2920 equipped with an AI system can predict touch input to the display portion 2922 from movement of a user's finger, eyes, or the like.
  • input prediction is performed from past text input information, and figures such as texts and photographs before and after, and conversion is assisted. This makes it possible to reduce input errors and conversion errors as much as possible.
  • FIG. 51 (E) is an external view showing an example of a car
  • FIG. 51 (F) shows a navigation device 860.
  • the automobile 2980 has a car body 2981, wheels 2982, a dashboard 2983, lights 2984 and the like.
  • the automobile 2980 includes an antenna, a battery, and the like.
  • the navigation device 860 includes a display unit 861, operation buttons 862, and an external input terminal 863.
  • the car 2980 and the navigation device 860 may be independent of each other, but it is preferable that the navigation device 860 be incorporated in the car 2980 and be configured to function in conjunction.
  • a memory device using the semiconductor device of one embodiment of the present invention can hold control information of a vehicle 2980 or a navigation device 860, a control program, and the like for a long time.
  • the AI system learns the driving technology and habit of the driver, and assists safe driving, gasoline, and battery Assist the operation of using fuel efficiently.
  • it comprehensively learns the behavior of the car such as the speed and movement method of the car 2980, road information stored in the navigation device 860, etc.
  • the navigation device 860 can transmit the road information to the car 2980 to control the speed of the car 2980 or assist steering operation.
  • This embodiment can be implemented in appropriate combination with the structures described in the other embodiments and the like.

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Abstract

要約書 良好な電気特性を有し、高集積化が可能な半導体装置を提供する。 第１の絶縁体と、 第１の絶縁体上の酸化物と、 酸化物上の第２の絶縁体と、 第２の絶縁体上の第１の 導電体と、 第１の絶縁体の上面、 酸化物の側面、 酸化物の上面、 第２の絶縁体の側面および第１の導 電体の側面に接する、第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、を有し、第３の絶縁体は、 第１の絶縁体を露出する開口を有し、 第４の絶縁体は、 開口を介して第１の絶縁体と接する半導体装 置。

Description

半導体装置、および半導体装置の作製方法
　本発明の一態様は、半導体装置、ならびに半導体装置の作製方法に関する。または、本発明の一態様は、半導体ウエハ、モジュールおよび電子機器に関する。
　なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタなどの半導体素子をはじめ、半導体回路、演算装置、記憶装置は、半導体装置の一態様である。表示装置（液晶表示装置、発光表示装置など）、投影装置、照明装置、電気光学装置、蓄電装置、記憶装置、半導体回路、撮像装置および電子機器などは、半導体装置を有すると言える場合がある。
　なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。
　近年、半導体装置の開発が進められ、ＬＳＩやＣＰＵやメモリが主に用いられている。ＣＰＵは、半導体ウエハから切り離された半導体集積回路（少なくともトランジスタおよびメモリ）を有し、接続端子である電極が形成された半導体素子の集合体である。
　ＬＳＩやＣＰＵやメモリなどの半導体回路（ＩＣチップ）は、回路基板、例えばプリント配線板に実装され、様々な電子機器の部品の一つとして用いられる。
　また、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。当該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（単に表示装置とも表記する）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
　また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいことが知られている。例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（特許文献１参照）。
　また、酸化物半導体を用いたトランジスタとして、セルフアライン構造のトランジスタが提案されている。当該セルフアライン構造のトランジスタとして、ソース領域及びドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して熱処理を行うことで、金属膜を高抵抗化させるとともに、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されている（特許文献２参照）。
　また、酸化物半導体を用いたトランジスタの作製方法として、ソース領域及びドレイン領域上に金属膜を形成したのち熱処理を行い、その後、当該金属膜を通過してドーパントを導入することで、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる方法が開示されている（特許文献３参照）。
　また、近年では電子機器の小型化、軽量化に伴い、トランジスタなどを高密度に集積した集積回路の要求が高まっている。また、集積回路を含む半導体装置の生産性の向上が求められている。
　トランジスタに適用可能な半導体薄膜として、シリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛などの一元系金属の酸化物のみでなく、多元系金属の酸化物も知られている。多元系金属の酸化物の中でも、特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（以下、ＩＧＺＯとも呼ぶ）に関する研究が盛んに行われている。
　ＩＧＺＯに関する研究により、酸化物半導体において、単結晶でも非晶質でもない、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造およびｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造が見出された（非特許文献１乃至非特許文献３参照）。非特許文献１および非特許文献２では、ＣＡＡＣ構造を有する酸化物半導体を用いてトランジスタを作製する技術も開示されている。さらに、ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造よりも結晶性の低い酸化物半導体でさえも、微小な結晶を有することが、非特許文献４および非特許文献５に開示されている。
　さらに、ＩＧＺＯを活性層として用いたトランジスタは極めて低いオフ電流を持ち（非特許文献６参照）、その特性を利用したＬＳＩおよびディスプレイが報告されている（非特許文献７および非特許文献８参照）。
特開２０１２−２５７１８７号公報 特開２０１１−２２８６２２号公報 特開２０１３−０１６７８２号公報
Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，"ＳＩＤ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ　４３，ｉｓｓｕｅ　１，ｐｐ．１８３−１８６ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ　５３，Ｎｕｍｂｅｒ　４Ｓ，ｐｐ．０４ＥＤ１８−１−０４ＥＤ１８−１０ Ｓ．Ｉｔｏ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｔｈｅ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＡＭ−ＦＰＤ’１３　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ"，２０１３，ｐｐ．１５１−１５４ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，"ＥＣＳ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ　３，ｉｓｓｕｅ　９，ｐｐ．Ｑ３０１２−Ｑ３０２２ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ，"ＥＣＳ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ　６４，ｉｓｓｕｅ　１０，ｐｐ．１５５−１６４ Ｋ．Ｋａｔｏ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ　５１，ｐｐ．０２１２０１−１−０２１２０１−７ Ｓ．Ｍａｔｓｕｄａ　ｅｔ　ａｌ．，"２０１５　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ＶＬＳＩ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ"，２０１５，ｐｐ．Ｔ２１６−Ｔ２１７ Ｓ．Ａｍａｎｏ　ｅｔ　ａｌ．，"ＳＩＤ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ"，２０１０，ｖｏｌｕｍｅ　４１，ｉｓｓｕｅ　１，ｐｐ．６２６−６２９
　特許文献２においては、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させる際に、ソース領域およびドレイン領域上に金属膜を形成し、当該金属膜に対して酸素雰囲気下で熱処理を行っている。熱処理を行うことで、酸化物半導体膜のソース領域およびドレイン領域中には金属膜の構成元素がドーパントとして入り込んで、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化させている。また、酸素雰囲気下で熱処理を行うことで、導電膜を酸化させ、当該導電膜を高抵抗化させている。ただし、酸素雰囲気下で熱処理を行っているため、酸素が酸化物半導体膜中から金属膜へ引き抜かれにくい。
　また、特許文献２においては、チャネル形成領域の酸素濃度については記載されているが、水、水素などの不純物の濃度については、言及されていない。すなわち、チャネル形成領域の高純度化（水、水素などの不純物の低減化、代表的には脱水または脱水素化）が行われていないため、ノーマリーオンのトランジスタ特性となりやすいといった問題があった。なお、ノーマリーオンとは、ゲートに電圧を印加しなくてもチャネルが存在し、トランジスタに電流が流れてしまう状態のことである。一方でノーマリ−オフとは、ゲートに電圧を印加しない状態では、トランジスタに電流が流れない状態である。
　上述の問題に鑑み、本発明の一態様は、トランジスタのソース領域およびドレイン領域を安定して低抵抗化させるとともに、チャネル形成領域を高純度化させることで良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。
　または、本発明の一態様は、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、生産性の高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。
　または、本発明の一態様は、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、情報の書き込み速度が速い半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、設計自由度が高い半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、低消費電力の半導体装置を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置を提供することを課題の一つとする。
　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。
　本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の酸化物と、酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第１の導電体と、第１の絶縁体の上面、酸化物の側面、酸化物の上面、第２の絶縁体の側面および第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、を有し、第３の絶縁体は、第１の絶縁体を露出する開口を有し、第４の絶縁体は、開口を介して第１の絶縁体と接する半導体装置である。
　また、本発明の一態様は、第１の絶縁体と、第１の絶縁体上の開口を有する第１の酸化物と、第１の酸化物上の第２の酸化物と、第２の酸化物上の第２の絶縁体と、第２の絶縁体上の第１の導電体と、第１の絶縁体の上面、第１の酸化物の側面、第２の酸化物の側面、第２の酸化物の上面、第２の絶縁体の側面および第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、を有し、第３の絶縁体は、第１の絶縁体を露出する開口を有し、第４の絶縁体は、第３の絶縁体の開口を介して第１の絶縁体と接する半導体装置である。
　また、上記において、第１の絶縁体および第４の絶縁体は、第３の絶縁体よりも酸素を透過し易いことが好ましい。
　また、酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有することが好ましい。
　また、第１の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有し、第２の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有することが好ましい。
　また、第２の酸化物は、第１の酸化物よりも酸素を透過し易いことが好ましい。
　また、第３の絶縁体は、アルミニウム、およびハフニウムの一方または両方を含む酸化物であることが、好ましい。
　また、本発明の一態様は、基板上に第１の絶縁体を形成し、第１の絶縁体の上に、酸化物層を形成し、酸化物層の上に、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜を順に成膜し、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜を加工して、第２の絶縁体、およびダミーゲート層を形成し、第１の絶縁体、酸化物層、およびダミーゲート層に接する、金属を含む第１の膜を形成し、窒素を含む雰囲気で第１の加熱処理を行い、第１の膜を除去し、第１の絶縁体、酸化物層およびダミーゲート層を覆って、第２の絶縁膜を成膜し、第２の絶縁膜を加工することで、開口を有する第３の絶縁体を形成し、第３の絶縁体上に、第３の絶縁膜を成膜し、第１のＣＭＰ処理を行うことによって、ダミーゲート層、第３の絶縁体および第３の絶縁膜の一部を、ダミーゲート層の一部が露出するまで除去し、ダミーゲート層をエッチングすることによって、第２の絶縁体を露出させ、導電体膜を成膜し、第２のＣＭＰ処理を行うことによって、導電体膜の一部を、第３の絶縁膜が露出するまで除去して、第１の導電体層および第４の絶縁体を形成し、第４の絶縁体に酸素を注入し、第１の導電体層上および第４の絶縁体上に第５の絶縁体を形成し、酸素を含む雰囲気で第２の加熱処理を行う、半導体装置の作製方法である。
　また、上記において、第１の膜は、アルゴン、窒素、及び酸素の中から選ばれるいずれか一または複数のガスを用いて、スパッタリング法により形成されることが好ましい。
　また、上記において、第２の加熱処理を行うことで、酸素は、開口および第１の絶縁体を介して、酸化物層に注入されることが好ましい。
　また、酸素の注入は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法、およびプラズマイマージョンイオンインプランテーション法から選ばれた一を用いてもよい。
　また、酸素の注入は、イオン注入法を用いて行ってもよい。
　本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
　または、長期間においてデータの保持が可能な半導体装置を提供することができる。または、データの書き込み速度が速い半導体装置を提供することができる。または、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。または、低消費電力の半導体装置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。
　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。
本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を示す上面図および断面図。 酸化物半導体のエネルギーバンド構造を説明する図。 本発明の一態様に係る半導体装置の上面図および断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置の断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の平面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の平面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す断面図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示す回路図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係る記憶装置の構成例を示すブロック図、および回路図。 本発明の一態様に係るＡＩシステムの構成例を示すブロック図。 本発明の一態様に係るＡＩシステムの応用例を説明するブロック図。 本発明の一態様に係るＡＩシステムを組み込んだＩＣの構成例を示す斜視模式図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す図。
　以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
　また、図面において、大きさ、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。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状または値などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理により層やレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。また、図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
　また、特に上面図（「平面図」ともいう）や斜視図などにおいて、発明の理解を容易とするため、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。また、一部の隠れ線などの記載を省略する場合がある。
　また、本明細書などにおいて、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順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、本明細書等に記載されている序数詞と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。
　また、本明細書において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。また、構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化するものである。したがって、明細書で説明した語句に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
　例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。
　ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
　ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
　ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
　ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
　また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネルが形成される領域を有しており、チャネルが形成される領域を介して、ソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネルが形成される領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
　また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる場合がある。
　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。すなわち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルが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。
　チャネル幅とは、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、チャネル長方向を基準として垂直方向のチャネルが形成される領域の長さを言う。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルが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。
　なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルが形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、「見かけ上のチャネル幅」ともいう）と、が異なる場合がある。例えば、ゲート電極が半導体の側面を覆う場合、実効的なチャネル幅が、見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつゲート電極が半導体の側面を覆うトランジスタでは、半導体の側面に形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、見かけ上のチャネル幅よりも、実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
　このような場合、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
　そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを解析することなどによって、値を決定することができる。
　なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物と言える。不純物が含まれることにより、例えば、半導体のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅｓ）が高くなることや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、および酸化物半導体の主成分以外の遷移金属などがあり、例えば、水素、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、水も不純物として機能する場合がある。また、酸化物半導体の場合、例えば不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコンである場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素などがある。
　なお、本明細書等において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは酸素が５５原子％以上６５原子％以下、窒素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものである。例えば、好ましくは窒素が５５原子％以上６５原子％以下、酸素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。
　また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
　また、本明細書等において、「絶縁体」という用語を、絶縁膜または絶縁層と言い換えることができる。また、「導電体」という用語を、導電膜または導電層と言い換えることができる。また、「半導体」という用語を、半導体膜または半導体層と言い換えることができる。
　また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、電界効果トランジスタとする。また、本明細書等に示すトランジスタは、明示されている場合を除き、ｎチャネル型のトランジスタとする。よって、そのしきい値電圧（「Ｖｔｈ」ともいう）は、明示されている場合を除き、０Ｖよりも大きいものとする。
　また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
　なお、本明細書において、バリア膜とは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する膜のことであり、該バリア膜に導電性を有する場合は、導電性バリア膜と呼ぶことがある。
　本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、ＯＳ　ＦＥＴと記載する場合においては、酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
　また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電圧を印加しない、またはゲートに接地電位を与えたときに、トランジスタに流れるチャネル幅１μｍあたりの電流が、室温において１×１０−２０Ａ以下、８５℃において１×１０−１８Ａ以下、または１２５℃において１×１０−１６Ａ以下であることをいう。
（実施の形態１）
　以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
＜半導体装置の構成例１＞
　図１は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００、およびトランジスタ２００周辺の上面図および断面図である。
　図１（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図１（Ｂ）、および図１（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図１（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００と、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３を有する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３、およびプラグとして機能する導電体２４０（導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂ）とを有する。
　なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２の上面の高さは同程度にできる。なお導電体２０３は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０３を２層以上の積層構造としてもよい。また、構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
　また、導電体２４０は、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８３の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体２４０が単層である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０は、２層以上の積層構造でもよい。
［トランジスタ２００］
　図１（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示せず）の上に配置された絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５（導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂ）と、絶縁体２１６および導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、絶縁体２２４の上面、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、酸化物２３０ｂの上面、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、および導電体２６０の側面に接して配置された絶縁体２７３と、を有する。また、絶縁体２７３は、絶縁体２２４を露出する開口を有し、絶縁体２８０は、該開口を介して絶縁体２２４と接する。導電体２６０は、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを有し、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように導電体２６０ａが配置される。ここで、図１（Ｂ）に示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２８０の上面と略一致する。
　なお、トランジスタ２００では、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物２３０ｂの単層、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ａの２層構造、酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃの２層構造、または４層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ２００では、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。
　また、トランジスタ２００は、チャネルが形成される領域（以下、チャネル形成領域ともいう）を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）に、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。
　チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ２００は、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタ２００に用いることができる。
　例えば、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、錫、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、または錫であると好適である。また、酸化物２３０として、Ｉｎ−Ｇａ酸化物またはＩｎ−Ｚｎ酸化物を用いてもよい。
　ここで、酸化物半導体を構成する元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、クロム、タングステン、などの金属元素を酸化物半導体に添加することで、酸化物半導体の一部に金属化合物が形成され、低抵抗化する場合がある。なお、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステンなどを用いることが好ましい。酸化物半導体に、金属元素を添加するには、例えば、酸化物半導体上に、当該金属元素を含む金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けるとよい。また、当該膜を設けることで、当該膜と酸化物半導体との界面、または当該界面近傍に位置する酸化物半導体中の一部の酸素が当該膜などに吸収され、酸素欠損を形成し、酸化物半導体の当該界面近傍が低抵抗化する場合がある。
　また、酸化物半導体上に、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を設けた後、窒素を含む雰囲気下で、熱処理を行うとよい。窒素を含む雰囲気下での熱処理により、金属膜から金属元素が酸化物半導体へ拡散し、酸化物半導体に金属元素を添加することができる。
　また、酸化物半導体に存在する水素は、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、酸化物半導体に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、酸化物半導体の低抵抗化した領域に拡散し、低抵抗化した領域に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となることがわかっている。従って、熱処理によって、酸化物半導体の低抵抗化した領域は、より低抵抗化し、低抵抗化していない酸化物半導体は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する傾向がある。
　また、酸化物半導体は、水素、または窒素などの不純物元素が存在すると、キャリア密度が増加する。酸化物半導体中の水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になり、酸素欠損を形成する場合がある。当該酸素欠損に水素が入ることで、キャリア密度が増加する。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。つまり、窒素、または水素を有する酸化物半導体は、低抵抗化される。
　従って、酸化物半導体に選択的に金属元素、並びに、水素、および窒素などの不純物元素を添加することで、酸化物半導体に高抵抗領域、および低抵抗領域を設けることができる。つまり、酸化物２３０を選択的に低抵抗化することで、島状に加工した酸化物２３０に、キャリア密度が低い半導体として機能する領域と、ソース領域、またはドレイン領域として機能する低抵抗化した領域を設けることができる。
　ここで、図１（Ｂ）において一点鎖線で囲む、選択的に低抵抗化した酸化物２３０を含む領域２３９の拡大図を図２に示す。
　図２に示すように、酸化物２３０は、トランジスタ２００のチャネル形成領域として機能する領域２３４と、トランジスタ２００のソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１（領域２３１ａ、および領域２３１ｂ）と、を有する。
　ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１は、酸素濃度が低く、キャリア濃度が高い、低抵抗化した領域である。また、チャネル形成領域として機能する領域２３４は、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３１よりも、酸素濃度が高く、キャリア密度が低い高抵抗領域である。
　なお、領域２３１は、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素、の少なくとも一の濃度が領域２３４よりも高いことが好ましい。
　例えば、領域２３１は、酸化物２３０が有する金属元素の他に、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素の中から選ばれるいずれか一つまたは複数の金属元素を有することが好ましい。
　酸化物２３０を選択的に低抵抗化するには、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロム、インジウムなどの導電性を高める金属元素、および不純物の少なくとも一を、所望の領域に添加すればよい。なお、不純物としては、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損に捕獲される元素などを用いればよい。例えば、当該元素として、水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガスの代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。
　領域２３１を形成するために、例えば、酸化物２３０に接して、金属元素を有する膜を設ければよい。なお、金属元素を有する膜として、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜を用いることができる。その際、金属元素を有する膜と、酸化物２３０との界面に、化合物層である層２４２が形成されていてもよい。なお、層２４２は、金属元素を有する膜の成分と、酸化物２３０の成分とを含む金属化合物を有する層とする。例えば、層２４２として、酸化物２３０中の金属元素と、添加された金属元素とが、合金化した層であってもよい。
　このように酸化物２３０に、金属元素が添加されることで、酸化物２３０中に、層２４２が形成され、領域２３１を低抵抗化することができる。なお、層２４２は、必ずしも、酸化物２３０中に形成されていなくともよい。例えば、層２４２は、酸化物２３０の表面、または金属元素を有する膜と、酸化物２３０と、の界面に形成されてもよい。
　従って、領域２３１は、層２４２を含む場合がある。つまり、本明細書では、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域が、領域２３１とする。
　また、図１、および図２では、領域２３４および領域２３１が、酸化物２３０ｂに形成されているが、これに限られない。例えば、これらの領域は酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｃにも、形成されていてもよい。また、図１、および図２では、各領域の境界を、酸化物２３０の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域２３１ａと領域２３４の境界が、酸化物２３０ｂの下面近傍では、図１（Ｂ）におけるＡ１側に後退する形状になる場合があり、領域２３１ｂと領域２３４の境界が酸化物２３０ｂの下面近傍では、図１（Ｂ）におけるＡ２側に後退する形状になる場合がある。
　また、酸化物２３０において、各領域の境界は明確に検出することが困難な場合がある。各領域内で検出される金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度は、領域ごとの段階的な変化に限らず、各領域内でも連続的に変化（グラデーションともいう）していてもよい。つまり、チャネル形成領域に近い領域であるほど、金属元素、並びに水素、および窒素などの不純物元素の濃度が減少していればよい。
　なお、図２において、酸化物２３０の低抵抗化した領域を、層２４２として示す。なお、本明細書等において、層２４２の範囲については、図２の範囲に限定されない。例えば、酸化物２３０と導電体２４０との界面近傍の領域、または領域２３１における、酸化物２３０の上面から酸化物２３０の下面までの領域に、上記低抵抗化した層２４２が形成される場合がある。なお、他の図面においても同様である。
　また、領域２３１と、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において熱処理を行うとよい。当該熱処理により、金属膜から、酸化物２３０の領域２３１へ、金属元素が拡散し、領域２３１に金属元素を添加することができる。なお、その際、酸化物２３０の領域２３１と、金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の領域２３１と金属元素が、合金化することで、酸化物半導体に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
　また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
　ここで、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜が、水素を吸収する特性を有する場合、酸化物２３０中の水素は、当該膜へと吸収される。従って、酸化物２３０中の不純物である水素を低減することができる。また、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、後の工程で、酸化物２３０から吸収した水素とともに除去してもよい。
　なお、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、当該膜を残存させてもよい。その場合、当該膜は層間膜として機能する場合がある。
　また、例えば、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜に、導電性を有する領域が残存している場合、熱処理を行うことにより、導電性を有する領域を酸化させることで、当該膜は絶縁体となり、高抵抗化する。当該熱処理は、例えば、酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。また、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜の近傍に酸素を有する構造体がある場合、熱処理を行うことで、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、当該構造体が有する酸素と反応し、酸化する場合がある。
　金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜を、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
　例えば、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上２ｎｍ以下の膜厚で設けることが好ましい。例えば、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下のアルミニウムを、加熱処理により酸化させると０．７ｎｍ以上８ｎｍ以下の酸化アルミニウムとなる場合がある。なお、上記酸化性雰囲気下で熱処理を行う場合には、酸化物２３０と、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜とが、接した状態で、窒素を含む雰囲気下において一度熱処理を行ったあとに行うと好適である。窒素を含む雰囲気下において、一度熱処理を行うことで、酸化物２３０中の酸素が金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜に拡散しやすくなる。
　ここで、酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に不純物及び酸素欠損が存在すると、電気特性が変動しやすく、信頼性が悪くなる場合がある。また、酸化物半導体中のチャネルが形成される領域に酸素欠損が含まれていると、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、チャネルが形成される領域２３４中の酸素欠損はできる限り低減されていることが好ましい。
　絶縁体２７３としては、水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。絶縁体２７３は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２７３としては、例えば、ＡＬＤ法を用いて、酸化物を成膜するとよい。酸化物をＡＬＤ法を用いて成膜することにより、段差形状上に成膜する場合でも、欠陥の少ない被覆性の優れた緻密な薄膜を成膜することができる。また、絶縁体２２４および絶縁体２８０は、絶縁体２７３よりも酸素を透過しやすい。
　図１に示すように、絶縁体２７３は、絶縁体２２４上にあって、酸化物２３０の側面、酸化物２３０の上面、絶縁体２５０の側面、導電体２６０の側面を覆うように配置されている。また、絶縁体２７３は、絶縁体２２４を露出する開口を有し、絶縁体２８０は、該開口を介して絶縁体２２４と接する。導電体２６０の上面は絶縁体２８２で覆われている。絶縁体２８２としては、絶縁体２７３と同様に水または水素などの不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物を用いるとよい。
　つまり、トランジスタ２００は、酸素の透過を抑制する機能を有する酸化物である絶縁体２７３および絶縁体２８２で覆われている。ここで、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む（過剰酸素ともいう）絶縁体２８０をトランジスタ２００上に、絶縁体２７３を介して配置することで、絶縁体２８０に含まれる過剰酸素は、絶縁体２７３が有する開口を介して絶縁体２２４に拡散し、さらに絶縁体２２４を介して、チャネル形成領域である、領域２３４に注入することができる。また、絶縁体２８２によって、過剰酸素の上方への拡散を抑制することができる。また、絶縁体２７３によって、絶縁体２８０に含まれる過剰酸素の導電体２６０への拡散を抑制することができるので、導電体２６０の酸化を抑制することができる。その他の経路についても、絶縁体２７３によって、過剰酸素の透過は抑制される。
　図１に示すような構成とすることで、絶縁体２８０が有する過剰酸素を効率よく領域２３４に注入することができるので、酸化物２３０の領域２３４における酸素欠損を低減することができる。
　過剰酸素を含む絶縁体２８０は、絶縁体２８０の形成後に、絶縁体２８０に酸素を注入する処理を行うことで形成することができる。酸素を注入する処理としては、例えば、酸素を含むガスを用いて、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化シリコン膜などを成膜すればよい。
　本実施の形態では、絶縁体２８０の形成後に、絶縁体２８２として、酸素を含むガスを用いて、スパッタリング法によって、酸化アルミニウムを成膜する。該酸化アルミニウムを、絶縁体２８０上に成膜することで酸素を絶縁体２８０中に注入することができる。
　その他の処理としては、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理、イオン注入装置を用いて酸素イオンを注入する処理などがある。例えば、高密度プラズマ源を有する装置を用いて、酸素を含むガスによるプラズマを照射することによって、酸素を絶縁体２８０へ注入することができる。または、イオン注入装置を用いて酸素イオンを絶縁体２８０へ注入することができる。
　特に、イオン注入装置を用いたイオン注入は、イオン注入量、イオン注入の深さをそれぞれ独立に制御することができるので好ましい。つまり、最適な注入量および最適な注入深さで絶縁体２８０に酸素を注入する事ができるので、性能のバラツキの小さい高性能なトランジスタを有する半導体装置の生産が可能となる。注入量および注入深さは、絶縁体２８０の膜厚、トランジスタの大きさ、トランジスタの配置密度、トランジスタの配置によって、適宜、最適化することができる。
　上記構成、または上記工程を組み合わせることで、酸化物２３０を選択的に低抵抗化することができる。
　酸化物２３０に低抵抗領域を形成する際に、ゲート電極として機能する導電体２６０をマスクとすることで、自己整合的に酸化物２３０は低抵抗化する。そのため、複数のトランジスタ２００を同時に形成する場合、トランジスタ間の電気特性バラつきを小さくすることができる。また、トランジスタ２００のチャネル長は、導電体２６０の幅により決定され、導電体２６０の幅を最小加工寸法とすることにより、トランジスタ２００の微細化が可能となる。
　以上より、各領域の範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
　また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。また、チャネル形成領域に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（オフ電流）が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。
　以上より、オン電流が大きいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、オフ電流が小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、電気特性の変動を抑制し、安定した電気特性を有すると共に、信頼性を向上させた半導体装置を提供することができる。
　以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の詳細な構成について説明する。
　導電体２０３は、図１（Ａ）、および図１（Ｃ）に示すように、チャネル幅方向に延伸されており、導電体２０５に電位を印加する配線として機能する。なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれて設けることが好ましい。
　導電体２０５は、酸化物２３０、および導電体２６０と、重なるように配置する。また、導電体２０５は、導電体２０３の上面に接して設けるとよい。また、導電体２０５は、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれて設けることが好ましい。
　ここで、導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体２０５は、第２のゲート（ボトムゲートともいう）電極として機能する場合がある。その場合、導電体２０５に印加する電位を、導電体２６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ２００の閾値電圧を制御することができる。特に、導電体２０５に負の電位を印加することにより、トランジスタ２００の閾値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体２０５に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体２６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。
　また、導電体２０３上に導電体２０５を設けることで、第１のゲート電極、および配線としての機能を有する導電体２６０と、導電体２０３との距離を適宜設計することが可能となる。つまり、導電体２０３と導電体２６０の間に絶縁体２１４および絶縁体２１６などが設けられることで、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減し、導電体２０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることができる。
　また、導電体２０３と導電体２６０の間の寄生容量を低減することで、トランジスタ２００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体２０３と導電体２６０の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体２１４および絶縁体２１６の膜厚を厚くすることが好ましい。なお、導電体２０３の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ２００のチャネル長方向に延伸されてもよい。
　なお、導電体２０５は、図１（Ａ）に示すように、酸化物２３０、および導電体２６０と重なるように配置する。また、導電体２０５は、酸化物２３０における領域２３４よりも、大きく設けるとよい。特に、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５は、酸化物２３０の領域２３４のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域においても、延伸していることが好ましい。
　上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界とがつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
　つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。本明細書において、第１のゲート電極、および第２のゲート電極の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ　ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。
　また、導電体２０５では、絶縁体２１４および絶縁体２１６の開口の内壁に接して第１の導電体が形成され、さらに内側に第２の導電体が形成されている。ここで、第１の導電体および第２の導電体の上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、第１の導電体および第２の導電体を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０５は、単層、または３層以上の積層構造としてもよい。
　ここで、導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。
　導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体が酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体２０５、または導電体２０３の第２の導電体が酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。したがって、導電体２０５、または導電体２０３の第１の導電体としては、上記導電性材料を単層または積層で用いればよい。これにより、水素、水などの不純物が、導電体２０３、および導電体２０５を通じて、トランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。
　また、導電体２０５の第２の導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。なお、導電体２０５の第２の導電体を単層で図示したが、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
　また、導電体２０３の第２の導電体は、配線として機能するため、導電体２０５の第２の導電体より導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２０３の第２の導電体は積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
　特に、導電体２０３の第２の導電体に、銅を用いることが好ましい。銅は抵抗が小さいため、配線等に用いることが好ましい。一方、銅は拡散しやすいため、酸化物２３０に拡散することで、トランジスタ２００の電気特性を低下させる場合がある。そこで、例えば、絶縁体２１４には、銅の透過性が低い酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムなどの材料を用いることで、銅の拡散を抑えることができる。
　なお、導電体２０５、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は必ずしも設けなくともよい。その場合、導電体２０３の一部が第２のゲート電極として機能することができる。
　絶縁体２１０および絶縁体２１４は、水または水素などの不純物が、基板側からトランジスタ２００に混入するのを抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。したがって、絶縁体２１０および絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料を用いることが好ましい。
　例えば、絶縁体２１０として酸化アルミニウムなどを用い、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを用いることが好ましい。これにより、水素、水などの不純物が絶縁体２１０および絶縁体２１４を介して基板側からトランジスタ２００側に拡散するのを抑制することができる。または、絶縁体２２４などに含まれる酸素が、絶縁体２１０および絶縁体２１４を介して基板側に、拡散するのを抑制することができる。
　また、導電体２０３の上に導電体２０５を積層して設ける構成にすることにより、導電体２０３と導電体２０５の間に絶縁体２１４を設けることができる。ここで、導電体２０３の第２の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、絶縁体２１４として窒化シリコンなどを設けることにより、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
　また、層間膜として機能する絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、絶縁体２１０、または絶縁体２１４よりも比誘電率が低いことが好ましい。比誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
　例えば、絶縁体２１２、絶縁体２１６、および絶縁体２８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などの絶縁体を単層または積層で用いることができる。またはこれらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。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。
　絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁体としての機能を有する。
　ここで、酸化物２３０と接する絶縁体２２４には、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体２２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物２３０に接して設けることにより、酸化物２３０中の酸素欠損を低減し、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
　過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、昇温脱離ガス分析（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析）にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。
　また、絶縁体２２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体２２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。
　絶縁体２２２が、酸素の拡散を抑制する機能を有することで、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素は、絶縁体２２０側へ拡散することなく、効率よく酸化物２３０へ供給することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４が有する過剰酸素領域の酸素と反応することを抑制することができる。
　絶縁体２２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体にｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。
　特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料であるアルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体２２２を形成した場合、絶縁体２２２は、酸化物２３０からの酸素の放出や、トランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。
　または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。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。
　また、絶縁体２２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、ｈｉｇｈ−ｋ材料の絶縁体を酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造の絶縁体２２０を得ることができる。
　なお、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４が、２層以上の積層構造を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構造に限定されず、異なる材料からなる積層構造でもよい。
　酸化物２３０は、酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の酸化物２３０ｃと、を有する。酸化物２３０ｂ下に酸化物２３０ａを有することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物２３０ｂ上に酸化物２３０ｃを有することで、酸化物２３０ｃよりも上方に形成された構造物から、酸化物２３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。
　なお、酸化物２３０は、各金属原子の原子数比が異なる酸化物による、積層構造を有することが好ましい。具体的には、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｃは、酸化物２３０ａまたは酸化物２３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。
　また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物２３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。言い換えると、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃの電子親和力が、酸化物２３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。
　ここで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
　具体的には、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂまたは酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物２３０ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｃとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。
　このとき、キャリアの主たる経路は酸化物２３０ｂとなる。酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂとの界面、および酸化物２３０ｂと酸化物２３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ２００は高いオン電流を得られる。
　電子親和力または伝導帯下端のエネルギー準位Ｅｃは、図３２に示すように、真空準位Ｅｖａｃと価電子帯上端のエネルギーＥｖとの差であるイオン化ポテンシャルＩｐと、バンドギャップＥｇから求めることができる。イオン化ポテンシャルＩｐは、例えば、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて測定することができる。エネルギーギャップＥｇは、例えば、分光エリプソメータを用いて測定することができる。
　また、酸化物２３０は、領域２３１および領域２３４を有する。なお、トランジスタ２００をオンさせると、領域２３１ａ、または領域２３１ｂは、ソース領域、またはドレイン領域として機能する。一方、領域２３４の少なくとも一部は、チャネルが形成される領域として機能する。
　トランジスタ２００において、ソース領域およびドレイン領域として機能する領域２３１と、チャネルが形成される領域２３４との間に領域２３１よりも高抵抗な領域が形成されないため、トランジスタのオン電流、および移動度を大きくすることができる。ソース領域およびドレイン領域と、第１のゲート電極（導電体２６０）とが重ならないため、両者の間で不要な容量が形成されることを抑制できる。
　酸化物２３０は、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。例えば、領域２３４となる金属酸化物としては、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
　酸化物半導体を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置を提供できる。また、酸化物半導体は、スパッタリング法などを用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
　絶縁体２５０は、ゲート絶縁体として機能する。絶縁体２５０は、酸化物２３０ｃの上面に接して配置することが好ましい。絶縁体２５０は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。絶縁体２５０は、例えば、ＴＤＳ分析にて、酸素分子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０１８ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、好ましくは１．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、さらに好ましくは２．０×１０１９ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上、または３．０×１０２０ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下の範囲が好ましい。
　具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。
　加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体２５０として、酸化物２３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体２５０から、酸化物２３０ｂの領域２３４に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
　また、絶縁体２５０が有する過剰酸素を、効率的に酸化物２３０へ供給するために、金属酸化物を絶縁体２５０上に設けてもよい。その場合、金属酸化物は、絶縁体２５０からの酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体２５０から導電体２６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
　なお、金属酸化物は、ゲート絶縁体の一部としての機能を有する場合がある。したがって、絶縁体２５０に酸化シリコンや酸化窒化シリコンなどを用いる場合、金属酸化物は、比誘電率が高いｈｉｇｈ−ｋ材料である金属酸化物を用いることが好ましい。当該積層構造とすることで、熱に対して安定、かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。したがって、物理膜厚を保持したまま、トランジスタ動作時に印加するゲート電位の低減が可能となる。また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
　また、金属酸化物は、第１のゲート電極の一部としての機能を有してもよい。例えば、酸化物２３０として用いることができる酸化物半導体を、金属酸化物として用いることができる。その場合、導電体２６０をスパッタリング法で成膜することで、該金属酸化物の電気抵抗値を低下させて導電体とすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。該金属酸化物を有することで、導電体２６０からの電界の影響を弱めることなく、トランジスタ２００のオン電流の向上を図ることができる。
　また、絶縁体２５０と、金属酸化物との物理的な厚みにより、導電体２６０と、酸化物２３０との間の距離を保つことで、導電体２６０と酸化物２３０との間のリーク電流を抑制することができる。また、絶縁体２５０、および金属酸化物との積層構造を設けることで、導電体２６０と酸化物２３０との間の物理的な距離、および導電体２６０から酸化物２３０へかかる電界強度を、容易に適宜調整することができる。
　具体的には、金属酸化物として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、または、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、酸化物２３０に用いることができる酸化物半導体を低抵抗化することで、金属酸化物として用いることができる。
　特に、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。
　第１のゲート電極として機能する導電体２６０は、導電体２６０ａ、および導電体２６０ａ上の導電体２６０ｂを有する。導電体２６０ａは、導電体２０５の第１の導電体と同様に、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。
　導電体２６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体２５０、および金属酸化物が有する過剰酸素により、導電体２６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。
　また、導電体２６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２６０は、配線として機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体２６０ｂは積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
　また、図１（Ｃ）に示すように、導電体２０５が、酸化物２３０の領域２３４のチャネル幅方向と交わる端部よりも外側の領域において、延伸している場合、導電体２６０は、当該領域において、絶縁体２５０を介して、導電体２０５と重畳していることが好ましい。つまり、酸化物２３０の側面の外側において、導電体２０５と、絶縁体２５０と、導電体２６０とは、積層構造を形成することが好ましい。
　上記構成を有することで、導電体２６０、および導電体２０５に電位を印加した場合、導電体２６０から生じる電界と、導電体２０５から生じる電界と、がつながり、酸化物２３０に形成されるチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
　つまり、第１のゲート電極としての機能を有する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極としての機能を有する導電体２０５の電界によって、領域２３４のチャネル形成領域を電気的に取り囲むことができる。
　また、酸化物２３０、絶縁体２７３を覆って、層間膜として機能する絶縁体２８０を設けることが好ましい。絶縁体２８０は、絶縁体２２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。また、上述のように絶縁体２８０は過剰酸素を有することが好ましい。なお、絶縁体２８０の上に絶縁体２１０と同様の絶縁体２８２を設けても良い。絶縁体２８２をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体２８０の不純物を低減することができる。また、絶縁体２８２上に絶縁体２８０と同様の絶縁体２８３を設けてもよい。
　また、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８３の上面と、同一平面上としてもよい。
