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JP7678789B2 - 金属酸化物の成膜方法 - Google Patents
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    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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Description

本発明の一態様は、金属酸化物の成膜方法、および金属酸化物の成膜装置に関する。また、本発明の一態様は、上記金属酸化物を用いた半導体装置、および半導体装置の作製方法に関する。また、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得る装置全般を指す。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、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。
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）または画像表示装置（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。
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）構造が見出されている（非特許文献１及び非特許文献２参照）。
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が開示されている。
Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ"，２０１２，ｖｏｌｕｍｅ ４３，ｉｓｓｕｅ １，ｐ．１８３－１８６ Ｓ．Ｙａｍａｚａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ"，２０１４，ｖｏｌｕｍｅ ５３，Ｎｕｍｂｅｒ ４Ｓ，ｐ．０４ＥＤ１８－１－０４ＥＤ１８－１０
本発明の一態様は、新規の金属酸化物、およびその成膜方法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、新規の金属酸化物の成膜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、オン電流が大き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、電界効果移動度が大き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、信頼性が良好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、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、上記半導体装置の作製方法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のプリカーサをチャンバーに供給する第１の工程と、第２のプリカーサをチャンバーに供給する第２の工程と、第３のプリカーサをチャンバーに供給する第３の工程と、第１の工程の後、第２の工程の後、および第３の工程それぞれの後に、酸化剤をチャンバーに導入する第４の工程と、を有し、第１乃至第３のプリカーサは、それぞれ異なる種類のプリカーサであり、第１乃至第４の工程において、チャンバー内に配置された基板は、３００℃以上第１乃至第３のプリカーサの分解温度のうち最も低い温度以下の温度に加熱される、金属酸化物の成膜方法である。
また、本発明の一態様は、第１のプリカーサをチャンバーに供給する第１の工程と、第２のプリカーサをチャンバーに供給する第２の工程と、第３のプリカーサをチャンバーに供給する第３の工程と、第１の工程の後、第２の工程の後、および第３の工程それぞれの後に、酸化剤をプラズマ化してチャンバーに導入する第４の工程と、を有し、第１乃至第３のプリカーサは、それぞれ異なる種類のプリカーサであり、第１乃至第４の工程において、チャンバー内に配置された基板は、３００℃以上第１乃至第３のプリカーサの分解温度のうち最も低い温度以下の温度に加熱される、金属酸化物の成膜方法である。
上記において、第１のプリカーサは、インジウムを有し、第２のプリカーサは、元素Ｍ（Ｍはガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数）を有し、第３のプリカーサは、亜鉛を有する、ことが好ましい。
上記において、第１乃至第３のプリカーサは、炭素および水素を有しない、ことが好ましい。また、上記において、第１乃至第３のプリカーサは、塩素を有してもよい。
上記において、第１乃至第４の工程を、それぞれ１回以上行うことを１サイクルとし、１サイクルを複数回繰り返す、ことが好ましい。
上記において、インジウム、元素Ｍ（Ｍはガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数）、および亜鉛を有する金属酸化物の成膜方法において、第１のプリカーサは、インジウムを有し、第２のプリカーサは、元素Ｍ（Ｍはガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数）を有し、第３のプリカーサは、亜鉛を有し、１サイクルにおける、第１の工程の回数と、第２の工程の回数と、第３の工程の回数と、の比は、金属酸化物が有する、インジウムと、元素Ｍと、ガリウムの比と同じである、ことが好ましい。
上記において、１サイクルを複数回繰り返した後で、加熱処理を行う、ことが好ましい。
また、本発明の一態様は、チャンバーと、第１乃至第４の原料供給部と、ヒータと、を有し、第１乃至第４の原料供給部は、それぞれバルブを介してチャンバーと接続され、第１乃至第３の原料供給部は、それぞれ異なる種類のプリカーサを供給する手段を有し、第４の原料供給部は、酸化剤を供給する手段を有し、ヒータは、チャンバー内に配置された基板を、３００℃以上プリカーサの分解温度のうち最も低い温度以下の温度に加熱する手段を有する、金属酸化物の成膜装置である。
また、本発明の一態様は、チャンバーと、第１乃至第４の原料供給部と、ヒータと、プラズマ発生装置を有し、第１乃至第３の原料供給部は、それぞれバルブを介してチャンバーと接続され、第４の原料供給部は、プラズマ発生装置を介してチャンバーと接続され、第１乃至第３の原料供給部は、それぞれ異なる種類のプリカーサを供給する手段を有し、第４の原料供給部は、酸化剤を供給する手段を有し、ヒータは、チャンバー内に配置された基板を、３００℃以上プリカーサの分解温度のうち最も低い温度以下の温度に加熱する手段を有する、金属酸化物の成膜装置である。
上記において、プラズマ発生装置は、高周波電源に接続されたコイルを有する、ことが好ましい。
上記において、第１の原料供給部は、インジウムを有するプリカーサを供給する手段を有し、第２の原料供給部は、元素Ｍ（Ｍはガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数）を有するプリカーサを供給する手段を有し、第３の原料供給部は、亜鉛を有するプリカーサを供給する手段を有する、ことが好ましい。
上記において、インジウムを有するプリカーサ、元素Ｍを有するプリカーサ、および亜鉛を有するプリカーサは、炭素および水素を有しない、ことが好ましい。また、上記において、インジウムを有するプリカーサ、元素Ｍを有するプリカーサ、および亜鉛を有するプリカーサは、塩素を有してもよい。
上記において、第１乃至第４の原料供給部と、チャンバーの間に設けられた配管を覆う、配管ヒータと、を有する、ことが好ましい。
上記において、搬送室と、処理室と、を有し、チャンバーは、搬送室を介して、処理室と接続され、搬送室は、チャンバーから処理室に基板を搬送する手段を有し、処理室は、加熱装置を有する、ことが好ましい。
本発明の一態様により、新規の金属酸化物、およびその成膜方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、新規の金属酸化物の成膜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、オン電流が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、電界効果移動度が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、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、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、上記半導体装置の作製方法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。
図１Ａ乃至図１Ｅは、本発明の一態様に係る金属酸化物の成膜方法を説明する断面図である。
図２Ａ乃至図２Ｄは、本発明の一態様に係る金属酸化物の断面図である。
図３Ａ乃至図３Ｄは、本発明の一態様に係る金属酸化物の断面図である。
図４Ａ乃至図４Ｃは、本発明の一態様に係る金属酸化物の原子数比の範囲を説明する図である。
図５Ａ乃至図５Ｄは、本発明の一態様に係る金属酸化物の成膜方法を説明する断面図である。
図６Ａ乃至図６Ｃは、本発明の一態様に係る金属酸化物の成膜方法を説明する断面図である。
図７は、成膜装置を説明する上面図および断面図である。
図８Ａおよび図８Ｂは、成膜装置を説明する断面図である。
図９Ａ乃至図９Ｃは、成膜装置を説明する断面図である。
図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の一態様に係る金属酸化物の成膜方法を説明する図である。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、本発明の一態様に係る金属酸化物の成膜方法を説明する図である。
図１２は、本発明の一態様に係る金属酸化物の成膜方法を説明する図である。
図１３ＡはＩＧＺＯの結晶構造の分類を説明する図である。図１３ＢはＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルを説明する図である。図１３ＣはＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の極微電子線回折パターンを説明する図である。
図１４Ａは本発明の一態様である半導体装置の上面図である。図１４Ｂ乃至図１４Ｄは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図１５Ａおよび図１５Ｂは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図１６Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１６Ｂ乃至図１６Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１７Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１７Ｂ乃至図１７Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１８Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１８Ｂ乃至図１８Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図１９Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図１９Ｂ乃至図１９Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２０Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２０Ｂ乃至図２０Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２１Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２１Ｂ乃至図２１Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２２Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２２Ｂ乃至図２２Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２３Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２３Ｂ乃至図２３Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２４Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２４Ｂ乃至図２４Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２５Ａは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す上面図である。図２５Ｂ乃至図２５Ｄは本発明の一態様である半導体装置の作製方法を示す断面図である。
図２６は本発明の一態様であるマイクロ波処理装置を説明する上面図である。
図２７は本発明の一態様であるマイクロ波処理装置を説明する断面図である。
図２８は本発明の一態様であるマイクロ波処理装置を説明する断面図である。
図２９は本発明の一態様であるマイクロ波処理装置を説明する断面図である。
図３０Ａは本発明の一態様である半導体装置の上面図である。図３０Ｂおよび図３０Ｃは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図３１は本発明の一態様である記憶装置の構成を示す断面図である。
図３２は本発明の一態様である記憶装置の構成を示す断面図である。
図３３は本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図３４Ａおよび図３４Ｂは本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図３５は本発明の一態様である半導体装置の断面図である。
図３６Ａおよび図３６Ｂは本発明の一態様である記憶装置の構成例を示すブロック図である。
図３７Ａ乃至図３７Ｈは本発明の一態様である記憶装置の構成例を示す回路図である。
図３８Ａおよび図３８Ｂは本発明の一態様である半導体装置の模式図である。
図３９Ａおよび図３９Ｂは電子部品の一例を説明する図である。
図４０Ａ乃至図４０Ｅは本発明の一態様である記憶装置の模式図である。
図４１Ａ乃至図４１Ｈは本発明の一態様である電子機器を示す図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、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または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、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。）または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、本明細書等において、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、本明細書等において、「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とが直接的に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、図または文章に開示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。
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（以下、チャネル形成領域ともいう。）を有しており、チャネル形成領域を介して、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、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
また、ソースとドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合、または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、ソースとドレインの用語は、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、またはチャネル形成領域における、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、チャネル形成領域における、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、またはチャネル形成領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向のチャネル形成領域の長さをいう。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。すなわち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネル形成領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
なお、本明細書等において、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、「実効的なチャネル幅」ともいう。）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。
本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、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、半導体の欠陥準位密度が高くなること、または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、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。なお、水も不純物として機能する場合がある。また、例えば不純物の混入によって、酸化物半導体に酸素欠損（ＶＯと表記する場合がある。）が形成される場合がある。
なお、本明細書等において、酸化窒化物とは、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、酸化窒化シリコンは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い。また、窒化酸化物とは、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、窒化酸化シリコンは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い。
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、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が－１０度以上１０度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、－５度以上５度以下の場合も含まれる。また、「概略平行」とは、二つの直線が－３０度以上３０度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度以上１００度以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５度以上９５度以下の場合も含まれる。また、「概略垂直」とは、二つの直線が６０度以上１２０度以下の角度で配置されている状態をいう。
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、トランジスタの半導体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トランジスタと記載する場合においては、金属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。
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、金属酸化窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
また、本明細書等において、ノーマリーオフとは、ゲートに電位を印加しない、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あたりのドレイン電流が、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。
また、本明細書において、上限と下限の数値が規定されている場合は、自由に組み合わせる構成も開示されているものとする。
（実施の形態１）
本実施の形態では、図１乃至図１２を用いて、トランジスタの半導体層に適用可能な金属酸化物（以下、酸化物半導体、または酸化物と呼ぶ場合もある。）、およびその成膜方法について説明する。なお、本発明の一態様に係る金属酸化物は、金属酸化物を構成する元素の種類、組み合わせ、組成などによっては、トランジスタの半導体層として用いる場合に限られず、絶縁性材料として用いてもよいし、導電性材料として用いてもよい。
金属酸化物は、格子欠陥を有する場合がある。格子欠陥とは、原子空孔、異種原子などの点欠陥、転位などの線欠陥、結晶粒界などの面欠陥、空隙などの体積欠陥がある。また、格子欠陥の生成の要因としては、構成元素の原子数の比率のずれ（構成原子の過不足）、および不純物などがある。
金属酸化物をトランジスタの半導体層に用いる場合、金属酸化物中の格子欠陥は、キャリアの生成または捕獲などを引き起こす要因となりうる。よって、格子欠陥が多い金属酸化物をトランジスタの半導体層に用いると、当該トランジスタの電気特性が不安定となる恐れがある。よって、トランジスタの半導体層に用いる金属酸化物は、格子欠陥が少ないことが好ましい。
金属酸化物を用いたトランジスタは、特に、金属酸化物中のチャネル形成領域に酸素欠損（ＶＯ）および不純物が存在すると、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、酸素欠損近傍の水素が、酸素欠損に水素が入った欠陥（以下、ＶＯＨ欠陥と呼ぶ場合がある。）を形成し、キャリアとなる電子を生成する場合がある。このため、金属酸化物中のチャネル形成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（ゲート電極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る特性）となりやすい。したがって、金属酸化物中のチャネル形成領域では、酸素欠損および不純物はできる限り低減されていることが好ましい。言い換えると、金属酸化物中のチャネル形成領域は、キャリア濃度が低減され、ｉ型化（真性化）または実質的にｉ型化されていることが好ましい。
金属酸化物中に存在しやすい格子欠陥の種類、および格子欠陥の存在量は、金属酸化物の構造または金属酸化物の成膜方法などによって異なる。
金属酸化物の構造は、単結晶構造と、それ以外の構造（非単結晶の構造）と、に分けられる。非単結晶の構造としては、例えば、ＣＡＡＣ構造、多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）構造、ｎｃ構造、擬似非晶質（ａ－ｌｉｋｅ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ）構造、および非晶質構造などがある。ａ－ｌｉｋｅ構造は、ｎｃ構造と非晶質構造との間の構造を有する。なお、結晶構造の分類については、後述する。
また、ａ－ｌｉｋｅ構造を有する金属酸化物、および非晶質構造を有する金属酸化物は、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ－ｌｉｋｅ構造を有する金属酸化物、および非晶質構造を有する金属酸化物は、ｎｃ構造を有する金属酸化物およびＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物と比べて、結晶性が低い。また、ａ－ｌｉｋｅ構造を有する金属酸化物は、ｎｃ構造を有する金属酸化物およびＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物と比べて、金属酸化物中の水素濃度が高い。よって、ａ－ｌｉｋｅ構造を有する金属酸化物、および非晶質構造を有する金属酸化物では、格子欠陥が生成されやすい。
よって、トランジスタの半導体層には、結晶性の高い金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物、または単結晶構造の金属酸化物を用いることが好ましい。当該金属酸化物をトランジスタに用いることで、良好な電気特性を有する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。
なお、上記結晶性の高い金属酸化物には、多結晶構造の金属酸化物は含まれない。多結晶構造とは、明確な結晶粒界が確認される結晶構造である。多結晶構造の金属酸化物をトランジスタの半導体層に用いる場合、結晶粒界は再結合中心となり、キャリアが捕獲され、トランジスタのオン電流の低下、電界効果移動度の低下などを引き起こす可能性が高い。
また、トランジスタのチャネル形成領域には、当該トランジスタのオン電流が大きくなる金属酸化物を用いることが好ましい。当該トランジスタのオン電流を大きくするには、当該トランジスタに用いる金属酸化物の移動度を高くするとよい。金属酸化物の移動度を高くするには、キャリア（ｎチャネル型トランジスタの場合は、電子）の伝送を向上させる、または、キャリアの伝送に寄与する散乱因子を低減する必要がある。なお、キャリアは、チャネル形成領域を介して、ソースからドレインに流れる。よって、キャリアがチャネル長方向に流れやすいチャネル形成領域を設けることで、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。
ここで、チャネル形成領域を含む金属酸化物に、結晶性の高い金属酸化物を用いることが好ましい。さらに、当該結晶は、複数の層（例えば、第１の層と、第２の層と、第３の層）が積層された結晶構造を有することが好ましい。つまり、当該結晶は、層状の結晶構造（層状結晶、層状構造ともいう。）を有する。このとき、当該結晶のｃ軸の向きは、複数の層が積層される方向となる。当該結晶を有する金属酸化物には、例えば、単結晶酸化物半導体、後述するＣＡＡＣ－ＯＳなどが含まれる。
また、上記結晶のｃ軸を、金属酸化物の被形成面または膜表面に対する法線方向に配向することが好ましい。これにより、複数の層は、金属酸化物の被形成面または膜表面に対して、概略平行に配置される。つまり、複数の層は、チャネル長方向に広がる。
例えば、上記のような３層の層状の結晶構造は、以下のような構造になる。第１の層は、当該第１の層が有する金属が中心に存在する酸素の八面体形の、原子の配位構造を有する。また、第２の層は、当該第２の層が有する金属が中心に存在する酸素の三方両錐形または四面体形の、原子の配位構造を有する。また、第３の層は、当該第３の層が有する金属が中心に存在する酸素の三方両錐形または四面体形の、原子の配位構造を有する。
上記結晶の結晶構造として、例えば、ＹｂＦｅ２Ｏ４型構造、Ｙｂ２Ｆｅ３Ｏ７型構造、これらの変形型構造などがある。
さらに、第１の層乃至第３の層のそれぞれは、一の金属元素、または、価数が同じである複数の金属元素と、酸素とで構成されることが好ましい。なお、第１の層を構成する一または複数の金属元素の価数と、第２の層を構成する一または複数の金属元素の価数と、は同じであることが好ましい。また、第１の層と、第２の層とは、同じ金属元素を有してもよい。また、第１の層を構成する一または複数の金属元素の価数と、第３の層を構成する一または複数の金属元素の価数と、は異なることが好ましい。
上記構成にすることで、金属酸化物の結晶性を向上し、当該金属酸化物の移動度を高くすることができる。よって、当該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、トランジスタのオン電流が大きくなり、当該トランジスタの電気特性を向上させることができる。
上記金属酸化物は、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、インジウムまたは亜鉛の価数と同じ価数を有する金属元素が含まれていることが好ましい。当該金属元素として、例えば、アルミニウム、ガリウム、イットリウムなどがある。また、鉄、コバルト、ニッケル、ランタン、セリウム、ネオジム、マグネシウム、カル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、酸化物半導体が、インジウム（Ｉｎ）、元素Ｍ、および亜鉛（Ｚｎ）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、鉄、コバルト、ニッケル、ランタン、セリウム、ネオジム、マグネシウム、カルシウムなどがある。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。
上記の、層状の結晶構造を有する金属酸化物を形成するには、一層ずつ原子を堆積することが好ましい。例えば、金属酸化物の形成方法として、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることができる。
ＡＬＤ法は、プリカーサ分子、あるいはプリカーサに含まれる原子の自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、および低温での成膜が可能、などの効果がある。また、ＡＬＤ法には、プラズマを利用した成膜方法である、プラズマＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）法も含まれる。プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。なお、ＡＬＤ法で用いるプリカーサには炭素または塩素などの元素を含むものがある。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、炭素または塩素などの元素を多く含む場合がある。なお、これらの元素の定量は、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。
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。
ＡＬＤ法は、原料ガスの導入量によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＡＬＤ法では、原料ガスの導入量、導入回数（パルス回数ともいう）、１パルスに要する時間（パルス時間ともいう）などを調節することによって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガス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、搬送および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。
＜ＡＬＤ装置およびＡＬＤ法を用いた成膜方法＞
ここで、本発明の一態様の金属酸化物の形成に用いることができるＡＬＤ法を利用した成膜装置（以下、ＡＬＤ装置ともいう。）、およびＡＬＤ法を用いた成膜方法について説明する。
ＡＬＤ法を利用した成膜装置は、反応のための第１の原料ガス（前駆体、プリカーサ、金属プリカーサと呼ぶ場合もある）と第２の原料ガス（反応剤、リアクタント、酸化剤、非金属プリカーサと呼ぶ場合もある）を交互にチャンバーに導入し、これらの原料ガスの導入を繰り返すことで成膜を行う。なお、原料ガスの導入の切り替えは、例えば、それぞれのスイッチングバルブ（高速バルブと呼ぶ場合もある）を切り替えて行うことができる。また、原料ガス導入の際、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、またはヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスをキャリアガスとして原料ガスと一緒にチャンバーに導入してもよい。キャリアガスを用いることで、原料ガスの揮発性が低い、あるいは蒸気圧が低い場合でも、原料ガスが配管内部およびバルブ内部に吸着することを抑制し、原料ガスをチャンバーに導入することが可能になる。また、形成される膜の均一性も向上し、好ましい。
上述の３層の層状の結晶構造の金属酸化物を、ＡＬＤ法を用いて成膜する方法の一例を、図１Ａ乃至図１Ｅを用いて説明する。まず、プリカーサ１１ａをチャンバーに導入し、基板１０の表面にプリカーサ１１ａを吸着させる（図１Ａ参照。以下、当該工程を第１ステップと呼ぶ場合がある。）。ここで、図１Ａに示すように、プリカーサ１１ａが基板１０の表面に吸着することにより、表面化学反応の自己停止機構が作用し、基板１０上のプリカーサ１１ａの層の上にさらにプリカーサ１１ａが吸着することはない。なお、表面化学反応の自己停止機構が作用する基板温度の適正範囲を、ＡＬＤ Ｗｉｎｄｏｗとも呼ぶ。ＡＬＤ Ｗｉｎｄｏｗは、プリカーサの温度特性、蒸気圧、分解温度などによって決まるが、例えば、１００℃以上６００℃以下、好ましくは、２００℃以上４００℃以下となる場合がある。
次に、不活性ガス（アルゴン、ヘリウム、または窒素など）などをチャンバーに導入して、余剰なプリカーサ１１ａおよび反応生成物などをチャンバーから排出する（以下、当該工程を第２ステップと呼ぶ場合がある。）。また、不活性ガスをチャンバーに導入する代わりに、真空排気によって、余剰なプリカーサおよび反応生成物などをチャンバーから排出してもよい。第２ステップは、パージとも呼ばれる。
次に、リアクタント１２ａ（例えば、酸化剤（オゾン（Ｏ３）、酸素（Ｏ２）、水（Ｈ２Ｏ）、およびこれらのプラズマ、ラジカル、イオンなど））をチャンバーに導入し、基板１０の表面に吸着したプリカーサ１１ａと反応させて、プリカーサ１１ａの構成分子を基板１０に吸着させたままプリカーサ１１ａに含まれる成分の一部を離脱させる（図１Ｂ参照。以下、当該工程を第３ステップと呼ぶ場合がある。）。これにより、プリカーサ１１ａの一部が酸化されて形成された、酸化物１３ａの層が基板１０の表面に形成される。
なお、プラズマＡＬＤ法を行う場合には、酸化剤として酸素を常に供給し続けておき、第３ステップでプラズマを発生させてもよい。これにより、第３ステップで、酸素プラズマが形成されてリアクタント１２ａとして機能する。この場合、第３ステップ以外で、上記の温度に加熱された酸素と反応しないプリカーサ１１ａを用いればよい。
次に、不活性ガスの導入または真空排気によって、余剰なリアクタント１２ａおよび反応生成物などをチャンバーから排出する（以下、当該工程を第４ステップと呼ぶ場合がある。）。
次に、プリカーサ１１ａとは異なる金属元素を有するプリカーサ１１ｂを導入して、第１ステップと同様の工程を行い、酸化物１３ａの層の表面にプリカーサ１１ｂを吸着させる（図１Ｃ参照。）。ここで、図１Ｃに示すように、プリカーサ１１ｂが酸化物１３ａの層に吸着することにより、表面化学反応の自己停止機構が作用し、基板１０上のプリカーサ１１ｂの層の上にさらにプリカーサ１１ｂが吸着することはない。
次に、第２ステップと同様に、不活性ガスの導入または真空排気によって、余剰なプリカーサ１１ｂおよび反応生成物などをチャンバーから排出する。
次に、第３ステップと同様に、リアクタント１２ｂをチャンバーに導入する。ここで、リアクタント１２ｂは、リアクタント１２ａと同じものを用いてもよいし、異なるものを用いてもよい（図１Ｄ参照。）。これにより、プリカーサ１１ｂの一部が酸化されて形成された、酸化物１３ｂの層が酸化物１３ａの層の上に形成される。
次に、第４ステップと同様に、不活性ガスの導入または真空排気によって、余剰なリアクタント１２ｂおよび反応生成物などをチャンバーから排出する。
さらに、同様に第１乃至第４ステップを行い、酸化物１３ｃの層を酸化物１３ｂの層の上に形成することができる。このように、酸化物１３ａ乃至酸化物１３ｃを形成する工程を繰り返し行うことで、酸化物１３ａ乃至酸化物１３ｃの積層構造が繰り返される、層状の結晶構造の金属酸化物を形成することができる（図１Ｅ参照。）。つまり、第１乃至第４ステップを１セットとして、酸化物の層を形成することができ、当該セットを繰り返すことで、複数の酸化物の層が積層された、層状の結晶構造を形成することができる。
層状の結晶構造の金属酸化物、特に上記のＣＡＡＣ構造の金属酸化物を形成するにあたって、図１に示す工程を基板加熱しながら行うことが好ましい。例えば、基板温度を２００℃以上６００℃以下、好ましくは３００℃以上プリカーサの分解温度以下にすればよい。なお、異なる種類の複数のプリカーサを用いてＡＬＤ法による成膜を行う場合は、基板温度を、複数のプリカーサのうち、最も低いプリカーサの分解温度以下にすることが好ましい。これにより、ＡＬＤ法による成膜中に、使用する複数のプリカーサを、それぞれ分解させずに、対象物（例えば、基板など）に吸着させることができる。
このような温度範囲で基板加熱しながら上記の成膜を行うことで、ステップ１乃至ステップ４の各過程において、プリカーサまたはリアクタントなどに含まれる、水素、または炭素などの不純物を、金属酸化物中から除去することができる。例えば、金属酸化物中の炭素をＣＯ２およびＣＯとして放出させ、金属酸化物中の水素をＨ２Ｏとして放出させることができる。さらに、上記の不純物の除去と同時に、金属原子および酸素原子の再配列が行われ、各酸化物の層を秩序性高く配列させることができる。よって、結晶性の高い、層状の結晶構造の金属酸化物、特に上記のＣＡＡＣ構造の金属酸化物を形成することができる。なお、図１Ａにおいては、基板１０上にプリカーサ１１ａを形成する構成について例示しているがこれに限定されない。例えば、基板１０上に絶縁膜（酸素、窒素、シリコン、アルミニウム、ハフニウムなどを有する絶縁膜）、または導電膜（タングステン、タンタル、モリブデン、ジルコニウム、アルミニウム、チタンなどを有する導電膜）などを設け、その上にプリカーサ１１ａを形成してもよい。または、基板１０上に絶縁膜及び導電膜などによって形成された構造物上にプリカーサ１１ａを形成してもよい。
上記温度範囲で基板加熱しながら成膜を行うために、上記成膜に用いるプリカーサは分解温度が高いことが好ましい。例えば、プリカーサの分解温度が、２００℃以上７００℃以下であることが好ましく、３００℃以上６００℃以下であることがより好ましい。このような分解温度が高いプリカーサとしては、無機物で形成されるプリカーサ（以下、無機プリカーサと呼ぶ。）を用いることが好ましい。無機プリカーサは概して、有機物で形成されるプリカーサ（以下、有機プリカーサと呼ぶ。）より、分解温度が高い傾向があるため、上記のような温度範囲にＡＬＤ Ｗｉｎｄｏｗを有するものがある。また、無機プリカーサには、水素、または炭素などの不純物が含まれないので、成膜される金属酸化物中の水素、または炭素などの不純物濃度が増加するのを防ぐことができる。
さらに、上記金属酸化物の成膜後に、加熱処理を行うことが好ましい。特に、上記ＡＬＤ法による成膜後に、外気にさらさずに連続して加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理は、１００℃以上１２００℃以下、好ましくは２００℃以上１０００℃以下、より好ましくは２５０℃以上６５０℃以下、さらに好ましくは３００℃以上６００℃以下、さらに好ましくは４００℃以上５５０℃以下、さらに好ましくは４２０℃以上４８０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、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、窒素ガスもしくは不活性ガスの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。また、加熱処理の温度を高くした場合、金属酸化物が多結晶構造となる場合があるため、金属酸化物が多結晶構造とならない範囲で加熱処理温度を適宜設定すればよい。
このように加熱処理を行うことで、金属酸化物に含まれる水素、または炭素などの不純物を除去することができる。例えば、金属酸化物中の炭素をＣＯ２およびＣＯとして放出させ、金属酸化物中の水素をＨ２Ｏとして放出させることができる。さらに、上記の不純物の除去と同時に、金属原子および酸素原子の再配列が行われ、結晶性の向上を図ることができる。よって、結晶性の高い、層状の結晶構造の金属酸化物、特に上記のＣＡＡＣ構造の金属酸化物を形成することができる。
なお、図１においては、酸化物１３ａ乃至酸化物１３ｃの積層構造が繰り返される構造について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、単層、２層、または４層以上の酸化物の層が繰り返し形成される金属酸化物としてもよい。また、図１においては、酸化物１３ａ、酸化物１３ｂ、酸化物１３ｃの順番を変えずに繰り返し積層が行われていたが、これに限られるものではない。例えば、酸化物１３ａ、酸化物１３ｂ、酸化物１３ｃの順番を入れ替えてもよい。また、膜の途中で、酸化物１３ａ、酸化物１３ｂ、酸化物１３ｃの組成を変更してもよい。また、図１においては、酸化物１３ａ、酸化物１３ｂ、酸化物１３ｃのように、異なる酸化物の層が隣接するように設けられているが、これに限られるものではない。例えば、酸化物１３ａ、酸化物１３ａ、酸化物１３ｂ、酸化物１３ｂ、酸化物１３ｃ、酸化物１３ｃのように、同じ酸化物の層を連続して設ける構成にしてもよい。
また、以降の本明細書の記載において、特段の記載がない限り、リアクタント、または酸化剤としてオゾン、酸素、水を用いる場合、これらは、ガスおよび分子の状態に限らず、プラズマ状態、ラジカル状態、およびイオン状態のものも含むものとする。プラズマ状態、ラジカル状態、あるいはイオン状態の酸化剤を用いて成膜する場合、後述するラジカルＡＬＤ装置、またはプラズマＡＬＤ装置を用いれば良い。
プリカーサに含まれる炭素または水素などの不純物を除去するには、当該プリカーサに酸化剤を十分反応させることが好ましい。例えば、酸化剤を導入するパルス時間を長くすればよい。または、酸化剤を複数回導入すればよい。酸化剤を複数回導入する場合、同じ種類の酸化剤を導入してもよいし、異なる種類の酸化剤を導入してもよい。例えば、第１の酸化剤として、水をチャンバーに導入した後、真空排気を行い、第２の酸化剤として水素を含まないオゾンまたは酸素をチャンバーに導入し、真空排気を行ってもよい。
なお、上記の説明では、第１の原料ガスをチャンバーに導入してから、第２の原料ガスをチャンバーに導入する例を示したが、本発明はこれに限らない。第２の原料ガスをチャンバーに導入してから、第１の原料ガスをチャンバーに導入してもよい。つまり、初めに第３ステップ、および第４ステップの後に、第１ステップ、第２ステップ、第３ステップ、および第４ステップを行い、以降第１ステップ乃至第４ステップを繰り返し行うことで成膜を行ってもよい。さらに、第３ステップ、および第４ステップを複数回繰り返してから、第１ステップ乃至第４ステップを繰り返し行うことで成膜を行ってもよい。
このように、第１ステップの前に、第３ステップ、および第４ステップを１回ずつ、あるいは複数回行うことは、チャンバー内の成膜雰囲気を制御できるため好ましい。例えば、第３のステップで、酸化剤としてＯ３、およびＯ２を導入することで、チャンバー内を酸素雰囲気とすることができる。チャンバー内を酸素雰囲気として、成膜することで、形成される膜中の酸素濃度を高くでき、好ましい。さらに、当該膜の下地となる絶縁体および酸化物にも酸素を供給できる。このような方法を用いて形成された半導体装置は、良好な特性を有し、高い信頼性を得ることができる。また、例えば、第３ステップで、酸化剤として水を導入することで、被形成面に親水基を形成させることができる。これにより、プリカーサの吸着性をより向上させることができる。
また、第１ステップ、および第２ステップの後に、第３ステップにおける第２の原料ガスの導入と、第４ステップにおける真空排気または不活性ガスの導入を複数回繰り返し行ってもよい。つまり、第１ステップ、第２ステップ、第３ステップ、第４ステップ、第３ステップ、第４ステップ、と第３ステップと第４ステップを繰り返し行った後に、第１ステップ、および第２ステップを行ってもよい。
例えば、第３ステップで酸化剤としてＯ３、およびＯ２を導入し、第４ステップで不活性ガスの導入を行い、この工程を複数回繰り返してもよい。また、第３ステップと第４ステップを繰り返す場合、必ずしも同じ種類の原料ガスの導入を繰り返す必要はない。例えば、１回目の第３ステップで酸化剤としてＨ２Ｏを用い、２回目以降の第３ステップで酸化剤としてＯ３を用いてもよい。
