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図面 (20)

課題

微細トランジスタを提供する。または、寄生容量の小さいトランジスタを提供する。または、周波数特性の高いトランジスタを提供する。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供する。

解決手段

酸化物半導体と、第2の絶縁体と、第2の絶縁体に埋め込まれた第1の導電体および第1の絶縁体と、第2の導電体と、第3の導電体と、酸化物半導体を覆う第3の絶縁体と、を有し、酸化物半導体の側面は、酸化物半導体の底面と平行な面に対する角度が、30度以上60度以下の領域を有する半導体装置。

概要

背景

近年は、酸化物半導体を用いたトランジスタが注目されている。酸化物半導体は、スパ
タリング法などを用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタの半導
体に用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非晶質シリコン
を用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能であるため、設備
投資を抑えられるメリットもある。

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
いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献1参照。)

また、酸化物半導体を用いたトランジスタで、ゲート電極を開口部に埋め込んで作製する
方法などが開示されている(特許文献2および特許文献3参照。)。

概要

微細なトランジスタを提供する。または、寄生容量の小さいトランジスタを提供する。または、周波数特性の高いトランジスタを提供する。または、該トランジスタを有する半導体装置を提供する。酸化物半導体と、第2の絶縁体と、第2の絶縁体に埋め込まれた第1の導電体および第1の絶縁体と、第2の導電体と、第3の導電体と、酸化物半導体を覆う第3の絶縁体と、を有し、酸化物半導体の側面は、酸化物半導体の底面と平行な面に対する角度が、30度以上60度以下の領域を有する半導体装置。

目的

特開2012−257187号公報
特開2014−241407号公報
特開2014−240833号公報






微細なトランジスタを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

酸化ハフニウムを有する第1の絶縁体成膜し、前記第1の絶縁体上に、酸化シリコンを有する第2の絶縁体を成膜し、前記第2の絶縁体上に酸化物半導体を成膜し、前記酸化物半導体上に導電体を形成し、前記導電体をエッチングマスクとして、CH4ガスを含むガスを用いて、前記酸化物半導体をドライエッチングし、ドライエッチングされた前記酸化物半導体を有するトランジスタを形成するトランジスタの作製方法

請求項2

酸化ハフニウムを有する第1の絶縁体を成膜し、前記第1の絶縁体上に、酸化シリコンを有する第2の絶縁体を成膜し、前記第2の絶縁体上に酸化物半導体を成膜し、前記酸化物半導体に酸化性ガスを含む雰囲気加熱処理を行い、前記加熱処理後に、CH4ガスを含むガスを用いて、前記酸化物半導体をドライエッチングし、ドライエッチングされた前記酸化物半導体を有するトランジスタを形成するトランジスタの作製方法。

請求項3

酸化ハフニウムを有する第1の絶縁体を成膜し、前記第1の絶縁体上に、酸化シリコンを有する第2の絶縁体を成膜し、前記第2の絶縁体上に酸化物半導体を成膜し、前記酸化物半導体に酸化性ガスを含む雰囲気で加熱処理を行い、前記加熱処理後に、前記酸化物半導体上に導電体を形成し、前記導電体をエッチングマスクとして、CH4ガスを含むガスを用いて、前記酸化物半導体をドライエッチングし、ドライエッチングされた前記酸化物半導体を有するトランジスタを形成するトランジスタの作製方法。

請求項4

酸化物半導体を成膜し、前記酸化物半導体上に導電体を形成し、前記導電体をエッチングマスクとして、CH4ガスを含むガスを用いて、前記酸化物半導体をドライエッチングし、ドライエッチングされた前記酸化物半導体を有するトランジスタを形成するトランジスタの作製方法。

請求項5

酸化物半導体を成膜し、前記酸化物半導体に酸化性ガスを含む雰囲気で加熱処理を行い、前記加熱処理後に、CH4ガスを含むガスを用いて、前記酸化物半導体をドライエッチングし、ドライエッチングされた前記酸化物半導体を有するトランジスタを形成するトランジスタの作製方法。

請求項6

酸化物半導体を成膜し、前記酸化物半導体に酸化性ガスを含む雰囲気で加熱処理を行い、前記加熱処理後に、前記酸化物半導体上に導電体を形成し、前記導電体をエッチングマスクとして、CH4ガスを含むガスを用いて、前記酸化物半導体をドライエッチングし、ドライエッチングされた前記酸化物半導体を有するトランジスタを形成するトランジスタの作製方法。

請求項7

請求項1乃至請求項6のいずれか一において、前記CH4ガスを含むガスは、CH4ガスとアルゴンガスとを含むトランジスタの作製方法。

請求項8

請求項1乃至請求項7のいずれか一において、前記酸化物半導体は、InとGaとZnとを有するトランジスタの作製方法。

技術分野

0001

本発明は、例えば、トランジスタおよび半導体装置、ならびにそれらの製造方法に関する
。または、本発明は、例えば、表示装置発光装置照明装置蓄電装置記憶装置、プ
ロセッサ、電子機器に関する。または、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、
電子機器の製造方法に関する。または、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置
、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。

0002

なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の
一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明
の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物コンポジション
オブマター)に関するものである。

0003

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指す。表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置半導体回路および電子機器
は、半導体装置を有する場合がある。

背景技術

0004

近年は、酸化物半導体を用いたトランジスタが注目されている。酸化物半導体は、スパ
タリング法などを用いて成膜できるため、大型の表示装置を構成するトランジスタの半導
体に用いることができる。また、酸化物半導体を用いたトランジスタは、非晶質シリコン
を用いたトランジスタの生産設備の一部を改良して利用することが可能であるため、設備
投資を抑えられるメリットもある。

0005

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
いという特性を応用した低消費電力のCPUなどが開示されている(特許文献1参照。)

0006

また、酸化物半導体を用いたトランジスタで、ゲート電極を開口部に埋め込んで作製する
方法などが開示されている(特許文献2および特許文献3参照。)。

先行技術

0007

特開2012−257187号公報
特開2014−241407号公報
特開2014−240833号公報

発明が解決しようとする課題

0008

微細なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、寄生容量の小さいトラン
スタを提供することを課題の一とする。または、周波数特性の高いトランジスタを提供
することを課題の一とする。または、電気特性の良好なトランジスタを提供することを課
題の一とする。または、電気特性の安定したトランジスタを提供することを課題の一とす
る。または、オフ時の電流の小さいトランジスタを提供することを課題の一とする。また
は、新規なトランジスタを提供することを課題の一とする。または、該トランジスタを有
する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、動作速度の速い半導体装置を
提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一と
する。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。また
は、該半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とす
る。

0009

なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題
は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図
面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

課題を解決するための手段

0010

(1)
本発明の一態様は、酸化物半導体と、第1の導電体と、第2の導電体と、第3の導電体と
、第1の絶縁体と、第2の絶縁体と、第3の絶縁体と、を有し、第1の導電体は、第1の
絶縁体および第3の絶縁体を介して、第1の導電体と酸化物半導体とが互いに重なる領域
を有し、第2の絶縁体は開口部を有し、第1の絶縁体は、第2の絶縁体の開口部における
側面と接する領域を有し、第1の導電体は、第1の絶縁体を介して第2の絶縁体の側面と
面する領域を有し、酸化物半導体は、酸化物半導体の側面および酸化物半導体の上面と、
第3の絶縁体と、が接する領域を有し、第3の絶縁体は、第3の絶縁体の上面と、第2の
導電体と、が接する領域と、第3の絶縁体の上面と、第3の導電体と、が接する領域と、
を有し、酸化物半導体の側面は、酸化物半導体の底面と平行な面に対する角度が、30度
以上60度以下である領域を有することを特徴とする半導体装置である。

0011

(2)
本発明の一態様は、第2の導電体は、第2の絶縁体と接する第1の導電体層と、第2の絶
縁体と接しない第2の導電体層と、を有し、第1の導電体層の方が第2の導電体層よりも
酸素を透過しにくいことを特徴とする(1)に記載の半導体装置である。

0012

(3)
本発明の一態様は、第3の導電体は、第2の絶縁体と接する第3の導電体層と、第2の絶
縁体と接しない第4の導電体層と、を有し、第3の導電体層の方が第4の導電体層よりも
酸素を透過しにくいことを特徴とする(1)または(2)に記載の半導体装置である。

0013

(4)
本発明の一態様は、酸化物半導体の有する酸素以外の主成分元素の少なくとも一を有する
第3の絶縁体を有することを特徴とする(1)乃至(3)のいずれか一に記載の半導体
置である。

0014

(5)
本発明の一態様は、酸化物半導体と互いに重なる領域を有する第4の絶縁体を有し、第4
の絶縁体は、酸化物半導体の有する酸素以外の主成分元素の少なくとも一を有することを
特徴とする(1)乃至(4)のいずれかに一に記載の半導体装置である。

0015

(6)
本発明の一態様は、トランジスタを有し、第1の導電体は、トランジスタのゲート電極と
して機能する領域を有し、トランジスタは、ゲート電極の線幅が、3nm以上60nm以
下であることを特徴とする(1)乃至(5)のいずれか一に記載の半導体装置である。

0016

(7)
本発明の一態様は、互いに向かい合う、第2の導電体の端部と第3の導電体の端部との距
離が、5nm以上80nm以下となる領域を有することを特徴とする(1)乃至(6)の
いずれかに一に記載の半導体装置である。

0017

(8)
本発明の一態様は、第1の絶縁体上に第2の絶縁体を成膜し、第2の絶縁体上に酸化物
導体を成膜し、酸化物半導体上に第1の導電体を成膜し、第1の導電体上に、リソグラフ
ィー法により第1のレジストマスクを形成し、第1のレジストマスクをエッチングマスク
として、第1の導電体をエッチングし、第1のレジストマスクおよび第1の導電体をエッ
チングマスクとして、酸化物半導体および第2の絶縁体を酸化物半導体のテーパー角度
よび第2の絶縁体のテーパー角度が30度以上60度以下の領域を有するようにエッチ
グし、第1のレジストマスクおよび第1の導電体を除去し、第1の絶縁体上、第2の絶縁
体上および酸化物半導体上に第3の絶縁体を成膜し、第3の絶縁体上に、酸素を有するプ
ラズマで処理をすることによって、プラズマ中の酸素を過剰酸素として第3の絶縁体中
添加し、熱処理を行うことで、第3の絶縁体中の過剰酸素を酸化物半導体に移動させ、第
3の絶縁体上に第2の導電体を成膜し、第2の導電体上にリソグラフィー法により第2の
レジストマスクを形成し、第2のレジストマスクをエッチングマスクとして、第2の導電
体および第3の絶縁体をエッチングし、第1の絶縁体および第2の導電体上に第4の絶縁
体を成膜し、第4の絶縁体に、第2の導電体を露出する開口部を形成し、第2の導電体に
、第3の絶縁体を露出する開口部を形成することで第2の導電体を第1の導電体層と第2
の導電体層に分離し、第4の絶縁体上および第3の絶縁体上に第5の絶縁体を成膜し、第
5の絶縁体上に第3の導電体を成膜し、第3の導電体および第5の絶縁体を研磨すること
で第4の絶縁体を露出し、第2絶縁体および第3の絶縁体は、酸化物半導体の有する酸素
以外の主成分元素の少なくとも一を有することを特徴とする半導体装置の作製方法である

0018

なお、本発明の一態様に係る半導体装置において、酸化物半導体を他の半導体に置き換え
ても構わない。

発明の効果

0019

微細なトランジスタを提供することができる。または、寄生容量の小さいトランジスタを
提供することができる。または、周波数特性の高いトランジスタを提供することができる
。または、電気特性の良好なトランジスタを提供することができる。または、電気特性の
安定したトランジスタを提供することができる。または、オフ時の電流の小さいトランジ
スタを提供することができる。または、新規なトランジスタを提供することができる。ま
たは、該トランジスタを有する半導体装置を提供することができる。または、動作速度の
速い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。または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半
導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することができる。

0020

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一
態様は、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、
図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項な
どの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