　導電体２４０ａは、トランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域２３１ａと接しており、導電体２４０ｂはトランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域２３１ｂと接している。よって、導電体２４０ａはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｂはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
　なお、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
　また、図３は、図１（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の導電体２４０ａと、酸化物２３０と、が接する領域の断面図である。なお、導電体２４０ｂと酸化物２３０と、が接する領域についても同様の構成である。
　図３（Ａ）に示すように、導電体２４０ａは、少なくとも酸化物２３０の上面と接し、さらに酸化物２３０の側面と接することが好ましい。特に、導電体２４０ａは、酸化物２３０のチャネル幅方向と交わる側面において、Ａ５側の側面、およびＡ６側の側面の双方または一方と接することが好ましい。つまり、導電体２４０ａと、酸化物２３０とが接する領域が鞍のような断面形状を有する（鞍面コンタクトと呼ぶことができる）。また、導電体２４０ａが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ１側の側面と接する構成にしてもよい。なお、導電体２４０ａと、酸化物２３０と、が接する領域は、図３（Ａ）の一例に限らず、例えば、図３（Ｂ）に示すように、導電体２４０ａが酸化物２３０の上面および酸化物２３０のＡ５側の側面と接する領域を有していてもよい。また、導電体２４０ａが、酸化物２３０のチャネル長方向と交わる側面において、Ａ１側の側面と接する構成にしてもよい。また、図３（Ｃ）に示すように、導電体２４０ａが、酸化物２３０のＡ６側の側面と接する領域を有してもよい。このような構成とすることで、導電体２４０ａと、酸化物２３０と、が接する領域の面積を大きくすることができるので、導電体２４０ａと、酸化物２３０と、のコンタクト抵抗を低くすることができて好ましい。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。導電体２４０ａは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体２４０ａは積層構造としてもよい。
　ここで、例えば、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３に開口を形成する際に、酸化物２３０において、領域２３１の低抵抗化した領域である層２４２が除去されてもよい。その場合、導電体２４０に用いる導電体として、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いるとよい。つまり、酸化物２３０と導電体２４０とが接することで、酸化物２３０中に、新たな低抵抗化した領域が形成される。当該低抵抗化した領域が形成されることで、酸化物２３０と導電体２４０とのコンタクト抵抗を低減することができる。導電体２４０は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、などの金属元素を含むことが好ましい。
　また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３と接する導電体には、導電体２０５の第１の導電体などと同様に、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水または水素などの不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料は、単層または積層で用いてもよい。当該導電性材料を用いることで、絶縁体２８３より上層から水素、水などの不純物が、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを通じて酸化物２３０に混入するのを抑制することができる。
　また、図示しないが、導電体２４０ａの上面、および導電体２４０ｂの上面に接して配線として機能する導電体を配置してもよい。配線として機能する導電体は、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、当該導電体は、積層構造としてもよく、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。なお、当該導電体は、導電体２０３などと同様に、絶縁体に設けられた開口に埋め込むように形成してもよい。
＜半導体装置の構成例２＞
　図４は、本発明の一態様に係るトランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ａ周辺の上面図および断面図である。
　図４（Ａ）は、トランジスタ２００ａを有する半導体装置の上面図である。また、図４（Ｂ）、および図４（Ｃ）は当該半導体装置の断面図である。ここで、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００ａのチャネル長方向の断面図でもある。また、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００ａのチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図４（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　本発明の一態様の半導体装置は、トランジスタ２００ａと、層間膜として機能する絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３を有する。また、トランジスタ２００ａと電気的に接続し、配線として機能する導電体２０３、およびプラグとして機能する導電体２４０とを有する。
　なお、導電体２０３は、絶縁体２１２に埋め込まれるように形成される。ここで、導電体２０３の上面の高さと、絶縁体２１２の上面の高さは同程度にできる。なお導電体２０３は、単層とする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２０３を２層以上の積層構造としてもよい。また、構造体が積層構造を有する場合、形成順に序数を付与し、区別する場合がある。
　また、導電体２４０は、絶縁体２７３、絶縁体２８０絶縁体２８２および絶縁体２８３の開口の内壁に接して形成されている。ここで、導電体２４０の上面の高さと、絶縁体２８３の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００ａでは、導電体２４０が単層である構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体２４０は、２層以上の積層構造でもよい。また、導電体２６０の上面の高さと、絶縁体２８０の上面の高さは、略一致する。
［トランジスタ２００ａ］
　図４に示すように、トランジスタ２００ａは、基板（図示せず）の上に配置された絶縁体２１４および絶縁体２１６と、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれるように配置された導電体２０５と、絶縁体２１６と導電体２０５の上に配置された絶縁体２２０と、絶縁体２２０の上に配置された絶縁体２２２と、絶縁体２２２の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０（酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および酸化物２３０ｃ）と、酸化物２３０の上に配置された絶縁体２５０と、絶縁体２５０上に配置された導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、導電体２６０上の絶縁体２７０と、絶縁体２２４の上面、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、酸化物２３０ｂの上面、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面、導電体２６０の側面および絶縁体２７０の側面に接して配置された絶縁体２７３と、絶縁体２７３を介して、導電体２６０の側面に配置された絶縁体２７５と、を有する。また、絶縁体２７３は、絶縁体２２４を露出する開口を有し、絶縁体２８０は、該開口を介して絶縁体２２４と接する。導電体２６０は、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを有し、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように導電体２６０ａが配置される。ここで、図４（Ｂ）に示すように、絶縁体２７０の上面は、絶縁体２７３の上面および絶縁体２７５の上面と略一致する。
　トランジスタ２００ａは、絶縁体２７０および絶縁体２７５を有するところが、前述のトランジスタ２００と異なる。
　絶縁体２７０および絶縁体２７５としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンおよび窒化シリコンを用いることができる。
　また、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口は、絶縁体２７５の側面が露出するように形成する。このように形成するには、絶縁体２８２および絶縁体２８０の開口形成時に絶縁体２７５のエッチング速度が、絶縁体２８０のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすることが好ましい。絶縁体２７５のエッチング速度を１とすると、絶縁体２８０のエッチング速度は好ましくは５以上であり、より好ましくは１０以上である。このようにすることで、自己整合的に開口を形成することができ、開口とゲート電極との位置合わせのマージンが広くなり、開口とゲート電極との間隔を小さく設計することができるので、半導体装置の高集積化が可能となる。また、本発明の一態様であるトランジスタ２００ａの構成では、例えば、開口形成時に、開口が絶縁体２７０の上面と重なる位置にずれた場合でも、導電体２６０と、導電体２４０ａまたは導電体２４０ｂとが、電気的に短絡することを防ぐことができる。即ち、開口形成時に絶縁体２７５と同様に、絶縁体２７０のエッチング速度が、絶縁体２８０のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすればよい。従って、絶縁体２７０としては、絶縁体２７５と同様の材料を用いることができる。
　ここで、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３に形成された開口に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを配置する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂは、導電体２６０を挟んで対向して設ける。なお、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの上面の高さは、絶縁体２８３の上面と、同一平面上としてもよい。
　導電体２４０ａは、トランジスタ２００ａのソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域２３１ａと接しており、導電体２４０ｂはトランジスタ２００ａのソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域２３１ｂと接している。よって、導電体２４０ａはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体２４０ｂはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。
　なお、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ａが位置しており、導電体２４０ａが領域２３１ａと接する。同様に、絶縁体２８３、絶縁体２８２、絶縁体２８０および絶縁体２７３の開口の内壁に接して導電体２４０ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には酸化物２３０の領域２３１ｂが位置しており、導電体２４０ｂが領域２３１ｂと接する。
　また、図４（Ｂ）に示すように、トランジスタ２００ａは、導電体２６０と、導電体２４０ａと、の間に寄生容量が形成される。同様に、導電体２６０と、導電体２４０ｂと、の間に寄生容量が形成される。当該寄生容量は、導電体２６０と、導電体２４０ａ（導電体２４０ｂ）と、の間に配置される絶縁体のチャネル長方向の膜厚を大きくすることで低減される。
　従って、トランジスタ２００ａに絶縁体２７３に加えて絶縁体２７５を設けることで、寄生容量を低減することができる。絶縁体２７５のチャネル長方向の膜厚と絶縁体２７３のチャネル長方向の膜厚との合計値が、酸化シリコン膜に換算した膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　Ｏｘｉｄｅ　Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）として、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以上３０ｎｍとする。また、絶縁体２７５としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンおよび窒化シリコンを用いることができる。寄生容量を低減することで、トランジスタ２００ａを高速に動作することができる。その他の構成、効果などについては、トランジスタ２００の説明を参酌することができる。
＜半導体装置の構成材料＞
　以下では、半導体装置に用いることができる構成材料について説明する。
＜基板＞
　トランジスタ２００およびトランジスタ２００ａを形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板など）、樹脂基板などがある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などがある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などがある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板などがある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
　また、基板として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可撓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、可撓性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可撓性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、基板は、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基板上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。すなわち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
　可撓性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。また、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。可撓性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板である基板としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板である基板として好適である。
＜絶縁体＞
　絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物などがある。
　例えば、トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁体の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁体として機能する絶縁体に、ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることで物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時の低電圧化が可能となる。一方、層間膜として機能する絶縁体には、比誘電率が低い材料を用いることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。したがって、絶縁体の機能に応じて、材料を選択するとよい。
　また、比誘電率の高い絶縁体としては、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。
　また、比誘電率が低い絶縁体としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などがある。
　また、特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定である。そのため、例えば、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。また、例えば、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。
　また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。
　水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。具体的には、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。
　特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。また、酸化ハフニウムは、酸化アルミニウムよりもバリア性が低いが、膜厚を厚くすることによりバリア性を高めることができる。したがって、酸化ハフニウムの膜厚を調整することで、水素、および窒素の適切な添加量を調整することができる。
　例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２４および絶縁体２５０は、過剰酸素領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、過剰酸素領域を有する酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを酸化物２３０と接する構造とすることで、酸化物２３０が有する酸素欠損を補償することができる。
　また、例えば、ゲート絶縁体の一部として機能する絶縁体２２２において、アルミニウム、ハフニウム、およびガリウムの一種または複数種の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。特に、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
　例えば、絶縁体２２０には、熱に対して安定である酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いることが好ましい。ゲート絶縁体を、熱に対して安定な膜と、比誘電率が高い膜との積層構造とすることで、物理膜厚を保持したまま、ゲート絶縁体の等価酸化膜厚（ＥＯＴ）の薄膜化が可能となる。
　上記積層構造とすることで、ゲート電極からの電界の影響を弱めることなく、オン電流の向上を図ることができる。また、ゲート絶縁体の物理的な厚みにより、ゲート電極と、チャネルが形成される領域との間の距離を保つことで、ゲート電極とチャネル形成領域との間のリーク電流を抑制することができる。
　絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７０、絶縁体２７５、絶縁体２８０および絶縁体２８３は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７０、絶縁体２７５、絶縁体２８０および絶縁体２８３は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂などを有することが好ましい。または、絶縁体２１２、絶縁体２１６、絶縁体２７０、絶縁体２７５、絶縁体２８０および絶縁体２８３は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。
　絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７３および絶縁体２８２としては、水素などの不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。絶縁体２１０、絶縁体２１４、絶縁体２２２、絶縁体２７３および絶縁体２８２としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いればよい。
＜導電体＞
　導電体としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
　また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
　なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合において、ゲート電極として機能する導電体には、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
　特に、ゲート電極として機能する導電体として、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いることが好ましい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタルなどの窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、チャネルが形成される金属酸化物に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体などから混入する水素を捕獲することができる場合がある。
　導電体２６０、導電体２０３、導電体２０５、および導電体２４０としては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウムなどから選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
＜金属酸化物＞
　酸化物２３０として、酸化物半導体として機能する金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう）を用いることが好ましい。以下では、本発明に係る酸化物２３０に適用可能な金属酸化物について説明する。
　金属酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
　ここでは、金属酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたは錫などとする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
　なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ　ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
［金属酸化物の構成］
　以下では、本発明の一態様で開示されるトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
　なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌ）、およびＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
　ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（または正孔）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
　また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅは、導電性領域、および絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
　また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
　また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、および高い電界効果移動度を得ることができる。
　すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
［金属酸化物の構造］
　酸化物半導体（金属酸化物）は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ　ａｌｉｇｎｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体などがある。
　ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
　ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。
　また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
　ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、金属酸化物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（Ｖｏ：ｏｘｙｇｅｎ　ｖａｃａｎｃｙともいう）など）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。
　ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
　なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物（以下、ＩＧＺＯ）は、上述のナノ結晶とすることで安定な構造をとる場合がある。とくに、ＩＧＺＯは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍ、または数ｃｍ）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構造的に安定となる場合がある。
　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金属酸化物である。ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
　酸化物半導体（金属酸化物）は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ　ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
［金属酸化物を有するトランジスタ］
　続いて、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合について説明する。
　なお、上記金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
　また、トランジスタには、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物膜のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。例えば、金属酸化物は、キャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
　また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
　また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い金属酸化物をチャネル形成領域に有するトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
　したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
　また、トランジスタの半導体に用いる金属酸化物として、結晶性の高い薄膜を用いることが好ましい。該薄膜を用いることで、トランジスタの安定性または信頼性を向上させることができる。該薄膜として、例えば、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜が挙げられる。しかしながら、単結晶金属酸化物の薄膜または多結晶金属酸化物の薄膜を基板上に形成するには、高温またはレーザー加熱の工程が必要とされる。よって、製造工程のコストが増加し、さらに、スループットも低下してしまう。
　２００９年に、ＣＡＡＣ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯと呼ぶ）が発見されたことが、非特許文献１および非特許文献２で報告されている。ここでは、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯは、ｃ軸配向性を有する、結晶粒界が明確に確認されない、低温で基板上に形成可能である、ことが報告されている。さらに、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯを用いたトランジスタは、優れた電気特性および信頼性を有することが報告されている。
　また、２０１３年には、ｎｃ構造を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物（ｎｃ−ＩＧＺＯと呼ぶ）が発見された（非特許文献３参照）。ここでは、ｎｃ−ＩＧＺＯは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有し、異なる該領域間で結晶方位に規則性が見られないことが報告されている。
　非特許文献４および非特許文献５では、上記のＣＡＡＣ−ＩＧＺＯ、ｎｃ−ＩＧＺＯ、および結晶性の低いＩＧＺＯのそれぞれの薄膜に対する電子線の照射による平均結晶サイズの推移が示されている。結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜において、電子線が照射される前でさえ、１ｎｍ程度の結晶性ＩＧＺＯが観察されている。よって、ここでは、ＩＧＺＯにおいて、完全な非晶質構造（ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の存在を確認できなかった、と報告されている。さらに、結晶性の低いＩＧＺＯの薄膜と比べて、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜およびｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜は電子線照射に対する安定性が高いことが示されている。よって、トランジスタの半導体として、ＣＡＡＣ−ＩＧＺＯの薄膜またはｎｃ−ＩＧＺＯの薄膜を用いることが好ましい。
　金属酸化物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、具体的には、トランジスタのチャネル幅１μｍあたりのオフ電流がｙＡ／μｍ（１０−２４Ａ／μｍ）オーダである、ことが非特許文献６に示されている。例えば、金属酸化物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利用した低消費電力のＣＰＵなどが開示されている（非特許文献７参照）。
　また、金属酸化物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利用した、該トランジスタの表示装置への応用が報告されている（非特許文献８参照）。表示装置では、表示される画像が１秒間に数十回切り換っている。１秒間あたりの画像の切り換え回数はリフレッシュレートと呼ばれている。また、リフレッシュレートを駆動周波数と呼ぶこともある。このような人の目で知覚が困難である高速の画面の切り換えが、目の疲労の原因として考えられている。そこで、表示装置のリフレッシュレートを低下させて、画像の書き換え回数を減らすことが提案されている。また、リフレッシュレートを低下させた駆動により、表示装置の消費電力を低減することが可能である。このような駆動方法を、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動と呼ぶ。
　ＣＡＡＣ構造およびｎｃ構造の発見は、ＣＡＡＣ構造またはｎｃ構造を有する金属酸化物を用いたトランジスタの電気特性および信頼性の向上、ならびに、製造工程のコスト低下およびスループットの向上に貢献している。また、該トランジスタのリーク電流が低いという特性を利用した、該トランジスタの表示装置およびＬＳＩへの応用研究が進められている。
［不純物］
　ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
　金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、金属酸化物との界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
　また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
　また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、当該金属酸化物において、チャネル形成領域の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、金属酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
　また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、水素が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。
　また、金属酸化物に含まれる水素は、金属酸化物中に浅い欠陥準位（ｓＤＯＳ：ｓｈａｌｌｏｗ　ｌｅｖｅｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅｓ）を形成する場合がある。浅い欠陥準位とは、伝導帯下端の近くに位置する界面準位をさす。浅い欠陥準位は、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍に存在することが推定される。ここでは、金属酸化物中の高密度領域と低密度領域は、領域に含まれる水素の量で区別する。すなわち、低密度領域と比較して、高密度領域は、水素をより多く含む領域とする。金属酸化物中の高密度領域と低密度領域の境界近傍は、両領域間の応力歪によって、微小なクラックが生じやすく、該クラック近傍に酸素欠損およびインジウムのダングリングボンドが発生し、ここに、水素または水などの不純物が局在することで、浅い欠陥準位が形成されるものと推定される。
　また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも結晶性が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物中の高密度領域は、低密度領域よりも膜密度が高くなる場合がある。また、上記金属酸化物が、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、有する組成の場合、高密度領域は、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有し、低密度領域は、インジウムと、亜鉛と、を有する場合がある。別言すると、低密度領域は、高密度領域よりもガリウムの割合が少ない場合がある。
　なお、上記浅い欠陥準位は、酸素欠損に起因すると推定される。金属酸化物中の酸素欠損が増えると、浅い欠陥準位密度とともに深い欠陥準位密度（ｄＤＯＳ：ｄｅｅｐ　ｌｅｖｅｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅｓ）も増えると推定される。これは、深い欠陥準位も酸素欠損によるものだと考えられるためである。なお、深い欠陥準位とは、バンドギャップの中央付近に位置する欠陥準位をさす。
　したがって、金属酸化物中の酸素欠損を抑制することで、浅い欠陥準位及び深い欠陥準位の双方の準位密度を低減させることが可能となる。また、浅い欠陥準位については、金属酸化物の成膜時の温度を調整することで、ある程度制御できる可能性がある。具体的には、金属酸化物の成膜時の温度を、１７０℃またはその近傍、好ましくは１３０℃またはその近傍、さらに好ましくは室温とすることで、浅い欠陥準位密度を低減することができる。