このようにして、チャンバー内で酸化剤の導入と不活性ガスの導入（または真空排気）を短時間で複数回繰り返すことで、基板表面に吸着したプリカーサから、余分な水素原子、炭素原子、塩素原子などをより確実に取り除き、チャンバーの外に排除することができる。また、酸化剤の種類を２種類に増やすことにより、基板表面に吸着したプリカーサから、余分な水素原子などをより多く取り除くことができる。このように、成膜中に水素原子が膜中に取り込まれないようにすることにより、形成した膜に含まれる水、水素などを低減することができる。
このような方法を用いることにより、ＴＤＳ分析にて１００℃以上７００℃以下または１００℃以上５００℃以下の表面温度の範囲で、水分子の脱離量が１．０×１０１３ｍｏｌｅｃｕｌｅ／ｃｍ２以上１．０×１０１６ｍｏｌｅｃｕｌｅ／ｃｍ２以下、好ましくは１．０×１０１３ｍｏｌｅｃｕｌｅ／ｃｍ２以上３．０×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅ／ｃｍ２以下となる膜を形成することができる。
ＡＬＤ法は、熱エネルギーを用いてプリカーサ、およびリアクタントを反応させて行う成膜方法である。プリカーサ、およびリアクタントの反応に必要な温度は、それらの温度特性、蒸気圧、分解温度などによって決まるが、１００℃以上６００℃以下、好ましくは、２００℃以上６００℃以下、より好ましくは３００℃以上６００℃以下である。
さらに、上記のプリカーサ、およびリアクタントの反応に加え、第３の原料ガスとして、プラズマ励起されたリアクタントをチャンバーに導入することで処理を行うＡＬＤ法をプラズマＡＬＤ法と呼ぶことがある。この場合、第３の原料ガスの導入部には、プラズマ生成装置が設けられる。プラズマの生成には、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）を用いることができる。またこれに対して、プリカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーで行うＡＬＤ法を熱ＡＬＤ法と呼ぶことがある。
プラズマＡＬＤ法では、第３ステップにおいてプラズマ励起されたリアクタントを導入して成膜を行う。あるいは、第１ステップ乃至第４ステップを繰り返し行うと同時に、プラズマ励起されたリアクタント（第２のリアクタント）を導入することで、成膜が行われる。この場合、第３ステップで導入されるリアクタントを第１のリアクタントと呼ぶ。プラズマＡＬＤ法において、第３の原料ガスに用いる第２のリアクタントは、上記酸化剤と同様の材料を用いることができる。すなわち、第２のリアクタントとして、プラズマ励起されたオゾン、酸素、および水を用いることができる。また、第２のリアクタントとして、酸化剤の他に、窒化剤を用いてもよい。窒化剤としては、窒素（Ｎ２）またはアンモニア（ＮＨ３）を用いることができる。また、窒素（Ｎ２）と水素（Ｈ２）の混合ガスを窒化剤として用いることができる。例えば、窒素（Ｎ２）５％、水素（Ｈ２）９５％の混合ガスを窒化剤として用いることができる。プラズマ励起された窒素またはアンモニアを導入しながら成膜を行うことで、金属窒化膜などの窒化膜を形成することができる。
また、第２のリアクタントのキャリアガスとして、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）または窒素（Ｎ２）を用いてもよい。アルゴン、ヘリウム、または窒素などのキャリアガスを用いることで、プラズマの放電が容易になり、プラズマ励起された第２のリアクタントが容易に生成されるため、好ましい。なお、プラズマＡＬＤ法を用いて金属酸化膜などの酸化膜を形成する場合、キャリアガスに窒素を用いると、膜中に窒素が混入し、所望の膜質が得られない場合がある。この場合キャリアガスとして、アルゴンまたはヘリウムを用いることが好ましい。
ＡＬＤ法は、極めて薄い膜を均一な膜厚で成膜することができる。また、凹凸を有する面に対しても、表面被覆率が高い。
また、プラズマＡＬＤ法により成膜することで、熱ＡＬＤ法に比べてさらに低温での成膜が可能となる。プラズマＡＬＤ法は、例えば、１００℃以下でも成膜速度を低下させずに成膜することができる場合がある。また、プラズマＡＬＤ法では、酸化剤だけでなく、窒化剤など多くのリアクタントを用いることができるので、酸化物だけでなく、窒化物、フッ化物、金属など多くの種類の膜を成膜することができる。
また、プラズマＡＬＤ法を行う場合には、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）または電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ）などのプラズマ源を基板から離してプラズマを発生させることにより、プラズマダメージを抑えることができる。
ここで、層状の結晶構造の金属酸化物が、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物である場合の、結晶中の原子配列について、図２Ａ乃至図３Ｄを用いて説明する。なお、図２Ｂ、図２Ｄ、図３Ｂ、および図３Ｄでは、原子を球（丸）で表し、金属原子と酸素原子の結合を線で表している。図２Ｂ、図２Ｄ、図３Ｂ、および図３Ｄにおいて、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物の結晶構造におけるｃ軸方向は、図中の矢印で表す。また、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物の結晶構造におけるａ－ｂ面方向は、図２Ｂ、図２Ｄ、図３Ｂ、および図３Ｄ中の矢印で表すｃ軸方向と垂直の方向である。
図２Ａは、構造体５０に形成されたＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を有する酸化物６０を示す図である。ここで、構造体とは、トランジスタなどの半導体装置を構成する要素を指す。構造体５０として、基板、ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極などの導電体、ゲート絶縁膜、層間絶縁膜、下地絶縁膜等の絶縁体、金属酸化物またはシリコンなどの半導体、などが含まれる。図２Ａでは、構造体５０の被成膜面が基板（あるいは基体、図示しない。）に対して平行に配置される場合を示している。
図２Ｂは、図２Ａにおける酸化物６０の一部である領域５３における、結晶中の原子配列を示す拡大図である。ここで、図２Ａおよび図２Ｂに示す酸化物６０の、組成はＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］であり、結晶構造はＹｂＦｅ２Ｏ４型構造とする。また、元素Ｍは、＋３価の金属元素とする。
図２Ｂに示すように、酸化物６０が有する結晶は、インジウム（Ｉｎ）と酸素とを有する層２１、元素Ｍと酸素とを有する層３１、亜鉛（Ｚｎ）と酸素とを有する層４１が順に、繰り返し積層されている。層２１、層３１、および層４１は、構造体５０の被成膜面に概略平行に配置されている。すなわち、酸化物６０のａ－ｂ面は、構造体５０の被成膜面に対して概略平行であり、酸化物６０のｃ軸は、構造体５０の被成膜面の法線方向と概略平行である。
図２Ｂに示すように、上記結晶が有する、層２１、層３１、層４１のそれぞれが、一の金属元素と、酸素とで構成されることで、良好な結晶性で配列され、当該金属酸化物の移動度を高くすることができる。
なお、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物は、図２Ｂに示す構造に限られるものではない。層２１、層３１、層４１の積層順が変更されてもよい。例えば、層２１、層４１、層３１の順に、繰り返し積層されてもよい。または、層２１、層３１、層４１、層２１、層４１、層３１の順に、繰り返し積層されてもよい。また、層３１の元素Ｍの一部が亜鉛に置換され、層４１の亜鉛の一部が元素Ｍに置換されてもよい。
上記においては、組成がＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を形成する例を示したが、組成式がＩｎ（１＋α）Ｍ（１－α）Ｏ３（ＺｎＯ）ｍ（αは０より大きく１より小さい実数、ｍは正の数）で表される、結晶性のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物は、同様に層状の結晶構造をとることができる。例として、図２Ｃおよび図２Ｄを用いて、組成がＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物について示す。
図２Ｃは、構造体５０に形成されたＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を有する酸化物６２を示す図である。図２Ｄは、図２Ｃにおける酸化物６２の一部である領域５４における、結晶中の原子配列を示す拡大図である。
図２Ｄに示すように、酸化物６２が有する結晶は、インジウム（Ｉｎ）と元素Ｍと酸素とを有する層２２、亜鉛（Ｚｎ）と酸素とを有する層４１、および元素Ｍと酸素とを有する層３１を有する。酸化物６２において、複数の層は、層２２、層４１、層３１、層４１、の順に、繰り返し積層されている。層２２、層３１、および層４１は、構造体５０の被成膜面に概略平行に配置されている。すなわち、酸化物６２のａ－ｂ面は、構造体５０の被成膜面に対して概略平行であり、酸化物６２のｃ軸は、構造体５０の被成膜面の法線方向と概略平行である。
なお、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物は、図２Ｄに示す構造に限られるものではなく、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］に従う範囲で、構造が変化してもよい。例えば、層２２、層３１、層４１の積層順が変更されてもよい。また、層３１の元素Ｍの一部が亜鉛に置換され、層４１の亜鉛の一部が元素Ｍに置換されてもよい。また、層２２に代わって、層２１または層３１が形成されてもよい。
また、図３Ａに示すように、構造体５０の上に酸化物６２を形成し、その上に酸化物６０を形成する、積層構造にしてもよい。ここで、図３Ｂは、図３Ａにおける酸化物６２および酸化物６０の一部である領域５６における、結晶中の原子配列を示す拡大図である。
上記の通り、酸化物６２は、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物であり、酸化物６０は、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物である。つまり、図３Ａに示す酸化物は、膜の途中で原子数比が変化している、酸化膜である。また、図３Ｂに示すように、酸化物６２を層状の結晶構造にすることで、酸化物６２上の酸化物６０の結晶性を良好にすることができる。
なお、酸化物６２および酸化物６０は、図３Ｂに示す構造に限られるものではなく、上述のように、酸化物６２および酸化物６０の構造を変化させてもよい。また、図３Ｂにおいて、酸化物６２と酸化物６０の境界に層２１を配置しているがこれに限られるものではない。例えば、酸化物６２と酸化物６０の境界に層２２が形成されていてもよい。
前述したとおり、ＡＬＤ法では、アスペクト比の高い構造への成膜が可能であり、構造体の側面に対しても被覆性に優れた成膜が可能である。ＡＬＤ法を用いることで、被成膜面の向きによらず、容易にＣＡＡＣ構造などの結晶性の金属酸化物を形成することができる。例えば、構造体が凸型形状、または凹型形状を有しているとしても、構造体の上面、底面、側面、および傾斜を有する面に対して被覆性よく金属酸化物を形成することができる。すなわち、それぞれの被成膜面において、法線方向に概略一定の膜厚を有する金属酸化物を形成することができる。構造体の上面、底面、側面、および傾斜を有する面それぞれに形成された金属酸化物において、最大膜厚に対する最小膜厚の比を０．５以上１以下、好ましくは０．７以上１以下、より好ましくは、０．９以上１以下とすることができる。このとき、金属酸化物が結晶構造を有する場合、そのｃ軸は、それぞれの被成膜面の法線方向と概略平行な方向に配向する。すなわち、ｃ軸は、それぞれの被成膜面に対して垂直に配向する。
ここで、図３Ｃでは、構造体５０の被成膜面が基板（あるいは基体、図示しない。）に対して垂直に配置され、構造体５０の表面に酸化物６４が形成される場合を示している。図３Ｄは、図３Ｃにおける酸化物６４の一部である領域５８の拡大図である。図３Ｄでは、構造体５０の側面にインジウム（Ｉｎ）を含む層２１と、元素Ｍを含む層３１と、亜鉛（Ｚｎ）を含む層４１とが、被成膜面に対して積層されている様子を示している。インジウムを含む層２１は、構造体５０の被成膜面に平行に配置され、その上に元素Ｍを含む層３１が、構造体５０の被成膜面に平行に配置され、さらにその上に亜鉛を含む層４１が、構造体５０の被成膜面に平行に配置されている。すなわち、酸化物６０のａ－ｂ面は、構造体５０の被成膜面に対して概略平行であり、酸化物６０のｃ軸は、構造体５０の被成膜面の法線方向と概略平行である。なお、図３Ｃおよび図３Ｄにおいては、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物の例について示したが、異なる原子数比の酸化物についても同様に、被成膜面が基板に対して垂直に配置された構造体５０の表面に形成することができる。
また、上記において、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］、およびＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の金属酸化物の例を示したが、本発明はこれに限られるものではない。
以下に、図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃを用いて、本発明の一態様に示す酸化物に用いることができる金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃには、酸素の原子数比については記載しない。また、金属酸化物が有するインジウム、元素Ｍ、および亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。
図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃにおいて、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１－α）：１の原子数比（－１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１－α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１－α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１－α）：４の原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１－α）：５の原子数比となるラインを表す。
また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比（β≧０）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるラインを表す。
また、図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃに示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比、およびその近傍値の金属酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。
また、金属酸化物中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存など）。例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。金属酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。
図４Ａに示す領域Ａは、金属酸化物が有する、インジウム、元素Ｍ、および亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
金属酸化物は、インジウムの含有率を高くすることで、金属酸化物のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。従って、インジウムの含有率が高い金属酸化物はインジウムの含有率が低い金属酸化物と比較してキャリア移動度が高くなる。
一方、金属酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、およびその近傍値である場合（例えば図４Ｃに示す領域Ｃ）は、絶縁性が高くなる。なお、領域Ｃは、上述のスピネル型の結晶構造をとりやすい領域を含むため、スピネル型の結晶構造をとりやすい領域を避ける組成にすることが好ましい。
例えば、チャネル形成領域、および低抵抗領域に用いる金属酸化物は、キャリア移動度が高い、図４Ａの領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。チャネル形成領域、および低抵抗領域に用いる金属酸化物は、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３から４．１、およびその近傍値程度になるようにすればよい。また、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、およびその近傍値程度になるようにすればよい。一方、チャネル形成領域、および低抵抗領域を取り囲むように金属酸化物を設ける場合、絶縁性が比較的高い、図４Ｃの領域Ｃで示される原子数比を有することが好ましい。チャネル形成領域、および低抵抗領域を取り囲むように設けられる金属酸化物は、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４、およびその近傍値程度、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、およびその近傍値程度になるようにすればよい。または、チャネル形成領域、および低抵抗領域を取り囲むように設けられる金属酸化物は、チャネル形成領域、および低抵抗領域に用いる金属酸化物と同等の金属酸化物を用いてもよい。
特に、図４Ｂに示す領域Ｂでは、領域Ａの中でも、キャリア移動度が高く、信頼性が高い優れた金属酸化物が得られる。
なお、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値を含む。近傍値には、例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。また、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：６、およびその近傍値、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：７、およびその近傍値を含む。また、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１、およびその近傍値を含む。
以上のように、原子数比によって、当該金属酸化物の電気伝導特性は大きく異なる。上記のようにＡＬＤ法を用いて金属酸化物を成膜することにより、各原子数比に応じた、層状の結晶構造を有する金属酸化物を成膜することができる。よって、ＡＬＤ法を用いることで、求められる特性に応じた金属酸化物を成膜することができる。
次に、図２Ａおよび図２Ｂに示すＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物を有する酸化物６０の形成方法の詳細を、図５Ａ乃至図６Ｃを用いて示す。
まず、インジウムを有するプリカーサを含む原料ガスをチャンバーに導入し、構造体５０の表面に当該プリカーサを吸着させる（図５Ａ参照。）。ここで、原料ガスには、プリカーサの他に、アルゴン、ヘリウム、または窒素などのキャリアガスが含まれる。インジウムを有するプリカーサとして、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、トリス（２，２，６，６－テトラメチル－３，５－ヘプタンジオン酸）インジウム、シクロペンタジエニルインジウム、インジウム（ＩＩＩ）アセチルアセトナート、（３－（ジメチルアミノ）プロピル）ジメチルインジウムなどを用いることができる。
また、インジウムを有するプリカーサとして、炭化水素を有しない、無機プリカーサを用いてもよい。インジウムを有する無機プリカーサとして、三塩化インジウム、三臭化インジウム、三ヨウ化インジウムなどのハロゲン系のインジウム化合物を用いることができる。三塩化インジウムは、分解温度が５００℃以上７００℃以下程度である。よって、三塩化インジウムを用いることで、４００℃以上６００℃以下程度、例えば５００℃で基板加熱を行いながら、ＡＬＤ法による成膜を行うことができる。
次に、上記原料ガスの導入を止めて、チャンバー内をパージして、余剰なプリカーサや反応生成物などをチャンバーから排出する。
次に、リアクタントとして、酸化剤をチャンバーに導入し、吸着したプリカーサと反応させて、インジウムを基板に吸着させたままインジウム以外の成分を離脱させることで、インジウムと酸素とが結合した層２１を形成する（図５Ｂ参照。）。酸化剤として、オゾン、酸素、水などを用いることができる。次に、上記酸化剤の導入を止めて、チャンバー内をパージして、余分なリアクタントおよび反応生成物などをチャンバーから排出する。
次に、元素Ｍを有するプリカーサを含む原料ガスをチャンバーに導入し、層２１上に当該プリカーサを吸着させる（図５Ｃ参照。）。原料ガスには、プリカーサの他に、アルゴン、ヘリウム、または窒素などのキャリアガスが含まれる。元素Ｍとしてガリウムを用いる場合、ガリウムを有するプリカーサとして、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリス（ジメチルアミド）ガリウム、ガリウム（ＩＩＩ）アセチルアセトナート、トリス（２，２，６，６－テトラメチル－３，５－ヘプタンジオン酸）ガリウム、ジメチルクロロガリウム、ジエチルクロロガリウム、ジメチルガリウムイソプロポキシドなどを用いることができる。
また、ガリウムを有するプリカーサとして、炭化水素を有しない、無機プリカーサを用いてもよい。ガリウムを有する無機プリカーサとして、三塩化ガリウム、三臭化ガリウム、三ヨウ化ガリウムなどのハロゲン系のガリウム化合物を用いることができる。三塩化ガリウムは、分解温度が５５０℃以上７００℃以下程度である。よって、三塩化ガリウムを用いることで、４５０℃以上６５０℃以下程度、例えば５５０℃で基板加熱を行いながら、ＡＬＤ法による成膜を行うことができる。
次に、上記原料ガスの導入を止めて、チャンバー内をパージして、余剰なプリカーサおよび反応生成物などをチャンバーから排出する。
次に、リアクタントとして、酸化剤をチャンバーに導入し、吸着したプリカーサと反応させて、元素Ｍを基板に吸着させたまま元素Ｍ以外の成分を離脱させることで、元素Ｍと酸素とが結合した層３１を形成する（図５Ｄ参照。）。このとき、層３１の上に吸着した酸素の一部が、後述する層４１を構成する場合がある。次に、上記酸化剤の導入を止めて、チャンバー内をパージして、余分なリアクタントおよび反応生成物などをチャンバーから排出する。
次に、亜鉛を有するプリカーサを含む原料ガスをチャンバーに導入し、層３１上に当該プリカーサを吸着させる（図６Ａ参照。）。このとき、亜鉛と酸素とが結合した層４１の一部が形成される場合がある。原料ガスには、プリカーサの他に、アルゴン、ヘリウム、または窒素などのキャリアガスが含まれる。亜鉛を含むプリカーサとして、ジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、ビス（２，２，６，６－テトラメチル－３，５－ヘプタンジオン酸）亜鉛、酢酸亜鉛などを用いることができる。
また、亜鉛を有するプリカーサとして、炭化水素を有しない、無機プリカーサを用いてもよい。亜鉛を有する無機プリカーサとして、二塩化亜鉛、二臭化亜鉛、二ヨウ化亜鉛などのハロゲン系の亜鉛化合物を用いることができる。二塩化亜鉛は、分解温度が４５０℃以上７００℃以下程度である。よって、二塩化亜鉛を用いることで、３５０℃以上５５０℃以下程度、例えば４５０℃で基板加熱を行いながら、ＡＬＤ法による成膜を行うことができる。
次に、上記原料ガスの導入を止めて、チャンバー内をパージして、余剰なプリカーサおよび反応生成物などをチャンバーから排出する。
次に、リアクタントとして、酸化剤をチャンバーに導入し、吸着したプリカーサと反応させて、亜鉛を基板に吸着させたまま亜鉛以外の成分を離脱させることで、亜鉛と酸素が結合した層４１を形成する（図６Ｂ参照。）。次に、上記酸化剤の導入を止めて、チャンバー内をパージして、余分なリアクタントおよび反応生成物などをチャンバーから排出する。
次に、層４１上に再度、上述した方法で層２１を形成する（図６Ｃ参照。）。以上の方法を繰り返すことで、基板、あるいは構造体上に酸化物６０を形成することができる。
なお、上記プリカーサには、金属元素の他に、炭素および塩素の一方または両方を含むものがある。炭素を含むプリカーサを用いて形成された膜には炭素が含まれる場合がある。また、塩素などのハロゲンを含むプリカーサを用いて形成された膜には塩素などのハロゲンが含まれる場合がある。
以上のように、ＡＬＤ法を用いて酸化物６０を形成することで、被成膜面の法線方向と概略平行にｃ軸が配向したＣＡＡＣ構造の金属酸化物を形成することができる。
図５Ａ乃至図６Ｃに示す工程を基板加熱しながら行うことが好ましい。例えば、基板温度を２００℃以上６００℃以下、好ましくは３００℃以上プリカーサの分解温度以下にすればよい。このような温度範囲で基板加熱しながら上記の成膜を行うことで、図５Ａ乃至図６Ｃの各過程において、プリカーサまたはリアクタントなどに含まれる、水素、または炭素などの不純物を、金属酸化物中から除去することができる。例えば、金属酸化物中の炭素をＣＯ２およびＣＯとして放出させ、金属酸化物中の水素をＨ２Ｏとして放出させることができる。さらに、上記の不純物の除去と同時に、金属原子および酸素原子の再配列が行われ、各酸化物の層を秩序性高く配列させることができる。よって、結晶性の高い、層状の結晶構造の金属酸化物、例えば、ＣＡＡＣ構造の金属酸化物を形成することができる。
上記温度範囲で基板加熱しながら成膜を行うために、上記成膜に用いるプリカーサは分解温度が高いことが好ましい。例えば、プリカーサの分解温度が、２００℃以上７００℃以下であることが好ましく、３００℃以上６００℃以下であることがより好ましい。このような分解温度が高いプリカーサとしては、無機プリカーサを用いることが好ましい。無機プリカーサは概して、有機プリカーサより、分解温度が高い傾向があるため、上記のように基板加熱をしながら成膜を行っても、プリカーサが分解されにくい。
無機プリカーサとしては、例えば、上述の三塩化インジウム、三塩化ガリウム、二塩化亜鉛を用いることができる。上述のように、これらのプリカーサは、分解温度が３５０℃以上７００℃以下程度であり、一般的な有機プリカーサの分解温度よりかなり高温である。ただし、上述のように、三塩化インジウム、三塩化ガリウム、二塩化亜鉛の分解温度は互いに異なっている。このように、異なる種類の複数のプリカーサを用いてＡＬＤ法による成膜を行う場合は、基板温度を、複数のプリカーサのうち、最も低いプリカーサの分解温度以下にすることが好ましい。上記の例では、最もプリカーサの分解温度が低い、二塩化亜鉛が分解しない範囲で基板温度を設定すればよい。これにより、他の三塩化インジウム、三塩化ガリウムも分解させずに、対象物（例えば、基板など）に吸着させることができる。
なお、上記においては、無期プリカーサについて例示したが、これに限定されない。例えば、有機プリカーサを用いるＡＬＤ法にも適用することができる。例えば、有機プリカーサを用いて、金属酸化物（例えば、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ金属酸化物など）を成膜する場合、基板温度を、複数の有機プリカーサのうち、最も低いプリカーサの分解温度以下にすることが好ましい。これにより、ＡＬＤ成膜中に、使用する複数のプリカーサを、それぞれ分解させずに、対象物（例えば、基板など）に吸着させることができる。この場合においては、基板温度を１００℃以上プリカーサの分解温度のうち最も低い温度以下（代表的には、２００℃以上３００℃以下）の範囲にも適用することができる。
さらに、上記金属酸化物の成膜後に、加熱処理を行うことが好ましい。特に、上記ＡＬＤ法による成膜後に、外気にさらさずに連続して加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理は、好ましくは２５０℃以上６５０℃以下、より好ましくは３００℃以上６００℃以下、さらに好ましくは４００℃以上５５０℃以下、さらに好ましくは４２０℃以上４８０℃以下で行えばよい。このように加熱処理を行うことで、金属酸化物に含まれる水素、または炭素などの不純物を除去することができる。例えば、金属酸化物中の炭素をＣＯ２およびＣＯとして放出させ、金属酸化物中の水素をＨ２Ｏとして放出させることができる。さらに、上記の不純物の除去と同時に、金属原子および酸素原子の再配列が行われ、結晶性の向上を図ることができる。よって、結晶性の高い、層状の結晶構造の金属酸化物、特に上記のＣＡＡＣ構造の金属酸化物を形成することができる。
なお、図５Ａ乃至図６Ｃでは、インジウムを含む層として層２１を形成し、その上に元素Ｍを含む層として層３１を形成し、さらにその上に亜鉛を含む層として層４１を形成する例を示すが、本実施の形態はこれに限らない。層３１および層４１の一方を形成し、その上に層２１を形成し、さらにその上に層３１および層４１の他方を形成してもよい。または、層３１および層４１の一方を形成し、その上に層３１および層４１の他方を形成し、さらにその上に層２１を形成してもよい。
また、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］とは異なる原子数比の金属酸化物を形成する場合は、原子数比に合わせて、上記層２１、層３１、層４１、を適宜形成すればよい。例えば、図６Ａに示す、層３１の形成前後に、層４１の形成を複数回繰り返すことで、２つの層２１の間に、所望の原子数、層数、および厚さを有する、層３１と層４１との積層を形成すればよい。
＜成膜装置の構成例＞
ＡＬＤ法を用いて成膜することが可能な装置の一例として、成膜装置４０００の構成について、図７、図８Ａ、および図８Ｂを用いて説明する。図７は、マルチチャンバー型の成膜装置４０００の模式図であり、図８Ａおよび図８Ｂは、成膜装置４０００に用いることができるＡＬＤ装置の断面図である。
成膜装置４０００は、搬入搬出室４００２と、搬入搬出室４００４と、搬送室４００６と、成膜室４００８と、成膜室４００９と、処理室４０１１と、搬送アーム４０１４と、を有する。ここで、搬入搬出室４００２、搬入搬出室４００４、成膜室４００８、成膜室４００９、および処理室４０１１は、搬送室４００６とそれぞれゲートバルブを介して独立に接続されている。これにより、成膜室４００８、成膜室４００９、および処理室４０１１において大気に曝すことなく、連続処理を行うことができ、膜中に不純物が混入するのを防ぐことができる。また、基板と膜の界面、および各膜の界面の汚染は低減され、清浄な界面が得られる。
なお、搬入搬出室４００２、搬入搬出室４００４、搬送室４００６、成膜室４００８、成膜室４００９、および処理室４０１１は、水分の付着などを防ぐため、露点が管理された不活性ガス（窒素ガス等）を充填させておくことが好ましく、減圧を維持させることが望ましい。
また、成膜室４００８および成膜室４００９には、ＡＬＤ装置を用いることができる。また、成膜室４００８および成膜室４００９のいずれかにＡＬＤ装置以外の成膜装置を用いる構成としてもよい。成膜室４００８および成膜室４００９に用いることができる成膜装置としては、例えば、スパッタリング装置、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）装置、熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶＤ）装置、光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）装置、金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）装置、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）装置などがある。
また、処理室４０１１は、加熱装置（代表的には、真空加熱装置）、プラズマ発生装置（代表的には、マイクロ波処理装置）などの、成膜装置以外の機能を有する装置を設ければよい。
例えば、成膜室４００８をＡＬＤ装置とし、成膜室４００９をスパッタリング装置とし、処理室４０１１を加熱装置とした場合、成膜室４００９で下地絶縁膜を成膜し、成膜室４００８で活性層として機能する酸化物半導体膜を成膜し、処理室４０１１で酸化物半導体膜成膜後の加熱処理を行うことができる。このとき、下地絶縁膜の成膜、酸化物半導体膜の成膜、および加熱処理を、大気に曝すことなく、連続して処理することができる。
また、成膜装置４０００は、搬入搬出室４００２、搬入搬出室４００４、成膜室４００８、成膜室４００９、および処理室４０１１を有する構成としているが、本発明はこれに限られるものではない。成膜装置４０００の成膜室を１個、または３個以上にする構成としてもよい。また、成膜装置４０００の処理室を２個以上にする構成としてもよい。また、成膜装置４０００は枚葉式としてもよいし、複数の基板を一括で成膜するバッチ式にしてもよい。
＜加熱装置＞
次に、処理室４０１１に用いることができる加熱装置について説明する。加熱装置に用いられる加熱機構は、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する機構としてもよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を用いることができる。ＬＲＴＡは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて熱処理を行う。
上記加熱装置による加熱処理は、１００℃以上１２００℃以下、好ましくは２００℃以上１０００℃以下、より好ましくは２５０℃以上６５０℃以下、さらに好ましくは３００℃以上６００℃以下、さらに好ましくは４００℃以上５５０℃以下、さらに好ましくは４２０℃以上４８０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、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。例えば、窒素ガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理をする場合、酸素ガスを２０％程度にすればよい。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、窒素ガスもしくは不活性ガスの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。なお、加熱処理の温度を高くした場合、金属酸化物が多結晶構造となる場合があるため、金属酸化物が多結晶構造とならない範囲で加熱処理温度を適宜設定すればよい。ただし、本発明の一態様においては、金属酸化物が多結晶構造を有していてもよい。
また、上記加熱処理で用いるガスは、高純度化されていることが好ましい。例えば、上記加熱処理で用いるガスに含まれる水分量が１ｐｐｂ以下、好ましくは０．１ｐｐｂ以下、より好ましくは０．０５ｐｐｂ以下にすればよい。高純度化されたガスを用いて加熱処理を行うことで、金属酸化物に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
例えば、上記加熱処理として、金属酸化物を成膜した後に、窒素ガスと酸素ガスの流量比を４ｓｌｍ：１ｓｌｍとして、４００℃以上５５０℃以下、好ましくは４２０℃以上４８０℃以下の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、金属酸化物に含まれる水、水素などの不純物を低減することなどができる。
このように加熱処理を行うことで、金属酸化物に含まれる水素、または炭素などの不純物を除去することができる。例えば、金属酸化物中の炭素をＣＯ２およびＣＯとして放出させ、金属酸化物中の水素をＨ２Ｏとして放出させることができる。上記の通り、処理室４０１１は、成膜室４００８および成膜室４００９と搬送室４００６を介して接続されているので、金属酸化物の成膜から加熱処理までを、外気にさらさず、連続して行うことができる。よって、金属酸化物の成膜後に、膜中の水素、または炭素などの不純物を増加させずに、加熱処理を行うことができる。さらに、上記の不純物の除去と同時に、金属原子および酸素原子の再配列が行われ、結晶性の向上を図ることができる。よって、結晶性の高い、層状の結晶構造の金属酸化物、特に上記のＣＡＡＣ構造の金属酸化物を形成することができる。
なお、上記においては、処理室４０１１に熱処理装置を用いる例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、処理室４０１１にマイクロ波処理装置を用いる構成にしてもよい。マイクロ波処理を行うことで、金属酸化物に含まれる水素、または炭素などの不純物を除去することができる。マイクロ波処理、およびマイクロ波処理装置の詳細については、後の実施の形態の記載を参酌することができる。
＜ＡＬＤ装置＞
次に、成膜装置４０００に用いることができる熱ＡＬＤ装置の構成について、図８Ａを用いて説明する。熱ＡＬＤ装置は、成膜室（チャンバー４５２０）と、原料供給部４５２１（原料供給部４５２１ａ乃至原料供給部４５２１ｃ）と、原料供給部４５３１と、導入量制御器である高速バルブ４５２２ａ乃至高速バルブ４５２２ｄと、ガス供給部４５３２と、原料導入口４５２３と、原料排出口４５２４と、排気装置４５２５を有する。チャンバー４５２０内に設置される原料導入口４５２３は供給管およびバルブを介して原料供給部４５２１ａ、原料供給部４５２１ｂ、原料供給部４５２１ｃ、原料供給部４５３１およびガス供給部４５３２とそれぞれ接続されており、原料排出口４５２４は、排出管やバルブや圧力調整器を介して排気装置４５２５と接続されている。
チャンバー４５２０内部には基板ホルダ４５２６があり、その基板ホルダ４５２６上に基板４５３０を配置する。基板ホルダ４５２６は回転機構を有していてもよい。また、チャンバー４５２０外壁には、ヒータ４５２７が設けられており、チャンバー４５２０内部、基板ホルダ４５２６、および基板４５３０表面などの温度を制御することができる。ヒータ４５２７は、基板４５３０表面の温度を１００℃以上６００℃以下、好ましくは２００℃以上６００℃以下、より好ましくは３００℃以上プリカーサの分解温度以下に制御できることが好ましく、ヒータ４５２７自体の温度は１００℃以上６００℃以下に設定できることが好ましい。このような温度範囲で基板加熱しながら成膜を行うことで、プリカーサまたはリアクタントなどに含まれる、水素、または炭素などの不純物を、金属酸化物中から好適に低減することができる。さらに、上記の不純物の除去と同時に、金属原子および酸素原子の再配列が行われ、各酸化物の層を秩序性高く配列させることができる。よって、結晶性の高い、層状の結晶構造の金属酸化物を形成することができる。また、ヒータ４５２７を用いて、金属酸化物成膜後の熱処理を行ってもよい。
原料供給部４５２１ａ、原料供給部４５２１ｂ、原料供給部４５２１ｃ、および原料供給部４５３１では、気化器または加熱手段などによって固体の原料または液体の原料から原料ガスを形成する。または、原料供給部４５２１ａ、原料供給部４５２１ｂ、原料供給部４５２１ｃ、および原料供給部４５３１は、気体の原料ガスを供給する構成としてもよい。
図８Ａに示す成膜装置では、原料供給部４５２１、および原料供給部４５３１で用いる原料（揮発性有機金属化合物など）を適宜選択してチャンバー４５２０に導入することにより、金属酸化物を形成することができる。上述のように、金属酸化物として、インジウム、ガリウム、亜鉛を含むＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を形成する場合、図８Ａに示すように、少なくとも３つの原料供給部４５２１ａ乃至原料供給部４５２１ｃと、少なくとも１つの原料供給部４５３１が設けられた成膜装置を用いることが好ましい。
例えば、原料供給部４５２１ａからインジウムを有するプリカーサが供給され、原料供給部４５２１ｂからガリウムを有するプリカーサが供給され、原料供給部４５２１ｃから亜鉛を有するプリカーサが供給される構成にすればよい。インジウムを有するプリカーサ、ガリウムを有するプリカーサ、および亜鉛を有するプリカーサとして、それぞれ前述したプリカーサを用いることができる。インジウムを有するプリカーサ、ガリウムを有するプリカーサ、および亜鉛を有するプリカーサは、分解温度が高いことが好ましく、例えば、無機プリカーサを用いることが好ましい。なお、ハロゲン系化合物などを無機プリカーサとして用いる場合、ガスの腐食性が強い場合がある。よって、チャンバー、配管、各種ガスの供給部などのガスが接触する部材に、チタンなどの耐腐食性が高い材料を用いることが好ましい。
また、原料供給部４５３１からは、リアクタントが供給される。リアクタントとして、オゾン、酸素、水の少なくとも１つを含む酸化剤を用いることができる。
また、ガス供給部４５３２からは、キャリアガスが供給される。キャリアガスとして、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、または窒素（Ｎ２）などの不活性ガスを用いることができる。原料供給部４５２１のプリカーサ、および原料供給部４５３１のリアクタントは、当該キャリアガスと混合されて、チャンバー４５２０に導入される。
また、原料供給部４５２１ａ、原料供給部４５２１ｂ、原料供給部４５２１ｃ、原料供給部４５３１、およびガス供給部４５３２と、チャンバー４５２０との間の、配管またはバルブなどを覆って、配管ヒータ４５３４ａが設けられる。また、排気装置４５２５とチャンバー４５２０との間の、配管またはバルブなどを覆って、配管ヒータ４５３４ｂが設けられる。配管ヒータ４５３４ａおよび配管ヒータ４５３４ｂの温度は、例えば室温以上３００℃以下の範囲で適宜設定すればよい。このような配管ヒータを設けることで、原料供給部４５２１から供給されたプリカーサなどが、ガス導入系およびガス排気系の配管などの内壁に凝固するのを防ぐことができる。特に、無機プリカーサなどの分解温度が高いプリカーサは、凝固しやすい傾向があるため、このようなプリカーサを用いる場合、ガス導入系およびガス排気系の配管を覆って、配管ヒータを設ける構成にすることが好ましい。また、配管ヒータ４５３４ａ、配管ヒータ４５３４ｂ、及びヒータ４５２７の温度制御は、それぞれ独立に制御する構成とすればよい。配管ヒータ４５３４ａ、配管ヒータ４５３４ｂ、及びヒータ４５２７をそれぞれ独立に制御することで、各ヒータの温度を個別に制御できる。ただし、これに限定されず、配管ヒータ４５３４ａ、配管ヒータ４５３４ｂ、及びヒータ４５２７の温度制御は、それぞれ連動する構成としてもよい。この場合、温度制御を一括して調整することが可能となるため、装置部材などを安くできる。
高速バルブ４５２２ａ乃至高速バルブ４５２２ｄは時間で精密に制御することができる。これにより、原料供給部４５２１ａ、原料供給部４５２１ｂ、原料供給部４５２１ｃ、および原料供給部４５３１から供給される原料ガスを制御してチャンバー４５２０に導入することができる構成となっている。
例えば、原料供給部４５２１ａ、原料供給部４５２１ｂ、および原料供給部４５２１ｃに含まれるプリカーサを供給する場合は、高速バルブ４５２２ａ乃至高速バルブ４５２２ｃのうち対応する高速バルブを開けばよい。また、原料供給部４５３１に含まれるリアクタントを供給する場合は、高速バルブ４５２２ｄを開けばよい。また、チャンバー４５２０をパージする場合は、高速バルブ４５２２ａ乃至高速バルブ４５２２ｄを閉じて、ガス供給部４５３２に含まれるキャリアガスだけをチャンバー４５２０に導入すればよい。
また、図８Ａでは、原料供給部４５２１を３個、原料供給部４５３１を１個設けている例を示しているが本実施の形態はこれに限定されない。原料供給部４５２１を１個、２個、または４個以上設けてもよい。また原料供給部４５３１を２個以上設けてもよい。
また、図８Ａにおいて、ヒータ４５２７、原料導入口４５２３、および原料排出口４５２４が、チャンバー４５２０下部に配置されているが、これに限られることなく、これらの配置を適宜設定することができる。また、図８Ａにおいて、原料供給部４５２１ａ、原料供給部４５２１ｂ、原料供給部４５２１ｃ、原料供給部４５３１およびガス供給部４５３２の導入口は、原料導入口４５２３にまとめられているが、これに限られることはなく、それぞれ異なる導入口を設ける構成にしてもよい。
次に、成膜装置４０００に用いることができるプラズマＡＬＤ装置の構成について、図８Ｂを用いて説明する。プラズマＡＬＤ装置は、成膜室（チャンバー４０２０）と、原料供給部４０２１（原料供給部４０２１ａ乃至原料供給部４０２１ｃ）と、原料供給部４０３１と、導入量制御器である高速バルブ４０２２ａ乃至高速バルブ４０２２ｄと、ガス供給部４０３２と、原料導入口４０２３と、原料導入口４０３３と、原料排出口４０２４と、排気装置４０２５を有する。チャンバー４０２０内に設置される原料導入口４０２３、および原料導入口４０３３は、供給管およびバルブを介して原料供給部４０２１ａ、原料供給部４０２１ｂ、原料供給部４０２１ｃ、原料供給部４０３１およびガス供給部４０３２とそれぞれ接続されており、原料排出口４０２４は、排出管、バルブ、および圧力調整器を介して排気装置４０２５と接続されている。また、チャンバー４０２０内部には基板ホルダ４０２６があり、その基板ホルダ４０２６上に基板４０３０を配置する。また、チャンバー外壁には、ヒータ４０２７が設けられており、チャンバーに接続される配管などを覆って、配管ヒータ４０３４ａおよび配管ヒータ４０３４ｂが設けられている。