図面の簡単な説明

0021

本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係るトランジスタの一部を示す断面図。
本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。
本発明の一態様に係るトランジスタを示す断面図。
CAAC−OSおよび単結晶酸化物半導体のXRDによる構造解析を説明する図、ならびにCAAC−OSの制限視野電子回折パターンを示す図。
CAAC−OSの断面TEM像、ならびに平面TEM像およびその画像解析像。
nc−OSの電子回折パターンを示す図、およびnc−OSの断面TEM像。
a−like OSの断面TEM像。
In−Ga−Zn酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。
本発明の一態様に係るトランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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トランジスタ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記憶装置の回路図。
本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。
本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図および断面図。
本発明の一態様に係るCPUを示すブロック図。
本発明の一態様に係る記憶素子の回路図。
撮像装置を示す平面図。
撮像装置の画素を示す平面図。
撮像装置を示す断面図。
撮像装置を示す断面図。
RFタグの構成例を説明する図。
本発明の一態様に係る、半導体装置を示す回路図、上面図および断面図。
本発明の一態様に係る、半導体装置を示す回路図および断面図。
本発明の一態様を説明するためのブロック図、回路図および波形図。
本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート
本発明の一態様を説明するための回路図。
本発明の一態様を説明するための回路図。
本発明の一態様を説明するための回路図。
本発明の一態様を説明するための回路図。
本発明の一態様を説明するための回路図。
表示モジュールを説明する図。
リードフレーム型のインターポーザを用いたパッケージ断面構造を表す斜視図と携帯電話のモジュールの構成を表す平面図。
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。
本発明の一態様に係る、RFタグの使用例。

実施例

0022

本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説
明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に
理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるもの
ではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異
なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じく
し、特に符号を付さない場合がある。

0023

なお、図において、大きさ、膜(層)の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されて
いる場合がある。

0024

なお、本明細書において、例えば、物体の形状を「径」、「粒径」、「大きさ」、「サイ
ズ」、「幅」などで規定する場合、物体が収まる最小の立方体における一辺の長さ、また
は物体の一断面における円相当径と読み替えてもよい。物体の一断面における円相当径と
は、物体の一断面と等しい面積となる正円の直径をいう。

0025

なお、電圧は、ある電位と、基準の電位(例えば接地電位(GND)またはソース電位
との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である

0026

なお、第1、第2として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層
順を示すものではない。そのため、例えば、「第1の」を「第2の」または「第3の」な
どと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書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。

0027

なお、半導体の不純物とは、例えば、半導体を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度
が0.1原子%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導
体のDOS(Density of State)が形成されることや、キャリア移動度
が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導
体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族
元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、
水素(水にも含まれる)、リチウムナトリウムシリコンホウ素、リン炭素窒素
などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形
成する場合がある。また、半導体がシリコン膜である場合、半導体の特性を変化させる不
純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第1
5族元素などがある。

0028

なお、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体(またはトラン
ジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重な
る領域、またはチャネルが形成される領域における、ソース(ソース領域またはソース電
極)とドレインドレイン領域またはドレイン電極)との間の距離をいう。なお、一つの
トランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一
つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細
書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値
最小値または平均値とする。

0029

チャネル幅とは、例えば、半導体(またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で
電流の流れる部分)とゲート電極とが互いに重なる領域、またはチャネルが形成される領
域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。なお、一つのト
ランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一
つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細
書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、
最小値または平均値とする。

0030

なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャ
ル幅(以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。)と、トランジスタの上面図において示される
チャネル幅(以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。)と、が異なる場合がある。例えば、
立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図
において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる
場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の側面に
形成されるチャネル形成領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図におい
て示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル
幅の方が大きくなる。

0031

ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測
による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積
もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状
が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。

0032

そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが互いに
重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上
のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅(SCW:Surrounded Channe
l Width)」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した
場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、
本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合があ
る。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い
込みチャネル幅などは、断面TEM像などを取得して、その画像を解析することなどによ
って、値を決定することができる。

0033

なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求め
る場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャ
ネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。

0034

なお、本明細書において、AがBより迫り出した形状を有すると記載する場合、上面図ま
たは断面図において、Aの少なくとも一端が、Bの少なくとも一端よりも外側にある形状
を有することを示す場合がある。したがって、AがBより迫り出した形状を有すると記載
されている場合、例えば上面図において、Aの一端が、Bの一端よりも外側にある形状を
有すると読み替えることができる。

0035

なお、本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で
配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、
「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。

0036

なお、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す

0037

(実施の形態1)
トランジスタ構造1>
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置が有するトランジスタの構造について説明す
る。図1(A)、(B)および(C)は、本発明の一態様に係る半導体装置の上面図およ
び断面図である。図1(A)は上面図である。図1(B)は、図1(A)に示す一点鎖線
A1−A2に対応する断面図である。図1(C)は、図1(A)に示す一点鎖線A3−A
4に対応する断面図である。なお、図1(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の
要素を省いて図示している。

0038

図1(B)および(C)において、本トランジスタは、基板400上の絶縁体401と、
絶縁体401上の絶縁体301および導電体310と、絶縁体301上および導電体31
0上の絶縁体302と、絶縁体302上の絶縁体303と、絶縁体303上の絶縁体40
2と、絶縁体402上の絶縁体406aと、絶縁体406a上の半導体406bと、絶縁
体402上、絶縁体406aの側面、半導体406bの側面および半導体406bの上面
と接する絶縁体406cと、絶縁体406cの上面と接する領域を有する導電体416a
1および導電体416a2と、導電体416a1の上面および導電体416a2の上面と
接する絶縁体410と、絶縁体406c上の絶縁体412と、絶縁体412および絶縁体
406cを介して半導体406b上に配置する導電体404と、絶縁体410上、導電体
404上および絶縁体412上の絶縁体418と、絶縁体418上の絶縁体408と、絶
縁体408上の絶縁体428と、絶縁体428、絶縁体408および絶縁体418を通り
導電体404に達する開口部と、絶縁体428、絶縁体408、絶縁体418および絶縁
体410を通り導電体416a1に達する開口部と、絶縁体428、絶縁体408、絶縁
体418および絶縁体410を通り導電体416a2に達する開口部と、それぞれの開口
部に埋め込まれた導電体437、導電体431および導電体429と、絶縁体428上の
導電体437と接する領域を有する導電体438と、絶縁体428上の導電体431と接
する領域を有する導電体432と、絶縁体428上の導電体429と接する領域を有する
導電体430と、を有する。

0039

本トランジスタにおいて、導電体404は第1のゲート電極としての機能を有する。また
、導電体404は、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体と積層構造とすることがで
きる。例えば酸素を透過しにくい導電体を下層に成膜することで導電体404の酸化によ
電気抵抗値の増加を防ぐことができる。絶縁体412はゲート絶縁体としての機能を有
する。なお、導電体の電気抵抗値の測定は、2端子法により測定することができる。

0040

また、導電体416a1および導電体416a2は、ソース電極またはドレイン電極とし
ての機能を有する。また、導電体416a1および導電体416a2は、酸素の透過を抑
制する機能を有する導電体と積層構造とすることができる。例えば酸素を透過しにくい導
電体上層に成膜することで導電体416a1および導電体416a2の酸化による電気
抵抗値の増加を防ぐことができる。

0041

導電体404に印加する電位によって、半導体406bの抵抗を制御することができる。
即ち、導電体404に印加する電位によって、導電体416a1と導電体416a2との
間の導通・非導通を制御することができる。

0042

図1(B)および(C)に示すように、半導体406bの上面および半導体406bの側
面は、絶縁体406cを介して、導電体416a1および導電体416a2と互いに重な
る領域を有する。また、ゲート電極としての機能を有する導電体404の電界によって、
絶縁体406a、半導体406bおよび絶縁体406cを電気的に取り囲むことができる
。ゲート電極の電界によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、sur
rounded channel(s−channel)構造とよぶ。そのため、半導体
406bの全体にチャネルが形成される場合がある。s−channel構造では、トラ
ンジスタのソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流(オン電流)を
大きくすることができる。また、絶縁体406aおよび半導体406bが、導電体404
の電界によって取り囲まれていることから、非導通時の電流(オフ電流)を小さくするこ
とができる。

0043

本トランジスタは、ゲート電極として機能する領域が、絶縁体410などによって形成さ
れる開口部を埋めるように自己整合(self align)的に形成されるので、TG
SA s−channelFET(Trench Gate Self Aligne
d s−channel FET)と呼ぶこともできる。

0044

図2(A)および(B)は、図1に示すトランジスタの一部を拡大したものである。図2
(A)はトランジスタのチャネル長方向の断面図であり、図2(B)はトランジスタのチ
ャネル幅方向の断面図である。なお、図1(A)に示す導電体431および導電体429
図2(A)では省略する。チャネル長方向の断面において、絶縁体406aの底面と平
行な面と絶縁体406aの側面により形成される角度をテーパー角度447aとする。ま
た、半導体406bの底面と平行な面と半導体406bの側面により形成される角度をテ
ーパー角度447bとする(図2(A)参照。)。

0045

また、チャネル幅方向の断面において、絶縁体406aの底面と平行な面と絶縁体406
aの側面により形成される角度をテーパー角度448aとする。また、半導体406bの
底面と平行な面と半導体406bの側面により形成される角度をテーパー角度448bと
する(図2(B)参照。)。

0046

また、本トランジスタのチャネル長方向の断面図において、ゲート電極としての機能を有
する導電体404の底面の長さをゲート線幅404wとして示す。また、チャネル長とは
図1(A)に示す本トランジスタの上面図において、半導体406bとゲート電極とし
ての機能を有する導電体404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、ソース電極(またはドレイン電極)としての機能を有する導電体416a1と
ドレイン電極(またはソース電極)としての機能を有する導電体416a2との間の距離
を言う。この距離をチャネル長414wとして示す(図1(A)および図2(A)参照。
)。

0047

本発明の一態様に係るトランジスタは、絶縁体406cに達する絶縁体410の開口部よ
りもゲート線幅404wを小さくすることができる。即ち、ゲート線幅404wを最小加
工寸法よりも小さくすることができる。具体的には、ゲート線幅404wを、5nm以上
60nm以下、好ましくは5nm以上30nm以下とすることができる。また、チャネル
長414wは5nm以上80nm以下とすることができる。

0048

また、テーパー角度447a、テーパー角度447b、テーパー角度448aおよびテー
パー角度448bは、80度以下、好ましくは60度以下とすることにより、絶縁体40
6aの側面上、半導体406bの側面上および半導体406bの上面に形成される絶縁体
406cおよびゲート絶縁体としての機能を有する絶縁体412の被覆性が向上する。絶
縁体406cおよび絶縁体412の被覆性が向上すると、ゲート電極としての機能を有す
る導電体404とソース電極またはドレイン電極としての機能を有する導電体416a1
または導電体416a2との間を流れるリーク電流を低く抑えることができる。または、
ゲート電極としての機能を有する導電体404とチャネル形成領域を有する半導体406
bとの間を流れるリーク電流を低く抑えることができる。

0049

テーパー角度447a、テーパー角度447b、テーパー角度448aおよびテーパー角
度448bは、20度以上80度以下、好ましくは30度以上60度以下とする。

0050

図2(A)において導電体416a1と、導電体416a2の間の領域における絶縁体4
12の厚さを導電体416a1の厚さまたは導電体416a2の厚さ以下とすることで、
ゲート電極からの電界がチャネル形成領域全体に掛かるのでトランジスタの動作が良好と
なり好ましい。導電体416a1と、導電体416a2の間の領域における絶縁体412
の厚さは、30nm以下、好ましくは10nm以下とする。

0051

また、導電体310は、第2のゲート電極としての機能を有する。また、導電体310は
酸素の透過を抑制する機能を有する導電体を含む多層膜とすることもできる。酸素の透過
を抑制する機能を有する導電体を含む多層膜とすることで導電体310の酸化による導電
率の低下を防ぐことができる。絶縁体302、絶縁体303および絶縁体402は第2の
ゲート絶縁膜としての機能を有する。導電体310へ印加する電位によって、本トランジ
スタのしきい値電圧を制御することができる。また、導電体310に印加する電位により
、絶縁体303へ電子注入させ本トランジスタのしきい値電圧を制御することができる
。さらに第1のゲート電極と第2のゲート電極を電気的に接続することで、導通時の電流
(オン電流)を大きくすることができる。なお、第1のゲート電極の機能と、第2のゲー
ト電極の機能と、が入れ替わっても構わない。

