JP7133056B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、トランジスタおよび半導体装置に関する。または、本発明は、例えば
、トランジスタおよび半導体装置の製造方法に関する。または、本発明は、例えば、表示
装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、プロセッサ、電子機器に関する。また
は、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の製造方法に関する。また
は、表示装置、液晶表示装置、発光装置、記憶装置、電子機器の駆動方法に関する。

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

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

近年、酸化物半導体（代表的にはＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物）を用いたトランジスタの開発
が活発化しており、集積回路などにも用いられている。酸化物半導体の歴史は古く、１９
８８年には、結晶Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物を半導体素子へ利用することが開示されている
（特許文献１参照。）。また、１９９５年には、酸化物半導体を用いたトランジスタが発
明されており、その電気特性が開示されている（特許文献２参照。）。

さらに、シリコン（Ｓｉ）を半導体層に用いたトランジスタと、酸化物半導体を半導体層
に用いたトランジスタと、を組み合わせた半導体装置が注目されている（特許文献３参照
）。

特開昭６３－２３９１１７ 特表平１１－５０５３７７ 特開２０１１－１１９６７４

安定した電気特性を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することを課題の一と
する。または、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを有する半導体装置を提供す
ることを課題の一とする。または、ノーマリーオフの電気特性を有するトランジスタを有
する半導体装置を提供することを課題の一とする。または、信頼性の高いトランジスタを
有する半導体装置を提供することを課題の一とする。

または、該半導体装置を有するモジュールを提供することを課題の一とする。または、該
半導体装置、または該モジュールを有する電子機器を提供することを課題の一とする。ま
たは、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規なモジュールを
提供することを課題の一とする。または、新規な電子機器を提供することを課題の一とす
る。

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。

（１）
本発明の一態様は、窒素を有する金属と、第１の導電体と、第２の導電体と、絶縁体と、
を有し、絶縁体には、前記絶縁体を貫通して前記第２の導電体に達する開口部が設けられ
、前記開口部の側面および前記開口部の底面は、前記金属と接する領域を有し、前記第１
の導電体は、前記金属を介して前記開口部の側面および前記開口部の底面と接する領域を
有し、前記開口部の底面に接する前記金属の電気抵抗率は、前記開口部の側面に接する前
記金属の電気抵抗率よりも低いことを特徴とする電極である。

（２）
本発明の一態様は、金属は、タンタルおよび酸素を含むことを特徴とする（１）に記載の
電極である。

（３）
本発明の一態様は、第１の導電体は、銅またはタングステンを含むことを特徴とする（１
）または（２）に記載の電極である。

（４）
本発明の一態様は、絶縁体は、アルミニウムおよび酸素を含むことを特徴とする（１）乃
至（３）のいずれか一に記載の電極である。

（５）
本発明の一態様は、電極、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタを有し、第１の
トランジスタは、ゲート電極を有し、第２のトランジスタは、ドレイン電極を有し、ゲー
ト電極は、ドレイン電極と電極を介して電気的に接続され、電極は（１）乃至（４）のい
ずれか一に記載の電極であることを特徴とする半導体装置である。

（６）
本発明の一態様は、（１）乃至（４）のいずれか一に記載の電極、（５）に記載の半導体
装置、およびプリント基板を有することを特徴とするモジュールである。

（７）
本発明の一態様は、（１）乃至（４）のいずれか一に記載の電極、（５）に記載の半導体
装置、（６）に記載のモジュール、およびスピーカーまたは操作キーを有することを特徴
とする電子機器である。

（８）
本発明の一態様は、（１）乃至（４）のいずれか一に記載の電極を複数個、または、（５
）に記載の半導体装置を複数個有し、ダイシング用の領域を有する半導体ウエハーである
。

（９）
本発明の一態様は、第１の導電体上に第１の絶縁体を成膜し、第１の絶縁体上に第２の絶
縁体を成膜し、第２の絶縁体上に第３の絶縁体を成膜し、第３の絶縁体上にハードマスク
を形成し、ハードマスクをエッチングマスクとして、第１の絶縁体、第２の絶縁体および
第３の絶縁体の一部をエッチングすることで、第１の絶縁体、第２の絶縁体および第３の
絶縁体を通り、第１の導電体の上面に達する開口を形成し、開口の側面および底面を覆う
ように窒素を有する金属を成膜し、プラズマ処理を行い、開口を埋め込むように窒素を有
する金属上に第２の導電体を成膜し、ハードマスク、窒素を有する金属および第２の導電
体に研磨処理を行って、ハードマスクを除去し、窒素を有する金属、第２の導電体および
第３の絶縁体の上面の高さを略一致させ、開口の底面と接する窒素を有する金属の電気抵
抗率は、開口の側面と接する窒素を有する金属の電気抵抗率よりも低いことを特徴とする
電極の作製方法である。

（１０）
本発明の一態様は、プラズマ処理に用いるガスは、アルゴンを含むことを特徴とする（９
）に記載の電極の作製方法である。

（１１）
本発明の一態様は、半導体装置の作製方法であって、半導体装置は、電極、第１のトラン
ジスタおよび第２のトランジスタを有し、第１のトランジスタは、ゲート電極を有し、第
２のトランジスタは、ドレイン電極を有し、ゲート電極は、ドレイン電極と電極を介して
電気的に接続され、電極は、（９）または（１０）のいずれか一に記載の電極の作製方法
を用いて作製されていることを特徴とする半導体装置である。

（１２）
本発明の一態様は、モジュールの作製方法であって、モジュールは、（９）または（１０
）のいずれか一に記載の電極の作製方法を用いて作製された電極、（１１）に記載の半導
体装置の作製方法を用いて作製された半導体装置、およびプリント基板を有することを特
徴とするモジュールの作製方法である。

（１３）
本発明の一態様は、電子機器の作製方法であって、電子機器は、（９）または（１０）の
いずれか一に記載の電極の作製方法を用いて作製された容量素子、（１１）に記載の半導
体装置の作製方法を用いて作製された半導体装置、（１２）に記載のモジュールの作製方
法を用いて作製されたモジュール、およびスピーカーまたは操作キーを有することを特徴
とする電子機器の作製方法である。

安定した電気特性を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。ま
たは、非導通時のリーク電流の小さいトランジスタを有する半導体装置を提供することが
できる。または、ノーマリーオフの電気特性を有するトランジスタを有する半導体装置を
提供することができる。または、信頼性の高いトランジスタを有する半導体装置を提供す
ることができる。

または、該半導体装置を有するモジュールを提供することができる。または、該半導体装
置、または該モジュールを有する電子機器を提供することができる。または、新規な半導
体装置を提供することができる。または、新規なモジュールを提供することができる。ま
たは、新規な電子機器を提供することができる。

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

本発明の一態様に係る半導体装置の構成を説明する断面図および上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成を説明する断面図および上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成を説明する断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成を説明する断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図および上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図および上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図および上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図および上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図および上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図および上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法を説明する断面図および上面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの構成を説明する断面図および上面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの構成を説明する断面図および上面図。 本発明に係る酸化物半導体の原子数比の範囲を説明する図。 ＩｎＭＺｎＯ_４の結晶を説明する図。 酸化物半導体の積層構造におけるバンド図。 本発明の一態様に係る容量素子の構成を説明する断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの構成を説明する断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成を説明する断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成を説明する断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を説明する断面図。 本発明の一態様に係るトランジスタの作製方法を説明する断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置の構成を説明する断面図。 ＣＡＡＣ－ＯＳおよび単結晶酸化物半導体のＸＲＤによる構造解析を説明する図、ならびにＣＡＡＣ－ＯＳの制限視野電子回折パターンを示す図。 ＣＡＡＣ－ＯＳの断面ＴＥＭ像、ならびに平面ＴＥＭ像およびその画像解析像。 ｎｃ－ＯＳの電子回折パターンを示す図、およびｎｃ－ＯＳの断面ＴＥＭ像。 ａ－ｌｉｋｅ ＯＳの断面ＴＥＭ像。 Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の電子照射による結晶部の変化を示す図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。 本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。 本発明の一態様に係る記憶装置を示す回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。 本発明の一態様を説明するためのグラフおよび回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。 本発明の一態様を説明するためのブロック図、回路図および波形図。 本発明の一態様を説明するための回路図およびタイミングチャート。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す回路図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す上面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示すブロック図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の一態様に係る電子機器を示す斜視図。 実施例に係る窒化タンタルの膜減り量を示す図。 実施例に係るシート抵抗の測定結果を示す図。 実施例に係るＸＰＳ分析結果を示す図。 実施例係るＸＰＳ分析結果を示す図。 本発明の一態様に係る半導体ウエハーの上面図。 電子部品の作製工程例を説明するフローチャートおよび斜視模式図。

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

以下の実施の形態に示す構成は、実施の形態に示す他の構成に対して適宜、適用、組み合
わせ、または置き換えなどを行って、本発明の一態様とすることができる。

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

なお、本明細書において、「膜」という表記と、「層」という表記と、を互いに入れ替え
ることが可能である。

また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位（ＧＮＤ）またはソース電位）
との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧を電位と言い換えることが可能である
。一般的に、電位（電圧）は、相対的なものであり、基準の電位からの相対的な大きさに
よって決定される。したがって、「接地電位」などと記載されている場合であっても、電
位が０Ｖであるとは限らない。例えば、回路で最も低い電位が、「接地電位」となる場合
もある。または、回路で中間くらいの電位が、「接地電位」となる場合もある。その場合
には、その電位を基準として、正の電位と負の電位が規定される。

なお、第１、第２として付される序数詞は便宜的に用いるものであり、工程順または積層
順を示すものではない。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」または「第３の」な
どと適宜置き換えて説明することができる。また、本明細書などに記載されている序数詞
と、本発明の一態様を特定するために用いられる序数詞は一致しない場合がある。

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」とし
ての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」は境界が曖昧であり、厳密
に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「絶縁体」と
言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「絶縁体」は、「半導体
」と言い換えることができる場合がある。

また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」とし
ての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」は境界が曖昧であり、厳密
に区別できない場合がある。したがって、本明細書に記載の「半導体」は、「導電体」と
言い換えることができる場合がある。同様に、本明細書に記載の「導電体」は、「半導体
」と言い換えることができる場合がある。

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である。不純物が含まれることにより、例えば、半導
体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅｓ）が形成されることや、キャリア移動
度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半
導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２
族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属などがあり
、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、
リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によ
って酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコン層である場合、半導体の特
性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第
１３族元素、第１５族元素などがある。

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

チャネル幅とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタ
がオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが互いに重なる領域
、またはチャネルが形成される領域における、チャネル長方向を基準として垂直方向のチ
ャネル領域の長さを言う。なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領
域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に
定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される
領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。

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

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

そこで、本明細書では、見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕ
ｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書
では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネ
ル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実
効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル
幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、
その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。

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

なお、本明細書等において、酸化窒化シリコンとは、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って、好ましくは酸素が５５原子％以上６５原子％以下、窒素が１
原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原
子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは
、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って、好ましくは窒素が５５
原子％以上６５原子％以下、酸素が１原子％以上２０原子％以下、シリコンが２５原子％
以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の濃度範囲で含まれるもの
をいう。

本明細書において、「平行」とは、二つの直線が－１０°以上１０°以下の角度で配置さ
れている状態をいう。したがって、－５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平
行」とは、二つの直線が－３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。ま
た、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態を
いう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二
つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。

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

（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置の作製方法について、図を用いて説
明する。

＜プラグの作製方法１＞
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成の一部として、プラグの構成とその作
製方法について、図１、図５および図６に示す断面図と上面図を用いて説明する。図１（
Ａ）、図５（Ａ）、図５（Ｃ）、図６（Ａ）および図６（Ｃ）は、図１（Ｂ）、図５（Ｂ
）、図５（Ｄ）、図６（Ｂ）および図６（Ｄ）に示す上面図の一点鎖線Ｘ１－Ｘ２に対応
する断面図を示している。

図１（Ａ）および（Ｂ）はプラグの完成図であり、図５および図６では導電体１２（以下
、導電膜または配線などと呼ぶ場合がある。）と、絶縁体１３ａ、絶縁体１４ａおよび絶
縁体１５ａに形成された開口１７に埋め込まれた窒素を有する金属２０ａおよび導電体２
１ａと、を接続する工程について説明している。ここで、開口１７はビアホールなどとし
て機能し、窒素を有する金属２０ａおよび導電体２１ａが開口１７に埋め込まれるプラグ
として機能する。また、開口１７の底面において、窒素を有する金属２０ａと導電体１２
とが接する領域の窒素を有する金属２０ａは低抵抗化されている領域を有する。図１（Ａ
）中に窒素を有する金属２０ａが低抵抗化された領域を点線で表記する。

まず、基板の上に導電体１２を形成する。導電体１２は、単層構造としてもよいし、積層
構造としてもよい。なお、図１（Ａ）、図６および図６では基板は図示していない。また
、基板と導電体１２の間に、他の導電体、絶縁体または半導体などを設ける構成としても
よい。

導電体１２の成膜は、後述する窒素を有する金属２０および導電体２１などと同様の方法
を用いればよい。

次に、導電体１２の上に絶縁体１３を成膜する。絶縁体１３は、単層構造としてもよいし
、積層構造としてもよい。絶縁体１３の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶ
Ｄ：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（ＰＬ
Ｄ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、または原子層堆積（ＡＬＤ
：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて行うことができる
。

なお、ＣＶＤ法は、プラズマを利用するプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅ
ｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法、熱を利用する熱ＣＶＤ（ＴＣＶＤ：Ｔｈｅｒｍａｌ ＣＶ
Ｄ）法、光を利用する光ＣＶＤ（Ｐｈｏｔｏ ＣＶＤ）法などに分類できる。さらに用い
る原料ガスによって金属ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ ＣＶＤ）法、有機金属ＣＶＤ（
ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法に分けることができる。

次に、絶縁体１３の上に絶縁体１４を成膜する。絶縁体１４は、単層構造としてもよいし
、積層構造としてもよい。絶縁体１４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１４は、絶縁体１３より水素および水を透過させにくい材料を用いることが好まし
い。絶縁体１４としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリ
ウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、
酸化窒化ハフニウム等を用いることができる。これらを絶縁体１４として用いることによ
り、水素および水の拡散をブロックする効果を示す絶縁膜として機能することができる。

次に、絶縁体１４の上に絶縁体１５を成膜する。絶縁体１５は、単層構造としてもよいし
、積層構造としてもよい。または、絶縁体１５を省略した構造としてもよい。絶縁体１５
の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用
いて行うことができる。

次に、絶縁体１５の上にハードマスク１６の材料を成膜する。ここで、ハードマスク１６
の材料は、金属材料などの導電体を用いてもよいし、絶縁体を用いてもよい。また、ハー
ドマスク１６の材料の成膜は、単層としてもよいし、絶縁体と導電体の積層としてもよい
。なお、本明細書等において、「ハードマスク」とは、レジスト以外の材料（金属材料や
絶縁材料）を用いて作製したマスクをいう。ハードマスク１６の材料の成膜は、スパッタ
リング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができ
る。

次に、リソグラフィー法などを用いて形成したレジストマスクを用いて、ハードマスク１
６の材料をエッチングして開口１７ａを有するハードマスク１６を形成する（図５（Ａ）
（Ｂ）参照。）。ここで、図５（Ａ）は、図５（Ｂ）に示す一点鎖線Ｘ１－Ｘ２に対応す
る断面図である。以下、同様に断面図と上面図を一点鎖線Ｘ１－Ｘ２に対応させて示す。

なお、リソグラフィー法では、まず、マスクを介してレジストを露光する。次に、露光さ
れた領域を、現像液を用いて除去または残存させてレジストマスクを形成する。次に、当
該レジストマスクを介してエッチング処理することで導電体、半導体または絶縁体などを
所望の形状に加工することができる。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマ
レーザ光、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光などを用いて、レジス
トを露光することでレジストマスクを形成すればよい。また、基板と投影レンズとの間に
液体（例えば水）を満たして露光する、液浸技術を用いてもよい。また、前述した光に代
えて、電子ビームやイオンビームを用いてもよい。なお、電子ビームやイオンビームを用
いる場合には、マスクは不要となる。なお、レジストマスクの除去には、アッシングなど
のドライエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処理を行う、またはドライエ
ッチング処理に加えてウエットエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処理に
加えてドライエッチング処理を行うことができる。

なお、開口１７ａは、上面を円形状としているがこれに限られるものではなく、例えば上
面を楕円形状としてもよいし、三角形、四角形などの多角形状にしてもよい。また、多角
形状とする場合、角部が丸みを帯びている形状としてもよい。

次に、ハードマスク１６をエッチングマスクとして絶縁体１５、絶縁体１４および絶縁体
１３を導電体１２の上面が露出するまでエッチングすることで開口１７を有する絶縁体１
５ａ、絶縁体１４ａおよび絶縁体１３ａを形成する。ここでハードマスク１６はエッチン
グ膜厚が薄くなりハードマスク１６ａとなる。なお、エッチングはドライエッチングを用
いることが好ましい。

ドライエッチング装置としては、平行平板型電極を有する容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：
Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いるこ
とができる。平行平板型電極を有する容量結合型プラズマエッチング装置は、平行平板型
電極の一方の電極に高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極の一方の
電極に複数の異なった高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞ
れに同じ周波数の高周波電源を印加する構成でもよい。または平行平板型電極それぞれに
周波数の異なる高周波電源を印加する構成でもよい。または高密度プラズマ源を有するド
ライエッチング装置を用いることができる。高密度プラズマ源を有するドライエッチング
装置は、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅ
ｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置などを用いることができる。

開口１７の側面に副生成物が形成されることがある。副生成物は、絶縁体１３、絶縁体１
４、絶縁体１５またはハードマスク１６に含まれる成分、あるいは絶縁体１３、絶縁体１
４または絶縁体１５のエッチングガスに含まれる成分を含んで形成される。副生成物は、
Ｏ_２ガス含むガスを用いたプラズマ処理を行うことで除去することができる。

また、開口１７の底面部分の導電体１２が露出した部分に導電体１２の酸化物が生成され
ることがある。この酸化物は、純水または薬液を用いた洗浄を行うことで除去することが
できる（図５（Ｃ）および（Ｄ）参照。）。

次に、開口１７の中に窒素を有する金属２０を成膜する。窒素を有する金属２０は、導
電体２１より水素を透過させにくい導電体を用いることが好ましい。窒素を有する金属２
０としては、窒化タンタルまたは窒化チタン、特に窒化タンタルを用いることが好ましい
。このような窒素を有する金属２０を設けることにより、水素、水などの不純物が導電体
２１中に拡散することを抑制することができる。さらに、導電体２１に含まれる金属成分
の拡散を防ぐ、導電体２１の酸化を防ぐ、導電体２１の開口１７に対する密着性を向上さ
せるなどの効果を得ることができる。また、窒素を有する金属２０を積層で形成する場合
、例えば、チタン、タンタル、窒化チタンまたは窒化タンタルなどを用いてもよい。また
、窒素を有する金属として窒化タンタルを成膜する場合、成膜後にＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ
Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置による加熱処理を行ってもよい。

窒素を有する金属２０の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ま
たはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。ここで、窒素を有する金属２０は開口１７
の内壁および底面を覆うように被覆性良く成膜されることが好ましい。例えば、コリメー
トスパッタ法、ＭＣＶＤ法またはＡＬＤ法などを用いることが好ましい。

コリメートスパッタ法は、ターゲットと基板との間にコリメータを設置することによって
、指向性のある成膜を行うことができる。つまり、基板に対し垂直成分を持つスパッタ粒
子がコリメータを通過して基板に到達する。これにより、アスペクト比が高い開口１７の
底面までスパッタ粒子が到達しやすくなるため、開口１７の底面にも十分成膜することが
できる。

また、窒素を有する金属２０を、ＡＬＤ法を用いて成膜することにより、窒素を有する金
属２０を良好な被覆性で成膜し、且つ窒素を有する金属２０にピンホールなどが形成され
ることを抑制することができる。このように窒素を有する金属２０を成膜することにより
、水素、水などの不純物が窒素を有する金属２０を通過して導電体２１に拡散することを
さらに抑制することができる。例えば、ＡＬＤ法を用いて窒素を有する金属２０として窒
化タンタルを成膜する場合、ペンタキス（ジメチルアミノ）タンタル（構造式：Ｔａ［Ｎ
（ＣＨ_３）_２］_５）をプリカーサとして用いることができる。

窒素を有する金属２０の成膜にＡＬＤ法などを用いて行うと、電気抵抗率の高い窒素を有
する金属２０が形成されることがある。窒素を有する金属２０の電気抵抗率が高くなると
導電体１２との電気的な接続に不具合が生じることがある。

ここで本発明の一態様である窒素を有する金属の低抵抗化の処理方法について説明する。
窒素を有する金属２０に希ガスを含むプラズマを照射することによって窒素を有する金属
２０の電気抵抗率を低くすることができる。具体的には、例えばアルゴンガスを用いたプ
ラズマを照射することで窒素を有する金属２０の表面にプラズマ中のアルゴンのプラスイ
オンが照射される。アルゴンのプラスイオンは、プラズマ中の電界によって加速されるた
め、例えば、基板の裏面と平行な面に対して垂直方向が電界の方向であれば、この電界の
方向に照射される。従って、開口１７の側面に形成された窒素を有する金属２０の表面は
電界方向と略平行に面するため、アルゴンのプラスイオンの照射量は少なくなるので開口
１７の側面に形成された窒素を有する金属２０は低抵抗化され難い。一方、基板の裏面と
略平行に面した領域は、電界方向と垂直に面するためアルゴンのプラスイオンの照射が多
くなるために基板の裏面と略平行に面した領域は低抵抗化される。従って、開口１７の底
面の導電体１２の露出した部分との電気的接続が良好となり好ましい。図６（Ａ）中にイ
オンの照射方向を矢印で記す。また、イオン照射によって窒素を有する金属２０が低抵抗
化された領域を点線で表記する（図６（Ａ）および（Ｂ）参照。）。

プラズマ処理を行う装置としては、ドライエッチング装置、ＰＥＣＶＤ装置、高密度プラ
ズマ装置およびスパッタ装置などを用いることができる。特にスパッタ装置を用いる場合
は、該スパッタ装置が逆スパッタ処理の機能を有することが好ましい。

スパッタ法による成膜では、通常はプラズマ中のプラスイオンはターゲットに向かって進
むように電界が設定されているが、逆スパッタ処理とは、プラズマ中のプラスイオンが、
ターゲットの方向ではなく、基板の方向に向かって進むように電界を切り替えて処理を行
なうことを言う。

次に、窒素を有する金属が、イオン照射されることによって低抵抗化されるメカニズムに
ついて、窒化タンタルを用いた一例を説明する。窒化タンタル中には、ＴａとＮの結合の
他に、ＴａとＯの結合などが含まれる。ＴａとＮの結合の割合が大きい窒化タンタルは抵
抗率が低いがＴａとＯの結合の割合が多くなると抵抗率が高くなる。従って、イオン照射
による物理的なダメージによってＴａとＯの結合を切断し、ＴａとＯの結合を減少させる
ことにより、窒化タンタル中のＴａとＮの結合の割合を増加させることができる。この結
果、窒化タンタルを低抵抗化することができると考えられる。