ここで、チャンバー４０２０はチャンバー４５２０と、原料供給部４０２１は原料供給部４５２１と、原料供給部４０３１は原料供給部４５３１と、高速バルブ４０２２ａ乃至高速バルブ４０２２ｄは高速バルブ４５２２ａ乃至高速バルブ４５２２ｄと、ガス供給部４０３２はガス供給部４５３２と、原料導入口４０２３は原料導入口４５２３と、原料排出口４０２４は原料排出口４５２４と、排気装置４０２５は排気装置４５２５と、基板ホルダ４０２６は基板ホルダ４５２６と、基板４０３０は基板４５３０と、ヒータ４０２７はヒータ４５２７と、配管ヒータ４０３４ａは配管ヒータ４５３４ａと、配管ヒータ４０３４ｂは配管ヒータ４５３４ｂと、対応しており、詳細な構成は上述の記載を参酌することができる。
プラズマＡＬＤ装置は、図８Ｂに示すようにチャンバー４０２０にプラズマ発生装置４０２８を接続することにより、熱ＡＬＤ法に加えて、プラズマＡＬＤ法で成膜を行うことができる。プラズマ発生装置４０２８は、高周波電源に接続されたコイル４０２９を用いるＩＣＰ型のプラズマ発生装置とするのが好ましい。高周波電源は、１０ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下、好ましくは１ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下、より好ましくは２ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下の周波数を持った電力を出力することができる。例えば、１３．５６ＭＨｚの周波数を持った電力を出力することができる。プラズマＡＬＤ法では、低温でも成膜レートを落とさず成膜ができるので、成膜効率の低い枚葉式の成膜装置で用いるとよい。
原料供給部４０３１から排出されたリアクタントは、プラズマ発生装置４０２８を通過して、プラズマ状態となる。プラズマ状態となったリアクタントは、原料導入口４０３３からチャンバー４０２０に導入される。なお、図８Ｂでは図示していないが、原料供給部４０３１から排出されたリアクタントがキャリアガスと混合される構成にしてもよい。
また、基板ホルダ４５２６には、一定の電位、または高周波が印加される機構が設けられていてもよい。または、基板ホルダ４５２６は、フローティングでもよいし、接地されていてもよい。
なお、図８Ｂにおいて、原料導入口４０３３がチャンバー４５２０上部に配置され、ヒータ４０２７および原料導入口４０２３がチャンバー４５２０側面に配置され、原料排出口４５２４が、チャンバー４５２０下部に配置されているが、これに限られることなく、これらの配置を適宜設定することができる。
図９Ａ乃至図９Ｃは、成膜装置４０００に用いることができるＡＬＤ装置の異なる構成について説明する。なお、図８Ｂに示したＡＬＤ装置と同様の構成、およびその機能については詳細な説明を省略する場合がある。
図９ＡはプラズマＡＬＤ装置の一態様を示す模式図である。プラズマＡＬＤ装置４１００は、反応室４１２０と、反応室４１２０上部に、プラズマ生成室４１１１とが設けられている。反応室４１２０は、チャンバーと呼ぶことができる。または、反応室４１２０とプラズマ生成室４１１１を合わせてチャンバーと呼ぶことができる。反応室４１２０は、原料導入口４１２３と、原料排出口４１２４を有し、プラズマ生成室４１１１は、原料導入口４１３３を有する。また、プラズマ生成装置４１２８によりＲＦ等の高周波または、マイクロ波を、プラズマ生成室４１１１に導入されたガスに印加し、プラズマ生成室４１１１内にプラズマ４１３１を生成することができる。マイクロ波を用いてプラズマ４１３１を生成する場合、代表的には周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が用いられる。また、このようなマイクロ波と、磁場を印加して生成されたプラズマをＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマと呼ぶ場合がある。
また、反応室４１２０は、基板ホルダ４１２６を有し、その上に基板４１３０が配置される。原料導入口４１２３から導入された原料ガスは、反応室４１２０に設けられたヒータからの熱により分解され、基板４１３０上に堆積する。また、原料導入口４１３３から導入された原料ガスは、プラズマ生成装置４１２８によりプラズマ状態となる。プラズマ状態となった原料ガスは、基板４１３０表面に到達するまでに電子または他の分子と再結合し、ラジカル状態となり基板４１３０に到達する。このように、ラジカルを利用して成膜を行うＡＬＤ装置を、ラジカルＡＬＤ（Ｒａｄｉｃａｌ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）装置と呼ぶ場合もある。また、プラズマＡＬＤ装置４１００では、プラズマ生成室４１１１を反応室４１２０の上部に設ける構成を示しているが、本実施の形態はこれに限定されない。プラズマ生成室４１１１を反応室４１２０の側面に隣接して設けてもよい。
図９ＢはプラズマＡＬＤ装置の一態様を示す模式図である。プラズマＡＬＤ装置４２００は、チャンバー４２２０を有する。チャンバー４２２０は、電極４２１３、原料排出口４２２４、および基板ホルダ４２２６を有し、基板ホルダ４２２６の上に基板４２３０が配置される。電極４２１３は、原料導入口４２２３と、導入された原料ガスをチャンバー４２２０内に供給するシャワーヘッド４２１４とを有する。また、電極４２１３には、コンデンサ４２１７を介して高周波を印加できる電源４２１５が接続されている。基板ホルダ４２２６には、一定の電位、または高周波が印加される機構が設けられていてもよい。または、基板ホルダ４２２６は、フローティングでもよいし、接地されていてもよい。電極４２１３、および基板ホルダ４２２６は、それぞれプラズマ４２３１を生成するための上部電極、および下部電極として機能する。原料導入口４２２３から導入された原料ガスは、チャンバー４２２０に設けられたヒータからの熱により分解され、基板４２３０上に堆積する。または、原料導入口４２２３から導入された原料ガスは、電極４２１３、および基板ホルダ４２２６の間でプラズマ状態となる。プラズマ状態となった原料ガスは、プラズマ４２３１と基板４２３０の間に生じる電位差（イオンシースともいう）により基板４２３０に入射する。
図９Ｃは、図９Ｂとは異なるプラズマＡＬＤ装置の一態様を示す模式図である。プラズマＡＬＤ装置４３００は、チャンバー４３２０を有する。チャンバー４３２０は、電極４３１３、原料排出口４３２４、および基板ホルダ４３２６を有し、基板ホルダ４３２６の上に基板４３３０が配置される。電極４３１３は、原料導入口４３２３と、導入された原料ガスをチャンバー４３２０内に供給するシャワーヘッド４３１４とを有する。また、電極４３１３には、コンデンサ４３１７を介して高周波を印加できる電源４３１５が接続されている。基板ホルダ４３２６には、一定の電位、または高周波が印加される機構が設けられていてもよい。または、基板ホルダ４３２６は、フローティングでもよいし、接地されていてもよい。電極４３１３、および基板ホルダ４３２６は、それぞれプラズマ４３３１を生成するための上部電極、および下部電極として機能する。プラズマＡＬＤ装置４３００は、電極４３１３と基板ホルダ４３２６の間に、コンデンサ４３２２を介して高周波を印加できる電源４３２１が接続されたメッシュ４３１９を有している点で、プラズマＡＬＤ装置４２００と異なる。メッシュ４３１９を設けることで、基板４１３０からプラズマ４２３１を離すことができる。原料導入口４３２３から導入された原料ガスは、チャンバー４３２０に設けられたヒータからの熱により分解され、基板４３３０上に堆積する。または、原料導入口４３２３から導入された原料ガスは、電極４３１３、および基板ホルダ４３２６の間でプラズマ状態となる。プラズマ状態となった原料ガスは、メッシュ４３１９により電荷が除去され、ラジカルなどの電気的に中性な状態で基板４１３０に到達する。このため、イオンの入射およびプラズマによる損傷が抑制された成膜を行うことができる。
なお、図８Ｂ、図９Ａ乃至図９Ｃに示す、プラズマＡＬＤ装置を用いて、金属酸化物成膜後のマイクロ波処理を行う構成にしてもよい。
＜成膜シーケンス＞
次に、図１０Ａ乃至図１２を用いて、図８Ａに示すＡＬＤ装置を用いた金属酸化物の成膜シーケンスについて、説明する。図１０Ａ乃至図１２において、第１の原料ガス乃至第４の原料ガスの導入をそれぞれＯＮで示し、原料ガスが導入されていない期間をＯＦＦで示している。
図１０Ａに、図８Ａに示すＡＬＤ装置を用いた成膜シーケンスを示す。まず、チャンバー４５２０内の基板ホルダ４５２６に基板４５３０をセットする（ステップＳ１０１）。次に、ヒータ４５２７の温度調節を行う（ステップＳ１０２）。このとき、配管ヒータ４５３４ａおよび配管ヒータ４５３４ｂの温度調節も行えばよい。次に、基板４５３０の温度が基板面内で一様になるように基板４５３０を基板ホルダ４５２６上で保持する（ステップＳ１０３）。次に、上述の第１ステップ乃至第４ステップに従って、金属酸化物の成膜を行う（ステップＳ１０４）。なお、基板４５３０のセット（ステップＳ１０１）後に、ヒータ４５２７の温度調節が不要な場合はステップＳ１０２を省略してもよい。
ステップＳ１０４においては、チャンバー４５２０に第１の原料ガス（プリカーサを有する原料ガス）、および第２の原料ガス（リアクタントを有する原料ガス）を交互に導入し、基板４５３０上に成膜を行う。第１の原料ガス、および第２の原料ガスの導入は、それぞれパルス状に行われる。第１の原料ガス、および第２の原料ガスが、いずれも導入されていない期間では、チャンバー４５２０内がパージされている。ＡＬＤ法による成膜は、第１の原料ガスの導入（上記第１ステップ）、第１の原料ガスのパージ（上記第２ステップ）、第２の原料ガスの導入（上記第３ステップ）、第２の原料ガスのパージ（上記第４ステップ）を１サイクル（１ ｃｙｃｌｅ）とし、これを繰り返すことで、所望の膜厚を有する膜が形成される。
また、ステップＳ１０３とステップＳ１０４の間に、チャンバー４０２０内部にリアクタントを有する第２の原料ガスを導入してもよい。第２の原料ガスとして、酸化剤として機能する、オゾン（Ｏ３）、酸素（Ｏ２）、および水（Ｈ２Ｏ）から選ばれた一、または複数を導入するのが好ましい。第２の原料ガスとして、水を導入することで、基板４５３０上に親水基を形成することができるので、プリカーサの吸着性をより向上させることができる。第２の原料ガスとして、オゾンおよび酸素を導入することで、チャンバー内を酸素雰囲気にし、基板４５３０に形成された下地絶縁膜などに酸素を供給することができる。これにより、当該下地絶縁膜上に形成される金属酸化物膜に酸素を供給し、膜中酸素濃度を増やすことができる。このとき、第２の原料ガスは、ステップＳ１０４に示す方法と同様にパルス状に導入されることが好ましいが、本発明はこれに限らない。第２の原料ガスは、連続的に導入されてもよい。第２の原料ガスが導入されていない期間では、チャンバー４５２０内を排気する。
上記の第１の原料ガスを用いた１サイクルで第１の酸化物層を形成し、第１の原料ガスとは異なる第３の原料ガスを用いた１サイクルで第２の酸化物層を形成し、第１の原料ガスとは異なる第４の原料ガスを用いた１サイクルで第３の酸化物層を形成することで、複数の異なる酸化物層を有する、層状の結晶性酸化物を成膜することができる。以下では、一例として、図５Ａ乃至図６Ｃに示すＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の成膜過程に対応させた成膜シーケンスを、図１０Ｂを用いて説明する。
図１０Ｂは、プリカーサを有する第１の原料ガス乃至第３の原料ガスを用いて成膜する例について、成膜シーケンスのステップＳ１０４を示す。なお、ステップＳ１０１乃至ステップＳ１０３については、上記と同様に行えばよい。ここで、第１の原料ガスはインジウムを有するプリカーサを含み、第３の原料ガスはガリウムを有するプリカーサを含み、第４の原料ガスは亜鉛を有するプリカーサを含むものとする。
図１０Ｂに示すように、まず、第１の原料ガスを導入し、インジウムを有するプリカーサを基板４５３０上に吸着させる（図５Ａに対応）。それから、第１の原料ガスの導入を停止し、チャンバー内の余剰な第１の原料ガスをパージする。
次に、第２の原料ガスを導入し、吸着したインジウムを有するプリカーサと酸化剤を反応させて、インジウム酸化物の層を形成する（図５Ｂに対応）。それから、第２の原料ガスの導入を停止し、チャンバー内の余剰な第２の原料ガスをパージする。
次に、第３の原料ガスを導入し、ガリウムを有するプリカーサをインジウム酸化物の層の上に吸着させる（図５Ｃに対応）。それから、第３の原料ガスの導入を停止し、チャンバー内の余剰な第３の原料ガスをパージする。
次に、第２の原料ガスを導入し、吸着したガリウムを有するプリカーサと酸化剤を反応させて、ガリウム酸化物の層を形成する（図５Ｄに対応）。それから、第２の原料ガスの導入を停止し、チャンバー内の余剰な第２の原料ガスをパージする。
次に、第４の原料ガスを導入し、亜鉛を有するプリカーサをガリウム酸化物の層の上に吸着させる（図６Ａに対応）。それから、第４の原料ガスの導入を停止し、チャンバー内の余剰な第４の原料ガスをパージする。
次に、第２の原料ガスを導入し、吸着した亜鉛を有するプリカーサと酸化剤を反応させて、亜鉛酸化物の層を形成する（図６Ｂに対応）。それから、第２の原料ガスの導入を停止し、チャンバー内の余剰な第２の原料ガスをパージする。さらに上記の方法を用いて、亜鉛酸化物の上にインジウムを有するプリカーサを吸着させる（図６Ｃに対応）。
以上の、酸化インジウム、酸化ガリウム、および酸化亜鉛を形成する工程を１サイクルとして、サイクルを繰り返すことで、所望の膜厚のＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を形成することができる。
なお、第１の原料ガス乃至第４の原料ガスの導入は、それぞれパルス状に行われる。チャンバー４５２０に第１の原料ガス、第３の原料ガス、および第４の原料ガスを導入するパルス時間は、０．０５秒以上１秒以下、好ましくは、０．１秒以上０．５秒以下とするのが好ましい。また、第１の原料ガス、第３の原料ガス、および第４の原料ガスをチャンバー４５２０から排気する時間は、０．１秒以上１５秒以下、好ましくは、０．５秒以上１０秒以下とする。チャンバー４５２０に第２の原料ガスを導入するパルス時間は、０．０５秒以上３０秒以下、好ましくは、０．１秒以上１５秒以下とするのが好ましい。また、第２の原料ガスをチャンバー４５２０から排気する時間は、０．１秒以上１５秒以下、好ましくは、０．１秒以上５秒以下とする。
なお、図１０Ｂに示すシーケンスにおいて、第１の原料ガス、第３の原料ガス、および第４の原料ガスの導入順序は、これに限定されない。例えば、亜鉛を有するプリカーサを含む第４のガスを最初に導入してもよい。酸化亜鉛は、酸化インジウムおよび酸化ガリウムよりも結晶構造を形成しやすいので、最下層に安定な酸化亜鉛の結晶を形成することができる。これにより、酸化亜鉛の上に、酸化インジウムおよび酸化ガリウムの層を比較的容易に形成することができる。
上記においては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の成膜について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。同様の方法を用いて、原子数比の異なるＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を形成することができる。求めるＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の原子数比に合わせて、１サイクルにおける、プリカーサを含む原料ガスのパルス回数、またはパルス時間を設定することが好ましい。
例えば、図１０Ｂに示すシーケンスにおいては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を成膜するために、１サイクル中の、インジウムを含む第１の原料ガスと、ガリウムを含む第３の原料ガスと、亜鉛を含む第４の原料ガスのパルス回数を１回ずつとした。このとき、それぞれのプリカーサのパルス時間は同じものとする。
図１１Ａに、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の成膜シーケンスの例を示す。図１１Ａでは、１サイクル中の、インジウムを含む第１の原料ガスのパルス回数が１回、ガリウムを含む第３の原料ガスのパルス回数が３回、亜鉛を含む第４の原料ガスのパルス回数が４回となっている。つまり、プリカーサを含む原料ガスのパルス回数が、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］に対応している。このように成膜を行うことで、図２Ｄに係る層状の結晶構造の金属酸化物を形成することができる。
また、上述のように、基板加熱を行いながらＡＬＤ法による成膜を行うことにより、各酸化物層の再配列を促すことができる。これにより、図１１Ａに示すシーケンスに従って成膜しても、図２Ｄに示す層２２のように、一つの酸化物層に二種類の金属元素（インジウムおよびガリウム）を有する層を形成することもできる。
なお、上記においては、リアクタントを含む原料ガスの導入を挟みながら、異なる種類のプリカーサを導入しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、リアクタントを含む原料ガスの導入を挟みながら、連続して同じ種類のプリカーサを有する原料ガスを導入してもよい。このとき、１サイクルにおける、プリカーサを含む原料ガスのパルス回数は、求めるＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の原子数比と同じであることが好ましい。
また、上記においては、第２の原料ガスで酸化を行うインターバルの間に、１種のプリカーサを含む原料ガスしか導入しない構成を示したが、本発明はこれに限られるものではない。第２の原料ガスで酸化を行うインターバルの間に、プリカーサを含む原料ガスを２種以上導入する構成にしてもよい。このとき、プリカーサを含む原料ガスを２種以上同時に導入する構成にしてもよい。また、第２の原料ガスで酸化を行うインターバルの間に、同じ種類のプリカーサを２回連続で導入する構成にしてもよい。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を成膜する際に、図１１Ｂに示すようなシーケンスで成膜してもよい。図１１Ｂでは、図２Ｄに示す、層２２、層４１、層３１、層４１の順に積層される結晶構造に合わせて、第１の原料ガス、第３の原料ガス、第４の原料ガス、第３の原料ガス、第４の原料ガスの順に導入している。ただし、最初の第１の原料ガスと第３の原料ガスの導入は、間に第２の原料ガスの導入を挟まず行っている。つまり、第１の原料ガスに含まれるインジウムを有するプリカーサと、第３の原料ガスに含まれるガリウムを有するプリカーサが吸着されてから、酸化剤を導入している。これにより、図２Ｄに示す層２２のように、一つの酸化物層に二種類の金属元素（インジウムおよびガリウム）を有する層を形成することができる。このとき、第１の原料ガスと第３の原料ガスのパルス時間は第４の原料ガスのパルス時間の半分ほどにすることが好ましい。これにより、図１１Ｂに示すように、１サイクル中の、インジウムを含む第１の原料ガスのパルス時間と、ガリウムを含む第３の原料ガスのパルス時間と、亜鉛を含む第４の原料ガスのパルス時間の比を、原子数比と同じ１：３：４にすることができる。
上記においては、原子数比が一定の酸化物の成膜について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。同様の方法を用いて、原子数比の異なる２種類以上の酸化物を連続して成膜することができる。この場合、原子数比が異なる積層酸化物において、それぞれの酸化物の原子数比に合わせて、１サイクルにおける、プリカーサを含む原料ガスのパルス回数、またはパルス時間を設定することが好ましい。このように成膜することで、原子数比が異なる積層酸化物を、単一のチャンバーで成膜することができる。よって、それぞれの酸化物を成膜するインターバルにおいて、水素、または炭素などの不純物が入り込むのを防ぐことができる。
図１２に、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物の上に、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の酸化物を積層するときの成膜シーケンスの例を示す。ステップ１０４ａはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］の酸化物に対応しており、図１１Ａに示すシーケンスと同様である。また、ステップ１０４ｂはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］の酸化物に対応しており、図１０Ｂに示すシーケンスと同様である。このように、前半は１サイクルのパルス回数を第１の原料ガス：第３の原料ガス：第４の原料ガス＝１：３：４で行い、後半は１サイクルのパルス回数を第１の原料ガス：第３の原料ガス：第４の原料ガス＝１：１：１で行うことで、図３Ｂに示す酸化物６２と酸化物６０の積層構造の金属酸化物を成膜することができる。つまり、前半はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］に対応したパルス回数で成膜し、後半はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］に対応したパルス回数で成膜している。
なお、上記においては、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を例に挙げて成膜方法について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。求める金属酸化物に含まれる金属元素に合わせて、適宜プリカーサを設定すればよい。また、上記においては、プリカーサの数を１種または３種としたが、これに限られることなく、２種または４種以上にしてもよい。
また、上記において、１種類の金属元素を有するプリカーサを用いて成膜を行う例を示したが、本発明はこれに限られるものではない。２種以上の金属元素を有するプリカーサを用いてもよい。例えば、インジウムとガリウムを含むプリカーサ、またはガリウムと亜鉛を含むプリカーサなどを用いてもよい。この場合、図８Ａなどに示す原料供給部４５２１の数を減らせることができる。
＜結晶構造の分類＞
以下では、上記の金属酸化物（酸化物半導体）における結晶構造の分類について、説明する。
はじめに、酸化物半導体における結晶構造の分類について、図１３Ａを用いて説明を行う。図１３Ａは、酸化物半導体、代表的にはＩＧＺＯ（Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を含む金属酸化物）の結晶構造の分類を説明する図である。
図１３Ａに示すように、酸化物半導体は、大きく分けて「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ（結晶性）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」と、に分類される。また、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ」の中には、ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓが含まれる。また、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の中には、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ－ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、ｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、及びＣＡＣ（ｃｌｏｕｄ－ａｌｉｇｎｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）が含まれる（ｅｘｃｌｕｄｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌ）。なお、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の分類には、ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ、ｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌ、及びｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓは除かれる。また、「Ｃｒｙｓｔａｌ」の中には、ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ、及びｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌが含まれる。
なお、図１３Ａに示す太枠内の構造は、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」との間の中間状態であり、新しい境界領域（Ｎｅｗ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｈａｓｅ）に属する構造である。すなわち、当該構造は、エネルギー的に不安定な「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」、または「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」とは全く異なる構造と言い換えることができる。
なお、膜または基板の結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）スペクトルを用いて評価することができる。ここで、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」に分類されるＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＧＩＸＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ－Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ＸＲＤ）測定で得られるＸＲＤスペクトルを図１３Ｂに示す。なお、ＧＩＸＤ法は、薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ－Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。以降、図１３Ｂに示すＧＩＸＤ測定で得られるＸＲＤスペクトルを、単にＸＲＤスペクトルと記す。なお、図１３Ｂに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、図１３Ｂに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の厚さは、５００ｎｍである。
図１３Ｂに示すように、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、明確な結晶性を示すピークが検出される。具体的には、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、２θ＝３１°近傍に、ｃ軸配向を示すピークが検出される。なお、図１３Ｂに示すように、２θ＝３１°近傍のピークは、ピーク強度が検出された角度を軸に左右非対称である。
また、膜または基板の結晶構造は、極微電子線回折法（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって観察される回折パターン（極微電子線回折パターンともいう。）にて評価することができる。ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の回折パターンを、図１３Ｃに示す。図１３Ｃは、電子線を基板に対して平行に入射するＮＢＥＤによって観察される回折パターンである。なお、図１３Ｃに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、極微電子線回折法では、プローブ径を１ｎｍとして電子線回折が行われる。
図１３Ｃに示すように、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の回折パターンでは、ｃ軸配向を示す複数のスポットが観察される。
＜ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物＞
以下では、ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物の詳細について、説明を行う。
ＣＡＡＣ構造は、複数の結晶を有し、当該複数の結晶はｃ軸が特定の方向に配向している。なお、特定の方向とは、ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物の厚さ方向、ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物の被形成面の法線方向、またはＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物の表面の法線方向である。なお、結晶領域と表記する場合、当該結晶領域は、ＣＡＡＣ構造が有する結晶そのもの、または、ＣＡＡＣ構造が有する結晶およびその近傍の領域のことを指す。よって、ＣＡＡＣ構造が有する結晶を、ＣＡＡＣ構造が有する結晶領域と表記することがある。
結晶領域とは、原子配列に周期性を有する領域である。なお、原子配列を格子配列とみなすと、結晶領域とは、格子配列の揃った領域でもある。さらに、ＣＡＡＣ構造は、ａ－ｂ面方向において複数の結晶領域が連結する領域を有し、当該領域は歪みを有する場合がある。なお、歪みとは、複数の結晶領域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。つまり、ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物は、ｃ軸配向し、ａ－ｂ面方向には明らかな配向をしていない金属酸化物である。
なお、上記複数の結晶領域のそれぞれは、１つまたは複数の微小な結晶（最大径が１０ｎｍ未満である結晶）で構成される。結晶領域が１つの微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の最大径は１０ｎｍ未満となる。また、結晶領域が多数の微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の大きさは、数十ｎｍ程度となる場合がある。
また、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、スズ、チタンなどから選ばれた一種、または複数種）において、ＣＡＡＣ構造は、インジウム（Ｉｎ）、及び酸素を有する層と、元素Ｍ、亜鉛（Ｚｎ）、及び酸素を有する層とが積層した、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、及び酸素を有する層には元素Ｍまたは亜鉛が含まれる場合がある。また、元素Ｍ、亜鉛、及び酸素を有する層にはインジウムが含まれる場合がある。当該層状構造は、例えば、高分解能ＴＥＭ像において、格子像として観察される。
ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物に対し、例えば、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定では、ｃ軸配向を示すピークが２θ＝３１°またはその近傍に検出される。なお、ｃ軸配向を示すピークの位置（２θの値）は、金属酸化物を構成する金属元素の種類、組成などにより変動する場合がある。
また、例えば、ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物の電子線回折パターンにおいて、複数の輝点（スポット）が観測される。なお、あるスポットと別のスポットとは、試料を透過した入射電子線のスポット（ダイレクトスポットともいう。）を対称中心として、点対称の位置に観測される。
上記特定の方向から結晶領域を観察した場合、当該結晶領域内の格子配列は、六方格子を基本とするが、単位格子は正六角形とは限らず、非正六角形である場合がある。また、上記歪みにおいて、五角形、七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物において、歪み近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。即ち、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構造を有する金属酸化物が、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないこと、または金属原子が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物は、結晶性が高く、明確な結晶粒界が確認されない金属酸化物である。つまり、ＣＡＡＣを有する金属酸化物は、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。よって、ＣＡＡＣ構造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構造を有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。したがって、ＣＡＡＣ構造を有する金属酸化物は、トランジスタの半導体層に好適な結晶構造を有する結晶性の酸化物の一つである。
＜金属酸化物を有するトランジスタ＞
続いて、金属酸化物（酸化物半導体）をトランジスタに用いる場合について説明する。
本発明の一態様の金属酸化物（酸化物半導体）をトランジスタに用いることで、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、微細化または高集積化されたトランジスタを実現することができる。例えば、チャネル長が２ｎｍ以上３０ｎｍ以下のトランジスタを作製しうる。
トランジスタのチャネル形成領域には、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。例えば、酸化物半導体のチャネル形成領域のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ－３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ－３以下、さらに好ましくは１×１０１３ｃｍ－３以下、より好ましくは１×１０１１ｃｍ－３以下、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ－３未満であり、１×１０－９ｃｍ－３以上である。なお、酸化物半導体膜のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体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又は実質的に高純度真性と言う。なお、キャリア濃度の低い酸化物半導体を、高純度真性又は実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ場合がある。
また、高純度真性又は実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、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、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体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。
＜金属酸化物中の不純物＞
ここで、金属酸化物（酸化物半導体）中における各不純物の影響について説明する。
酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンまたは炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体のチャネル形成領域におけるシリコンまたは炭素の濃度と、酸化物半導体のチャネル形成領域との界面近傍のシリコンまたは炭素の濃度（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、酸化物半導体にアルカリ金属又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。従って、アルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体のチャネル形成領域中のアルカリ金属又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、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア濃度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を半導体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。または、酸化物半導体において、窒素が含まれると、トラップ準位が形成される場合がある。この結果、トランジスタの電気特性が不安定となる場合がある。このため、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体のチャネル形成領域中の窒素濃度を、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以下にする。
また、酸化物半導体に含まれる水素は、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酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物半導体のチャネル形成領域における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、酸化物半導体のチャネル形成領域において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満にする。
不純物が十分に低減された酸化物半導体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。
＜トランジスタの半導体層に適用可能なその他の材料＞
本発明の一態様は、上述の金属酸化物に限られない。例えば、層状物質であってもよい。層状物質は、単位層内における電気伝導性が高く、つまり、２次元電気伝導性が高い。半導体として機能し、かつ、２次元電気伝導性の高い材料をチャネル形成領域に用いることで、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。
層状物質として、グラフェン、シリセン、カルコゲン化物などがある。カルコゲン化物は、カルコゲンを含む化合物である。また、カルコゲンは、第１６族に属する元素の総称であり、酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム、リバモリウムが含まれる。また、カルコゲン化物として、遷移金属カルコゲナイド、１３族カルコゲナイドなどが挙げられる。
トランジスタの半導体層として、例えば、半導体として機能する遷移金属カルコゲナイドを用いることが好ましい。トランジスタの半導体層として適用可能な遷移金属カルコゲナイドとして、具体的には、硫化モリブデン（代表的にはＭｏＳ２）、セレン化モリブデン（代表的にはＭｏＳｅ２）、モリブデンテルル（代表的にはＭｏＴｅ２）、硫化タングステン（代表的にはＷＳ２）、セレン化タングステン（代表的にはＷＳｅ２）、タングステンテルル（代表的にはＷＴｅ２）、硫化ハフニウム（代表的にはＨｆＳ２）、セレン化ハフニウム（代表的にはＨｆＳｅ２）、硫化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳ２）、セレン化ジルコニウム（代表的にはＺｒＳｅ２）などが挙げられる。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、本実施の形態に示す他の構成、方法、また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２）
本実施の形態では、図１４乃至図３０を用いて、先の実施の形態に示す金属酸化物を用いたトランジスタ２００を有する半導体装置の一例、およびその作製方法について説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図１４を用いて、トランジスタ２００を有する半導体装置の構成を説明する。図１４Ａ乃至図１４Ｄは、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図および断面図である。図１４Ａは、当該半導体装置の上面図である。また、図１４Ｂ乃至図１４Ｄは、当該半導体装置の断面図である。ここで、図１４Ｂは、図１４Ａ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１４Ｃは、図１４Ａ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。また、図１４Ｄは、図１４ＡにＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図１４Ａ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、基板（図示せず）上の絶縁体２１２と、絶縁体２１２上の絶縁体２１４と、絶縁体２１４上のトランジスタ２００と、トランジスタ２００上の絶縁体２８０と、絶縁体２８０上の絶縁体２８２と、絶縁体２８２上の絶縁体２８３と、絶縁体２８３上の絶縁体２８５と、を有する。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５は層間絶縁膜として機能する。また、トランジスタ２００と電気的に接続し、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）を有する。なお、プラグとして機能する導電体２４０の側面に接して絶縁体２４１（絶縁体２４１ａ、および絶縁体２４１ｂ）が設けられる。また、絶縁体２８５上、および導電体２４０上には、導電体２４０と電気的に接続し、配線として機能する導電体２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）が設けられる。
絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５の開口の内壁に接して絶縁体２４１ａが設けられ、絶縁体２４１ａの側面に接して導電体２４０ａが設けられている。また、絶縁体２８０、絶縁体２８２、および絶縁体２８３、および絶縁体２８５の開口の内壁に接して絶縁体２４１ｂが設けられ、絶縁体２４１ｂの側面に接して導電体２４０ｂが設けられている。なお、絶縁体２４１は、第１の絶縁体が上記開口の内壁に接して設けられ、さらに内側に第２の絶縁体が設けられる構造になっている。また、導電体２４０は、第１の導電体が絶縁体２４１の側面に接して設けられ、さらに内側に第２の導電体が設けられる構造になっている。
なお、トランジスタ２００では、絶縁体２４１の第１の絶縁体および絶縁体２４１の第２の絶縁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、絶縁体２４１を単層、または３層以上の積層構造として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２４０の第１の導電体および導電体２４０の第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２４０を単層、または３層以上の積層構造として設ける構成にしてもよい。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。
［トランジスタ２００］
図１４Ａ乃至図１４Ｄに示すように、トランジスタ２００は、絶縁体２１４上の絶縁体２１６と、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上、および導電体２０５上の絶縁体２２２と、絶縁体２２２上の絶縁体２２４と、絶縁体２２４上の酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａ上の酸化物２３０ｂと、酸化物２３０ｂ上の導電体２４２ａと、導電体２４２ａ上の絶縁体２７１ａと、酸化物２３０ｂ上の導電体２４２ｂと、導電体２４２ｂ上の絶縁体２７１ｂと、酸化物２３０ｂ上の絶縁体２５０（絶縁体２５０ａ、および絶縁体２５０ｂ）と、絶縁体２５０上に位置し、酸化物２３０ｂの一部と重なる導電体２６０（導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂ）と、絶縁体２２２、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２ａ、導電体２４２ｂ、絶縁体２７１ａ、および絶縁体２７１ｂを覆って配置される絶縁体２７５と、を有する。