0052

図5に第1のゲート電極と第2のゲート電極を電気的に接続した一例を示す。絶縁体42
8、絶縁体408および絶縁体418を通って導電体404に達する開口部には、導電体
440が埋め込まれており、導電体440の上面と絶縁体428上に形成した導電体44
4とは、電気的に接続されている。一方、絶縁体428、絶縁体408、絶縁体418、
絶縁体410、絶縁体402、絶縁体303および絶縁体302を通って導電体310に
達する開口部には、導電体442が埋め込まれており、導電体442の上面と導電体44
4とは、電気的に接続されている。つまり、第1のゲート電極としての機能を有する導電
体404は、導電体440、導電体444および導電体442を通して、第2のゲート電
極としての機能を有する導電体310とは、電気的に接続される。

0053

なお、トランジスタを、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体
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。例えば絶縁体
408として、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を用いれ
ばよい。

0054

水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ
素、炭素、窒素、酸素、フッ素マグネシウムアルミニウム、シリコン、リン、塩素
アルゴンガリウムゲルマニウムイットリウムジルコニウムランタンネオジム
ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。

0055

また、例えば、絶縁体408としては、酸化アルミニウム酸化マグネシウム、窒化酸化
シリコン、窒化シリコン酸化ガリウム酸化ゲルマニウム酸化イットリウム、酸化ジ
ルコニウム、酸化ランタン酸化ネオジム酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いれ
ばよい。なお、絶縁体408は、酸化アルミニウムを有することが好ましい。例えば、絶
縁体408は酸素を有するプラズマを用いて成膜すると絶縁体408の下地層となる絶縁
体418を通って絶縁体410へ酸素を添加することができる。または、絶縁体412の
側面に酸素を添加することもできる。添加された酸素は、絶縁体410中または絶縁体4
12中で過剰酸素となる。絶縁体408が酸化アルミニウムを有することで、半導体40
6bに水素などの不純物が混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体
408が酸化アルミニウムを有することで、上述の絶縁体410および絶縁体412へ添
加した過剰酸素の外方拡散を低減することができる。

0056

絶縁体401としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化酸化シリコン、窒化
シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸
化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。なお、
絶縁体401は、酸化アルミニウムまたは窒化シリコンを有することが好ましい。例えば
、絶縁体401が酸化アルミニウムまたは窒化シリコンを有することで、半導体406b
に水素などの不純物が混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体40
1が酸化アルミニウムまたは窒化シリコンを有することで、酸素の外方拡散を低減するこ
とができる。

0057

絶縁体301および絶縁体302としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素
、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニ
ウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを
含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体301および絶縁体
302としては、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有することが好ましい。

0058

絶縁体303としては、例えば、電子注入層としての機能を有してもよい。絶縁体303
としては例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シ
リコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム
、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層
で用いればよい。例えば、絶縁体303としては、窒化シリコン、酸化ハフニウムまたは
酸化アルミニウムを有することが好ましい。

0059

絶縁体402としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、ア
ルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム
、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層
で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体402としては、酸化シリコンまたは酸
化窒化シリコンを有することが好ましい。

0060

なお、絶縁体410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
410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410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。

0061

絶縁体412としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、ア
ルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム
、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層
で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体412としては、酸化シリコンまたは酸
化窒化シリコンを有することが好ましい。

0062

なお、絶縁体412は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体
412は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、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、またはシリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物などを有することが好
ましい。または、絶縁体412は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の
高い絶縁体と、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、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。例えば、酸化アルミニウム、酸化ガリ
ウムまたは酸化ハフニウムを絶縁体406c側に有することで、酸化シリコンまたは酸化
窒化シリコンに含まれるシリコンが、半導体406bに混入することを抑制することがで
きる。また、例えば、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを絶縁体406c側に有する
ことで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは
酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップ
ンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させる
ことができる場合がある。

0063

絶縁体412および絶縁体428としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素
、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニ
ウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを
含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体301としては、酸
化シリコンまたは酸化窒化シリコンを有することが好ましい。

0064

導電体416a1および導電体416a2としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ
素、シリコン、リン、アルミニウム、チタンクロムマンガンコバルトニッケル
銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデンルテニウムプラチナ
、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステン一種以上含む導電体を、単層で
、または積層で用いればよい。例えば、合金膜化合物膜であってもよく、アルミニウム
を含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウ
ム、スズおよび酸素を含む導電体、またはチタンおよび窒素を含む導電体などを用いても
よい。

0065

導電体404としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミ
ニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イット
リウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよ
びタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、
合金膜や化合物膜であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導
電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、また
はチタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。

0066

導電体429、導電体430、導電体431、導電体432、導電体437および導電体
438としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム
、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム
、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタン
グステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金膜
や化合物膜であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、
銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、またはチタ
ンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。

0067

導電体310、導電体440、導電体442および導電体444としては、例えば、ホウ
素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、
コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、
ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体
を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、合金膜や化合物膜であってもよく、ア
ルミニウムを含む導電体、銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体
、インジウム、スズおよび酸素を含む導電体、またはチタンおよび窒素を含む導電体など
を用いてもよい。

0068

半導体406bとしては、酸化物半導体を用いることが好ましい。ただし、シリコン(歪
シリコン含む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム炭化シリコンガリウムヒ素
アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウムまたは有機半導体などを用い
ても構わない場合がある。

0069

絶縁体406aおよび絶縁体406cとしては、半導体406bを構成する酸素以外の元
素一種以上、または二種以上から構成される酸化物を用いることが望ましい。ただし、シ
リコン(歪シリコン含む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリ
ウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウムまたは有機半導体
などを用いても構わない場合がある。

0070

<トランジスタ構造2>
ここでは、図1と異なる構成のトランジスタについて、図3を用いて説明する。図3(A
)、(B)および(C)は、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であ
る。図3(A)は上面図である。図3(B)は、図3(A)に示す一点鎖線A1−A2に
対応する断面図である。図3(C)は、図3(A)に示す一点鎖線A3−A4に対応する
断面図である。なお、図3(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて
図示している。

0071

本トランジスタは、一つのゲート電極に対して複数のチャネル形成領域を有するところが
図1(A)、(B)および(C)に示すトランジスタの構成と異なる。図3(A)、(
B)および(C)は、3つのチャネル形成領域を有する一例を示すが、チャネル形成領域
の数はこれに限定されない。その他の構成は、上述の図1(A)、(B)および(C)に
示したトランジスタの構成を参酌する。

0072

<トランジスタ構造3>
ここでは、図1と異なる構成のトランジスタについて、図4を用いて説明する。図4(A
)、(B)および(C)は、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であ
る。図4(A)は上面図である。図4(B)は、図4(A)に示す一点鎖線A1−A2に
対応する断面図である。図4(C)は、図4(A)に示す一点鎖線A3−A4に対応する
断面図である。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
図示している。

0073

本トランジスタは、チャネル幅の大きさが図2(A)に示すゲート線幅404wと比較し
て2倍以上の構成の一例を示した。その他の構成は、上述の図1(A)、(B)および(
C)に示したトランジスタの構成を参酌する。

0074

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み
合わせて実施することができる。

0075

(実施の形態2)
<酸化物半導体の構造>
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。

0076

酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けら
れる。非単結晶酸化物半導体としては、CAAC−OS(c−axis−aligned
crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物
半導体、nc−OS(nanocrystalline oxide semicond
uctor)、擬似非晶質酸化物半導体(a−like OS:amorphous−l
ike oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体などがあ
る。

0077

また別の観点では、酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体と、それ以外の結晶性酸化物
導体と、に分けられる。結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、CAAC−
OS、多結晶酸化物半導体およびnc−OSなどがある。

0078

非晶質構造は、一般に、等方的であって不均質構造を持たない、準安定状態で原子の配置
固定化していない、結合角度が柔軟である、短距離秩序は有するが長距離秩序を有さな
い、などといわれている。

0079

即ち、安定な酸化物半導体を完全な非晶質(completely amorphous
)酸化物半導体とは呼べない。また、等方的でない(例えば、微小な領域において周期
造を有する)酸化物半導体を、完全な非晶質酸化物半導体とは呼べない。一方、a−li
ke OSは、等方的でないが、鬆(ボイドともいう。)を有する不安定な構造である。
不安定であるという点では、a−like OSは、物性的に非晶質酸化物半導体に近い

0080

<CAAC−OS>
まずは、CAAC−OSについて説明する。

0081

CAAC−OSは、c軸配向した複数の結晶部(ペレットともいう。)を有する酸化物半
導体の一種である。

0082

CAAC−OSをX線回折(XRD:X−Ray Diffraction)によって解
析した場合について説明する。例えば、空間群R−3mに分類されるInGaZnO4の
結晶を有するCAAC−OSに対し、out−of−plane法による構造解析を行う
と、図6(A)に示すように回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる。このピーク
は、InGaZnO4の結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OSでは
、結晶がc軸配向性を有し、c軸がCAAC−OSの膜を形成する面(被形成面ともいう
。)、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、2θが31°近
傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍
のピークは、空間群Fd−3mに分類される結晶構造に起因する。そのため、CAAC−
OSは、該ピークを示さないことが好ましい。

0083

一方、CAAC−OSに対し、被形成面に平行な方向からX線を入射させるin−pla
ne法による構造解析を行うと、2θが56°近傍にピークが現れる。このピークは、I
nGaZnO4の結晶の(110)面に帰属される。そして、2θを56°近傍に固定し
試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を
行っても、図6(B)に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶InGaZn
O4に対し、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合、図6(C)に示すように
(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。したがって、XRD
を用いた構造解析から、CAAC−OSは、a軸およびb軸の配向が不規則であることが
確認できる。

0084

次に、電子回折によって解析したCAAC−OSについて説明する。例えば、InGaZ
nO4の結晶を有するCAAC−OSに対し、CAAC−OSの被形成面に平行にプロー
ブ径が300nmの電子線を入射させると、図6(D)に示すような回折パターン(制限
視野電子回折パターンともいう。)が現れる場合がある。この回折パターンには、InG
aZnO4の結晶の(009)面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回折
によっても、CAAC−OSに含まれるペレットがc軸配向性を有し、c軸が被形成面ま
たは上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に垂
直にプローブ径が300nmの電子線を入射させたときの回折パターンを図6(E)に示
す。図6(E)より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プローブ径が
300nmの電子線を用いた電子回折によっても、CAAC−OSに含まれるペレットの
a軸およびb軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図6(E)における第1リング
は、InGaZnO4の結晶の(010)面および(100)面などに起因すると考えら
れる。また、図6(E)における第2リングは(110)面などに起因すると考えられる

0085

また、透過型電子顕微鏡TEM:Transmission Electron Mi
croscope)によって、CAAC−OSの明視野像と回折パターンとの複合解析
高分解能TEM像ともいう。)を観察すると、複数のペレットを確認することができる
。一方、高分解能TEM像であってもペレット同士の境界、即ち結晶粒界グレインバウ
ンダリーともいう。)を明確に確認することができない場合がある。そのため、CAAC
−OSは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。

0086

図7(A)に、試料面と略平行な方向から観察したCAAC−OSの断面の高分解能TE
M像を示す。高分解能TEM像の観察には、球面収差補正(Spherical Abe
rration Corrector)機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分解
能TEM像を、特にCs補正高分解能TEM像と呼ぶ。Cs補正高分解能TEM像は、例
えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡EM−ARM200Fなどによっ
て観察することができる。

0087

図7(A)より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することがで
きる。ペレット一つの大きさは1nm以上のものや、3nm以上のものがあることがわか
る。したがって、ペレットを、ナノ結晶(nc:nanocrystal)と呼ぶことも
できる。また、CAAC−OSを、CANC(C−Axis Aligned nano
crystals)を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、CAAC−
OSの被形成面または上面の凹凸を反映しており、CAAC−OSの被形成面または上面
と平行となる。