　また、金属酸化物の浅い欠陥準位は、金属酸化物を半導体として用いたトランジスタの電気特性に影響を与える。即ち、浅い欠陥準位によって、トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧（Ｉｄ−Ｖｇ）特性において、ゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄの変化が緩やかとなり、トランジスタのオフ状態からオン状態への立ち上がり特性の良し悪しの目安の１つである、Ｓ値（Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　Ｓｗｉｎｇ、ＳＳとも言う）が悪化する。これは浅い欠陥準位に電子がトラップされたためと考えられる。
　このため、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。
［真空ベークの効果］
　ここでは、金属酸化物に含まれる、弱いＺｎ−Ｏ結合について説明し、該結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一例について示す。
　金属酸化物を用いたトランジスタにおいて、トランジスタの電気特性の不良に繋がる欠陥の一例として酸素欠損がある。例えば、膜中に酸素欠損が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナス方向に変動しやすく、ノーマリーオン特性となりやすい。これは、金属酸化物に含まれる酸素欠損に起因したドナーが生成され、キャリア濃度が増加するためである。トランジスタがノーマリーオン特性を有すると、動作時に動作不良が発生しやすくなる、または非動作時の消費電力が高くなるなどの、様々な問題が生じる。
　また、モジュールを作製するための接続配線を形成する工程における熱履歴（サーマルバジェット）により、しきい値電圧の変動、寄生抵抗の増大、などのトランジスタの電気特性の劣化、該電気特性の劣化に伴う電気特性のばらつきの増大、などの問題がある。これらの問題は、製造歩留りの低下に直結するため、対策の検討は重要である。また、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化（経年変化）を短時間で評価することができるストレス試験でも電気特性の劣化が生じる。該電気特性の劣化は、製造の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって金属酸化物中の酸素が欠損することに起因すると推測される。
　金属酸化物中には、金属原子との結合が弱く、酸素欠損となりやすい酸素原子が存在する。特に、金属酸化物がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物である場合は、亜鉛原子と酸素原子とが弱い結合（弱いＺｎ−Ｏ結合、ともいう）を形成しやすい。ここで、弱いＺｎ−Ｏ結合とは、製造の過程で行われる高温処理、またはストレス試験時に与えられる電気的なストレスによって切断される程度の強さで結合した、亜鉛原子と酸素原子の間に生じる結合である。弱いＺｎ−Ｏ結合が金属酸化物中に存在すると、熱履歴または電流ストレスによって、該結合が切断され、酸素欠損が形成される。酸素欠損が形成されることにより、熱履歴に対する耐性、電気的ストレスに対する耐性などといった、トランジスタの安定性が低下する。
　亜鉛原子と多く結合している酸素原子と、該亜鉛原子との間に生じる結合は、弱いＺｎ−Ｏ結合である場合がある。ガリウム原子と比べて、亜鉛原子は、酸素原子との結合が弱い。したがって、亜鉛原子と多く結合している酸素原子は欠損しやすい。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、その他の金属との結合よりも弱いと推測される。
　また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、弱いＺｎ−Ｏ結合が形成されやすいと推測される。金属酸化物中の不純物としては、例えば、水分子や水素がある。金属酸化物中に水分子や水素が存在することで、水素原子が、金属酸化物を構成する酸素原子と結合する（ＯＨ結合ともいう）場合がある。金属酸化物を構成する酸素原子は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物が単結晶である場合、金属酸化物を構成する金属原子４つと結合している。しかしながら、水素原子と結合した酸素原子は、２つまたは３つの金属原子と結合している場合がある。酸素原子に結合している金属原子の数が減少することで、該酸素原子は欠損しやすくなる。なお、ＯＨ結合を形成している酸素原子に亜鉛原子が結合している場合、該酸素原子と該亜鉛原子との結合は弱いと推測される。
　また、弱いＺｎ−Ｏ結合は、複数のナノ結晶が連結する領域に存在する歪みに形成される場合がある。ナノ結晶は六角形を基本とするが、該歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する。該歪みでは、原子間の結合距離が一様でないため、弱いＺｎ−Ｏ結合が形成されていると推測される。
　また、弱いＺｎ−Ｏ結合は、金属酸化物の結晶性が低い場合に形成されやすいと推測される。金属酸化物の結晶性が高い場合、金属酸化物を構成する亜鉛原子は、酸素原子４つまたは５つと結合している。しかし、金属酸化物の結晶性が低くなると、亜鉛原子と結合する酸素原子の数が減少する傾向がある。亜鉛原子に結合する酸素原子の数が減少すると、該亜鉛原子は欠損しやすくなる。すなわち、亜鉛原子と酸素原子との間に生じる結合は、単結晶で生じる結合よりも弱いと推測される。
　上記の弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することで、熱履歴または電気的ストレスによる酸素欠損の形成を抑制し、トランジスタの安定性を向上させることができる。なお、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子のみを低減し、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する亜鉛原子が減少しない場合、該亜鉛原子近傍に酸素原子を供給すると、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成される場合がある。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する亜鉛原子および酸素原子を低減することが好ましい。
　弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減する方法の一つとして、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施する方法が挙げられる。真空ベークとは、真空雰囲気下で行う加熱処理のことである。真空雰囲気は、ターボ分子ポンプ等で排気を行うことで維持される。なお、処理室の圧力は、１×１０−２Ｐａ以下、好ましくは１×１０−３Ｐａ以下とすればよい。また、加熱処理時の基板の温度は、３００℃以上、好ましくは４００℃以上とすればよい。
　真空ベークを実施することで、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。また、真空ベークによって金属酸化物に熱が与えられるため、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減した後、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減するとともに、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
　また、金属酸化物中に不純物が存在する場合、真空ベークを実施することで、金属酸化物中の水分子または水素を放出し、ＯＨ結合を低減することができる。金属酸化物中のＯＨ結合が減少することで、４つの金属原子と結合している酸素原子の割合が増える。また、水分子または水素が放出される際、金属酸化物を構成する原子が再配列することで、４つの金属原子と結合している酸素原子が増える。したがって、弱いＺｎ−Ｏ結合が再形成されるのを抑制することができる。
　以上のように、金属酸化物を成膜した後、真空ベークを実施することで、弱いＺｎ−Ｏ結合を構成する酸素原子および亜鉛原子を低減することができる。したがって、該工程により、トランジスタの安定性を向上することができる。また、トランジスタの安定性が向上することで、材料や形成方法の選択の自由度が高くなる。
＜半導体装置の作製方法１＞
　次に、図１に示す、本発明に係るトランジスタ２００を有する半導体装置について、作製方法を図６乃至図２０を用いて説明する。また、図６乃至図２０において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　まず、基板（図示しない）を準備し、当該基板上に絶縁体２１０を成膜する。絶縁体２１０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：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる。
　なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ　ＣＶＤ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ　ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用いる原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　ＣＶＤ）法に分けることができる。
　プラズマＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。また、熱ＣＶＤ法は、プラズマを用いないため、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法である。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子など）などは、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子などが破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない熱ＣＶＤ法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、熱ＣＶＤ法では、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
　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。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素などの不純物を含むものがある。このため、ＡＬＤ法により設けられた膜は、他の成膜法により設けられた膜と比較して、炭素などの不純物を多く含む場合がある。なお、不純物の定量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ　Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行うことができる。
　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。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。
　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を要さない分、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。
　本実施の形態では、絶縁体２１０として、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する。また、絶縁体２１０は、多層構造としてもよい。例えば、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。または、ＡＬＤ法によって酸化アルミニウムを成膜し、当該酸化アルミニウム上に、スパッタリング法によって酸化アルミニウムを成膜する構造としてもよい。
　次に絶縁体２１０上に、導電体２０３となる導電膜を成膜する。導電体２０３となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。また、導電体２０３となる導電膜は、多層膜とすることができる。本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜としてタングステンを成膜する。
　次に、リソグラフィー法を用いて、導電体２０３となる導電膜を加工し、導電体２０３を形成する。
　なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光された領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ　Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジストを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなどのドライエッチング処理を行う、ウェットエッチング処理を行う、ドライエッチング処理後にウェットエッチング処理を行う、またはウェットエッチング処理後にドライエッチング処理を行うことができる。
　また、レジストマスクの代わりに絶縁体や導電体からなるハードマスクを用いてもよい。ハードマスクを用いる場合、導電体２０３となる導電膜上にハードマスク材料となる絶縁膜や導電膜を形成し、その上にレジストマスクを形成し、ハードマスク材料をエッチングすることで所望の形状のハードマスクを形成することができる。導電体２０３となる導電膜のエッチングは、レジストマスクを除去してから行っても良いし、レジストマスクを残したまま行っても良い。後者の場合、エッチング中にレジストマスクが消失することがある。導電体２０３となる導電膜のエッチング後にハードマスクをエッチングにより除去しても良い。一方、ハードマスクの材料が後工程に影響が無い、あるいは後工程で利用できる場合、必ずしもハードマスクを除去する必要は無い。
　ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いることができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。
　次に、絶縁体２１０上、導電体２０３上に絶縁体２１２となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２１２となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１２となる絶縁膜として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
　ここで、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚は、導電体２０３の膜厚以上とすることが好ましい。例えば、導電体２０３の膜厚を１とすると、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚は、１以上３以下とする。本実施の形態では、導電体２０３の膜厚の膜厚を１５０ｎｍとし、絶縁体２１２となる絶縁膜の膜厚を３５０ｎｍとする。
　次に、絶縁体２１２となる絶縁膜にＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を行うことで、絶縁体２１２となる絶縁膜の一部を除去し、導電体２０３の表面を露出させる。これにより、上面が平坦な、導電体２０３と、絶縁体２１２を形成することができる（図６参照）。
　ここでは、上記と異なる導電体２０３の形成方法について以下に説明する。
　絶縁体２１０上に絶縁体２１２を成膜する。絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　次に、絶縁体２１２に絶縁体２１０に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝やスリットなども含まれる。また、開口が形成された領域を指して開口部とする場合がある。開口の形成はウェットエッチングを用いてもよいが、ドライエッチングを用いるほうが微細加工には好ましい。また、絶縁体２１０は、絶縁体２１２をエッチングして溝を形成する際のエッチングストッパ膜として機能する絶縁体を選択することが好ましい。例えば、溝を形成する絶縁体２１２に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体２１０は窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜を用いるとよい。
　開口の形成後に、導電体２０３となる導電膜を成膜する。該導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含むことが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０３となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜を、多層構造とする。まず、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。または、該窒化タンタルの上に窒化チタンを積層した膜を成膜する。このような金属窒化物を導電体２０３となる導電膜の下層に用いることにより、後述する導電体２０３となる導電膜の上層の導電膜として銅などの拡散しやすい金属を用いても、当該金属が導電体２０３から外に拡散するのを防ぐことができる。
　次に、導電体２０３となる導電膜の上層の導電膜を成膜する。該導電膜の成膜は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、導電体２０３となる導電膜の上層の導電膜として、銅などの低抵抗導電性材料を成膜する。
　次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０３となる導電膜の上層、ならびに導電体２０３となる導電膜の下層の一部を除去し、絶縁体２１２を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０３となる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０３を形成することができる。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１２の一部が除去される場合がある。以上が、導電体２０３の異なる形成方法である。
　次に、絶縁体２１２、および導電体２０３上に絶縁体２１４を成膜する。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１４として、ＣＶＤ法によって窒化シリコンを成膜する。このように、絶縁体２１４として、窒化シリコンなどの銅が透過しにくい絶縁体を用いることにより、導電体２０３の第２の導電体に銅など拡散しやすい金属を用いても、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを抑制することができる。
　次に、絶縁体２１４上に絶縁体２１６を成膜する。絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２１６として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
　次に、絶縁体２１４および絶縁体２１６に、導電体２０３に達する開口を形成する。開口の形成にはウェットエッチング法を用いてもよいが、ドライエッチング法を用いるほうが微細加工には好ましい。
　開口の形成後に、導電体２０５ａとなる導電膜を成膜する。導電体２０５ａとなる導電膜は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電性材料を含むことが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化チタンなどを用いることができる。またはタンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅、モリブデンタングステン合金との積層膜とすることができる。導電体２０５ａとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　本実施の形態では、導電体２０５ａとなる導電膜として、スパッタリング法によって窒化タンタルを成膜する。
　次に、導電体２０５ａとなる導電膜上に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。当該導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　本実施の形態では、導電体２０５ｂとなる導電膜として、ＣＶＤ法によって窒化チタンを成膜し、当該窒化チタン上にＣＶＤ法によってタングステンを成膜する。
　次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２０５ａとなる導電膜、ならびに導電体２０５ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する。その結果、開口部のみに、導電体２０５ａとなる導電膜および導電体２０５ｂとなる導電膜が残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂを含む導電体２０５を形成することができる（図６参照）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２１６の一部が除去される場合がある。
　次に、絶縁体２１６、および導電体２０５上に絶縁体２２０を成膜する。絶縁体２２０の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁体２２０として、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
　次に、絶縁体２２０上に絶縁体２２２を成膜する。絶縁体２２２として、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を成膜するとよい。なお、アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。アルミニウムおよびハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する。絶縁体２２２が、水素および水に対するバリア性を有することで、トランジスタ２００の周辺に設けられた構造体に含まれる水素、および水が、絶縁体２２２を通じてトランジスタ２００の内側へ拡散することが抑制され、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。
　絶縁体２２２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　次に、絶縁体２２２上に絶縁膜２２４Ａを成膜する。絶縁膜２２４Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図６参照）。本実施の形態では、絶縁膜２２４Ａとして、ＣＶＤ法によって酸化シリコンを成膜する。
　続いて、加熱処理を行うと好ましい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素また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。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素また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。
　本実施の形態では、絶縁膜２２４Ａの成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁膜２２４Ａに含まれる水素や水などの不純物を除去することなどができる。
　また、加熱処理は、絶縁体２２０成膜後、および絶縁体２２２の成膜後のそれぞれのタイミングで行うこともできる。当該加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができるが、絶縁体２２０成膜後の加熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行うことが好ましい。
　ここで、絶縁膜２２４Ａに過剰酸素領域を形成するために、減圧状態で酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理は、例えばマイクロ波を用いた高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いることが好ましい。または、基板側にＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を印加する電源を有してもよい。高密度プラズマを用いることにより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦ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ラジカルを効率よく絶縁膜２２４Ａ内に導くことができる。または、この装置を用いて不活性ガスを含むプラズマ処理を行った後に、脱離した酸素を補うために酸素を含むプラズマ処理を行ってもよい。なお、当該プラズマ処理の条件を適宜選択することにより、絶縁膜２２４Ａに含まれる水素や水などの不純物を除去することができる。その場合、加熱処理は行わなくてもよい。
　次に、絶縁膜２２４Ａ上に、酸化膜２３０Ａと、酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図６参照）。なお、上記酸化膜は、大気環境にさらさずに連続して成膜することが好ましい。大気開放せずに成膜することで、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ上に大気環境からの不純物または水分が付着することを防ぐことができ、酸化膜２３０Ａと酸化膜２３０Ｂとの界面近傍を清浄に保つことができる。
　酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　例えば、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法によって成膜する場合は、スパッタリングガスとして酸素、または、酸素と希ガスの混合ガスを用いる。スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を高めることで、成膜される酸化膜中の過剰酸素を増やすことができる。また、上記の酸化膜をスパッタリング法によって成膜する場合は、上記のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物ターゲットを用いることができる。
　特に、酸化膜２３０Ａの成膜時に、スパッタリングガスに含まれる酸素の一部が絶縁膜２２４Ａに供給される場合がある。したがって、酸化膜２３０Ａのスパッタリングガスに含まれる酸素の割合は７０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは１００％とすればよい。
　また、酸化膜２３０Ｂをスパッタリング法で形成する場合、スパッタリングガスに含まれる酸素の割合を１％以上３０％以下、好ましくは５％以上２０％以下として成膜すると、酸素欠乏型の酸化物半導体が形成される。酸素欠乏型の酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られる。
　本実施の形態では、酸化膜２３０Ａとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］（２：２：１［原子数比］）のターゲットを用いて成膜する。また、酸化膜２３０Ｂとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：２［原子数比］、４：２：１［原子数比］、あるいは４：２：０［原子数比］（Ｉｎ：Ｇａ＝４：２［原子数比］）、のターゲットを用いて成膜する。なお、各酸化膜は、成膜条件、および原子数比を適宜選択することで、酸化物２３０に求める特性に合わせて形成するとよい。
　次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した加熱処理条件を用いることができる。加熱処理によって、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂ中の水素や水などの不純物を除去することなどができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行った後に、連続して酸素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。
　次に、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを島状に加工して、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂを形成する。なお、当該工程において、絶縁膜２２４Ａの酸化物２３０ａと重ならない領域の膜厚が、絶縁膜２２４Ａの酸化物２３０ａと重なる領域よりも薄くなるように絶縁体２２４を形成してもよい（図７参照）。
　ここで、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面は、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直であることで、複数のトランジスタ２００を設ける際に、小面積化、高密度化が可能となる。または、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角が鋭角になる構成にしてもよい。その場合、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と絶縁体２２２の上面のなす角は６０°以上７０°未満が好ましい。この様な形状とすることで、これより後の工程において、絶縁体２７３などの被覆性が向上し、鬆などの欠陥を低減することができる。
　また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの側面と、酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有する。つまり、側面の端部と上面の端部は、湾曲していることが好ましい（以下、ラウンド状ともいう）。湾曲面は、例えば、酸化物２３０ｂの端部において、曲率半径が、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以上６ｎｍ以下とする。端部に角を有さないことで、以降の成膜工程における膜の被覆性が向上する。
　なお、当該酸化膜の加工はリソグラフィー法を用いて行えばよい。また、当該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
　また、ドライエッチングなどの処理を行うことによって、エッチングガスなどに起因した不純物が酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂなどの表面または内部に付着または拡散することがある。不純物としては、例えば、フッ素または塩素などがある。
　上記の不純物などを除去するために、洗浄を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウェット洗浄、プラズマを用いたプラズマ処理、または熱処理による洗浄などがあり、上記洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
　ウェット洗浄としては、シュウ酸、リン酸、またはフッ化水素酸などを炭酸水または純水で希釈した水溶液を用いて洗浄処理を行ってもよい。または、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。本実施の形態では、純水または炭酸水を用いた超音波洗浄を行う。
　続いて、加熱処理を行ってもよい。加熱処理には、前述の加熱処理の条件を用いることができる。
　次に、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの上に、酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜を成膜する。
　酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜の成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。酸化物２３０ｃに求める特性に合わせて、酸化膜２３０Ａ、または酸化膜２３０Ｂと同様の成膜方法を用いて、酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜を成膜すればよい。本実施の形態では、酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜として、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて成膜する。
　次に、リソグラフィー法によって、酸化膜２３０Ｃとなる酸化膜を加工し、酸化膜２３０Ｃを形成する（図８参照）。
　続いて、酸化膜２３０Ｃ上に、絶縁膜２５０Ａおよびダミーゲート膜２６２Ａを順に成膜する（図８参照）。
　まず、絶縁膜２５０Ａを成膜する。絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２５０Ａとして、ＣＶＤ法により、酸化窒化シリコンを成膜することが好ましい。なお、絶縁膜２５０Ａを成膜する際の成膜温度は、３５０℃以上４５０℃未満、特に４００℃前後とすることが好ましい。絶縁膜２５０Ａを、４００℃で成膜することで、不純物が少ない絶縁膜を成膜することができる。
　なお、マイクロ波で酸素を励起し、高密度な酸素プラズマを発生させ、当該酸素プラズマに絶縁膜２５０Ａを曝すことで、絶縁膜２５０Ａへ酸素を導入することができる。
　また、加熱処理を行ってもよい。加熱処理には、前述の加熱処理条件を用いることができる。当該加熱処理によって、絶縁膜２５０Ａの水分濃度および水素濃度を低減させることができる。
　ダミーゲート膜２６２Ａは、加工してダミーゲートとして使用する。ダミーゲートとは、仮のゲート電極のことである。つまり、ダミーゲート膜２６２Ａを加工することで、仮のゲート電極を形成し、後の工程において該ダミーゲートを除去し、代わりに導電膜等によるゲート電極を形成する。従って、ダミーゲート膜２６２Ａは微細加工が容易であり、かつ、除去も容易な膜を用いることが好ましい。
　ダミーゲート膜２６２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体、半導体、または導電体を用いることができる。具体的には、ポリシリコン、微結晶シリコン、アモルファスシリコンなどのシリコン、アルミニウム、チタン、タングステンなどの金属膜などを用いればよい。または、塗布法を用いて、樹脂膜を形成しても良い。樹脂としては、例えば、フォトレジスト、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリルなどがある。樹脂膜を塗布法によって形成することで、ダミーゲート膜２６２Ａの表面を平坦にすることができる。このように、ダミーゲート膜２６２Ａの表面を平坦にすることで、微細加工が容易となり、さらに、除去も容易となる。
　また、ダミーゲート膜２６２Ａは、異なる膜種を用いて多層膜とすることもできる。例えば、ダミーゲート膜２６２Ａを導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造とすることができる。ダミーゲート膜をこのような構造とすることで、例えば、後のＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、ＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、加工ばらつきの低減が可能となる場合がある。
　次に、リソグラフィー法によって、酸化膜２３０Ｃ、絶縁膜２５０Ａおよびダミーゲート膜２６２Ａをエッチングし、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６２Ｂを形成する（図９参照）。酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６２Ｂは、少なくとも一部が、導電体２０５および酸化物２３０と重なるように形成する。
　また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面およびダミーゲート層２６２Ｂの側面は、同一面内であることが好ましい。
　また、酸化物２３０ｃの側面、絶縁体２５０の側面およびダミーゲート層２６２Ｂの側面が共有する同一面は、基板の上面に対し、概略垂直であることが好ましい。つまり、断面形状において、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０、ダミーゲート層２６２Ｂは、基板の上面に対する角度が、９０°近傍であることが好ましい。