なお、以下において、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂをまとめて酸化物２３０と呼ぶ場合がある。また、導電体２４２ａと導電体２４２ｂをまとめて導電体２４２と呼ぶ場合がある。また、絶縁体２７１ａと絶縁体２７１ｂをまとめて絶縁体２７１と呼ぶ場合がある。
絶縁体２８０および絶縁体２７５には、酸化物２３０ｂに達する開口が設けられる。当該開口内に、絶縁体２５０、および導電体２６０が配置されている。また、トランジスタ２００のチャネル長方向において、絶縁体２７１ａ、および導電体２４２ａと、絶縁体２７１ｂ、および導電体２４２ｂと、の間に導電体２６０、および絶縁体２５０が設けられている。絶縁体２５０は、導電体２６０の側面と接する領域と、導電体２６０の底面と接する領域と、を有する。
酸化物２３０は、絶縁体２２４の上に配置された酸化物２３０ａと、酸化物２３０ａの上に配置された酸化物２３０ｂと、を有することが好ましい。酸化物２３０ｂの下に酸化物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。
なお、トランジスタ２００では、酸化物２３０が、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの２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、または３層以上の積層構造を設ける構成にしてもよいし、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂのそれぞれが積層構造を有していてもよい。
導電体２６０は、第１のゲート（トップゲートともいう。）電極として機能し、導電体２０５は、第２のゲート（バックゲートともいう。）電極として機能する。また、絶縁体２５０は、第１のゲート絶縁膜として機能し、絶縁体２２４および絶縁体２２２は、第２のゲート絶縁膜として機能する。また、導電体２４２ａは、ソース電極またはドレイン電極の一方として機能し、導電体２４２ｂは、ソース電極またはドレイン電極の他方として機能する。また、酸化物２３０の導電体２６０と重畳する領域の少なくとも一部はチャネル形成領域として機能する。
トランジスタ２００は、チャネル形成領域を含む酸化物２３０（酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ）に、先の実施の形態に示す金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）を用いることが好ましい。
先の実施の形態に示す金属酸化物は、半導体として機能することができる。このとき、当該金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、または、２．５ｅＶ以上である。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２３０として、例えば、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有する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。また、酸化物２３０として、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、インジウム酸化物を用いてもよい。
ここで、酸化物２３０ｂ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。例えば、酸化物２３０ａとして、先の実施の形態の図２Ｄに示す金属酸化物を用いることができる。また、例えば、酸化物２３０ｂとして、先の実施の形態の図２Ｂに示す金属酸化物を用いることができる。
このように、酸化物２３０ｂの下に酸化物２３０ａを配置することで、酸化物２３０ａよりも下方に形成された構造物からの、酸化物２３０ｂに対する、不純物および酸素の拡散を抑制することができる。
また、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂ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ため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
また、酸化物２３０ｂは、結晶性を有することが好ましい。特に、酸化物２３０ｂとして、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いることが好ましい。先の実施の形態に示す成膜方法を用いることで、不純物が低減され、良好な結晶を有するＣＡＡＣ－ＯＳを形成することができる。
ＣＡＡＣ－ＯＳは、結晶性の高い、緻密な構造を有しており、不純物または欠陥（例えば、酸素欠損（ＶＯ）など）が少ない金属酸化物である。特に、金属酸化物の形成後に、金属酸化物が多結晶化しない程度の温度（例えば、４００℃以上６００℃以下）で加熱処理することで、ＣＡＡＣ－ＯＳをより結晶性の高い、緻密な構造にすることができる。このようにして、ＣＡＡＣ－ＯＳの密度をより高めることで、当該ＣＡＡＣ－ＯＳ中の不純物または酸素の拡散をより低減することができる。
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。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。
また、ＣＡＡＣ－ＯＳなどの結晶性を有する酸化物は、不純物または欠陥（酸素欠損など）が少なく、結晶性の高い、緻密な構造を有しているので、ソース電極またはドレイン電極による、酸化物２３０ｂからの酸素の引き抜きを抑制することができる。これにより、熱処理を行っても、酸化物２３０ｂから酸素が引き抜かれることを低減できるので、トランジスタ２００は、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対して安定である。
ここで、トランジスタ２００のチャネル形成領域近傍の拡大図を図１５Ａに示す。酸化物２３０ｂに酸素が供給されることで、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域にチャネル形成領域が形成される。よって、図１５Ａに示すように、酸化物２３０ｂ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２３０ｂｃと、領域２３０ｂｃを挟むように設けられ、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂと、を有する。領域２３０ｂｃは、少なくとも一部が導電体２６０と重畳している。言い換えると、領域２３０ｂｃは、導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域に設けられている。領域２３０ｂａは、導電体２４２ａに重畳して設けられており、領域２３０ｂｂは、導電体２４２ｂに重畳して設けられている。
チャネル形成領域として機能する領域２３０ｂｃは、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂよりも、酸素欠損が少なく、または不純物濃度が低いため、キャリア濃度が低い高抵抗領域である。よって領域２３０ｂｃは、ｉ型（真性）または実質的にｉ型であるということができる。
また、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂは、酸素欠損が多く、かつ水素、窒素、または金属元素などの不純物濃度が高いことで、キャリア濃度が増加し、低抵抗化した領域である。すなわち、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂは、領域２３０ｂｃと比較して、キャリア濃度が高く、低抵抗なｎ型の領域である。
ここで、チャネル形成領域として機能する領域２３０ｂｃのキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ－３以下であることが好ましく、１×１０１７ｃｍ－３未満であることがより好ましく、１×１０１６ｃｍ－３未満であることがさらに好ましく、１×１０１３ｃｍ－３未満であることがさらに好ましく、１×１０１２ｃｍ－３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域として機能する領域２３０ｂｃのキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、１×１０－９ｃｍ－３とすることができる。
また、領域２３０ｂｃと領域２３０ｂａまたは領域２３０ｂｂとの間に、キャリア濃度が、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂのキャリア濃度と同等、またはそれよりも低く、領域２３０ｂｃのキャリア濃度と同等、またはそれよりも高い領域が形成されていてもよい。つまり、当該領域は、領域２３０ｂｃと領域２３０ｂａまたは領域２３０ｂｂとの接合領域として機能する。当該接合領域は、水素濃度が、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂの水素濃度と同等、またはそれよりも低く、領域２３０ｂｃの水素濃度と同等、またはそれよりも高くなる場合がある。また、当該接合領域は、酸素欠損が、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂの酸素欠損と同等、またはそれよりも少なく、領域２３０ｂｃの酸素欠損と同等、またはそれよりも多くなる場合がある。
なお、図１５Ａでは、領域２３０ｂａ、領域２３０ｂｂ、および領域２３０ｂｃが酸化物２３０ｂに形成される例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、上記の各領域が酸化物２３０ｂだけでなく、酸化物２３０ａまで形成されてもよい。
また、酸化物２３０において、各領域の境界を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、ならびに水素、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、ならびに水素、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。
また、図１４Ｃに示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面視において、酸化物２３０ｂの側面と酸化物２３０ｂの上面との間に、湾曲面を有してもよい。つまり、当該側面の端部と当該上面の端部は、湾曲してもよい（ラウンド状ともいう。）。
上記湾曲面での曲率半径は、０ｎｍより大きく、導電体２４２と重なる領域の酸化物２３０ｂの膜厚より小さい、または、上記湾曲面を有しない領域の長さの半分より小さいことが好ましい。上記湾曲面での曲率半径は、具体的には、０ｎｍより大きく２０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上１５ｎｍ以下、さらに好ましくは２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。このような形状にすることで、絶縁体２５０および導電体２６０の、酸化物２３０ｂへの被覆性を高めることができる。
酸化物２３０は、化学組成が異なる複数の酸化物層の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、主成分である金属元素に対する元素Ｍの原子数比が、酸化物２３０ｂに用いる金属酸化物における、主成分である金属元素に対する元素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。先の実施の形態に示す成膜方法を用いることで、原子数比の異なる酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂを、単一のチャンバーで連続して成膜することができる。これにより、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂの界面などに、水素などの不純物が過剰に混入するのを防ぐことができる。
ここで、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂの接合部において、伝導帯下端はなだらかに変化する。換言すると、酸化物２３０ａと酸化物２３０ｂの接合部における伝導帯下端は、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との界面に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が、酸素以外に共通の元素を主成分として有することで、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－Ｍ－Ｚｎ酸化物の場合、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物、Ｍ－Ｚｎ酸化物、元素Ｍの酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、インジウム酸化物などを用いてもよい。
具体的には、酸化物２３０ａとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：０．５［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。また、酸化物２３０ｂとして、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］もしくはその近傍の組成、またはＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：３［原子数比］もしくはその近傍の組成の金属酸化物を用いればよい。なお、近傍の組成とは、所望の原子数比の±３０％の範囲を含む。また、元素Ｍとして、ガリウムを用いることが好ましい。先の実施の形態に示す成膜方法を用いることで、上記のような様々な原子数比の金属酸化物を比較的容易に形成することができる。
酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂ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は大きいオン電流、および高い周波数特性を得ることができる。
なお、トランジスタ２００では、酸化物２３０が、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂの２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、または３層以上の積層構造を設ける構成にしてもよい。また、酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂのそれぞれが積層構造を有していてもよい。また、酸化物２３０を３層以上の積層構造にする場合、絶縁体２５０と同様に、絶縁体２８０および絶縁体２７５に形成された開口の中に、酸化物２３０の積層構造の一部を形成してもよい。
絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の少なくとも一は、水、水素などの不純物が、基板側から、または、トランジスタ２００の上方からトランジスタ２００に拡散すること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２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の少なくとも一は、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。
なお、本明細書において、バリア絶縁膜とは、バリア性を有する絶縁膜のことを指す。本明細書において、バリア性とは、対応する物質の拡散を抑制する機能（透過性が低いともいう）のことを指す。または、対応する物質を、捕獲、および固着する（ゲッタリングともいう）機能のことを指す。
絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、および絶縁体２８３としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、インジウムガリウム亜鉛酸化物、窒化シリコン、または窒化酸化シリコンなどを用いることができる。例えば、絶縁体２１２、絶縁体２７５、および絶縁体２８３として、より水素バリア性が高い、窒化シリコンなどを用いることが好ましい。また、例えば、絶縁体２１４、絶縁体２７１、および絶縁体２８２として、水素を捕獲および水素を固着する機能が高い、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウム、などを用いることが好ましい。これにより、水、水素などの不純物が絶縁体２１２、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、水、水素などの不純物が絶縁体２８３よりも外側に配置されている層間絶縁膜などから、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２１２、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。または、絶縁体２８０などに含まれる酸素が、絶縁体２８２などを介してトランジスタ２００より上方に、拡散するのを抑制することができる。この様に、トランジスタ２００を、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で取り囲む構造とすることが好ましい。
ここで、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の少なくとも一として、アモルファス構造を有する酸化物を用いることが好ましい。例えば、ＡｌＯｘ（ｘは０より大きい任意数）、またはＭｇＯｙ（ｙは０より大きい任意数）などの金属酸化物を用いることが好ましい。このようなアモルファス構造を有する金属酸化物では、酸素原子がダングリングボンドを有しており、当該ダングリングボンドで水素を捕獲または固着する性質を有する場合がある。このようなアモルファス構造を有する金属酸化物をトランジスタ２００の構成要素として用いる、またはトランジスタ２００の周囲に設けることで、トランジスタ２００に含まれる水素、またはトランジスタ２００の周囲に存在する水素を捕獲または固着することができる。特にトランジスタ２００のチャネル形成領域に含まれる水素を捕獲または固着することが好ましい。アモルファス構造を有する金属酸化物をトランジスタ２００の構成要素として用いる、またはトランジスタ２００の周囲に設けることで、良好な特性を有し、信頼性の高いトランジスタ２００、および半導体装置を作製することができる。
なお、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の少なくとも一は、アモルファス構造であることが好ましいが、一部に多結晶構造の領域が形成されていてもよい。また、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の少なくとも一は、アモルファス構造の層と、多結晶構造の層と、が積層された多層構造であってもよい。例えば、アモルファス構造の層の上に多結晶構造の層が形成された積層構造でもよい。
絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の成膜は、例えば、スパッタリング法を用いて行えばよい。スパッタリング法は、成膜ガスに水素を用いなくてよいので、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の水素濃度を低減することができる。なお、成膜方法は、スパッタリング法に限られるものではなく、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、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを適宜用いてもよい。例えば、絶縁体２７５は、被覆性が比較的良好なＡＬＤ法を用いて成膜してもよい。また、ＡＬＤ法の中でも、成膜温度を比較的低くすることができるＰＥＡＬＤ法を用いてもよい。
また、絶縁体２１２、および絶縁体２８３の抵抗率を低くすることが好ましい場合がある。例えば、絶縁体２１２、および絶縁体２８３の抵抗率を概略１×１０１３Ωｃｍとすることで、半導体装置作製工程のプラズマ等を用いる処理において、絶縁体２１２、および絶縁体２８３が、導電体２０５、導電体２４２、導電体２６０、または導電体２４６のチャージアップを緩和することができる場合がある。絶縁体２１２、および絶縁体２８３の抵抗率は、好ましくは、１×１０１０Ωｃｍ以上１×１０１５Ωｃｍ以下とする。
また、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、絶縁体２１４よりも誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間絶縁膜とすることで、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、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などを適宜用いればよい。
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。ここで、導電体２０５は、絶縁体２１６に形成された開口に埋め込まれて設けることが好ましい。また、導電体２０５の一部が絶縁体２１４に埋め込まれる場合がある。
導電体２０５は、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂを有する。導電体２０５ａは、当該開口の底面および側壁に接して設けられる。導電体２０５ｂは、導電体２０５ａに形成された凹部に埋め込まれるように設けられる。ここで、導電体２０５ｂの上面の高さは、導電体２０５ａの最上部の高さおよび絶縁体２１６の上面の高さと略一致する。
ここで、導電体２０５ａ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２０５ａに、水素の拡散を低減する機能を有する導電性材料を用いることにより、導電体２０５ｂに含まれる水素などの不純物が、絶縁体２２４等を介して、酸化物２３０に拡散するのを防ぐことができる。また、導電体２０５ａに、酸素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により、導電体２０５ｂ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、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、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２０５ａとしては、上記導電性材料を単層または積層とすればよい。例えば、導電体２０５ａは、窒化チタンを用いればよい。
また、導電体２０５ｂ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。例えば、導電体２０５ｂは、タングステンを用いればよい。
導電体２０５は、第２のゲート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のしきい値電圧（Ｖｔｈ）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、導電体２０５に電位を印加しない場合よりトランジスタ２００のＶｔｈを大きくし、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。
なお、導電体２０５は、図１４Ａに示すように、酸化物２３０の導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂと重ならない領域の大きさよりも、大きく設けるとよい。特に、図１４Ｃに示すように、導電体２０５は、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂ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。つまり、酸化物２３０のチャネル幅方向における側面の外側において、導電体２０５と、導電体２６０とは、絶縁体を介して重畳していることが好ましい。当該構成を有することで、第１のゲート電極として機能する導電体２６０の電界と、第２のゲート電極として機能する導電体２０５の電界によって、酸化物２３０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、および第２のゲートの電界によって、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。
なお、本明細書等において、Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造のトランジスタとは、一対のゲート電極の一方および他方の電界によって、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表す。また、本明細書等で開示するＳ－ｃｈａｎｎｅｌ構造は、Ｆｉｎ型構造およびプレーナ型構造とは異なる。Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。
また、図１４Ｃに示すように、導電体２０５は延伸させて、配線としても機能させている。ただし、これに限られることなく、導電体２０５の下に、配線として機能する導電体を設ける構成にしてもよい。また、導電体２０５は、必ずしも各トランジスタに一個ずつ設ける必要はない。例えば、導電体２０５を複数のトランジスタで共有する構成にしてもよい。
なお、トランジスタ２００では、導電体２０５は、導電体２０５ａ、および導電体２０５ｂ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設ける構成にしてもよい。
絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、ゲート絶縁膜として機能する。
絶縁体２２２は、水素（例えば、水素原子、水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ことが好ましい。また、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ことが好ましい。例えば、絶縁体２２２は、絶縁体２２４よりも水素および酸素の一方または双方の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。
絶縁体２２２は、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。当該絶縁体として、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から基板側への酸素の放出、またはトランジスタ２００の周辺部から酸化物２３０への水素等の不純物の拡散を抑制する層として機能する。よって、絶縁体２２２を設けることで、水素等の不純物が、トランジスタ２００の内側へ拡散することを抑制し、酸化物２３０中の酸素欠損の生成を抑制することができる。また、導電体２０５が、絶縁体２２４または、酸化物２３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。
または、上記絶縁体に、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。また、絶縁体２２２は、これら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）、（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てもよい。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。
酸化物２３０と接する絶縁体２２４は、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコンなどを適宜用いればよい。酸素を含む絶縁体２２４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。絶縁体２２４は、酸化物２３０ａと重畳するように、島状に加工されていることが好ましい。この場合、絶縁体２７５が、絶縁体２２４の側面および絶縁体２２２の上面に接する構成になる。このような構成にすることで、絶縁体２２４の体積を著しく小さくし、絶縁体２２４と絶縁体２８０を絶縁体２７５によって離隔することができる。よって、絶縁体２８０に含まれる酸素が絶縁体２２４に拡散し、絶縁体２２４中の酸素が過剰になりすぎるのを抑制することができる。
なお、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。なお、図１４Ｂなどにおいて、絶縁体２２４を、酸化物２３０ａと重畳して島状に形成する構成について示したが、本発明はこれに限られるものではない。絶縁体２２４に含まれる酸素量を適正に調整できるならば、絶縁体２２２と同様に、絶縁体２２４をパターニングしない構成にしてもよい。
また、トランジスタ２００の作製工程中において、酸化物２３０の表面が露出した状態で、加熱処理を行うと好適である。当該加熱処理は、例えば、１００℃以上６００℃以下、より好ましくは３５０℃以上５５０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、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。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物２３０に酸素を供給して、酸素欠損（ＶＯ）の低減を図ることができる。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、窒素ガスもしくは不活性ガスの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％以上含む雰囲気で行ってもよい。または、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した後に、連続して窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理を行っても良い。
なお、酸化物２３０に加酸素化処理を行うことで、酸化物２３０中の酸素欠損を、供給された酸素により修復させる、別言すると「ＶＯ＋Ｏ→ｎｕｌｌ」という反応を促進させることができる。さらに、酸化物２３０中に残存した水素に供給された酸素が反応することで、当該水素をＨ２Ｏとして除去する（脱水化する）ことができる。これにより、酸化物２３０中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してＶＯＨが形成されるのを抑制することができる。
導電体２４２ａおよび、導電体２４２ｂは、酸化物２３０ｂの上面に接して設けられることが好ましい。導電体２４２ａと導電体２４２ｂは、それぞれトランジスタ２００のソース電極またはドレイン電極として機能する。
導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）としては、例えば、タンタルを含む窒化物、チタンを含む窒化物、モリブデンを含む窒化物、タングステンを含む窒化物、タンタルおよびアルミニウムを含む窒化物、チタンおよびアルミニウムを含む窒化物などを用いることが好ましい。本発明の一態様においては、タンタルを含む窒化物が特に好ましい。また、例えば、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いてもよい。これらの材料は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。
ここで、導電体２４２として、圧縮応力が大きい膜を用いることが好ましく、例えば、スパッタリング法を用いて成膜した窒化タンタルを用いることが好ましい。導電体２４２の応力によって、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂの結晶構造に歪が生じることで、これらの領域に酸素欠損（ＶＯ）が形成されやすくなる。これにより、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂに生じるＶＯＨの量が増えるので、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂのキャリア濃度を増加させ、ｎ型にすることができる。
なお、酸化物２３０ｂなどに含まれる水素が、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに拡散する場合がある。特に、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂに、タンタルを含む窒化物を用いることで、酸化物２３０ｂなどに含まれる水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに拡散しやすく、拡散した水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂが有する窒素と結合することがある。つまり、酸化物２３０ｂなどに含まれる水素は、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂに吸い取られる場合がある。
また、導電体２４２の側面と導電体２４２の上面との間に、湾曲面が形成されないことが好ましい。当該湾曲面が形成されない導電体２４２とすることで、図１４Ｄに示すような、チャネル幅方向の断面における、導電体２４２の断面積を大きくすることができる。これにより、導電体２４２の導電率を大きくし、トランジスタ２００のオン電流を大きくすることができる。
絶縁体２７１ａは、導電体２４２ａの上面に接して設けられており、絶縁体２７１ｂは、導電体２４２ｂの上面に接して設けられている。絶縁体２７１は、水素などの不純物を捕獲する機能を有することが好ましい。その場合、絶縁体２７１としては、アモルファス構造を有する金属酸化物、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムなどの絶縁体を用いればよい。特に、絶縁体２７１として、アモルファス構造を有する酸化アルミニウム、またはアモルファス構造の酸化アルミニウムを用いることで、より効果的に水素を捕獲または固着できる場合があるため好ましい。これにより、良好な特性を有し、信頼性の高いトランジスタ２００、および半導体装置を作製することができる。
また、絶縁体２７１は、酸素に対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２７１は、酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。例えば、絶縁体２７１は、絶縁体２８０よりも酸素の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。この場合、絶縁体２７１としては、例えば、窒化シリコンなどのシリコンを含む窒化物を用いてもよい。
絶縁体２７５は、絶縁体２２２の上面、絶縁体２２４の側面、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの側面、導電体２４２の側面、絶縁体２７１の側面および上面に接して設けられる。絶縁体２７５は、絶縁体２５０、および導電体２６０が設けられる領域に開口が形成されている。
また、絶縁体２７５は、酸素の透過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。また、絶縁体２７５は、水、水素などの不純物の拡散を抑制するバリア絶縁膜として機能することが好ましく、水素などの不純物を捕獲する機能を有することが好ましい。絶縁体２７５としては、例えば、酸化アルミニウム、または窒化シリコンなどの絶縁体を単層で、または積層して用いればよい。例えば、アモルファス構造の酸化アルミニウム膜を設け、その上に積層して窒化シリコン膜を設ける構成にすればよい。このような積層構造とすることで、酸化アルミニウム膜の単層、または窒化シリコン膜の単層よりも、水素および酸素のバリア性を高めることができるので好ましい。
上記のような絶縁体２７１、および絶縁体２７５を設けることで、酸素に対するバリア性を有する絶縁体で、導電体２４２を包み込むことができる。つまり、絶縁体２２４、絶縁体２８０、および絶縁体２５０ａに含まれる酸素が、導電体２４２に拡散するのを防ぐことができる。これにより、絶縁体２２４、絶縁体２８０、および絶縁体２５０ａに含まれる酸素によって、導電体２４２が直接酸化されて抵抗率が増大し、オン電流が低減するのを抑制することができる。
また、絶縁体２１２と絶縁体２７５に挟まれた領域内で、水素などの不純物を捕獲する機能を有する、絶縁体２１４、絶縁体２７１、および絶縁体２７５を設けることで、絶縁体２２４、または絶縁体２１６などに含まれる水素などの不純物を捕獲し、当該領域内における、水素の量を一定値にすることができる。この場合は、絶縁体２７５の少なくとも一部に、アモルファス構造の酸化アルミニウムが含まれていることが好ましい。
絶縁体２５０は、絶縁体２５０ａと、絶縁体２５０ａ上の絶縁体２５０ｂを有し、ゲート絶縁膜として機能する。また、絶縁体２５０ａは、酸化物２３０ｂの上面、および絶縁体２８０の側面に接して配置することが好ましい。また、絶縁体２５０の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。
絶縁体２５０ａ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、空孔を有する酸化シリコンなど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。なお、絶縁体２５０ａとしては、膜中の炭素含有量が少ない方が好ましい。
ただし、本発明の一態様は、これに限定されず、絶縁体２５０ａの膜中に炭素を有していてもよい。例えば、絶縁体２５０ａの炭素濃度は、ＳＩＭＳによる分析にて、好ましくは、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。なお、絶縁体２５０ａの膜中の炭素濃度は、ＳＩＭＳ分析などにより測定することができる。
絶縁体２５０ａは、絶縁体２２４と同様に、絶縁体２５０ａ中の水、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２５０ａは、加熱により酸素が拡散しやすくなる絶縁体を用いて形成し、絶縁体２５０ｂは、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体２５０ａに含まれる酸素を拡散させる際に、導電体２６０へ酸素が拡散するのを抑制することができる。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０ａに含まれる酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。例えば、絶縁体２５０ｂは、絶縁体２２２と同様の材料を用いて設けることができる。
なお、絶縁体２５０ａに酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを用いる場合、絶縁体２５０ｂは、比誘電率が高いｈｉｇｈ－ｋ材料である絶縁性材料を用いてもよい。ゲート絶縁体を、絶縁体２５０ａと絶縁体２５０ｂとの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、ゲート絶縁体の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化が可能となる。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。
絶縁体２５０ｂとして、具体的には、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、マグネシウムなどから選ばれた一種、もしくは二種以上が含まれた金属酸化物、または酸化物２３０として用いることができる金属酸化物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を用いることが好ましい。当該絶縁体として、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２５０ｂとして、酸化ハフニウム膜と、当該酸化ハフニウム膜上に窒化シリコン膜を設けた積層膜を用いてもよい。
なお、図１４Ｂおよび図１４Ｃでは、絶縁体２５０を２層の積層構造で図示したが、本発明はこれに限られるものではない。絶縁体２５０を単層、または３層以上の積層構造としてもよい。例えば図１５Ｂに示すように、絶縁体２５０ｂと導電体２６０ａの間に絶縁体２５０ｃを設ける構成にしてもよい。絶縁体２５０ｃとしては、上述の絶縁体２８３に用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体２５０ｃとしては、水素に対するバリア絶縁膜を用いることが好ましい。これにより、導電体２６０に含まれる水素などの不純物が、絶縁体２５０ｂ、絶縁体２５０ａ、および酸化物２３０ｂに拡散するのを防ぐことができる。例えば、絶縁体２５０ｃとしてＰＥＡＬＤ法で成膜した窒化シリコンを用いればよい。
また、絶縁体２５０と導電体２６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体２５０から導電体２６０への酸素の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への酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０の酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。
なお、上記金属酸化物は、第１のゲート電極の一部としての機能を有する構成にしてもよい。例えば、酸化物２３０として用いることができる金属酸化物を、上記金属酸化物として用いることができる。その場合、導電体２６０ａをスパッタリング法で成膜することで、上記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。
上記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。
導電体２６０は、絶縁体２５０ｂ上に設けられており、トランジスタ２００の第１のゲート電極として機能する。導電体２６０は、導電体２６０ａと、導電体２６０ａの上に配置された導電体２６０ｂと、を有することが好ましい。例えば、導電体２６０ａは、導電体２６０ｂの底面および側面を包むように配置されることが好ましい。また、図１４Ｂおよび図１４Ｃに示すように、導電体２６０の上面は、絶縁体２５０の上面と略一致している。なお、図１４Ｂおよび図１４Ｃでは、導電体２６０は、導電体２６０ａと導電体２６０ｂの２層構造として示しているが、単層構造でもよいし、３層以上の積層構造であってもよい。
導電体２６０ａ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、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。
また、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に含まれる酸素により、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、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、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２６０は、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、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、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層構造としてもよい。
また、トランジスタ２００では、導電体２６０は、絶縁体２８０などに形成されている開口を埋めるように自己整合的に形成される。導電体２６０をこのように形成することにより、導電体２４２ａと導電体２４２ｂとの間の領域に、導電体２６０を位置合わせすることなく確実に配置することができる。なお、図１５Ａなどに示すように、当該開口の上部が当該開口の下部より広がった形状の場合、導電体２６０も同様に、上部が下部より広がった形状になる。