0088

また、図7(B)および図7(C)に、試料面と略垂直な方向から観察したCAAC−O
Sの平面のCs補正高分解能TEM像を示す。図7(D)および図7(E)は、それぞれ
図7(B)および図7(C)を画像処理した像である。以下では、画像処理の方法につい
て説明する。まず、図7(B)を高速フーリエ変換FFT:Fast Fourier
Transform)処理することでFFT像を取得する。次に、取得したFFT像に
おいて原点を基準に、2.8nm−1から5.0nm−1の間の範囲を残すマスク処理
る。次に、マスク処理したFFT像を、逆高速フーリエ変換IFFT:Inverse
Fast Fourier Transform)処理することで画像処理した像を取
得する。こうして取得した像をFFTフィルタリング像と呼ぶ。FFTフィルタリング像
は、Cs補正高分解能TEM像から周期成分を抜き出した像であり、格子配列を示してい
る。

0089

図7(D)では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、一
つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部である
。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレッ
トの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。

0090

図7(E)では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間を点線
示している。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍
格子点を中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または/および七角形
などが形成できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制してい
ることがわかる。これは、CAAC−OSが、a−b面方向において原子配列が稠密でな
いことや、金属元素置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪
みを許容することができるためと考えられる。

0091

以上に示すように、CAAC−OSは、c軸配向性を有し、かつa−b面方向において複
数のペレット(ナノ結晶)が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。よって、CA
AC−OSを、CAA crystal(c−axis−aligned a−b−pl
ane−anchored crystal)を有する酸化物半導体と称することもでき
る。

0092

CAAC−OSは結晶性の高い酸化物半導体である。酸化物半導体の結晶性は不純物の混
入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、CAAC−OSは不純物や欠陥(
酸素欠損など)の少ない酸化物半導体ともいえる。

0093

なお、不純物は、酸化物半導体の主成分以外の元素で、水素、炭素、シリコン、遷移金属
元素などがある。例えば、シリコンなどの、酸化物半導体を構成する金属元素よりも酸素
との結合力の強い元素は、酸化物半導体から酸素を奪うことで酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二
酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体の原子配列を
乱し、結晶性を低下させる要因となる。

0094

酸化物半導体が不純物や欠陥を有する場合、光や熱などによって特性が変動する場合があ
る。例えば、酸化物半導体に含まれる不純物は、キャリアトラップとなる場合や、キャリ
発生源となる場合がある。例えば、酸化物半導体中の酸素欠損は、キャリアトラップと
なる場合や、水素を捕獲することによってキャリア発生源となる場合がある。

0095

不純物および酸素欠損の少ないCAAC−OSは、キャリア密度の低い酸化物半導体であ
る。具体的には、8×1011個/cm3未満、好ましくは1×1011個/cm3未満
、さらに好ましくは1×1010個/cm3未満であり、1×10−9個/cm3以上の
キャリア密度の酸化物半導体とすることができる。そのような酸化物半導体を、高純度
性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。CAAC−OSは、不純物濃度が低
く、欠陥準位密度が低い。即ち、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。

0096

<nc−OS>
次に、nc−OSについて説明する。

0097

nc−OSをXRDによって解析した場合について説明する。例えば、nc−OSに対し
、out−of−plane法による構造解析を行うと、配向性を示すピークが現れない
。即ち、nc−OSの結晶は配向性を有さない。

0098

また、例えば、InGaZnO4の結晶を有するnc−OSを薄片化し、厚さが34nm
の領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が50nmの電子線を入射させると、図8
A)に示すようなリング状の回折パターン(ナノビーム電子回折パターン)が観測される
。また、同じ試料にプローブ径が1nmの電子線を入射させたときの回折パターン(ナノ
ビーム電子回折パターン)を図8(B)に示す。図8(B)より、リング状の領域内に複
数のスポットが観測される。したがって、nc−OSは、プローブ径が50nmの電子線
を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が1nmの電子線を入射させ
ることでは秩序性が確認される。

0099

また、厚さが10nm未満の領域に対し、プローブ径が1nmの電子線を入射させると、
図8(C)に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンが観測さ
れる場合がある。したがって、厚さが10nm未満の範囲において、nc−OSが秩序性
の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているため
規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。

0100

図8(D)に、被形成面と略平行な方向から観察したnc−OSの断面のCs補正高分解
能TEM像を示す。nc−OSは、高分解能TEM像において、補助線で示す箇所などの
ように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領
域と、を有する。nc−OSに含まれる結晶部は、1nm以上10nm以下の大きさであ
り、特に1nm以上3nm以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが10
nmより大きく100nm以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体(microc
rystalline oxide semiconductor)と呼ぶことがある。
nc−OSは、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合があ
る。なお、ナノ結晶は、CAAC−OSにおけるペレットと起源を同じくする可能性があ
る。そのため、以下ではnc−OSの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。

0101

このように、nc−OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に
1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OSは
、異なるペレット間結晶方位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。

0102

なお、ペレット(ナノ結晶)間で結晶方位が規則性を有さないことから、nc−OSを、
RANC(Random Aligned nanocrystals)を有する酸化物
半導体、またはNANC(Non−Aligned nanocrystals)を有す
る酸化物半導体と呼ぶこともできる。

0103

nc−OSは、非晶質酸化物半導体よりも規則性の高い酸化物半導体である。そのため、
nc−OSは、a−like OSや非晶質酸化物半導体よりも欠陥準位密度が低くなる
。ただし、nc−OSは、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため
、nc−OSは、CAAC−OSと比べて欠陥準位密度が高くなる。

0104

<a−like OS>
a−like OSは、nc−OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半
導体である。

0105

図9に、a−like OSの高分解能断面TEM像を示す。ここで、図9(A)は電子
照射開始時におけるa−like OSの高分解能断面TEM像である。図9(B)は4
.3×108e−/nm2の電子(e−)照射後におけるa−like OSの高分解能
断面TEM像である。図9(A)および図9(B)より、a−like OSは電子照射
開始時から、縦方向延伸する状の明領域が観察されることがわかる。また、明領域は
、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密度領域と推
測される。

0106

鬆を有するため、a−like OSは、不安定な構造である。以下では、a−like
OSが、CAAC−OSおよびnc−OSと比べて不安定な構造であることを示すため
、電子照射による構造の変化を示す。

0107

試料として、a−like OS、nc−OSおよびCAAC−OSを準備する。いずれ
の試料もIn−Ga−Zn酸化物である。

0108

まず、各試料の高分解能断面TEM像を取得する。高分解能断面TEM像により、各試料
は、いずれも結晶部を有する。

0109

なお、InGaZnO4の結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−
O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている
。これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同
程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。したがって、以
下では、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所を、InGaZn
O4の結晶部と見なした。なお、格子縞は、InGaZnO4の結晶のa−b面に対応す
る。

0110

図10は、各試料の結晶部(22箇所から30箇所)の平均の大きさを調査した例である
。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図10より、a−like
OSは、TEM像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなってい
くことがわかる。図10より、TEMによる観察初期においては1.2nm程度の大きさ
だった結晶部(初期核ともいう。)が、電子(e−)の累積照射量が4.2×108e−
/nm2においては1.9nm程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、nc
−OSおよびCAAC−OSは、電子照射開始時から電子の累積照射量が4.2×108
e−/nm2までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図10
り、電子の累積照射量によらず、nc−OSおよびCAAC−OSの結晶部の大きさは、
それぞれ1.3nm程度および1.8nm程度であることがわかる。なお、電子線照射
よびTEMの観察は、日立透過電子顕微鏡H−9000NARを用いた。電子線照射条件
は、加速電圧を300kV、電流密度を6.7×105e−/(nm2・s)、照射領域
の直径を230nmとした。

0111

このように、a−like OSは、電子照射によって結晶部の成長が見られる場合があ
る。一方、nc−OSおよびCAAC−OSは、電子照射による結晶部の成長がほとんど
見られない。即ち、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べて、
不安定な構造であることがわかる。

0112

また、鬆を有するため、a−like OSは、nc−OSおよびCAAC−OSと比べ
密度の低い構造である。具体的には、a−like OSの密度は、同じ組成の単結晶
酸化物半導体の密度の78.6%以上92.3%未満である。また、nc−OSの密度お
よびCAAC−OSの密度は、同じ組成の単結晶酸化物半導体の密度の92.3%以上1
00%未満である。単結晶酸化物半導体の密度の78%未満である酸化物半導体は、成膜
すること自体が困難である。

0113

例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、菱
面体晶構造を有する単結晶InGaZnO4の密度は6.357g/cm3である。よっ
て、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において
、a−like OSの密度は5.0g/cm3以上5.9g/cm3未満である。また
、例えば、In:Ga:Zn=1:1:1[原子数比]を満たす酸化物半導体において、
nc−OSの密度およびCAAC−OSの密度は5.9g/cm3以上6.3g/cm3
未満である。

0114

なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わ
せることにより、所望の組成における単結晶に相当する密度を見積もることができる。所
望の組成の単結晶に相当する密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、
加重平均を用いて見積もればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組
み合わせて見積もることが好ましい。

0115

以上のように、酸化物半導体は、様々な構造をとり、それぞれが様々な特性を有する。な
お、酸化物半導体は、例えば、非晶質酸化物半導体、a−like OS、nc−OS、
CAAC−OSのうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

0116

絶縁体406a、半導体406b、絶縁体406cなどに適用可能な酸化物について説明
する。

0117

半導体406bは、例えば、インジウムを含む酸化物半導体である。半導体406bは、
例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、半導体
406bは、元素Mを含むと好ましい。元素Mは、好ましくは、アルミニウム、ガリウム
またはスズなどとする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン
、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、イットリウム、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。元素Mは、例え
ば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。例えば、酸素との結合エネルギーがイン
ジウムよりも高い元素である。または、元素Mは、例えば、酸化物半導体のエネルギー
ャップを大きくする機能を有する元素である。また、半導体406bは、亜鉛を含むと好
ましい。酸化物半導体は、亜鉛を含むと結晶化しやすくなる場合がある。

0118

ただし、半導体406bは、インジウムを含む酸化物半導体に限定されない。半導体40
6bは、例えば、亜鉛スズ酸化物、ガリウムスズ酸化物、酸化ガリウムなどの、インジウ
ムを含まず、亜鉛を含む酸化物半導体、ガリウムを含む酸化物半導体、スズを含む酸化物
半導体などであっても構わない。

0119

半導体406bは、例えば、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。半導体406
bのエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.8
eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。

0120

例えば、絶縁体406aおよび絶縁体406cは、半導体406bを構成する酸素以外の
元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物である。半導体406bを構成する
酸素以外の元素一種以上、または二種以上から絶縁体406aおよび絶縁体406cが構
成されるため、絶縁体406aと半導体406bとの界面、および半導体406bと絶縁
体406cとの界面において、界面準位が形成されにくい。

0121

絶縁体406a、半導体406bおよび絶縁体406cが、インジウムを含む場合につい
て説明する。なお、絶縁体406aがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を
100atomic%としたとき、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50
atomic%より高く、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75a
tomic%より高くする。また、半導体406bがIn−M−Zn酸化物のとき、In
およびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが25atomic%
より高く、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%よ
り高く、Mが66atomic%未満とする。また、絶縁体406cがIn−M−Zn酸
化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたとき、好ましくはInが5
0atomic%未満、Mが50atomic%より高く、さらに好ましくはInが25
atomic%未満、Mが75atomic%より高くする。なお、絶縁体406cは、
絶縁体406aと同種の酸化物を用いても構わない。

0122

半導体406bは、絶縁体406aおよび絶縁体406cよりも電子親和力の大きい酸化
物を用いる。例えば、半導体406bとして、絶縁体406aおよび絶縁体406cより
も電子親和力の0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV
以下、さらに好ましくは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお、
電子親和力は、真空準位伝導帯下端のエネルギーとの差である。

0123

なお、インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する
。そのため、絶縁体406cがインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原
子割合[Ga/(In+Ga)]は、例えば、70%以上、好ましくは80%以上、さら
に好ましくは90%以上とする。

0124

ただし、絶縁体406aまたは/および絶縁体406cが、酸化ガリウムであっても構わ
ない。例えば、絶縁体406cとして、酸化ガリウムを用いると導電体416a1または
導電体416a2と導電体404との間に生じるリーク電流を低減することができる。即
ち、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。