　次に、絶縁体２２４、酸化物２３０、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６２Ｂを覆って、膜２４２Ａを成膜する（図１０参照）。なお、膜２４２Ａは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下の膜厚にするとよい。膜２４２Ａには、金属膜、金属元素を有する窒化膜、または金属元素を有する酸化膜を用いる。膜２４２Ａは、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含む膜とする。なお、膜２４２Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　続いて、加熱処理を行う。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素または不活性ガス雰囲気で行う。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、膜２４２Ａの成膜後に窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行う。
　窒素を含む雰囲気下での熱処理により、膜２４２Ａから、上述した金属元素が酸化物２３０へ拡散し、酸化物２３０に金属元素を添加することができる。また、酸化物２３０の膜２４２Ａとの界面近傍における酸素が膜２４２Ａに吸収される場合がある。その結果、酸化物２３０の膜２４２Ａとの界面近傍が金属化合物となり、低抵抗化する。なお、その際、酸化物２３０の一部と、上述した金属元素とが、合金化してもよい。酸化物２３０の一部と金属元素が、合金化することで、酸化物２３０に添加された金属元素は、比較的安定な状態となるため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
　また、酸化物２３０中の水素は、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入った場合、比較的安定な状態となる。また、領域２３４に存在する酸素欠損中の水素は、２５０℃以上の熱処理によって、酸素欠損から抜け出し、領域２３１に拡散し、領域２３１に存在する酸素欠損の中に入り、比較的安定な状態となる。従って、熱処理によって、領域２３１は、より低抵抗化し、領域２３４は、高純度化（水、水素などの不純物の低減）し、より高抵抗化する。
　また、窒素または不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。
　また、膜２４２Ａに導電性を有する領域が残存している場合、酸化性雰囲気下で熱処理を行うことにより、導電性を有する領域を酸化させることで、膜２４２Ａは絶縁体となり、高抵抗化する。膜２４２Ａを、絶縁体として残存させることで、層間膜として機能させることができる。
　上記膜２４２Ａの成膜工程、または加熱処理において、膜２４２Ａに、酸化物２３０中の酸素が吸収されることで、領域２３１に酸素欠損が生じる場合がある。酸化物２３０中の水素が、当該酸素欠損に入ることで、領域２３１のキャリア密度は、増加する。従って、酸化物２３０の領域２３１は、ｎ型となり、低抵抗化される。
　続いて、膜２４２Ａを除去する。なお、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜は、必ずしも除去しなくともよい。例えば、金属膜、金属元素を有する酸化膜、または金属元素を有する窒化膜が、酸化物２３０から吸収した酸素により、酸化し、絶縁体となり、高抵抗化している場合は、当該膜を残存させてもよい。その場合、当該膜は層間膜として機能する場合がある。本工程では、ドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。膜２４２Ａを除去することで、膜２４２Ａに吸収された酸化物２３０中の水素を同時に除去することができる。従って、トランジスタ２００中の不純物である水素を低減することができる。なお、酸化物２３０の低抵抗化した領域近傍を層２４２として斜線を付して示す（図１１参照）。
　次に、絶縁膜２７３Ａを成膜する（図１２参照）。絶縁膜２７３Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　絶縁膜２７３Ａは、被覆性に優れたＡＬＤ法により成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることで、ダミーゲート層２６２Ｂなどにより形成された段差部においても、酸化物２３０ｃ、絶縁体２５０およびダミーゲート層２６２Ｂの側面に対して、均一な厚さを有する絶縁膜２７３Ａを形成することができる。また、ＡＬＤ法を用いることで、緻密な薄膜を成膜することができる。
　絶縁膜２７３Ａとして、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。
　一方、絶縁膜２７３Ａとして、バリア性を有する酸化アルミニウムなどを設けてもよい。例えば、導電体２６０が酸化しやすい金属膜である場合、バリア性を有する絶縁体を用いることで、導電体２６０が絶縁体２７３の外方からの酸素で酸化することを抑制することができる。これにより、導電体２６０の抵抗値が上がることを抑制することができる。
　絶縁膜２７３Ａとして、ＡＬＤ法を用いて酸化アルミニウムを設ける場合、絶縁膜２７３Ａの膜厚は、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。
　次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜２７３Ａを加工し、開口を有する絶縁体２７３Ｂを形成する。（図１３参照）。
　次に、絶縁体２７３Ｂ上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２８０となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　次に、絶縁体２８０となる絶縁膜、ダミーゲート層２６２Ｂ、および絶縁体２７３Ｂの一部をダミーゲート層２６２Ｂの一部が露出するまで除去し、絶縁体２８０、ダミーゲート２６２および絶縁体２７３を形成する（図１４参照）。絶縁体２８０、ダミーゲート２６２および絶縁体２７３の形成にはＣＭＰ処理を用いることが好ましい。
　また、上述のようにダミーゲート膜２６２Ａを、例えば、導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造の膜とすることで、ＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、該導電膜によりＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、ダミーゲート２６２の高さのばらつきの低減が可能となる場合がある。図１４に示すように、ダミーゲート２６２の上面と、絶縁体２７３および絶縁体２８０の上面が略一致する。
　次に、ダミーゲート２６２を除去する。ダミーゲート２６２の除去は、ウェットエッチング、ドライエッチング、またはアッシングなどを用いて行うことができる。または、適宜、上記の処理を複数組み合わせて行ってもよい。例えば、アッシング処理の後に、ウェットエッチング処理を行ってもよい。ダミーゲート２６２を除去することにより、絶縁体２５０の表面が露出する（図１５参照）。
　次に、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを成膜する。導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、ＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａａを成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電膜２６０Ａｂを成膜する（図１６参照）。
　次に、ＣＭＰ処理によって、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを有する導電体２６０を形成する（図１７参照）。
　次に、酸素を絶縁体２８０へ注入する処理を行ってもよい。酸素を注入する処理としては、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理、イオン注入装置を用いて酸素イオンを注入する処理などがある。例えば高密度プラズマ源を有する装置を用いて、酸素を含むガスによるプラズマを照射することによって、酸素を絶縁体２８０へ注入することができる。本実施の形態では、イオン注入装置を用いて、酸素イオンを注入する（図１７参照）。
　イオン注入装置を用いたイオン注入は、イオン注入量、イオン注入の深さをそれぞれ独立に制御することができるので好ましい。つまり、最適な注入量および最適な注入深さで絶縁体２８０に酸素を注入する事ができるので、性能のバラツキの小さい高性能なトランジスタを有する半導体装置の生産が可能となる。注入量および注入深さは、絶縁体２８０の膜厚、トランジスタの大きさ、トランジスタの配置密度、トランジスタの配置によって、適宜、最適化すればよい。
　また、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２となる絶縁膜を形成することによって、酸素を絶縁体２８０へ注入してもよい。絶縁体２８２となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８２となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって、酸素を含むガスを用いて酸化アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体２８０中へ酸素を注入することができる。つまり、絶縁体２８０は過剰酸素を有する。また、絶縁体２８０が有する水素が酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる場合がある（図１８参照）。
　これ以降の工程で加熱処理を行ってもよい。加熱処理を行うことにより、絶縁体２８０に含まれる過剰酸素を絶縁体２７３の開口を通り、絶縁体２２４を介して酸化物２３０へ注入することができる。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、酸素ガスを含む雰囲気で行うことが好ましい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、酸素を含む雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行う。
　次に絶縁体２８２上に、絶縁体２８３となる絶縁体を成膜してもよい。絶縁体２８３となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図１９参照）。
　次に、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に、酸化物２３０の領域２３１に達する開口を形成する（図２０参照）。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。
　次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、水または水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体２４０となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　ここで、例えば、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に開口を形成する際に、酸化物２３０における領域２３１の低抵抗化した領域を除去してもよい。当該開口に導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜すると、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜とが接する領域を有するため、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜と、の接触領域を低抵抗化することができる。当該接触領域を低抵抗化することで、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、の十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。
　次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８３を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（図１参照）。
　また、開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成した後に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成してもよい。開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成することで、外方からの酸素の透過を抑制し、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。該酸化アルミニウムは、開口にＡＬＤ法などを用いて酸化アルミニウムを成膜し、異方性エッチングを行うことで形成することができる。
　以上により、図６乃至図２０に示す半導体装置の作製方法を用いることで、図１に示すトランジスタ２００を有する半導体装置を作製することができる。
＜半導体装置の作製方法２＞
　次に、図４に示す、本発明に係るトランジスタ２００ａを有する半導体装置について、作製方法を図２１乃至図３１を用いて説明する。また、図２１乃至図３１において、各図の（Ａ）は上面図を示す。また、各図の（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。また、各図の（Ｃ）は、（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図である。なお、各図の（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　図１２に示す、絶縁膜２７３Ａの成膜までは、＜半導体装置の作製方法１＞に示すトランジスタ２００を有する半導体装置の作製方法を参酌する。
　次に、絶縁膜２７３Ａ上に、絶縁膜２７５Ａを成膜する。絶縁膜２７５Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図２１参照）。
　次に、絶縁膜２７５Ａに異方性のエッチング処理を行い、絶縁体２７５Ｂを形成する（図２２参照）。
　上記異方性のエッチング処理としては、ドライエッチング処理を行うことが好ましい。これにより、基板面に略平行な面に成膜された当該絶縁膜を除去して、絶縁体２７５Ｂを自己整合的に形成することができる。
　次に、リソグラフィー法によって、絶縁膜２７３Ａを加工し、開口を有する絶縁体２７３Ｂを形成する。（図２３参照）。
　次に、絶縁体２７３Ｂ、酸化物２３０、絶縁体２７５Ｂ、およびダミーゲート層２６２Ｂを覆って、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２８０となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　次に、絶縁体２８０となる絶縁膜、ダミーゲート層２６２Ｂ、絶縁体２７３Ｂおよび絶縁体２７５Ｂの一部をダミーゲート層２６２Ｂの一部が露出するまで除去し、絶縁体２８０、ダミーゲート２６２、絶縁体２７３、および絶縁体２７５を形成する（図２４参照）。絶縁体２８０、ダミーゲート２６２、絶縁体２７３、および絶縁体２７５の形成にはＣＭＰ処理を用いることが好ましい。
　また、上述のようにダミーゲート膜２６２Ａを、例えば、導電膜と該導電膜上に樹脂膜を形成する２層構造の膜とすることで、ＣＭＰ工程において、該導電膜がＣＭＰ処理のストッパ膜として機能する場合がある。または、該導電膜によりＣＭＰ処理の終点検出が可能となる場合があり、ダミーゲート２６２の高さのばらつきの低減が可能となる場合がある。図に示すように、ダミーゲート２６２の上面と、絶縁体２７３および絶縁体２８０の上面が略一致する。
　次に、ダミーゲート２６２を除去する。ダミーゲート２６２の除去は、ウェットエッチング、ドライエッチング、またはアッシングなどを用いて行うことができる。または、適宜、上記の処理を複数組み合わせて行ってもよい。例えば、アッシング処理の後に、ウェットエッチング処理を行ってもよい。ダミーゲート２６２を除去することにより、絶縁体２５０の表面が露出する（図２５参照）。
　次に、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを成膜する。導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、ＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電膜２６０Ａａを成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電膜２６０Ａｂを成膜する（図２６参照）。
　次に、ＣＭＰ処理によって、導電膜２６０Ａａおよび導電膜２６０Ａｂを絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、導電体２６０Ｂａおよび導電体２６０Ｂｂを有する導電体２６０Ｂを形成する（図２７参照）。
　次に、導電体２６０Ｂａおよび導電体２６０Ｂｂの一部を除去し、導電体２６０Ｂを薄膜化し、導電体２６０ａおよび導電体２６０ｂを形成する。薄膜化は、ウェットエッチングまたはドライエッチングを用いることができる。また、薄膜化する厚さは導電体２６０Ｂの厚さの１／４程度とすることが好ましい（図２８参照）。
　次に、絶縁体２７０となる絶縁膜を成膜する。絶縁体２７０となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体２７０となる絶縁膜として、絶縁体２７５と同様の材料を用いることが好ましい。
　次に、ＣＭＰ処理によって、絶縁体２７０となる絶縁膜を絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、絶縁体２７０を形成することができる（図２８参照）。
　次に、酸素を絶縁体２８０へ注入する処理を行ってもよい。酸素を注入する処理としては、酸素を含むガスを用いたプラズマ処理、イオン注入装置を用いて酸素イオンを注入する処理などがある。例えば高密度プラズマ源を有する装置を用いて、酸素を含むガスによるプラズマを照射することによって、酸素を絶縁体２８０へ注入することができる。本実施の形態では、イオン注入装置を用いて、酸素イオンを注入する（図２８参照）。
　イオン注入装置を用いたイオン注入は、イオン注入量、イオン注入の深さをそれぞれ独立に制御することができるので好ましい。つまり、最適な注入量および最適な注入深さで絶縁体２８０に酸素を注入する事ができるので、性能のバラツキの小さい高性能なトランジスタを有する半導体装置の生産が可能となる。注入量および注入深さは、絶縁体２８０の膜厚、トランジスタの大きさ、トランジスタの配置密度、トランジスタの配置によって、適宜、最適化すればよい。
　また、絶縁体２８０上に、絶縁体２８２となる絶縁膜を形成することによって、酸素を絶縁体２８０へ注入してもよい。絶縁体２８２となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８２となる絶縁膜としては、例えば、スパッタリング法によって、酸化アルミニウム膜を成膜することが好ましい。スパッタリング法によって、酸素を含むガスを用いて酸化アルミニウム膜を成膜することによって、絶縁体２８０中へ酸素を注入することができる。つまり、絶縁体２８０は過剰酸素を有する。また、絶縁体２８０が有する水素が酸化物２３０へ拡散することを抑制することができる場合がある（図２９参照）。
　これ以降の工程で加熱処理を行ってもよい。加熱処理を行うことにより、絶縁体２８０に含まれる過剰酸素を絶縁体２７３の開口を通り、絶縁体２２４を介して酸化物２３０へ注入することができる。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、さらに好ましくは３２０℃以上４５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、酸素ガスを含む雰囲気で行うことが好ましい。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。例えば、酸素を含む雰囲気にて４００℃の温度で１時間の加熱処理を行う。
　次に絶縁体２８２上に、絶縁体２８３となる絶縁体を成膜してもよい。絶縁体２８３となる絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる（図３０参照）。
　次に、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に、酸化物２３０の領域２３１に達する開口を形成する（図３１参照）。当該開口の形成は、リソグラフィー法を用いて行えばよい。ここで、導電体２４０が、絶縁体２７５の側面に接して設けられるように、当該開口を形成する。当該開口は、絶縁体２７５をほとんどエッチングしない条件で形成されることが好ましく、即ち絶縁体２７５のエッチング速度に比べて絶縁体２８０のエッチング速度が大きいことが好ましい。絶縁体２７５のエッチング速度を１とすると、絶縁体２８０のエッチング速度は好ましくは５以上であり、より好ましくは１０以上である。この様な開口条件とすることで、開口部を領域２３１へ自己整合的に配置することができるので微細なトランジスタの作製ができる。また、例えば、開口が絶縁体２７０の上面と重なる位置にずれた場合でも、絶縁体２７０のエッチング速度が、絶縁体２７５と同様に、絶縁体２８０のエッチング速度に比べて著しく小さい開口条件とすれば開口が導電体２６０に達することがない。即ち、導電体２６０と、導電体２４０ａまたは導電体２４０ｂと、が、電気的に短絡することを防ぐことができる。従って、リソグラフィー工程において、導電体２６０と、開口と、の位置ずれに対する許容範囲が大きくなるので歩留まりの向上が期待できる。
　次に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、水または水素など不純物の透過を抑制する機能を有する導電体を含む積層構造とすることが望ましい。たとえば、窒化タンタル、窒化チタンなどと、タングステン、モリブデン、銅など、と、の積層とすることができる。導電体２４０となる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。
　ここで、例えば、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２および絶縁体２８３に開口を形成する際に、酸化物２３０における領域２３１の低抵抗化した領域を除去してもよい。当該開口に導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜を成膜すると、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜とが接する領域を有するため、当該領域に金属化合物、または酸素欠損が形成され、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜と、の接触領域を低抵抗化することができる。当該接触領域を低抵抗化することで、酸化物２３０と、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂと、の十分なオーミック接触を確保することができる。従って、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜は、例えば、アルミニウム、ルテニウム、チタン、タンタル、タングステン、クロムなどの金属元素を含むことが好ましい。
　次に、ＣＭＰ処理を行うことで、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２８３を露出する。その結果、上記開口のみに、当該導電膜が残存することで上面が平坦な導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成することができる（図４参照）。
　また、開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成した後に、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂを形成してもよい。開口の側壁部に酸化アルミニウムを形成することで、外方からの酸素の透過を抑制し、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂの酸化を防止することができる。また、導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂから、水、水素などの不純物が外部に拡散することを防ぐことができる。該酸化アルミニウムは、開口にＡＬＤ法などを用いて酸化アルミニウムを成膜し、異方性エッチングを行うことで形成することができる。
　以上により、図２１乃至図３１に示す半導体装置の作製方法を用いることで、図４に示すトランジスタ２００ａを有する半導体装置を作製することができる。
　本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
　本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
＜半導体装置の変形例＞
　以下では、図５を用いて、先の＜半導体装置の構成例１＞および＜半導体装置の構成例２＞で示したものとは異なる、本発明の一態様に係るトランジスタ２００を有する半導体装置の一例について説明する。
　図５（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図５（Ｂ）、および図５（Ｃ）は、当該半導体装置の断面図である。ここで、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。なお、図５（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　なお、図５に示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例１＞および＜半導体装置の構成例２＞に示した半導体装置（図１および図４参照）を構成する構成要素と同機能を有する構成要素には、同符号を付記する。
　以下、トランジスタ２００の構成について、それぞれ図５を用いて説明する。なお、本項目においても、トランジスタ２００の構成材料については＜半導体装置の構成例１＞および＜半導体装置の構成例２＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
　図５に示す半導体装置は、＜半導体装置の構成例１＞および＜半導体装置の構成例２＞に示した半導体装置（図１および図４参照）とは、絶縁体２２４と、酸化物２３０ａとの間に、開口を有する酸化物２３０ｄが設けられている点が異なる。酸化物２３０ａは、酸化物２３０ｄに設けられた開口を介して絶縁体２２４と接する。
　酸化物２３０ｄに用いる材料は、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂと比較して、Ｇａ、およびＺｎの比率が大きいものが好ましい。具体的には、酸化物２３０ｄに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より小さく、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物２３０ｄに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ａに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比、および酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。例えば、酸化物２３０ｄとして、スパッタリング法によって、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のターゲットを用いて形成された酸化膜を用いることができる。
　酸化物２３０ｄとして、酸素を透過しにくい材料を用いることが好ましい。一方、酸化物２３０ｄは、領域２３４と重畳する位置に開口を有している。そのため、絶縁体２２４に含まれる酸素は、該開口を通って、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに拡散する。図５（Ｂ）に示す矢印は、絶縁体２８０、および絶縁体２２４に含まれる酸素が、拡散する様子を可視化したものである。絶縁体２８０に含まれる酸素は、絶縁体２７３に設けられた開口を通って絶縁体２２４に拡散する。また、絶縁体２２４の酸素は、酸化物２３０ｄに設けられた開口を通って、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの領域２３４に拡散する。なお、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂに供給される酸素は、領域２３１まで拡散してもよい。トランジスタ２００に酸化物２３０ｄを設けることにより、効率よく領域２３４に酸素を供給することができる。
　酸化物２３０ｄを有するトランジスタ２００を作製する場合、絶縁体２２４上に酸化物２３０ｄとなる酸化膜（以降、酸化膜２３０Ｄと称する）を形成する。次に、酸化膜２３０Ｄに開口部を形成する。該開口部は、導電体２０５や、導電体２０３と重なるように形成する。また、該開口は、後工程にて形成される、酸化物２３０の領域２３４と重なるように形成されることが好ましい。
　次に、酸化膜２３０Ｄ上に、上記＜半導体装置の作製方法１＞と同様に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂを形成する。該膜の形成前後に、適宜熱処理を行ってもよい。
　次に、リソグラフィー法を用いて酸化膜２３０Ｂ、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｄを島状に加工し、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｄを形成する。当該加工はドライエッチング法やウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法による加工は微細加工に適している。
　以降、上記＜半導体装置の作製方法１＞と同様の工程を行うことにより、酸化物２３０ｄを有するトランジスタ２００を作製することができる。
　本実施の形態に示す構成、構造、方法などは、他の実施の形態に示す構成、構造、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態２）
　本実施の形態では、上記実施の形態とは異なる、記憶装置として機能する半導体装置の一形態を、図３３乃至図３６を用いて説明する。
＜記憶装置１＞
　図３３（Ａ）（Ｂ）に記憶装置を構成するセル６００を示す。セル６００は、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量素子１００ａ、および容量素子１００ｂを有している。図３３（Ａ）は、セル６００の上面図である。また、図３３（Ｂ）は、図３３（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図３３（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いている。
　セル６００は、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂを有し、トランジスタ２００ａの上に重畳して容量素子１００ａを有し、トランジスタ２００ｂの上に重畳して容量素子１００ｂを有する。セル６００では、トランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂ、および容量素子１００ａと容量素子１００ｂは、対称に配置される場合がある。よって、トランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂは同様の構成を有することが好ましく、容量素子１００ａと容量素子１００ｂは同様の構成を有することが好ましい。
　セル６００は、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂ上の絶縁体２８３の上に絶縁体１３０を有し、絶縁体１３０の上に絶縁体１５０を有する。ここで、絶縁体１５０は、絶縁体２８３に用いることができる絶縁体を用いればよい。
　さらに、絶縁体１５０の上に導電体１６０を有する。また、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体１３０、および絶縁体１５０に形成された開口に埋め込まれるように導電体２４０が設けられる。導電体２４０の下面は領域２３１と接し、導電体２４０の上面は導電体１６０と接している。
　トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂは、上記実施の形態に示すトランジスタ２００を用いることができる。よって、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂの構成については、上記トランジスタ２００の記載を参酌することができる。また、図３３（Ａ）（Ｂ）において、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂの要素の符号は省略している。なお、図３３（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂは一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
　トランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂは、両方とも酸化物２３０を共有しており、トランジスタ２００ａのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方は、共有されている。よって、トランジスタ２００ａのソースおよびドレインの一方と、トランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方は、導電体２４０と電気的に接続している。これにより、トランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂのコンタクト部が共有され、プラグとコンタクトホールの数を低減することができる。このように、ソースおよびドレインの一方と電気的に接続する配線を共有することで、メモリセルアレイの占有面積を縮小することができる。
［容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂ］
　図３３（Ａ）（Ｂ）に示すように、容量素子１００ａは、トランジスタ２００ａと重畳する領域に設ける。同様に、容量素子１００ｂは、トランジスタ２００ｂと重畳する領域に設ける。なお、容量素子１００ｂは、容量素子１００ａが有する構造と、それぞれ対応する構造を有する。以下において、容量素子１００ａの詳細な構造について説明するが、特にことわりが無い限り容量素子１００ｂについては、容量素子１００ａの説明を参酌することができる。
　容量素子１００ａは、導電体１１０、絶縁体１３０、絶縁体１３０上の導電体１２０を有する。ここで、導電体１１０および導電体１２０は、導電体２０３、導電体２０５、または導電体２６０などに用いることができる導電体を用いればよい。
　容量素子１００ａは、絶縁体２７３、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３が有する開口に形成されている。当該開口の、底面、および側面において、下部電極として機能する導電体１１０と、上部電極として機能する導電体１２０が、誘電体として機能する絶縁体１３０を挟んで対向する。ここで、容量素子１００ａの導電体１１０は、トランジスタ２００ａのソースまたはドレインの他方に接して形成されている。
　特に、絶縁体２８０、および絶縁体２８３が有する開口の深さを深くすることで、投影面積は変わらず、容量素子１００ａの静電容量を大きくすることができる。従って、容量素子１００ａは、シリンダー型（底面積よりも、側面積の方が大きい）とすることが好ましい。
　上記構成とすることで、容量素子１００ａの単位面積当たりの静電容量を大きくでき、半導体装置の微細化または高集積化を推し進めることができる。また、絶縁体２８０、および絶縁体２８３の膜厚により、容量素子１００ａの静電容量の値を、適宜設定することができる。従って、設計自由度が高い半導体装置を提供することができる。
　また、絶縁体１３０は、比誘電率の大きい絶縁体を用いることが好ましい。例えば、アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いることができる。アルミニウム及びハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。
　また、絶縁体１３０は、積層構造であってもよい、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、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などから、２層以上を選び積層構造としても良い。例えば、ＡＬＤ法によって、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムおよび酸化ハフニウムを順に成膜し、積層構造とすることが好ましい。酸化ハフニウムおよび酸化アルミニウムの膜厚は、それぞれ、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。このような積層構造とすることで、静電容量値が大きく、かつ、リーク電流の小さな容量素子１００ａとすることができる。