または、窒化タンタルの成膜にＡＬＤ法などを用いて行うと窒化タンタルの表面付近は、
ＴａとＮの結合よりもＴａとＯの結合の割合が大きいことがある。このＴａとＯの結合の
割合が大きい高抵抗な部分をイオン照射による物理的なダメージによって除去することで
窒化タンタルを低抵抗化することができると考えられる。ＴａとＯの結合の割合が大きい
高抵抗な部分は、表面から３ｎｍ以下、または５ｎｍ以下とする。

次に窒素を有する金属２０の上に開口１７を埋め込むように導電体２１を成膜する。（図
６（Ｃ）および（Ｄ）参照。）。

導電体２１としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニ
ウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリ
ウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよび
タングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。導電体２１
の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法またはメッキ法
などを用いて行うことができる。ここで、導電体２１の成膜は、開口１７を埋め込むよう
に行うので、ＣＶＤ法（特にＭＣＶＤ法）またはメッキ法を用いることが好ましい。

次に、導電体２１、窒素を有する金属２０、ハードマスク１６ａおよび絶縁体１５ａに研
磨処理を行って、開口１７に埋め込まれた窒素を有する金属２０ａおよび導電体２１ａを
形成する（図１（Ａ）および（Ｂ）参照。）。研磨処理としては、機械的研磨、化学的研
磨、化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：
ＣＭＰ）などを行えばよい。

ここで、開口１７は、ビアホールまたはコンタクトホールなどとして機能する。窒素を有
する金属２０ａおよび導電体２１ａが開口１７に埋め込まれプラグとして機能する。

ここで、本実施の形態に示す半導体装置は、半導体基板の上に酸化物半導体が設けられて
おり、半導体基板と酸化物半導体の間に、上記の積層された絶縁体と、当該絶縁体に形成
された開口に埋め込まれた、プラグとして機能する導電体が設けられている。本実施の形
態に示す半導体装置は、酸化物半導体を用いてトランジスタが形成されており、当該トラ
ンジスタを含む素子層が半導体基板を含む素子層の上に形成されている。半導体基板を含
む素子層にトランジスタを形成してもよい。また、容量素子などを含む素子層を適宜設け
てもよい。例えば、容量素子などを含む素子層を、酸化物半導体を含む素子層の上に形成
してもよいし、半導体基板を含む素子層と酸化物半導体を含む素子層との間に形成しても
よい。
ここで、絶縁体１４ａは水素および水の拡散をブロックする機能を有しているため、絶
縁体１３ａから絶縁体１４ａを通って、酸化物半導体を含む素子層に水素や水などの不純
物が拡散することを防ぐことができる。さらに、窒素を有する金属２０は水素および水の
拡散をブロックする機能を有しており、窒素を有する金属２０が絶縁体１４ａの開口１７
を塞ぐように設けられている。これにより、絶縁体１４ａの開口１７において、導電体２
１を通って、酸化物半導体を含む素子層に水素や水などの不純物が拡散することを防ぐこ
とができる。

このように、半導体基板と酸化物半導体の間を、絶縁体１４ａと窒素を有する金属２０ａ
で分断することにより、半導体基板を含む素子層などに含まれる水素または水などの不純
物が、絶縁体１４ａに形成されるプラグ（導電体２１）やビアホール（開口１７）を介し
て上層に拡散することをふせぐことができる。特に半導体基板としてシリコン基板を用い
る場合、シリコン基板のダングリングボンドを終端するために水素が用いられるため、半
導体基板を含む素子層に含まれる水素の量が多く、酸化物半導体を含む素子層まで水素が
拡散する恐れがあるが、本実施の形態に示すような構成とすることにより、酸化物半導体
を含む素子層に水素が拡散することを防ぐことができる。

酸化物半導体は、水素または水などの不純物を低減し、キャリア密度を低くし、高純度真
性または実質的に高純度真性である酸化物半導体とすることが好ましい。このような酸化
物半導体を用いてトランジスタを形成することにより、トランジスタの電気特性を安定さ
せることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体を用
いることで、トランジスタの非導通時のリーク電流を低減することができる。また、高純
度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体を用いることで、トランジスタの信
頼性を向上させることができる。

＜プラグの作製方法２＞
以下では、図１（Ａ）および（Ｂ）とは異なる構成のプラグについて、図１（Ｃ）（Ｄ）
の断面図および上面図を用いて説明する。図１（Ｃ）および（Ｄ）は、一点鎖線Ｘ１－Ｘ
２に対応する断面図および上面図を示している。

図１（Ｃ）および（Ｄ）はプラグの完成図であり、絶縁体１３ａ、絶縁体１４ａおよび絶
縁体１５ａに形成された開口１７に埋め込まれた窒素を有する金属２０ａ、導電体２２ａ
および導電体２１ａと、を接続する構成となっている。ここで、開口１７はビアホールな
どとして機能し、窒素を有する金属２０ａおよび導電体２１ａおよび導電体２２ａが開口
１７に埋め込まれるプラグとして機能する。図１（Ａ）および（Ｂ）に示すプラグとは、
窒素を有する金属２０ａと、導電体２１ａと、の間に導電体２２ａが配置されている点が
異なる。また、開口１７の底面において、窒素を有する金属２０ａと導電体１２とが接す
る領域の窒素を有する金属２０ａは低抵抗化されている領域を有する。図１（Ｃ）中に窒
素を有する金属２０ａが低抵抗化された領域を点線で表記する。

図１（Ｃ）および（Ｄ）に示す本プラグの作製方法としては、窒素を有する金属２０を成
膜し、プラズマ処理を行うまでは、プラグの作製方法１と同様である（図６（Ａ）および
（Ｂ）参照。）。プラズマ処理の方法およびプラズマ処理による窒素を有する金属２０ａ
の低抵抗化の効果については、上述のプラグの作製方法１を参酌する。

また、プラズマ処理として例えば、逆スパッタを行った後に、導電体２２ａとなる導電体
をスパッタ法によって成膜してもよい。この方法は、同一のスパッタ装置内で連続して行
うことができるので生産性の向上が見込まれる。

導電体２２ａとなる導電体としては、例えば、窒化タンタルまたは窒化チタン、特に窒化
タンタルを用いることが好ましい。また、導電体２２ａとなる導電体を積層膜とすること
もできる。例えば、窒化タンタルとタンタルとの積層膜とすることができる。窒化タンタ
ルとタンタルとの積層膜とすることで、導電体２１ａとして銅を用いた場合、銅とタンタ
ルとの密着性が向上して好ましい。

この後の作製工程および効果については、上述のプラグの作製方法１を参酌する。これで
、図１（Ｃ）および（Ｄ）に示す、プラグを作製する事ができる。

＜配線とプラグの作製方法１＞
以下では、本発明の一態様に係る半導体装置の構成の一部として、配線とプラグの構成と
その作製方法について、図２（Ａ）（Ｂ）および図７乃至図１１に示す断面図と上面図を
用いて説明する。図２（Ａ）（Ｂ）および図７乃至図１１は、一点鎖線Ｘ１－Ｘ２に対応
する断面図および上面図を示している。

図２（Ａ）（Ｂ）は配線とプラグの完成図であり、図７乃至図１１では導電体１２（以下
、導電膜または配線などと呼ぶ場合がある。）と、絶縁体１３ａ、絶縁体１４ｂおよび絶
縁体１５ｃに形成された開口１７ｆに埋め込まれた窒素を有する金属２０ａおよび導電体
２１ａと、を接続する工程について説明している。ここで、開口１７ｆは上部と下部で形
状が異なり、開口１７ｆの下部（以下、開口１７ｆａと呼ぶ。）は、ビアホールまたはコ
ンタクトホールなどとして機能し、開口１７ｆの上部（以下、開口１７ｆｂと呼ぶ。）は
、配線パターンなどを埋め込む溝として機能する。よって、窒素を有する金属２０ａおよ
び導電体２１ａの開口１７ｆａに埋め込まれる部分はプラグとして機能し、窒素を有する
金属２０ａおよび導電体２１ａの開口１７ｆｂに埋め込まれる部分は配線などとして機能
する。また、開口１７ｆａの底面において、窒素を有する金属２０ａと導電体１２とが接
する領域の窒素を有する金属２０ａは低抵抗化されている領域を有する。図２（Ａ）中に
窒素を有する金属２０ａが低抵抗化された領域を点線で表記する。

まず、基板の上に導電体１２を形成する。導電体１２は、単層構造としてもよいし、積層
構造としてもよい。なお、図２（Ａ）（Ｂ）および図７乃至図１１では基板は図示してい
ない。また、基板と導電体１２の間に、他の導電体、絶縁体または半導体などを設ける構
成としてもよい。

導電体１２の成膜は、窒素を有する金属２０および導電体２１などと同様の方法を用いれ
ばよい。

次に、導電体１２の上に絶縁体１３を成膜する。絶縁体１３は、単層構造としてもよいし
、積層構造としてもよい。絶縁体１３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法
、ＰＬＤ法またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

次に、絶縁体１３の上に絶縁体１４を成膜する。絶縁体１４は、単層構造としてもよいし
、積層構造としてもよい。絶縁体１４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１４は、絶縁体１３より水素および水を透過させにくい材料を用いることが好まし
い。絶縁体１４としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリ
ウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、
酸化窒化ハフニウム等を用いることができる。これらを絶縁体１４として用いることによ
り、水素および水の拡散をブロックする効果を示す絶縁膜として機能することができる。

次に、絶縁体１４の上に絶縁体１５を成膜する。絶縁体１５は、単層構造としてもよいし
、積層構造としてもよい。絶縁体１５の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法
、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

次に、絶縁体１５の上にハードマスク１６の材料を成膜する。ここで、ハードマスク１６
の材料は、金属材料などの導電体を用いてもよいし、絶縁体を用いてもよい。また、ハー
ドマスク１６の材料の成膜は、単層としてもよいし、絶縁体と導電体の積層としてもよい
。なお、本明細書等において、「ハードマスク」とは、レジスト以外の材料（金属材料や
絶縁材料）を用いて作製したマスクをいう。ハードマスク１６の材料の成膜は、スパッタ
リング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、またはＡＬＤ法などを用いて行うことができ
る。

次に、リソグラフィー法などを用いて形成したレジストマスクを用いて、ハードマスク１
６の材料をエッチングして開口１７ａを有するハードマスク１６を形成する（図７（Ａ）
（Ｂ）参照。）。ここで、図７（Ａ）は、図７（Ｂ）に示す一点鎖線Ｘ１－Ｘ２に対応す
る断面図である。以下、同様に断面図と上面図を一点鎖線Ｘ１－Ｘ２に対応させて示す。

ここで、開口１７ａは、後の工程で形成する開口１７ｆｂ、つまり配線パターンを埋め込
む溝に対応している。このため、開口１７ａの上面形状は配線パターンに対応したものに
なる。

次に、絶縁体１５およびハードマスク１６の上に、開口１７ｂを有するレジストマスク１
８ａを形成する（図７（Ｃ）（Ｄ）参照。）。ここで、レジストマスク１８ａはハードマ
スク１６を覆って形成されることが好ましい。なお、単にレジストを形成するという場合
、レジストの下に有機塗布膜などを形成する場合も含まれる。

ここで、開口１７ｂは、後の工程で形成する開口１７ｆａ、つまりビアホールまたはコン
タクトホールに対応している。このため、開口１７ｂの上面形状はビアホールまたはコン
タクトホールに対応したものになる。また、ビアホールまたはコンタクトホールに対応す
る開口１７ｂは、配線パターンを埋め込む溝に対応する開口１７ａの中に形成されること
が好ましい。この場合、開口１７ｂの幅の最大値が、開口１７ａの幅の最小値以下となる
。例えば、図７（Ｃ）（Ｄ）に示す開口１７ｂのＸ１－Ｘ２方向の幅の大きさが、図７（
Ａ）（Ｂ）に示す開口１７ａのＸ１－Ｘ２方向の幅の大きさ以下になる。このようにする
ことで、ビアホールまたはコンタクトホールを、配線パターンの溝に対してマージンを持
たせて形成することができる。

なお、開口１７ｂは、上面を円形状としているがこれに限られるものではなく、例えば上
面を楕円形状としてもよいし、三角形、四角形などの多角形状にしてもよい。また、多角
形状とする場合、角部が丸みを帯びている形状としてもよい。

次に、レジストマスク１８ａを用いて、絶縁体１５をエッチングして開口１７ｃを有する
絶縁体１５ａを形成する（図８（Ａ）（Ｂ）参照。）。ここで、開口１７ｃにおいて、絶
縁体１４の上面が露出するまでエッチングを行う。なお、エッチングは、ドライエッチン
グを用いることが好ましい。

次に、レジストマスク１８ａを用いて、絶縁体１４をエッチングして開口１７ｄを有する
絶縁体１４ａを形成する（図８（Ｃ）（Ｄ）参照。）。ここで、開口１７ｄにおいて、絶
縁体１３の上面が露出するまでエッチングを行う。なお、エッチングには、ドライエッチ
ングを用いることが好ましい。ドライエッチング装置は、上記と同様のものを用いること
ができる。

また、開口１７ｄを形成する際に、必ずしも絶縁体１３の上面でエッチングを止める必要
はない。例えば、開口１７ｄを形成し、さらに絶縁体１３の一部をエッチングして、開口
１７ｄと重なる位置に凹部が形成された絶縁体を形成してもよい。

次に、レジストマスク１８ａを除去する（図９（Ａ）（Ｂ）参照。）。レジストマスク１
８ａの下に有機塗布膜を形成している場合、レジストマスク１８ａと一緒に除去すること
が好ましい。レジストマスク１８ａの除去は、アッシングなどのドライエッチング処理を
行う、またはウエットエッチング処理を行う、またはドライエッチング処理に加えてウエ
ットエッチング処理を行う、またはウエットエッチング処理に加えてドライエッチング処
理を行うことによってできる。

また、レジストマスク１８ａを除去した後で、開口１７ｃの上部の縁を囲むように副生成
物が形成されることがある。副生成物は、絶縁体１４、絶縁体１５またはレジストマスク
１８ａに含まれる成分、あるいは絶縁体１４または絶縁体１５のエッチングガスに含まれ
る成分を含んで形成される。副生成物は、次工程で開口１７ｅを形成するときに除去する
ことができる。

次に、ハードマスク１６を用いて、絶縁体１３、絶縁体１４ａおよび絶縁体１５ａをエッ
チングして開口１７ｅが形成された絶縁体１３ａ、絶縁体１４ｂおよび絶縁体１５ｂを形
成する（図９（Ｃ）（Ｄ）参照。）。ここで、開口１７ｅにおいて、導電体１２の上面が
露出するまでエッチングを行う。また、このとき、ハードマスク１６の開口１７ａの縁も
エッチングされて、ハードマスク１６ａが形成されることがある。ハードマスク１６ａで
は、開口１７ａの縁がテーパー形状を有し、且つ開口１７ａの縁の上部が丸みを有する。
なお、エッチングには、ドライエッチングを用いることが好ましい。ドライエッチング装
置は、上記と同様のものを用いることができる。

ここで、開口１７ｅは、下部に位置し、絶縁体１４ａをマスクとして形成される開口１７
ｅａと、上部に位置し、ハードマスク１６をマスクとして形成される開口１７ｅｂから構
成されているとみることができる。開口１７ｅａは後の工程でビアホールまたはコンタク
トホールなどとして機能し、開口１７ｅｂは後の工程で配線パターンなどを埋め込む溝と
して機能する。

絶縁体１５ｂは、開口１７ｅｂの縁（開口１７ｅｂの内壁ということもできる。）がテー
パー形状を有することが好ましい。なお、図９（Ｄ）に示すように、絶縁体１５ｂのテー
パー形状部分が上面から見えるように形成されることもある。

絶縁体１３ａおよび絶縁体１４ｂは開口１７ｅａの縁（開口１７ｅａの内壁ということも
できる。）がテーパー形状を有することが好ましい。また、絶縁体１４ｂの開口１７ｅａ
の縁の上部が丸みを有することが好ましい。開口１７ｅａをこのような形状とすることに
より、後の工程で、水素に対するブロック性能が高い窒素を有する金属２０を被覆性良く
形成することができる。なお、図９（Ｄ）に示すように、絶縁体１３ａのテーパー形状部
分が上面から見えるように形成されることもある。

開口１７ｅａをこのような形状にエッチングするために、上記ドライエッチングにおいて
、絶縁体１４ａのエッチングレートに対する絶縁体１３のエッチングレートを過剰に大き
くしないことが好ましい。例えば、絶縁体１３のエッチングレートが絶縁体１４ａのエッ
チングレートの、８倍以下、好ましくは６倍以下、より好ましくは４倍以下とすればよい
。

このような条件で上記ドライエッチングを行うことにより、開口１７ｅａの縁にテーパー
形状を形成することができる。さらに、副生成物が形成されている場合でも、副生成物を
除去して、絶縁体１４ｂの開口１７ｅａの縁の上部が丸みを有する形状にすることができ
る。

ただし、開口１７ｅの形状は必ずしも上記の形状に限られるものではない。例えば、開口
１７ｅａおよび開口１７ｅｂの内壁が略垂直に形成されている形状とすることもできる。
また、開口１７ｅｂが絶縁体１５ｂおよび絶縁体１４ｂに形成されるようにしてもよいし
、開口１７ｅｂが絶縁体１５ｂ、絶縁体１４ｂおよび絶縁体１３ａに形成されるようにし
てもよい。

次に、開口１７ｅの中に窒素を有する金属２０を成膜する。ここで、窒素を有する金属２
０は開口１７ｅの内壁および底面を覆うように被覆性良く成膜されることが好ましい。特
に窒素を有する金属２０が、絶縁体１４ｂと開口１７ｅの縁において接していることが好
ましく、絶縁体１４ｂに形成された開口を窒素を有する金属２０で塞ぐ形状となることが
より好ましい。上述のように、絶縁体１４ｂの開口１７ｅａの縁をテーパー形状とし、絶
縁体１４ｂの開口１７ｅａの縁の上部が丸みを有する形状とすることにより、窒素を有す
る金属２０の被覆性をより向上させることができる。

窒素を有する金属２０は、導電体２１より水素を透過させにくい導電体を用いることが好
ましい。窒素を有する金属２０としては、窒化タンタルまたは窒化チタン、特に窒化タン
タルを用いることが好ましい。このような窒素を有する金属２０を設けることにより、水
素、水などの不純物が導電体２１中に拡散することを抑制することができる。さらに、導
電体２１に含まれる金属成分の拡散を防ぐ、導電体２１の酸化を防ぐ、導電体２１の開口
１７ｅに対する密着性を向上させるなどの効果を得ることができる。また、窒素を有する
金属２０を積層で形成する場合、例えば、チタン、タンタル、窒化チタンまたは窒化タン
タルなどを用いてもよい。また、窒素を有する金属として窒化タンタルを成膜する場合、
成膜後にＲＴＡ装置による加熱処理を行ってもよい。

窒素を有する金属２０の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、ま
たはＡＬＤ法などを用いて行うことができる。ここで、窒素を有する金属の成膜は、被覆
性の良好な方法で行われることが好ましく、例えば、コリメートスパッタ法、ＭＣＶＤ法
またはＡＬＤ法などを用いることが好ましい。

ここで、コリメートスパッタ法は、ターゲットと基板との間にコリメータを設置すること
によって、指向性のある成膜を行うことができる。つまり、基板に対し垂直成分を持つス
パッタ粒子がコリメータを通過して基板に到達する。これにより、アスペクト比が高い開
口１７ｅａの底面までスパッタ粒子が到達しやすくなるため、開口１７ｅａの底面にも十
分成膜することができる。また、上述のように開口１７ｅａおよび開口１７ｅｂの内壁を
テーパー形状とすることにより、開口１７ｅａおよび開口１７ｅｂの内壁にも十分成膜す
ることができる。

また、窒素を有する金属２０を、ＡＬＤ法を用いて成膜することにより、窒素を有する金
属２０を良好な被覆性で成膜し、且つ窒素を有する金属２０にピンホールなどが形成され
ることを抑制することができる。このように窒素を有する金属２０を成膜することにより
、水素、水などの不純物が窒素を有する金属２０を通過して導電体２１に拡散することを
さらに抑制することができる。例えば、ＡＬＤ法を用いて窒素を有する金属２０として窒
化タンタルを成膜する場合、ペンタキス（ジメチルアミノ）タンタル（構造式：Ｔａ［Ｎ
（ＣＨ_３）_２］_５）をプリカーサとして用いることができる。

窒素を有する金属２０の成膜にＡＬＤ法などを用いて行うと、電気抵抗率の高い窒素を有
する金属２０が形成されることがある。窒素を有する金属２０の電気抵抗率が高くなると
導電体１２との電気的な接続に不具合が生じることがある。

ここで本発明の一態様である窒素を有する金属の低抵抗化の処理方法について説明する。
窒素を有する金属２０に希ガスを含むプラズマを照射することによって窒素を有する金属
２０の電気抵抗率を低くすることができる。具体的には、例えばアルゴンガスを用いたプ
ラズマを照射することで窒素を有する金属２０の表面にプラズマ中のアルゴンのプラスイ
オンが照射される。アルゴンのプラスイオンは、プラズマ中の電界によって加速されるた
め、例えば、基板の裏面と略平行な面に対して垂直方向が電界の方向であれば、この電界
の方向に照射される。従って、開口１７ｅの側面に形成された窒素を有する金属２０の表
面は電界方向と略平行に面するため、アルゴンのプラスイオンの照射量は少なくなるので
開口１７ｅの側面に形成された窒素を有する金属２０は低抵抗化され難い。一方、基板の
裏面と略平行に面した領域は、電界方向と垂直に面するためアルゴンのプラスイオンの照
射が多くなるために基板の裏面と略平行に面した領域は低抵抗化される。従って、開口１
７ｅの底面の導電体１２の露出した部分との電気的接続が良好となり好ましい。なお、絶
縁体１４ｂと窒素を有する金属２０とが接する領域のうち基板の裏面と略平行な領域の窒
素を有する金属２０も低抵抗化される。図１０（Ａ）中にイオンの照射方向を矢印で記す
。また、イオン照射によって窒素を有する金属２０が低抵抗化された領域を点線で表記す
る。（図１０（Ａ）および（Ｂ）参照。）。

プラズマ処理を行う装置としては、ドライエッチング装置、ＰＥＣＶＤ装置、高密度プラ
ズマ装置およびスパッタ装置などを用いることができる。特にスパッタ装置を用いる場合
は、該スパッタ装置が逆スパッタ処理の機能を有することが好ましい。

スパッタ法による成膜では、通常はプラズマ中のプラスイオンはターゲットに向かって進
むように電界が設定されているが、逆スパッタ処理とは、プラズマ中のプラスイオンが、
ターゲットの方向ではなく、基板の方向に向かって進むように電界を切り替えて処理を行
なうことを言う。