0125

このとき、ゲート電圧を印加すると、絶縁体406a、半導体406b、絶縁体406c
のうち、電子親和力の大きい半導体406bにチャネルが形成される。

0126

ここで、絶縁体406aと半導体406bとの間には、絶縁体406aと半導体406b
との混合領域を有する場合がある。また、半導体406bと絶縁体406cとの間には、
半導体406bと絶縁体406cとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準
位密度が低くなる。そのため、絶縁体406a、半導体406bおよび絶縁体406cの
積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する(連続接合とも
いう。)バンド図となる。

0127

このとき、電子は、絶縁体406a中および絶縁体406c中ではなく、半導体406b
中を主として移動する。したがって、絶縁体406aおよび半導体406bの界面におけ
界面準位密度、半導体406bと絶縁体406cとの界面における界面準位密度を低く
することによって、半導体406b中で電子の移動が阻害されることが少なく、トランジ
スタのオン電流を高くすることができる。

0128

なお、トランジスタがs−channel構造を有する場合、半導体406bの全体にチ
ャネルが形成される。したがって、半導体406bが厚いほどチャネル形成領域は大きく
なる。即ち、半導体406bが厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができ
る。例えば、10nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは40nm以上、
より好ましくは60nm以上、より好ましくは100nm以上の厚さの領域を有する半導
体406bとすればよい。ただし、トランジスタを有する半導体装置の生産性が低下する
場合があるため、例えば、300nm以下、好ましくは200nm以下、さらに好ましく
は150nm以下の厚さの領域を有する半導体406bとすればよい。なお、チャネル形
成領域が縮小していくと、半導体406bが薄いほうがトランジスタの電気特性が向上す
る場合もある。よって、半導体406bの厚さが10nm未満であってもよい。

0129

また、トランジスタのオン電流を高くするためには、絶縁体406cの厚さは小さいほど
好ましい。例えば、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm以下
の領域を有する絶縁体406cとすればよい。一方、絶縁体406cは、チャネルの形成
される半導体406bへ、隣接する絶縁体を構成する酸素以外の元素(水素、シリコンな
ど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、絶縁体406cは、ある
程度の厚さを有することが好ましい。例えば、0.3nm以上、好ましくは1nm以上、
さらに好ましくは2nm以上の厚さの領域を有する絶縁体406cとすればよい。また、
絶縁体406cは、絶縁体402などから放出される酸素の外方拡散を抑制するために、
酸素をブロックする性質を有すると好ましい。

0130

また、信頼性を高くするためには、絶縁体406aは厚く、絶縁体406cは薄いことが
好ましい。例えば、10nm以上、好ましくは20nm以上、さらに好ましくは40nm
以上、より好ましくは60nm以上の厚さの領域を有する絶縁体406aとすればよい。
絶縁体406aの厚さを、厚くすることで、隣接する絶縁体と絶縁体406aとの界面か
らチャネルの形成される半導体406bまでの距離を離すことができる。ただし、トラン
ジスタを有する半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、200nm以下
、好ましくは120nm以下、さらに好ましくは80nm以下の厚さの領域を有する絶縁
体406aとすればよい。

0131

例えば、酸化物半導体中のシリコンは、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合が
ある。したがって、半導体406bのシリコン濃度は低いほど好ましい。例えば、半導体
406bと絶縁体406aとの間に、例えば、二次イオン質量分析法SIMS:Sec
ondary Ion Mass Spectrometry)において、1×1019
atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ま
しくは2×1018atoms/cm3未満のシリコン濃度となる領域を有する。また、
半導体406bと絶縁体406cとの間に、SIMSにおいて、1×1019atoms
/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは2×
1018atoms/cm3未満のシリコン濃度となる領域を有する。

0132

また、半導体406bの水素濃度を低減するために、絶縁体406aおよび絶縁体406
cの水素濃度を低減すると好ましい。絶縁体406aおよび絶縁体406cは、SIMS
において、2×1020atoms/cm3以下、好ましくは5×1019atoms/
cm3以下、より好ましくは1×1019atoms/cm3以下、さらに好ましくは5
×1018atoms/cm3以下の水素濃度となる領域を有する。また、半導体406
bの窒素濃度を低減するために、絶縁体406aおよび絶縁体406cの窒素濃度を低減
すると好ましい。絶縁体406aおよび絶縁体406cは、SIMSにおいて、5×10
19atoms/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5×1017atom
s/cm3以下の窒素濃度となる領域を有する。

0133

なお、酸化物半導体に銅が混入すると、電子トラップを生成する場合がある。電子トラッ
プは、トランジスタのしきい値電圧をプラス方向へ変動させる場合がある。したがって、
半導体406bの表面または内部における銅濃度は低いほど好ましい。例えば、半導体4
06bは、銅濃度が1×1019atoms/cm3以下、5×1018atoms/c
m3以下、または1×1018atoms/cm3以下となる領域を有すると好ましい。

0134

上述の3層構造は一例である。例えば、絶縁体406aまたは絶縁体406cのない2層
構造としても構わない。または、絶縁体406aの上もしくは下、または絶縁体406c
上もしくは下に、絶縁体406a、半導体406bおよび絶縁体406cとして例示した
絶縁体または半導体のいずれか一を有する4層構造としても構わない。または、絶縁体4
06aの上、絶縁体406aの下、絶縁体406cの上、絶縁体406cの下のいずれか
二箇所以上に、絶縁体406a、半導体406bおよび絶縁体406cとして例示した絶
縁体または半導体のいずれか一を有するn層構造(nは5以上の整数)としても構わない

0135

基板400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単体半導体基板、または炭化シリ
コン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウムリン化インジウム酸化亜鉛、酸化ガリウ
ム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。

0136

また、基板400として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトラン
ジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トラン
ジスタを剥離し、可とう性基板である基板400に転置する方法もある。その場合には、
非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板400として
、繊維を編みこんだシートフィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基板400が
伸縮性を有してもよい。また、基板400は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形
状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板4
00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400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4
00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400上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、
な半導体装置を提供することができる。

0137

可とう性基板である基板400としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、ま
たはそれらの繊維などを用いることができる。可とう性基板である基板400は、線膨張
率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板400とし
ては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×1
0−5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリ
オレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、
アクリルなどがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板
400として好適である。

0138

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み
合わせて実施することができる。

0139

(実施の形態3)
<トランジスタの作製方法>
以下では、本発明の一態様に係る図1のトランジスタの作製方法を図11から図26を用
いて説明する。

0140

まず、基板400を準備する。

0141

次に、絶縁体401を成膜する。絶縁体401の成膜は、スパッタリング法化学気相
長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、分子線エピ
キシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、パルスレーザ
積(PLD:Pulsed Laser Deposition)法または原子層堆積
ALD:Atomic Layer Deposition)法などを用いて行うことが
できる。

0142

なお、CVD法は、プラズマを利用するプラズマCVD(PECVD:Plasma E
nhanced CVD)法、熱を利用する熱CVD(TCVD:Thermal CV
D)法、光を利用する光CVD(Photo CVD)法などに分類できる。さらに用い
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。

0143

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
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。

0144

また、ALD法も、被処理物へのプラズマダメージを小さくすることが可能な成膜方法で
ある。また、ALD法も、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が
得られる。

0145

CVD法およびALD法は、ターゲットなどから放出される粒子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
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。

0146

CVD法およびALD法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御するこ
とができる。例えば、CVD法およびALD法では、原料ガスの流量比によって、任意の
組成の膜を成膜することができる。また、例えば、CVD法およびALD法では、成膜し
ながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜す
ることができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用い
て成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くす
ることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。

0147

次に絶縁体401上に絶縁体301となる絶縁体を成膜する。絶縁体301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。

0148

次に、絶縁体301となる絶縁体に絶縁体401に達する溝を形成し、絶縁体301を形
成する。溝とは、例えば、穴や開口部なども含まれる。溝の形成はウエットエッチング
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
401は、絶縁体301となる絶縁体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3
01となる絶縁体に酸化シリコン膜を用いた場合は、絶縁体401は窒化シリコン膜、酸
アルミニウム膜酸化ハフニウム膜を用いるとよい。

0149

溝の形成後に、導電体310となる導電体を成膜する。導電体310となる導電体は、酸
素を透過し難い機能を有する導電体を含むことが望ましい。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310となる導電体の成膜は、スパッタリング法、CVD法、MB
E法、PLD法またはALD法などを用いて行うことができる。

0150

次に、化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing
:CMP)を行うことで、絶縁体301上の導電体310となる導電体を除去する。その
結果、溝部のみに、導電体310となる導電体が残存することで上面が平坦配線層であ
る導電体310を形成することができる。

0151

または、絶縁体301上に導電体310となる導電体を成膜し、リソグラフィー法などに
よって加工し、導電体310を形成してもよい。

0152

次に、絶縁体301上、導電体310上に絶縁体302を成膜する。絶縁体302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302上に絶縁体303を成膜する。絶縁体303は好ましくは、
水素などの不純物および酸素を透過しにくい機能を有することが望ましい。例えば、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。絶縁体303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。

0153

次に、絶縁体303上に絶縁体402を成膜する。絶縁体402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402に酸素を添加する処理を行っても構わない。酸素を添加する処理として
は、例えば、イオン注入法プラズマ処理法などがある。なお、絶縁体402に添加され
た酸素は過剰酸素となる。

0154

次に、絶縁体402上に絶縁体306aを成膜する。絶縁体306a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

0155

次に、絶縁体306aに酸素を添加する処理を行っても構わない。酸素を添加する処理と
しては、例えば、イオン注入法、プラズマ処理法などがある。なお、絶縁体306aに添
加された酸素は、過剰酸素となる。次に絶縁体306a上に半導体306bを成膜する。
半導体306bの成膜は、スパッタリング法、CVD法、MBE法、PLD法またはAL
D法などを用いて行うことができる。

0156

次に、第1の加熱処理を行ってもよい。第1の加熱処理は、250℃以上650℃以下、
好ましくは450℃以上600℃以下、さらに好ましくは520℃以上570℃以下で行
えばよい。第1の加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを10ppm以上、
1%以上もしくは10%以上含む雰囲気で行う。第1の加熱処理は減圧状態で行ってもよ
い。または、第1の加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を
補うために酸化性ガスを10ppm以上、1%以上または10%以上含む雰囲気で加熱処
理を行ってもよい。第1の加熱処理によって、半導体の結晶性を高めることや、水素や水
などの不純物を除去することなどができる。または、第1の加熱処理は、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)を印加するプラズマ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半
導体306b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、第1の加熱処理は行わなくてもよい。

0157

次に、半導体306b上に導電体405を成膜する。導電体405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11(A)、(B)または(C)参照。)。

0158

次に、導電体405上にリソグラフィー法などを用いてレジストマスクを形成する。なお
、リソグラフィー法では、まず、フォトマスクを介してレジスト露光する。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
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
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、フォト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、またはウエットエッチング処理を行う、または
ドライエッチング処理後にウエットエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処
理後にドライエッチング処理を行うことができる。

0159

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 Couple
d Plasma)エッチング装置などを用いることができる。

0160

次に、レジストマスクをエッチングマスクとして導電体405の一部をエッチングして導
電体415を形成する。ここでレジストマスクと導電体405の間に有機塗布膜を形成し
てもよい。有機塗布膜を形成することにより、レジストマスクと導電体405との密着性
が向上する場合がある。次にレジストマスクおよび導電体415をエッチングマスクとし
て半導体306bの一部および絶縁体306aの一部をエッチングし、半導体406bお
よび絶縁体406aを形成する。このエッチングは、半導体406bおよび絶縁体406
aがテーパー形状を有するように加工することが好ましい。テーパー形状を有するとは、
絶縁体406aの側面が、絶縁体406aの底面と平行な面に対して、角度90度未満を
有することであり、半導体406bの側面が、半導体406bの底面と平行な面に対して
、角度90度未満を有することである。これらの角度をテーパー角度と呼ぶことができる
。テーパー角度は、好ましくは20度以上80度以下、さらに好ましくは30度以上60
度以下とする。本エッチングによって、レジストマスクが消失することがある。