　なお、導電体１１０、または導電体１２０は、積層構造であってもよい。例えば、導電体１１０、または導電体１２０は、チタン、窒化チタン、タンタル、または窒化タンタルを主成分とする導電性材料と、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料と、の積層構造としてもよい。また、導電体１１０、または導電体１２０は、単層構造としてもよいし、３層以上の積層構造としてもよい。
［セルアレイの構造］
　次に、上記のセルを行列またはマトリクス状に配置した、セルアレイの一例について、図３４乃至図３７を用いて説明する。
　図３４は、図３３に示すセル６００を、マトリクス状に配置した一形態を示す回路図である。図３５は、図３４に示す回路図のセル６００と、セル６００に隣接するセル６０１の近傍の断面構造を示す模式図である。図３６は、図３４に示す回路図の配線ＷＬ、配線ＢＬ、および酸化物２３０のレイアウトを示した模式図である。図３４乃至図３７では、配線ＢＬの延伸方向をｘ方向とし、配線ＷＬの延伸方向をｙ方向とし、ｘｙ平面に垂直な方向をｚ方向とする。なお、図３４、図３６および図３７では、セルを３×３個配置する例を示しているが、本実施の形態はこれに限られることなく、セルアレイに含まれるメモリセルまたは配線等の、個数及び配置は、適宜設定すればよい。また、図３６および図３７の上面図では、図の明瞭化のために、図３４に示す一部の要素を省いている。
　図３４に示すように、セルを構成するトランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方が共通の配線ＢＬ（ＢＬ０１、ＢＬ０２、ＢＬ０３）と電気的に接続する。また、当該配線ＢＬは、ｘ方向に配列されたセルが有するトランジスタ２００ａとトランジスタ２００ｂのソースおよびドレインの一方とも電気的に接続する。一方、セルを構成する、トランジスタ２００ａの第１のゲートと、トランジスタ２００ｂの第１のゲートは、それぞれ異なる配線ＷＬ（ＷＬ０１乃至ＷＬ０６）と電気的に接続する。また、これらの配線ＷＬは、ｙ方向に配列されたセルが有する、トランジスタ２００ａの第１のゲートと、トランジスタ２００ｂの第１のゲートと、それぞれ電気的に接続する。
　また、セルが有する、容量素子１００ａの一方の電極、および容量素子１００ｂの一方の電極は、配線ＰＬと電気的に接続する。例えば、配線ＰＬはｙ方向に延伸して形成すればよい。
　また、各セルが有するトランジスタ２００ａおよびトランジスタ２００ｂには第２のゲートＢＧが設けられていてもよい。第２のゲートＢＧに印加される電位により、トランジスタのしきい値を制御することができる。当該第２のゲートＢＧはトランジスタ４００と接続されており、第２のゲートＢＧに印加される電位は、トランジスタ４００によって制御することができる。
　例えば、図３５に示すように、導電体１６０をｘ方向に延伸させて配線ＢＬとして機能させ、導電体２６０をｙ方向に延伸させて配線ＷＬとして機能させ、導電体１２０をｙ方向に延伸させて配線ＰＬとして機能させることができる。また、導電体２０３をｙ方向に延伸させて第２のゲートＢＧに接続する配線として機能させることもできる。
　また、図３５に示すように、セル６００が有する容量素子１００ｂの一方の電極として機能する導電体１２０が、セル６０１が有する容量素子１００ａの一方の電極をも兼ねる構成とすることが好ましい。また、図示しないが、セル６００が有する容量素子１００ａの一方の電極として機能する導電体１２０が、セル６００の左側に隣接するセルの容量素子の一方の電極を兼ねている。セル６０１の右側のセルについても同様の構成となっている。従って、セルアレイを構成することができる。当該セルアレイの構成とすることで、隣り合うセルの間隔を小さくすることができるので、セルアレイの投影面積を小さくすることができ、高集積化が可能となる。
　また、図３６に示すように、酸化物２３０および配線ＷＬをマトリクス状に配置することで、図３４に示す回路図の半導体装置を形成することができる。ここで、配線ＢＬは、配線ＷＬおよび酸化物２３０とは異なる層に設けることが好ましい。特に、配線ＢＬよりも、下層に容量素子１００ａ、および容量素子１００ｂを設けることで、酸化物２３０の長辺方向と、配線ＢＬが、概略平行になるレイアウトを実現することができる。従って、セルのレイアウトを単純化することができ、設計の自由度が向上し、工程コストを低減することができる。
　また、図３６では、酸化物２３０の長辺が配線ＷＬの延伸方向と概略直交するように、酸化物２３０および配線ＷＬを設けたが、これに限られるものではない。例えば、図３７に示すように酸化物２３０の長辺が配線ＷＬの延伸方向と直交せず、酸化物２３０の長辺が配線ＷＬの延伸方向に対して傾けて配置されるレイアウトにしてもよい。このように傾けて配置することにより、例えば、容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂと、配線ＢＬとが、交錯することなく配置することができるので、容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂが、ｚ方向に伸長することができ、容量素子１００ａおよび容量素子１００ｂの容量を大きくすることができる。好ましくは、酸化物２３０の長辺と配線ＷＬのなす角が、２０°以上７０°以下、好ましくは３０°以上６０°以下になるように、酸化物２３０と配線ＷＬを設ければよい。
　また、当該セルアレイを平面のみでなく積層する構成としてもよい。複数のセルアレイを積層することにより、セルアレイの占有面積を増やすことなく、セルを集積して配置することができる。つまり、３Ｄセルアレイを構成することができる。
　以上のように、本発明の一態様により、微細化または高集積化が可能な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、良好な電気特性を有する半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オフ電流の小さい半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、オン電流の大きいトランジスタを提供することができる。または、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、生産性の高い半導体装置を提供することができる。
　本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態３）
　本実施の形態では、半導体装置の一形態を、図３８乃至図４０を用いて説明する。
＜記憶装置１＞
　図３８および図４０に示す記憶装置は、トランジスタ３００と、トランジスタ２００、および容量素子１００を有している。図３８および図４０は、トランジスタ２００およびトランジスタ３００のチャネル長方向の断面図である。図３９には、トランジスタ３００とその近傍のチャネル幅方向の断面図を示す。
　トランジスタ２００は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ２００は、オフ電流が小さいため、これを記憶装置に用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ないため、記憶装置の消費電力を十分に低減することができる。
　図３８、および図４０に示す記憶装置において、配線１００１はトランジスタ３００のソースと電気的に接続され、配線１００２はトランジスタ３００のドレインと電気的に接続されている。また、配線１００３はトランジスタ２００のソースおよびドレインの一方と電気的に接続され、配線１００４はトランジスタ２００のトップゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００のボトムゲートと電気的に接続されている。そして、トランジスタ３００のゲート、およびトランジスタ２００のソースおよびドレインの他方は、容量素子１００の電極の一方と電気的に接続され、配線１００５は容量素子１００の電極の他方と電気的に接続されている。
　図３８、および図４０に示す記憶装置は、トランジスタ３００のゲートの電位が保持可能という特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
　情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、配線１００４の電位を、トランジスタ２００が導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を導通状態とする。これにより、配線１００３の電位が、トランジスタ３００のゲート、および容量素子１００の電極の一方と電気的に接続するノードＳＮに与えられる。即ち、トランジスタ３００のゲートには、所定の電荷が与えられる（書き込み）。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下Ｌｏｗレベル電荷、Ｈｉｇｈレベル電荷という）のどちらかが与えられるものとする。その後、配線１００４の電位を、トランジスタ２００が非導通状態となる電位にして、トランジスタ２００を非導通状態とすることにより、ノードＳＮに電荷が保持される（保持）。
　トランジスタ２００のオフ電流が小さい場合、ノードＳＮの電荷は長期間にわたって保持される。
　次に情報の読み出しについて説明する。配線１００１に所定の電位（定電位）を与えた状態で、配線１００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、配線１００２は、ノードＳＮに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ３００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３００のゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３００を「導通状態」とするために必要な配線１００５の電位をいうものとする。したがって、配線１００５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ＳＮ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ＳＮにＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３００は「導通状態」となる。一方、ノードＳＮにＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、配線１００５の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３００は「非導通状態」のままである。このため、配線１００２の電位を判別することで、ノードＳＮに保持されている情報を読み出すことができる。
＜記憶装置１の構造＞
　本発明の一態様の記憶装置は、図３８に示すようにトランジスタ３００、トランジスタ２００、容量素子１００を有する。トランジスタ２００はトランジスタ３００の上方に設けられ、容量素子１００はトランジスタ３００、およびトランジスタ２００の上方に設けられている。
　トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、およびソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。
　トランジスタ３００は、図３９に示すように、半導体領域３１３の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ３００をＦｉｎ型とすることにより、実効的なチャネル幅が増大することによりトランジスタ３００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３００のオフ特性を向上させることができる。
　トランジスタ３００は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
　半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ３００をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。
　低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。
　ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。
　なお、導電体の材料により、仕事関数が定まるため、導電体の材料を変更することで、しきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。
　なお、図３８に示すトランジスタ３００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
　トランジスタ３００を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。
　絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。
　絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ３００などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。
　また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ３００などから、トランジスタ２００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。
　水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
　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。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下、好ましくは５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であればよい。
　なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも比誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。比誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。
　また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量素子１００、またはトランジスタ２００と電気的に接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０はプラグ、または配線として機能する。また、プラグまたは配線として機能する導電体は、複数の構造をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と電気的に接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。
　各プラグ、および配線（導電体３２８、および導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層で用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。
　絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３８において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、及び絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて形成することができる。
　なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成されることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
　なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ３００からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構造であるこどが好ましい。
　絶縁体３５０、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３８において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、及び絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３６６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて形成することができる。
　なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成されることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
　絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３８において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、及び絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３７６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて形成することができる。
　なお、例えば、絶縁体３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３７６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３７０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成されることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
　絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図３８において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、及び絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグ、または配線として機能する。なお導電体３８６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて形成することができる。
　なお、例えば、絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３８６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３８０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
　上記において、導電体３５６を含む配線層、導電体３６６を含む配線層、導電体３７６を含む配線層、および導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る記憶装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、５層以上にしてもよい。
　絶縁体３８４上には絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６が、順に積層して設けられている。絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。
　例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ３００を設ける領域などから、トランジスタ２００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。従って、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。
　水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ２００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、該半導体素子の特性が低下する場合がある。従って、トランジスタ２００と、トランジスタ３００との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。
　また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体２１０、および絶縁体２１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
　特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
　また、例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的比誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
　また、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６には、導電体２１８、及びトランジスタ２００を構成する導電体等が埋め込まれている。なお、導電体２１８は、容量素子１００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体２１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて形成することができる。
　特に、絶縁体２１０、および絶縁体２１４と接する領域の導電体２１８は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ３００とトランジスタ２００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ３００からトランジスタ２００への水素の拡散を抑制することができる。
　絶縁体２１６の上方には、トランジスタ２００が設けられている。なお、トランジスタ２００の構造には、先の実施の形態で説明した半導体装置が有するトランジスタの構造を用いればよい。また、図３８に示すトランジスタ２００は一例であり、その構造に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
　トランジスタ２００の上方には、絶縁体２８０を設ける。
　絶縁体２８０上には、絶縁体２８２が設けられている。絶縁体２８２は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。従って、絶縁体２８２には、絶縁体２１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体２８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。
　特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ２００への混入を防止することができる。また、トランジスタ２００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ２００に対する保護膜として用いることに適している。
　また、絶縁体２８２上には、絶縁体２８３が設けられている。絶縁体２８３は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、比較的比誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体２８３として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。
　また、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３には、導電体２４６、および導電体２４８等が埋め込まれている。
　導電体２４６、および導電体２４８は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する。導電体２４６、および導電体２４８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて形成することができる。
　続いて、トランジスタ２００の上方には、容量素子１００が設けられている。容量素子１００は、導電体１１０と、導電体１２０、および絶縁体１３０とを有する。
　また、導電体２４６、および導電体２４８上に、導電体１１２を設けてもよい。導電体１１２は、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００と電気的に接続するプラグ、または配線として機能する。導電体１１０は、容量素子１００の電極として機能する。なお、導電体１１２、および導電体１１０は、同時に形成することができる。
　導電体１１２、および導電体１１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。又は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を用いることもできる。
　図３８では、導電体１１２、および導電体１１０を単層構造で示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構造でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。
　また、導電体１１２、および導電体１１０上に、容量素子１００の誘電体として、絶縁体１３０を設ける。絶縁体１３０は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、窒化酸化ハフニウム、窒化ハフニウムなどを用いればよく、積層または単層で設けることができる。
　例えば、絶縁体１３０には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料を用いるとよい。当該構成により、容量素子１００は、絶縁体１３０を有することで、絶縁耐力が向上し、容量素子１００の静電破壊を抑制することができる。
　絶縁体１３０上に、導電体１１０と重畳するように、導電体１２０を設ける。なお、導電体１２０は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構造と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。
　導電体１２０、および絶縁体１３０上には、絶縁体１５０が設けられている。絶縁体１５０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体１５０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。
　本構造を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、電気特性の変動を抑制すると共に、信頼性を向上させることができる。または、オン電流が大きい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、オフ電流が小さい酸化物半導体を有するトランジスタを提供することができる。または、低消費電力の半導体装置を提供することができる。
＜記憶装置１の変形例＞
　以下では、図４０を用いて、本発明の一態様に係る記憶装置の一例について説明する。
　図４０は、容量素子１００、トランジスタ２００、およびトランジスタ３００を有する記憶装置の断面図である。なお、図４０に示す記憶装置において、先の実施の形態、および＜記憶装置１の構造＞に示した半導体装置、および記憶装置を構成する構成要素と同機能を有する構成要素には、同符号を付記する。
　図４０に示す記憶装置は、＜記憶装置１の構造＞に示した記憶装置と、先の実施の形態で説明したセル６００を設けた点において異なる。
　具体的には、図４０に示す記憶装置は、一部の構成が容量素子１００とトランジスタ２００とで共有されているセル６００を有する
　上記構造により、セル６００と、トランジスタ３００との一部、または全体が、重畳することで、記憶装置の投影面積を小さくすることができる。従って、セル６００の微細化、または高集積化が容易となる。また、工程短縮が可能となる。
（実施の形態４）
　本実施の形態では、図４１乃至図４３を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ）、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＮＯＳＲＡＭ（登録商標）について説明する。ＮＯＳＲＡＭとは「Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ＲＡＭ」の略称であり、ゲインセル型（２Ｔ型、３Ｔ型）のメモリセルを有するＲＡＭを指す。なお、以下において、ＮＯＳＲＡＭのようにＯＳトランジスタを用いたメモリ装置を、ＯＳメモリと呼ぶ場合がある。
　ＮＯＳＲＡＭでは、メモリセルにＯＳトランジスタが用いられるメモリ装置（以下、「ＯＳメモリ」と呼ぶ）が適用されている。ＯＳメモリは、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有するメモリである。ＯＳトランジスタが極小オフ電流のトランジスタであるので、ＯＳメモリは優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
＜ＮＯＳＲＡＭ＞
　図４１にＮＯＳＲＡＭ１６００の構成例を示す。図４１に示すＮＯＳＲＡＭ１６００は、メモリセルアレイ１６１０、コントローラ１６４０、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、出力ドライバ１６７０を有する。なお、ＮＯＳＲＡＭ１６００は、１のメモリセルで多値データを記憶する多値ＮＯＳＲＡＭである。
　メモリセルアレイ１６１０は複数のメモリセル１６１１、複数のワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬを有する。ワード線ＷＷＬは書き込みワード線であり、ワード線ＲＷＬは読み出しワード線である。ＮＯＳＲＡＭ１６００では、１のメモリセル１６１１で３ビット（８値）のデータを記憶する。
　コントローラ１６４０は、ＮＯＳＲＡＭ１６００全体を統括的に制御し、データＷＤＡ［３１：０］の書き込み、データＲＤＡ［３１：０］の読み出しを行う。コントローラ１６４０は、外部からのコマンド信号（例えば、チップイネーブル信号、書き込みイネーブル信号など）を処理して、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０および出力ドライバ１６７０の制御信号を生成する。
　行ドライバ１６５０は、アクセスする行を選択する機能を有する。行ドライバ１６５０は、行デコーダ１６５１、およびワード線ドライバ１６５２を有する。
　列ドライバ１６６０は、ソース線ＳＬおよびビット線ＢＬを駆動する。列ドライバ１６６０は、列デコーダ１６６１、書き込みドライバ１６６２、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換回路）１６６３を有する。
　ＤＡＣ１６６３は３ビットのデジタルデータをアナログ電圧に変換する。ＤＡＣ１６６３は３２ビットのデータＷＤＡ［３１：０］を３ビットごとに、アナログ電圧に変換する。
　書き込みドライバ１６６２は、ソース線ＳＬをプリチャージする機能、ソース線ＳＬを電気的に浮遊状態にする機能、ソース線ＳＬを選択する機能、選択されたソース線ＳＬにＤＡＣ１６６３で生成した書き込み電圧を入力する機能、ビット線ＢＬをプリチャージする機能、ビット線ＢＬを電気的に浮遊状態にする機能等を有する。
　出力ドライバ１６７０は、セレクタ１６７１、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換回路）１６７２、出力バッファ１６７３を有する。セレクタ１６７１は、アクセスするソース線ＳＬを選択し、選択されたソース線ＳＬの電圧をＡＤＣ１６７２に送信する。ＡＤＣ１６７２は、アナログ電圧を３ビットのデジタルデータに変換する機能を持つ。ソース線ＳＬの電圧はＡＤＣ１６７２において、３ビットのデータに変換され、出力バッファ１６７３はＡＤＣ１６７２から出力されるデータを保持する。
　なお、本実施の形態に示す、行ドライバ１６５０、列ドライバ１６６０、および出力ドライバ１６７０の構成は、上記に限定されるものではない。メモリセルアレイ１６１０の構成または駆動方法などに応じて、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の配置を変更してもよいし、これらのドライバおよび当該ドライバに接続される配線の有する機能を変更または追加してもよい。例えば、上記のソース線ＳＬが有する機能の一部を、ビット線ＢＬに有せしめる構成にしてもよい。
　なお、上記においては、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を３ビットとしたが、本実施の形態に示す記憶装置の構成はこれに限られない。各メモリセル１６１１に保持させる情報量を２ビット以下にしてもよいし、４ビット以上にしてもよい。例えば、各メモリセル１６１１に保持させる情報量を１ビットにする場合、ＤＡＣ１６６３およびＡＤＣ１６７２を設けない構成にしてもよい。
＜メモリセル＞
　図４２（Ａ）はメモリセル１６１１の構成例を示す回路図である。メモリセル１６１１は２Ｔ型のゲインセルであり、メモリセル１６１１はワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１１は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６１、トランジスタＭＰ６１、容量素子Ｃ６１を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６１は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６１は読み出しトランジスタであり、例えばｐチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。容量素子Ｃ６１はノードＳＮの電圧を保持するための保持容量である。ノードＳＮはデータの保持ノードであり、ここではトランジスタＭＰ６１のゲートに相当する。
　メモリセル１６１１の書き込みトランジスタがＯＳトランジスタＭＯ６１で構成されているため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は長時間データを保持することが可能である。
　図４２（Ａ）の例では、書き込みと読み出しで共通のビット線が設けられているが、図４２（Ｂ）に示すように、書き込みビット線として機能する、ビット線ＷＢＬと、読み出しビット線として機能する、ビット線ＲＢＬとを設けてもよい。
　図４２（Ｃ）−図４２（Ｅ）にメモリセルの他の構成例を示す。図４２（Ｃ）−図４２（Ｅ）には、書き込み用のビット線ＷＢＬと読み出し用のビット線ＲＢＬを設けた例を示しているが、図４２（Ａ）のように書き込みと読み出しで共有されるビット線を設けてもよい。
　図４２（Ｃ）に示すメモリセル１６１２は、メモリセル１６１１の変形例であり、読み出しトランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６１）に変更したものである。トランジスタＭＮ６１はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
　メモリセル１６１１、１６１２において、ＯＳトランジスタＭＯ６１はバックゲートの無いＯＳトランジスタであってもよい。
　図４２（Ｄ）に示すメモリセル１６１３は、３Ｔ型ゲインセルであり、ワード線ＷＷＬ、ＲＷＬ、ビット線ＷＢＬ、ＲＢＬ、ソース線ＳＬ、配線ＢＧＬ、ＰＣＬに電気的に接続されている。メモリセル１６１３は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６２、トランジスタＭＰ６２、トランジスタＭＰ６３、容量素子Ｃ６２を有する。ＯＳトランジスタＭＯ６２は書き込みトランジスタである。トランジスタＭＰ６２は読み出しトランジスタであり、トランジスタＭＰ６３は選択トランジスタである。
　図４２（Ｅ）に示すメモリセル１６１４は、メモリセル１６１３の変形例であり、読み出しトランジスタおよび選択トランジスタをｎチャネル型トランジスタ（ＭＮ６２、ＭＮ６３）に変更したものである。トランジスタＭＮ６２、ＭＮ６３はＯＳトランジスタであってもよいし、Ｓｉトランジスタであってもよい。
　メモリセル１６１１−１６１４に設けられるＯＳトランジスタは、バックゲートの無いトランジスタでもよいし、バックゲートが有るトランジスタであってもよい。
　上記においては、メモリセル１６１１などが並列に接続された、いわゆるＮＯＲ型の記憶装置について説明したが、本実施の形態に示す記憶装置はこれに限られるものではない。例えば、以下に示すようなメモリセル１６１５が直列に接続された、いわゆるＮＡＮＤ型の記憶装置にしてもよい。