次に、窒素を有する金属が、イオン照射されることによって低抵抗化されるメカニズムに
ついて、窒化タンタルを用いた一例を説明する。窒化タンタル中には、ＴａとＮの結合の
他に、ＴａとＯの結合などが含まれる。ＴａとＮの結合の割合が大きい窒化タンタルは抵
抗率が低いがＴａとＯの結合の割合が多くなると抵抗率が高くなる。従って、イオン照射
による物理的なダメージによってＴａとＯの結合を切断し、ＴａとＯの結合を減少させる
ことにより、窒化タンタル中のＴａとＮの結合の割合を増加させることができる。この結
果、窒化タンタルを低抵抗化することができると考えられる。

または、窒化タンタルの成膜にＡＬＤ法などを用いて行うと窒化タンタルの表面付近は、
ＴａとＮの結合よりもＴａとＯの結合の割合が大きいことがある。このＴａとＯの結合の
割合が大きい高抵抗な部分をイオン照射による物理的なダメージによって除去することで
窒化タンタルを低抵抗化することができると考えられる。ＴａとＯの結合の割合が大きい
高抵抗な部分は、表面から３ｎｍ以下、または５ｎｍ以下とする。

次に窒素を有する金属２０の上に開口１７ｅを埋め込むように導電体２１を成膜する。（
図１１（Ａ）（Ｂ）参照。）。

導電体２１としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニ
ウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリ
ウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよび
タングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。導電体２１
の成膜は、導電体２１の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＰＬＤ法、Ａ
ＬＤ法またはメッキ法などを用いて行うことができる。ここで、導電体２１の成膜は、開
口１７ｅを埋め込むように行うので、ＣＶＤ法（特にＭＣＶＤ法）またはメッキ法を用い
ることが好ましい。

次に、導電体２１、窒素を有する金属２０、ハードマスク１６ａおよび絶縁体１５ｂに研
磨処理を行って、開口１７ｆに埋め込まれた窒素を有する金属２０ａおよび導電体２１ａ
を形成する（図１１（Ｃ）（Ｄ）参照。）。研磨処理としては、機械的研磨、化学的研磨
、ＣＭＰなどを行えばよい。例えば、ＣＭＰ処理を行うことで、絶縁体１５ｂ、導電体２
１および窒素を有する金属２０の上部、並びにハードマスク１６ａを除去し、上面が平坦
な絶縁体１５ｃ、導電体２１ａおよび窒素を有する金属２０ａを形成することができる。

ここで、開口１７ｆは、下部に位置し、ビアホールまたはコンタクトホールなどとして機
能する開口１７ｆａと、上部に位置し、配線パターンなどを埋め込む溝として機能する開
口１７ｆｂから構成されているとみることができる。開口１７ｆａは絶縁体１３ａおよび
絶縁体１４ｂに形成され、開口１７ｆｂは絶縁体１５ｃに形成される。窒素を有する金属
２０ａおよび導電体２１ａの開口１７ｆａに埋め込まれる部分はプラグとして機能し、窒
素を有する金属２０ａおよび導電体２１ａの開口１７ｆｂに埋め込まれる部分は配線など
として機能する。

窒素を有する金属２０ａは、絶縁体１４ｂと開口１７ｆａの縁で接していることが好まし
い。窒素を有する金属２０ａは、絶縁体１４ｂの開口１７ｆａの上部の丸みを有する形状
の部分、開口１７ｆａの縁のテーパー形状を有する部分と接していることがより好ましく
、絶縁体１４ｂの上面と接していることがさらに好ましい。さらに、窒素を有する金属２
０ａは、絶縁体１３ａの開口１７ｆａの内壁と接し、絶縁体１５ｃの開口１７ｆｂの内壁
と接していることが好ましい。

また、本実施の形態に示すように、ビアホールまたはコンタクトホールなどとして機能す
る開口１７ｅａと、配線パターンなどを埋め込む溝として機能する開口１７ｅｂからなる
開口１７ｅを形成してから、窒素を有する金属２０を成膜することにより、窒素を有する
金属２０ａの配線として機能する部分とプラグとして機能する部分が一体化されて形成さ
れる。これにより、例えば、開口１７ｅａと開口１７ｅｂの境界近傍などで、窒素を有す
る金属２０ａが途切れることなく成膜されるので、より水素および水に対するブロックす
る機能を向上させることができる。また、配線とプラグをそれぞれシングルダマシン法を
用いて成膜する場合、プラグの形成と配線の形成にそれぞれ、導電体の成膜とＣＭＰ処理
などの研磨処理が一回ずつ必要だが、本実施の形態に示す方法では、配線およびプラグ形
成のための導電体の成膜とＣＭＰ処理などの研磨処理を一回で済ませることができるため
、工程の短縮を図ることができる。

ここで、本実施の形態に示す半導体装置は、半導体基板の上に酸化物半導体が設けられて
おり、半導体基板と酸化物半導体の間に、上記の積層された絶縁体と、当該絶縁体に形成
された開口に埋め込まれた、配線およびプラグとして機能する導電体と、が設けられてい
る。本実施の形態に示す半導体装置は、酸化物半導体を用いてトランジスタが形成されて
おり、当該トランジスタを含む素子層が半導体基板を含む素子層の上に形成されている。
半導体基板を含む素子層にトランジスタを形成してもよい。また、容量素子などを含む素
子層を適宜設けてもよい。例えば、容量素子などを含む素子層を、酸化物半導体を含む素
子層の上に形成してもよいし、半導体基板を含む素子層と酸化物半導体を含む素子層との
間に形成してもよい。

このような構成の半導体装置において、図１１（Ｃ）（Ｄ）に示すように、絶縁体１４ｂ
に形成された開口１７ｆａの縁において窒素を有する金属２０ａが接していることが好ま
しい。言い換えると、絶縁体１４ｂに形成された開口１７ｆａを窒素を有する金属２０ａ
で塞ぐ形状となることが好ましい。

ここで、絶縁体１４ｂは水素および水の拡散をブロックする機能を有しているため、絶縁
体１３ａから絶縁体１４ｂを通って、酸化物半導体を含む素子層に水素や水などの不純物
が拡散することを防ぐことができる。さらに、窒素を有する金属２０は水素および水の拡
散をブロックする機能を有しており、窒素を有する金属２０が絶縁体１４ｂの開口１７ｆ
を塞ぐように設けられている。これにより、絶縁体１４ｂの開口１７ｆにおいて、導電体
２１を通って、酸化物半導体を含む素子層に水素や水などの不純物が拡散することを防ぐ
ことができる。

このように、半導体基板と酸化物半導体の間を、絶縁体１４ｂと窒素を有する金属２０ａ
で分断することにより、半導体基板を含む素子層などに含まれる水素または水などの不純
物が、絶縁体１４ｂに形成されるプラグ（導電体２１）やビアホール（開口１７ｆａ）を
介して上層に拡散することをふせぐことができる。特に半導体基板としてシリコン基板を
用いる場合、シリコン基板のダングリングボンドを終端するために水素が用いられるため
、半導体基板を含む素子層に含まれる水素の量が多く、酸化物半導体を含む素子層まで水
素が拡散する恐れがあるが、本実施の形態に示すような構成とすることにより、酸化物半
導体を含む素子層に水素が拡散することを防ぐことができる。

詳しくは後述するが、酸化物半導体は、水素または水などの不純物を低減し、キャリア密
度を低くし、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体とすることが好ま
しい。このような酸化物半導体を用いてトランジスタを形成することにより、トランジス
タの電気特性を安定させることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性で
ある酸化物半導体を用いることで、トランジスタの非導通時のリーク電流を低減すること
ができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体を用いること
で、トランジスタの信頼性を向上させることができる。

＜配線とプラグの作製方法２＞
以下では、図２（Ａ）および（Ｂ）とは異なる構成のプラグについて、図２（Ｃ）（Ｄ）
の断面図および上面図を用いて説明する。図２（Ｃ）および（Ｄ）は、一点鎖線Ｘ１－Ｘ
２に対応する断面図および上面図を示している。

図２（Ｃ）は配線とプラグの完成図であり、絶縁体１３ａ、絶縁体１４ｂおよび絶縁体１
５ｃに形成された開口１７ｆに埋め込まれた窒素を有する金属２０ａ、導電体２２ａおよ
び導電体２１ａと、を接続する構成となっている。ここで、開口１７ｆは上部と下部で形
状が異なり、開口１７ｆの下部（以下、開口１７ｆａと呼ぶ。）は、ビアホールまたはコ
ンタクトホールなどとして機能し、開口１７ｆの上部（以下、開口１７ｆｂと呼ぶ。）は
、配線パターンなどを埋め込む溝として機能する。よって、窒素を有する金属２０ａ、導
電体２２ａおよび導電体２１ａの開口１７ｆａに埋め込まれる部分はプラグとして機能し
、窒素を有する金属２０ａ、導電体２２ａおよび導電体２１ａの開口１７ｆｂに埋め込ま
れる部分は配線などとして機能する。図２（Ａ）および（Ｂ）に示す配線とプラグとは、
窒素を有する金属２０ａと、導電体２１ａと、の間に導電体２２ａが配置されている点が
異なる。また、開口１７ｆａの底面において、窒素を有する金属２０ａと導電体１２とが
接する領域の窒素を有する金属２０ａは低抵抗化されている領域を有する。図２（Ｃ）中
に窒素を有する金属２０ａが低抵抗化された領域を点線で表記する。

図２（Ｃ）および（Ｄ）に示す本配線とプラグの作製方法としては、窒素を有する金属２
０を成膜し、プラズマ処理を行うまでは、配線とプラグの作製方法１と同様である（図１
０（Ａ）および（Ｂ）参照。）。プラズマ処理の方法およびプラズマ処理による窒素を有
する金属２０ａの低抵抗化の効果については、上述の配線とプラグの作製方法１を参酌す
る。

また、プラズマ処理として例えば、逆スパッタを行った後に、導電体２２ａとなる導電体
をスパッタ法によって成膜してもよい。この方法は、同一のスパッタ装置内で連続して行
うことができるので生産性の向上が見込まれる。

導電体２２ａとなる導電体としては、例えば、窒化タンタルまたは窒化チタン、特に窒化
タンタルを用いることが好ましい。また、導電体２２ａとなる導電体を積層膜とすること
もできる。例えば、窒化タンタルとタンタルとの積層膜とすることができる。窒化タンタ
ルとタンタルとの積層膜とすることで、導電体２１ａとして銅を用いた場合、銅とタンタ
ルとの密着性が向上して好ましい。

この後の作製工程および効果については、上述の配線とプラグの作製方法１を参酌する。
これで、図２（Ｃ）および（Ｄ）に示す、配線とプラグを作製する事ができる。

なお、本実施の形態に示す配線とプラグの形状は、図２に示す形状に限られるものではな
い。図２に示す形状とは異なる配線とプラグを以下に示す。

図３（Ａ）に示す配線とプラグの形状は、開口１７ｇの形状が開口１７ｆと違う点におい
て、図２（Ｃ）に示す形状と異なる。開口１７ｇは、下部に位置し、ビアホールまたはコ
ンタクトホールなどとして機能する開口１７ｇａと、上部に位置し、配線パターンなどを
埋め込む溝として機能する開口１７ｇｂから構成されているとみることができる。開口１
７ｇａは絶縁体１３ａおよび絶縁体１４ｂの下部に形成され、開口１７ｇｂは絶縁体１５
ｃおよび絶縁体１４ｂの上部に形成される。よって、図３（Ａ）に示す構成において、窒
素を有する金属２０ａおよび導電体２１ａの配線などとして機能する部分が絶縁体１４ｂ
の上部に埋め込まれるように設けられる。ここで、絶縁体１４ｂに設けられた開口の内壁
は、開口１７ｇａの内壁と開口１７ｇｂの内壁が階段状に形成される。

図３（Ｂ）に示す配線とプラグの形状は、開口１７ｈの形状が開口１７ｆと違う点におい
て、図２（Ｃ）に示す形状と異なる。開口１７ｈは、下部に位置し、ビアホールまたはコ
ンタクトホールなどとして機能する開口１７ｈａと、上部に位置し、配線パターンなどを
埋め込む溝として機能する開口１７ｈｂから構成されているとみることができる。開口１
７ｈａは絶縁体１３ａの下部に形成され、開口１７ｈｂは絶縁体１５ｃ、絶縁体１４ｂお
よび絶縁体１３ａの上部に形成される。よって、図３（Ｂ）に示す構成において、窒素を
有する金属２０ａおよび導電体２１ａの配線などとして機能する部分が絶縁体１３ａの上
部に埋め込まれるように設けられる。ここで、絶縁体１３ａに設けられた開口の内壁は、
開口１７ｈａの内壁と開口１７ｈｂの内壁が階段状に形成される。

図３（Ｃ）に示す配線とプラグの形状は、開口１７ｉの形状が開口１７ｆと違う点におい
て、図２（Ｃ）に示す形状と異なる。開口１７ｉは、下部に位置し、ビアホールまたはコ
ンタクトホールなどとして機能する開口１７ｉａと、上部に位置し、配線パターンなどを
埋め込む溝として機能する開口１７ｉｂから構成されているとみることができる。開口１
７ｉａは絶縁体１３ａに形成され、開口１７ｉｂは絶縁体１５ｃおよび絶縁体１４ｂに形
成される。よって、図３（Ｃ）に示す構成において、窒素を有する金属２０ａおよび導電
体２１ａの配線などとして機能する部分が絶縁体１４ｂに埋め込まれるように設けられる
。ここで、絶縁体１４ｂの開口に設けられた内壁はなだらかなテーパー状に形成される。

図４（Ａ）に示す配線とプラグの形状は、開口１７ｊの形状が開口１７ｆと違う点におい
て、図２（Ｃ）に示す形状と異なる。開口１７ｊは、下部に位置し、ビアホールまたはコ
ンタクトホールなどとして機能する開口１７ｊａと、上部に位置し、配線パターンなどを
埋め込む溝として機能する開口１７ｊｂから構成されているとみることができる。開口１
７ｊａは絶縁体１３ａおよび絶縁体１４ｂに形成され、開口１７ｊｂは絶縁体１５ｃに形
成される。よって、図４（Ａ）に示す構成において、窒素を有する金属２０ａおよび導電
体２１ａの配線などとして機能する部分が絶縁体１５ｃに埋め込まれるように設けられる
。ここで、絶縁体１３ａおよび絶縁体１４ｂに設けられた開口１７ｊａの内壁は導電体１
２に対して略垂直に設けられる。また、絶縁体１５ｃに設けられた開口１７ｊｂの内壁は
絶縁体１４ｂに対して略垂直に設けられる。また、このように開口の内壁を略垂直に設け
る場合、開口の内壁にも窒素を有する金属２０ａを十分な膜厚で成膜するために、ＡＬＤ
法などを用いて窒素を有する金属２０ａを成膜することが好ましい。

図４（Ｂ）（Ｃ）に示す配線とプラグの形状は、開口１７ｋの形状が開口１７ｊと違う点
において、図４（Ａ）に示す形状と異なる。開口１７ｋは、下部に位置し、ビアホールま
たはコンタクトホールなどとして機能する開口１７ｋａと、上部に位置し、配線パターン
などを埋め込む溝として機能する開口１７ｋｂから構成されているとみることができる。
図４（Ｂ）（Ｃ）に示す配線とプラグの形状は、開口１７ｋａの幅の最大値が、開口１７
ｋｂの幅の最小値と略一致する。例えば、図４（Ｂ）（Ｃ）に示す開口１７ｋａのＸ１－
Ｘ２方向の幅が、開口１７ｋｂのＸ１－Ｘ２方向の幅と略一致する。このようにすること
で、配線の占有面積を低減することができる。開口１７ｋのような形状にする場合、例え
ば、図７（Ａ）（Ｂ）に示すハードマスク１６の開口１７ａのＸ１－Ｘ２方向の幅と、図
７（Ｃ）（Ｄ）に示すレジストマスク１８ａの開口１７ｂのＸ１－Ｘ２方向の幅が略一致
するように設定すればよい。

＜酸化物半導体膜を有するトランジスタの構成＞
図１２（Ａ）（Ｂ）および（Ｃ）に酸化物半導体を含む素子層に形成されるトランジスタ
６０ａの構成の一例を示す。図１２（Ａ）はトランジスタ６０ａの上面図であり、図１２
（Ｂ）はトランジスタ６０ａのチャネル長方向Ａ１－Ａ２に対応する断面図であり、図１
２（Ｃ）はトランジスタ６０ａのチャネル幅方向Ａ３－Ａ４に対応する断面図である。な
お、トランジスタのチャネル長方向とは、基板と水平な面内において、ソース（ソース領
域またはソース電極）およびドレイン（ドレイン領域またはドレイン電極）間において、
キャリアが移動する方向を意味し、チャネル幅方向は、基板と水平な面内において、チャ
ネル長方向に対して垂直の方向を意味する。

なお、図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）などの断面図においては、パターン形成された導
電体、半導体または絶縁体などの端部が直角に図示されているものがあるが本実施の形態
に示す半導体装置はこれに限らず、端部を丸めた形状とすることもできる。

トランジスタ６０ａは、導電体６２ａと、導電体６２ｂと、絶縁体６５と、絶縁体６３と
、絶縁体６４と、絶縁体６６ａと、半導体６６ｂと、導電体６８ａと、導電体６８ｂと、
絶縁体６６ｃと、絶縁体７２と、導電体７４と、を有している。ここで、導電体６２ａお
よび導電体６２ｂはトランジスタ６０ａのバックゲートとして機能し、絶縁体６５、絶縁
体６３および絶縁体６４はトランジスタ６０ａのバックゲートに対するゲート絶縁膜とし
て機能する。また、導電体６８ａおよび導電体６８ｂはトランジスタ６０ａのソースまた
はドレインとして機能する。また、絶縁体７２はトランジスタ６０ａのゲート絶縁膜とし
て機能し、導電体７４はトランジスタ６０ａのゲートとして機能する。

なお、詳細は後述するが、絶縁体６６ａ、絶縁体６６ｃは、単独で用いる場合、導電体、
半導体または絶縁体として機能させることができる物質を用いる場合がある。しかしなが
ら、半導体６６ｂと積層させてトランジスタを形成する場合、電子は半導体６６ｂ、半導
体６６ｂと絶縁体６６ａの界面近傍、および半導体６６ｂと絶縁体６６ｃの界面近傍を流
れ、絶縁体６６ａおよび絶縁体６６ｃは当該トランジスタのチャネルとして機能しない領
域を有する。このため、本明細書などにおいては、絶縁体６６ａおよび絶縁体６６ｃを導
電体および半導体と記載せず、絶縁体または酸化物絶縁体と記載するものとする。

なお、本実施の形態などにおいて、絶縁体という記載は、絶縁膜または絶縁層と言い換え
ることもできる。また、導電体という記載は、導電膜または導電層と言い換えることもで
きる。また、半導体という記載は、半導体膜または半導体層と言い換えることもできる。

トランジスタ６０ａの下部では、絶縁体６１の上に、開口を有する絶縁体６７が設けられ
ており、当該開口の中に導電体６２ａが設けられ、さらに導電体６２ａの上に導電体６２
ｂが設けられている。導電体６２ａおよび導電体６２ｂの少なくとも一部は、絶縁体６６
ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃ、と重なっている。ここで、トランジスタ６０ａのバッ
クゲートとして機能する導電体６２ａおよび導電体６２ｂは、上述の配線およびプラグと
して機能する導電体２１ａおよび導電体２１ｂと並行して作製することができる。よって
、絶縁体６１は絶縁体１４ｂと、絶縁体６７は絶縁体１５ｃと、導電体６２ａは窒素を有
する金属２０ａと、導電体６２ｂは導電体２１ａと対応している。

導電体６２ａおよび導電体６２ｂの上に接して、導電体６２ａおよび導電体６２ｂの上面
を覆うように絶縁体６５が設けられている。絶縁体６５の上に絶縁体６３が設けられ、絶
縁体６３の上に絶縁体６４が設けられている。

ここで、導電体６２ａおよび導電体６２ｂのチャネル長方向の一端は導電体６８ａの一部
と重なり、導電体６２ａおよび導電体６２ｂのチャネル長方向の他端は導電体６８ｂの一
部と重なることが好ましい。このように導電体６２ａおよび導電体６２ｂを設けることに
より、半導体６６ｂの導電体６８ａと導電体６８ｂの間の領域、つまり半導体６６ｂのチ
ャネル形成領域、を導電体６２ａおよび導電体６２ｂで十分覆うことができる。これによ
り、導電体６２ａおよび導電体６２ｂは、トランジスタ６０ａのしきい値電圧の制御をよ
り効果的に行うことができる。

絶縁体６４の上に絶縁体６６ａが設けられ、絶縁体６６ａの上面の少なくとも一部に接し
て半導体６６ｂが設けられている。なお、図１２（Ｂ）（Ｃ）においては、絶縁体６６ａ
および半導体６６ｂの端部が概略一致するように絶縁体６６ａおよび半導体６６ｂが形成
されているが、本実施の形態に示す半導体装置の構成はこれに限られるものではない。

半導体６６ｂの上面の少なくとも一部に接して導電体６８ａおよび導電体６８ｂが形成さ
れている。導電体６８ａと導電体６８ｂは離間して形成されており、図１２（Ｂ）に示す
ように導電体７４を挟んで対向して形成されていることが好ましい。

半導体６６ｂの上面の少なくとも一部に接して絶縁体６６ｃが設けられる。絶縁体６６ｃ
は、導電体６８ａの上面および導電体６８ｂの上面などを覆うように形成され、導電体６
８ａと導電体６８ｂの間で半導体６６ｂの上面の一部と接することが好ましい。

絶縁体６６ｃの上に絶縁体７２が設けられる。絶縁体７２は、導電体６８ａと導電体６８
ｂの間で絶縁体６６ｃの上面の一部と接することが好ましい。

絶縁体７２の上に導電体７４が設けられる。導電体７４は導電体６８ａと導電体６８ｂの
間で絶縁体７２の上面の一部と接することが好ましい。

また、導電体７４を覆って絶縁体７９が設けられる。ただし、絶縁体７９は必ずしも設け
る必要はない。

絶縁体６６ｃは、絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、導電体６８ａおよび導電体６８ｂを覆っ
て、絶縁体６４の上面と接するように設けられている。

ただし、トランジスタ６０ａは図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示す構成に限定され
るものではない。例えば、絶縁体６６ｃ、絶縁体７２および導電体７４のＡ１－Ａ２方向
の側面が一致するように設けられていてもよい。また、例えば、絶縁体７２が絶縁体６６
ａ、半導体６６ｂ、導電体６８ａおよび導電体６８ｂを覆って、絶縁体６４の上面と接す
るように設けられる構成としてもよい。