0161

半導体306bの一部および絶縁体306aの一部のエッチングは、ウエットエッチング
法を用いることができるが、ドライエッチング法を用いてもよい。ドライエッチング法を
用いることで、より微細な加工が可能となる。ドライエッチングに用いるガスとして、C
H4ガス、Cl2ガスまたはBCl3ガスなどを単独または2以上のガスを混合して用い
ることができる。または、上記ガスに酸素ガスヘリウムガスアルゴンガスまたは水素
ガスなどを適宜添加することができる。ドライエッチング装置は上述のドライエッチング
装置を使用することができるが、高密度プラズマ源を有するドライエッチング装置または
、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接続する構成のドライエッチ
グ装置の使用が好ましい。

0162

以上のように、半導体306bの一部および絶縁体306aの一部のエッチングは、レジ
ストマスクおよび導電体415をエッチングマスクとした一例を示したが、レジストマス
ク単独または、レジストマスクおよび有機塗布膜をエッチングマスクとしてもよい。(図
12(A)、(B)または(C)参照。)。

0163

以上により、絶縁体406a、半導体406bおよび導電体415を有する多層膜を形成
する。この際、絶縁体402もエッチングされ、一部の領域が薄くなる場合がある。即ち
、絶縁体402は、多層膜と接する領域に凸部を有する形状となる場合がある。次に、ド
ライエッチング法などを用いて、エッチングマスクとして使用した導電体415をエッチ
ングする(図13(A)、(B)または(C)参照。)。

0164

次に、絶縁体306cを成膜する。絶縁体306c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14(A)、
(B)または(C)参照。)。

0165

次に、酸素を含むプラズマ処理を行う。または酸素を含むプラズマ処理および加熱処理を
同時に行ってもよい。酸素を含むプラズマ処理および加熱処理によって、半導体の結晶性
を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。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
するプラズマ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体306cに過剰酸素として添加することができ、熱
処理を行うことにより絶縁体306c中の過剰酸素を半導体406b内に導くことができ
る。酸素ラジカル435を、図15(A)中および(B)中に記す。矢印は酸素ラジカル
435の移動方向の一例を表すが、この矢印の方向に限らない。また、半導体406bが
テーパー形状を有するので、絶縁体306c中の過剰酸素を効率よく半導体406b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。加熱処理は、25
0℃以上650℃以下、好ましくは350℃以上600℃以下、さらに好ましくは400
℃以上570℃以下で行えばよい(図15(A)、(B)または(C)参照。)。

0166

次に、絶縁体306c上に、導電体416となる導電体を成膜する。導電体416となる
導電体の成膜は、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。次にリソグラフィー法などを用いて、導電体416および絶
縁体406cを形成する。

0167

絶縁体406cおよび導電体416は、絶縁体406aおよび半導体406bを包み込む
ように形成する。また、絶縁体406aおよび半導体406bがテーパー形状を有するの
で、絶縁体406cおよび導電体416の被覆性が良好となるために、上述の半導体40
6bに導いた過剰酸素は、絶縁体406cおよび導電体416によってブロックされ外方
拡散しにくくなるので好ましい。

0168

絶縁体406cおよび導電体416を一回のリソグラフィーによって形成する一例を示し
たが、絶縁体406cおよび導電体416をそれぞれのリソグラフィーによって形成して
もよい(図16(A)、(B)または(C)参照。)。

0169

次に、絶縁体407を成膜する。絶縁体407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。または、スピンコー
ト法、ディップ法液滴吐出法インクジェット法など)、印刷法スクリーン印刷、オ
フセット印刷など)、ドクターナイフ法、ロールコーター法またはカーテンコーター法な
どを用いて行うことができる。

0170

絶縁体407は、上面が平坦性を有するように形成してもよい。例えば、絶縁体407は
成膜直後に上面が平坦性を有していてもよい。または、例えば、絶縁体407は、成膜
後に基板裏面などの基準面と平行になるよう絶縁体407を上面から除去していくことで
平坦性を有してもよい。このような処理を、平坦化処理と呼ぶ。平坦化処理としては、C
P処理、ドライエッチング処理などがある。ただし、絶縁体407の上面が平坦性を有
さなくても構わない。

0171

次に、絶縁体407上に導電体409を成膜する。導電体409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、導電体409上に絶縁体411を成膜する。絶縁体411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1
7(A)、(B)または(C)参照。)。

0172

次に、絶縁体411上に有機塗布膜421を成膜する。次に有機塗布膜421上にリソ
ラフィー法などを用いてレジストマスク420を形成する。有機塗布膜421を絶縁体4
11とレジストマスク420の間に形成することで、絶縁体411とレジストマスク42
0との密着性が向上することがある。なお、有機塗布膜421の成膜は省略することがで
きる(図18(A)、(B)または(C)参照。)。

0173

次に、レジストマスク420をマスクとして、有機塗布膜421をドライエッチング法な
どによってエッチングし、有機塗布膜422を形成する第1の加工を行う。第1の加工に
使用するガスは、例えばC4F6ガス、C2F6ガス、CF4ガス、SF6ガスまたはC
HF3ガスなどを用いることができる。

0174

次に、絶縁体411をドライエッチング法によって導電体409の上面が露出するまでエ
ッチングし、絶縁体419を形成する第2の加工を行う。第2の加工に用いるガスは、例
えば、C4F6ガス、C2F6ガス、C4F8ガス、CF4ガス、SF6ガスまたはCH
F3ガスなどを単独または2以上のガスを混合して用いることができる。または、上記ガ
スに酸素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスまたは水素ガスなどを適宜添加することがで
きる。第1の加工および第2の加工に使用するドライエッチング装置は上述のドライエッ
チング装置を使用することができるが、平行平板型電極それぞれに周波数の異なる高周波
電源を接続する構成のドライエッチング装置の使用が好ましい(図19(A)、(B)ま
たは(C)参照。)。

0175

次に、導電体409をドライエッチング法によって絶縁体407の上面が露出するまでエ
ッチングし、導電体417を形成する第3の加工を行う。第3の加工のドライエッチング
に使用するガスは、例えば、C4F6ガス、C2F6ガス、C4F8ガス、CF4ガス、
SF6ガス、CHF3ガス、Cl2ガス、BCl3ガスまたはSiCl4ガスなどを単独
ガスまたは2以上のガスを混合して用いることができる。または、上記ガスに酸素ガス、
ヘリウムガス、アルゴンガスまたは水素ガスなどを適宜添加することができる。この時、
レジストマスク420もエッチングして消失させる。ドライエッチング装置は上述の第1
の加工および第2の加工に使用したドライエッチング装置を用いることができる。以上に
より導電体417および絶縁体419を有するハードマスクを形成する(図20(A)、
(B)または(C)参照。)。

0176

なお、上記ハードマスクは、導電体417のみの1層としてもよい。この場合は、導電体
409上にリソグラフィー法などを用いてレジストマスク420を形成した後に上記第3
の加工を行えばよい。第3の加工によってレジストマスク420もエッチングして消失さ
せる。または、ハードマスク無しでレジストマスク420のみまたは有機塗布膜422お
よびレジストマスク420の2層マスクとすることもできる場合がある。

0177

次に、導電体417および絶縁体419を有するハードマスクをマスクとして、絶縁体4
07をドライエッチング法によって導電体416の上面が露出するまでおよび絶縁体40
2の上面が露出するまで開口部を形成し、絶縁体410を形成する第4の加工を行う。第
4の加工に使用するドライエッチングガスは、第2の加工と同様のガスを用いることがで
きる。また、ドライエッチング装置は、第1の加工、第2の加工および第3の加工と同様
のドライエッチング装置を用いることができる。

0178

第4の加工では、導電体417および絶縁体419を有するハードマスクの最表面は絶縁
体419となるので、絶縁体407と絶縁体419は同時にエッチングされる。絶縁体4
07と絶縁体419が同じ元素を含む絶縁体であれば、プラズマ中のエッチング種との反
応および反応生成物が場所によらず均一となり、場所の違いによるエッチングレートなど
のばらつきを小さく抑えることができるので、加工ばらつきを最小限とすることができる
。つまり精度の高い加工ができる。

0179

また、第4の加工では、導電体417のエッチングレートと絶縁体407のエッチングレ
ートとのエッチングレート比を大きくすることで、ハードマスクとしての導電体417の
エッチングを最小限にして変形を抑えることができるので、絶縁体407の加工精度を高
めることができる。導電体417のエッチングレートと絶縁体407のエッチングレート
とのエッチングレート比としては、導電体417のエッチングレートを1として絶縁体4
07のエッチングレートを5以上とする、好ましくは10以上とする。

0180

以上の作製方法にて加工した絶縁体410の開口部の側面は、基板400の底面に対して
垂直となることで、絶縁体410の開口部の幅である幅403wのばらつきが、絶縁体4
10の膜厚ばらつきの影響をほとんど受けることがなく好適である。

0181

また、絶縁体419の膜厚は、絶縁体407の膜厚と比較して、同じか薄いことが望まし
い。第4の加工中にハードマスクの最表面の絶縁体419がエッチングされ、消失するこ
とで、次の第5の加工では、ハードマスクの最表面は導電体417となる(図21(A)
、(B)または(C)参照。)。

0182

次に、導電体417をマスクとして、導電体416をドライエッチング法によって絶縁体
406cの上面が露出するまで第5の加工をすることで、導電体416a1と導電体41
6a2に分離する。第5の加工のドライエッチングに使用するガスは、第3の加工に使用
するガスを用いればよい。また、ドライエッチング装置は、第1の加工、第2の加工、第
3の加工および第4の加工と同様のドライエッチング装置を用いることができる。

0183

第5の加工では、導電体417がハードマスクの最表面となるので導電体417と導電体
416は同時にエッチングされる。導電体417と導電体416が同じ元素を含む導電体
であれば、プラズマ中のエッチング種との反応および反応生成物が場所によらず均一とな
り、場所の違いによるエッチングレートなどのばらつきを小さく抑えることができるので
、加工ばらつきを最小限とすることができる。つまり精度の高い加工ができる。導電体4
16a1と導電体416a2の開口部の側面が基板400の底面に対して垂直となること
で、導電体416a1と導電体416a2と、の間の距離である、チャネル長414wの
ばらつきが、小さくなり好適である。

0184

また、導電体417の膜厚は、導電体416の膜厚と比較して、同じか厚いことが望まし
い。導電体417の膜厚を導電体416の膜厚より厚くする事で、第5の加工中にハード
マスクとしての導電体417の変形を抑えることができるので、絶縁体410の開口部上
部の広がりなどの変形を抑えることができる場合がある。第5の加工によって導電体41
7はエッチングされ膜厚が薄くなり導電体423となる。

0185

本トランジスタのソース電極およびドレイン電極としての機能を有する導電体416a1
および導電体416a2の間の距離である、チャネル長414wのばらつきを小さくする
ことで、本トランジスタの動作ばらつきを小さくすることができて好ましい。

0186

次に、酸素ガスを用いたプラズマ処理を行ってもよい。第1の加工、第2の加工、第3の
加工、第4の加工および第5の加工を行うことにより、絶縁体406cの露出領域にエッ
チングガスの残留成分などの不純物が付着する場合がある。例えば、エッチングガスとし
て塩素を含むガスを用いると、塩素などが付着する場合がある。また、エッチングガスと
して炭化水素系ガスを用いると、炭素や水素などが付着する場合がある。第5の加工後に
基板を大気に晒すと絶縁体406cの露出領域などが腐食することがある。そのため第5
の加工後に連続して酸素ガスによるプラズマ処理を行うと上記不純物を除去することがで
きて絶縁体406cの露出領域などへの腐食を防ぐことができて好ましい。また、酸素ガ
スによるプラズマ処理によって絶縁体410の側面に付着した有機物などを除去すること
ができる。酸素ガスによるプラズマ処理は、第1の加工、第2の加工、第3の加工、第4
の加工および第5の加工と同様のドライエッチング装置を用いることができる。