　図４３はＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０の構成例を示す回路図である。図４３に示すメモリセルアレイ１６１０は、ソース線ＳＬ、ビット線ＲＢＬ、ビット線ＷＢＬ、ワード線ＷＷＬ、ワード線ＲＷＬ、配線ＢＧＬ、およびメモリセル１６１５を有する。メモリセル１６１５は、ノードＳＮ、ＯＳトランジスタＭＯ６３、トランジスタＭＮ６４、容量素子Ｃ６３を有する。ここで、トランジスタＭＮ６４は、例えばｎチャネル型Ｓｉトランジスタで構成される。これに限られず、トランジスタＭＮ６４は、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタ、であってもよいし、ＯＳトランジスタであってもよい。
　以下では、図４３に示すメモリセル１６１５ａおよびメモリセル１６１５ｂを例として説明する。ここで、メモリセル１６１５ａまたはメモリセル１６１５ｂのいずれかに接続する配線、または回路素子の符号については、ａまたはｂの符号を付して表す。
　メモリセル１６１５ａにおいて、トランジスタＭＮ６４ａのゲートと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのソースおよびドレインの一方と、容量素子Ｃ６３ａの電極の一方とは、電気的に接続されている。また、ビット線ＷＢＬとＯＳトランジスタＭＯ６３ａのソースおよびドレインの他方とは、電気的に接続されている。また、ワード線ＷＷＬａと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのゲートとは、電気的に接続されている。また、配線ＢＧＬａと、ＯＳトランジスタＭＯ６３ａのバックゲートとは、電気的に接続されている。そして、ワード線ＲＷＬａと、容量素子Ｃ６３ａの電極の他方は電気的に接続されている。
　メモリセル１６１５ｂは、ビット線ＷＢＬとのコンタクト部を対称の軸として、メモリセル１６１５ａと対称的に設けることができる。よって、メモリセル１６１５ｂに含まれる回路素子も、上記メモリセル１６１５ａと同じように配線と接続される。
　さらに、メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのソースは、メモリセル１６１５ｂのトランジスタＭＮ６４ｂのドレインと電気的に接続される。メモリセル１６１５ａが有するトランジスタＭＮ６４ａのドレインは、ビット線ＲＢＬと電気的に接続される。メモリセル１６１５ｂが有するトランジスタＭＮ６４ｂのソースは、複数のメモリセル１６１５が有するトランジスタＭＮ６４を介してソース線ＳＬと電気的に接続される。このように、ＮＡＮＤ型のメモリセルアレイ１６１０では、ビット線ＲＢＬとソース線ＳＬの間に、複数のトランジスタＭＮ６４が直列に接続される。
　図４３に示すメモリセルアレイ１６１０を有する記憶装置では、同じワード線ＷＷＬ（またはワード線ＲＷＬ）に接続された複数のメモリセル（以下、メモリセル列と呼ぶ）ごとに、書き込み動作および読み出し動作を行う。例えば、書き込み動作は次のように行うことができる。書き込みを行うメモリセル列に接続されたワード線ＷＷＬにＯＳトランジスタＭＯ６３がオン状態となる電位を与え、書き込みを行うメモリセル列のＯＳトランジスタＭＯ６３をオン状態にする。これにより、指定したメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートおよび容量素子Ｃ６３の電極の一方にビット線ＷＢＬの電位が与えられ、該ゲートに所定の電荷が与えられる。それから当該メモリセル列のＯＳトランジスタＭＯ６３をオフ状態にすると、該ゲートに与えられた所定の電荷を保持することができる。このようにして、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５にデータを書き込むことができる。
　また、例えば、読み出し動作は次のように行うことができる。まず、読み出しを行うメモリセル列に接続されていないワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートに与えられた電荷によらず、トランジスタＭＮ６４がオン状態となるような電位を与え、読み出しを行うメモリセル列以外のトランジスタＭＮ６４をオン状態とする。それから、読み出しを行うメモリセル列に接続されたワード線ＲＷＬに、トランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタＭＮ６４のオン状態またはオフ状態が選択されるような電位（読み出し電位）を与える。そして、ソース線ＳＬに定電位を与え、ビット線ＲＢＬに接続されている読み出し回路を動作状態とする。ここで、ソース線ＳＬ−ビット線ＲＢＬ間の複数のトランジスタＭＮ６４は、読み出しを行うメモリセル列を除いてオン状態となっているため、ソース線ＳＬ−ビット線ＲＢＬ間のコンダクタンスは、読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４の状態（オン状態またはオフ状態）によって決定される。読み出しを行うメモリセル列のトランジスタＭＮ６４のゲートが有する電荷によって、トランジスタのコンダクタンスは異なるから、それに応じて、ビット線ＲＢＬの電位は異なる値をとることになる。ビット線ＲＢＬの電位を読み出し回路によって読み出すことで、指定したメモリセル列のメモリセル１６１５から情報を読み出すことができる。
　容量素子Ｃ６１、容量素子Ｃ６２、または容量素子Ｃ６３の充放電によってデータを書き換えるため、ＮＯＳＲＡＭ１６００は原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、長時間データを保持することが可能であるので、リフレッシュ頻度を低減できる。
　上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１６１１、１６１２、１６１３、１６１４、１６１５に用いる場合、ＯＳトランジスタＭＯ６１、ＭＯ６２、ＭＯ６３としてトランジスタ２００を用い、容量素子Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ６３として容量素子１００を用い、トランジスタＭＰ６１、ＭＰ６２、ＭＰ６３、ＭＮ６１、ＭＮ６２、ＭＮ６３、ＭＮ６４としてトランジスタ３００を用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置をさらに高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態５）
　本実施の形態では、図４４および図４５を用いて、本発明の一態様に係る、酸化物を半導体に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタと呼ぶ）、および容量素子が適用されている記憶装置の一例として、ＤＯＳＲＡＭ（登録商標）について説明する。ＤＯＳＲＡＭとは、「Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ＲＡＭ」の略称であり、１Ｔ（トランジスタ）１Ｃ（容量）型のメモリセルを有するＲＡＭを指す。
　ＤＯＳＲＡＭでは、メモリセルにＯＳトランジスタが用いられるメモリ装置（以下、「ＯＳメモリ」と呼ぶ）が適用されている。ＯＳメモリは、少なくとも容量素子と、容量素子の充放電を制御するＯＳトランジスタを有するメモリである。ＯＳトランジスタが極小オフ電流のトランジスタであるので、ＯＳメモリは優れた保持特性をもち、不揮発性メモリとして機能させることができる。
＜ＤＯＳＲＡＭ１４００＞
　図４４にＤＯＳＲＡＭの構成例を示す。図４４に示すように、ＤＯＳＲＡＭ１４００は、コントローラ１４０５、行回路１４１０、列回路１４１５、メモリセルおよびセンスアンプアレイ１４２０（以下、「ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０」と呼ぶ）を有する。
　行回路１４１０はデコーダ１４１１、ワード線ドライバ回路１４１２、列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４を有する。列回路１４１５はグローバルセンスアンプアレイ１４１６、入出力回路１４１７を有する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は複数のグローバルセンスアンプ１４４７を有する。ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０はメモリセルアレイ１４２２、センスアンプアレイ１４２３、グローバルビット線ＧＢＬＬ、ＧＢＬＲを有する。
（ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０）
　ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０は、メモリセルアレイ１４２２をセンスアンプアレイ１４２３上に積層した積層構造をもつ。グローバルビット線ＧＢＬＬ、ＧＢＬＲはメモリセルアレイ１４２２上に積層されている。ＤＯＳＲＡＭ１４００では、ビット線の構造に、ローカルビット線とグローバルビット線とで階層化された階層ビット線構造が採用されている。
　メモリセルアレイ１４２２は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のローカルメモリセルアレイ１４２５＜０＞−１４２５＜Ｎ−１＞を有する。図４５（Ａ）にローカルメモリセルアレイ１４２５の構成例を示す。ローカルメモリセルアレイ１４２５は、複数のメモリセル１４４５、複数のワード線ＷＬ、複数のビット線ＢＬＬ、ＢＬＲを有する。図４５（Ａ）の例では、ローカルメモリセルアレイ１４２５の構造はオープンビット線型であるが、フォールデッドビット線型であってもよい。
　図４５（Ｂ）に共通のビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される、一組のメモリセル１４４５ａおよびメモリセル１４４５ｂの回路構成例を示す。メモリセル１４４５ａはトランジスタＭＷ１ａ、容量素子ＣＳ１ａ、端子Ｂ１ａ、Ｂ２ａを有し、ワード線ＷＬａ、ビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される。また、メモリセル１４４５ｂはトランジスタＭＷ１ｂ、容量素子ＣＳ１ｂ、端子Ｂ１ｂ、Ｂ２ｂを有し、ワード線ＷＬｂ、ビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に接続される。なお、以下において、メモリセル１４４５ａおよびメモリセル１４４５ｂのいずれかを特に限定しない場合は、メモリセル１４４５およびそれに付属する構成にａまたはｂの符号を付さない場合がある。
　トランジスタＭＷ１ａは容量素子ＣＳ１ａの充放電を制御する機能をもち、トランジスタＭＷ１ｂは容量素子ＣＳ１ｂの充放電を制御する機能をもつ。トランジスタＭＷ１ａのゲートはワード線ＷＬａに電気的に接続され、第１端子はビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ａの第１端子に電気的に接続されている。また、トランジスタＭＷ１ｂのゲートはワード線ＷＬｂに電気的に接続され、第１端子はビット線ＢＬＬ（ＢＬＲ）に電気的に接続され、第２端子は容量素子ＣＳ１ｂの第１端子に電気的に接続されている。
　容量素子ＣＳ１の第２端子は端子Ｂ２に電気的に接続されている。端子Ｂ２には、定電圧（例えば、低電源電圧）が入力される。
　上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４４５ａ、１４４５ｂに用いる場合、トランジスタＭＷ１ａとしてトランジスタ２００ａ、トランジスタＭＷ１ｂとしてトランジスタ２００ｂを用い、容量素子ＣＳ１ａとして容量素子１００ａ、容量素子ＣＳ１ｂとして容量素子１００ｂを用いることができる。これにより、トランジスタと容量素子一組当たりの上面視における占有面積を低減することができるので、本実施の形態に係る記憶装置を高集積化させることができる。よって、本実施の形態に係る記憶装置の単位面積当たりの記憶容量を増加させることができる。
　トランジスタＭＷ１はバックゲートを備えており、バックゲートは端子Ｂ１に電気的に接続されている。そのため、端子Ｂ１の電圧によって、トランジスタＭＷ１の閾値電圧を変更することができる。例えば、端子Ｂ１の電圧は固定電圧（例えば、負の定電圧）であってもよいし、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作に応じて、端子Ｂ１の電圧を変化させてもよい。
　トランジスタＭＷ１のバックゲートをトランジスタＭＷ１のゲート、第１端子、または第２端子に電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭＷ１にバックゲートを設けなくてもよい。
　センスアンプアレイ１４２３は、Ｎ個のローカルセンスアンプアレイ１４２６＜０＞−１４２６＜Ｎ−１＞を有する。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、１のスイッチアレイ１４４４、複数のセンスアンプ１４４６を有する。センスアンプ１４４６には、ビット線対が電気的に接続されている。センスアンプ１４４６は、ビット線対をプリチャージする機能、ビット線対の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。スイッチアレイ１４４４は、ビット線対を選択し、選択したビット線対とグローバルビット線対との間を導通状態にする機能を有する。
　ここで、ビット線対とは、センスアンプによって、同時に比較される２本のビット線のことをいう。グローバルビット線対とは、グローバルセンスアンプによって、同時に比較される２本のグローバルビット線のことをいう。ビット線対を一対のビット線と呼ぶことができ、グローバルビット線対を一対のグローバルビット線と呼ぶことができる。ここでは、ビット線ＢＬＬとビット線ＢＬＲが１組のビット線対を成す。グローバルビット線ＧＢＬＬとグローバルビット線ＧＢＬＲとが１組のグローバルビット線対をなす。以下、ビット線対（ＢＬＬ，ＢＬＲ）、グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）とも表す。
（コントローラ１４０５）
　コントローラ１４０５は、ＤＯＳＲＡＭ１４００の動作全般を制御する機能を有する。コントローラ１４０５は、外部からの入力されるコマンド信号を論理演算して、動作モードを決定する機能、決定した動作モードが実行されるように、行回路１４１０、列回路１４１５の制御信号を生成する機能、外部から入力されるアドレス信号を保持する機能、内部アドレス信号を生成する機能を有する。
（行回路１４１０）
　行回路１４１０は、ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０を駆動する機能を有する。デコーダ１４１１はアドレス信号をデコードする機能を有する。ワード線ドライバ回路１４１２は、アクセス対象行のワード線ＷＬを選択する選択信号を生成する。
　列セレクタ１４１３、センスアンプドライバ回路１４１４はセンスアンプアレイ１４２３を駆動するための回路である。列セレクタ１４１３は、アクセス対象列のビット線を選択するための選択信号を生成する機能をもつ。列セレクタ１４１３の選択信号によって、各ローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４が制御される。センスアンプドライバ回路１４１４の制御信号によって、複数のローカルセンスアンプアレイ１４２６は独立して駆動される。
（列回路１４１５）
　列回路１４１５は、データ信号ＷＤＡ［３１：０］の入力を制御する機能、データ信号ＲＤＡ［３１：０］の出力を制御する機能を有する。データ信号ＷＤＡ［３１：０］は書き込みデータ信号であり、データ信号ＲＤＡ［３１：０］は読み出しデータ信号である。
　グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）に電気的に接続されている。グローバルセンスアンプ１４４７はグローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）間の電圧差を増幅する機能、この電圧差を保持する機能を有する。グローバルビット線対（ＧＢＬＬ，ＧＢＬＲ）へのデータの書き込み、および読み出しは、入出力回路１４１７によって行われる。
　ＤＯＳＲＡＭ１４００の書き込み動作の概要を説明する。入出力回路１４１７によって、データがグローバルビット線対に書き込まれる。グローバルビット線対のデータは、グローバルセンスアンプアレイ１４１６によって保持される。アドレス信号が指定するローカルセンスアンプアレイ１４２６のスイッチアレイ１４４４によって、グローバルビット線対のデータが、対象列のビット線対に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６は、書き込まれたデータを増幅し、保持する。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、行回路１４１０によって、対象行のワード線ＷＬが選択され、選択行のメモリセル１４４５にローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データが書き込まれる。
　ＤＯＳＲＡＭ１４００の読み出し動作の概要を説明する。アドレス信号によって、ローカルメモリセルアレイ１４２５の１行が指定される。指定されたローカルメモリセルアレイ１４２５において、対象行のワード線ＷＬが選択状態となり、メモリセル１４４５のデータがビット線に書き込まれる。ローカルセンスアンプアレイ１４２６によって、各列のビット線対の電圧差がデータとして検出され、かつ保持される。スイッチアレイ１４４４によって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の保持データの内、アドレス信号が指定する列のデータが、グローバルビット線対に書き込まれる。グローバルセンスアンプアレイ１４１６は、グローバルビット線対のデータを検出し、保持する。グローバルセンスアンプアレイ１４１６の保持データは入出力回路１４１７に出力される。以上で、読み出し動作が完了する。
　容量素子ＣＳ１の充放電によってデータを書き換えるため、ＤＯＳＲＡＭ１４００には原理的には書き換え回数に制約はなく、かつ、低エネルギーで、データの書き込みおよび読み出しが可能である。また、メモリセル１４４５の回路構成が単純であるため、大容量化が容易である。
　トランジスタＭＷ１はＯＳトランジスタである。ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、容量素子ＣＳ１から電荷がリークすることを抑えることができる。したがって、ＤＯＳＲＡＭ１４００の保持時間はＤＲＡＭに比べて非常に長い。したがってリフレッシュの頻度を低減できるため、リフレッシュ動作に要する電力を削減できる。よって、ＤＯＳＲＡＭ１４００は大容量のデータを高頻度で書き換えるメモリ装置、例えば、画像処理に利用されるフレームメモリに好適である。
　ＭＣ−ＳＡアレイ１４２０が積層構造であることよって、ローカルセンスアンプアレイ１４２６の長さと同程度の長さにビット線を短くすることができる。ビット線を短くすることで、ビット線容量が小さくなり、メモリセル１４４５の保持容量を低減することができる。また、ローカルセンスアンプアレイ１４２６にスイッチアレイ１４４４を設けることで、長いビット線の本数を減らすことができる。以上の理由から、ＤＯＳＲＡＭ１４００のアクセス時に駆動する負荷が低減され、消費電力を低減することができる。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態６）
　本実施の形態では、図４６を用いて、上記実施の形態に示す半導体装置を適用した、ＡＩシステムについて説明を行う。
　図４６はＡＩシステム４０４１の構成例を示すブロック図である。ＡＩシステム４０４１は、演算部４０１０と、制御部４０２０と、入出力部４０３０を有する。
　演算部４０１０は、アナログ演算回路４０１１と、ＤＯＳＲＡＭ４０１２と、ＮＯＳＲＡＭ４０１３と、ＦＰＧＡ４０１４と、を有する。ＤＯＳＲＡＭ４０１２およびＮＯＳＲＡＭ４０１３として、上記実施の形態に示す、ＤＯＳＲＡＭ１４００およびＮＯＳＲＡＭ１６００を用いることができる。
　制御部４０２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）４０２１と、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）４０２２と、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）４０２３と、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）４０２４と、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）４０２５と、メモリコントローラ４０２６と、電源回路４０２７と、ＰＭＵ（Ｐｏｗｅｒ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｕｎｉｔ）４０２８と、を有する。
　入出力部４０３０は、外部記憶制御回路４０３１と、音声コーデック４０３２と、映像コーデック４０３３と、汎用入出力モジュール４０３４と、通信モジュール４０３５と、を有する。
　演算部４０１０は、ニューラルネットワークによる学習または推論を実行することができる。
　アナログ演算回路４０１１はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路、および積和演算回路を有する。
　アナログ演算回路４０１１はＯＳトランジスタを用いて形成することが好ましい。ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路４０１１は、アナログメモリを有し、学習または推論に必要な積和演算を、低消費電力で実行することが可能になる。
　ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを用いて形成されたＤＲＡＭであり、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＣＰＵ４０２１から送られてくるデジタルデータを一時的に格納するメモリである。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、ＯＳトランジスタを含むメモリセルと、Ｓｉトランジスタを含む読み出し回路部を有する。上記メモリセルと読み出し回路部は、積層された異なる層に設けることができるため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、全体の回路面積を小さくすることができる。
　ニューラルネットワークを用いた計算は、入力データが１０００を超えることがある。上記入力データをＳＲＡＭ４０２４に格納する場合、ＳＲＡＭ４０２４は回路面積に制限があり、記憶容量が小さいため、上記入力データを小分けにして格納せざるを得ない。ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、限られた回路面積でも、メモリセルを高集積に配置することが可能であり、ＳＲＡＭ４０２４に比べて記憶容量が大きい。そのため、ＤＯＳＲＡＭ４０１２は、上記入力データを効率よく格納することができる。
　ＮＯＳＲＡＭ４０１３はＯＳトランジスタを用いた不揮発性メモリである。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、フラッシュメモリや、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）などの他の不揮発性メモリと比べて、データを書き込む際の消費電力が小さい。また、フラッシュメモリやＲｅＲＡＭのように、データを書き込む際に素子が劣化することもなく、データの書き込み可能回数に制限が無い。
　また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、１ビットの２値データの他に、２ビット以上の多値データを記憶することができる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は多値データを記憶することで、１ビット当たりのメモリセル面積を小さくすることができる。
　また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、デジタルデータの他にアナログデータを記憶することができる。そのため、アナログ演算回路４０１１は、ＮＯＳＲＡＭ４０１３をアナログメモリとして用いることもできる。ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、アナログデータのまま記憶することができるため、Ｄ／Ａ変換回路やＡ／Ｄ変換回路が不要である。そのため、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は周辺回路の面積を小さくすることができる。なお、本明細書においてアナログデータとは、３ビット（８値）以上分解能を有するデータのことを指す。上述した多値データがアナログデータに含まれる場合もある。
　ニューラルネットワークの計算に用いられるデータやパラメータは、一旦、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に格納することができる。上記データやパラメータは、ＣＰＵ４０２１を介して、ＡＩシステム４０４１の外部に設けられたメモリに格納してもよいが、内部に設けられたＮＯＳＲＡＭ４０１３の方が、より高速且つ低消費電力に上記データやパラメータを格納することができる。また、ＮＯＳＲＡＭ４０１３は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２よりもビット線を長くすることができるので、記憶容量を大きくすることができる。
　ＦＰＧＡ４０１４は、ＯＳトランジスタを用いたＦＰＧＡである。本実施の形態のＦＰＧＡは、コンフィギュレーションメモリ、およびレジスタにＯＳメモリを適用することができる。ここでは、このようなＦＰＧＡを「ＯＳ−ＦＰＧＡ」と呼ぶ。ＡＩシステム４０４１は、ＦＰＧＡ４０１４を用いることによって、後述する、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの、ニューラルネットワークの接続をハードウェアで構成することができる。上記のニューラルネットワークの接続をハードウェアで構成することで、より高速に実行することができる。
　ＦＰＧＡ４０１４はＯＳ−ＦＰＧＡである。ＯＳ−ＦＰＧＡは、ＳＲＡＭで構成されるＦＰＧＡよりもメモリの面積を小さくすることができる。そのため、コンテキスト切り替え機能を追加しても面積増加が少ない。また、ＯＳ−ＦＰＧＡはブースティングによりデータやパラメータを高速に伝えることができる。
　ＡＩシステム４０４１は、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を１つのダイ（チップ）の上に設けることができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。また、アナログ演算回路４０１１、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４は、同じ製造プロセスで作製することができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、低コストで作製することができる。
　なお、演算部４０１０は、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４を、全て有する必要はない。ＡＩシステム４０４１が解決したい課題に応じて、ＤＯＳＲＡＭ４０１２、ＮＯＳＲＡＭ４０１３、およびＦＰＧＡ４０１４の一または複数を、選択して設ければよい。
　ＡＩシステム４０４１は、解決したい課題に応じて、ディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、自己符号化器、深層ボルツマンマシン（ＤＢＭ）、深層信念ネットワーク（ＤＢＮ）などの手法を実行することができる。ＰＲＯＭ４０２５は、これらの手法の少なくとも１つを実行するためのプログラムを保存することができる。また、当該プログラムの一部または全てを、ＮＯＳＲＡＭ４０１３に保存してもよい。
　ライブラリとして存在する既存のプログラムは、ＧＰＵの処理を前提としているものが多い。そのため、ＡＩシステム４０４１はＧＰＵ４０２２を有することが好ましい。ＡＩシステム４０４１は、学習と推論で用いられる積和演算のうち、律速となる積和演算を演算部４０１０で実行し、それ以外の積和演算をＧＰＵ４０２２で実行することができる。そうすることで、学習と推論を高速に実行することができる。
　電源回路４０２７は、論理回路用の低電源電位を生成するだけではなく、アナログ演算のための電位生成も行う。電源回路４０２７はＯＳメモリを用いてもよい。電源回路４０２７は、基準電位をＯＳメモリに保存することで、消費電力を下げることができる。
　ＰＭＵ４０２８は、ＡＩシステム４０４１の電力供給を一時的にオフにする機能を有する。
　ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２は、レジスタとしてＯＳメモリを有することが好ましい。ＣＰＵ４０２１およびＧＰＵ４０２２はＯＳメモリを有することで、電力供給がオフになっても、ＯＳメモリ中にデータ（論理値）を保持し続けることができる。その結果、ＡＩシステム４０４１は、電力を節約することができる。
　ＰＬＬ４０２３は、クロックを生成する機能を有する。ＡＩシステム４０４１は、ＰＬＬ４０２３が生成したクロックを基準に動作を行う。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することが好ましい。ＰＬＬ４０２３はＯＳメモリを有することで、クロックの発振周期を制御するアナログ電位を保持することができる。
　ＡＩシステム４０４１は、ＤＲＡＭなどの外部メモリにデータを保存してもよい。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部のＤＲＡＭとのインターフェースとして機能するメモリコントローラ４０２６を有することが好ましい。また、メモリコントローラ４０２６は、ＣＰＵ４０２１またはＧＰＵ４０２２の近くに配置することが好ましい。そうすることで、データのやり取りを高速に行うことができる。
　制御部４０２０に示す回路の一部または全ては、演算部４０１０と同じダイの上に形成することができる。そうすることで、ＡＩシステム４０４１は、高速且つ低消費電力に、ニューラルネットワークの計算を実行することができる。
　ニューラルネットワークの計算に用いられるデータは外部記憶装置（ＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）など）に保存される場合が多い。そのため、ＡＩシステム４０４１は、外部記憶装置とのインターフェースとして機能する外部記憶制御回路４０３１を有することが好ましい。
　ニューラルネットワークを用いた学習と推論は、音声や映像を扱うことが多いので、ＡＩシステム４０４１は音声コーデック４０３２および映像コーデック４０３３を有する。音声コーデック４０３２は、音声データのエンコード（符号化）およびデコード（復号）を行い、映像コーデック４０３３は、映像データのエンコードおよびデコードを行う。
　ＡＩシステム４０４１は、外部センサから得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は汎用入出力モジュール４０３４を有する。汎用入出力モジュール４０３４は、例えば、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）やＩ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）などを含む。
　ＡＩシステム４０４１は、インターネットを経由して得られたデータを用いて学習または推論を行うことができる。そのため、ＡＩシステム４０４１は、通信モジュール４０３５を有することが好ましい。
　アナログ演算回路４０１１は、多値のフラッシュメモリをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、フラッシュメモリは書き換え可能回数に制限がある。また、多値のフラッシュメモリは、エンベディッドで形成する（演算回路とメモリを同じダイの上に形成する）ことが非常に難しい。
　また、アナログ演算回路４０１１は、ＲｅＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＲｅＲＡＭは書き換え可能回数に制限があり、記憶精度の点でも問題がある。さらに、２端子でなる素子であるため、データの書き込みと読み出しを分ける回路設計が複雑になる。
　また、アナログ演算回路４０１１は、ＭＲＡＭをアナログメモリとして用いてもよい。しかし、ＭＲＡＭは抵抗変化率が低く、記憶精度の点で問題がある。
　以上を鑑み、アナログ演算回路４０１１は、ＯＳメモリをアナログメモリとして用いることが好ましい。
　本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態などに示す構成と適宜組み合わせて用いることができる。
（実施の形態７）
＜ＡＩシステムの応用例＞
　本実施の形態では、上記実施の形態に示すＡＩシステムの応用例について図４７を用いて説明を行う。
　図４７（Ａ）は、図４６で説明したＡＩシステム４０４１を並列に配置し、バス線を介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ａである。
　図４７（Ａ）に図示するＡＩシステム４０４１Ａは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎ（ｎは自然数）を有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、バス線４０９８を介して互いに接続されている。
　また図４７（Ｂ）は、図４６で説明したＡＩシステム４０４１を図４７（Ａ）と同様に並列に配置し、ネットワークを介してシステム間での信号の送受信を可能にした、ＡＩシステム４０４１Ｂである。
　図４７（Ｂ）に図示するＡＩシステム４０４１Ｂは、複数のＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎを有する。ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎは、ネットワーク４０９９を介して互いに接続されている。
　ネットワーク４０９９は、ＡＩシステム４０４１＿１乃至ＡＩシステム４０４１＿ｎのそれぞれに通信モジュールを設け、無線または有線による通信を行う構成とすればよい。通信モジュールは、アンテナを介して通信を行うことができる。例えばＷｏｒｌｄ　Ｗｉｄｅ　Ｗｅｂ（ＷＷＷ）の基盤であるインターネット、イントラネット、エクストラネット、ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＣＡＮ（Ｃａｍｐｕｓ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＭＡＮ（Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＧＡＮ（Ｇｌｏｂａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）等のコンピュータネットワークに各電子装置を接続させ、通信を行うことができる。無線通信を行う場合、通信プロトコル又は通信技術として、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ　Ｔｅｒｍ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：登録商標）、ＥＤＧＥ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｄａｔａ　Ｒａｔｅｓ　ｆｏｒ　ＧＳＭ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ＣＤＭＡ２０００（Ｃｏｄｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ　２０００）、Ｗ−ＣＤＭＡ（登録商標）などの通信規格、またはＷｉ−Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等のＩＥＥＥにより通信規格化された仕様を用いることができる。
　図４７（Ａ）、（Ｂ）の構成とすることで、外部のセンサ等で得られたアナログ信号を別々のＡＩシステムで処理することができる。例えば、生体情報のように、脳波、脈拍、血圧、体温等といった情報を脳波センサ、脈波センサ、血圧センサ、温度センサといった各種センサで取得し、別々のＡＩシステムでアナログ信号を処理することができる。別々のＡＩシステムのそれぞれで信号の処理、または学習を行うことで一つのＡＩシステムあたりの情報処理量を少なくできる。そのため、より少ない演算量で信号の処理、または学習を行うことができる。その結果、認識精度を高めることができる。それぞれのＡＩシステムで得られた情報から、複雑に変化する生体情報を瞬時に統合的に把握することができるといったことが期待できる。
　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。
（実施の形態８）　本実施の形態は、上記実施の形態に示すＡＩシステムが組み込まれたＩＣの一例を示す。
　上記実施の形態に示すＡＩシステムは、ＣＰＵ等のＳｉトランジスタでなるデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ−ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリを、１のダイに集積することができる。