なお、導電体７４は、絶縁体７２、絶縁体６６ｃ、絶縁体６４、絶縁体６３、絶縁体６５
などに形成された開口を介して導電体６２ｂと接続される構成としてもよい。

絶縁体６６ｃ上および、絶縁体７９上に絶縁体７７が設けられている。さらに、絶縁体７
７の上に絶縁体７８が設けられている。

次に、トランジスタ６０ａの変形例について図１３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を用いて
説明する。なお、図１３（Ａ）はトランジスタ６０ｂ上面図であり、図１３（Ｂ）および
（Ｃ）は、図１２（Ｂ）および（Ｃ）と同様に、トランジスタ６０ｂのチャネル長方向の
断面図とトランジスタ６０ｂのチャネル幅方向の断面図になる。

図１３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示すトランジスタ６０ｂは、絶縁体６４、導電体６
８ａおよび導電体６８ｂの上に絶縁体７７が設けられ、絶縁体７７、並びに導電体６８ａ
および導電体６８ｂに形成された開口の中に埋め込まれるように、絶縁体６６ｃ、絶縁体
７２および導電体７４が設けられている点において、図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）
に示すトランジスタ６０ａと異なる。なお、図１３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示すト
ランジスタ６０ｂの他の構成については、図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示すトラ
ンジスタ６０ａの構成を参酌することができる。

また、トランジスタ６０ｂは、絶縁体７７の上に絶縁体７６が設けられ、絶縁体７６の上
に絶縁体７８が設けられる構成としてもよい。このとき、絶縁体７６は絶縁体７７に用い
ることができる絶縁体を用いればよい。また、トランジスタ６０ｂは絶縁体７９を設けな
い構成としているが、これに限られず、絶縁体７９を設けてもよい。

ただし、トランジスタ６０ｂは図１３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示す構成に限定され
るものではない。例えば、絶縁体６６ｃ、絶縁体７２および導電体７４の側面が半導体６
６ｂの上面に対して３０°以上９０°未満の角度で傾斜しているテーパー形状としてもよ
い。

＜酸化物半導体＞
以下に、半導体６６ｂに用いられる酸化物半導体について説明する。

酸化物は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよ
び亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イット
リウムまたはスズなどが含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン
、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオ
ジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種
、または複数種が含まれていてもよい。

ここで、酸化物が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有する場合を考える。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スズなどとする。そのほかの元素Ｍに
適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジ
ルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タン
グステン、マグネシウムなどがある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わ
せても構わない場合がある。

まず、図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、および図１４（Ｃ）を用いて、本発明に係る酸化物
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１４には、酸素の原子数比については記載しない。また、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１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、および図１４（Ｃ）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、［Ｉ
ｎ］：［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］＝１：１：βの原子数比（β≧０）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、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］
＝１：４：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子
数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比となるラ
インを表す。

また、二点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋γ）：２：（１－γ）の原子数
比（－１≦γ≦１）となるラインを表す。また、図１４に示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚ
ｎ］＝０：２：１の原子数比またはその近傍値の酸化物は、スピネル型の結晶構造をとり
やすい。

図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）では、本発明の一態様の酸化物が有する、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。

一例として、図１５に、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１である、ＩｎＭＺｎＯ
_４の結晶構造を示す。また、図１５は、ｂ軸に平行な方向から観察した場合のＩｎＭＺｎ
Ｏ_４の結晶構造である。なお、図１５に示すＭ、Ｚｎ、酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚ
ｎ）層）における金属元素は、元素Ｍまたは亜鉛を表している。この場合、元素Ｍと亜鉛
の割合が等しいものとする。元素Ｍと亜鉛とは、置換が可能であり、配列は不規則である
。

ＩｎＭＺｎＯ_４は、層状の結晶構造（層状構造ともいう）をとり、図１５に示すように、
インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）が１に対し、元素Ｍ、亜鉛、および
酸素を有する（Ｍ，Ｚｎ）層が２となる。

また、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能である。そのため、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素
Ｍがインジウムと置換し、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。その場合、Ｉｎ層
が１に対し、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層が２である層状構造をとる。

［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：２となる原子数比の酸化物は、Ｉｎ層が１に対し
、（Ｍ，Ｚｎ）層が３である層状構造をとる。つまり、［Ｉｎ］および［Ｍ］に対し［Ｚ
ｎ］が大きくなると、酸化物が結晶化した場合、Ｉｎ層に対する（Ｍ，Ｚｎ）層の割合が
増加する。

ただし、酸化物中において、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が非整数である場合、Ｉ
ｎ層が１に対し、（Ｍ，Ｚｎ）層が整数である層状構造を複数種有する場合がある。例え
ば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：１．５である場合、Ｉｎ層が１に対し、（Ｍ
，Ｚｎ）層が２である層状構造と、（Ｍ，Ｚｎ）層が３である層状構造とが混在する層状
構造となる場合がある。

例えば、酸化物をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれ
た原子数比の膜が形成される。特に、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ
］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。

また、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、
［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比の近傍値である原子数比では、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、［Ｉｎ］：［Ｍ］：
［Ｚｎ］＝１：０：０を示す原子数比の近傍値である原子数比では、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。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、粒界（グレインバウンダリーともいう）が形成される場
合がある。

また、インジウムの含有率を高くすることで、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。これは、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有する酸化物では、主
として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を高くするこ
とにより、ｓ軌道が重なる領域がより大きくなるため、インジウムの含有率が高い酸化物
はインジウムの含有率が低い酸化物と比較してキャリア移動度が高くなるためである。

一方、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、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０を示す原子数比、およびその近傍
値である原子数比（例えば図１４（Ｃ）に示す領域Ｃ）では、絶縁性が高くなる。

従って、本発明の一態様の酸化物は、キャリア移動度が高く、かつ、粒界が少ない層状構
造となりやすい、図１４（Ａ）の領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。

また、図１４（Ｂ）に示す領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．
１、およびその近傍値を示している。近傍値には、例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］
：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。領域Ｂで示される原子数比を有する酸化物は、特に
、結晶性が高く、キャリア移動度も高い優れた酸化物である。

なお、酸化物が、層状構造を形成する条件は、原子数比によって一義的に定まらない。原
子数比により、層状構造を形成するための難易の差はある。一方、同じ原子数比であって
も、形成条件により、層状構造になる場合も層状構造にならない場合もある。従って、図
示する領域は、酸化物が層状構造を有する原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至領域Ｃ
の境界は厳密ではない。

続いて、上記酸化物をトランジスタに用いる場合について説明する。

なお、上記酸化物をトランジスタに用いることで、粒界におけるキャリア散乱等を減少さ
せることができるため、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。ま
た、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。

また、トランジスタには、キャリア密度の低い酸化物を用いることが好ましい。例えば、
酸化物は、キャリア密度が８×１０^１１／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１１／ｃｍ^３
未満、さらに好ましくは１×１０^１０／ｃｍ^３未満であり、１×１０^－９／ｃｍ^３以上と
すればよい。

なお、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物は、キャリア発生源が少ないた
め、キャリア密度を低くすることができる。また、高純度真性または実質的に高純度真性
である酸化物は、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
にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。

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。

ここで、酸化物中における各不純物の影響について説明する。

酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸化物におい
て欠陥準位が形成される。このため、酸化物におけるシリコンや炭素の濃度と、酸化物と
の界面近傍のシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａ
ｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる濃度）を、２×１
０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする
。

また、酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、
キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれ
ている酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化
物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的に
は、ＳＩＭＳにより得られる酸化物中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、
１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下
にする。

また、酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が
増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物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。従って、該酸化物において、窒素はできる限
り低減されていることが好ましい、例えば、酸化物中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、
５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下
、より好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは５×１０^１７
ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

また、酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素
欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成
される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアで
ある電子を生成することがある。従って、水素が含まれている酸化物を用いたトランジス
タはノーマリーオン特性となりやすい。このため、酸化物中の水素はできる限り低減され
ていることが好ましい。具体的には、酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度
を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３
未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０
^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。

不純物が十分に低減された酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安
定した電気特性を付与することができる。

続いて、該酸化物を２層構造、または３層構造とした場合について述べる。酸化物Ｓ１、
酸化物Ｓ２、および酸化物Ｓ３の積層構造、および積層構造に接する絶縁体のバンド図と
、酸化物Ｓ２および酸化物Ｓ３の積層構造、および積層構造に接する絶縁体のバンド図と
、について、図１６を用いて説明する。

図１６（Ａ）は、絶縁体Ｉ１、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３、および絶縁体Ｉ２
を有する積層構造の膜厚方向のバンド図の一例である。また、図１６（Ｂ）は、絶縁体Ｉ
１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３、および絶縁体Ｉ２を有する積層構造の膜厚方向のバンド図
の一例である。なお、バンド図は、理解を容易にするため絶縁体Ｉ１、酸化物Ｓ１、酸化
物Ｓ２、酸化物Ｓ３、および絶縁体Ｉ２の伝導帯下端のエネルギー準位（Ｅｃ）を示す。

酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３は、酸化物Ｓ２よりも伝導帯下端のエネルギー準位が真空準位に
近く、代表的には、酸化物Ｓ２の伝導帯下端のエネルギー準位と、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ
３の伝導帯下端のエネルギー準位との差が、０．１５ｅＶ以上、または０．５ｅＶ以上、
かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下であることが好ましい。すなわち、酸化物Ｓ１、酸化
物Ｓ３の電子親和力と、酸化物Ｓ２の電子親和力との差が、０．１５ｅＶ以上、または０
．５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、または１ｅＶ以下であることが好ましい。

図１６（Ａ）、および図１６（Ｂ）に示すように、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ３
において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、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。このようなバンド図を有するためには、酸
化物Ｓ１と酸化物Ｓ２との界面、または酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ３との界面において形成さ
れる混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。

具体的には、酸化物Ｓ１と酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ３が、酸素以外に共通の元
素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる
。例えば、酸化物Ｓ２がＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の場合、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３として
、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物Ｓ２となる。酸化物Ｓ１と酸化物Ｓ２との界面
、および酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ３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。

トラップ準位に電子が捕獲されることで、捕獲された電子は固定電荷のように振る舞うた
め、トランジスタのしきい値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。酸化物Ｓ１、酸化物
Ｓ３を設けることにより、トラップ準位を酸化物Ｓ２より遠ざけることができる。当該構
成とすることで、トランジスタのしきい値電圧がプラス方向にシフトすることを防止する
ことができる。

酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３は、酸化物Ｓ２と比較して、導電率が十分に低い材料を用いる。
このとき、酸化物Ｓ２、酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ１との界面、および酸化物Ｓ２と酸化物Ｓ
３との界面が、主にチャネル領域として機能する。例えば、酸化物Ｓ１、酸化物Ｓ３には
、図１４（Ｃ）において、絶縁性が高くなる領域Ｃで示す原子数比の酸化物を用いればよ
い。なお、図１４（Ｃ）に示す領域Ｃは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、ま
たはその近傍値である原子数比を示している。

特に、酸化物Ｓ２に領域Ａで示される原子数比の酸化物を用いる場合、酸化物Ｓ１および
酸化物Ｓ３には、［Ｍ］／［Ｉｎ］が１以上、好ましくは２以上である酸化物を用いるこ
とが好ましい。また、酸化物Ｓ３として、十分に高い絶縁性を得ることができる［Ｍ］／
（［Ｚｎ］＋［Ｉｎ］）が１以上である酸化物を用いることが好適である。

なお、絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃはスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢ
Ｅ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて成膜することができる。

また、絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃは、成膜時に基板加熱処理を行う、ま
たは成膜後に加熱処理を行うことが好ましい。このような加熱処理を行うことで、絶縁体
６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃなどに含まれる水、または水素をさらに低減させる
ことができる。また、絶縁体１０６ａおよび半導体１０６ｂに過剰酸素を供給することが
できる場合がある。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３００℃以上４
５０℃以下、さらに好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。加熱処理は、不
活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む
雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、不活性ガス雰
囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％
以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理は、ランプ加熱に
よるＲＴＡ装置を用いることもできる。ＲＴＡ装置による加熱処理は、炉と比べて短時間
で済むため、生産性を高めるために有効である。

なお、トランジスタのバックゲートなる導電体６２ａ、図２などに示すプラグおよび配線
を構成する窒素を有する金属２０ａなどに窒化タンタルを用いる場合、上記熱処理温度を
３５０℃以上４１０℃以下、好ましくは３７０℃以上４００℃以下とすればよい。このよ
うな温度範囲で熱処理を行うことにより、窒化タンタル膜から水素が放出することを抑制
できる。

また、半導体６６ｂまたは絶縁体６６ｃなどの導電体６８ａまたは導電体６８ｂと接する
領域に低抵抗領域が形成されることがある。低抵抗領域は、主に、半導体６６ｂが接した
導電体６８ａまたは導電体６８ｂに酸素を引き抜かれる、または導電体６８ａまたは導電
体６８ｂに含まれる導電材料が半導体６６ｂ中の元素と結合することにより形成される。
このような低抵抗領域が形成されることにより、導電体６８ａまたは導電体６８ｂと半導
体６６ｂとの接触抵抗を低減することが可能となるのでトランジスタ６０ａのオン電流を
増大させることができる。

また、半導体６６ｂは、導電体６８ａと導電体６８ｂの間に導電体６８ａおよび導電体６
８ｂと重なった領域より厚さの薄い領域を有することがある。これは、導電体６８ａおよ
び導電体６８ｂを形成する際に、半導体６６ｂの上面の一部を除去することにより形成さ
れる。半導体６６ｂの上面には、導電体６８ａおよび導電体６８ｂとなる導電体を成膜し
た際に、上記低抵抗領域と同様の抵抗の低い領域が形成される場合がある。このように、
半導体６６ｂの上面の導電体６８ａと導電体６８ｂの間に位置する領域を除去することに
より、半導体６６ｂの上面の抵抗が低い領域にチャネルが形成されることを防ぐことがで
きる。

なお、上述の絶縁体６６ａ、半導体６６ｂおよび絶縁体６６ｃの３層構造は一例である。
例えば、絶縁体６６ａまたは絶縁体６６ｃのいずれか一方を設けない２層構造としてもよ
い。また、絶縁体６６ａまたは絶縁体６６ｃの両方を設けない単層構造としてもよい。ま
たは、絶縁体６６ａ、半導体６６ｂまたは絶縁体６６ｃとして例示した絶縁体、半導体ま
たは導電体のいずれかを有するｎ層構造（ｎは４以上の整数）としても構わない。

＜絶縁体、導電体＞
以下に、トランジスタ６０ａの半導体以外の各構成要素について詳細な説明を行う。

絶縁体５９および絶縁体６１は、水素または水をブロックする機能を有する絶縁体を用い
る。絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃ近傍に設けられる絶縁体中の水素や水は
、酸化物半導体としても機能する絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃ中にキャリ
アを生成する要因の一つとなる。これによりトランジスタ６０ａの信頼性が低下するおそ
れがある。特に、半導体基板９１においてシリコンなどを用いる場合、半導体基板のダン
グリングボンドを終端するために水素が用いられるため、当該水素が酸化物半導体を有す
るトランジスタまで拡散するおそれがある。これに対して水素または水をブロックする機
能を有する絶縁体５９および絶縁体６１を設けることにより酸化物半導体を有するトラン
ジスタの下層から水素または水が拡散するのを抑制し、酸化物半導体を有するトランジス
タの信頼性を向上させることができる。絶縁体５９および絶縁体６１は、絶縁体６５また
は絶縁体６４より水素または水を透過させにくいことが好ましい。

また、絶縁体５９および絶縁体６１は酸素をブロックする機能も有することが好ましい。
絶縁体５９および絶縁体６１が絶縁体６４から拡散する酸素をブロックすることにより、
絶縁体６４から絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃに効果的に酸素を供給するこ
とができる。

絶縁体５９および絶縁体６１としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウ
ム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化
ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等を用いることができる。好ましくは、絶縁体５９をＡ
ＬＤ法を用いて成膜し、絶縁体６１をスパッタ法を用いて成膜する。これらを絶縁体５９
および絶縁体６１として用いることにより、酸素、水素または水の拡散をブロックする効
果を示す絶縁膜として機能することができる。また、絶縁体５９および絶縁体６１として
は、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン等を用いることができる。これらを絶縁体
５９および絶縁体６１として用いることにより、水素、水の拡散をブロックする効果を示
す絶縁膜として機能することができる。なお、絶縁体５９および絶縁体６１の成膜は、ス
パッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことが
できる。

絶縁体６７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。なお、絶縁体６７の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法
、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

導電体６２ａおよび導電体６２ｂは、少なくとも一部が導電体６８ａと導電体６８ｂに挟
まれる領域において半導体６６ｂと重なることが好ましい。導電体６２ａおよび導電体６
２ｂは、トランジスタ６０ａのバックゲートとして機能する。このような導電体６２ａお
よび導電体６２ｂを設けることにより、トランジスタ６０ａのしきい値電圧の制御を行う
ことができる。しきい値電圧の制御を行うことによって、トランジスタ６０ａのゲート（
導電体７４）に印加された電圧が低い、例えば印加された電圧が０Ｖ以下のときに、トラ
ンジスタ６０ａが導通状態となることを防ぐことができる。つまり、トランジスタ６０ａ
の電気特性を、よりノーマリーオフの方向にシフトさせることが容易になる。

また、バックゲートとして機能する導電体６２ａおよび導電体６２ｂは、所定の電位が供
給される配線または端子と接続されていてもよい。例えば、導電体６２ａおよび導電体６
２ｂが一定の電位が供給される配線と接続されていてもよい。一定の電位は、高電源電位
や、接地電位などの低電源電位とすることができる。

導電体６２ａは、上記窒素を有する金属に用いることができる導電体を用いればよく、導
電体６２ｂは上記導電体２１に用いることができる導電体を用いればよい。

絶縁体６５は導電体６２ａおよび導電体６２ｂを覆うように設けられる。絶縁体６５は、
後述する絶縁体６４または絶縁体７２と同様の絶縁体を用いることができる。

絶縁体６３は絶縁体６５を覆うように設けられる。絶縁体６３は、酸素をブロックする機
能を有することが好ましい。このような絶縁体６３を設けることにより絶縁体６４から導
電体６２ａおよび導電体６２ｂが酸素を引き抜くことを防ぐことができる。これにより、
絶縁体６４から絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃに効果的に酸素を供給するこ
とができる。また、絶縁体６３の被覆性を高くすることにより、より絶縁体６４から引き
抜かれる酸素をより低減し、絶縁体６４から絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃ
に、より効果的に酸素を供給することができる。

絶縁体６３としては、ホウ素、アルミニウム、シリコン、スカンジウム、チタン、ガリウ
ム、イットリウム、ジルコニウム、インジウム、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニ
ウムまたはタリウムを有する酸化物または窒化物を用いる。好ましくは、酸化ハフニウム
または酸化アルミニウムを用いる。なお、絶縁体６３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶ
Ｄ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

なお、絶縁体６５、絶縁体６３および絶縁体６４において、絶縁体６３が電子捕獲領域を
有すると好ましい。絶縁体６５および絶縁体６４が電子の放出を抑制する機能を有すると
き、絶縁体６３に捕獲された電子は、負の固定電荷のように振舞う。したがって、絶縁体
６３はフローティングゲートとしての機能を有する。

絶縁体６４は、膜中に含まれる水または水素の量が少ないことが好ましい。例えば、絶縁
体６４としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニ
ウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジル
コニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、ま
たは積層で用いればよい。例えば、絶縁体６４としては、酸化アルミニウム、酸化マグネ
シウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリ
ウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネ
オジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよい。好ましくは、酸化シリコン
または酸化窒化シリコンを用いる。なお、絶縁体６４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶ
Ｄ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

また、絶縁体６４は過剰酸素を有する絶縁体であることが好ましい。このような絶縁体６
４を設けることにより、絶縁体６４から絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃに酸
素を供給することができる。当該酸素により、酸化物半導体である絶縁体６６ａ、半導体
６６ｂ、絶縁体６６ｃの欠陥となる酸素欠損を低減することができる。これにより、絶縁
体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃ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。

なお、本明細書などにおいて、過剰酸素とは、例えば、化学量論的組成を超えて含まれる
酸素をいう。または、過剰酸素とは、例えば、加熱することで当該過剰酸素が含まれる膜
または層から放出される酸素をいう。過剰酸素は、例えば、膜や層の内部を移動すること
ができる。過剰酸素の移動は、膜や層の原子間を移動する場合や、膜や層を構成する酸素
と置き換わりながら玉突き的に移動する場合などがある。

過剰酸素を有する絶縁体６４は、昇温脱離ガス分光法分析（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、酸素分子の脱離
量が１．０×１０^１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以上１．０×１０^１６ｍｏｌｅｃｕｌ
ｅｓ／ｃｍ^２以下、より好ましくは、１．０×１０^１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以上
５．０×１０^１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以下となる。

ＴＤＳ分析を用いた分子の放出量の測定方法について、酸素の放出量を例として、以下に
説明する。

測定試料をＴＤＳ分析したときの気体の全放出量は、放出ガスのイオン強度の積分値に比
例する。そして標準試料との比較により、気体の全放出量を計算することができる。

例えば、標準試料である所定の密度の水素を含むシリコン基板のＴＤＳ分析結果、および
測定試料のＴＤＳ分析結果から、測定試料の酸素分子の放出量（Ｎ_Ｏ２）は、下に示す式
で求めることができる。ここで、ＴＤＳ分析で得られる質量電荷比３２で検出されるガス
の全てが酸素分子由来と仮定する。ＣＨ_３ＯＨの質量電荷比は３２であるが、存在する可
能性が低いものとしてここでは考慮しない。また、酸素原子の同位体である質量数１７の
酸素原子および質量数１８の酸素原子を含む酸素分子についても、自然界における存在比
率が極微量であるため考慮しない。

ここで、Ｎ_Ｏ２＝Ｎ_Ｈ２／Ｓ_Ｈ２×Ｓ_Ｏ２×αとする。

Ｎ_Ｈ２は、標準試料から脱離した水素分子を密度で換算した値である。Ｓ_Ｈ２は、標準試
料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値である。ここで、標準試料の基準値を、Ｎ
_Ｈ２／Ｓ_Ｈ２とする。Ｓ_Ｏ２は、測定試料をＴＤＳ分析したときのイオン強度の積分値で
ある。αは、ＴＤＳ分析におけるイオン強度に影響する係数である。上に示す式の詳細に
関しては、特開平６－２７５６９７公報を参照する。なお、上記酸素の放出量は、電子科
学株式会社製の昇温脱離分析装置ＥＭＤ－ＷＡ１０００Ｓ／Ｗを用い、標準試料として一
定量の水素原子を含むシリコン基板を用いて測定する。

また、ＴＤＳ分析において、酸素の一部は酸素原子として検出される。酸素分子と酸素原
子の比率は、酸素分子のイオン化率から算出することができる。なお、上述のαは酸素分
子のイオン化率を含むため、酸素分子の放出量を評価することで、酸素原子の放出量につ
いても見積もることができる。