0187

なお、不純物の低減は、例えば、希釈フッ化水素酸などを用いた洗浄処理またはオゾンな
どを用いた洗浄処理を行ってもよい。なお、複数の洗浄処理を組み合わせてもよい。

0188

上述のように絶縁体406aおよび半導体406bがテーパー形状を有するので、導電体
416a1および導電体416a2と絶縁体406c間の接触面積が大きくなることでコ
タクト抵抗値が低くなることにより良好なトランジスタ特性を得ることができて好まし
い。

0189

第1の加工、第2の加工、第3の加工、第4の加工、第5の加工および酸素ガスを用いた
プラズマ処理を同じドライエッチング装置を用いることで大気に晒されることなく、連続
的に行うことができるので大気成分の付着による汚染や、残留するエッチングガスと大気
成分との反応による絶縁体、半導体および導電体の腐食などを防ぐことができる。または
第1の加工、第2の加工、第3の加工、第4の加工、第5の加工および酸素ガスを用いた
プラズマ処理を連続的に行うことで生産性の向上が見込まれる。

0190

以上のような作製方法にて絶縁体410の加工、導電体416a1の加工および導電体4
16a2の加工を行うことによって、チャネル長のばらつきが小さくすることができ、高
い加工精度で加工する事ができる(図22(A)、(B)または(C)参照。)。

0191

次に、絶縁体413を成膜する。絶縁体413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413は、絶
縁体410、導電体416a1および導電体416a2によって形成される開口部の側面
および底面に均一な厚さで成膜する。したがって、ALD法を用いることが好ましい(図
23(A)、(B)または(C)参照。)。

0192

次に、導電体424を成膜する。導電体424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。導電体424は、絶
縁体410などによって形成される開口部を埋めるように成膜する。したがって、CVD
法(特にMCVD法)を用いることが好ましい。また、導電体424をMCVD法で成膜
する場合、絶縁体413と導電体424の密着性を高めるために、絶縁体413と導電体
424との間に、別の導電体をALD法などによって成膜することが好ましい。例えば、
ALD法によって窒化チタンを成膜し、続いてMCVD法によってタングステンを成膜す
ればよい(図24(A)、(B)または(C)参照。)。

0193

次に導電体424の上面から、導電体424、絶縁体413および導電体423をCMP
などによって絶縁体410の上面が露出するまで研磨および平坦化することにより導電体
404および絶縁体412を形成する。これにより、ゲート電極として機能を有する導電
体404は、リソグラフィー法を用いることなく自己整合的に形成できる。また、ゲート
電極として機能を有する導電体404とソース電極またはドレイン電極としての機能を有
する導電体416a1および導電体416a2との合わせ精度を考慮することなくゲート
電極として機能を有する導電体404を形成できるので半導体装置の面積を小さくするこ
とができる。また、リソグラフィー工程が不要となるので工程簡略化による生産性の向上
が見込まれる(図25(A)、(B)または(C)参照。)。

0194

次に、絶縁体410上、絶縁体412上および導電体404上に絶縁体425を成膜する
。絶縁体425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425上に絶縁体426を成膜する。絶縁
体426の成膜はスパッタリング法、CVD法、MBE法またはPLD法、ALD法など
を用いて行うことができる。次に絶縁体426上に絶縁体427を成膜する。絶縁体42
7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426は、酸素を有するプラズマを用いて酸化アルミニウム
を成膜することで、該プラズマ中の酸素を過剰酸素として、絶縁体425の上面に添加す
ることができる。

0195

絶縁体426の成膜より後のいずれかのタイミングにおいて、第2の加熱処理を行っても
構わない。第2の加熱処理を行うことで、絶縁体425に含まれる過剰酸素が絶縁体41
0、絶縁体402および絶縁体406aを通過して半導体406bまで移動する。また、
絶縁体425に含まれる過剰酸素が絶縁体410、絶縁体412および絶縁体406cを
通過して半導体406bまで移動する。このように2つの経路を通って過剰酸素が半導体
406bまで移動するため、半導体406bの欠陥(酸素欠損)を低減することができる

0196

なお、第2の加熱処理は、絶縁体425に含まれる過剰酸素(酸素)が半導体406bま
で拡散する温度で行えばよい。例えば、第1の加熱処理についての記載を参照しても構わ
ない。または、第2の加熱処理は、第1の加熱処理よりも低い温度が好ましい。第1の加
熱処理と第2の加熱処理の温度差は、20℃以上150℃以下、好ましくは40℃以上1
00℃以下とする。これにより、絶縁体402から余分に過剰酸素(酸素)が放出するこ
とを抑えることができる。なお、第2の加熱処理は、同等の加熱処理を各層の成膜時の加
熱によって兼ねることができる場合、行わなくてもよい場合がある(図26(A)、(B
)または(C)参照。)。

0197

次に絶縁体427、絶縁体426、絶縁体425および絶縁体410を通り、導電体41
6a1および導電体416a2に達する開口部と、絶縁体427、絶縁体426および絶
縁体425を通り導電体404に達する開口部と、を形成し、絶縁体428、絶縁体40
8および絶縁体418を形成する。それぞれの開口部に導電体431、導電体429およ
び導電体437を埋め込む。

0198

次に、絶縁体428上、導電体431上、導電体429上および導電体437上に導電体
を成膜し、リソグラフィー法などにより加工することで、導電体432、導電体430お
よび導電体438を形成する。以上により、図1に示すトランジスタを作製することがで
きる(図1(A)、(B)または(C)参照。)。

0199

(実施の形態4)
<記憶装置1>
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない状況でも記憶内容の保
持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図27
に示す。

0200

図27(A)に示す半導体装置は、第1の半導体を用いたトランジスタ3200と第2の
半導体を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している。なお、ト
ランジスタ3300としては、上述したトランジスタを用いることができる。

0201

トランジスタ3300は、オフ電流の小さいトランジスタが好ましい。トランジスタ33
00は、例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタを用いることができる。トランジス
タ3300のオフ電流が小さいことにより、半導体装置の特定のノードに長期にわたり記
憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、または
リフレッシュ動作の頻度が極めて少なくすることが可能となるため、消費電力の低い半導
体装置となる。

0202

図27(A)において、第1の配線3001はトランジスタ3200のソースと電気的に
接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレインと電気的に接続される
。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース、ドレインの一方と電気的
に接続され、第4の配線3004はトランジスタ3300のゲートと電気的に接続されて
いる。そして、トランジスタ3200のゲート、およびトランジスタ3300のソース、
ドレインの他方は、容量素子3400の一方の電極と電気的に接続され、第5の配線30
05は容量素子3400の他方の電極と電気的に接続されている。

0203

図27(A)に示す半導体装置は、トランジスタ3200のゲートの電位が保持可能とい
う特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能であ
る。

0204

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トラ
ンジスタ3300が導通状態となる電位にして、トランジスタ3300を導通状態とする
。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート、および容
量素子3400の一方の電極と電気的に接続するノードFGに与えられる。即ち、トラン
ジスタ3200のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる
二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という。)
のどちらかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジス
タ3300が非導通状態となる電位にして、トランジスタ3300を非導通状態とするこ
とにより、ノードFGに電荷が保持される(保持)。

0205

トランジスタ3300のオフ電流が小さいため、ノードFGの電荷は長期間にわたって保
持される。

0206

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与
えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、第2の配線
3002は、ノードFGに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ
3200をnチャネル型とすると、トランジスタ3200のゲートにHighレベル電荷
が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Hは、トランジスタ3200の
ゲートにLowレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Vth_Lよ
り低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ3200を
「導通状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがっ
て、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位V0とすることによ
り、ノードFGに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードFG
にHighレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(>
Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「導通状態」となる。一方、ノードFG
にLowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV0(<V
th_L)となっても、トランジスタ3200は「非導通状態」のままである。このため
、第2の配線3002の電位を判別することで、ノードFGに保持されている情報を読み
出すことができる。

0207

なお、メモリセルアレイ状に配置する場合、読み出し時には、所望のメモリセルの情報
を読み出さなくてはならない。例えば、情報を読み出さないメモリセルにおいては、ノー
ドFGに与えられた電位によらずトランジスタ3200が「非導通状態」となるような電
位、つまり、Vth_Hより低い電位を第5の配線3005に与えることで所望のメモリ
セルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。または、情報を読み出さないメモリセル
においては、ノードFGに与えられた電位によらずトランジスタ3200が「導通状態」
となるような電位、つまり、Vth_Lより高い電位を第5の配線3005に与えること
で所望のメモリセルの情報のみを読み出せる構成とすればよい。

0208

<半導体装置の構造1>
図28は、図27(A)に対応する半導体装置の断面図である。図28に示す半導体装置
は、トランジスタ3200と、トランジスタ3300と、容量素子3400と、を有する
。また、トランジスタ3300および容量素子3400は、トランジスタ3200の上方
に配置する。なお、トランジスタ3300としては、図1に示したトランジスタを用いた
例を示しているが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されるものではない
。よって適宜上述したトランジスタについての記載を参酌する。

0209

また、図28に示すトランジスタ3200は、半導体基板450を用いたトランジスタで
ある。トランジスタ3200は、半導体基板450中の領域474aと、半導体基板45
0中の領域474bと、絶縁体462と、導電体454と、を有する。

0210

トランジスタ3200において、領域474aおよび領域474bは、ソース領域および
ドレイン領域としての機能を有する。また、絶縁体462は、ゲート絶縁体としての機能
を有する。また、導電体454は、ゲート電極としての機能を有する。したがって、導電
体454に印加する電位によって、チャネル形成領域の抵抗を制御することができる。即
ち、導電体454に印加する電位によって、領域474aと領域474bとの間の導通・
非導通を制御することができる。

0211

半導体基板450としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、ま
たは炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛
、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などを用いればよい。好ましくは、半導体基板
450として単結晶シリコン基板を用いる。

0212

半導体基板450は、n型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いる。ただ
し、半導体基板450として、p型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用い
ても構わない。その場合、トランジスタ3200となる領域には、n型の導電型を付与す
る不純物を有するウェルを配置すればよい。または、半導体基板450がi型であっても
構わない。

0213

半導体基板450の上面は、(110)面を有することが好ましい。こうすることで、ト
ランジスタ3200のオン特性を向上させることができる。

0214

領域474aおよび領域474bは、p型の導電型を付与する不純物を有する領域である
。このようにして、トランジスタ3200はpチャネル型トランジスタを構成する。

0215

トランジスタ3200がpチャネル型トランジスタである場合について説明したが、トラ
ンジスタ3200がnチャネル型トランジスタであっても構わない。

0216

なお、トランジスタ3200は、領域460などによって隣接するトランジスタと分離さ
れる。領域460は、絶縁性を有する領域である。

0217

図28に示す半導体装置は、絶縁体464と、絶縁体466と、絶縁体468と、絶縁体
470と、絶縁体472と、絶縁体475と、絶縁体402と、絶縁体410と、絶縁体
408と、絶縁体428と、絶縁体465と、絶縁体467と、絶縁体469と、絶縁体
498と、導電体480aと、導電体480bと、導電体480cと、導電体478aと
、導電体478bと、導電体478cと、導電体476aと、導電体476bと、導電体
476cと、導電体479aと、導電体479bと、導電体479cと、導電体477a
と、導電体477bと、導電体477cと、導電体484aと、導電体484bと、導電
体484cと、導電体484dと、導電体483aと、導電体483bと、導電体483
cと、導電体483dと、導電体483eと、導電体483fと、導電体485aと、導
電体485bと、導電体485cと、導電体485dと、導電体487aと、導電体48
7bと、導電体487cと、導電体488aと、導電体488bと、導電体488cと、
導電体490aと、導電体490bと、導電体489aと、導電体489bと、導電体4
91aと、導電体491bと、導電体491cと、導電体492aと、導電体492bと
、導電体492cと、導電体494と、導電体496と、絶縁体406a、半導体406
b、絶縁体406cと、を有する。

0218

絶縁体464は、トランジスタ3200上に配置する。また、絶縁体466は、絶縁体4
64上に配置する。また、絶縁体468は、絶縁体466上に配置する。また、絶縁体4
70は、絶縁体468上に配置する。また、絶縁体472は、絶縁体470上に配置する
。また、絶縁体475は、絶縁体472上に配置する。また、トランジスタ3300は、
絶縁体475上に配置する。また、絶縁体408は、トランジスタ3300上に配置する
。また、絶縁体428は、絶縁体408上に配置する。また、絶縁体465は、絶縁体4
28上に配置される。また、容量素子3400は、絶縁体465上に配置される。また、
絶縁体469は、容量素子3400上に配置される。