　図４８に、ＡＩシステムを組み込んだＩＣの一例を示す。図４８に示すＡＩシステムＩＣ７０００は、リード７００１及び回路部７００３を有する。ＡＩシステムＩＣ７０００は、例えばプリント基板７００２に実装される。このようなＩＣチップが複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７００２上で電気的に接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７００４）が完成する。回路部７００３には、上記実施の形態で示した各種の回路が１のダイに設けられている。回路部７００３は、先の実施の形態に示すように、積層構造をもち、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２、ＯＳトランジスタ層７０３３に大別される。ＯＳトランジスタ層７０３３をＳｉトランジスタ層７０３１に積層して設けることができるため、ＡＩシステムＩＣ７０００の小型化が容易である。
　図４８では、ＡＩシステムＩＣ７０００のパッケージにＱＦＰ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｐａｃｋａｇｅ）を適用しているが、パッケージの態様はこれに限定されない。
　ＣＰＵ等のデジタル処理回路と、ＯＳトランジスタを用いたアナログ演算回路、ＯＳ−ＦＰＧＡおよびＤＯＳＲＡＭ、ＮＯＳＲＡＭ等のＯＳメモリは、全て、Ｓｉトランジスタ層７０３１、配線層７０３２およびＯＳトランジスタ層７０３３に形成することができる。すなわち、上記ＡＩシステムを構成する素子は、同一の製造プロセスで形成することが可能である。そのため、本実施の形態に示すＩＣは、構成する素子が増えても製造プロセスを増やす必要がなく、上記ＡＩシステムを低コストで組み込むことができる。
　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。
（実施の形態９）
＜電子機器＞
　本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図４９および図５０に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
　図４９（Ａ）に示すロボット２０００は、演算装置２００１、センサ２００２、ライト２００３、リフト２００４、駆動部２００５、移動機構２０１１を備えており、移動しながら静止画や動画を撮影することができる。このようなロボットは、警備システムや、監視システムとして用いることができる。
　ロボット２０００は、さらに、通信手段２００６、スピーカ２００７、マイクロフォン２００８、表示部２００９、発光部２０１０などを備えていてもよい。
　演算装置２００１には、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。また、演算装置２００１には、本発明の一態様に係るＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。センサ２００２は、ロボット２０００の周囲を撮影する、カメラとしての機能を有する。ライト２００３は、センサ２００２でロボット２０００の周囲を撮影する際のライトとして用いることができる。なお、センサ２００２で、静止画を撮影する際には、ライト２００３は、フラッシュライトとして機能することが好ましい。センサ２００２は、リフト２００４を介して、ロボット本体と接続されている。センサ２００２の高さは、リフト２００４により調整することができる。リフト２００４は、伸縮式であることが好ましい。また、リフト２００４は、複数のブームにより構成された折り畳み式のものでもよい。また、ロボット２０００には、駆動部２００５と、駆動部２００５に接続された移動機構２０１１が設けられているため、センサ２００２による撮像範囲、すなわち監視範囲が広がり、好ましい。
　通信手段２００６は、センサ２００２により撮像された情報を管理者や、管理者が所有するサーバへ送信することができる。また、センサ２００２により撮像された情報を演算装置２００１にて解析し、犯罪、事故、火災などの非常事態と判断された場合は、警備会社、警察、消防署、医療機関、土地や建物のオーナーへ連絡することができる。スピーカ２００７は、犯罪者への警告、怪我人や急病人への問いかけ、避難の誘導など、ロボット周囲に情報の発信を行うことができる。マイクロフォン２００８は、ロボット２０００の周囲の音声の取得に用いることができる。また、通信手段２００６、およびスピーカ２００７と合わせて用いることで、ロボット２０００は電話としての機能を有することができる。ロボット２０００の周囲にいる人は、管理者や任意の人と会話することができる。表示部２００９は、任意の情報を表示することができる。非常時の場合は、災害情報や避難経路を表示することができる。また、通信手段２００６、スピーカ２００７、およびマイクロフォン２００８と合わせて用いることで、ロボット２０００はテレビ電話としての機能を有することができる。ロボット２０００の周囲にいる人は、管理者や任意の人と表示部２００９を見ながら会話することができる。
　発光部２０１０は、ロボット２０００の進行方向や停止状態を文字や光で示すことができる。また、非常事態を示してもよい。
　図４９（Ｂ）は、ロボット２０００の構成を示すブロック図である。演算装置２００１は、センサ２００２により得られた映像などの情報から、ライト２００３の点灯や消灯、明るさの調整を行う。また、リフト２００４の高さの調整、あるいは、駆動部２００５の制御を行い、ロボット２０００や、センサ２００２の位置合わせを行う。また、駆動部２００５の動作状況を、発光部２０１０を用いて示すことができる。また、通信手段２００６を用いて、センサ２００２やマイクロフォン２００８から得られたロボット２０００の周囲の情報を管理者、または管理者が所有するサーバに送信することができる。また、演算装置２００１や、管理者の判断により、スピーカ２００７や表示部２００９を用いて、ロボット２０００の周囲に情報を発信することができる。
　センサ２００２に用いるセンサとして、周囲が暗くても撮像が可能なセンサを用いる場合は、ライト２００３は設けなくてもよい。このようなセンサとして、受光部にセレン（Ｓｅ）を用いたイメージセンサを用いることができる。
　このようなロボット２０００は、商業施設や、オフィスの警備に用いることができる。センサ２００２やマイクロフォン２００８から得られた情報は、演算装置２００１やサーバに保存される。保存された情報は、ＡＩシステムにより解析され、物品の紛失や破損、不審者の侵入、火災などの災害などの異常の有無を判断する。情報の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。異常が発生したと判断した場合、ロボット２０００は、管理者への連絡および周囲への情報発信を行い、周囲の状況を記録する。
　また、ロボット２０００は、農作物の生育状況の監視に用いてもよい。田んぼや畑に設置されたロボット２０００は、センサ２００２により、農作物の葉、あるいは実の形、大きさ、色を監視し、病気になっていないか、害虫の付着が無いかを判断する。ロボット２０００には、移動機構２０１１が設けられているため、広範囲の農作物の生育状況を監視することができる。また、ロボット２０００には、リフト２００４が設けられているため、農作物の種類や、生育状況によらず、任意の高さの葉や実を監視することができる。監視結果は、通信手段２００６を用いて生産者に送られ、生産者は、農作物に必要な肥料や農薬の種類、量、散布時期を判断することができる。また、演算装置２００１を用いて、監視結果を、ＡＩシステムにより解析し、農作物に必要な、肥料や農薬の種類、量、散布時期を判断して、生産者に通知してもよい。監視結果の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。
　図５０（Ａ）は、ロボット６００１を用いた、仕分けシステム６０００を示す。ロボット６００１は、演算装置６００２、ブーム６００３、およびアーム６００４を備えている。また、ロボット６００１は有線、または無線の通信手段６０１１を備えていてもよい。また、仕分けシステム６０００は、センサ６００９を有する筐体６００８を備えている。筐体６００８は、通信手段６０１０を有している。筐体６００８は、仕分けシステム６０００、または仕分け作業エリアの天井、壁、梁（いずれも図示せず）に設けられる。また、筐体６００８は、ロボット６００１に設けられていてもよい。例えば、ブーム６００３、またはアーム６００４に設けられていてもよい。筐体６００８がロボット６００１に設けられている場合は、センサ６００９により得られた情報は、通信手段６０１０、および通信手段６０１１を介さず、演算装置６００２に送られ、処理されてもよい。
　ブーム６００３は、可動式となっており、アーム６００４を所望の位置に配置することができる。また、アーム６００４は伸縮式としてもよい。所望の物品６００７上に配置されたアームを伸ばし、所望の物品６００７を掴み、アーム６００４を縮めた後、ブーム６００３によりアーム６００４を移動してもよい。
　仕分けシステム６０００は、容器６００５内の物品６００７を容器６００６に移動させることができる。容器６００５と容器６００６は、同一形状でも良いし、異なる形状でもよい。また、一つの容器６００５に入れられた複数の物品６００７を複数の容器６００６に移動して振り分けてもよい。
　容器６００５、および容器６００６として、コンテナ、段ボール箱、商品を梱包する箱、ケース、フィルム、または袋、食品保管用のバット、弁当箱などが用いられる。また、容器６００５、および容器６００６の少なくとも一方は、鍋やフライパンなどの調理器具でもよい。
　演算装置６００２には、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。また、演算装置６００２には、本発明の一態様に係るＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。
　センサ６００９は、容器６００５の位置、容器６００６の位置、容器６００５内、および容器６００５内の物品６００７の状態を読み取り、通信手段６０１０を用いて演算装置６００２に情報を送信する。情報の送信は無線または、有線で行う。また、通信手段６０１０を用いずに、有線にて情報を送信してもよい。演算装置６００２は、送信された情報の解析を行う。ここで、物品６００７の状態とは、形、数、物品６００７同士の重なりなどのことを指す。演算装置６００２は、センサ６００９からの情報をもとに解析を行い、物品６００７の詳細情報を導出する。演算装置６００２、またはロボット６００１と通信可能なサーバに保存されたデータと比較し、物品６００７の三次元形状や、堅さ（柔らかさ）を導出する。また、物品６００７の三次元形状や堅さ（柔らかさ）から、アーム６００４の形状を変えることができる。
　物品６００７の詳細情報を導出するには、ＡＩシステムを用いた解析を利用することができる。情報の解析には、ディープラーニングを用いてもよい。
　図５０（Ｂ）は、一対の板６０２１が水平方向に移動し、物品６００７を挟むことができるアームである。一対の板６０２１が中心に向かって水平方向に移動することで、物品６００７を挟むことができる。このようなアームは、物品６００７を面で捉えることができ、立方体や直方体など、柱状の形を有する物品６００７を掴むのに適している。図５０（Ｃ）は、複数のバー６０２２が水平方向に移動し、物品６００７を挟むことができるアームである。複数のバー６０２２が中心に向かって水平方向に移動することで、物品６００７を挟むことができる。このようなアームは、物品６００７を点で捉えることができ、球状の形を有する物品６００７、または物品６００７の形が一定でない場合、すなわち不定型な物品６００７を掴むに適している。なお、図５０（Ｃ）では、バー６０２２の数を４本としたが、本実施の形態はこれに限らない。バー６０２２は３本でもよいし、５本以上でも良い。図５０（Ｄ）は、一対の板６０２３が、共通の軸を中心に、お互いが近づくように回転することで物品６００７を挟むことができるアームである。このようなアームは、物品６００７を面で捉えることができ、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品６００７を掴むのに適している。図５０（Ｅ）は、一対のかぎ状の板６０２４が、共通の軸を中心に、お互いの先端が近づくように回転することで物品６００７を挟むことができるアームである。このようなアームは、物品６００７を点、または線で捉えることができ、紙やフィルムなど、薄膜状の形を有する物品６００７や、より小さい粒状の形を有する物品６００７を掴むのに適している。また、図５０（Ｆ）に示すように、アームの先端にヘラ６０２５を取り付け、より小さい粒状の形を有する物品６００７をすくってもよい。
　図５０（Ａ）乃至図５０（Ｆ）に示すアームは、一例であり、本発明の一態様はこれらの形状に限らない。また、各アームの用途の説明も一例であり、本発明の一態様はこれらの記載に限らない。
　ロボット６００１は、演算装置６００２からの信号に基づき、ブーム６００３を動かし、アーム６００４を、容器６００５内の所望の物品６００７上に移動する。伸縮式のアーム６００４の場合、アーム６００４を伸ばし、アーム６００４の先端を物品６００７の高さまで降ろす。アームの先端を動かし、所望の物品６００７を掴む。物品６００７を掴んだまま、アームを縮める。再びブーム６００３を動かし、アーム６００４を、容器６００６の所望の位置に移動する。このとき、容器６００６に対する物品６００７の角度を調整する為、アーム６００４を回転してもよい。アーム６００４を伸ばし、物品６００７を容器６００６に配置し、アーム６００４は、物品６００７を放す。以上の操作を繰り返し行い、ロボット６００１は、物品６００７を容器６００５から容器６００６に移動させることができる。
　容器６００５、および容器６００６の位置情報、および物品６００７の状態をＡＩシステムを用いて解析しているため、物品６００７の形状や堅さによらず、確実に物品６００７を移動することができる。物品６００７の例としては、立方体、または直方体の箱、または任意の形状の箱やケースに詰められた物品だけでなく、卵、ハンバーグやコロッケなど、成形された加工食品、ジャガイモやトマトなど、不定形な野菜などの食品、ネジやナットなどの機械部品、紙やフィルムなどの薄膜などが挙げられる。本実施の形態に示した仕分けシステム６０００は、物品６００７の形状や堅さを考慮してアームの形状を変えることができるため、上記に例示した物品６００７を、形状や堅さによらず、容器６００５から容器６００６に移動させることができる。
　例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した電子機器の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。
　また、例えば、上述した電子機器の演算装置などに、上記ＡＩシステムが組み込まれたＩＣを用いることができる。これにより、本実施の形態に示す電子機器は、ＡＩシステムによって、状況に応じた的確な動作を、低消費電力で行うことができる。
　本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態１０）
＜電子機器＞
　本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に用いることができる。図５１に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた電子機器の具体例を示す。
　図５１（Ａ）に、モニタ８３０を示す。モニタ８３０は、表示部８３１、筐体８３２、スピーカ８３３等を有する。さらに、ＬＥＤランプ、操作キー（電源スイッチ、または操作スイッチを含む）、接続端子、各種センサ、マイクロフォン等を有することができる。またモニタ８３０は、リモコン操作機８３４により、操作することができる。
　またモニタ８３０は、放送電波を受信して、テレビジョン装置として機能することができる。
　モニタ８３０が受信できる放送電波としては、地上波、または衛星から送信される電波などが挙げられる。また放送電波として、アナログ放送、デジタル放送などがあり、また映像及び音声、または音声のみの放送などがある。例えばＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ以上３ＧＨｚ以下）またはＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下）のうちの特定の周波数帯域で送信される放送電波を受信することができる。また例えば、複数の周波数帯域で受信した複数のデータを用いることで、転送レートを高くすることができ、より多くの情報を得ることができる。これによりフルハイビジョンを超える解像度を有する映像を、表示部８３１に表示させることができる。例えば、４Ｋ−２Ｋ、８Ｋ−４Ｋ、１６Ｋ−８Ｋ、またはそれ以上の解像度を有する映像を表示させることができる。
　また、インターネットやＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）などのコンピュータネットワークを介したデータ伝送技術により送信された放送のデータを用いて、表示部８３１に表示する画像を生成する構成としてもよい。このとき、モニタ８３０にチューナを有さなくてもよい。
　また、モニタ８３０は、コンピュータと接続し、コンピュータ用モニタとして用いることができる。また、コンピュータと接続したモニタ８３０は、複数の人が同時に閲覧可能となり、会議システムに用いることができる。また、ネットワークを介したコンピュータの情報の表示や、モニタ８３０自体のネットワークへの接続により、モニタ８３０をテレビ会議システムに用いることができる。
　また、モニタ８３０はデジタルサイネージとして用いることもできる。
　例えば、本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いることができる。本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いることで、高速な動作や信号処理を低消費電力にて実現できる。
　また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムをモニタ８３０の画像処理部に用いることで、ノイズ除去処理、階調変換処理、色調補正処理、輝度補正処理などの画像処理を行うことができる。また、解像度のアップコンバートに伴う画素間補間処理や、フレーム周波数のアップコンバートに伴うフレーム間補間処理などを実行することができる。また、階調変換処理は、画像の階調数を変換するだけでなく、階調数を大きくする場合の階調値の補間を行うことができる。また、ダイナミックレンジを広げる、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）処理も、階調変換処理に含まれる。
　図５１（Ｂ）に示すビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１、筐体２９４２、表示部２９４３、操作スイッチ２９４４、レンズ２９４５、および接続部２９４６等を有する。操作スイッチ２９４４およびレンズ２９４５は筐体２９４１に設けられており、表示部２９４３は筐体２９４２に設けられている。また、ビデオカメラ２９４０は、筐体２９４１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。そして、筐体２９４１と筐体２９４２は、接続部２９４６により接続されており、筐体２９４１と筐体２９４２の間の角度は、接続部２９４６により変えることが可能な構造となっている。筐体２９４１に対する筐体２９４２の角度によって、表示部２９４３に表示される画像の向きの変更や、画像の表示／非表示の切り換えを行うことができる。
　例えば、本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いることができる。本発明の一態様の半導体装置を表示部の駆動回路や、画像処理部に用いることで、高速な動作や信号処理を低消費電力にて実現できる。
　また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムをビデオカメラ２９４０の画像処理部に用いることで、ビデオカメラ２９４０周囲の環境に応じた撮影が実現できる。具体的には、周囲の明るさに応じて最適な露出で撮影を行うことができる。また、逆光における撮影や屋内と屋外など、明るさの異なる状況を同時に撮影する場合では、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）撮影を行うことができる。
　また、ＡＩシステムは、撮影者の癖を学習し、撮影のアシストを行うことができる。具体的には、撮影者の手振れの癖を学習し、撮影中の手振れを補正することで、撮影した画像には手振れによる画像の乱れが極力含まれないようにすることができる。また、撮影中にズーム機能を用いる際には、被写体が常に画像の中心で撮影されるようにレンズの向きなどを制御することができる。
　図５１（Ｃ）に示す情報端末２９１０は、筐体２９１１、表示部２９１２、マイク２９１７、スピーカ部２９１４、カメラ２９１３、外部接続部２９１６、および操作スイッチ２９１５等を有する。表示部２９１２には、可撓性基板が用いられた表示パネルおよびタッチスクリーンを備える。また、情報端末２９１０は、筐体２９１１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。情報端末２９１０は、例えば、スマートフォン、携帯電話、タブレット型情報端末、タブレット型パーソナルコンピュータ、電子書籍端末等として用いることができる。
　例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、上述した情報端末２９１０の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。
　また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムを情報端末２９１０の画像処理部に用いることで、ノイズ除去処理、階調変換処理、色調補正処理、輝度補正処理などの画像処理を行うことができる。また、解像度のアップコンバートに伴う画素間補間処理や、フレーム周波数のアップコンバートに伴うフレーム間補間処理などを実行することができる。また、階調変換処理は、画像の階調数を変換するだけでなく、階調数を大きくする場合の階調値の補間を行うことができる。また、ダイナミックレンジを広げる、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）処理も、階調変換処理に含まれる。
　また、ＡＩシステムは、ユーザーの癖を学習し、情報端末２９１０の操作のアシストを行うことができる。ＡＩシステムを搭載した情報端末２９１０は、ユーザーの指の動きや、目線などからタッチ入力を予測することができる。
　図５１（Ｄ）に示すラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１、表示部２９２２、キーボード２９２３、およびポインティングデバイス２９２４等を有する。また、ラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０は、筐体２９２１の内側にアンテナ、バッテリなどを備える。
　例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、ラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。
　また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムをラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０の画像処理部に用いることで、ノイズ除去処理、階調変換処理、色調補正処理、輝度補正処理などの画像処理を行うことができる。また、解像度のアップコンバートに伴う画素間補間処理や、フレーム周波数のアップコンバートに伴うフレーム間補間処理などを実行することができる。また、階調変換処理は、画像の階調数を変換するだけでなく、階調数を大きくする場合の階調値の補間を行うことができる。また、ダイナミックレンジを広げる、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）処理も、階調変換処理に含まれる。
　また、ＡＩシステムは、ユーザーの癖を学習し、ラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０の操作のアシストを行うことができる。ＡＩシステムを搭載したラップトップ型パーソナルコンピュータ２９２０は、ユーザーの指の動きや、目線などから表示部２９２２へのタッチ入力を予測することができる。また、テキストの入力においては、過去のテキスト入力情報や、前後のテキストや写真などの図から入力予測を行い、変換のアシストを行う。これにより、入力ミスや変換ミスを極力低減することができる。
　図５１（Ｅ）は、自動車の一例を示す外観図、図５１（Ｆ）は、ナビゲーション装置８６０を示している。自動車２９８０は、車体２９８１、車輪２９８２、ダッシュボード２９８３、およびライト２９８４等を有する。また、自動車２９８０は、アンテナ、バッテリなどを備える。ナビゲーション装置８６０は、表示部８６１、操作ボタン８６２、及び外部入力端子８６３を具備する。自動車２９８０とナビゲーション装置８６０は、それぞれ独立していても良いが、ナビゲーション装置８６０が自動車２９８０に組み込まれ、連動して機能する構成とするのが好ましい。
　例えば、本発明の一態様の半導体装置を用いた記憶装置は、自動車２９８０やナビゲーション装置８６０の制御情報や、制御プログラムなどを長期間保持することができる。また、本発明の一態様の半導体装置を用いたＡＩシステムを自動車２９８０の制御装置などに用いることで、ＡＩシステムは、ドライバーの運転技術や癖を学習し、安全運転のアシストや、ガソリンやバッテリなどの燃料を効率的に利用する運転のアシストを行うことができる。安全運転のアシストとしては、ドライバーの運転技術や癖を学習するだけでなく、自動車２９８０の速度や移動方法といった自動車の挙動、ナビゲーション装置８６０に保存された道路情報などを複合的に学習し、走行中のレーンから外れることの防止や、他の自動車、歩行者、構造体などとの衝突回避が実現できる。具体的には、進行方向に急カーブが存在する場合、ナビゲーション装置８６０はその道路情報を自動車２９８０に送信し、自動車２９８０の速度の制御や、ハンドル操作のアシストを行うことができる。
　本実施の形態は、他の実施の形態などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
１００：容量素子、１００ａ：容量素子、１００ｂ：容量素子、１１０：導電体、１１２：導電体、１２０：導電体、１３０：絶縁体、１５０：絶縁体、１６０：導電体、２００：トランジスタ、２００ａ：トランジスタ、２００ｂ：トランジスタ、２０３：導電体、２０５：導電体、２０５ａ：導電体、２０５ｂ：導電体、２１０：絶縁体、２１２：絶縁体、２１４：絶縁体、２１６：絶縁体、２１８：導電体、２２０：絶縁体、２２２：絶縁体、２２４：絶縁体、２２４Ａ：絶縁膜、２３０：酸化物、２３０ａ：酸化物、２３０Ａ：酸化膜、２３０ｂ：酸化物、２３０Ｂ：酸化膜、２３０ｃ：酸化物、２３０Ｃ：酸化膜、２３０ｄ：酸化物、２３０Ｄ：酸化膜、２３１：領域、２３１ａ：領域、２３１ｂ：領域、２３２ａ：領域、２３２ｂ：領域、２３４：領域、２３９：領域、２４０：導電体、２４０ａ：導電体、２４０ｂ：導電体、２４２：層、２４２Ａ：膜、２４６：導電体、２４８：導電体、２５０：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０Ａａ：導電膜、２６０Ａｂ：導電膜、２６０ｂ：導電体、２６０Ｂ：導電体、２６０Ｂａ：導電体、２６０Ｂｂ：導電体、２６２：ダミーゲート、２６２Ａ：ダミーゲート膜、２６２Ｂ：ダミーゲート層、２７０：絶縁体、２７３：絶縁体、２７３Ａ：絶縁膜、２７３Ｂ：絶縁体、２７５：絶縁体、２７５Ａ：絶縁膜、２７５Ｂ：絶縁体、２８０：絶縁体、２８２：絶縁体、２８３：絶縁体、２８６：絶縁体、３００：トランジスタ、３１１：基板、３１３：半導体領域、３１４ａ：低抵抗領域、３１４ｂ：低抵抗領域、３１５：絶縁体、３１６：導電体、３２０：絶縁体、３２２：絶縁体、３２４：絶縁体、３２６：絶縁体、３２８：導電体、３３０：導電体、３５０：絶縁体、３５２：絶縁体、３５４：絶縁体、３５６：導電体、３６０：絶縁体、３６２：絶縁体、３６４：絶縁体、３６６：導電体、３７０：絶縁体、３７２：絶縁体、３７４：絶縁体、３７６：導電体、３８０：絶縁体、３８２：絶縁体、３８４：絶縁体、３８６：導電体、４００：トランジスタ、６００：セル、６０１：セル、８３０：モニタ、８３１：表示部、８３２：筐体、８３３：スピーカ、８３４：リモコン操作機、８６０：ナビゲーション装置、８６１：表示部、８６２：操作ボタン、８６３：外部入力端子、１００１：配線、１００２：配線、１００３：配線、１００４：配線、１００５：配線、１００６：配線、１４００：ＤＯＳＲＡＭ、１４０５：コントローラ、１４１０：行回路、１４１１：デコーダ、１４１２：ワード線ドライバ回路、１４１３：列セレクタ、１４１４：センスアンプドライバ回路、１４１５：列回路、１４１６：グローバルセンスアンプアレイ、１４１７：入出力回路、１４２０：ＭＣ−ＳＡアレイ、１４２２：メモリセルアレイ、１４２３：センスアンプアレイ、１４２５：ローカルメモリセルアレイ、１４２６：ローカルセンスアンプアレイ、１４４４：スイッチアレイ、１４４５：メモリセル、１４４５ａ：メモリセル、１４４５ｂ：メモリセル、１４４６：センスアンプ、１４４７：グローバルセンスアンプ、１６００：ＮＯＳＲＡＭ、１６１０：メモリセルアレイ、１６１１：メモリセル、１６１２：メモリセル、１６１３：メモリセル、１６１４：メモリセル、１６１５：メモリセル、１６１５ａ：メモリセル、１６１５ｂ：メモリセル、１６４０：コントローラ、１６５０：行ドライバ、１６５１：行デコーダ、１６５２：ワード線ドライバ、１６６０：列ドライバ、１６６１：列デコーダ、１６６２：書き込みドライバ、１６６３：ＤＡＣ、１６７０：出力ドライバ、１６７１：セレクタ、１６７２：ＡＤＣ、１６７３：出力バッファ、２０００：ロボット、２００１：演算装置、２００２：センサ、２００３：ライト、２００４：リフト、２００５：駆動部、２００６：通信手段、２００７：スピーカ、２００８：マイクロフォン、２００９：表示部、２０１０：発光部、２０１１：移動機構、２９１０：情報端末、２９１１：筐体、２９１２：表示部、２９１３：カメラ、２９１４：スピーカ部、２９１５：操作スイッチ、２９１６：外部接続部、２９１７：マイク、２９２０：ラップトップ型パーソナルコンピュータ、２９２１：筐体、２９２２：表示部、２９２３：キーボード、２９２４：ポインティングデバイス、２９４０：ビデオカメラ、２９４１：筐体、２９４２：筐体、２９４３：表示部、２９４４：操作スイッチ、２９４５：レンズ、２９４６：接続部、２９８０：自動車、２９８１：車体、２９８２：車輪、２９８３：ダッシュボード、２９８４：ライト、、４０１０：演算部、４０１１：アナログ演算回路、４０１２：ＤＯＳＲＡＭ、４０１３：ＮＯＳＲＡＭ、４０１４：ＦＰＧＡ、４０２０：制御部、４０２１：ＣＰＵ、４０２２：ＧＰＵ、４０２３：ＰＬＬ、４０２４：ＳＲＡＭ、４０２５：ＰＲＯＭ、４０２６：メモリコントローラ、４０２７：電源回路、４０２８：ＰＭＵ、４０３０：入出力部、４０３１：外部記憶制御回路、４０３２：音声コーデック、４０３３：映像コーデック、４０３４：汎用入出力モジュール、４０３５：通信モジュール、４０４１：ＡＩシステム、４０４１＿ｎ：ＡＩシステム、４０４１＿１：ＡＩシステム、４０４１Ａ：ＡＩシステム、４０４１Ｂ：ＡＩシステム、４０９８：バス線、４０９９：ネットワーク、６０００：システム、６００１：ロボット、６００２：演算装置、６００３：ブーム、６００４：アーム、６００５：容器、６００６：容器、６００７：物品、６００８：筐体、６００９：センサ、６０１０：通信手段、６０１１：通信手段、６０２１：板、６０２２：バー、６０２３：板、６０２４：板、６０２５：ヘラ、７０００：ＡＩシステムＩＣ、７００１：リード、７００２：プリント基板、７００３：回路部、７００４：実装基板、７０３１：Ｓｉトランジスタ層、７０３２：配線層、７０３３：ＯＳトランジスタ層

Claims (12)

  1. 　第１の絶縁体と、
    　前記第１の絶縁体上の酸化物と、
    　前記酸化物上の第２の絶縁体と、
    　前記第２の絶縁体上の第１の導電体と、
    　前記第１の絶縁体の上面、前記酸化物の側面、前記酸化物の上面、前記第２の絶縁体の側面および前記第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、
    　前記第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、を有し、
    　前記第３の絶縁体は、前記第１の絶縁体を露出する開口を有し、
    　前記第４の絶縁体は、前記開口を介して前記第１の絶縁体と接する、
    　ことを特徴とする半導体装置。
  2. 　第１の絶縁体と、
    　前記第１の絶縁体上の開口を有する第１の酸化物と、
    　前記第１の酸化物上の第２の酸化物と、
    　前記第２の酸化物上の第２の絶縁体と、
    　前記第２の絶縁体上の第１の導電体と、
    　前記第１の絶縁体の上面、前記第１の酸化物の側面、前記第２の酸化物の側面、前記第２の酸化物の上面、前記第２の絶縁体の側面および前記第１の導電体の側面に接する、第３の絶縁体と、
    　前記第３の絶縁体上の第４の絶縁体と、を有し、
    　前記第３の絶縁体は、前記第１の絶縁体を露出する開口を有し、
    　前記第４の絶縁体は、前記第３の絶縁体の開口を介して前記第１の絶縁体と接する、
    　ことを特徴とする半導体装置。
  3. 　請求項１または請求項２において、
    　前記第１の絶縁体および前記第４の絶縁体は、前記第３の絶縁体よりも酸素を透過し易い、ことを特徴とする半導体装置。
  4. 　請求項１において、
    　前記酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する、　ことを特徴とする半導体装置。
  5. 　請求項２において、
    　前記第１の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有し、
    　前記第２の酸化物は、Ｉｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、またはＳｎ）と、Ｚｎと、を有する、
    　ことを特徴とする半導体装置。
  6. 　請求項２において、
    　前記第２の酸化物は、前記第１の酸化物よりも酸素を透過し易い、　ことを特徴とする半導体装置。
  7. 　請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
    　前記第３の絶縁体は、アルミニウム、およびハフニウムの一方または両方を含む酸化物であることを特徴とする半導体装置。
  8. 　基板上に第１の絶縁体を形成し、
    　前記第１の絶縁体の上に、酸化物層を形成し、
    　前記酸化物層の上に、第１の絶縁膜およびダミーゲート膜を順に成膜し、
    　前記第１の絶縁膜および前記ダミーゲート膜を加工して、第２の絶縁体、およびダミーゲート層を形成し、
    　前記第１の絶縁体、前記酸化物層、および前記ダミーゲート層に接する、金属を含む第１の膜を形成し、
    　窒素を含む雰囲気で第１の加熱処理を行い、
    　前記第１の膜を除去し、
    　前記第１の絶縁体、前記酸化物層および前記ダミーゲート層を覆って、第２の絶縁膜を成膜し、
    　前記第２の絶縁膜を加工することで、開口を有する第３の絶縁体を形成し、
    　前記第３の絶縁体上に、第３の絶縁膜を成膜し、
    　第１のＣＭＰ処理を行うことによって、前記ダミーゲート層、前記第３の絶縁体および前記第３の絶縁膜の一部を、前記ダミーゲート層の一部が露出するまで除去し、
    　前記ダミーゲート層をエッチングすることによって、前記第２の絶縁体を露出させ、
    　導電体膜を成膜し、
    　第２のＣＭＰ処理を行うことによって、前記導電体膜の一部を、前記第３の絶縁膜が露出するまで除去して、第１の導電体層および第４の絶縁体を形成し、
    　前記第４の絶縁体に酸素を注入し、
    　前記第１の導電体層上および前記第４の絶縁体上に第５の絶縁体を形成し、
    　酸素を含む雰囲気で第２の加熱処理を行う、
    　ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  9. 　請求項８において、
    　前記第１の膜は、
    　アルゴン、窒素、及び酸素の中から選ばれるいずれか一または複数のガスを用いて、スパッタリング法により形成される、　ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  10. 　請求項８または請求項９において、
    　前記第２の加熱処理を行うことで、前記酸素は、前記開口および前記第１の絶縁体を介して、前記酸化物層に注入される、　ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  11. 　請求項８乃至請求項１０のいずれか一において、
    　酸素の注入は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマ処理法、およびプラズマイマージョンイオンインプランテーション法から選ばれた一を用いて行う、　ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  12. 　請求項８乃至請求項１１のいずれか一において、
    　前記酸素の注入は、イオン注入法を用いて行う、　ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
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