なお、Ｎ_Ｏ２は酸素分子の放出量である。酸素原子に換算したときの放出量は、酸素分子
の放出量の２倍となる。

または、加熱処理によって酸素を放出する絶縁体は、過酸化ラジカルを含むこともある。
具体的には、過酸化ラジカルに起因するスピン密度が、５×１０^１７ｓｐｉｎｓ／ｃｍ^３
以上であることをいう。なお、過酸化ラジカルを含む絶縁体は、電子スピン共鳴法（ＥＳ
Ｒ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）にて、ｇ値が２．０１近傍に非
対称の信号を有することもある。

また、絶縁体６４または絶縁体６３は、下層からの不純物の拡散を防止する機能を有して
もよい。

また、上述の通り半導体６６ｂの上面または下面は平坦性が高いことが好ましい。このた
め、絶縁体６４の上面にＣＭＰ処理などによって平坦化処理を行って平坦性の向上を図っ
てもよい。

導電体６８ａおよび導電体６８ｂは、それぞれトランジスタ６０ａのソース電極またはド
レイン電極のいずれかとして機能する。

導電体６８ａおよび導電体６８ｂとしては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリ
コン、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛
、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、
スズ、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用い
ればよい。例えば、導電体６８ａおよび導電体６８ｂを積層構造とする場合、窒化タンタ
ルの上にタングステンを積層する構造としてもよい。また、導電体６８ａおよび導電体６
８ｂは例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタ
ンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導
電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。なお、導電体６８ａおよび導
電体６８ｂの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法
などを用いて行うことができる。

絶縁体７２は、トランジスタ６０ａのゲート絶縁膜として機能する。絶縁体７２は、絶縁
体６４と同様に過剰酸素を有する絶縁体としてもよい。このような絶縁体７２を設けるこ
とにより、絶縁体７２から絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体１０６に酸素を供給する
ことができる。

絶縁体７２、絶縁体７７としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネ
シウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イ
ットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁
体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体７２、絶縁体７７としては、
酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリ
コン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコ
ニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタルを用いればよ
い。なお、絶縁体７２、絶縁体７７の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法ま
たはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

また、絶縁体７７は過剰酸素を有する絶縁体であることが好ましい。このような絶縁体７
７を設けることにより、絶縁体７７から絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃに酸
素を供給することができる。当該酸素により、酸化物半導体である絶縁体６６ａ、半導体
６６ｂ、絶縁体６６ｃの欠陥となる酸素欠損を低減することができる。これにより、絶縁
体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃ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。

過剰酸素を有する絶縁体７７は、昇温脱離ガス分光法分析（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、酸素分子の脱離
量が１．０×１０^１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以上１．０×１０^１６ｍｏｌｅｃｕｌ
ｅｓ／ｃｍ^２以下、より好ましくは、１．０×１０^１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以上
５．０×１０^１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以下となる。

また、絶縁体７７は水素、水、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ、例えば一酸化窒素、二酸化窒素など
）などの不純物が少ないことが好ましい。このような絶縁体７７を用いることにより、絶
縁体７７から水素、水、窒素酸化物などの不純物が絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体
６６ｃに拡散することを抑制し、半導体６６ｂ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。

ここで、絶縁体７７はＴＤＳ分析にて、２００℃以上５６０℃以下の表面温度の範囲で、
Ｈ_２Ｏ分子の脱離量が３．８０×１０^１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以下、より好まし
くは、２．４０×１０^１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以下となる。また、絶縁体７７は
ＴＤＳ分析にて、０℃以上４００℃以下の表面温度の範囲で、Ｈ_２Ｏ分子の脱離量が７．
００×１０^１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^２以下となることがさらに好ましい。また、絶
縁体７７はＴＤＳ分析にて、ＮＯ_２分子の脱離量が１．８０×１０^１３ｍｏｌｅｃｕｌｅ
ｓ／ｃｍ^２以下となることが好ましい。

導電体７４はトランジスタ６０ａまたは６０ｂのゲート電極として機能する。導電体７４
としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン、リン、アルミニウム、チタ
ン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、イットリウム、ジル
コニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ、タンタルおよびタングステ
ンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、導電体７４を
積層構造とする場合、窒化タンタルの上にタングステンを積層する構造としてもよい。ま
た、導電体７４は例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅
およびチタンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸
素を含む導電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。なお、導電体７４
の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用い
て行うことができる。

好ましくは、例えばＡＬＤ法で成膜した窒化タンタル上にスパッタ法を用いて導電体をす
る２層構造としてもよい。ゲート絶縁膜と接する領域にＡＬＤ法を用いて窒化タンタルを
成膜するので、ゲート絶縁膜としての機能を有する絶縁体７２へダメージを与えることが
少ないために好ましい。さらにＡＬＤ法で成膜した窒化タンタルの表面付近の高抵抗率の
領域を逆スパッタを行うことによって取り除いた後にスパッタ法を用いて窒化タンタルま
たはタングステンなどを成膜して、多層構造とすればよい。この構造とすることで、スパ
ッタ法によるダメージを絶縁体７２へ与えることが少なくなるので好ましい。逆スパッタ
による高抵抗領域の除去およびスパッタ法による成膜は、同一の装置を用いて行うことが
できる。

ここで、図１２（Ｃ）に示すように、導電体６２ａおよび導電体６２ｂおよび導電体７４
の電界によって、半導体６６ｂを電気的に取り囲むことができる（導電体から生じる電界
によって、半導体を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃ
ｈａｎｎｅｌ（ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。）。そのため、半導体６６ｂの全体（
上面、下面および側面）にチャネルが形成される。ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造では、トラン
ジスタのソース－ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を高
くすることができる。

なお、トランジスタがｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造を有する場合、半導体６６ｂの側面にもチ
ャネルが形成される。したがって、半導体６６ｂが厚いほどチャネル領域は大きくなる。
即ち、半導体６６ｂが厚いほど、トランジスタのオン電流を高くすることができる。また
、半導体６６ｂが厚いほど、キャリアの制御性の高い領域の割合が増えるため、サブスレ
ッショルドスイング値を小さくすることができる。例えば、１０ｎｍ以上、好ましくは２
０ｎｍ以上、さらに好ましくは３０ｎｍ以上の厚さの領域を有する半導体６６ｂとすれば
よい。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、例えば、１５０ｎｍ以下
の厚さの領域を有する半導体６６ｂとすればよい。

高いオン電流が得られるため、ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構造は、微細化されたトランジスタに
適した構造といえる。トランジスタを微細化できるため、該トランジスタを有する半導体
装置は、集積度の高い、高密度化された半導体装置とすることが可能となる。例えば、ト
ランジスタは、チャネル長が好ましくは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、
より好ましくは２０ｎｍ以下の領域を有し、かつ、トランジスタは、チャネル幅が好まし
くは４０ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下の領域
を有する。

絶縁体７９は、絶縁体６３に用いることができる絶縁体を設けることが好ましい。例えば
、絶縁体７９としてＡＬＤ法を用いて成膜した酸化ガリウムまたは酸化アルミニウムなど
を用いればよい。このような絶縁体７９を導電体７４を覆って設けることにより、絶縁体
７７に供給された過剰酸素を導電体７４が奪って、導電体７４が酸化することを防ぐこと
ができる。

絶縁体７８の厚さとしては、例えば５ｎｍ以上、または２０ｎｍ以上とすることができる
。また、絶縁体７８は少なくとも一部が絶縁体７７の上面と接して形成されることが好ま
しい。

絶縁体７８としては、例えば、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム
、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニ
ウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または
積層で用いればよい。絶縁体７８は酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等
をブロックする効果を有することが好ましい。このような絶縁体としては、例えば、窒化
物絶縁膜を用いることができる。該窒化物絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリ
コン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等がある。なお、窒化物絶縁膜の代わり
に、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化物絶縁膜を設けてもよい。酸化物
絶縁膜としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガ
リウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウ
ム等がある。また、絶縁体７８は、上述の絶縁体６６ａまたは絶縁体６６ｃとして用いる
ことができる酸化物を用いることもできる。なお、絶縁体７８の成膜は、スパッタリング
法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

ここで絶縁体７８の成膜は、スパッタリング法を用いて行うことが好ましく、酸素を含む
雰囲気下でスパッタリング法を用いて行うことがより好ましい。スパッタリング法で絶縁
体７８の成膜をおこなうことにより、成膜と同時に絶縁体７７の表面（絶縁体７８成膜後
は絶縁体７７と絶縁体７８の界面）近傍に酸素が添加される。例えば、スパッタリング法
を用いて酸化アルミニウムを成膜すればよい。さらにその上にＡＬＤ法を用いて酸化アル
ミニウムを成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いることにより、ピンホールの形成な
どを抑制できるため、絶縁体７８の酸素、水素、水、アルカリ金属、アルカリ土類金属等
をブロックする効果をより向上させることができる。

絶縁体７８の成膜時に加熱処理を行う、または成膜後に加熱処理を行うことが好ましい。
熱処理を行うことにより、絶縁体７７に添加した酸素を拡散させ、絶縁体６６ａ、半導体
６６ｂ、絶縁体６６ｃに供給することができる。また、当該酸素は絶縁体７７から絶縁体
７２または絶縁体６４を介して、絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃに供給され
る場合もある。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３５０℃以上４５０
℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以
上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい
。加熱処理は、ランプ加熱によるＲＴＡ装置を用いることもできる。

なお、トランジスタのバックゲートなる導電体６２ａ、図１および図２に示すプラグおよ
び配線を構成する窒素を有する金属２０ａなどに窒化タンタルを用いる場合、上記熱処理
温度を３５０℃以上４１０℃以下、好ましくは３７０℃以上４００℃以下とすればよい。
このような温度範囲で熱処理を行うことにより、窒化タンタルから水素が放出することを
抑制できる。

絶縁体７８は、絶縁体７７より酸素を透過させにくい絶縁体であり、酸素をブロックする
機能を有することが好ましい。このような絶縁体７８を設けることにより、絶縁体７７か
ら絶縁体６６ａ、半導体６６ｂおよび絶縁体６６ｃに酸素を供給する際に、当該酸素が絶
縁体７８の上方に外部放出されてしまうことを防ぐことができる。

なお、酸化アルミニウムは、水素、水分などの不純物、および酸素の両方に対して膜を透
過させない遮断効果が高いので絶縁体７８に適用するのに好ましい。

＜容量素子の構成＞
図１７（Ａ）に容量素子８０ａの構成の一例を示す。容量素子８０ａは、導電体８２と、
絶縁体８３と、導電体８４と、を有している。図１７（Ａ）に示すように、絶縁体８１の
上に導電体８２が設けられ、導電体８２を覆うように絶縁体８３が設けられ、絶縁体８３
を覆うように導電体８４が設けられ、導電体８４の上に絶縁体８５が設けられる。

ここで、絶縁体８３が導電体８２の側面に接するように設けられ、導電体８４が絶縁体８
３の凸部の側面に接するように設けられることが好ましい。これにより、導電体８２の上
面だけでなく、導電体８２の側面も容量素子として機能させることができるので、容量値
を大きくすることができる。

導電体８２および導電体８４としては、例えば、ホウ素、窒素、酸素、フッ素、シリコン
、リン、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガ
リウム、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、銀、インジウム、スズ
、タンタルおよびタングステンを一種以上含む導電体を、単層で、または積層で用いれば
よい。例えば、合金や化合物であってもよく、アルミニウムを含む導電体、銅およびチタ
ンを含む導電体、銅およびマンガンを含む導電体、インジウム、スズおよび酸素を含む導
電体、チタンおよび窒素を含む導電体などを用いてもよい。なお、導電体８２および導電
体８４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法など
を用いて行うことができる。

絶縁体８３としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシ
ウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウ
ム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオ
ジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いること
ができる。例えば、酸化アルミニウムの上に酸化窒化シリコンを積層してもよい。また、
ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニ
ウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、窒素が添加された
ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０））、酸化ハフ
ニウム、または酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることが好ましい。また
、絶縁体８３としてｈｉｇｈ－ｋ材料を用いる場合、熱処理を行うことで容量値を大きく
することができる場合がある。このようなｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、絶縁体８３
を厚くしても容量素子８０ａの容量値を十分確保することができる。絶縁体８３を厚くす
ることにより、導電体８２と導電体８４の間に生じるリーク電流を抑制することができる
。なお、絶縁体８３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、
ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

絶縁体８１および絶縁体８５としては、絶縁体７７として用いることができる絶縁体を用
いればよい。また、絶縁体８５は、有機シランガス（例えば、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ－Ｅ
ｔｈｙｌ－Ｏｒｔｈｏ－Ｓｉｌｉｃａｔｅ）など）を用いて成膜してもよい。

次に、容量素子８０ａの変形例について図１７（Ｂ）（Ｃ）を用いて説明する。

図１７（Ｂ）に示す容量素子８０ｂは、導電体８４が導電体８２の上面と重なるように形
成されている点において、図１７（Ａ）に示す容量素子８０ａと異なる。なお、図１７（
Ｂ）では、導電体８４の側面端部と導電体８２の側面端部が重なるように設けられている
が、容量素子８０ｂはこれに限られるものではない。

図１７（Ｃ）に示す容量素子８０ｃは、絶縁体８１の上に開口を有する絶縁体８６が設け
られており、導電体８２は当該開口の中に設けられている点において、図１７（Ａ）に示
す容量素子８０ａと異なる。ここで、絶縁体８６の開口と絶縁体８１の上面を溝部とみな
すことができ、導電体８２は当該溝部に沿って設けられることが好ましい。また、図１７
（Ｃ）に示すように、絶縁体８６の上面と導電体８２の上面とが概略一致するように形成
されてもよい。

導電体８２の上に絶縁体８３が設けられ、絶縁体８３の上に導電体８４が設けられる。こ
こで、導電体８４は、上記溝部において、絶縁体８３を介して導電体８２と面する領域を
有する。また、絶縁体８３は導電体８２の上面を覆うように設けられることが好ましい。
このように絶縁体８３を設けることで導電体８２と導電体８４との間でリーク電流が流れ
るのを防ぐことができる。また、絶縁体８３の側面端部と導電体８４の側面端部とが概略
一致するように設けられていてもよい。このように、容量素子８０ｃは、コンケーブ型ま
たはシリンダー型などの形状とすることが好ましい。なお、容量素子８０ｃにおいて、導
電体８２、絶縁体８３および導電体８４の上面形状が四角形以外の多角形状となってもよ
いし、楕円を含む円形状となってもよい。

＜半導体基板に形成されたトランジスタの構成＞
図１８（Ａ）および図１８（Ｂ）に、半導体基板を有する素子層に含まれるトランジスタ
９０ａの構成の一例を示す。図１８（Ａ）はトランジスタ９０ａのチャネル長方向Ｂ１－
Ｂ２に対応する断面図であり、図１８（Ｂ）はトランジスタ９０ａのチャネル幅方向Ｂ３
－Ｂ４に対応する断面図である。

半導体基板９１には複数の凸部が形成されており、複数の凸部の間の溝部（トレンチと呼
ぶ場合もある。）に素子分離領域９７が形成されている。半導体基板９１および素子分離
領域９７の上に絶縁体９４が形成されており、絶縁体９４の上に導電体９６が形成されて
いる。絶縁体９４および導電体９６の側面に接して絶縁体９５が形成されている。半導体
基板９１、素子分離領域９７、絶縁体９５および導電体９６の上に絶縁体９９が設けられ
ており、さらにその上に絶縁体９８が設けられている。

また、図１８（Ａ）に示すように、半導体基板９１の凸部において、少なくとも絶縁体９
５の一部と重なるように低抵抗領域９３ａおよび低抵抗領域９３ｂが形成され、低抵抗領
域９３ａおよび低抵抗領域９３ｂの外側に低抵抗領域９２ａおよび低抵抗領域９２ｂが形
成される。なお、低抵抗領域９２ａおよび低抵抗領域９２ｂは低抵抗領域９３ａおよび低
抵抗領域９３ｂより抵抗が低いことが好ましい。

ここで、導電体９６はトランジスタ９０ａのゲートとして機能し、絶縁体９４はトランジ
スタ９０ａのゲート絶縁膜として機能し、低抵抗領域９２ａはトランジスタ９０ａのソー
スまたはドレインの一方として機能し、低抵抗領域９２ｂはトランジスタ９０ａのソース
またはドレインの他方として機能する。また、絶縁体９５はトランジスタ９０ａのサイド
ウォール絶縁膜として機能する。また、低抵抗領域９３ａおよび低抵抗領域９３ｂはトラ
ンジスタ９０ａのＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域として機能す
る。また、半導体基板９１の凸部において、導電体９６と重なり、且つ低抵抗領域９３ａ
および低抵抗領域９３ｂの間に位置する領域は、トランジスタ９０ａのチャネル形成領域
として機能する。

トランジスタ９０ａでは、図１８（Ｂ）に示すように、チャネル形成領域における凸部の
側部および上部と、導電体９６とが絶縁体９４を間に挟んで重なることで、チャネル形成
領域の側部と上部を含めた広い範囲においてキャリアが流れる。そのため、トランジスタ
９０ａの基板上における占有面積を小さく抑えつつ、トランジスタ９０ａにおいて移動す
るキャリアの量を増加させることができる。その結果、トランジスタ９０ａは、オン電流
が大きくなると共に、電界効果移動度が高められる。特に、チャネル形成領域における凸
部のチャネル幅方向の長さ（チャネル幅）をＷ、チャネル形成領域における凸部の高さを
Ｔとすると、チャネル幅Ｗに対する凸部の高さＴの比（Ｔ／Ｗ）に相当するアスペクト比
が高い場合、キャリアが流れる範囲はより広くなるため、トランジスタ９０ａのオン電流
をより大きくすることができ、電界効果移動度もより高められる。例えば、バルクの半導
体基板９１を用いたトランジスタ９０ａの場合、アスペクト比は０．５以上であることが
望ましく、１以上であることがより望ましい。

図１８（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ９０ａは、トレンチ分離法（ＳＴＩ法：Ｓｈａｌ
ｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）を用いて素子分離した例を示しているが、
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。

半導体基板９１としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、また
は炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、
酸化ガリウムなどの半導体基板などを用いればよい。好ましくは、半導体基板９１として
単結晶シリコン基板を用いる。また、半導体基板９１として、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
板などを用いてもよい。

半導体基板９１は、例えば、ｐ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を用いる
。ただし、半導体基板９１として、ｎ型の導電型を付与する不純物を有する半導体基板を
用いても構わない。または、半導体基板９１がｉ型であっても構わない。

また、半導体基板９１に設けられる低抵抗領域９２ａおよび低抵抗領域９２ｂは、リンや
ヒ素などのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素やアルミニウムなどのｐ型の導電
性を付与する元素を含むことが好ましい。また同様に、低抵抗領域９３ａおよび低抵抗領
域９３ｂも、リンやヒ素などのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素やアルミニウ
ムなどのｐ型の導電性を付与する元素を含むことが好ましい。ただし、低抵抗領域９３ａ
および低抵抗領域９３ｂはＬＤＤとして機能することが好ましいので、低抵抗領域９３ａ
および低抵抗領域９３ｂに含まれる導電性を付与する元素の濃度は、低抵抗領域９２ａお
よび低抵抗領域９２ｂに含まれる導電性を付与する元素の濃度より低いことが好ましい。
なお、低抵抗領域９２ａおよび低抵抗領域９２ｂはシリサイドなどを用いて形成してもよ
い。

絶縁体９４、絶縁体９５は、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マ
グネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化
ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸
化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用い
ることができる。また、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、
窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０
））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ（ｘ＞０、ｙ＞０
、ｚ＞０））、酸化ハフニウム、または酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ－ｋ材料を用い
てもよい。なお、絶縁体９４、絶縁体９５の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢ
Ｅ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

導電体９６としては、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、クロム、ニオブ等
から選択された金属、またはこれらの金属を主成分とする合金材料若しくは化合物材料を
用いることが好ましい。また、リン等の不純物を添加した多結晶シリコンを用いることが
できる。また、窒素を有する金属膜と上記の金属膜の積層構造で導電体９６を形成しても
よい。窒素を有する金属としては、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化チタンを用
いることができる。窒素を有する金属膜を設けることにより、金属膜の密着性を向上させ
ることができ、剥離を防止することができる。なお、導電体９６の成膜は、スパッタリン
グ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

絶縁体９８および絶縁体９９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。なお、絶縁体９８の成膜は、スパッタリ
ング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。

また、絶縁体９８として、炭化窒化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄ
ｅ）、酸化炭化シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｘｙｃａｒｂｉｄｅ）などを用いることが
できる。また、ＵＳＧ（Ｕｎｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳＧ（
Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＢＳＧ（Ｂｏｒ
ｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）等を用いることができる。ＵＳＧ、ＢＰＳＧ等は、常
圧ＣＶＤ法を用いて形成すればよい。また、例えば、ＨＳＱ（水素シルセスキオキサン）
等を塗布法を用いて形成してもよい。

ただし、絶縁体９９は水素を有すると好ましい場合がある。例えば、絶縁体９９として水
素を含む窒化シリコンなどを用いればよい。絶縁体９９が水素を有することにより、半導
体基板９１が欠陥等を低減し、トランジスタ９０ａ特性を向上させる場合がある。例えば
半導体基板９１としてシリコンを有する材料を用いた場合には、水素によりシリコンのダ
ングリングボンド等の欠陥を終端することができる。

次に、トランジスタ９０ａの変形例について図１８（Ｃ）（Ｄ）を用いて説明する。なお
、図１８（Ｃ）（Ｄ）は、図１８（Ａ）（Ｂ）と同様に、トランジスタ９０ａのチャネル
長方向の断面図とトランジスタ９０ａのチャネル幅方向の断面図になる。

図１８（Ｃ）（Ｄ）に示すトランジスタ９０ｂは、半導体基板９１に凸部が形成されてい
ない点において、図１８（Ａ）（Ｂ）に示すトランジスタ９０ａと異なる。なお、図１８
（Ｃ）（Ｄ）に示すトランジスタ９０ｂの他の構成については、図１８（Ａ）（Ｂ）に示
すトランジスタ９０ａの構成を参酌することができる。

なお、トランジスタ９０ａおよびトランジスタ９０ｂにおいて、導電体９６の下面に接す
るように絶縁体９４を設けているが、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、導電体９６の下面および側面に接するように絶縁体９４を設ける構
成としてもよい。

＜半導体装置の構成例＞
半導体基板を含む素子層（以下、素子層５０と呼ぶ。）の上に酸化物半導体を含む素子層
（以下、素子層３０と呼ぶ。）を設け、素子層３０の上に容量素子を含む素子層（以下、
素子層４０と呼ぶ。）を設けた半導体装置の構成の一例を、図１９に示す。図１９はトラ
ンジスタ６０ａおよびトランジスタ９０ａのチャネル長方向Ｃ１－Ｃ２に対応する断面図
である。なお、図１９では、トランジスタ６０ａとトランジスタ９０ａのチャネル長方向
が平行になっているが、これに限られることなく、適宜設定することができる。