また、図１４Ｃに示すように、トランジスタ２００のチャネル幅方向において、絶縁体２２２の底面を基準としたときの、導電体２６０の、導電体２６０と酸化物２３０ｂとが重ならない領域の底面の高さは、酸化物２３０ｂの底面の高さより低いことが好ましい。ゲート電極として機能する導電体２６０が、絶縁体２５０などを介して、酸化物２３０ｂのチャネル形成領域の側面および上面を覆う構成とすることで、導電体２６０の電界を酸化物２３０ｂのチャネル形成領域全体に作用させやすくなる。よって、トランジスタ２００のオン電流を増大させ、周波数特性を向上させることができる。絶縁体２２２の底面を基準としたときの、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂと、導電体２６０とが、重ならない領域における導電体２６０の底面の高さと、酸化物２３０ｂの底面の高さと、の差は、０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とする。
絶縁体２８０は、絶縁体２７５上に設けられ、絶縁体２５０、および導電体２６０が設けられる領域に開口が形成されている。また、絶縁体２８０の上面は、平坦化されていてもよい。この場合、絶縁体２８０の上面は、絶縁体２５０の上面、および導電体２６０の上面と概略一致していることが好ましい。
層間絶縁膜として機能する絶縁体２８０は、誘電率が低いことが好ましい。誘電率が低い材料を層間絶縁膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。絶縁体２８０は、例えば、絶縁体２１６と同様の材料を用いて設けることが好ましい。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。特に、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、空孔を有する酸化シリコンなどの材料は、加熱により脱離する酸素を含む領域を容易に形成することができるため好ましい。
絶縁体２８０は、絶縁体２２４と同様に、過剰酸素を有する場合がある。また、絶縁体２８０は、水、水素などの不純物濃度は低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体２８０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコンなどのシリコンを含む酸化物を適宜用いればよい。絶縁体２８０を絶縁体２５０ａに接して設けることにより、絶縁体２５０ａを介して酸化物２３０に酸素を供給することができる。当該酸素によって、酸化物２３０中の酸素欠損を低減することで、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
絶縁体２８２は、絶縁体２８０の上面、絶縁体２５０の上面、および導電体２６０の上面に接して設けられる。絶縁体２８２としては、例えば、酸化アルミニウムなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２８２として、スパッタリング法を用いて酸化アルミニウムを成膜することで、絶縁体２８０に過剰酸素を含ませることができる。絶縁体２８２は、水、水素などの不純物が、上方から絶縁体２８０に拡散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く、水素などの不純物を捕獲する機能を有することが好ましい。また、絶縁体２８２は、酸素の透過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。絶縁体２１２と絶縁体２８３に挟まれた領域内で、絶縁体２８０に接して、水素などの不純物を捕獲する機能を有する、絶縁体２８２を設けることで、絶縁体２８０などに含まれる水素などの不純物を捕獲し、当該領域内における、水素の量を一定値にすることができる。特に、絶縁体２８２として、アモルファス構造を有する酸化アルミニウム、またはアモルファス構造の酸化アルミニウムを用いることで、より効果的に水素を捕獲または固着できる場合があるため好ましい。これにより、良好な特性を有し、信頼性の高いトランジスタ２００、および半導体装置を作製することができる。
絶縁体２８３は、水、水素などの不純物が、上方から絶縁体２８０に拡散するのを抑制するバリア絶縁膜として機能する。絶縁体２８３は、絶縁体２８２の上に配置される。絶縁体２８３としては、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどの、シリコンを含む窒化物を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２８３としてスパッタリング法で成膜された窒化シリコンを用いればよい。絶縁体２８３をスパッタリング法で成膜することで、密度が高く、鬆などが形成されにくい窒化シリコン膜を形成することができる。また、絶縁体２８３として、スパッタリング法で成膜された窒化シリコンの上に、さらに、ＡＬＤ法で成膜された窒化シリコンを積層してもよい。このような構造とすることで、スパッタリング法によって成膜する窒化シリコンに欠陥、例えばボイドが生じても被覆性の良好なＡＬＤ法によって成膜する窒化シリコンによって当該ボイドを埋めて、封止性能を高めることができるので好ましい。
絶縁体２８５は、絶縁体２８３上に設けられる。絶縁体２８５は、例えば、絶縁体２８０と同様の材料を用いて設けることが好ましい。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。なお、図１４Ｂおよび図１４Ｃでは、絶縁体２８５を設ける構造を図示したが、本発明はこれに限られるものではない。絶縁体２８５を設けず、絶縁体２８３に接して、導電体２４６を設ける構成にしてもよい。
導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂ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および導電体２４０ｂは積層構造としてもよい。
また、導電体２４０を積層構造とする場合、絶縁体２４１と接する第１の導電体には、水、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、酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、水、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。また、絶縁体２８３より上層に含まれる水、水素などの不純物が、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。
絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂとしては、絶縁体２７５などに用いることができるバリア絶縁膜を用いればよい。例えば、絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂとして、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂは、絶縁体２８３、絶縁体２８２、および絶縁体２７１に接して設けられるので、絶縁体２８０などに含まれる水、水素などの不純物が、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。特に、窒化シリコンは水素に対するバリア性が高いので好適である。また、絶縁体２８０に含まれる酸素が導電体２４０ａおよび導電体２４０ｂに吸収されるのを防ぐことができる。
絶縁体２４１ａおよび絶縁体２４１ｂを、図１４Ａに示すように積層構造にする場合、絶縁体２８０などの開口の内壁に接する第１の絶縁体と、その内側の第２の絶縁体は、酸素に対するバリア絶縁膜と、水素に対するバリア絶縁膜を組み合わせて用いることが好ましい。
例えば、第１の絶縁体として、ＡＬＤ法で成膜された酸化アルミニウムを用い、第２の絶縁体として、ＰＥＡＬＤ法で成膜された窒化シリコンを用いればよい。このような構成にすることで、導電体２４０の酸化を抑制し、さらに、導電体２４０に水素が混入するのを低減することができる。
また、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２４６（導電体２４６ａ、および導電体２４６ｂ）を配置してもよい。導電体２４６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、チタンまたは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、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、ゲルマニウムを材料とした半導体基板、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。
＜＜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、層間絶縁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、金属酸化物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、酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの金属窒化物を用いることができる。
また、ゲート絶縁体として機能する絶縁体は、加熱により脱離する酸素を含む領域を有する絶縁体であることが好ましい。例えば、加熱により脱離する酸素を含む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。
＜＜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、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。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。
＜＜金属酸化物＞＞
酸化物２３０として、半導体として機能する金属酸化物（酸化物半導体）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、錫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、マグネシウム、コバルト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、コバルトなどがある。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。
＜半導体装置の作製方法＞
次に、図１４Ａ乃至図１４Ｄに示す、本発明の一態様である半導体装置の作製方法を、図１６Ａ乃至図２５Ａ、図１６Ｂ乃至図２５Ｂ、図１６Ｃ乃至図２５Ｃ、および図１６Ｄ乃至図２５Ｄを用いて説明する。
図１６Ａ乃至図２５Ａは上面図を示す。また、図１６Ｂ乃至図２５Ｂは、図１６Ａ乃至図２５Ａ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、図１６Ｃ乃至図２５Ｃは、図１６Ａ乃至図２５Ａ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。また、図１６Ｄ乃至図２５Ｄは、図１６Ａ乃至図２５ＡにＡ５－Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図である。なお、図１６Ａ乃至図２５Ａ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。
以下において、絶縁体を形成するための絶縁性材料、導電体を形成するための導電性材料、または半導体を形成するための半導体材料は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを適宜用いて成膜することができる。
なお、スパッタリング法にはスパッタリング用電源に高周波電源を用いるＲＦスパッタリング法、直流電源を用いるＤＣスパッタリング法、さらにパルス的に電極に印加する電圧を変化させるパルスＤＣスパッタリング法がある。ＲＦスパッタリング法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、ＤＣスパッタリング法は主に金属導電膜を成膜する場合に用いられる。また、パルスＤＣスパッタリング法は、主に、酸化物、窒化物、炭化物などの化合物をリアクティブスパッタリング法で成膜する際に用いられる。
なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法（プラズマ化学気相成長法と呼ぶ場合もある。）、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（有機金属化学気相成長法と呼ぶ場合もある。）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法としては、プリカーサ及びリアクタントの反応を熱エネルギーのみで行う熱ＡＬＤ（Ｔｈｅｒｍａｌ ＡＬＤ）法、プラズマ励起されたリアクタントを用いるＰＥＡＬＤ法などを用いることができる。
また、ＡＬＤ法は、原子の性質である自己制御性を利用し、一層ずつ原子を堆積することができるので、極薄の成膜が可能、アスペクト比の高い構造への成膜が可能、ピンホールなどの欠陥の少ない成膜が可能、被覆性に優れた成膜が可能、低温での成膜が可能、などの効果がある。ＰＥＡＬＤ法では、プラズマを利用することで、より低温での成膜が可能となり好ましい場合がある。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、搬送および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。
まず、基板（図示しない。）を準備し、当該基板上に絶縁体２１２を成膜する（図１６Ａ乃至図１６Ｄ参照。）。絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましい。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２１２中の水素濃度を低減することができる。ただし、絶縁体２１２の成膜は、スパッタリング法に限られるものではなく、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを適宜用いてもよい。
本実施の形態では、絶縁体２１２として、窒素ガスを含む雰囲気でシリコンターゲットを用いて、パルスＤＣスパッタリング法で窒化シリコンを成膜する。パルスＤＣスパッタリング法を用いることで、ターゲット表面のアーキングによるパーティクルの発生を抑制することができるので、膜厚分布をより均一にすることができる。また、パルス電圧を用いることで、高周波電圧より、放電の立ち上がり、立ち下がりを急峻にすることができる。これにより、電極に電力をより効率的に供給し、スパッタレート、および膜質を向上することができる。
窒化シリコンのように水、水素などの不純物が透過しにくい絶縁体を用いることにより、絶縁体２１２より下層に含まれる水、水素などの不純物の拡散を抑制することができる。また、絶縁体２１２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、絶縁体２１２より下層（図示しない。）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２１２を介して上方に拡散するのを抑制することができる。
次に、絶縁体２１２上に絶縁体２１４を成膜する（図１６Ａ乃至図１６Ｄ参照。）。絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましい。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２１４中の水素濃度を低減することができる。ただし、絶縁体２１４の成膜は、スパッタリング法に限られるものではなく、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを適宜用いてもよい。
本実施の形態では、絶縁体２１４として、酸素ガスを含む雰囲気でアルミニウムターゲットを用いて、パルスＤＣスパッタリング法で酸化アルミニウムを成膜する。パルスＤＣスパッタリング法を用いることで、膜厚分布をより均一にし、スパッタレート、および膜質を向上することができる。ここで、基板にＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力を印加してもよい。例えば、絶縁体２１４の下層を成膜するときは、ＲＦ電力を印加せず、絶縁体２１４の上層を成膜するときにＲＦ電力を印加する構成にしてもよい。基板に印加するＲＦ電力の大きさによって、絶縁体２１４より下層へ注入する酸素量を制御することができる。ＲＦ電力としては、０Ｗ／ｃｍ２以上、１．８６Ｗ／ｃｍ２以下とする。つまり、絶縁体２１４の形成の際のＲＦ電力によって、トランジスタの特性に適する酸素量を変化させて注入することができる。従って、トランジスタの信頼性向上に適する酸素量を注入することができる。また、ＲＦの周波数は、１０ＭＨｚ以上が好ましい。代表的には、１３．５６ＭＨｚである。ＲＦの周波数が高いほど基板へ与えるダメージを小さくすることができる。
絶縁体２１４として、水素を捕獲および水素を固着する機能が高い、アモルファス構造を有する金属酸化物、例えば酸化アルミニウムを用いること好ましい。これにより、絶縁体２１６などに含まれる水素を捕獲または固着し、当該水素が酸化物２３０に拡散するのを防ぐことができる。特に、絶縁体２１４として、アモルファス構造を有する酸化アルミニウム、またはアモルファス構造の酸化アルミニウムを用いることで、より効果的に水素を捕獲または固着できる場合があるため好ましい。これにより、良好な特性を有し、信頼性の高いトランジスタ２００、および半導体装置を作製することができる。
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、スパッタリング法を用いて行うことが好ましい。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２１６中の水素濃度を低減することができる。ただし、絶縁体２１６の成膜は、スパッタリング法に限られるものではなく、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを適宜用いてもよい。
本実施の形態では、絶縁体２１６として、酸素ガスを含む雰囲気でシリコンターゲットを用いて、パルスＤＣスパッタリング法で酸化シリコンを成膜する。パルスＤＣスパッタリング法を用いることで、膜厚分布をより均一にし、スパッタレート、および膜質を向上することができる。
絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６は、大気に暴露することなく連続して成膜することが好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。これにより、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６を、膜中の水素を低減して成膜し、さらに、各成膜工程の合間に膜中に水素が混入するのを低減することができる。
次に、絶縁体２１６に絶縁体２１４に達する開口を形成する。開口とは、例えば、溝または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２１４として、絶縁体２１６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２１６に酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを用いた場合は、絶縁体２１４は窒化シリコン、酸化アルミニウム、または酸化ハフニウムを用いるとよい。なお、絶縁体２１６の開口に重畳して、絶縁体２１４に凹部が形成される場合がある。
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圧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圧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圧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圧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。
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、酸素の透過を抑制する機能を有する導電体と、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、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窒化チタンを成膜する。このような金属窒化物を導電体２０５ｂの下面および側面に接して設けることにより、絶縁体２１６などによって、導電体２０５ｂが酸化されるのを抑制することができる。また、導電体２０５ｂ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２０５ａから外に拡散するのを防ぐことができる。
次に、導電体２０５ｂとなる導電膜を成膜する。導電体２０５ｂとなる導電膜としては、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などを用いることができる。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、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、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となる導電膜および導電体２０５ｂとなる導電膜の一部を除去し、絶縁体２１６を露出する（図１６Ａ乃至図１６Ｄ参照。）。その結果、開口部のみに、導電体２０５ａおよび導電体２０５ｂが残存する。これにより、上面が平坦な、導電体２０５を形成することができる。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２２２を成膜する（図１７Ａ乃至図１７Ｄ参照。）。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、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２２２として、ＡＬＤ法を用いて、酸化ハフニウムを成膜する。
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、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、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。例えば、窒素ガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理をする場合、酸素ガスを２０％程度にすればよい。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、窒素ガスもしくは不活性ガスの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。
また、上記加熱処理で用いるガスは、高純度化されていることが好ましい。例えば、上記加熱処理で用いるガスに含まれる水分量が１ｐｐｂ以下、好ましくは０．１ｐｐｂ以下、より好ましくは０．０５ｐｐｂ以下にすればよい。高純度化されたガスを用いて加熱処理を行うことで、絶縁体２２２などに水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
本実施の形態では、加熱処理として、絶縁体２２２の成膜後に、窒素ガスと酸素ガスの流量比を４ｓｌｍ：１ｓｌｍとして、４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体２２２に含まれる水、水素などの不純物を除去することなどができる。また、絶縁体２２２として、ハフニウムを含む酸化物を用いる場合、当該加熱処理によって、絶縁体２２２の一部が結晶化する場合がある。また、加熱処理は、絶縁体２２４の成膜後などのタイミングで行うこともできる。
次に、絶縁体２２２上に絶縁膜２２４Ａを成膜する（図１７Ａ乃至図１７Ｄ参照。）。絶縁膜２２４Ａの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、絶縁膜２２４Ａとして、スパッタリング法を用いて、酸化シリコンを成膜する。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁膜２２４Ａ中の水素濃度を低減することができる。絶縁膜２２４Ａは、後の工程で酸化物２３０ａと接するので、このように水素濃度が低減されていることが好適である。
次に、絶縁膜２２４Ａ上に、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂを順に成膜する（図１７Ａ乃至図１７Ｄ参照。）。なお、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂ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、先の実施の形態に示すようにＡＬＤ法を用いて行うことが好ましい。これにより、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂを層状の結晶構造を有する酸化物として形成することができる。
なお、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂを、大気に暴露することなく、ＡＬＤ法で成膜することが好ましい。例えば、先の実施の形態に示すマルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。これにより、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂについて、各成膜工程の合間に膜中に水素が混入するのを低減することができる。
次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理は、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂが多結晶化しない温度範囲で行えばよく、１００℃以上１２００℃以下、好ましくは２００℃以上１０００℃以下、より好ましくは２５０℃以上６５０℃以下、さらに好ましくは３００℃以上６００℃以下、さらに好ましくは４００℃以上５５０℃以下、さらに好ましくは４２０℃以上４８０℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、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。例えば、窒素ガスと酸素ガスの混合雰囲気で加熱処理をする場合、酸素ガスを２０％程度にすればよい。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、窒素ガスもしくは不活性ガスの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。なお、加熱処理の温度を高くした場合、金属酸化物が多結晶構造となる場合があるため、金属酸化物が多結晶構造とならない範囲で加熱処理温度を適宜設定すればよい。ただし、本発明の一態様においては、金属酸化物が多結晶構造を有していてもよい。また、当該熱処理は、先の実施の形態の図７に示す処理室４０１１で行ってもよい。
また、上記加熱処理で用いるガスは、高純度化されていることが好ましい。例えば、上記加熱処理で用いるガスに含まれる水分量が１ｐｐｂ以下、好ましくは０．１ｐｐｂ以下、より好ましくは０．０５ｐｐｂ以下にすればよい。高純度化されたガスを用いて加熱処理を行うことで、酸化膜２３０Ａ、および酸化膜２３０Ｂなどに水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
本実施の形態では、上記加熱処理として、窒素ガスと酸素ガスの流量比を４ｓｌｍ：１ｓｌｍとして、４５０℃の温度で１時間の処理を行う。このような酸素ガスを含む加熱処理によって、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂ中の炭素、水、水素などの不純物を低減することなどができる。このように膜中の不純物を低減することで、酸化膜２３０Ｂの結晶性を向上させ、より密度の高い、緻密な構造にすることができる。これにより、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂ中の結晶領域を増大させ、酸化膜２３０Ａおよび酸化膜２３０Ｂ中における、結晶領域の面内ばらつきを低減することができる。よって、トランジスタ２００の電気特性の面内ばらつきを低減することができる。
次に、酸化膜２３０Ｂ上に導電膜２４２Ａを成膜する（図１７Ａ乃至図１７Ｄ参照。）。導電膜２４２Ａの成膜はスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、導電膜２４２Ａとして、スパッタリング法を用いて窒化タンタルを成膜すればよい。なお、導電膜２４２Ａの成膜前に、加熱処理を行ってもよい。当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して導電膜２４２Ａを成膜してもよい。このような処理を行うことによって、酸化膜２３０Ｂの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、および酸化膜２３０Ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。本実施の形態では、加熱処理の温度を２００℃とする。
次に、導電膜２４２Ａ上に絶縁膜２７１Ａを成膜する（図１７Ａ乃至図１７Ｄ参照。）。絶縁膜２７１Ａ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２７１Ａは、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、絶縁膜２７１Ａ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ればよい。
なお、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７１Ａを、大気に暴露することなく、スパッタリング法で成膜することが好ましい。例えば、マルチチャンバー方式の成膜装置を用いればよい。これにより、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７１Ａを、膜中の水素を低減して成膜し、さらに、各成膜工程の合間に膜中に水素が混入するのを低減することができる。また、絶縁膜２７１Ａ上にハードマスクを設ける場合、当該ハードマスクとなる膜も大気に暴露することなく連続して成膜すればよい。
次に、リソグラフィー法を用いて、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、および絶縁膜２７１Ａを島状に加工して、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂを形成する（図１８Ａ乃至図１８Ｄ参照。）。ここで、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂは、少なくとも一部が導電体２０５と重なるように形成する。上記加工はドライエッチング法または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、絶縁膜２２４Ａ、酸化膜２３０Ａ、酸化膜２３０Ｂ、導電膜２４２Ａ、絶縁膜２７１Ａ、および絶縁層２７１Ｂの加工は、それぞれ異なる条件で行ってもよい。
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、電子ビームまたはイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームまたは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で、除去することができる。
さらに、レジストマスクの下に絶縁体または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、導電膜２４２Ａ上にハードマスク材料となる絶縁膜または導電膜を形成し、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。導電膜２４２Ａなどのエッチングは、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。導電膜２４２Ａなど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。本実施の形態では、絶縁層２７１Ｂをハードマスクとして用いている。
ここで、絶縁層２７１Ｂが導電層２４２Ｂのマスクとして機能するので、図１８Ｂ乃至図１８Ｄに示すように、導電層２４２Ｂは側面と上面の間に湾曲面を有しない。これにより、図１４Ｂおよび図１４Ｄに示す導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、側面と上面が交わる端部が角状になる。導電体２４２の側面と上面が交わる端部が角状になることで、当該端部が曲面を有する場合に比べて、導電体２４２の断面積が大きくなる。これにより、導電体２４２の抵抗が低減されるので、トランジスタ２００のオン電流を大きくすることができる。
また、図１８Ｂ乃至図１８Ｄに示すように、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂの断面がテーパー形状になっていてもよい。なお、本明細書等において、テーパー形状とは、構造の側面の少なくとも一部が、基板面に対して傾斜して設けられている形状のことを指す。例えば、傾斜した側面と基板面とがなす角（以下、テーパー角と呼ぶ場合がある。）が９０°未満であることが好ましい。絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂは、例えば、テーパー角が６０°以上９０°未満になるようにすればよい。このように断面をテーパー形状にすることで、これより後の工程において、絶縁体２７５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。
ただし、上記に限られず、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂの側面が、絶縁体２２２の上面に対し、概略垂直になる構成にしてもよい。このような構成にすることで、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、上記エッチング工程で発生した副生成物が、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂの側面に層状に形成される場合がある。この場合、当該層状の副生成物が、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電層２４２Ｂ、および絶縁層２７１Ｂと絶縁体２７５の間に形成されることになる。よって、当該層状の副生成物は、除去することが好ましい。
次に、絶縁体２２４、および絶縁層２７１Ｂなどを覆って、絶縁体２７５を成膜する（図１９Ａ乃至図１９Ｄ参照。）。ここで、絶縁体２７５は、絶縁体２２２の上面および絶縁体２２４の側面に密接することが好ましい。絶縁体２７５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２７５は、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２７５として、スパッタリング法を用いて、酸化アルミニウムを成膜し、その上にＰＥＡＬＤ法を用いて窒化シリコンを成膜すればよい。絶縁体２７５をこのような積層構造とすることで、水、水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能が向上することがある。
このようにして、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂを、酸素の拡散を抑制する機能を有する、絶縁体２７５、および絶縁層２７１Ｂで覆うことができる。これにより、のちの工程で、絶縁体２２４、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および導電層２４２Ｂに、絶縁体２８０などから酸素が直接拡散するのを低減することができる。
次に、絶縁体２７５上に、絶縁体２８０となる絶縁膜を成膜する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、当該絶縁膜として、スパッタリング法を用いて酸化シリコン膜を成膜すればよい。絶縁体２８０となる絶縁膜を、酸素を含む雰囲気で、スパッタリング法で成膜することで、過剰酸素を含む絶縁体２８０を形成することができる。また、成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２８０中の水素濃度を低減することができる。なお、当該絶縁膜の成膜前に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して当該絶縁膜を成膜してもよい。このような処理を行うことによって、絶縁体２７５の表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、および絶縁体２２４中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。当該加熱処理には、上述した加熱処理条件を用いることができる。
次に、絶縁体２８０となる絶縁膜にＣＭＰ処理を行い、上面が平坦な絶縁体２８０を形成する（図１９Ａ乃至図１９Ｄ参照。）。なお、絶縁体２８０上に、例えば、スパッタリング法によって窒化シリコンを成膜し、該窒化シリコンを絶縁体２８０に達するまで、ＣＭＰ処理を行ってもよい。
次に、絶縁体２８０の一部、絶縁体２７５の一部、絶縁層２７１Ｂの一部、導電層２４２Ｂの一部を加工して、酸化物２３０ｂに達する開口を形成する。当該開口は、導電体２０５と重なるように形成することが好ましい。当該開口の形成によって、絶縁体２７１ａ、絶縁体２７１ｂ、導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂを形成する（図２０Ａ乃至図２０Ｄ参照。）。
ここで、図２０Ｂおよび図２０Ｃに示すように、絶縁体２８０、絶縁体２７５、絶縁体２７１、および導電体２４２の側面がテーパー形状となる場合がある。また、絶縁体２８０のテーパー角が、導電体２４２のテーパー角より大きくなる場合がある。また、図２０Ａ乃至図２０Ｃには図示していないが、上記開口を形成する際に、酸化物２３０ｂの上部が除去される場合がある。
また、絶縁体２８０の一部、絶縁体２７５の一部、絶縁層２７１Ｂの一部、導電層２４２Ｂの一部の加工は、ドライエッチング法、または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、当該加工は、それぞれ異なる条件で行ってもよい。例えば、絶縁体２８０の一部をドライエッチング法で加工し、絶縁体２７５の一部、絶縁層２７１Ｂの一部、をウェットエッチング法で加工し、導電層２４２Ｂの一部をドライエッチング法で加工してもよい。
ここで、酸化物２３０ａの側面、酸化物２３０ｂの上面および側面、導電体２４２の側面、絶縁体２８０の側面などへの不純物の付着、およびこれらの内部への該不純物の拡散が生じる場合がある。このような不純物を除去する工程を行ってもよい。また、上記ドライエッチングで酸化物２３０ｂ表面に損傷領域が形成される場合がある。このような損傷領域を除去してもよい。当該不純物としては、絶縁体２８０、絶縁体２７５、絶縁層２７１Ｂの一部、および導電層２４２Ｂに含まれる成分、上記開口を形成する際に用いられる装置に使われている部材に含まれる成分、エッチングに使用するガスまたは液体に含まれる成分などに起因したものが挙げられる。当該不純物としては、例えば、ハフニウム、アルミニウム、シリコン、タンタル、フッ素、塩素などがある。
特に、アルミニウム、またはシリコンなどの不純物は、酸化物２３０ｂのＣＡＡＣ－ＯＳ化を阻害する。よって、アルミニウム、またはシリコンなどの、ＣＡＡＣ－ＯＳ化を阻害する不純物元素が、低減または除去されていることが好ましい。例えば、酸化物２３０ｂ、およびその近傍における、アルミニウム原子の濃度が、５．０原子％以下とすればよく、２．０原子％以下が好ましく、１．５原子％以下がより好ましく、１．０原子％以下がさらに好ましく、０．３原子％未満がさらに好ましい。
なお、アルミニウム、またはシリコンなどの不純物によりＣＡＡＣ－ＯＳ化が阻害され、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）となった金属酸化物の領域を、非ＣＡＡＣ領域と呼ぶ場合がある。非ＣＡＡＣ領域では、結晶構造の緻密さが低下しているため、ＶＯＨが多量に形成され、トランジスタがノーマリーオン化しやすくなる。よって、酸化物２３０ｂの非ＣＡＡＣ領域は、低減または除去されていることが好ましい。
これに対して、酸化物２３０ｂに層状のＣＡＡＣ構造を有していることが好ましい。特に、酸化物２３０ｂのドレイン下端部までＣＡＡＣ構造を有することが好ましい。ここで、トランジスタ２００において、導電体２４２ａまたは導電体２４２ｂ、およびその近傍がドレインとして機能する。つまり、導電体２４２ａ（導電体２４２ｂ）の下端部近傍の、酸化物２３０ｂが、ＣＡＡＣ構造を有することが好ましい。このように、ドレイン耐圧に顕著に影響するドレイン端部においても、酸化物２３０ｂの損傷領域が除去され、ＣＡＡＣ構造を有することで、トランジスタ２００の電気特性の変動をさらに抑制することができる。また、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。
上記エッチング工程で酸化物２３０ｂ表面に付着した不純物などを除去するために、洗浄処理を行う。洗浄方法としては、洗浄液など用いたウェット洗浄（ウェットエッチング処理ということもできる。）、プラズマを用いたプラズマ処理、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。なお、当該洗浄処理によって、上記溝部が深くなる場合がある。
ウェット洗浄としては、アンモニア水、シュウ酸、リン酸、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、純水、炭酸水などを用いて洗浄処理を行ってもよい。または、これらの水溶液、純水、または炭酸水を用いた超音波洗浄を行ってもよい。または、これらの洗浄を適宜組み合わせて行ってもよい。
なお、本明細書等では、市販のフッ化水素酸を純水で希釈した水溶液を希釈フッ化水素酸と呼び、市販のアンモニア水を純水で希釈した水溶液を希釈アンモニア水と呼ぶ場合がある。また、当該水溶液の濃度、温度などは、除去したい不純物、洗浄される半導体装置の構成などによって、適宜調整すればよい。希釈アンモニア水のアンモニア濃度は０．０１％以上５％以下、好ましくは０．１％以上０．５％以下とすればよい。また、希釈フッ化水素酸のフッ化水素濃度は０．０１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下とすればよい。
なお、超音波洗浄には、２００ｋＨｚ以上、好ましくは９００ｋＨｚ以上の周波数を用いることが好ましい。当該周波数を用いることで、酸化物２３０ｂなどへのダメージを低減することができる。
また、上記洗浄処理を複数回行ってもよく、洗浄処理毎に洗浄液を変更してもよい。例えば、第１の洗浄処理として希釈フッ化水素酸、または希釈アンモニア水を用いた処理を行い、第２の洗浄処理として純水、または炭酸水を用いた処理を行ってもよい。
上記洗浄処理として、本実施の形態では、希釈アンモニア水を用いてウェット洗浄を行う。当該洗浄処理を行うことで、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂなどの表面に付着または内部に拡散した不純物を除去することができる。
上記エッチング後、または上記洗浄後に加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、１００℃以上５００℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下、より好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガス、不活性ガス、または酸化性ガスの雰囲気で行えばよい。または、窒素ガス、または不活性ガスに、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えばよい。例えば、加熱処理は酸素ガスと窒素ガスの混合雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物２３０ａおよび酸化物２３０ｂに酸素を供給して、酸素欠損（ＶＯ）の低減を図ることができる。また、このような熱処理を行うことで、酸化物２３０ｂの結晶性を向上させることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、酸素雰囲気で加熱処理した後に、大気に露出せずに連続して窒素雰囲気で加熱処理を行ってもよい。また、酸素雰囲気で加熱処理した後に、大気に露出せずに連続して窒素雰囲気で加熱処理を行う場合、酸素雰囲気での加熱処理を窒素雰囲気での加熱処理よりも長時間行ってもよい。