0219

絶縁体464は、領域474aに達する開口部と、領域474bに達する開口部と、導電
体454に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体480a、導
電体480bまたは導電体480cが埋め込まれている。

0220

また、絶縁体466は、導電体480aに達する開口部と、導電体480bに達する開口
部と、導電体480cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体
478a、導電体478bまたは導電体478cが埋め込まれている。

0221

また、絶縁体468は、導電体478aに達する開口部と、導電体478bに達する開口
部と、導電体478cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体
476a、導電体476bまたは導電体476cが埋め込まれている。

0222

また、絶縁体468上に、導電体476aと接する導電体479aと、導電体476bと
接する導電体479bと、導電体476cと接する導電体479cと、を有する。また、
絶縁体472は、絶縁体470を通って導電体479aに達する開口部と、絶縁体470
を通って導電体479bに達する開口部と、絶縁体470を通って導電体479cに達す
る開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体477a、477bまたは4
77cが埋め込まれている。

0223

また、絶縁体475は、トランジスタ3300のチャネル形成領域と重なる開口部と、導
電体477aに達する開口部と、導電体477bに達する開口部と、導電体477cに達
する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体484d、導電体484a
、導電体484bまたは導電体484cが埋め込まれている。

0224

また、導電体484dは、トランジスタ3300のボトムゲート電極としての機能を有し
ても構わない。または、例えば、導電体484dに一定の電位を印加することで、トラン
ジスタ3300のしきい値電圧などの電気特性を制御しても構わない。または、例えば、
導電体484dとトランジスタ3300のトップゲート電極とを電気的に接続しても構わ
ない。こうすることで、トランジスタ3300のオン電流を大きくすることができる。ま
た、パンチスルー現象を抑制することができるため、トランジスタ3300の飽和領域に
おける電気特性を安定にすることができる。

0225

また、絶縁体402は、導電体484aに達する開口部と、導電体484cに達する開口
部と、導電体484bに達する開口部と、を有する。

0226

また、絶縁体428は、絶縁体408、絶縁体410および絶縁体402を通って導電体
484a、導電体484b、および導電体484cに達する3つの開口部と、絶縁体40
8および絶縁体410を通ってトランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の
一方の導電体に達する2つの開口部と、絶縁体408を通ってトランジスタ3300のゲ
ート電極の導電体に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体48
3a、導電体483b、導電体483c、導電体483e、導電体483fまたは導電体
483dが埋め込まれている。

0227

また、絶縁体428上に、導電体483aおよび483eと接する導電体485aと、導
電体483bと接する導電体485bと、導電体483cおよび導電体483fと接する
導電体485cと、導電体483dと接する導電体485dと、を有する。また、絶縁体
465は、導電体485aに達する開口部と、導電体485bに達する開口部と、導電体
485cに達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体487a、導
電体487bまたは導電体487cが埋め込まれている。

0228

また絶縁体465上に、導電体487aと接する導電体488aと、導電体487bと接
する導電体488bと、導電体487cと接する導電体488cと、を有する。また、絶
縁体467は、導電体488aに達する開口部と、導電体488bに達する開口部と、を
有する。また、開口部には、それぞれ導電体490aまたは導電体490bが埋め込まれ
ている。また、導電体488cは容量素子3400の一方の電極の導電体494と接して
いる。

0229

また、絶縁体467上に、導電体490aと接する導電体489aと、導電体490bと
接する導電体489bと、を有する。また、絶縁体469は、導電体489aに達する開
口部と、導電体489bに達する開口部と、容量素子3400の他方の電極である導電体
496に達する開口部と、を有する。また、開口部には、それぞれ導電体491a、導電
体491bまたは導電体491cが埋め込まれている。

0230

また、絶縁体469上には、導電体491aと接する導電体492aと、導電体491b
と接する導電体492bと、導電体491cと接する導電体492cと、を有する。

0231

絶縁体464、絶縁体466、絶縁体468、絶縁体470、絶縁体472、絶縁体47
5、絶縁体402、絶縁体410、絶縁体408、絶縁体428、絶縁体465、絶縁体
467、絶縁体469および絶縁体498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
タルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体401とし
ては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸
化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化
ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用い
ればよい。

0232

絶縁体464、絶縁体466、絶縁体468、絶縁体470、絶縁体472、絶縁体47
5、絶縁体402、絶縁体410、絶縁体408、絶縁体428、絶縁体465、絶縁体
467、絶縁体469または絶縁体498の一以上は、水素などの不純物および酸素をブ
ロックする機能を有する絶縁体を有することが好ましい。トランジスタ3300の近傍に
、水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体を配置することによっ
て、トランジスタ3300の電気特性を安定にすることができる。

0233

水素などの不純物および酸素をブロックする機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ
素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、
アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム
、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。

0234

導電体480a、導電体480bと、導電体480c、導電体478a、導電体478b
、導電体478c、導電体476a、導電体476b、導電体476c、導電体479a
、導電体479b、導電体479c、導電体477a、導電体477b、導電体477c
、導電体484a、導電体484b、導電体484c、導電体484d、導電体483a
、導電体483bと、導電体483c、導電体483d、導電体483e、導電体483
f、導電体485a、導電体485b、導電体485c、導電体485d、導電体487
a、導電体487b、導電体487c、導電体488a、導電体488b、導電体488
c、導電体490a、導電体490bと、導電体489a、導電体489bと、導電体4
91a、導電体491b、導電体491c、導電体492a、導電体492b、導電体4
92c、導電体494および導電体496としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ
素、シリコン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、
銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、イン
ジウム、スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積
層で用いればよい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、
銅およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび
酸素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。

0235

半導体406bとしては、酸化物半導体を用いることが好ましい。ただし、シリコン(歪
シリコン含む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、
アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウムまたは有機半導体などを用い
ても構わない場合がある。

0236

絶縁体406aおよび絶縁体406cとしては、半導体406bを構成する酸素以外の元
素一種以上、または二種以上から構成される酸化物を用いることが望ましい。ただし、シ
リコン(歪シリコン含む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリ
ウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウムまたは有機半導体
などを用いても構わない場合がある。

0237

トランジスタ3200のソースまたはドレインは、導電体480aと、導電体478aと
、導電体476aと、導電体479aと、導電体477aと、導電体484aと、導電体
483aと、導電体485aと、導電体483eと、を介してトランジスタ3300のソ
ース電極またはドレイン電極の一方である導電体と電気的に接続する。また、トランジス
タ3200のゲート電極である導電体454は、導電体480cと、導電体478cと、
導電体476cと、導電体479cと、導電体477cと、導電体484cと、導電体4
83cと、導電体485cと、導電体483fと、を介してトランジスタ3300のソー
ス電極またはドレイン電極の他方である導電体と電気的に接続する。

0238

容量素子3400は、トランジスタ3300のソース電極またはドレイン電極の一方の電
極と、導電体483fと、導電体485cと、導電体487cと、導電体488cと、を
介して電気的に接続する、容量素子3400の一方の電極である導電体494と、絶縁体
498と、容量素子3400の他方の電極である導電体496と、を有する。なお、容量
素子3400は、トランジスタ3300の上方または下方に形成することで、半導体装置
の大きさを縮小することができて好適である。

0239

そのほかの構造については、適宜図1などについての記載を参酌することができる。

0240

なお、図29に示す半導体装置は、図28に示した半導体装置のトランジスタ3200の
構造が異なるのみである。よって、図29に示す半導体装置については、図28に示した
半導体装置の記載を参酌する。具体的には、図29に示す半導体装置は、トランジスタ3
200がFin型である場合を示している。トランジスタ3200をFin型とすること
により、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ3200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3200のオフ特性を向上させることができる。なお、トランジスタ3200
はpチャネル型トランジスタであってもnチャネル型トランジスタであっても構わない。

0241

本実施の形態では、トランジスタ3200上にトランジスタ3300を有し、トランジス
タ3300上に容量素子3400を有する半導体装置の一例を示したが、トランジスタ3
200上にトランジスタ3300と同様の半導体を有するトランジスタを一以上有する構
成としても構わない。このような構成とすることで半導体装置の集積度をより高めること
ができる。

0242

<記憶装置2>
図27(B)に示す半導体装置は、トランジスタ3200を有さない点で図27(A)に
示した半導体装置と異なる。この場合も図27(A)に示した半導体装置と同様の動作に
より情報の書き込みおよび保持動作が可能である。

0243

図27(B)に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジス
タ3300が導通状態になると、浮遊状態である第3の配線3003と容量素子3400
とが導通し、第3の配線3003と容量素子3400の間で電荷が再分配される。その結
果、第3の配線3003の電位が変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量
素子3400の一方の電極の電位(または容量素子3400に蓄積された電荷)によって
、異なる値をとる。

0244

例えば、容量素子3400の一方の電極の電位をV、容量素子3400の容量をC、第3
の配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の第3の配線3003の
電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の第3の配線3003の電位は、(CB×
VB0+C×V)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素
子3400の一方の電極の電位がV1とV0(V1>V0)の2つの状態をとるとすると
、電位V1を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+C×V
1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の第3の配線3003の電位(=
(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。

0245

そして、第3の配線3003の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すこと
ができる。

0246

この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第1の半導体が適用されたトラ
ンジスタを用い、トランジスタ3300として第2の半導体が適用されたトランジスタを
駆動回路上に積層して配置する構成とすればよい。

0247

以上に示した半導体装置は、酸化物半導体を用いたオフ電流の小さいトランジスタを適用
することで、長期にわたって記憶内容を保持することが可能となる。つまり、リフレッシ
ュ動作が不要となるか、またはリフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能とな
るため、消費電力の低い半導体装置を実現することができる。また、電力の供給がない場
合(ただし、電位は固定されていることが好ましい)であっても、長期にわたって記憶内
容を保持することが可能である。

0248

また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こ
りにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注
入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といっ
た問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリで
問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置
である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行わ
れるため、高速な動作が可能となる。本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中
に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。

0249

(実施の形態5)
<半導体装置の構造2>
本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面を
参照して説明する。

0250

<断面構造>
図30(A)および(B)に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図30(A)
において、X1−X2方向はチャネル長方向、図30(B)において、Y1−Y2方向は
チャネル幅方向を示す。図30(A)および(B)に示す半導体装置は、下部に第1の半
導体材料を用いたトランジスタ2200を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトラン
ジスタ2100を有している。図30(A)および(B)では、第2の半導体材料を用い
たトランジスタ2100として、図1に例示したトランジスタを適用した例を示している

0251

第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが好ましい
。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコン(歪シリコン含
む)、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミ
ニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウム、有機半導体など)とし、第2の半導
体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコ
ンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いた
トランジスタは、先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することで、優れたサブ
スレッショルド特性が得られ、微細なトランジスタとすることが可能である。また、スイ
ッチ速度が速いため高速動作が可能であり、オフ電流が低いためリーク電流が小さい。

0252

トランジスタ2200は、nチャネル型のトランジスタまたはpチャネル型のトランジス
タのいずれであってもよく、回路によって適切なトランジスタを用いればよい。また、酸
化物半導体を用いた本発明の一態様のトランジスタを用いるほかは、用いる材料や構造な
ど、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。

0253

図30(A)および(B)に示す構成では、トランジスタ2200の上部に、絶縁体22
01、絶縁体2207および絶縁体2208を介してトランジスタ2100が設けられて
いる。また、トランジスタ2200とトランジスタ2100の間には、複数の配線220
2が設けられている。また、各種絶縁体に埋め込まれた複数のプラグ2203により、上
層と下層にそれぞれ設けられた配線や電極が電気的に接続されている。また、トランジス
タ2100を覆う絶縁体2204と、絶縁体2204上に配線2205と、が設けられて
いる。
このように、2種類のトランジスタを積層することにより、回路の占有面積が低減され、
より高密度に複数の回路を配置することができる。

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