素子層５０は、図１８（Ａ）に示すトランジスタ９０ａが設けられたものであり、半導
体基板９１、素子分離領域９７、絶縁体９８、絶縁体９９、絶縁体９４、絶縁体９５、導
電体９６、低抵抗領域９３ａおよび低抵抗領域９３ｂ、低抵抗領域９２ａおよび低抵抗領
域９２ｂについては、上記の記載を参酌することができる。

素子層５０には、導電体５１ａおよび導電体５２ａ、導電体５１ｂおよび導電体５２ｂ、
導電体５１ｃおよび導電体５２ｃ、のプラグとして機能する部分が設けられている。導電
体５１ａおよび導電体５２ａは、下面が低抵抗領域９２ａに接して、絶縁体９８および絶
縁体９９の開口の中に形成されている。導電体５１ｂおよび導電体５２ｂは、下面が導電
体９６に接して、絶縁体９８の開口の中に形成されている。導電体５１ｃおよび導電体５
２ｃは、下面が低抵抗領域９２ｂに接して、絶縁体９８および絶縁体９９の開口の中に形
成されている。

ここで、導電体５１ａ乃至導電体５１ｃは、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す窒素を有する
金属２０ａと同様の構造とすればよい。また、導電体５２ａ乃至導電体５２ｃは、図２（
Ａ）および（Ｂ）に示す導電体２１ａと同様の構造とすればよい。ただし、これに限られ
ず、例えば、シングルダマシン法などを用いて、プラグと配線とを分けて形成してもよい
。

図１９に示すように、導電体５１ａ乃至導電体５１ｃと、導電体５２ａ乃至導電体５２ｃ
と、を積層構造とすることが好ましい。導電体５１ａ乃至導電体５１ｃとしては、例えば
、チタン、タンタル、窒化チタンまたは窒化タンタルなどを単層または積層で用いればよ
い。窒化タンタルまたは窒化チタンなどの窒素を有する金属、特に窒化タンタルを導電体
５１ａ乃至導電体５１ｃに用いることで、素子層５０などに含まれる水素、水などの不純
物が導電体５１ａ乃至導電体５１ｃ中に拡散してさらに上の層に移動することを抑制する
ことができる。これは、導電体５１ａ乃至導電体５１ｃだけでなく、他のプラグおよび配
線として機能する導電体も同様である。よって、素子層３０より下層に位置する、導電体
１１１ａ乃至導電体１１１ｃ、導電体１２１ａ乃至導電体１２１ｃも同様に、積層構造と
して下層に、窒化タンタルまたは窒化チタンなどの窒素を有する金属、特に窒化タンタル
を用いることにより、上層に位置する素子層３０に水素、水などの不純物が拡散すること
を防ぐことができる。このような構成とすることにより、素子層３０に含まれる酸化物半
導体を、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体とすることができる。

絶縁体９８の上に絶縁体１０２ａおよび絶縁体１０２ｂが設けられる。絶縁体１０２ａお
よび絶縁体１０２ｂに形成された開口に、導電体５１ａおよび導電体５２ａ、導電体５１
ｂおよび導電体５２ｂ、導電体５１ｃおよび導電体５２ｃの配線などとして機能する部分
が埋め込まれるように設けられる。例えば、導電体５２ａ乃至導電体５２ｃに銅など拡散
しやすい金属を用いる場合、窒化シリコンや窒化炭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、銅などの不純物がトランジスタ９０ａに拡散することを防ぐこ
とができる。また、絶縁体１０２ａは絶縁体９８などより水素濃度が低い絶縁体を用いる
ことが好ましい。また、絶縁体１０２ｂは絶縁体１０２ａより誘電率が低いことが好まし
い。なお、図１９では、絶縁体１０２ａと絶縁体１０２ｂが積層して設けられているが、
これに限られず単層の絶縁体としてもよい。

絶縁体１０２ｂの上に絶縁体１０４が設けられ、絶縁体１０４の上に絶縁体１０６が設け
られ、絶縁体１０６の上に絶縁体１０８が設けられる。絶縁体１０２ａ、絶縁体１０２ｂ
、絶縁体１０４、絶縁体１０６および絶縁体１０８は、絶縁体９８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１０２ａ、絶縁体１０２ｂ、絶縁体１０４、絶縁体
１０６および絶縁体１０８のいずれかは、水素などの不純物および酸素をブロックする機
能を有する絶縁体とすることが好ましい。水素などの不純物および酸素をブロックする機
能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム
、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリ
ウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、
単層で、または積層で用いればよい。例えば、窒化シリコンなどを用いればよい。

また、導電体５２ａ乃至導電体５２ｃに銅など拡散しやすい金属を用いる場合、絶縁体１
０４に窒化シリコンや窒化炭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、銅などの不純物が素子層３０に含まれる酸化物半導体膜に拡散することを防ぐことが
できる。

絶縁体１０４および絶縁体１０６には、導電体１１１ａおよび導電体１１２ａ、導電体１
１１ｂおよび導電体１１２ｂ、導電体１１１ｃおよび導電体１１２ｃ、のプラグとして機
能する部分が設けられている。また、絶縁体１０８には、導電体１１１ａおよび導電体１
１２ａ、導電体１１１ｂおよび導電体１１２ｂ、導電体１１１ｃおよび導電体１１２ｃ、
の配線として機能する部分が設けられている。導電体１１１ａおよび導電体１１２ａは、
下面が導電体５２ａに接して、絶縁体１０４、絶縁体１０６および絶縁体１０８の開口の
中に形成されている。導電体１１１ｂおよび導電体１１２ｂは、下面が導電体５２ｂに接
して、絶縁体１０４、絶縁体１０６および絶縁体１０８の開口の中に形成されている。導
電体１１１ｃおよび導電体１１２ｃは、下面が導電体５２ｃに接して、絶縁体１０４、絶
縁体１０６および絶縁体１０８の開口の中に形成されている。

ここで、導電体１１１ａ乃至導電体１１１ｃは、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す窒素を有
する金属２０ａと同様の構造とすればよい。また、導電体１１２ａ乃至導電体１１２ｃは
、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す導電体２１ａと同様の構造とすればよい。ただし、これ
に限られず、例えば、シングルダマシン法などを用いて、プラグと配線とを分けて形成し
てもよい。

絶縁体１０８の上に絶縁体１１０が設けられる。絶縁体１１０は、絶縁体１０６に用いる
ことができる絶縁体を用いればよい。

絶縁体１１０の上の素子層３０は、図１２（Ａ）に示すトランジスタ６０ａが設けられた
ものであり、絶縁体６１、絶縁体６７、導電体６２ａ、導電体６２ｂ、絶縁体６５、絶縁
体６３、絶縁体６４、絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃ、導電体６８ａ、導電
体６８ｂ、絶縁体７２、導電体７４、絶縁体７９、絶縁体７７および絶縁体７８について
は、上記の記載を参酌することができる。

絶縁体６１、絶縁体５９、絶縁体５８および絶縁体１１０には、導電体１２１ａおよび導
電体１２２ａ、導電体１２１ｂおよび導電体１２２ｂ、導電体１２１ｃおよび導電体１２
２ｃ、のプラグとして機能する部分が設けられている。また、絶縁体６７には、導電体１
２１ａおよび導電体１２２ａ、導電体１２１ｂおよび導電体１２２ｂ、導電体１２１ｃお
よび導電体１２２ｃ、の配線として機能する部分が設けられている。導電体１２１ａおよ
び導電体１２２ａは、下面が導電体１１２ａに接して、絶縁体６７、絶縁体６１、絶縁体
５９、絶縁体５８および絶縁体１１０の開口の中に形成されている。導電体１２１ｂおよ
び導電体１２２ｂは、下面が導電体１１２ｂに接して、絶縁体６７、絶縁体６１、絶縁体
５９、絶縁体５８および絶縁体１１０の開口の中に形成されている。導電体１２１ｃおよ
び導電体１２２ｃは、下面が導電体１１２ｃに接して、絶縁体６７、絶縁体６１、絶縁体
５９、絶縁体５８および絶縁体１１０の開口の中に形成されている。

ここで、導電体１２１ａ乃至導電体１２１ｃは、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す窒素を有
する金属２０ａと同様の構造とすればよい。また、導電体１２２ａ乃至導電体１２２ｃは
、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す導電体２１ａと同様の構造とすればよい。

また、導電体６２ａおよび導電体６２ｂが、導電体１２１ａおよび導電体１２２ａ、導電
体１２１ｂおよび導電体１２２ｂ、導電体１２１ｃおよび導電体１２２ｃ、と同じ層に形
成されている。

図１９に示すように、半導体基板９１と半導体６６ｂの間を絶縁体６１、絶縁体５９およ
び絶縁体５８と導電体１２１ａ乃至導電体１２１ｃで分断されている。導電体１２１ａ乃
至導電体１２１ｃは水素および水の拡散をブロックする機能を有しているため、素子層５
０などに含まれる水素または水などの不純物が、絶縁体６１、絶縁体５９および絶縁体５
８に形成されるビアホールやプラグとして機能する導電体１２２ａ乃至導電体１２２ｃを
介して半導体６６ｂに拡散することを防ぐことができる。

ここで、図２０にスクライブライン１３８近傍のＣ３－Ｃ４断面に対応する断面図を示
す。図２０に示すように、スクライブライン１３８と重なる領域近傍において、絶縁体６
７、絶縁体６５、絶縁体６３、絶縁体６４および絶縁体７７に開口が形成され、絶縁体６
７、絶縁体６５、絶縁体６３、絶縁体６４および絶縁体７７の側面を覆って絶縁体７８が
成膜され、当該開口において絶縁体７８と絶縁体６１とが接していることが好ましい。

このような形状とすることにより、絶縁体７８と絶縁体６１で、絶縁体６７、絶縁体６５
、絶縁体６３、絶縁体６４および絶縁体７７を側面まで覆うことができる。絶縁体７８と
絶縁体６１は水素および水をブロックする機能を有しているため、本実施の形態に示す半
導体装置をスクライブしても、絶縁体６７、絶縁体６５、絶縁体６３、絶縁体６４および
絶縁体７７の側面から水素または水が浸入して、トランジスタ６０ａに拡散することを防
ぐことができる。

また、上述の通り、絶縁体７８の成膜に伴って絶縁体７７に過剰酸素を供給することがで
きる。このとき、絶縁体７８で絶縁体７７の側面を覆っていることにより、酸素が絶縁体
７８の外に拡散することを防ぎ、絶縁体７７を酸素で満たし、絶縁体７７から絶縁体６６
ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃに酸素を供給することができる。当該酸素により、絶縁
体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃの欠陥となる酸素欠損を低減することができる。
これにより、半導体６６ｂ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。

絶縁体７８の上に絶縁体８８が設けられる。絶縁体８８は、絶縁体７８と同様の絶縁体を
用いることができるが、ＡＬＤ法で成膜することが好ましい。絶縁体８８の上に絶縁体８
９が設けられる。絶縁体８９は絶縁体５９に用いることができる絶縁体を用いればよい。
絶縁体８９の上に絶縁体８１が設けられる。絶縁体８１は、絶縁体７７に用いることがで
きる絶縁体を用いればよい。

絶縁体８１、絶縁体８９、絶縁体８８、絶縁体７８、絶縁体７７、絶縁体６６ｃ、絶縁体
６４、絶縁体６３、および絶縁体６５には、プラグとして機能する導電体３１ａおよび導
電体３２ａ、導電体３１ｂおよび導電体３２ｂ、導電体３１ｃおよび導電体３２ｃ、導電
体３１ｄおよび導電体３２ｄ、導電体３１ｅおよび導電体３２ｅが設けられている。導電
体３１ａおよび導電体３２ａは、下面が導電体１２２ａに接して、絶縁体８１、絶縁体８
９、絶縁体８８、絶縁体７８、絶縁体７７、絶縁体６６ｃ、絶縁体６４、絶縁体６３、お
よび絶縁体６５の開口の中に形成されている。導電体３１ｂおよび導電体３２ｂは、下面
が導電体６８ａに接して、絶縁体８１、絶縁体８９、絶縁体８８、絶縁体７８、絶縁体７
７および絶縁体６６ｃの開口の中に形成されている。導電体３１ｃおよび導電体３２ｃは
、下面が導電体６８ｂに接して、絶縁体８１、絶縁体８９、絶縁体８８、絶縁体７８、絶
縁体７７および絶縁体６６ｃの開口の中に形成されている。導電体３１ｄおよび導電体３
２ｄは、下面が導電体１２２ｂに接して、絶縁体８１、絶縁体８９、絶縁体８８、絶縁体
７８、絶縁体７７、絶縁体６６ｃ、絶縁体６４、絶縁体６３、および絶縁体６５の開口の
中に形成されている。導電体３１ｅおよび導電体３２ｅは、下面が導電体１２２ｃに接し
て、絶縁体８１、絶縁体８９、絶縁体８８、絶縁体７８、絶縁体７７、絶縁体６６ｃ、絶
縁体６４、絶縁体６３、および絶縁体６５の開口の中に形成されている。

ここで、導電体３１ａ乃至導電体３１ｅは、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す窒素を有する
金属２０ａに用いることができる導電体を用いればよい。導電体３１ａ乃至導電体３１ｅ
をこのような構造にすることにより、上述の各開口部を導電体３１ａ乃至導電体３１ｅで
塞ぐ形状にすることができる。導電体３１ａ乃至導電体３１ｅは水素および水の拡散をブ
ロックする機能を有しているため、導電体３２ａ乃至導電体３２ｅを介して、トランジス
タ６０ａに水素または水などの不純物が拡散することを防ぐことができる。また、導電体
３２ａ乃至導電体３２ｅは、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す導電体２１ａに用いることが
できる導電体を用いればよい。

絶縁体８１の上に、導電体３３ａ、導電体３３ｂ、導電体８２および導電体３３ｅが形成
されている。ここで、導電体８２は素子層４０の容量素子８０ａの電極の一方である。導
電体３３ａは導電体３１ａおよび導電体３２ａの露出した上面と接し、導電体３３ｂは導
電体３１ｂおよび導電体３２ｂの露出した上面と接し、導電体８２は導電体３１ｃおよび
導電体３２ｃ並びに導電体３１ｄおよび導電体３２ｄの露出した上面と接し、導電体３３
ｅは導電体３１ｅおよび導電体３２ｅの露出した上面と接している。

ここで、導電体３３ａ、導電体３３ｂおよび導電体３３ｅは、導電体８２に用いることが
できる導電体を用いればよい。

なお、図１９に示す断面図では、導電体７４、導電体６２ｂと接続される配線およびプラ
グが図示されていないが、別途設けることができる。

素子層４０は、図１７（Ａ）に示す容量素子８０ａが設けられたものであり、絶縁体８１
、導電体８２、絶縁体８３、導電体８４および絶縁体８５については、上記の記載を参酌
することができる。

素子層４０には、プラグとして機能する導電体４１ａおよび導電体４２ａ、導電体４１ｂ
および導電体４２ｂ、導電体４１ｃおよび導電体４２ｃ、導電体４１ｄおよび導電体４２
ｄが設けられている。導電体４１ａおよび導電体４２ａは、下面が導電体３３ａに接して
、絶縁体８３および絶縁体８５の開口の中に形成されている。導電体４１ｂおよび導電体
４２ｂは、下面が導電体３３ｂに接して、絶縁体８３および絶縁体８５の開口の中に形成
されている。導電体４１ｃおよび導電体４２ｃは、下面が導電体８４に接して、絶縁体８
５の開口の中に形成されている。導電体４１ｄおよび導電体４２ｄは、下面が導電体３３
ｅに接して、絶縁体８３および絶縁体８５の開口の中に形成されている。

ここで、導電体４１ａ乃至導電体４１ｄは、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す窒素を有する
金属２０ａ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４２ａ乃至導電体
４２ｄは、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す導電体２１ａに用いることができる導電体を用
いればよい。

配線として機能する導電体４３ａ乃至導電体４３ｄは、絶縁体８５の上に形成されている
。導電体４３ａは導電体４１ａおよび導電体４２ａの露出した上面と接し、導電体４３ｂ
は導電体４１ｂおよび導電体４２ｂの露出した上面と接し、導電体４３ｃは導電体４１ｃ
および導電体４２ｃの露出した上面と接し、導電体４３ｄは導電体４１ｄおよび導電体４
２ｄの露出した上面と接している。

ここで、導電体４３ａ乃至導電体４３ｄは、導電体３３ａ、導電体３３ｂおよび導電体３
３ｅ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４３ａ乃至導電体４３ｄ
は、素子層３０の上に成膜されるため、導電体４３ａ乃至導電体４３ｄの成膜後には高温
の熱処理を行う必要がない場合がある。よって、導電体４３ａ乃至導電体４３ｄとして、
例えば、アルミニウム、銅などの耐熱性が低いが、低抵抗である金属材料を用いることに
より、配線抵抗を低くすることができる。

絶縁体８５の上に導電体４３ａ乃至導電体４３ｄを覆って絶縁体１３４が形成される。絶
縁体１３４は、絶縁体８５に用いることができる絶縁体を用いればよい。

絶縁体１３４には、プラグとして機能する導電体１３１および導電体１３２が設けられて
いる。導電体１３１および導電体１３２は、下面が導電体４２ａに接して、絶縁体１３４
の開口の中に形成されている。

ここで、導電体１３１は、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す窒素を有する金属２０ａ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１３２は、図２（Ａ）および（Ｂ）
に示す導電体２１ａに用いることができる導電体を用いればよい。

配線として機能する導電体１３３は、絶縁体１３４の上に形成されている。導電体１３３
は導電体１３１および導電体１３２の露出した上面と接している。ここで、導電体１３３
は、導電体３３ａ、導電体３３ｂおよび導電体３３ｅに用いることができる導電体を用い
ればよい。

絶縁体１３４の上に、導電体１３３の上に開口を有するように、絶縁体１３６が形成され
る。絶縁体１３６は、絶縁体１３４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１３６として、ポリイミドなどの有機絶縁膜を用いてもよい。

また、図１９と異なる構成の半導体装置を図２３に示す。図２３はトランジスタ６０ａお
よびトランジスタ９０ａのチャネル長方向Ｃ１－Ｃ２に対応する断面図である。なお、図
２３では、トランジスタ６０ａとトランジスタ９０ａのチャネル長方向が平行になってい
るが、これに限られることなく、適宜設定することができる。

絶縁体７７がトランジスタ６０ａを覆う様に配置されるところは、図１９に示す半導体装
置と同様である。以下に図１９に示す半導体装置と異なる構成を説明する。

絶縁体７７、絶縁体６６ｃ、絶縁体６４、絶縁体６３、および絶縁体６５には、プラグと
して機能する導電体３１ａおよび導電体３２ａ、導電体３１ｂおよび導電体３２ｂ、導電
体３１ｃおよび導電体３２ｃ、導電体３１ｄおよび導電体３２ｄ、導電体３１ｅおよび導
電体３２ｅが設けられている。導電体３１ａおよび導電体３２ａは、下面が導電体１２２
ａに接して、絶縁体７７、絶縁体６６ｃ、絶縁体６４、絶縁体６３、および絶縁体６５の
開口の中に形成されている。導電体３１ｂおよび導電体３２ｂは、下面が導電体６８ａに
接して、絶縁体７７および絶縁体６６ｃの開口の中に形成されている。導電体３１ｃおよ
び導電体３２ｃは、下面が導電体６８ｂに接して、絶縁体７７および絶縁体６６ｃの開口
の中に形成されている。導電体３１ｄおよび導電体３２ｄは、下面が導電体１２２ｂに接
して、絶縁体７７、絶縁体６６ｃ、絶縁体６４、絶縁体６３、および絶縁体６５の開口の
中に形成されている。導電体３１ｅおよび導電体３２ｅは、下面が導電体１２２ｃに接し
て、絶縁体７７、絶縁体６６ｃ、絶縁体６４、絶縁体６３、および絶縁体６５の開口の中
に形成されている。

プラグとして機能する導電体３１ａおよび導電体３２ａ、導電体３１ｂおよび導電体３２
ｂ、導電体３１ｃおよび導電体３２ｃ、導電体３１ｄおよび導電体３２ｄ、導電体３１ｅ
および導電体３２ｅのそれぞれの上面を覆うように、絶縁体５５ａ、絶縁体５５ｂ、絶縁
体５５ｃ、絶縁体５５ｄおよび絶縁体５５ｅで覆われている。絶縁体５５ａ、絶縁体５５
ｂ、絶縁体５５ｃ、絶縁体５５ｄおよび絶縁体５５ｅとしては、絶縁体７８と同様の絶縁
体を用いることができるが、ＡＬＤ法で成膜することが好ましい。

絶縁体５５ａ、絶縁体５５ｂ、絶縁体５５ｃ、絶縁体５５ｄおよび絶縁体５５ｅとしては
、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物、または
窒化タンタルなどの金属窒化物などを用いることが好ましい。特に、酸化アルミニウムは
、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両
方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トラン
ジスタの作製工程中、および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ６
０ａへの混入を防止することができる。

絶縁体５５ａ上、絶縁体５５ｂ上、絶縁体５５ｃ上、絶縁体５５ｄ上、絶縁体５５ｅ上お
よび絶縁体７７上には、絶縁体７８、絶縁体８８、絶縁体８９、および絶縁体８１が順に
積層して設けられている。絶縁体７８の成膜によって、絶縁体７７に酸素を供給すること
ができる。この酸素が過剰酸素となって絶縁体７７および絶縁体６６ｃなどを通り、半導
体６６ｂに拡散して半導体６６ｂ中の欠陥を修復することができる。

また、絶縁体７８、絶縁体８８、絶縁体８９、および絶縁体８１には、導電体３１ａ乃至
導電体３１ｅおよび導電体３２ａ乃至導電体３２ｅが埋め込まれている。なお、導電体３
１ａ乃至導電体３１ｅおよび導電体３２ａ乃至導電体３２ｅは、容量素子８０ａ、トラン
ジスタ６０ａ、またはトランジスタ９０ａと電気的に接続するプラグ、または配線として
機能を有する。導電体３１ａ乃至導電体３１ｅは、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す窒素を
有する金属２０ａ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３２ａ乃至
導電体３２ｅは、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す導電体２１ａに用いることができる導電
体を用いればよい。

絶縁体８１、絶縁体８９、絶縁体８８、絶縁体７８、および絶縁体５５ｃには、プラグと
して機能する導電体４１ｃおよび導電体４２ｃ、導電体４１ｄおよび導電体４２ｄが設け
られている。導電体４１ｃおよび導電体４２ｃは、下面が導電体３２ｃに接して、絶縁体
８１、絶縁体８９、絶縁体８８、絶縁体７８、および絶縁体５５ｃの開口の中に形成され
ている。導電体４１ｄおよび導電体４２ｄは、下面が導電体３２ｄに接して、絶縁体８１
、絶縁体８９、絶縁体８８、絶縁体７８、および絶縁体５５ｄの開口の中に形成されてい
る。また、導電体８７は、導電体４１ｃ、導電体４１ｄ、導電体４２ｃおよび導電体４２
ｄの上面と接するように配されている。さらに導電体８７の上面と接する導電体８２ａお
よび８２ｂが配されている。導電体８７、導電体８２ａおよび導電体８２ｂは、容量素子
８０ａの一方の電極の機能を有する。