次に絶縁膜２５０Ａを成膜する（図２１Ａ乃至図２１Ｄ参照）。絶縁膜２５０Ａの成膜前に加熱処理を行ってもよく、当該加熱処理は、減圧下で行い、大気に暴露することなく、連続して絶縁膜２５０Ａを成膜してもよい。また、当該加熱処理は、酸素を含む雰囲気で行うことが好ましい。このような処理を行うことによって、酸化物２３０ｂの表面などに吸着している水分および水素を除去し、さらに酸化物２３０ａ、および酸化物２３０ｂ中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。加熱処理の温度は、１００℃以上４００℃以下が好ましい。
絶縁膜２５０Ａは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。また、絶縁膜２５０Ａは、水素原子が低減または除去されたガスを用いた成膜方法で成膜することが好ましい。これにより、絶縁膜２５０Ａの水素濃度を低減することができる。絶縁膜２５０Ａは、後の工程で酸化物２３０ｂと接する絶縁体２５０ａとなるので、このように水素濃度が低減されていることが好適である。
また、絶縁膜２５０ＡはＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。微細化されたトランジスタ２００の、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体２５０の膜厚は、極めて薄く（例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下程度。）、且つバラつきが小さくなるようにする必要がある。これに対して、ＡＬＤ法は、プリカーサと、リアクタント（例えば酸化剤など）を交互に導入して行う成膜方法であり、このサイクルを繰り返す回数によって膜厚を調節することができるため、精密な膜厚調節が可能である。よって、微細化されたトランジスタ２００が要求するゲート絶縁膜の膜厚の精度を達成することができる。また、図２１Ｂおよび図２１Ｃに示すように、絶縁膜２５０Ａは、絶縁体２８０等によって形成される開口の底面および側面に、被覆性良く成膜される必要がある。当該開口の底面および側面において、原子の層を一層ずつ堆積させることができるので、絶縁膜２５０Ａを当該開口に対して良好な被覆性で成膜することができる。
また、例えば、ＳｉＨ４（またはＳｉ２Ｈ６）などの水素を含むガスを成膜ガスとして、ＰＥＣＶＤ法を用いて絶縁膜２５０Ａの成膜を行う場合、水素を含む成膜ガスがプラズマ中で分解されて、大量の水素ラジカルが発生する。水素ラジカルの還元反応によって、酸化物２３０ｂ中の酸素が引き抜かれてＶＯＨが形成されると、酸化物２３０ｂ中の水素濃度が高くなる。しかしながら、ＡＬＤ法を用いて絶縁膜２５０Ａを成膜すると、プリカーサの導入時もリアクタントの導入時も、水素ラジカルの発生を抑制することができる。よって、ＡＬＤ法を用いて絶縁膜２５０Ａを成膜することにより、酸化物２３０ｂ中の水素濃度が高くなることを防ぐことができる。
本実施の形態では、絶縁膜２５０Ａとして酸化シリコンをＰＥＡＬＤ法によって成膜する。
なお、絶縁膜２５０Ａの成膜前に上述した不純物の除去を行わない場合、酸化物２３０ａ、酸化物２３０ｂ、導電体２４２、絶縁体２８０などと絶縁体２５０ａとの間に該不純物が残存する場合がある。
次に、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことが好ましい（図２１Ａ乃至図２１Ｄ参照）。ここで、マイクロ波処理とは、例えばマイクロ波を用いて高密度プラズマを発生させる電源を有する装置を用いた処理のことを指す。また、本明細書などにおいて、マイクロ波とは、３００ＭＨｚ以上３００ＧＨｚ以下の周波数を有する電磁波を指すものとする。
図２１Ｂ乃至図２１Ｄに示す、点線はマイクロ波、ＲＦなどの高周波酸素プラズマ、または酸素ラジカルなどを示す。マイクロ波処理は、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、マイクロ波処理装置を用いることが好ましい。ここで、マイクロ波処理装置の周波数は、３００ＭＨｚ以上３００ＧＨｚ以下、好ましくは２．４ＧＨｚ以上２．５ＧＨｚ以下、例えば、２．４５ＧＨｚにすればよい。また、マイクロ波処理装置のマイクロ波を印加する電源の電力は、１０００Ｗ以上１００００Ｗ以下、好ましくは２０００Ｗ以上５０００Ｗ以下にすればよい。また、マイクロ波処理装置は基板側にＲＦ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より、高密度の酸素ラジカルを生成することができる。また、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イオンを、効率よく酸化物２３０ｂ中に導くことができる。
また、上記マイクロ波処理は、減圧下で行うことが好ましく、圧力を６０Ｐａ以上、好ましくは１３３Ｐａ以上、より好ましくは２００Ｐａ以上、さらに好ましくは４００Ｐａ以上とすればよい。例えば、１０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下、好ましくは３００Ｐａ以上７００Ｐａ以下にすればよい。また、処理温度は、７５０℃以下、好ましくは５００℃以下、例えば４００℃程度で行えばよい。また、酸素プラズマ処理を行った後に、外気に曝すことなく、連続して熱処理を行ってもよい。例えば、１００℃以上７５０℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下にすればよい。
また、例えば、上記マイクロ波処理は、酸素ガスとアルゴンガスを用いて行えばよい。ここで、酸素流量比（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））は、０％より大きく、１００％以下にすればよい。好ましくは、酸素流量比（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））を、０％より大きく、５０％以下にすればよい。より好ましくは、酸素流量比（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））を、１０％以上、４０％以下にすればよい。さらに好ましくは、酸素流量比（Ｏ２／（Ｏ２＋Ａｒ））を、１０％以上、３０％以下にすればよい。このように、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことで、領域２３０ｂｃ中のキャリア濃度を低下させることができる。また、マイクロ波処理において、チャンバーに過剰な量の酸素が導入されないようにすることで、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂでキャリア濃度が過剰に低下するのを防ぐことができる。
図２１Ｂ乃至図２１Ｄに示すように、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行うことで、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波を用いて酸素ガスをプラズマ化し、当該酸素プラズマを酸化物２３０ｂの導電体２４２ａと導電体２４２ｂの間の領域に作用させることができる。このとき、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波を領域２３０ｂｃに照射することもできる。つまり、図１５Ａに示す領域２３０ｂｃに、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波酸素プラズマなどを作用させることができる。プラズマ、マイクロ波などの作用により、領域２３０ｂｃのＶＯＨを分断し、水素Ｈを領域２３０ｂｃから除去することができる。つまり、領域２３０ｂｃにおいて、「ＶＯＨ→Ｈ＋ＶＯ」という反応が起きて、領域２３０ｂｃに含まれるＶＯＨを低減することができる。よって、領域２３０ｂｃ中の酸素欠損、およびＶＯＨを低減し、キャリア濃度を低下させることができる。また、領域２３０ｂｃで形成された酸素欠損に、上記酸素プラズマで発生した酸素ラジカル、または絶縁体２５０に含まれる酸素を供給することで、さらに、領域２３０ｂｃ中の酸素欠損を低減し、キャリア濃度を低下させることができる。
一方、図１５Ａに示す領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂ上には、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂが設けられている。ここで、導電体２４２は、酸素を含む雰囲気でマイクロ波処理を行う際、マイクロ波、ＲＦ等の高周波、酸素プラズマなどの作用に対する遮蔽膜として機能することが好ましい。このため、導電体２４２は、３００ＭＨｚ以上３００ＧＨｚ以下、例えば、２．４ＧＨｚ以上２．５ＧＨｚ以下の電磁波を遮蔽する機能を有することが好ましい。
図２１Ｂ乃至図２１Ｄに示すように、導電体２４２ａおよび導電体２４２ｂは、マイクロ波、またはＲＦ等の高周波酸素プラズマなどの作用を遮蔽するので、これらの作用は領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂには及ばない。これにより、マイクロ波処理によって、領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂで、ＶＯＨの低減、および過剰な量の酸素供給が発生しないので、キャリア濃度の低下を防ぐことができる。
このようにして、酸化物半導体の領域２３０ｂｃで選択的に酸素欠損、およびＶＯＨを除去して、領域２３０ｂｃをｉ型または実質的にｉ型とすることができる。さらに、ソース領域またはドレイン領域として機能する領域２３０ｂａおよび領域２３０ｂｂに過剰な酸素が供給されるのを抑制し、ｎ型化を維持することができる。これにより、トランジスタ２００の電気特性の変動を抑制し、基板面内でトランジスタ２００の電気特性がばらつくのを抑制することができる。
なお、マイクロ波処理では、マイクロ波と酸化物２３０ｂ中の分子の電磁気的な相互作用により、酸化物２３０ｂに直接的に熱エネルギーを伝達する場合がある。この熱エネルギーにより、酸化物２３０ｂが加熱される場合がある。このような加熱処理をマイクロ波アニールと呼ぶ場合がある。マイクロ波処理を、酸素を含む雰囲気中で行うことで、酸素アニールと同等の効果が得られる場合がある。また、酸化物２３０ｂに水素が含まれる場合、この熱エネルギーが酸化物２３０ｂ中の水素に伝わり、これにより活性化した水素が酸化物２３０ｂから放出されることが考えられる。
次に、絶縁膜２５０Ｂを成膜する（図２２Ａ乃至図２２Ｄ参照）。絶縁膜２５０Ｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。絶縁膜２５０Ｂは、酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような構成にすることで、絶縁体２５０ａに含まれる酸素が、導電体２６０へ拡散するのを抑制することができる。つまり、酸化物２３０へ供給する酸素量の減少を抑制することができる。また、絶縁体２５０ａに含まれる酸素による導電体２６０の酸化を抑制することができる。例えば、絶縁膜２５０Ａは、上述した絶縁体２５０ａに用いることができる材料を用いて設け、絶縁膜２５０Ｂは、絶縁体２２２と同様の材料を用いて設けることができる。
絶縁膜２５０Ｂとして、具体的には、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、マグネシウムなどから選ばれた一種、もしくは二種以上が含まれた金属酸化物、または酸化物２３０として用いることができる金属酸化物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を用いることが好ましい。
本実施の形態では、絶縁膜２５０Ｂとして酸化ハフニウムを熱ＡＬＤ法で成膜する。
絶縁膜２５０Ｂの成膜後にマイクロ波処理を行ってもよい（図２２Ａ乃至図２２Ｄ参照）。当該マイクロ波処理は、前述の絶縁膜２５０Ａの成膜後に行うマイクロ波処理条件を用いてもよい。また、絶縁膜２５０Ａの成膜後に行うマイクロ波処理は行わずに、絶縁膜２５０Ｂの成膜後にマイクロ波処理を行ってもよい。
また、絶縁膜２５０Ａの成膜後、および絶縁膜２５０Ｂの成膜後それぞれのマイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行ってもよい。このような処理を行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、絶縁膜２５０Ｂ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素を効率よく除去することができる。また、水素の一部は、導電体２４２（導電体２４２ａ、および導電体２４２ｂ）にゲッタリングされる場合がある。または、マイクロ波処理後に減圧状態を保ったままで、加熱処理を行うステップを複数回繰り返して行ってもよい。加熱処理を繰り返し行うことで、絶縁膜２５０Ａ中、酸化物２３０ｂ中、および酸化物２３０ａ中の水素をさらに効率よく除去することができる。なお、加熱処理温度は、３００℃以上５００℃以下とすることが好ましい。また、上記マイクロ波処理、すなわちマイクロ波アニールが該加熱処理を兼ねてもよい。マイクロ波アニールにより、酸化物２３０ｂなどが十分加熱される場合、該加熱処理を行わなくてもよい。
また、マイクロ波処理を行って絶縁膜２５０Ａ、および絶縁膜２５０Ｂの膜質を改質することで、水素、水、不純物等の拡散を抑制することができる。従って、導電体２６０となる導電膜の成膜などの後工程、または熱処理などの後処理により、絶縁体２５０を介して、水素、水、不純物等が、酸化物２３０ｂ、酸化物２３０ａなどへ拡散することを抑制することができる。
次に、導電体２６０ａとなる導電膜、導電体２６０ｂとなる導電膜を順に成膜する。導電体２６０ａとなる導電膜および導電体２６０ｂとなる導電膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。本実施の形態では、ＡＬＤ法を用いて、導電体２６０ａとなる導電膜を成膜し、ＣＶＤ法を用いて導電体２６０ｂとなる導電膜を成膜する。
次に、ＣＭＰ処理によって、絶縁膜２５０Ａ、絶縁膜２５０Ｂ、導電体２６０ａとなる導電膜、および導電体２６０ｂとなる導電膜を絶縁体２８０が露出するまで研磨することによって、絶縁体２５０ａ、絶縁体２５０ｂ、導電体２６０ａ、および導電体２６０ｂを形成する（図２３Ａ乃至図２３Ｄ参照。）。これにより、絶縁体２５０は、酸化物２３０ｂに達する開口および酸化物２３０ｂの溝部の内壁（側壁、および底面）を覆うように配置される。また、導電体２６０は、絶縁体２５０を介して、上記開口および上記溝部を埋め込むように配置される。
次に、上記の加熱処理と同様の条件で加熱処理を行ってもよい。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。該加熱処理によって、絶縁体２５０および絶縁体２８０中の水分濃度および水素濃度を低減させることができる。なお、上記加熱処理後、大気に曝すことなく連続して、絶縁体２８２の成膜を行ってもよい。
次に、絶縁体２５０上、導電体２６０上、および絶縁体２８０上に、絶縁体２８２を形成する（図２４Ａ乃至図２４Ｄ参照。）。絶縁体２８２の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。絶縁体２８２の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましい。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２８２中の水素濃度を低減することができる。また、スパッタリング法を用いて、酸素を含む雰囲気で絶縁体２８２の成膜を行うことで、成膜しながら、絶縁体２８０に酸素を添加することができる。これにより、絶縁体２８０に過剰酸素を含ませることができる。このとき、基板加熱を行いながら、絶縁体２８２を成膜することが好ましい。
本実施の形態では、絶縁体２８２として、酸素ガスを含む雰囲気でアルミニウムターゲットを用いて、パルスＤＣスパッタリング法で酸化アルミニウムを成膜する。パルスＤＣスパッタリング法を用いることで、膜厚分布をより均一にし、スパッタレート、および膜質を向上することができる。
次に、加熱処理を行うことが好ましい。当該加熱処理は、上述の加熱処理と同様の条件で行うことができる。本実施の形態では、窒素雰囲気にて４００℃の温度で１時間の処理を行う。当該加熱処理によって、絶縁体２８２の成膜によって添加された酸素を絶縁体２８０、絶縁体２５０ａへ拡散させ、酸化物２３０のチャネル形成領域へ選択的に供給することができる。これにより、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、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。
なお、上記加熱処理は、絶縁体２８２の形成後に限らず、絶縁体２８３の成膜後などに行ってもよい。
次に、絶縁体２８２上に、絶縁体２８３を形成する（図２４Ａ乃至図２４Ｄ参照。）。絶縁体２８３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２８３の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましい。成膜ガスに水素を用いなくてもよいスパッタリング法を用いることで、絶縁体２８３中の水素濃度を低減することができる。また、絶縁体２８３は、多層としてもよい。例えば、スパッタリング法を用いて、窒化シリコンを成膜し、当該窒化シリコン上に、ＣＶＤ法を用いて窒化シリコンを成膜してもよい。
次に、絶縁体２８３上に、絶縁体２８５を成膜する。当該絶縁膜の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、当該絶縁膜として、ＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を成膜すればよい。
次に、絶縁体２７１、絶縁体２７５、絶縁体２８０、絶縁体２８２、絶縁体２８３、および絶縁体２８５に、導電体２４２に達する開口を形成する（図２５Ａ乃至図２５Ｄ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。なお、図２５Ａで当該開口の形状は、上面視において円形状にしているが、これに限られるものではない。例えば、当該開口が、上面視において、楕円などの略円形状、四角形などの多角形状、四角形等の多角形の角部を丸めた形状になっていてもよい。
次に、絶縁体２４１となる絶縁膜を成膜し、当該絶縁膜を異方性エッチングして絶縁体２４１を形成する（図２５Ａ乃至図２５Ｄ参照。）。絶縁体２４１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２４１となる絶縁膜としては、酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁膜を用いることが好ましい。例えば、ＡＬＤ法を用いて、酸化アルミニウムを成膜し、その上に、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜することが好ましい。窒化シリコンは水素に対するバリア性が高いので好ましい。
また、絶縁体２４１となる絶縁膜の異方性エッチングとしては、例えばドライエッチング法などを用いればよい。開口の側壁部に絶縁体２４１を設けることで、外方からの酸素の透過を抑制し、次に形成する導電体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に、絶縁体２８０などに含まれる、水、水素などの不純物が拡散することを防ぐことができる。
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、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。
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２８５の上面を露出する。その結果、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２５Ａ乃至図２５Ｄ参照。参照）。なお、当該ＣＭＰ処理により、絶縁体２８５の上面の一部が除去される場合がある。
次に、導電体２４６となる導電膜を成膜する。導電体２４６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。
次に、導電体２４６となる導電膜をリソグラフィー法によって加工し、導電体２４０ａの上面と接する導電体２４６ａ、および導電体２４０ｂの上面と接する導電体２４６ｂを形成する。この時、導電体２４６ａおよび導電体２４６ｂと、絶縁体２８５とが重ならない領域の絶縁体２８５の一部が除去されることがある。
以上により、図１４Ａ乃至図１４Ｄ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。図１６Ａ乃至図２５Ａ、図１６Ｂ乃至図２５Ｂ、図１６Ｃ乃至図２５Ｃ、および図１６Ｄ乃至図２５Ｄに示すように、本実施の形態に示す半導体装置の作製方法を用いることで、トランジスタ２００を作製することができる。
＜マイクロ波処理装置＞
以下では、上記半導体装置の作製方法に用いることができる、マイクロ波処理装置について説明する。
まずは、半導体装置などの製造時に不純物の混入を少なくすることができる製造装置の構成について図２６乃至図２９を用いて説明する。
図２６は、枚葉式マルチチャンバーの製造装置２７００の上面図を模式的に示している。製造装置２７００は、基板を収容するカセットポート２７６１と、基板のアライメントを行うアライメントポート２７６２と、を備える大気側基板供給室２７０１と、大気側基板供給室２７０１から、基板を搬送する大気側基板搬送室２７０２と、基板の搬入を行い、かつ室内の圧力を大気圧から減圧、または減圧から大気圧へ切り替えるロードロック室２７０３ａと、基板の搬出を行い、かつ室内の圧力を減圧から大気圧、または大気圧から減圧へ切り替えるアンロードロック室２７０３ｂと、真空中の基板の搬送を行う搬送室２７０４と、チャンバー２７０６ａと、チャンバー２７０６ｂと、チャンバー２７０６ｃと、チャンバー２７０６ｄと、を有する。
また、大気側基板搬送室２７０２は、ロードロック室２７０３ａおよびアンロードロック室２７０３ｂと接続され、ロードロック室２７０３ａおよびアンロードロック室２７０３ｂは、搬送室２７０４と接続され、搬送室２７０４は、チャンバー２７０６ａ、チャンバー２７０６ｂ、チャンバー２７０６ｃおよびチャンバー２７０６ｄと接続する。
なお、各室の接続部にはゲートバルブＧＶが設けられており、大気側基板供給室２７０１と、大気側基板搬送室２７０２を除き、各室を独立して真空状態に保持することができる。また、大気側基板搬送室２７０２には搬送ロボット２７６３ａが設けられており、搬送室２７０４には搬送ロボット２７６３ｂが設けられている。搬送ロボット２７６３ａおよび搬送ロボット２７６３ｂによって、製造装置２７００内で基板を搬送することができる。
搬送室２７０４および各チャンバーの背圧（全圧）は、例えば、１×１０－４Ｐａ以下、好ましくは３×１０－５Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０－５Ｐａ以下とする。また、搬送室２７０４および各チャンバーの、質量電荷比（ｍ／ｚ）が１８である気体分子（原子）の分圧は、例えば、３×１０－５Ｐａ以下、好ましくは１×１０－５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０－６Ｐａ以下とする。また、搬送室２７０４および各チャンバーの、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）の分圧は、例えば、３×１０－５Ｐａ以下、好ましくは１×１０－５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０－６Ｐａ以下とする。また、搬送室２７０４および各チャンバーの、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の分圧は、例えば、３×１０－５Ｐａ以下、好ましくは１×１０－５Ｐａ以下、さらに好ましくは３×１０－６Ｐａ以下とする。
なお、搬送室２７０４および各チャンバー内の全圧および分圧は、質量分析計を用いて測定することができる。例えば、株式会社アルバック製四重極形質量分析計（Ｑ－ｍａｓｓともいう。）Ｑｕｌｅｅ ＣＧＭ－０５１を用いればよい。
また、搬送室２７０４および各チャンバーは、外部リークまたは内部リークが少ない構成とすることが望ましい。例えば、搬送室２７０４および各チャンバーのリークレートは、３×１０－６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０－６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。また、例えば、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０－７Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは３×１０－８Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。また、例えば、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子）のリークレートが１×１０－５Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０－６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。また、例えば、ｍ／ｚが４４である気体分子（原子）のリークレートが３×１０－６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下、好ましくは１×１０－６Ｐａ・ｍ３／ｓ以下とする。
なお、リークレートに関しては、前述の質量分析計を用いて測定した全圧および分圧から導出すればよい。リークレートは、外部リークおよび内部リークに依存する。外部リークは、微小な穴またはシール不良などによって真空系外から気体が流入することである。内部リークは、真空系内のバルブなどの仕切りからの漏れ、または内部の部材からの放出ガスに起因する。リークレートを上述の数値以下とするために、外部リークおよび内部リークの両面から対策をとる必要がある。
例えば、搬送室２７０４および各チャンバーの開閉部分はメタルガスケットでシールするとよい。メタルガスケットは、フッ化鉄、酸化アルミニウム、または酸化クロムによって被覆された金属を用いると好ましい。メタルガスケットはＯリングと比べ密着性が高く、外部リークを低減できる。また、フッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどによって被覆された金属の不動態を用いることで、メタルガスケットから放出される不純物を含む放出ガスが抑制され、内部リークを低減することができる。
また、製造装置２７００を構成する部材として、不純物を含む放出ガスの少ないアルミニウム、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケルまたはバナジウムを用いる。また、前述の不純物を含む放出ガスの少ない金属を鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金に被覆して用いてもよい。鉄、クロムおよびニッケルなどを含む合金は、剛性があり、熱に強く、また加工に適している。ここで、表面積を小さくするために部材の表面凹凸を研磨などによって低減しておくと、放出ガスを低減できる。
または、前述の製造装置２７００の部材をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで被覆してもよい。
製造装置２７００の部材は、極力金属のみで構成することが好ましく、例えば石英などで構成される覗き窓などを設置する場合も、放出ガスを抑制するために表面をフッ化鉄、酸化アルミニウム、酸化クロムなどで薄く被覆するとよい。
搬送室２７０４および各チャンバーに存在する吸着物は、内壁などに吸着しているために搬送室２７０４および各チャンバーの圧力に影響しないが、搬送室２７０４および各チャンバーを排気した際のガス放出の原因となる。そのため、リークレートと排気速度に相関はないものの、排気能力の高いポンプを用いて、搬送室２７０４および各チャンバーに存在する吸着物をできる限り脱離し、あらかじめ排気しておくことは重要である。なお、吸着物の脱離を促すために、搬送室２７０４および各チャンバーをベーキングしてもよい。ベーキングすることで吸着物の脱離速度を１０倍程度大きくすることができる。ベーキングは１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。このとき、不活性ガスを搬送室２７０４および各チャンバーに導入しながら吸着物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。なお、導入する不活性ガスをベーキングの温度と同程度に加熱することで、吸着物の脱離速度をさらに高めることができる。ここで不活性ガスとして希ガスを用いると好ましい。
または、加熱した希ガスなどの不活性ガスまたは酸素などを導入することで搬送室２７０４および各チャンバー内の圧力を高め、一定時間経過後に再び搬送室２７０４および各チャンバーを排気する処理を行うと好ましい。加熱したガスの導入により搬送室２７０４および各チャンバー内の吸着物を脱離させることができ、搬送室２７０４および各チャンバー内に存在する不純物を低減することができる。なお、この処理は２回以上３０回以下、好ましくは５回以上１５回以下の範囲で繰り返し行うと効果的である。具体的には、温度が４０℃以上４００℃以下、好ましくは５０℃以上２００℃以下である不活性ガスまたは酸素などを導入することで搬送室２７０４および各チャンバー内の圧力を０．１Ｐａ以上１０ｋＰａ以下、好ましくは１Ｐａ以上１ｋＰａ以下、さらに好ましくは５Ｐａ以上１００Ｐａ以下とし、圧力を保つ期間を１分以上３００分以下、好ましくは５分以上１２０分以下とすればよい。その後、搬送室２７０４および各チャンバーを５分以上３００分以下、好ましくは１０分以上１２０分以下の期間排気する。
次に、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃについて、図２７に示す断面模式図を用いて説明する。
チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃは、例えば、被処理物にマイクロ波処理を行うことが可能なチャンバーである。なお、チャンバー２７０６ｂと、チャンバー２７０６ｃと、はマイクロ波処理を行う際の雰囲気が異なるのみである。そのほかの構成については共通するため、以下ではまとめて説明を行う。
チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃは、スロットアンテナ板２８０８と、誘電体板２８０９と、基板ホルダ２８１２と、排気口２８１９と、を有する。また、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃの外などには、ガス供給源２８０１と、バルブ２８０２と、高周波発生器２８０３と、導波管２８０４と、モード変換器２８０５と、ガス管２８０６と、導波管２８０７と、マッチングボックス２８１５と、高周波電源２８１６と、真空ポンプ２８１７と、バルブ２８１８と、が設けられる。
高周波発生器２８０３は、導波管２８０４を介してモード変換器２８０５と接続している。モード変換器２８０５は、導波管２８０７を介してスロットアンテナ板２８０８に接続している。スロットアンテナ板２８０８は、誘電体板２８０９と接して配置される。また、ガス供給源２８０１は、バルブ２８０２を介してモード変換器２８０５に接続している。そして、モード変換器２８０５、導波管２８０７および誘電体板２８０９を通るガス管２８０６によって、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃにガスが送られる。また、真空ポンプ２８１７は、バルブ２８１８および排気口２８１９を介して、チャンバー２７０６ｂおよびチャンバー２７０６ｃからガスなどを排気する機能を有する。また、高周波電源２８１６は、マッチングボックス２８１５を介して基板ホルダ２８１２に接続している。
基板ホルダ２８１２は、基板２８１１を保持する機能を有する。例えば、基板２８１１を静電チャックまたは機械的にチャックする機能を有する。また、高周波電源２８１６から電力を供給される電極としての機能を有する。また、内部に加熱機構２８１３を有し、基板２８１１を加熱する機能を有する。
真空ポンプ２８１７としては、例えば、ドライポンプ、メカニカルブースターポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプ、クライオポンプまたはターボ分子ポンプなどを用いることができる。また、真空ポンプ２８１７に加えて、クライオトラップを用いてもよい。クライオポンプおよびクライオトラップを用いると、水を効率よく排気できて特に好ましい。
また、加熱機構２８１３としては、例えば、抵抗発熱体などを用いて加熱する加熱機構とすればよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導または熱輻射によって、加熱する加熱機構としてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）またはＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を用いることができる。ＧＲＴＡは、高温のガスを用いて加熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。
また、ガス供給源２８０１は、マスフローコントローラを介して、精製機と接続されていてもよい。ガスは、露点が－８０℃以下、好ましくは－１００℃以下であるガスを用いることが好ましい。例えば、酸素ガス、窒素ガス、および希ガス（アルゴンガスなど）を用いればよい。
誘電体板２８０９としては、例えば、酸化シリコン（石英）、酸化アルミニウム（アルミナ）または酸化イットリウム（イットリア）などを用いればよい。また、誘電体板２８０９の表面に、さらに別の保護層が形成されていてもよい。保護層としては、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化クロム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化アルミニウムまたは酸化イットリウムなどを用いればよい。誘電体板２８０９は、後述する高密度プラズマ２８１０の特に高密度領域に曝されることになるため、保護層を設けることで損傷を緩和することができる。その結果、処理時のパーティクルの増加などを抑制することができる。
高周波発生器２８０３では、例えば、０．３ＧＨｚ以上３．０ＧＨｚ以下、０．７ＧＨｚ以上１．１ＧＨｚ以下、または２．２ＧＨｚ以上２．８ＧＨｚ以下のマイクロ波を発生させる機能を有する。高周波発生器２８０３で発生させたマイクロ波は、導波管２８０４を介してモード変換器２８０５に伝わる。モード変換器２８０５では、ＴＥモードとして伝わったマイクロ波がＴＥＭモードに変換される。そして、マイクロ波は、導波管２８０７を介してスロットアンテナ板２８０８に伝わる。スロットアンテナ板２８０８は、複数のスロット孔が設けられており、マイクロ波は該スロット孔および誘電体板２８０９を通過する。そして、誘電体板２８０９の下方に電界を生じさせ、高密度プラズマ２８１０を生成することができる。高密度プラズマ２８１０には、ガス供給源２８０１から供給されたガス種に応じたイオンおよびラジカルが存在する。例えば、酸素ラジカルなどが存在する。
このとき、基板２８１１が高密度プラズマ２８１０で生成されたイオンおよびラジカルによって、基板２８１１上の膜などを改質することができる。なお、高周波電源２８１６を用いて、基板２８１１側にバイアスを印加すると好ましい場合がある。高周波電源２８１６には、例えば、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚなどの周波数のＲＦ電源を用いればよい。基板側にバイアスを印加することで、高密度プラズマ２８１０中のイオンを基板２８１１上の膜などの開口部の奥まで効率よく到達させることができる。
例えば、チャンバー２７０６ｂまたはチャンバー２７０６ｃで、ガス供給源２８０１から酸素を導入することで高密度プラズマ２８１０を用いた酸素ラジカル処理を行うことができる。
次に、チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄについて図２８に示す断面模式図を用いて説明する。
チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄは、例えば、被処理物に電磁波の照射を行うことが可能なチャンバーである。なお、チャンバー２７０６ａと、チャンバー２７０６ｄと、は電磁波の種類が異なるのみである。そのほかの構成については共通する部分が多いため、以下ではまとめて説明を行う。
チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄは、一または複数のランプ２８２０と、基板ホルダ２８２５と、ガス導入口２８２３と、排気口２８３０と、を有する。また、チャンバー２７０６ａおよびチャンバー２７０６ｄの外などには、ガス供給源２８２１と、バルブ２８２２と、真空ポンプ２８２８と、バルブ２８２９と、が設けられる。
ガス供給源２８２１は、バルブ２８２２を介してガス導入口２８２３に接続している。真空ポンプ２８２８は、バルブ２８２９を介して排気口２８３０に接続している。ランプ２８２０は、基板ホルダ２８２５と向かい合って配置されている。基板ホルダ２８２５は、基板２８２４を保持する機能を有する。また、基板ホルダ２８２５は、内部に加熱機構２８２６を有し、基板２８２４を加熱する機能を有する。
ランプ２８２０としては、例えば、可視光または紫外光などの電磁波を放射する機能を有する光源を用いればよい。例えば、波長１０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、または４０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下にピークを有する電磁波を放射する機能を有する光源を用いればよい。
例えば、ランプ２８２０としては、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプまたは高圧水銀ランプなどの光源を用いればよい。
例えば、ランプ２８２０から放射される電磁波は、その一部または全部が基板２８２４に吸収されることで基板２８２４上の膜などを改質することができる。例えば、欠陥の生成もしくは低減、または不純物の除去などができる。なお、基板２８２４を加熱しながら行うと、効率よく、欠陥の生成もしくは低減、または不純物の除去などができる。
または、例えば、ランプ２８２０から放射される電磁波によって、基板ホルダ２８２５を発熱させ、基板２８２４を加熱してもよい。その場合、基板ホルダ２８２５の内部に加熱機構２８２６を有さなくてもよい。
真空ポンプ２８２８は、真空ポンプ２８１７についての記載を参照する。また、加熱機構２８２６は、加熱機構２８１３についての記載を参照する。また、ガス供給源２８２１は、ガス供給源２８０１についての記載を参照する。
本実施の形態に用いることができるマイクロ波処理装置は、上記に限らない。図２９に示すマイクロ波処理装置２９００を用いることができる。マイクロ波処理装置２９００は、石英管２９０１、ガス供給源２８０１、バルブ２８０２、高周波発生器２８０３、導波管２８０４、ガス管２８０６、真空ポンプ２８１７、バルブ２８１８、および排気口２８１９を有する。また、マイクロ波処理装置２９００は、石英管２９０１内に、複数の基板２８１１（２８１１＿１乃至２８１１＿ｎ、ｎは２以上の整数）を保持する基板ホルダ２９０２を有する。また、マイクロ波処理装置２９００は、石英管２９０１の外側に、加熱手段２９０３を有していてもよい。
高周波発生器２８０３で発生させたマイクロ波は、導波管２８０４を介して、石英管２９０１内に設けられた基板に照射される。真空ポンプ２８１７は、バルブ２８１８を介して排気口２８１９と接続されており、石英管２９０１内部の圧力を調整することができる。また、ガス供給源２８０１は、バルブ２８０２を介して、ガス管２８０６に接続されており、石英管２９０１内に所望のガスを導入することができる。また、加熱手段２９０３により、石英管２９０１内の基板２８１１を、所望の温度に加熱することができる。または、加熱手段２９０３により、ガス供給源２８０１から供給されるガスを加熱してもよい。マイクロ波処理装置２９００により、基板２８１１に対して、加熱処理と、マイクロ波処理を同時に行うことができる。また、基板２８１１を加熱した後に、マイクロ波処理を行うことができる。また、基板２８１１に対してマイクロ波処理を行った後に、加熱処理を行うことができる。
基板２８１１＿１乃至基板２８１１＿ｎは、全て半導体装置、または記憶装置を形成する処理基板でもよいし、一部の基板をダミー基板としてもよい。例えば、基板２８１１＿１、および基板２８１１＿ｎをダミー基板とし、基板２８１１＿２乃至基板２８１１＿ｎ－１を処理基板としてもよい。また、基板２８１１＿１、基板２８１１＿２、基板２８１１＿ｎ－１、および基板２８１１＿ｎをダミー基板とし、基板２８１１＿３乃至基板２８１１＿ｎ－２を処理基板としてもよい。ダミー基板を用いることで、マイクロ波処理、または加熱処理の際、複数の処理基板が均一に処理され、処理基板間のばらつきを低減できるため好ましい。例えば、高周波発生器２８０３、および導波管２８０４に最も近い処理基板上にダミー基板を配置することで、該処理基板が直接マイクロ波に曝されることを抑制できるため、好ましい。
以上の製造装置を用いることで、被処理物への不純物の混入を抑制しつつ、膜の改質などが可能となる。
また、図２７乃至図２９に示すマイクロ波処理装置は、先の実施の形態の図７に示す処理室４０１１に用いることもできる。
＜半導体装置の変形例＞
以下では、図３０を用いて、本発明の一態様である半導体装置の一例について説明する。
図３０Ａは半導体装置５００の上面図を示す。図３０Ａに示すｘ軸は、トランジスタ２００のチャネル長方向に平行にとっており、ｙ軸はｘ軸に垂直にとっている。また、図３０Ｂは、図３０Ａ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。図３０Ｃは、図３０Ａに示すＡ３－Ａ４の一点鎖線で示す部位に対応する断面図であり、開口領域４００およびその近傍の断面図でもある。なお、図３０Ａ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３０Ａ乃至図３０Ｃに示す半導体装置において、＜半導体装置の構成例＞に示した半導体装置を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目においても、半導体装置の構成材料については＜半導体装置の構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
図３０Ａ乃至図３０Ｃに示す半導体装置５００は、図１４Ａ乃至図１４Ｄに示した半導体装置の変形例である。図３０Ａ乃至図３０Ｃに示す半導体装置５００は、絶縁体２８２および絶縁体２８０に開口領域４００が形成されている点が、図１４Ａ乃至図１４Ｄに示す半導体装置と異なる。また、複数のトランジスタ２００を取り囲むように封止部２６５が形成されている点が、図１４Ａ乃至図１４Ｄに示す半導体装置と異なる。
半導体装置５００は、マトリクス状に配列された、複数のトランジスタ２００、および複数の開口領域４００を有している。また、トランジスタ２００のゲート電極として機能する、複数の導電体２６０が、ｙ軸方向に延伸して設けられている。開口領域４００は、酸化物２３０、および導電体２６０と重畳しない領域に形成されている。また、複数のトランジスタ２００、複数の導電体２６０、および複数の開口領域４００を取り囲むように封止部２６５が形成されている。なお、トランジスタ２００、導電体２６０、および開口領域４００の個数、配置、および大きさは、図３０に示す構造に限られることなく、半導体装置５００の設計に合わせて適宜設定すればよい。
図３０Ｂおよび図３０Ｃに示すように、封止部２６５は、複数のトランジスタ２００、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２７５、絶縁体２８０、および絶縁体２８２を取り囲むように設けられている。言い換えると、絶縁体２８３は、絶縁体２１６、絶縁体２２２、絶縁体２７５、絶縁体２８０、および絶縁体２８２を覆うように設けられている。また、封止部２６５では、絶縁体２８３が絶縁体２１４の上面に接している。また、封止部２６５では、絶縁体２８３と絶縁体２８５の間に絶縁体２７４が設けられている。絶縁体２７４の上面は、絶縁体２８３の最上面と高さが概略一致している。また、絶縁体２７４としては、絶縁体２８０と同様の絶縁体を用いることができる。