絶縁体８１上、導電体８７上、導電体８２ａ上および導電体８２ｂ上には、絶縁体８３が
設けられている。絶縁体８３は、容量素子８０ａの誘電体としての機能を有する。絶縁体
８３は、絶縁体８３ａ、絶縁体８３ｂおよび絶縁体８３ｃの３層構造とすることができる
。例えば絶縁体８３ａ、絶縁体８３ｂおよび絶縁体８３ｃをＡＬＤ法を用いて、絶縁体８
３ａを酸化シリコン、絶縁体８３ｂを酸化アルミニウム、絶縁体８３ｃを酸化シリコンと
してもよい。

絶縁体８３、絶縁体８１、絶縁体８９、絶縁体８８、絶縁体７８、および絶縁体５５ａに
は、プラグとして機能する導電体４１ａおよび導電体４２ａ、導電体４１ｂおよび導電体
４２ｂ、導電体４１ｅおよび導電体４２ｅが設けられている。導電体４１ａおよび導電体
４２ａは、下面が導電体３２ａに接して、絶縁体８３、絶縁体８１、絶縁体８９、絶縁体
８８、絶縁体７８、および絶縁体５５ａの開口の中に形成されている。導電体４１ｂおよ
び導電体４２ｂは、下面が導電体３２ｂに接して、絶縁体８３、絶縁体８１、絶縁体８９
、絶縁体８８、絶縁体７８、および絶縁体５５ｂの開口の中に形成されている。導電体４
１ｅおよび導電体４２ｅは、下面が導電体３２ｅに接して、絶縁体８３、絶縁体８１、絶
縁体８９、絶縁体８８、絶縁体７８、および絶縁体５５ｅの開口の中に形成されている。

絶縁体８３上には、導電体４２ａの上面と接する領域を有する導電体４３ａが設けられて
いる。また、絶縁体８３上には、導電体４２ｂの上面と接する領域を有する導電体４３ｂ
が設けられている。いる。また、絶縁体８３上には、導電体４２ｅの上面と接する領域を
有する導電体４３ｃが設けられている。また、絶縁体８３上には、導電体８４が設けられ
ている。なお、導電体８４は、容量素子８０ａの他方の電極の機能を有する。

絶縁体８３上、導電体４３ａ上、導電体４３ｂ上、導電体４３ｃ上および導電体８４上に
絶縁体１３４が設けられている。絶縁体１３４には、プラグとして機能する導電体１３１
および１３２が設けられている。導電体１３１および１３２は、下面が導電体４３ａに接
して、絶縁体１３４の開口の中に形成されている。

ここで、導電体１３１は、図２（Ａ）および（Ｂ）に示す窒素を有する金属２０ａ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１３２は、図２（Ａ）および（Ｂ）
に示す導電体２１ａに用いることができる導電体を用いればよい。

配線として機能する導電体１３３は、絶縁体１３４の上に形成されている。導電体１３３
は導電体１３１および導電体１３２の露出した上面と接している。ここで、導電体１３３
は、導電体３３ａ、導電体３３ｂおよび導電体３３ｅに用いることができる導電体を用い
ればよい。

絶縁体１３４の上に、導電体１３３の上に開口を有するように、絶縁体１３６が形成され
る。絶縁体１３６は、絶縁体１３４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１３６として、ポリイミドなどの有機絶縁膜を用いてもよい。

＜酸化物半導体膜を有するトランジスタの作製方法＞

次に、図１２に示すトランジスタ６０ａのバックゲートとして機能する導電体６２ａお
よび導電体６２ｂの上に酸化物半導体膜を有するトランジスタ６０ａを作製する方法につ
いて図２１および図２２に示す断面図を用いて説明する。図２１（Ａ）、図２１（Ｃ）、
図２１（Ｅ）、図２２（Ａ）、図２２（Ｃ）および図２２（Ｅ）はトランジスタ６０ａの
チャネル長方向Ａ１－Ａ２に対応する断面図であり、図２１（Ｂ）、図２１（Ｄ）、図２
１（Ｆ）、図２２（Ｂ）、図２２（Ｄ）および図２２（Ｆ）はトランジスタ６０ａのチャ
ネル幅方向Ａ３－Ａ４に対応する断面図である。

まず、絶縁体６７、導電体６２ａおよび導電体６２ｂの上に絶縁体６５を成膜する。絶縁
体６５としては上述の絶縁体を用いればよい。絶縁体６５の成膜は、スパッタリング法、
ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、
絶縁体６５として、ＰＥＣＶＤ法を用いて酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを成
膜すればよい。

次に、絶縁体６５の上に絶縁体６３を成膜する。絶縁体６３としては上述の絶縁体を用い
ればよい。絶縁体６３の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法
、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体６３として、ＡＬＤ法を用い
て酸化ハフニウムまたは酸化アルミニウムなどを成膜すればよい。

次に、絶縁体６３の上に絶縁体６４を成膜する（図２１（Ａ）（Ｂ）参照）。絶縁体６４
としては上述の絶縁体を用いればよい。絶縁体６４の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体
６４として、ＰＥＣＶＤ法を用いて酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンなどを成膜すれ
ばよい。また、絶縁体６５、絶縁体６３および絶縁体６４の成膜を大気中に露出せず、Ａ
ＬＤ法を用いて連続的に行ってもよい。

次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことで、絶縁体６５、絶縁体６３
および絶縁体６４中の水、または水素をさらに低減させることができる。また、絶縁体６
４に過剰酸素を有せしめることができる場合がある。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃
以下、好ましくは３５０℃以上４５０℃以下で行えばよい。さらに、トランジスタのバッ
クゲートなる導電体６２ａなどに窒化タンタルを用いる場合、上記熱処理温度を３５０℃
以上４１０℃以下、好ましくは３７０℃以上４００℃以下とすればよい。このような温度
範囲で熱処理を行うことにより、窒化タンタルから水素が放出することを抑制できる。加
熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１
０％以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、
不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐ
ｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行ってもよい。加熱処理によ
って、水素や水などの不純物を除去することなどができる。加熱処理は、ランプ加熱によ
るＲＴＡ装置を用いることもできる。ＲＴＡ装置による加熱処理は、炉と比べて短時間で
済むため、生産性を高めるために有効である。

次に、絶縁体６６ａとなる絶縁体６９ａを成膜する。絶縁体６９ａとしては上述の絶縁体
６６ａとして用いることができる絶縁体または半導体などを用いればよい。絶縁体６９ａ
の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用い
て行うことができる。また、絶縁体６９ａの成膜は、基板を加熱しながら行うことが好ま
しい。基板加熱の温度などは、例えば後述の加熱処理と同様にすればよい。

次に、半導体６６ｂとなる半導体を成膜する。半導体６６ｂとなる半導体としては上述の
半導体６６ｂとして用いることができる半導体を用いればよい。半導体６６ｂの成膜は、
スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うこと
ができる。また、半導体６６ｂの成膜は、基板を加熱しながら行うことが好ましい。基板
加熱の温度などは、例えば後述の加熱処理と同様にすればよい。なお、絶縁体６９ａの成
膜と、半導体６６ｂとなる半導体の成膜と、を大気に暴露することなく連続で行うことで
、膜中および界面への不純物の混入を低減することができる。

次に、絶縁体６９ａおよび半導体６９ｂに加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行
うことで、絶縁体６６ａ、半導体６６ｂの水素濃度を低減させることができる場合がある
。また、絶縁体６６ａおよび半導体６６ｂの酸素欠損を低減させることができる場合があ
る。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３５０℃以上４５０℃以下で行
えばよい。さらに、トランジスタのバックゲートなる導電体６２ａなどに窒化タンタルを
用いる場合、上記熱処理温度を３５０℃以上４１０℃以下、好ましくは３７０℃以上４０
０℃以下とすればよい。このような温度範囲で熱処理を行うことにより、窒化タンタルか
ら水素が放出することを抑制できる。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸化性ガス
を１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。加熱処理は減圧状態
で行ってもよい。または、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した
酸素を補うために酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で
加熱処理を行ってもよい。加熱処理によって、絶縁体６６ａおよび半導体６６ｂの結晶性
を高めることや、水素や水などの不純物を除去することなどができる。加熱処理は、ラン
プ加熱によるＲＴＡ装置を用いることもできる。ＲＴＡ装置による加熱処理は、炉と比べ
て短時間で済むため、生産性を高めるために有効である。絶縁体６６ａおよび半導体６６
ｂとして後述するＣＡＡＣ－ＯＳを用いる場合、加熱処理を行うことで、ピーク強度が高
くなり、半値全幅が小さくなる。即ち、加熱処理によってＣＡＡＣ－ＯＳの結晶性が高く
なる。

当該加熱処理により、絶縁体６４から絶縁体６９ａおよび半導体６９ｂに酸素を供給する
ことができる。絶縁体６４に対して加熱処理を行うことにより、極めて容易に酸素を絶縁
体６６ａとなる絶縁体、および半導体６６ｂとなる半導体に供給することができる。

ここで、絶縁体６３は、酸素をブロックするバリア膜として機能する。絶縁体６３が絶縁
体６４の下に設けられていることにより、絶縁体６４中に拡散した酸素が絶縁体６４より
下層に拡散することを防ぐことができる。

このように絶縁体６６ａとなる絶縁体、および半導体６６ｂとなる半導体に酸素を供給し
、酸素欠損を低減させることにより、欠陥準位密度の低い、高純度真性または実質的に高
純度真性な酸化物半導体とすることができる。

次に、導電体６８ａおよび導電体６８ｂとなる導電体６８を成膜する（図２１（Ｃ）（Ｄ
）参照。）。導電体６８は上述の導電体６８ａおよび導電体６８ｂとして用いることがで
きる導電体を用いればよい。導電体６８の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ
法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。例えば、導電体６８として
スパッタリング法を用いて窒化タンタルを成膜し、さらにその上にタングステンを成膜す
ればよい。

次に、導電体６８の上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて絶縁体６９ａ、
半導体６９ｂおよび導電体６８を島状に加工し、島状の導電体６８、半導体６６ｂおよび
絶縁体６６ａを形成する。

次に、加熱処理を行ってもよい。加熱処理を行うことで、絶縁体６４、絶縁体６３および
絶縁体６５、絶縁体６６ａおよび半導体６６ｂ中の水、または水素をさらに低減させるこ
とができる。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好ましくは３５０℃以上４５０℃
以下で行えばよい。さらに、トランジスタのバックゲートなる導電体６２ａなどに窒化タ
ンタルを用いる場合、上記熱処理温度を３５０℃以上４１０℃以下、好ましくは３７０℃
以上４００℃以下とすればよい。このような温度範囲で熱処理を行うことにより、窒化タ
ンタルから水素が放出することを抑制できる。加熱処理は、不活性ガス雰囲気で行っても
よい。また、酸化性ガスを含む雰囲気で行ってもよい。加熱処理は減圧状態で行ってもよ
い。または、加熱処理は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うた
めに酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１０％以上含む雰囲気で加熱処理を行
ってもよい。加熱処理は、ランプ加熱によるＲＴＡ装置を用いることもできる。ＲＴＡ装
置による加熱処理は、炉と比べて短時間で済むため、生産性を高めるために有効である。

ここまで行った熱処理によって、水、水素などの酸化物半導体に影響を与える不純物を酸
化物半導体の成膜前に低減させておくことができる。また、上述したように、絶縁体６１
に形成されたビアホールを導電体１２１ａなどによって塞ぐことにより、絶縁体６１より
下層に含まれる水素などの不純物が絶縁体６１より上層に拡散することを抑制することが
できる。さらに、酸化物半導体成膜後に行うプロセスの温度を導電体１２１ａなどから水
素が放出される温度以下にすることによって、不純物の拡散による影響を小さくすること
ができる。

絶縁体６６ａおよび半導体６６ｂを形成し、絶縁体６４の表面が露出されている段階で熱
処理を行うことにより、絶縁体６６ａおよび半導体６６ｂに水、水素が供給されるのを抑
制しながら、絶縁体６４、絶縁体６３および絶縁体６５中の水、または水素をさらに低減
させることができる。

また、上述の絶縁体６６ａおよび半導体６６ｂを形成する際に、水素および炭素などの不
純物を含むエッチングガスなどを用いる場合、絶縁体６６ａおよび半導体６６ｂなどに水
素および炭素などの不純物が取り込まれる場合がある。このように絶縁体６６ａおよび半
導体６６ｂの形成後にさらに熱処理を行うことにより、エッチングの際に取り込まれた水
素および炭素などの不純物を脱離させることができる。

次に、島状の導電体６８の上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加工し、
導電体６８ａおよび導電体６８ｂを形成する（図２１（Ｅ）（Ｆ）参照。）。

また、半導体６６ｂの導電体６８ａまたは導電体６８ｂと接する領域において、低抵抗領
域が形成されることがある。また、半導体６６ｂは、導電体６８ａと導電体６８ｂの間に
、導電体６８ａまたは導電体６８ｂと重なった領域より厚さの薄い領域を有することがあ
る。これは、導電体６８ａおよび導電体６８ｂを形成する際に、半導体６６ｂの上面の一
部を除去することにより形成される。

次に、絶縁体６４、絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、導電体６８ａおよび導電体６８ｂの上
に、絶縁体６６ｃとなる絶縁体６９ｃを成膜する。絶縁体６９ｃとしては上述の絶縁体６
６ｃなどとして用いることができる絶縁体または半導体などを用いればよい。絶縁体６６
ｃの成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用
いて行うことができる。絶縁体６６ｃとなる絶縁体の成膜の前に、半導体６６ｂなどの表
面をエッチングしても構わない。例えば、希ガスを含むプラズマを用いてエッチングする
ことができる。その後、大気に暴露することなく連続で絶縁体６６ｃとなる絶縁体を成膜
することにより、半導体６６ｂと絶縁体６６ｃとの界面への不純物の混入を低減すること
ができる。膜と膜との界面などに存在する不純物は、膜中の不純物よりも拡散しやすい場
合がある。そのため、該不純物の混入を低減することにより、トランジスタに安定した電
気特性を付与することができる。

次に、絶縁体６９ｃの上に、絶縁体７２となる絶縁体７２ａを成膜する。絶縁体７２ａと
しては上述の絶縁体７２として用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体７２ａ
の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用い
て行うことができる。例えば、絶縁体６９ｃとして、ＰＥＣＶＤ法を用いて酸化窒化シリ
コンなどを成膜すればよい。なお、絶縁体６９ｃの成膜と、絶縁体７２ａの成膜と、を大
気に暴露することなく連続で行うことで、膜中および界面への不純物の混入を低減するこ
とができる。

次に、絶縁体７２の上に導電体７４となる導電体を成膜する。導電体７４となる導電体と
しては、上述の導電体７４として用いることができる導電体を用いればよい。導電体７４
となる導電体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ
法などを用いて行うことができる。
例えば、導電体７４となる導電体としてＡＬＤ法を用いて窒化チタンを成膜し、さらにそ
の上にスパッタリング法を用いて、逆スパッタ処理を行った後に窒化タンタルを成膜すれ
ばよい。

次に、導電体７４となる導電体の上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加
工し、導電体７４を形成する（図２２（Ａ）（Ｂ）参照）。

次に、絶縁体７２ａの上に、絶縁体７９となる絶縁体を成膜する。絶縁体７９となる絶縁
体としては上述の絶縁体７９として用いることができる絶縁体を用いればよい。絶縁体７
９となる絶縁体の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬ
Ｄ法などを用いて行うことができる。例えば、絶縁体７９となる絶縁体として、ＡＬＤ法
を用いて酸化ガリウムまたは酸化アルミニウムなどを成膜すればよい。

次に、絶縁体７９となる絶縁体の上にレジストなどを形成し、該レジストなどを用いて加
工し、絶縁体７９を形成する（図２２（Ｃ）（Ｄ）参照）。

次に、絶縁体６４、絶縁体７９、導電体６８ａおよび導電体６８ｂなどの上に、絶縁体７
７を成膜する。絶縁体７７としては上述の絶縁体を用いればよい。上記のように、絶縁体
７７は水素、水、窒素酸化物などの不純物が少ないことが好ましい。絶縁体７７の成膜は
、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うこ
とができる。例えば、絶縁体７７として、ＰＥＣＶＤ法を用いて酸化窒化シリコンなどを
成膜すればよい。

次に、ＣＭＰ法などを用いて、絶縁体７７の上面の平坦性を向上させることが好ましい。

ここで、図２０に示したように、リソグラフィー法などを用いてスクライブライン１３８
と重なる領域近傍において、絶縁体６７、絶縁体６５、絶縁体６３、絶縁体６４および絶
縁体７７に開口を形成することが好ましい。

次に、絶縁体７７の上に絶縁体７８を成膜する。絶縁体７８としては上述の絶縁体を用い
ればよい（図２２（Ｅ）（Ｆ）参照）。絶縁体７８の成膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法またはＰＬＤ法、ＡＬＤ法などを用いて行うことができる。なお、図１７に
示すスクライブライン１３８近傍では、上記開口において、絶縁体６７、絶縁体６５、絶
縁体６３、絶縁体６４および絶縁体７７の側面を覆って絶縁体７８が成膜され、当該開口
において絶縁体７８と絶縁体６１とが接する。

絶縁体７８の成膜は、プラズマを用いて行うことが好ましく、スパッタリング法を用いて
行うことがより好ましく、酸素を含む雰囲気下でスパッタリング法を用いて行うことがさ
らに好ましい。

スパッタリング法としては、スパッタ用電源に直流電源を用いるＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃ
ｕｒｒｅｎｔ）スパッタリング法、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスＤＣスパッ
タ法、スパッタ用電源に高周波電源を用いるＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ス
パッタリング法を用いてもよい。また、チャンバー内部に磁石機構を備えたマグネトロン
スパッタリング法、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタリング法、反応性ガ
ス雰囲気で行う反応性スパッタリング法などを用いてもよい。また、上述のＰＥＳＰまた
はＶＤＳＰを用いてもよい。なお、スパッタリングの酸素ガス流量や成膜電力は、酸素の
添加量などに応じて適宜決定すればよい。

ここで、絶縁体７８として、酸化アルミニウムなどの酸素、水素、水等のブロッキング効
果を有する酸化物絶縁膜を設けることが好ましい。例えば、絶縁体７８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ればよい。さらにその上にＡＬＤ法を用いて酸
化アルミニウムを成膜することが好ましい。ＡＬＤ法を用いて成膜した酸化アルミニウム
を用いることにより、ピンホールの形成をふせぐことができるので、絶縁体６１の水素お
よび水に対するブロック性能をさらに向上させることができる。

スパッタリング法で絶縁体７８の成膜を行うことにより、成膜と同時に絶縁体７７の表面
（絶縁体７８成膜後は絶縁体７７と絶縁体７８の界面）近傍に酸素が添加される。ここで
、酸素は、例えば、酸素ラジカルとして絶縁体７７に添加されるが、酸素が添加されると
きの状態はこれに限定されない。酸素は、酸素原子、または酸素イオンなどの状態で絶縁
体７７に添加されてもよい。なお、酸素の添加に伴い、絶縁体７７中に酸素が化学量論的
組成を超えて含まれる場合があり、このときの酸素を過剰酸素と呼ぶこともできる。

なお、絶縁体７８を成膜する際に、基板加熱を行うことが好ましい。基板加熱は、２５０
℃以上６５０℃以下、好ましくは３５０℃以上４５０℃以下で行えばよい。さらに、トラ
ンジスタのバックゲートなる導電体６２ａなどに窒化タンタルを用いる場合、上記熱処理
温度を３５０℃以上４１０℃以下、好ましくは３７０℃以上４００℃以下とすればよい。
このような温度範囲で熱処理を行うことにより、窒化タンタルから水素が放出することを
抑制できる。

次に、加熱処理を行うことが好ましい。加熱処理を行うことにより、絶縁体６４または絶
縁体７７に添加した酸素を拡散させ、絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃａ、絶
縁体６６ｃｂに供給することができる。加熱処理は、２５０℃以上６５０℃以下、好まし
くは３５０℃以上４５０℃以下で行えばよい。加熱処理は、不活性ガス雰囲気、または酸
化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。加熱処理は
減圧状態で行ってもよい。加熱処理は、ランプ加熱によるＲＴＡ装置を用いることもでき
る。

また、当該加熱処理は、半導体６６ｂの成膜後の加熱処理よりも低い温度が好ましい。半
導体６６ｂ成膜後の加熱処理との温度差は、２０℃以上１５０℃以下、好ましくは４０℃
以上１００℃以下とする。これにより、絶縁体６４などから余分に過剰酸素（酸素）が放
出することを抑えることができる。なお、絶縁体７８成膜後の加熱処理は、同等の加熱処
理を各層の成膜時の加熱によって兼ねることができる場合（例えば絶縁体７８の成膜で同
等の加熱が行われる場合）、行わなくてもよい場合がある。

当該加熱処理により、絶縁体６４および絶縁体７７中に添加された酸素を絶縁体６４また
は絶縁体７２中に拡散させる。絶縁体７８は、絶縁体７７より酸素を透過させにくい絶縁
体であり、酸素をブロックするバリア膜として機能する。このような絶縁体７８が絶縁体
７７上に形成されているので、絶縁体７７中を拡散する酸素が絶縁体７７の上方に拡散せ
ず、絶縁体７７を主に横方向または下方向に拡散していく。なお、基板加熱を行いながら
絶縁体７８を加熱する場合、絶縁体６４および絶縁体７７中に添加と同時に酸素を拡散さ
せることができる。

絶縁体６４または絶縁体７７中を拡散する酸素は、絶縁体６６ａ、絶縁体６６ｃａ、絶縁
体６６ｃｂおよび半導体６６ｂに供給される。このとき、酸素をブロックする機能を有す
る絶縁体６３が絶縁体６４の下に設けられていることにより、絶縁体６４中に拡散した酸
素が絶縁体６４より下層に拡散することを防ぐことができる。さらに図２０に示すスクラ
イブライン１３８近傍において、絶縁体７８および絶縁体６１によって、絶縁体７７の側
面を覆っていることにより、酸素が絶縁体７８の外に拡散することを防ぎ、絶縁体７７を
酸素で満たし、絶縁体７７から絶縁体６６ａ、半導体６６ｂ、絶縁体６６ｃに酸素を供給
することができる。

さらに、上記熱処理の際に、下層から拡散する水素、水などの不純物を絶縁体６１および
絶縁体６１のビアホールに設けられた導電体１２１ａなどでブロックし、絶縁体７７の上
面および側面から拡散する水素、および水などの不純物を絶縁体７８によって、ブロック
することができる。これにより、絶縁体６１および絶縁体７８で包み込まれた、絶縁体７
７、絶縁体６６ａ、絶縁体６６ｃおよび半導体６６ｂなどにおいて、水素、水などの不純
物の量を低減することができる。また、水素などの不純物は、絶縁体７７などにおいて、
酸素と結合して水となり、酸素の拡散を妨げる場合がある。よって、絶縁体７７において
、水素、水などの不純物の量を低減することによって、酸素の供給を促進させることがで
きる。