このような構造にすることで、複数のトランジスタ２００を、絶縁体２８３と絶縁体２１４および絶縁体２１２で包み込むことができる。ここで、絶縁体２８３、絶縁体２１４、および絶縁体２１２の一または複数は、水素に対するバリア絶縁膜として機能することが好ましい。これにより、封止部２６５の領域外に含まれる水素が、封止部２６５の領域内に混入することを抑制することができる。
図３０Ｃに示すように、開口領域４００において、絶縁体２８２は開口部を有する。また、開口領域４００において、絶縁体２８０は、絶縁体２８２の開口部に重なって、溝部を有していてもよい。絶縁体２８０の溝部の深さは、深くとも絶縁体２７５の上面が露出するまでにすればよく、例えば、絶縁体２８０の最大膜厚の１／４以上１／２以下程度にすればよい。
また、図３０Ｃに示すように、絶縁体２８３は、開口領域４００の内側で、絶縁体２８２の側面、絶縁体２８０の側面、および絶縁体２８０の上面に接する。また、開口領域４００内で、絶縁体２８３に形成された凹部を埋め込むように、絶縁体２７４の一部が形成される場合がある。このとき、開口領域４００内に形成された絶縁体２７４の上面と、絶縁体２８３の最上面の高さが、概略一致する場合がある。
このような開口領域４００が形成され、絶縁体２８２の開口部から絶縁体２８０が露出した状態で、加熱処理を行うことにより、酸化物２３０に酸素を供給しながら、絶縁体２８０に含まれる酸素の一部を開口領域４００から外方拡散させることができる。これにより、加熱により脱離する酸素を含む絶縁体２８０から、酸化物半導体層中の、チャネル形成領域として機能する領域、およびその近傍に、十分な酸素を供給し、かつ過剰な量の酸素が供給されないようにすることができる。
このとき、絶縁体２８０に含まれる水素を、酸素と結合させて、開口領域４００を介して外部に放出することができる。酸素と結合した水素は、水として放出される。よって、絶縁体２８０に含まれる水素を低減し、絶縁体２８０中に含まれる水素が酸化物２３０に混入するのを低減することができる。
また、図３０Ａにおいて、開口領域４００の上面視における形状は、略長方形状にしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、開口領域４００の上面視における形状は、長方形、楕円形、円形、菱形、またはこれらを組み合わせた形状としてもよい。また、開口領域４００の面積、および配置間隔は、トランジスタ２００を含む半導体装置の設計に合わせて適宜設定することができる。例えば、トランジスタ２００の密度が小さい領域では、開口領域４００の面積を広げる、または、開口領域４００の配置間隔を狭めればよい。また、例えば、トランジスタ２００の密度が大きい領域では、開口領域４００の面積を狭める、または開口領域の配置間隔を広げればよい。
本発明の一態様により、新規の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、オン電流が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、高い周波数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、信頼性が良好な半導体装置を提供することができる。または、本発明の一態様により、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。
以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、本実施の形態に示す他の構成、方法、また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３１乃至図３５を用いて説明する。
［記憶装置１］
本発明の一態様に係る半導体装置（記憶装置）の一例を図３１に示す。本発明の一態様の半導体装置は、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。なお、トランジスタ２００として、先の実施の形態で説明したトランジスタ２００を用いることができる。
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３１に示す半導体装置において、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の第１のゲートと電気的に接続され、配線１００６はトランジスタ２００の第２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。
また、図３１に示す記憶装置は、マトリクス状に配置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
＜トランジスタ３００＞
トランジスタ３００は、基板３１１上に設けられ、ゲートとして機能する導電体３１６、ゲート絶縁体として機能する絶縁体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、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。
ここで、図３１に示すトランジスタ３００はチャネルが形成される半導体領域３１３（基板３１１の一部）が凸形状を有する。また、半導体領域３１３の側面および上面を、絶縁体３１５を介して、導電体３１６が覆うように設けられている。なお、導電体３１６は仕事関数を調整する材料を用いてもよい。このようなトランジスタ３００は半導体基板の凸部を利用していることからＦＩＮ型トランジスタとも呼ばれる。なお、凸部の上部に接して、凸部を形成するためのマスクとして機能する絶縁体を有していてもよい。また、ここでは半導体基板の一部を加工して凸部を形成する場合を示したが、ＳＯＩ基板を加工して凸形状を有する半導体膜を形成してもよい。
なお、図３１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、回路構成または駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。
＜容量素子１００＞
容量素子１００は、トランジスタ２００の上方に設けられる。容量素子１００は、第１の電極として機能する導電体１１０と、第２の電極として機能する導電体１２０、および誘電体として機能する絶縁体１３０とを有する。ここで、絶縁体１３０は、上記実施の形態に示す絶縁体２７５として用いることができる絶縁体を用いることが好ましい。
また、例えば、導電体２４０上に設けた導電体１１２と、導電体１１０は、同時に形成することができる。なお、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、または配線としての機能を有する。また、導電体１１２および導電体１１０は、先の実施の形態に示す導電体２４６に相当する。
図３１では、導電体１１２、および導電体１１０は単層構造を示したが、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、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と、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料との積層構造を用いることが好ましい。当該構成により、容量素子１００は、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）の絶縁体を有することで、十分な容量を確保でき、絶縁耐力が大きい絶縁体を有することで、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。
なお、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料（高い比誘電率の材料）の絶縁体としては、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。
一方、絶縁耐力が大きい材料（低い比誘電率の材料）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。
＜配線層＞
各構造体の間には、層間膜、配線、およびプラグ等が設けられた配線層が設けられていてもよい。また、配線層は、設計に応じて複数層設けることができる。ここで、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、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。
例えば、トランジスタ３００上には、層間膜として、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。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、層間膜として機能する絶縁体は、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。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。
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３１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。
同様に、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（導電体２０５）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。さらに、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。
ここで、上記実施の形態に示す絶縁体２４１と同様に、プラグとして機能する導電体２１８の側面に接して絶縁体２１７が設けられる。絶縁体２１７は、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６に形成された開口の内壁に接して設けられている。つまり、絶縁体２１７は、導電体２１８と、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２１６と、の間に設けられている。なお、導電体２０５は導電体２１８と並行して形成することができるので、導電体２０５の側面に接して絶縁体２１７が形成される場合もある。
絶縁体２１７としては、例えば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化酸化シリコンなどの絶縁体を用いればよい。絶縁体２１７は、絶縁体２１０、絶縁体２１２、絶縁体２１４、および絶縁体２２２に接して設けられるので、絶縁体２１０または絶縁体２１６などから水または水素などの不純物が、導電体２１８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。特に、窒化シリコンは水素に対するバリア性が高いので好適である。また、絶縁体２１０または絶縁体２１６に含まれる酸素が導電体２１８に吸収されるのを防ぐことができる。
絶縁体２１７は、絶縁体２４１と同様の方法で形成することができる。例えば、ＰＥＡＬＤ法を用いて、窒化シリコンを成膜し、異方性エッチングを用いて導電体３５６に達する開口を形成すればよい。
層間膜として用いることができる絶縁体としては、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、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。
例えば、絶縁体１５０、絶縁体２１０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４等には、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、当該絶縁体は、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、当該絶縁体は、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。
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。従って、絶縁体２１４、絶縁体２１２および絶縁体３５０等には、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を用いればよい。
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。
配線、プラグに用いることができる導電体としては、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。
例えば、導電体３２８、導電体３３０、導電体３５６、導電体２１８、および導電体１１２等としては、上記の材料で形成される金属材料、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、単層または積層して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またはモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムまたは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。
＜酸化物半導体が設けられた層の配線、またはプラグ＞
なお、トランジスタ２００に、酸化物半導体を用いる場合、酸化物半導体の近傍に過剰酸素領域を有する絶縁体を設けることがある。その場合、該過剰酸素領域を有する絶縁体と、該過剰酸素領域を有する絶縁体に設ける導電体との間に、バリア性を有する絶縁体を設けることが好ましい。
例えば、図３１では、過剰酸素または不純物を有する、絶縁体２８５および絶縁体２８０と、導電体２４０との間に、絶縁体２４１を設けるとよい。絶縁体２４１と、絶縁体２２２、絶縁体２７５、絶縁体２８２、および絶縁体２８３とが接して設けられることで、絶縁体２２４、およびトランジスタ２００は、バリア性を有する絶縁体により、封止する構造とすることができる。
つまり、絶縁体２４１を設けることで、絶縁体２８０が有する過剰酸素が、導電体２４０に吸収されることを抑制することができる。また、絶縁体２４１を有することで、不純物である水素が、導電体２４０を介して、トランジスタ２００へ拡散することを抑制することができる。
なお、絶縁体２４１としては、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、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。特に、窒化シリコンは水素に対するバリア性が高いため好ましい。また、他にも、例えば、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などを用いることができる。
また、上記実施の形態で示したように、トランジスタ２００は、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で封止される構成にしてもよい。このような構成とすることで、絶縁体２８５、絶縁体１５０などに含まれる水素が絶縁体２８０などに混入するのを低減することができる。
ここで絶縁体２８３、および絶縁体２８２には導電体２４０が、絶縁体２１４、および絶縁体２１２には導電体２１８が貫通しているが、上記の通り、絶縁体２４１が導電体２４０に接して設けられ、絶縁体２１７が導電体２１８に接して設けられている。これにより、導電体２４０および導電体２１８を介して、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の内側に混入する水素を低減することができる。このようにして、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、絶縁体２８３、絶縁体２４１、および絶縁体２１７でトランジスタ２００を封止し、絶縁体２８５等に含まれる水素などの不純物が外側から混入するのを低減することができる。
＜ダイシングライン＞
以下では、大面積基板を半導体素子ごとに分断することによって、複数の半導体装置をチップ状で取り出す場合に設けられるダイシングライン（スクライブライン、分断ライン、又は切断ラインと呼ぶ場合がある）について説明する。分断方法としては、例えば、まず、基板に半導体素子を分断するための溝（ダイシングライン）を形成した後、ダイシングラインにおいて切断し、複数の半導体装置に分断（分割）する場合がある。
ここで、例えば、図３１に示すように、絶縁体２８３と、絶縁体２１４とが接する領域がダイシングラインと重なるように設計することが好ましい。つまり、複数のトランジスタ２００を有するメモリセルの外縁に設けられるダイシングラインとなる領域近傍において、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７５、絶縁体２２２、および絶縁体２１６に開口を設ける。
つまり、絶縁体２８２、絶縁体２８０、絶縁体２７５、絶縁体２２２、および絶縁体２１６に設けた開口において、絶縁体２１４と、絶縁体２８３とが接する。例えば、このとき、絶縁体２１４と、絶縁体２８３とを同材料及び同方法を用いて形成してもよい。絶縁体２１４、および絶縁体２８３を、同材料、および同方法で設けることで、密着性を高めることができる。
当該構造により、絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３で、トランジスタ２００を包み込むことができる。絶縁体２１２、絶縁体２１４、絶縁体２８２、および絶縁体２８３の少なくとも一は、酸素、水素、及び水の拡散を抑制する機能を有しているため、本実施の形態に示す半導体素子が形成された回路領域ごとに、基板を分断することにより、複数のチップに加工しても、分断した基板の側面方向から、水素又は水などの不純物が混入し、トランジスタ２００に拡散することを防ぐことができる。
また、当該構造により、絶縁体２８０の過剰酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。従って、絶縁体２８０の過剰酸素は、効率的にトランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物に供給される。当該酸素により、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物の酸素欠損を低減することができる。これにより、トランジスタ２００におけるチャネルが形成される酸化物を欠陥準位密度が低い、安定な特性を有する酸化物半導体とすることができる。つまり、トランジスタ２００の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。
なお、図３１に示す記憶装置では、容量素子１００の形状をプレーナ型としたが、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。たとえば、図３２に示すように、容量素子１００の形状をシリンダ型にしてもよい。なお、図３２に示す記憶装置は、絶縁体１５０より下の構成は、図３１に示す半導体装置と同様である。
図３２に示す容量素子１００は、絶縁体１３０上の絶縁体１５０と、絶縁体１５０上の絶縁体１４２と、絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口の中に配置された導電体１１５と、導電体１１５および絶縁体１４２上の絶縁体１４５と、絶縁体１４５上の導電体１２５と、導電体１２５および絶縁体１４５上の絶縁体１５２と、を有する。ここで、絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口の中に導電体１１５、絶縁体１４５、および導電体１２５の少なくとも一部が配置される。また、絶縁体１５２上に絶縁体１５４が配置され、絶縁体１５４上に導電体１５３と絶縁体１５６が配置される。ここで、導電体１４０は、絶縁体１３０、絶縁体１５０、絶縁体１４２、絶縁体１４５、絶縁体１５２、および絶縁体１５４に形成された開口の中に設けられている。
導電体１１５は容量素子１００の下部電極として機能し、導電体１２５は容量素子１００の上部電極として機能し、絶縁体１４５は、容量素子１００の誘電体として機能する。容量素子１００は、絶縁体１５０および絶縁体１４２の開口において、底面だけでなく、側面においても上部電極と下部電極とが誘電体を挟んで対向する構成となっており、単位面積当たりの静電容量を大きくすることができる。よって、当該開口の深さを深くするほど、容量素子１００の静電容量を大きくすることができる。このように容量素子１００の単位面積当たりの静電容量を大きくすることにより、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。
絶縁体１５２は、絶縁体２８０に用いることができる絶縁体を用いればよい。また、絶縁体１４２は、絶縁体１５０の開口を形成するときのエッチングストッパとして機能することが好ましく、絶縁体２１４に用いることができる絶縁体を用いればよい。
絶縁体１５０および絶縁体１４２に形成された開口を上面から見た形状は、四角形としてもよいし、四角形以外の多角形状としてもよいし、多角形状において角部を湾曲させた形状としてもよいし、楕円を含む円形状としてもよい。ここで、上面視において、当該開口とトランジスタ２００の重なる面積が多い方が好ましい。このような構成にすることにより、容量素子１００とトランジスタ２００を有する半導体装置の占有面積を低減することができる。
導電体１１５は、絶縁体１４２、および絶縁体１５０に形成された開口に接して配置される。導電体１１５の上面は、絶縁体１４２の上面と略一致することが好ましい。また、導電体１１５の下面は、絶縁体１３０の開口を介して導電体１１０に接する。導電体１１５は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することが好ましく、例えば、導電体２０５に用いることができる導電体を用いればよい。
絶縁体１４５は、導電体１１５および絶縁体１４２を覆うように配置される。例えば、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて絶縁体１４５を成膜することが好ましい。絶縁体１４５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、酸化ジルコニウム、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１４５として、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムの順番で積層された絶縁膜を用いることができる。
また、絶縁体１４５には、酸化窒化シリコンなどの絶縁耐力が大きい材料、または高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料を用いることが好ましい。または、絶縁耐力が大きい材料と高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料の積層構造を用いてもよい。
なお、高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料（高い比誘電率の材料）の絶縁体としては、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、シリコンおよびハフニウムを有する窒化物などがある。このようなｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、絶縁体１４５を厚くしても容量素子１００の静電容量を十分確保することができる。絶縁体１４５を厚くすることにより、導電体１１５と導電体１２５の間に生じるリーク電流を抑制することができる。
一方、絶縁耐力が大きい材料としては、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、樹脂などがある。例えば、ＡＬＤ法を用いて成膜した窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、ＰＥＡＬＤ法を用いて成膜した酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、ＡＬＤ法を用いて成膜した窒化シリコン（ＳｉＮｘ）の順番で積層された絶縁膜を用いることができる。このような、絶縁耐力が大きい絶縁体を用いることで、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。
導電体１２５は、絶縁体１４２および絶縁体１５０に形成された開口を埋めるように配置される。また、導電体１２５は、導電体１４０、および導電体１５３を介して配線１００５と電気的に接続している。導電体１２５は、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法などを用いて成膜することが好ましく、例えば、導電体２０５に用いることができる導電体を用いればよい。
また、導電体１５３は、絶縁体１５４上に設けられており、絶縁体１５６に覆われている。導電体１５３は、導電体１１２に用いることができる導電体を用いればよく、絶縁体１５６は、絶縁体１５２に用いることができる絶縁体を用いればよい。ここで、導電体１５３は導電体１４０の上面に接しており、容量素子１００、トランジスタ２００、またはトランジスタ３００の端子として機能する。
［記憶装置２］
本発明の一態様に係る半導体装置（記憶装置）の一例を図３３に示す。
＜メモリデバイスの構成例＞
図３３は、メモリデバイス２９０を有する半導体装置の断面図である。図３３に示すメモリデバイス２９０は、図１４Ａ乃至図１４Ｄに示すトランジスタ２００に加えて、容量デバイス２９２を有する。図３３は、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図に相当する。
容量デバイス２９２は、導電体２４２ｂと、導電体２４２ｂ上に設けられた絶縁体２７１ｂと、導電体２４２ｂおよび絶縁体２７１ｂを覆って設けられた絶縁体２７５と、絶縁体２７５上の導電体２９４と、を有する。すなわち、容量デバイス２９２は、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ）容量を構成している。なお、容量デバイス２９２が有する一対の電極の一方、すなわち導電体２４２ｂは、トランジスタのソース電極を兼ねることができる。また、容量デバイス２９２が有する誘電体層は、トランジスタに設けられる保護層、すなわち絶縁体２７１および絶縁体２７５を兼ねることができる。したがって、容量デバイス２９２の作製工程において、トランジスタの作製工程の一部を兼用することができるため、生産性の高い半導体装置とすることができる。また、容量デバイス２９２が有する一対の電極の一方、すなわち導電体２４２ｂは、トランジスタのソース電極と兼ねているため、トランジスタと、容量デバイスとが配置される面積を低減させることが可能となる。
なお、導電体２９４としては、例えば、導電体２４２に用いることのできる材料を用いればよい。
＜メモリデバイスの変形例＞
以下では、図３４Ａ、図３４Ｂ、および図３５を用いて、先の＜メモリデバイスの構成例＞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、および容量デバイス２９２を有する半導体装置の一例について説明する。なお図３４Ａ、図３４Ｂ、および図３５に示す半導体装置において、先の実施の形態および＜メモリデバイスの構成例＞に示した半導体装置（図３３参照。）を構成する構造と同機能を有する構造には、同符号を付記する。なお、本項目において、トランジスタ２００、および容量デバイス２９２の構成材料については、先の実施の形態および＜メモリデバイスの構成例＞で詳細に説明した材料を用いることができる。
＜＜メモリデバイスの変形例１＞＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置６００の一例について図３４Ａを用いて説明する。
図３４Ａは、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置６００のチャネル長方向の断面図である。ここで、容量デバイス２９２ａは、導電体２４２ａと、導電体２４２ａ上に設けられた絶縁体２７１ａと、導電体２４２ａおよび絶縁体２７１ａを覆って設けられた絶縁体２７５と、絶縁体２７５上に設けられた導電体２９４ａと、を有する。また、容量デバイス２９２ｂは、導電体２４２ｂと、導電体２４２ｂ上に設けられた絶縁体２７１ｂと、導電体２４２ｂおよび絶縁体２７１ｂを覆って設けられた絶縁体２７５と、絶縁体２７５上に設けられた導電体２９４ｂと、を有する。
半導体装置６００は、図３４Ａに示すように、Ａ３－Ａ４の一点鎖線を対称軸とした線対称の構成となっている。トランジスタ２００ａのソース電極またはドレイン電極の一方と、トランジスタ２００ｂのソース電極またはドレイン電極の一方は、導電体２４２ｃが兼ねる構成となっている。なお、導電体２４２ｃ上には絶縁体２７１ｃが設けられる。また、配線として機能する導電体２４６と、トランジスタ２００ａ、およびトランジスタ２００ｂとの接続もプラグとして機能する導電体２４０が、兼ねる構成となっている。このように、２つのトランジスタと、２つの容量デバイスと、配線とプラグとの接続を上述の構成とすることで、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。
トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂのそれぞれの構成および効果については、図１４Ａ乃至図１４Ｄ、および図３３に示す半導体装置の構成例を参酌することができる。
＜＜メモリデバイスの変形例２＞＞
上記においては、半導体装置の構成例としてトランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂを挙げたが、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図３４Ｂに示すように半導体装置６００と、半導体装置６００と同様の構成を有する半導体装置が容量部を介して接続されている構成としてもよい。本明細書では、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置をセルと称する。トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂの構成については、上述のトランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂに係る記載を参酌することができる。
図３４Ｂは、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａ、および容量デバイス２９２ｂを有する半導体装置６００と、半導体装置６００と同様の構成を有するセルが容量部を介して接続されている断面図である。
図３４Ｂに示すように、半導体装置６００が有する容量デバイス２９２ｂの一方の電極として機能する導電体２９４ｂは、半導体装置６００と同様の構成を有する半導体装置６０１が有する容量デバイスの一方の電極を兼ねる構成となっている。また、図示しないが、半導体装置６００が有する容量デバイス２９２ａの一方の電極として機能する導電体２９４ａが、半導体装置６００の左側、つまり図３４Ｂにおいて、Ａ１方向に隣接する半導体装置の容量デバイスの一方の電極を兼ねている。また、半導体装置６０１の右側、つまり、図３４Ｂにおいて、Ａ２方向のセルについても同様の構成となっている。つまりセルアレイ（メモリデバイス層ともいう。）を構成することができる。この様な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３４Ｂに示すセルアレイの構成を、マトリクス状に配置することで、マトリクス状のセルアレイを構成することができる。
上述のように、本実施の形態に示す構成で、トランジスタ２００ａ、トランジスタ２００ｂ、容量デバイス２９２ａおよび容量デバイス２９２ｂを形成することにより、セルの面積を低減し、セルアレイを有する半導体装置の微細化または高集積化を図ることができる。
また、上記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。図３５にセルアレイ６１０をｎ層積層する構成の断面図を示す。図３５に示すように、複数のセルアレイ（セルアレイ６１０＿１乃至セルアレイ６１０＿ｎ）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。
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、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４）
本実施の形態では、図３６Ａ、図３６Ｂおよび図３７Ａ乃至図３７Ｈ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場合がある。）、および容量素子が適用されている記憶装置（以下、ＯＳメモリ装置と呼ぶ場合がある。）について説明する。ＯＳメモリ装置は、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記憶装置である。ＯＳトランジスタのオフ電流は極めて小さいので、ＯＳメモリ装置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。
＜記憶装置の構成例＞
図３６ＡにＯＳメモリ装置の構成の一例を示す。記憶装置１４００は、周辺回路１４１１、およびメモリセルアレイ１４７０を有する。周辺回路１４１１は、行回路１４２０、列回路１４３０、出力回路１４４０、およびコントロールロジック回路１４６０を有する。
列回路１４３０は、例えば、列デコーダ、プリチャージ回路、センスアンプ、書き込み回路等を有する。プリチャージ回路は、配線をプリチャージする機能を有する。センスアンプは、メモリセルから読み出されたデータ信号を増幅する機能を有する。なお、上記配線は、メモリセルアレイ１４７０が有するメモリセルに接続されている配線であり、詳しくは後述する。増幅されたデータ信号は、出力回路１４４０を介して、データ信号ＲＤＡＴＡとして記憶装置１４００の外部に出力される。また、行回路１４２０は、例えば、行デコーダ、ワード線ドライバ回路等を有し、アクセスする行を選択することができる。
記憶装置１４００には、外部から電源電圧として低電源電圧（ＶＳＳ）、周辺回路１４１１用の高電源電圧（ＶＤＤ）、メモリセルアレイ１４７０用の高電源電圧（ＶＩＬ）が供給される。また、記憶装置１４００には、制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）、アドレス信号ＡＤＤＲ、データ信号ＷＤＡＴＡが外部から入力される。アドレス信号ＡＤＤＲは、行デコーダおよび列デコーダに入力され、データ信号ＷＤＡＴＡは書き込み回路に入力される。
コントロールロジック回路１４６０は、外部から入力される制御信号（ＣＥ、ＷＥ、ＲＥ）を処理して、行デコーダ、列デコーダの制御信号を生成する。制御信号ＣＥは、チップイネーブル信号であり、制御信号ＷＥは、書き込みイネーブル信号であり、制御信号ＲＥは、読み出しイネーブル信号である。コントロールロジック回路１４６０が処理する信号は、これに限定されるものではなく、必要に応じて、他の制御信号を入力すればよい。
メモリセルアレイ１４７０は、行列状に配置された、複数個のメモリセルＭＣと、複数の配線を有する。なお、メモリセルアレイ１４７０と行回路１４２０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一列に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。また、メモリセルアレイ１４７０と列回路１４３０とを接続している配線の数は、メモリセルＭＣの構成、一行に有するメモリセルＭＣの数などによって決まる。
なお、図３６Ａにおいて、周辺回路１４１１とメモリセルアレイ１４７０を同一平面上に形成する例について示したが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、図３６Ｂに示すように、周辺回路１４１１の一部の上に、メモリセルアレイ１４７０が重なるように設けられてもよい。例えば、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にしてもよい。
図３７Ａ乃至図３７Ｈに上述のメモリセルＭＣに適用できるメモリセルの構成例について説明する。
［ＤＯＳＲＡＭ］
図３７Ａ乃至図３７Ｃに、ＤＲＡＭのメモリセルの回路構成例を示す。本明細書等において、１ＯＳトランジスタ１容量素子型のメモリセルを用いたＤＲＡＭを、ＤＯＳＲＡＭ（登録商標、Ｄｙｎａｍｉｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ぶ場合がある。図３７Ａに示す、メモリセル１４７１は、トランジスタＭ１と、容量素子ＣＡと、を有する。なお、トランジスタＭ１は、ゲート（トップゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。
トランジスタＭ１の第１端子は、容量素子ＣＡの第１端子と接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＢＩＬと接続され、トランジスタＭ１のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ１のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。
配線ＢＩＬは、ビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＡの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、及び読み出し時において、配線ＬＬは、接地電位としてもよいし、低レベル電位としてもよい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ１のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ１のしきい値電圧を増減することができる。
ここで、図３７Ａに示すメモリセル１４７１は、図３３に示す記憶装置に対応している。つまり、トランジスタＭ１はトランジスタ２００に、容量素子ＣＡは容量デバイス２９２に対応している。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７１に限定されず、回路構成の変更を行うことができる。例えば、メモリセルＭＣは、図３７Ｂに示すメモリセル１４７２のように、トランジスタＭ１のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図３７Ｃに示すメモリセル１４７３のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有しないトランジスタＭ１で構成されたメモリセルとしてもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７１等に用いる場合、トランジスタＭ１としてトランジスタ２００を用い、容量素子ＣＡとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ１としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ１のリーク電流を非常に小さくすることができる。つまり、書き込んだデータをトランジスタＭ１によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。または、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に小さいため、メモリセル１４７１、メモリセル１４７２、メモリセル１４７３に対して多値データ、又はアナログデータを保持することができる。
また、ＤＯＳＲＡＭにおいて、上記のように、メモリセルアレイ１４７０の下に重なるように、センスアンプを設ける構成にすると、ビット線を短くすることができる。これにより、ビット線容量が小さくなり、メモリセルの保持容量を低減することができる。
［ＮＯＳＲＡＭ］
図３７Ｄ乃至図３７Ｇに、２トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの回路構成例を示す。図３７Ｄに示す、メモリセル１４７４は、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣＢと、を有する。なお、トランジスタＭ２は、トップゲート（単にゲートと呼ぶ場合がある。）、及びバックゲートを有する。本明細書等において、トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを用いたゲインセル型のメモリセルを有する記憶装置を、ＮＯＳＲＡＭ（Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＲＡＭ）と呼ぶ場合がある。
トランジスタＭ２の第１端子は、容量素子ＣＢの第１端子と接続され、トランジスタＭ２の第２端子は、配線ＷＢＬと接続され、トランジスタＭ２のゲートは、配線ＷＯＬと接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは、配線ＢＧＬと接続されている。容量素子ＣＢの第２端子は、配線ＣＡＬと接続されている。トランジスタＭ３の第１端子は、配線ＲＢＬと接続され、トランジスタＭ３の第２端子は、配線ＳＬと接続され、トランジスタＭ３のゲートは、容量素子ＣＢの第１端子と接続されている。
配線ＷＢＬは、書き込みビット線として機能し、配線ＲＢＬは、読み出しビット線として機能し、配線ＷＯＬは、ワード線として機能する。配線ＣＡＬは、容量素子ＣＢの第２端子に所定の電位を印加するための配線として機能する。データの書き込み時、およびデータの読み出し時においては、配線ＣＡＬには、高レベル電位を印加するのが好ましい。また、データ保持中においては、配線ＣＡＬには、低レベル電位を印加するのが好ましい。配線ＢＧＬは、トランジスタＭ２のバックゲートに電位を印加するための配線として機能する。配線ＢＧＬに任意の電位を印加することによって、トランジスタＭ２のしきい値電圧を増減することができる。
ここで、図３７Ｄに示すメモリセル１４７４は、図３１に示す記憶装置に対応している。つまり、トランジスタＭ２はトランジスタ２００に、容量素子ＣＢは容量素子１００に、トランジスタＭ３はトランジスタ３００に、配線ＷＢＬは配線１００３に、配線ＷＯＬは配線１００４に、配線ＢＧＬは配線１００６に、配線ＣＡＬは配線１００５に、配線ＲＢＬは配線１００２に、配線ＳＬは配線１００１に対応している。
また、メモリセルＭＣは、メモリセル１４７４に限定されず、回路の構成を適宜変更することができる。例えば、メモリセルＭＣは、図３７Ｅに示すメモリセル１４７５のように、トランジスタＭ２のバックゲートが、配線ＢＧＬでなく、配線ＷＯＬと接続される構成にしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図３７Ｆに示すメモリセル１４７６のように、シングルゲート構造のトランジスタ、つまりバックゲートを有しないトランジスタＭ２で構成されたメモリセルとしてもよい。また、例えば、メモリセルＭＣは、図３７Ｇに示すメモリセル１４７７のように、配線ＷＢＬと配線ＲＢＬを一本の配線ＢＩＬとしてまとめた構成であってもよい。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７４等に用いる場合、トランジスタＭ２としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ３としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＢとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ２としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ２のリーク電流を非常に小さくすることができる。これにより、書き込んだデータをトランジスタＭ２によって長時間保持することができるため、メモリセルのリフレッシュの頻度を少なくすることができる。または、メモリセルのリフレッシュ動作を不要にすることができる。また、リーク電流が非常に小さいため、メモリセル１４７４に多値データ、又はアナログデータを保持することができる。メモリセル１４７５乃至メモリセル１４７７も同様である。
なお、トランジスタＭ３は、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタと呼ぶ場合がある）であってもよい。Ｓｉトランジスタの導電型は、ｎチャネル型としてもよいし、ｐチャネル型としてもよい。Ｓｉトランジスタは、ＯＳトランジスタよりも電界効果移動度が高くなる場合がある。よって、読み出しトランジスタとして機能するトランジスタＭ３として、Ｓｉトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタＭ３にＳｉトランジスタを用いることで、トランジスタＭ３の上に積層してトランジスタＭ２を設けることができるので、メモリセルの占有面積を低減し、記憶装置の高集積化を図ることができる。
また、トランジスタＭ３はＯＳトランジスタであってもよい。トランジスタＭ２およびトランジスタＭ３にＯＳトランジスタを用いた場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
また、図３７Ｈに３トランジスタ１容量素子のゲインセル型のメモリセルの一例を示す。図３７Ｈに示すメモリセル１４７８は、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６、および容量素子ＣＣを有する。容量素子ＣＣは適宜設けられる。メモリセル１４７８は、配線ＢＩＬ、配線ＲＷＬ、配線ＷＷＬ、配線ＢＧＬ、および配線ＧＮＤＬに電気的に接続されている。配線ＧＮＤＬは低レベル電位を与える配線である。なお、メモリセル１４７８を、配線ＢＩＬに代えて、配線ＲＢＬ、配線ＷＢＬに電気的に接続してもよい。
トランジスタＭ４は、バックゲートを有するＯＳトランジスタであり、バックゲートは配線ＢＧＬに電気的に接続されている。なお、トランジスタＭ４のバックゲートとゲートとを互いに電気的に接続してもよい。あるいは、トランジスタＭ４はバックゲートを有さなくてもよい。
なお、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６はそれぞれ、ｎチャネル型Ｓｉトランジスタまたはｐチャネル型Ｓｉトランジスタでもよい。或いは、トランジスタＭ４乃至トランジスタＭ６がＯＳトランジスタでもよい、この場合、メモリセルアレイ１４７０をｎ型トランジスタのみを用いて回路を構成することができる。
上記実施の形態に示す半導体装置をメモリセル１４７８に用いる場合、トランジスタＭ４としてトランジスタ２００を用い、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６としてトランジスタ３００を用い、容量素子ＣＣとして容量素子１００を用いることができる。トランジスタＭ４としてＯＳトランジスタを用いることによって、トランジスタＭ４のリーク電流を非常に小さくすることができる。
なお、本実施の形態に示す、周辺回路１４１１、メモリセルアレイ１４７０等の構成は、上記に限定されるものではない。これらの回路、および当該回路に接続される配線、回路素子等の、配置または機能は、必要に応じて、変更、削除、または追加してもよい。
一般に、コンピュータなどの半導体装置では、用途に応じて様々な記憶装置（メモリ）が用いられる。本発明の一態様の半導体装置は、例えば、ＣＰＵなどの演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリ、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、３Ｄ ＮＡＮＤメモリに好適に用いることができる。
ＣＰＵなどの演算処理装置にレジスタとして混載されるメモリは、演算結果の一時保存などに用いられるため、演算処理装置からのアクセス頻度が高い。よって、記憶容量よりも速い動作速度が求められる。また、レジスタは演算処理装置の設定情報などを保持する機能も有する。
ＳＲＡＭは、例えばキャッシュに用いられる。キャッシュは、メインメモリに保持されている情報の一部を複製して保持する機能を有する。使用頻繁が高いデータをキャッシュに複製しておくことで、データへのアクセス速度を高めることができる。
ＤＲＡＭは、例えばメインメモリに用いられる。メインメモリは、ストレージから読み出されたプログラムおよびデータを保持する機能を有する。ＤＲＡＭの記録密度は、おおよそ０．１乃至０．３Ｇｂｉｔ／ｍｍ２である。
３Ｄ ＮＡＮＤメモリは、例えばストレージに用いられる。ストレージは、長期保存が必要なデータ、および演算処理装置で使用する各種のプログラムなどを保持する機能を有する。よって、ストレージには動作速度よりも大きな記憶容量と高い記録密度が求められる。ストレージに用いられる記憶装置の記録密度は、おおよそ０．６乃至６．０Ｇｂｉｔ／ｍｍ２である。
本発明の一態様の記憶装置は、動作速度が速く、長期間のデータ保持が可能である。本発明の一態様の記憶装置は、キャッシュが位置する階層とメインメモリが位置する階層の双方を含む境界領域に位置する記憶装置として好適に用いることができる。また、本発明の一態様の記憶装置は、メインメモリが位置する階層とストレージが位置する階層の双方を含む境界領域に位置する記憶装置として好適に用いることができる。
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３８Ａおよび図３８Ｂを用いて、本発明の半導体装置が実装されたチップ１２００の一例を示す。チップ１２００には、複数の回路（システム）が実装されている。このように、複数の回路（システム）を一つのチップに集積する技術を、システムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ：ＳｏＣ）と呼ぶ場合がある。
図３８Ａに示すように、チップ１２００は、ＣＰＵ１２１１、ＧＰＵ１２１２、一または複数のアナログ演算部１２１３、一または複数のメモリコントローラ１２１４、一または複数のインターフェース１２１５、一または複数のネットワーク回路１２１６等を有する。
チップ１２００には、バンプ（図示しない）が設けられ、図３８Ｂに示すように、プリント基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ：ＰＣＢ）１２０１の第１の面と接続する。また、ＰＣＢ１２０１の第１の面の裏面には、複数のバンプ１２０２が設けられており、マザーボード１２０３と接続する。
マザーボード１２０３には、ＤＲＡＭ１２２１、フラッシュメモリ１２２２等の記憶装置が設けられていてもよい。例えば、ＤＲＡＭ１２２１に先の実施の形態に示すＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、例えば、フラッシュメモリ１２２２に先の実施の形態に示すＮＯＳＲＡＭを用いることができる。
ＣＰＵ１２１１は、複数のＣＰＵコアを有することが好ましい。また、ＧＰＵ１２１２は、複数のＧＰＵコアを有することが好ましい。また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２は、それぞれ一時的にデータを格納するメモリを有していてもよい。または、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２に共通のメモリが、チップ１２００に設けられていてもよい。該メモリには、前述したＮＯＳＲＡＭ、またはＤＯＳＲＡＭを用いることができる。また、ＧＰＵ１２１２は、多数のデータの並列計算に適しており、画像処理および積和演算に用いることができる。ＧＰＵ１２１２に、本発明の酸化物半導体を用いた画像処理回路、または積和演算回路を設けることで、画像処理、または積和演算を低消費電力で実行することが可能になる。
また、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が同一チップに設けられていることで、ＣＰＵ１２１１およびＧＰＵ１２１２間の配線を短くすることができ、ＣＰＵ１２１１からＧＰＵ１２１２へのデータ転送、ＣＰＵ１２１１、およびＧＰＵ１２１２が有するメモリ間のデータ転送、およびＧＰＵ１２１２での演算後に、ＧＰＵ１２１２からＣＰＵ１２１１への演算結果の転送を高速に行うことができる。
アナログ演算部１２１３はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、およびＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路の一、または両方を有する。また、アナログ演算部１２１３に上記積和演算回路を設けてもよい。
メモリコントローラ１２１４は、ＤＲＡＭ１２２１のコントローラとして機能する回路、およびフラッシュメモリ１２２２のインターフェースとして機能する回路を有する。
インターフェース１２１５は、表示装置、スピーカー、マイクロフォン、カメラ、コントローラなどの外部接続機器とのインターフェース回路を有する。コントローラとは、マウス、キーボード、ゲーム用コントローラなどを含む。このようなインターフェースとして、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ－Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などを用いることができる。
ネットワーク回路１２１６は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などとの接続を制御する機能を有する。また、ネットワークセキュリティー用の回路を有してもよい。
チップ１２００には、上記回路（システム）を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、チップ１２００に必要な回路の数が増えても、製造プロセスを増やす必要が無く、チップ１２００を低コストで作製することができる。
ＧＰＵ１２１２を有するチップ１２００が設けられたＰＣＢ１２０１、ＤＲＡＭ１２２１、およびフラッシュメモリ１２２２が設けられたマザーボード１２０３は、ＧＰＵモジュール１２０４と呼ぶことができる。
ＧＰＵモジュール１２０４は、ＳｏＣ技術を用いたチップ１２００を有しているため、そのサイズを小さくすることができる。また、画像処理に優れていることから、スマートフォン、タブレット端末、ラップトップＰＣ、携帯型（持ち出し可能な）ゲーム機などの携帯型電子機器に用いることが好適である。また、ＧＰＵ１２１２を用いた積和演算回路により、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ため、チップ１２００をＡＩチップ、またはＧＰＵモジュール１２０４をＡＩシステムモジュールとして用いることができる。
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）
本実施の形態は、上記実施の形態に示す記憶装置などが組み込まれた電子部品および電子機器の一例を示す。
＜電子部品＞
まず、記憶装置７２０が組み込まれた電子部品の例を、図３９Ａおよび図３９Ｂを用いて説明を行う。
図３９Ａに電子部品７００および電子部品７００が実装された基板（実装基板７０４）の斜視図を示す。図３９Ａに示す電子部品７００は、モールド７１１内に記憶装置７２０を有している。図３９Ａは、電子部品７００の内部を示すために、一部を省略している。電子部品７００は、モールド７１１の外側にランド７１２を有する。ランド７１２は電極パッド７１３と電気的に接続され、電極パッド７１３は記憶装置７２０とワイヤ７１４によって電気的に接続されている。電子部品７００は、例えばプリント基板７０２に実装される。このような電子部品が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７０２上で電気的に接続されることで実装基板７０４が完成する。
記憶装置７２０は、駆動回路層７２１と、記憶回路層７２２と、を有する。
図３９Ｂに電子部品７３０の斜視図を示す。電子部品７３０は、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｐａｃｋａｇｅ）またはＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）の一例である。電子部品７３０は、パッケージ基板７３２（プリント基板）上にインターポーザ７３１が設けられ、インターポーザ７３１上に半導体装置７３５、および複数の記憶装置７２０が設けられている。
電子部品７３０では、記憶装置７２０を広帯域メモリ（ＨＢＭ：Ｈｉｇｈ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｍｅｍｏｒｙ）として用いる例を示している。また、半導体装置７３５は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＦＰＧＡなどの集積回路（半導体装置）を用いることができる。
パッケージ基板７３２は、セラミック基板、プラスチック基板、ガラスエポキシ基板などを用いることができる。インターポーザ７３１は、シリコンインターポーザ、樹脂インターポーザなどを用いることができる。
インターポーザ７３１は、複数の配線を有し、端子ピッチの異なる複数の集積回路を電気的に接続する機能を有する。複数の配線は、単層または多層で設けられる。また、インターポーザ７３１は、インターポーザ７３１上に設けられた集積回路をパッケージ基板７３２に設けられた電極と電気的に接続する機能を有する。これらのことから、インターポーザを「再配線基板」または「中間基板」と呼ぶ場合がある。また、インターポーザ７３１に貫通電極を設けて、当該貫通電極を用いて集積回路とパッケージ基板７３２を電気的に接続する場合もある。また、シリコンインターポーザでは、貫通電極として、ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）を用いることも出来る。
インターポーザ７３１としてシリコンインターポーザを用いることが好ましい。シリコンインターポーザでは能動素子を設ける必要が無いため、集積回路よりも低コストで作製することができる。一方で、シリコンインターポーザの配線形成は半導体プロセスで行なうことができるため、樹脂インターポーザでは難しい微細配線の形成が容易である。
ＨＢＭでは、広いメモリバンド幅を実現するために多くの配線を接続する必要がある。このため、ＨＢＭを実装するインターポーザには、微細かつ高密度の配線形成が求められる。よって、ＨＢＭを実装するインターポーザには、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。
また、シリコンインターポーザを用いたＳｉＰまたはＭＣＭなどでは、集積回路とインターポーザ間の膨張係数の違いによる信頼性の低下が生じにくい。また、シリコンインターポーザは表面の平坦性が高いため、シリコンインターポーザ上に設ける集積回路とシリコンインターポーザ間の接続不良が生じにくい。特に、インターポーザ上に複数の集積回路を横に並べて配置する２．５Ｄパッケージ（２．５次元実装）では、シリコンインターポーザを用いることが好ましい。
また、電子部品７３０と重ねてヒートシンク（放熱板）を設けてもよい。ヒートシンクを設ける場合は、インターポーザ７３１上に設ける集積回路の高さを揃えることが好ましい。例えば、本実施の形態に示す電子部品７３０では、記憶装置７２０と半導体装置７３５の高さを揃えることが好ましい。
電子部品７３０を他の基板に実装するため、パッケージ基板７３２の底部に電極７３３を設けてもよい。図３９Ｂでは、電極７３３を半田ボールで形成する例を示している。パッケージ基板７３２の底部に半田ボールをマトリクス状に設けることで、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）実装を実現できる。また、電極７３３を導電性のピンで形成してもよい。パッケージ基板７３２の底部に導電性のピンをマトリクス状に設けることで、ＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）実装を実現できる。
電子部品７３０は、ＢＧＡおよびＰＧＡに限らず様々な実装方法を用いて他の基板に実装することができる。例えば、ＳＰＧＡ（Ｓｔａｇｇｅｒｅｄ Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）、ＱＦＪ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｊ－ｌｅａｄｅｄ ｐａｃｋａｇｅ）、またはＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ－ｌｅａｄｅｄ ｐａｃｋａｇｅ）などの実装方法を用いることができる。
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７）
本実施の形態では、先の実施の形態に示す半導体装置を用いた記憶装置の応用例について説明する。先の実施の形態に示す半導体装置は、例えば、各種電子機器（例えば、情報端末、コンピュータ、スマートフォン、電子書籍端末、デジタルカメラ（ビデオカメラも含む）、録画再生装置、ナビゲーションシステムなど）の記憶装置に適用できる。なお、ここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータ、ノート型のコンピュータ、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。または、先の実施の形態に示す半導体装置は、メモリカード（例えば、ＳＤカード）、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置に適用される。図４０Ａ乃至図４０Ｅにリムーバブル記憶装置の幾つかの構成例を模式的に示す。例えば、先の実施の形態に示す半導体装置は、パッケージングされたメモリチップに加工され、様々なストレージ装置、リムーバブルメモリに用いられる。
図４０ＡはＵＳＢメモリの模式図である。ＵＳＢメモリ１１００は、筐体１１０１、キャップ１１０２、ＵＳＢコネクタ１１０３および基板１１０４を有する。基板１１０４は、筐体１１０１に収納されている。例えば、基板１１０４には、メモリチップ１１０５、コントローラチップ１１０６が取り付けられている。メモリチップ１１０５などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図４０ＢはＳＤカードの外観の模式図であり、図４０Ｃは、ＳＤカードの内部構造の模式図である。ＳＤカード１１１０は、筐体１１１１、コネクタ１１１２および基板１１１３を有する。基板１１１３は筐体１１１１に収納されている。例えば、基板１１１３には、メモリチップ１１１４、コントローラチップ１１１５が取り付けられている。基板１１１３の裏面側にもメモリチップ１１１４を設けることで、ＳＤカード１１１０の容量を増やすことができる。また、無線通信機能を備えた無線チップを基板１１１３に設けてもよい。これによって、ホスト装置とＳＤカード１１１０間の無線通信によって、メモリチップ１１１４のデータの読み出し、書き込みが可能となる。メモリチップ１１１４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
図４０ＤはＳＳＤの外観の模式図であり、図４０Ｅは、ＳＳＤの内部構造の模式図である。ＳＳＤ１１５０は、筐体１１５１、コネクタ１１５２および基板１１５３を有する。基板１１５３は筐体１１５１に収納されている。例えば、基板１１５３には、メモリチップ１１５４、メモリチップ１１５５、コントローラチップ１１５６が取り付けられている。メモリチップ１１５５はコントローラチップ１１５６のワークメモリであり、例えばＤＯＳＲＡＭチップを用いればよい。基板１１５３の裏面側にもメモリチップ１１５４を設けることで、ＳＳＤ１１５０の容量を増やすことができる。メモリチップ１１５４などに先の実施の形態に示す半導体装置を組み込むことができる。
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８）
本発明の一態様に係る半導体装置は、ＣＰＵまたはＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップに用いることができる。図４１Ａ乃至図４１Ｈに、本発明の一態様に係るＣＰＵまたはＧＰＵなどのプロセッサ、またはチップを備えた電子機器の具体例を示す。
＜電子機器・システム＞
本発明の一態様に係るＧＰＵまたはチップは、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型またはノート型の情報端末用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機、などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、電子ブックリーダー、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係るＧＰＵまたはチップを電子機器に設けることにより、電子機器に人工知能を搭載することができる。
本発明の一態様の電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像および情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナ及び二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。
本発明の一態様の電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）を有していてもよい。
本発明の一態様の電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。図４１Ａ乃至図４１Ｈに、電子機器の例を示す。
［情報端末］
図４１Ａには、情報端末の一種である携帯電話（スマートフォン）が図示されている。情報端末５１００は、筐体５１０１と、表示部５１０２と、を有しており、入力用インターフェースとして、タッチパネルが表示部５１０２に備えられ、ボタンが筐体５１０１に備えられている。
情報端末５１００は、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、会話を認識してその会話内容を表示部５１０２に表示するアプリケーション、表示部５１０２に備えるタッチパネルに対してユーザが入力した文字、図形などを認識して、表示部５１０２に表示するアプリケーション、指紋または声紋などの生体認証を行うアプリケーションなどが挙げられる。
図４１Ｂには、ノート型情報端末５２００が図示されている。ノート型情報端末５２００は、情報端末の本体５２０１と、表示部５２０２と、キーボード５２０３と、を有する。
ノート型情報端末５２００は、先述した情報端末５１００と同様に、本発明の一態様のチップを適用することで、人工知能を利用したアプリケーションを実行することができる。人工知能を利用したアプリケーションとしては、例えば、設計支援ソフトウェア、文章添削ソフトウェア、献立自動生成ソフトウェアなどが挙げられる。また、ノート型情報端末５２００を用いることで、新規の人工知能の開発を行うことができる。
なお、上述では、電子機器としてスマートフォン、およびノート型情報端末を例として、それぞれ図４１Ａ、図４１Ｂに図示したが、スマートフォン、およびノート型情報端末以外の情報端末を適用することができる。スマートフォン、およびノート型情報端末以外の情報端末としては、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、デスクトップ型情報端末、ワークステーションなどが挙げられる。
［ゲーム機］
図４１Ｃは、ゲーム機の一例である携帯ゲーム機５３００を示している。携帯ゲーム機５３００は、筐体５３０１、筐体５３０２、筐体５３０３、表示部５３０４、接続部５３０５、操作キー５３０６等を有する。筐体５３０２、および筐体５３０３は、筐体５３０１から取り外すことが可能である。筐体５３０１に設けられている接続部５３０５を別の筐体（図示せず）に取り付けることで、表示部５３０４に出力される映像を、別の映像機器（図示せず）に出力することができる。このとき、筐体５３０２、および筐体５３０３は、それぞれ操作部として機能することができる。これにより、複数のプレイヤーが同時にゲームを行うことができる。筐体５３０１、筐体５３０２、および筐体５３０３の基板に設けられているチップなどに先の実施の形態に示すチップを組み込むことができる。
また、図４１Ｄは、ゲーム機の一例である据え置き型ゲーム機５４００を示している。据え置き型ゲーム機５４００には、無線または有線でコントローラ５４０２が接続されている。
携帯ゲーム機５３００、据え置き型ゲーム機５４００などのゲーム機に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のゲーム機を実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。
更に、携帯ゲーム機５３００に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、人工知能を有する携帯ゲーム機５３００を実現することができる。
本来、ゲームの進行、ゲーム上に登場する生物の言動、ゲーム上で発生する現象などの表現は、そのゲームが有するプログラムによって定められているが、携帯ゲーム機５３００に人工知能を適用することにより、ゲームのプログラムに限定されない表現が可能になる。例えば、プレイヤーが問いかける内容、ゲームの進行状況、時刻、ゲーム上に登場する人物の言動が変化するといった表現が可能となる。
また、携帯ゲーム機５３００で複数のプレイヤーが必要なゲームを行う場合、人工知能によって擬人的にゲームプレイヤーを構成することができるため、対戦相手を人工知能によるゲームプレイヤーとすることによって、１人でもゲームを行うことができる。
図４１Ｃ、図４１Ｄでは、ゲーム機の一例として携帯ゲーム機、および据え置き型ゲーム機を図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用するゲーム機はこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用するゲーム機としては、例えば、娯楽施設（ゲームセンター、遊園地など）に設置されるアーケードゲーム機、スポーツ施設に設置されるバッティング練習用の投球マシンなどが挙げられる。
［大型コンピュータ］
本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、大型コンピュータに適用することができる。
図４１Ｅは、大型コンピュータの一例である、スーパーコンピュータ５５００を示す図である。図４１Ｆは、スーパーコンピュータ５５００が有するラックマウント型の計算機５５０２を示す図である。
スーパーコンピュータ５５００は、ラック５５０１と、複数のラックマウント型の計算機５５０２と、を有する。なお、複数の計算機５５０２は、ラック５５０１に格納されている。また、計算機５５０２には、複数の基板５５０４が設けられ、当該基板上に上記実施の形態で説明したＧＰＵまたはチップを搭載することができる。
スーパーコンピュータ５５００は、主に科学技術計算に利用される大型コンピュータである。科学技術計算では、膨大な演算を高速に処理する必要があるため、消費電力が高く、チップの発熱が大きい。スーパーコンピュータ５５００に本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用することによって、低消費電力のスーパーコンピュータを実現することができる。また、低消費電力により、回路からの発熱を低減することができるため、発熱によるその回路自体、周辺回路、およびモジュールへの影響を少なくすることができる。
図４１Ｅ、図４１Ｆでは、大型コンピュータの一例としてスーパーコンピュータを図示しているが、本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータはこれに限定されない。本発明の一態様のＧＰＵまたはチップを適用する大型コンピュータとしては、例えば、サービスを提供するコンピュータ（サーバー）、大型汎用コンピュータ（メインフレーム）などが挙げられる。
［移動体］
本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは、移動体である自動車、および自動車の運転席周辺に適用することができる。
図４１Ｇは、移動体の一例である自動車の室内におけるフロントガラス周辺を示す図である。図４１Ｇでは、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル５７０１、表示パネル５７０２、表示パネル５７０３の他、ピラーに取り付けられた表示パネル５７０４を図示している。
表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、スピードメーター、タコメーター、走行距離、燃料計、ギア状態、またはエアコンの設定などを表示することで、様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目およびレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０３は、照明装置として用いることも可能である。
表示パネル５７０４には、自動車に設けられた撮像装置（図示しない。）からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界（死角）を補完することができる。すなわち、自動車の外側に設けられた撮像装置からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル５７０４は、照明装置として用いることもできる。
本発明の一態様のＧＰＵまたはチップは人工知能の構成要素として適用できるため、例えば、当該チップを自動車の自動運転システムに用いることができる。また、当該チップを道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。表示パネル５７０１乃至表示パネル５７０４には、道路案内、危険予測などの情報を表示する構成としてもよい。
なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のチップを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。
［電化製品］
図４１Ｈは、電化製品の一例である電気冷凍冷蔵庫５８００を示している。電気冷凍冷蔵庫５８００は、筐体５８０１、冷蔵室用扉５８０２、冷凍室用扉５８０３等を有する。
電気冷凍冷蔵庫５８００に本発明の一態様のチップを適用することによって、人工知能を有する電気冷凍冷蔵庫５８００を実現することができる。人工知能を利用することによって電気冷凍冷蔵庫５８００は、電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材、その食材の消費期限などを基に献立を自動生成する機能、または電気冷凍冷蔵庫５８００に保存されている食材に合わせた温度に自動的に調節する機能などを有することができる。
電化製品の一例として電気冷凍冷蔵庫について説明したが、その他の電化製品としては、例えば、掃除機、電子レンジ、電子オーブン、炊飯器、湯沸かし器、ＩＨ調理器、ウォーターサーバ、エアーコンディショナーを含む冷暖房器具、洗濯機、乾燥機、オーディオビジュアル機器などが挙げられる。
本実施の形態で説明した電子機器、その電子機器の機能、人工知能の応用例、その効果などは、他の電子機器の記載と適宜組み合わせることができる。
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。
：ＢＧＬ：配線、ＢＩＬ：配線、ＣＡ：容量素子、ＣＢ：容量素子、ＣＣ：容量素子、ＣＡＬ：配線、ＧＮＤＬ：配線、ＭＣ：メモリセル、Ｍ１：トランジスタ、Ｍ２：トランジスタ、Ｍ３：トランジスタ、Ｍ４：トランジスタ、Ｍ５：トランジスタ、Ｍ６：トランジスタ、ＲＢＬ：配線、ＲＷＬ：配線、ＳＬ：配線、ＷＢＬ：配線、ＷＯＬ：配線、ＷＷＬ：配線、１０：基板、１１ａ：プリカーサ、１１ｂ：プリカーサ、１２ａ：リアクタント、１２ｂ：リアクタント、１３ａ：酸化物、１３ｂ：酸化物、１３ｃ：酸化物、２１：層、２２：層、３１：層、４１：層、５０：構造体、５３：領域、５４：領域、５６：領域、５８：領域、６０：酸化物、６２：酸化物、６４：酸化物、１００：容量素子、１１０：導電体、１１２：導電体、１１５：導電体、１２０：導電体、１２５：導電体、１３０：絶縁体、１４０：導電体、１４２：絶縁体、１４５：絶縁体、１５０：絶縁体、１５２：絶縁体、１５３：導電体、１５４：絶縁体、１５６：絶縁体、２００：トランジスタ、２００ａ：トランジスタ、２００ｂ：トランジスタ、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、２１７：絶縁体、２１８：導電体、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、２３０ｂａ：領域、２３０ｂｂ：領域、２３０ｂｃ：領域、２４０：導電体、２４０ａ：導電体、２４０ｂ：導電体、２４１：絶縁体、２４１ａ：絶縁体、２４１ｂ：絶縁体、２４２：導電体、２４２ａ：導電体、２４２Ａ：導電膜、２４２ｂ：導電体、２４２Ｂ：導電層、２４２ｃ：導電体、２４６：導電体、２４６ａ：導電体、２４６ｂ：導電体、２５０：絶縁体、２５０ａ：絶縁体、２５０Ａ：絶縁膜、２５０ｂ：絶縁体、２５０Ｂ：絶縁膜、２５０ｃ：絶縁体、２６０：導電体、２６０ａ：導電体、２６０ｂ：導電体、２６５：封止部、２７１：絶縁体、２７１ａ：絶縁体、２７１Ａ：絶縁膜、２７１ｂ：絶縁体、２７１Ｂ：絶縁層、２７１ｃ：絶縁体、２７４：絶縁体、２７５：絶縁体、２８０：絶縁体、２８２：絶縁体、２８３：絶縁体、２８５：絶縁体、２９０：メモリデバイス、２９２：容量デバイス、２９２ａ：容量デバイス、２９２ｂ：容量デバイス、２９４：導電体、２９４ａ：導電体、２９４ｂ：導電体、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、４００：開口領域、５００：半導体装置、６００：半導体装置、６０１：半導体装置、６１０：セルアレイ、６１０＿ｎ：セルアレイ、６１０＿１：セルアレイ、７００：電子部品、７０２：プリント基板、７０４：実装基板、７１１：モールド、７１２：ランド、７１３：電極パッド、７１４：ワイヤ、７２０：記憶装置、７２１：駆動回路層、７２２：記憶回路層、７３０：電子部品、７３１：インターポーザ、７３２：パッケージ基板、７３３：電極、７３５：半導体装置、１００１：配線、１００２：配線、１００３：配線、１００４：配線、１００５：配線、１００６：配線、１１００：ＵＳＢメモリ、１１０１：筐体、１１０２：キャップ、１１０３：ＵＳＢコネクタ、１１０４：基板、１１０５：メモリチップ、１１０６：コントローラチップ、１１１０：ＳＤカード、１１１１：筐体、１１１２：コネクタ、１１１３：基板、１１１４：メモリチップ、１１１５：コントローラチップ、１１５０：ＳＳＤ、１１５１：筐体、１１５２：コネクタ、１１５３：基板、１１５４：メモリチップ、１１５５：メモリチップ、１１５６：コントローラチップ、１２００：チップ、１２０１：ＰＣＢ、１２０２：バンプ、１２０３：マザーボード、１２０４：ＧＰＵモジュール、１２１１：ＣＰＵ、１２１２：ＧＰＵ、１２１３：アナログ演算部、１２１４：メモリコントローラ、１２１５：インターフェース、１２１６：ネットワーク回路、１２２１：ＤＲＡＭ、１２２２：フラッシュメモリ、１４００：記憶装置、１４１１：周辺回路、１４２０：行回路、１４３０：列回路、１４４０：出力回路、１４６０：コントロールロジック回路、１４７０：メモリセルアレイ、１４７１：メモリセル、１４７２：メモリセル、１４７３：メモリセル、１４７４：メモリセル、１４７５：メモリセル、１４７６：メモリセル、１４７７：メモリセル、１４７８：メモリセル、２７００：製造装置、２７０１：大気側基板供給室、２７０２：大気側基板搬送室、２７０３ａ：ロードロック室、２７０３ｂ：アンロードロック室、２７０４：搬送室、２７０６ａ：チャンバー、２７０６ｂ：チャンバー、２７０６ｃ：チャンバー、２７０６ｄ：チャンバー、２７６１：カセットポート、２７６２：アライメントポート、２７６３ａ：搬送ロボット、２７６３ｂ：搬送ロボット、２８０１：ガス供給源、２８０２：バルブ、２８０３：高周波発生器、２８０４：導波管、２８０５：モード変換器、２８０６：ガス管、２８０７：導波管、２８０８：スロットアンテナ板、２８０９：誘電体板、２８１０：高密度プラズマ、２８１１：基板、２８１１＿ｎ：基板、２８１１＿ｎ－１：基板、２８１１＿ｎ－２：基板、２８１１＿１：基板、２８１１＿２：基板、２８１１＿３：基板、２８１２：基板ホルダ、２８１３：加熱機構、２８１５：マッチングボックス、２８１６：高周波電源、２８１７：真空ポンプ、２８１８：バルブ、２８１９：排気口、２８２０：ランプ、２８２１：ガス供給源、２８２２：バルブ、２８２３：ガス導入口、２８２４：基板、２８２５：基板ホルダ、２８２６：加熱機構、２８２８：真空ポンプ、２８２９：バルブ、２８３０：排気口、２９００：マイクロ波処理装置、２９０１：石英管、２９０２：基板ホルダ、２９０３：加熱手段、４０００：成膜装置、４００２：搬入搬出室、４００４：搬入搬出室、４００６：搬送室、４００８：成膜室、４００９：成膜室、４０１１：処理室、４０１４：搬送アーム、４０２０：チャンバー、４０２１：原料供給部、４０２１ａ：原料供給部、４０２１ｂ：原料供給部、４０２１ｃ：原料供給部、４０２２ａ：高速バルブ、４０２２ｄ：高速バルブ、４０２３：原料導入口、４０２４：原料排出口、４０２５：排気装置、４０２６：基板ホルダ、４０２７：ヒータ、４０２８：プラズマ発生装置、４０２９：コイル、４０３０：基板、４０３１：原料供給部、４０３２：ガス供給部、４０３３：原料導入口、４０３４ａ：配管ヒータ、４０３４ｂ：配管ヒータ、４１００：プラズマＡＬＤ装置、４１１１：プラズマ生成室、４１２０：反応室、４１２３：原料導入口、４１２４：原料排出口、４１２６：基板ホルダ、４１２８：プラズマ生成装置、４１３０：基板、４１３１：プラズマ、４１３３：原料導入口、４２００：プラズマＡＬＤ装置、４２１３：電極、４２１４：シャワーヘッド、４２１５：電源、４２１７：コンデンサ、４２２０：チャンバー、４２２３：原料導入口、４２２４：原料排出口、４２２６：基板ホルダ、４２３０：基板、４２３１：プラズマ、４３００：プラズマＡＬＤ装置、４３１３：電極、４３１４：シャワーヘッド、４３１５：電源、４３１７：コンデンサ、４３１９：メッシュ、４３２０：チャンバー、４３２１：電源、４３２２：コンデンサ、４３２３：原料導入口、４３２４：原料排出口、４３２６：基板ホルダ、４３３０：基板、４３３１：プラズマ、４５２０：チャンバー、４５２１：原料供給部、４５２１ａ：原料供給部、４５２１ｂ：原料供給部、４５２１ｃ：原料供給部、４５２２ａ：高速バルブ、４５２２ｃ：高速バルブ、４５２２ｄ：高速バルブ、４５２３：原料導入口、４５２４：原料排出口、４５２５：排気装置、４５２６：基板ホルダ、４５２７：ヒータ、４５３０：基板、４５３１：原料供給部、４５３２：ガス供給部、４５３４ａ：配管ヒータ、４５３４ｂ：配管ヒータ、５１００：情報端末、５１０１：筐体、５１０２：表示部、５２００：ノート型情報端末、５２０１：本体、５２０２：表示部、５２０３：キーボード、５３００：携帯ゲーム機、５３０１：筐体、５３０２：筐体、５３０３：筐体、５３０４：表示部、５３０５：接続部、５３０６：操作キー、５４００：据え置き型ゲーム機、５４０２：コントローラ、５５００：スーパーコンピュータ、５５０１：ラック、５５０２：計算機、５５０４：基板、５７０１：表示パネル、５７０２：表示パネル、５７０３：表示パネル、５７０４：表示パネル、５８００：電気冷凍冷蔵庫、５８０１：筐体、５８０２：冷蔵室用扉、５８０３：冷凍室用扉

Claims (6)

  1. 第１のプリカーサをチャンバーに供給する第１の工程と、
    第２のプリカーサをチャンバーに供給する第２の工程と、
    第３のプリカーサをチャンバーに供給する第３の工程と、
    前記第１の工程の後、前記第２の工程の後、および前記第３の工程それぞれの後に、酸化剤をチャンバーに導入する第４の工程と、を有し、
    前記第１乃至第３のプリカーサは、それぞれ異なる種類のプリカーサであり、
    前記第１乃至第４の工程において、前記チャンバー内に配置された基板は、３００℃以上前記第１乃至第３のプリカーサの分解温度のうち最も低い温度以下の温度に加熱され、
    前記第１のプリカーサは、インジウムを有し、
    前記第２のプリカーサは、元素Ｍ（Ｍはガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数）を有し、
    前記第３のプリカーサは、亜鉛を有し、
    前記第１乃至前記第３のプリカーサは、炭素および水素を有しなく、
    前記第１乃至前記第３のプリカーサは、塩素を有し、
    前記酸化剤は、オゾンおよび酸素である、
    金属酸化物の成膜方法。
  2. 第１のプリカーサをチャンバーに供給する第１の工程と、
    第２のプリカーサをチャンバーに供給する第２の工程と、
    第３のプリカーサをチャンバーに供給する第３の工程と、
    前記第１の工程の後、前記第２の工程の後、および前記第３の工程それぞれの後に、酸化剤をプラズマ化してチャンバーに導入する第４の工程と、を有し、
    前記第１乃至第３のプリカーサは、それぞれ異なる種類のプリカーサであり、
    前記第１乃至第４の工程において、前記チャンバー内に配置された基板は、３００℃以上前記第１乃至第３のプリカーサの分解温度のうち最も低い温度以下の温度に加熱され、
    前記第１のプリカーサは、インジウムを有し、
    前記第２のプリカーサは、元素Ｍ（Ｍはガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数）を有し、
    前記第３のプリカーサは、亜鉛を有し、
    前記第１乃至前記第３のプリカーサは、炭素および水素を有しなく、
    前記第１乃至前記第３のプリカーサは、塩素を有し、
    前記酸化剤は、オゾンおよび酸素である、
    金属酸化物の成膜方法。
  3. 請求項１または２において、
    前記第１乃至第４の工程を、それぞれ１回以上行うことを１サイクルとし、前記１サイクルを複数回繰り返す、
    金属酸化物の成膜方法。
  4. 請求項３において、
    前記１サイクルにおける、前記第１の工程の回数と、前記第２の工程の回数と、前記第３の工程の回数と、の比は、
    前記金属酸化物が有する、前記インジウムと、前記元素Ｍと、前記亜鉛の比と同じである、
    金属酸化物の成膜方法。
  5. 請求項３または請求項４において、
    前記１サイクルを複数回繰り返した後で、加熱処理を行う、
    金属酸化物の成膜方法。
  6. 第１の金属酸化物と、前記第１の金属酸化物上に接して第２の金属酸化物とを成膜する方法であって、
    前記第１の金属酸化物に含まれるインジウムと、元素Ｍ（Ｍはガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数）と、亜鉛の比と、前記第２の金属酸化物に含まれるインジウムと、元素Ｍ（Ｍはガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数）と、亜鉛の比とは異なり、
    前記第１の金属酸化物の成膜は、
    第１のプリカーサをチャンバーに供給する第１の工程と、
    第２のプリカーサをチャンバーに供給する第２の工程と、
    第３のプリカーサをチャンバーに供給する第３の工程と、
    前記第１の工程の後、前記第２の工程の後、および前記第３の工程それぞれの後に、酸化剤をチャンバーに導入する第４の工程と、を有し、
    前記第１乃至第３のプリカーサは、それぞれ異なる種類のプリカーサであり、
    前記第１乃至第４の工程において、前記チャンバー内に配置された基板は、３００℃以上前記第１乃至第３のプリカーサの分解温度のうち最も低い温度以下の温度に加熱され、
    前記第１のプリカーサは、インジウムを有し、
    前記第２のプリカーサは、元素Ｍ（Ｍはガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数）を有し、
    前記第３のプリカーサは、亜鉛を有し、
    前記第１乃至第４の工程を、それぞれ１回以上行うことを１サイクルとし、前記１サイクルを複数回繰り返し、
    前記１サイクルにおける、前記第１の工程の回数と、前記第２の工程の回数と、前記第３の工程の回数と、の比は、前記第１の金属酸化物が有する、インジウムと、元素Ｍと、亜鉛の比と同じであり、
    前記第２の金属酸化物の成膜は、
    第４のプリカーサをチャンバーに供給する第５の工程と、
    第５のプリカーサをチャンバーに供給する第６の工程と、
    第６のプリカーサをチャンバーに供給する第７の工程と、
    前記第５の工程の後、前記第６の工程の後、および前記第７の工程それぞれの後に、酸化剤をチャンバーに導入する第８の工程と、を有し、
    前記第４乃至第６のプリカーサは、それぞれ異なる種類のプリカーサであり、
    前記第５乃至第８の工程において、前記チャンバー内に配置された基板は、３００℃以上前記第４乃至第６のプリカーサの分解温度のうち最も低い温度以下の温度に加熱され、
    前記第４のプリカーサは、インジウムを有し、
    前記第５のプリカーサは、元素Ｍ（Ｍはガリウム、アルミニウム、イットリウム、および錫のいずれか一または複数）を有し、
    前記第６のプリカーサは、亜鉛を有し、
    前記第５乃至第８の工程を、それぞれ１回以上行うことを１サイクルとし、前記第２の金属酸化物の成膜の１サイクルを複数回繰り返し、
    前記第２の金属酸化物の成膜の１サイクルにおける、前記第５の工程の回数と、前記第６の工程の回数と、前記第７の工程の回数と、の比は、前記第２の金属酸化物が有する、インジウムと、元素Ｍと、亜鉛の比と同じであり、
    前記第１乃至前記第６のプリカーサは、炭素および水素を有しなく、
    前記第１乃至前記第６のプリカーサは、塩素を有し、
    前記酸化剤は、オゾンおよび酸素である、
    金属酸化物の成膜方法。
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