このようにして、絶縁体６６ａ、絶縁体６６ｃおよび半導体６６ｂ、特に半導体６６ｂで
チャネルが形成される領域に、水、水素などの不純物の拡散を抑制して、酸素を効果的に
供給することができる。このように絶縁体６６ａ、絶縁体６６ｃａ、絶縁体６６ｃｂおよ
び半導体６６ｂに酸素を供給し、酸素欠損を低減させることにより、欠陥準位密度の低い
、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体とすることができる。

なお、絶縁体７８成膜後の加熱処理は、絶縁体７８成膜後ならばいつ行ってもよい。例え
ば、絶縁体１１９の成膜後に行ってもよい。

このようにして、トランジスタ６０ａを形成することができる。

このようにして、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、安定した電
気特性を有するトランジスタを有する半導体装置を提供することができる。また、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、非導通時のリーク電流の小さいトラ
ンジスタを有する半導体装置を提供することができる。また、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、ノーマリーオフの電気特性を有するトランジスタを有す
る半導体装置を提供することができる。また、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、信頼性の高いトランジスタを有する半導体装置を提供することができる
。

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

（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置に含まれる酸化物半導体の詳細について
、以下説明する。

＜酸化物半導体の構造＞
以下では、酸化物半導体の構造について説明する。

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

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

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

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

＜ＣＡＡＣ－ＯＳ＞
まずは、ＣＡＡＣ－ＯＳについて説明する。

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

ＣＡＡＣ－ＯＳをＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって解
析した場合について説明する。例えば、空間群Ｒ－３ｍに分類されるＩｎＧａＺｎＯ_４の
結晶を有するＣＡＡＣ－ＯＳに対し、ｏｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ法による構造解析を行う
と、図２４（Ａ）に示すように回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる。このピー
クは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ－ＯＳで
は、結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸がＣＡＡＣ－ＯＳの膜を形成する面（被形成面ともい
う。）、または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。なお、２θが３１°
近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近
傍のピークは、空間群Ｆｄ－３ｍに分類される結晶構造に起因する。そのため、ＣＡＡＣ
－ＯＳは、該ピークを示さないことが好ましい。

一方、ＣＡＡＣ－ＯＳに対し、被形成面に平行な方向からＸ線を入射させるｉｎ－ｐｌａ
ｎｅ法による構造解析を行うと、２θが５６°近傍にピークが現れる。このピークは、Ｉ
ｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（１１０）面に帰属される。そして、２θを５６°近傍に固定し
、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を
行っても、図２４（Ｂ）に示すように明瞭なピークは現れない。一方、単結晶ＩｎＧａＺ
ｎＯ_４に対し、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合、図２４（Ｃ）に示すよ
うに（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。したがって、Ｘ
ＲＤを用いた構造解析から、ＣＡＡＣ－ＯＳは、ａ軸およびｂ軸の配向が不規則であるこ
とが確認できる。

次に、電子回折によって解析したＣＡＡＣ－ＯＳについて説明する。例えば、ＩｎＧａＺ
ｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ－ＯＳに対し、ＣＡＡＣ－ＯＳの被形成面に平行にプロー
ブ径が３００ｎｍの電子線を入射させると、図２４（Ｄ）に示すような回折パターン（制
限視野電子回折パターンともいう。）が現れる場合がある。この回折パターンには、Ｉｎ
ＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に起因するスポットが含まれる。したがって、電子回
折によっても、ＣＡＡＣ－ＯＳに含まれるペレットがｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面
または上面に略垂直な方向を向いていることがわかる。一方、同じ試料に対し、試料面に
垂直にプローブ径が３００ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターンを図２４（Ｅ）
に示す。図２４（Ｅ）より、リング状の回折パターンが確認される。したがって、プロー
ブ径が３００ｎｍの電子線を用いた電子回折によっても、ＣＡＡＣ－ＯＳに含まれるペレ
ットのａ軸およびｂ軸は配向性を有さないことがわかる。なお、図２４（Ｅ）における第
１リングは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（０１０）面および（１００）面などに起因する
と考えられる。また、図２４（Ｅ）における第２リングは（１１０）面などに起因すると
考えられる。

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

図２５（Ａ）に、試料面と略平行な方向から観察したＣＡＡＣ－ＯＳの断面の高分解能Ｔ
ＥＭ像を示す。高分解能ＴＥＭ像の観察には、球面収差補正（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｂ
ｅｒｒａｔｉｏｎ Ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ）機能を用いた。球面収差補正機能を用いた高分
解能ＴＥＭ像を、特にＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像と呼ぶ。Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像は、
例えば、日本電子株式会社製原子分解能分析電子顕微鏡ＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆなどによ
って観察することができる。

図２５（Ａ）より、金属原子が層状に配列している領域であるペレットを確認することが
できる。ペレット一つの大きさは１ｎｍ以上のものや、３ｎｍ以上のものがあることがわ
かる。したがって、ペレットを、ナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）と呼ぶこと
もできる。また、ＣＡＡＣ－ＯＳを、ＣＡＮＣ（Ｃ－Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ ｎａｎ
ｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を有する酸化物半導体と呼ぶこともできる。ペレットは、ＣＡＡＣ
－ＯＳの被形成面または上面の凹凸を反映しており、ＣＡＡＣ－ＯＳの被形成面または上
面と平行となる。

また、図２５（Ｂ）および図２５（Ｃ）に、試料面と略垂直な方向から観察したＣＡＡＣ
－ＯＳの平面のＣｓ補正高分解能ＴＥＭ像を示す。図２５（Ｄ）および図２５（Ｅ）は、
それぞれ図２５（Ｂ）および図２５（Ｃ）を画像処理した像である。以下では、画像処理
の方法について説明する。まず、図２５（Ｂ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ
Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することでＦＦＴ像を取得する。次に、取得
したＦＦＴ像において原点を基準に、２．８ｎｍ^－１から５．０ｎｍ^－１の間の範囲を残
すマスク処理する。次に、マスク処理したＦＦＴ像を、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：
Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することで画像
処理した像を取得する。こうして取得した像をＦＦＴフィルタリング像と呼ぶ。ＦＦＴフ
ィルタリング像は、Ｃｓ補正高分解能ＴＥＭ像から周期成分を抜き出した像であり、格子
配列を示している。

図２５（Ｄ）では、格子配列の乱れた箇所を破線で示している。破線で囲まれた領域が、
一つのペレットである。そして、破線で示した箇所がペレットとペレットとの連結部であ
る。破線は、六角形状であるため、ペレットが六角形状であることがわかる。なお、ペレ
ットの形状は、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合が多い。

図２５（Ｅ）では、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子
配列の向きが変化している箇所を点線で示し、格子配列の向きの変化を破線で示している
。点線近傍においても、明確な結晶粒界を確認することはできない。点線近傍の格子点を
中心に周囲の格子点を繋ぐと、歪んだ六角形や、五角形または／および七角形などが形成
できる。即ち、格子配列を歪ませることによって結晶粒界の形成を抑制していることがわ
かる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において原子配列が稠密でないことや、
金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容す
ることができるためと考えられる。

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

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

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

＜ｎｃ－ＯＳ＞
次に、ｎｃ－ＯＳについて説明する。

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

また、例えば、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するｎｃ－ＯＳを薄片化し、厚さが３４ｎｍ
の領域に対し、被形成面に平行にプローブ径が５０ｎｍの電子線を入射させると、図２６
（Ａ）に示すようなリング状の回折パターン（ナノビーム電子回折パターン）が観測され
る。また、同じ試料にプローブ径が１ｎｍの電子線を入射させたときの回折パターン（ナ
ノビーム電子回折パターン）を図２６（Ｂ）に示す。図２６（Ｂ）より、リング状の領域
内に複数のスポットが観測される。したがって、ｎｃ－ＯＳは、プローブ径が５０ｎｍの
電子線を入射させることでは秩序性が確認されないが、プローブ径が１ｎｍの電子線を入
射させることでは秩序性が確認される。

また、厚さが１０ｎｍ未満の領域に対し、プローブ径が１ｎｍの電子線を入射させると、
図２６（Ｃ）に示すように、スポットが略正六角状に配置された電子回折パターンを観測
される場合がある。したがって、厚さが１０ｎｍ未満の範囲において、ｎｃ－ＯＳが秩序
性の高い領域、即ち結晶を有することがわかる。なお、結晶が様々な方向を向いているた
め、規則的な電子回折パターンが観測されない領域もある。

図２６（Ｄ）に、被形成面と略平行な方向から観察したｎｃ－ＯＳの断面のＣｓ補正高分
解能ＴＥＭ像を示す。ｎｃ－ＯＳは、高分解能ＴＥＭ像において、補助線で示す箇所など
のように結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない
領域と、を有する。ｎｃ－ＯＳに含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさで
あり、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の大きさであることが多い。なお、結晶部の大きさが１
０ｎｍより大きく１００ｎｍ以下である酸化物半導体を微結晶酸化物半導体（ｍｉｃｒｏ
ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼ぶことがあ
る。ｎｃ－ＯＳは、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合
がある。なお、ナノ結晶は、ＣＡＡＣ－ＯＳにおけるペレットと起源を同じくする可能性
がある。そのため、以下ではｎｃ－ＯＳの結晶部をペレットと呼ぶ場合がある。

このように、ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に
１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ－ＯＳは
、異なるペレット間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見ら
れない。したがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質
酸化物半導体と区別が付かない場合がある。

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

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

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

図２７に、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像を示す。ここで、図２７（Ａ）は
電子照射開始時におけるａ－ｌｉｋｅ ＯＳの高分解能断面ＴＥＭ像である。図２７（Ｂ
）は４．３×１０^８ｅ^－／ｎｍ^２の電子（ｅ^－）照射後におけるａ－ｌｉｋｅ ＯＳの高
分解能断面ＴＥＭ像である。図２７（Ａ）および図２７（Ｂ）より、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ
は電子照射開始時から、縦方向に延伸する縞状の明領域が観察されることがわかる。また
、明領域は、電子照射後に形状が変化することがわかる。なお、明領域は、鬆または低密
度領域と推測される。

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

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

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

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の単位格子は、Ｉｎ－Ｏ層を３層有し、またＧａ－Ｚｎ－
Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有することが知られている
。これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同
程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。したがって、以
下では、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所を、ＩｎＧａＺｎ
Ｏ_４の結晶部と見なした。なお、格子縞は、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶のａ－ｂ面に対応す
る。

図２８は、各試料の結晶部（２２箇所から３０箇所）の平均の大きさを調査した例である
。なお、上述した格子縞の長さを結晶部の大きさとしている。図２８より、ａ－ｌｉｋｅ
ＯＳは、ＴＥＭ像の取得などに係る電子の累積照射量に応じて結晶部が大きくなってい
くことがわかる。図２８より、ＴＥＭによる観察初期においては１．２ｎｍ程度の大きさ
だった結晶部（初期核ともいう。）が、電子（ｅ^－）の累積照射量が４．２×１０^８ｅ^－
／ｎｍ^２においては１．９ｎｍ程度の大きさまで成長していることがわかる。一方、ｎｃ
－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳは、電子照射開始時から電子の累積照射量が４．２×１０^８
ｅ^－／ｎｍ^２までの範囲で、結晶部の大きさに変化が見られないことがわかる。図２８よ
り、電子の累積照射量によらず、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳの結晶部の大きさは、
それぞれ１．３ｎｍ程度および１．８ｎｍ程度であることがわかる。なお、電子線照射お
よびＴＥＭの観察は、日立透過電子顕微鏡Ｈ－９０００ＮＡＲを用いた。電子線照射条件
は、加速電圧を３００ｋＶ、電流密度を６．７×１０^５ｅ^－／（ｎｍ^２・ｓ）、照射領域
の直径を２３０ｎｍとした。

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

また、鬆を有するため、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べ
て密度の低い構造である。具体的には、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶
の密度の７８．６％以上９２．３％未満である。また、ｎｃ－ＯＳの密度およびＣＡＡＣ
－ＯＳの密度は、同じ組成の単結晶の密度の９２．３％以上１００％未満である。単結晶
の密度の７８％未満である酸化物半導体は、成膜すること自体が困難である。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、菱
面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ_４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ^３である。よっ
て、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において
、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳの密度は５．０ｇ／ｃｍ^３以上５．９ｇ／ｃｍ^３未満である。また
、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体において、
ｎｃ－ＯＳの密度およびＣＡＡＣ－ＯＳの密度は５．９ｇ／ｃｍ^３以上６．３ｇ／ｃｍ^３
未満である。

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

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

＜酸化物半導体のキャリア密度＞
次に、酸化物半導体のキャリア密度について、以下に説明を行う。

酸化物半導体のキャリア密度に影響を与える因子としては、酸化物半導体中の酸素欠損（
Ｖｏ）、または酸化物半導体中の不純物などが挙げられる。

酸化物半導体中の酸素欠損が多くなると、該酸素欠損に水素が結合（この状態をＶｏＨと
もいう）した際に、欠陥準位密度が高くなる。または、酸化物半導体中の不純物が多くな
ると、該不純物に起因し欠陥準位密度が高くなる。したがって、酸化物半導体中の欠陥準
位密度を制御することで、酸化物半導体のキャリア密度を制御することができる。

ここで、酸化物半導体をチャネル領域に用いるトランジスタを考える。

トランジスタのしきい値電圧のマイナスシフトの抑制、またはトランジスタのオフ電流の
低減を目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を低くする方が好ましい
。酸化物半導体のキャリア密度を低くする場合においては、酸化物半導体中の不純物濃度
を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠
陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。高純度真性の酸化
物半導体のキャリア密度としては、８×１０^１５ｃｍ^－３未満、好ましくは１×１０^１１
ｃｍ^－３未満、さらに好ましくは１×１０^１０ｃｍ^－３未満であり、１×１０^－９ｃｍ^－
３以上とすればよい。

一方で、トランジスタのオン電流の向上、またはトランジスタの電界効果移動度の向上を
目的とする場合においては、酸化物半導体のキャリア密度を高くする方が好ましい。酸化
物半導体のキャリア密度を高くする場合においては、酸化物半導体の不純物濃度をわずか
に高める、または酸化物半導体の欠陥準位密度をわずかに高めればよい。あるいは、酸化
物半導体のバンドギャップをより小さくするとよい。例えば、トランジスタのＩｄ－Ｖｇ
特性のオン／オフ比が取れる範囲において、不純物濃度がわずかに高い、または欠陥準位
密度がわずかに高い酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。また、電子親和力が大き
く、それにともなってバンドギャップが小さくなり、その結果、熱励起された電子（キャ
リア）の密度が増加した酸化物半導体は、実質的に真性とみなせる。なお、より電子親和
力が大きな酸化物半導体を用いた場合には、トランジスタのしきい値電圧がより低くなる
。

上述のキャリア密度が高められた酸化物半導体は、わずかにｎ型化している。したがって
、キャリア密度が高められた酸化物半導体を、「Ｓｌｉｇｈｔｌｙ－ｎ」と呼称してもよ
い。

実質的に真性の酸化物半導体のキャリア密度は、１×１０^５ｃｍ^－３以上１×１０^１８ｃ
ｍ^－３未満が好ましく、１×１０^７ｃｍ^－３以上１×１０^１７ｃｍ^－３以下がより好まし
く、１×１０^９ｃｍ^－３以上５×１０^１６ｃｍ^－３以下がさらに好ましく、１×１０^１０
ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３以下がさらに好ましく、１×１０^１１ｃｍ^－３以上１
×１０^１５ｃｍ^－３以下がさらに好ましい。

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

（実施の形態３）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置
の回路の一例について説明する。

＜回路＞
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した半導体装置の回路の一例に
ついて説明する。

＜ＣＭＯＳインバータ＞
図２９（Ａ）に示す回路図は、ｐチャネル型のトランジスタ２２００とｎチャネル型のト
ランジスタ２１００を直列に接続し、かつそれぞれのゲートを接続した、いわゆるＣＭＯ
Ｓインバータの構成を示している。ここで、図２９（Ａ）に示す回路は、トランジスタ２
２００を図１２に示すトランジスタ６０ａまたは図１３に示すトランジスタ６０ｂを用い
て形成することができ、トランジスタ２１００を図１８に示すトランジスタ９０ａまたは
トランジスタ９０ｂを用いて形成することができる。

図２９（Ａ）に示した半導体装置は、半導体基板を用いてｐチャネル型トランジスタを作
製し、その上方にｎチャネル型トランジスタを作製することにより、素子の占有面積を縮
小することができる。即ち、半導体装置の集積度を高くすることができる。また、ｎチャ
ネル型トランジスタと、ｐチャネル型トランジスタとを同一の半導体基板を用いて作製し
た場合と比べて、工程を簡略化することができるため、半導体装置の生産性を高くするこ
とができる。また、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、ｐチャネル型
トランジスタは、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域、シャロート
レンチ構造、歪み設計などの複雑な工程を省略できる場合がある。そのため、ｎチャネル
型トランジスタを、半導体基板を用いて作製する場合と比べて、生産性および歩留まりを
高くすることができる場合がある。

＜ＣＭＯＳアナログスイッチ＞
また図２９（Ｂ）に示す回路図は、トランジスタ２１００とトランジスタ２２００のそれ
ぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、い
わゆるＣＭＯＳアナログスイッチとして機能させることができる。ここで、図２９（Ｂ）
に示す回路は、トランジスタ２２００を図１２に示すトランジスタ６０ａまたは図１３に
示すトランジスタ６０ｂを用いて形成することができ、トランジスタ２１００を図１５に
示すトランジスタ９０ａまたはトランジスタ９０ｂを用いて形成することができる。

＜記憶装置１＞
本発明の一態様に係るトランジスタを用いた、電力が供給されない状況でも記憶内容の保
持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置（記憶装置）の一例を図３０
に示す。

図３０（Ａ）に示す半導体装置は、第１の半導体を用いたトランジスタ３２００と第２の
半導体を用いたトランジスタ３３００、および容量素子３４００を有している。なお、ト
ランジスタ３３００としては、上述のトランジスタ２１００と同様のトランジスタを用い
ることができる。ここで、トランジスタ３２００を上記素子層５０で構成し、トランジス
タ３３００を上記素子層３０で構成し、容量素子３４００を上記素子層４０で構成するこ
とで、図３０（Ａ）に示す回路は、図１９に示す半導体装置などで形成することができる
。

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

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

図３０（Ａ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００のゲートの電位が保持可能とい
う特性を有することで、以下に示すように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能であ
る。

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

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

次に情報の読み出しについて説明する。第１の配線３００１に所定の電位（定電位）を与
えた状態で、第５の配線３００５に適切な電位（読み出し電位）を与えると、第２の配線
３００２は、ノードＦＧに保持された電荷量に応じた電位をとる。これは、トランジスタ
３２００をｎチャネル型とすると、トランジスタ３２００のゲートにＨｉｇｈレベル電荷
が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖ_ｔｈ＿Ｈは、トランジスタ３２００の
ゲートにＬｏｗレベル電荷が与えられている場合の見かけ上のしきい値電圧Ｖ_ｔｈ＿Ｌよ
り低くなるためである。ここで、見かけ上のしきい値電圧とは、トランジスタ３２００を
「導通状態」とするために必要な第５の配線３００５の電位をいうものとする。したがっ
て、第５の配線３００５の電位をＶ_ｔｈ＿ＨとＶ_ｔｈ＿Ｌの間の電位Ｖ_０とすることによ
り、ノードＦＧに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、ノードＦＧ
にＨｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ_０（＞
Ｖ_ｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３２００は「導通状態」となる。一方、ノードＦＧ
にＬｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線３００５の電位がＶ_０（＜Ｖ
_ｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３２００は「非導通状態」のままである。このため
、第２の配線３００２の電位を判別することで、ノードＦＧに保持されている情報を読み
出すことができる。

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

なお、上記においては、２種類の電荷をノードＦＧに保持する例について示したが、本発
明に係る半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、半導体装置のノードＦＧに
３種類以上の電荷をノードに保持できる構成としてもよい。このような構成とすることに
より、当該半導体装置を多値化して記憶容量の増大を図ることができる。

＜記憶装置２＞
図３０（Ｂ）に示す半導体装置は、トランジスタ３２００を有さない点で図３０（Ａ）に
示した半導体装置と異なる。この場合も図３０（Ａ）に示した半導体装置と同様の動作に
より情報の書き込みおよび保持動作が可能である。ここで、図３０（Ｂ）に示す回路は、
トランジスタ３３００を図１２に示すトランジスタ６０ａまたは図１３に示すトランジス
タ６０ｂを用いて形成することができ、容量素子３４００を図１７に示す容量素子８０ａ
などを用いて形成することができる。さらに、図３０（Ｂ）に示す半導体装置の下層にセ
ンスアンプなどを設ける構成としてもよく、その場合、図１８に示すトランジスタ９０ａ
またはトランジスタ９０ｂを用いて形成することができる。

図３０（Ｂ）に示す半導体装置における、情報の読み出しについて説明する。トランジス
タ３３００が導通状態になると、浮遊状態である第３の配線３００３と容量素子３４００
とが導通し、第３の配線３００３と容量素子３４００の間で電荷が再分配される。その結
果、第３の配線３００３の電位が変化する。第３の配線３００３の電位の変化量は、容量
素子３４００の電極の一方の電位（または容量素子３４００に蓄積された電荷）によって
、異なる値をとる。

例えば、容量素子３４００の電極の一方の電位をＶ、容量素子３４００の容量をＣ、第３
の配線３００３が有する容量成分をＣＢ、電荷が再分配される前の第３の配線３００３の
電位をＶＢ０とすると、電荷が再分配された後の第３の配線３００３の電位は、（ＣＢ×
ＶＢ０＋ＣＶ）／（ＣＢ＋Ｃ）となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子
３４００の電極の一方の電位がＶ１とＶ０（Ｖ１＞Ｖ０）の２つの状態をとるとすると、
電位Ｖ１を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（ＣＢ×ＶＢ０＋ＣＶ１）
／（ＣＢ＋Ｃ））は、電位Ｖ０を保持している場合の第３の配線３００３の電位（＝（Ｃ
Ｂ×ＶＢ０＋ＣＶ０）／（ＣＢ＋Ｃ））よりも高くなることがわかる。

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

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

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

また、該半導体装置は、情報の書き込みに高い電圧が不要であるため、素子の劣化が起こ
りにくい。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注
入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行わないため、絶縁体の劣化といっ
た問題が生じない。即ち、本発明の一態様に係る半導体装置は、従来の不揮発性メモリで
問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上した半導体装置
である。さらに、トランジスタの導通状態、非導通状態によって、情報の書き込みが行わ
れるため、高速な動作が可能となる。

＜記憶装置３＞
図３０（Ａ）に示す半導体装置（記憶装置）の変形例について、図３１に示す回路図を用
いて説明する。

図３１に示す半導体装置は、トランジスタ４１００乃至トランジスタ４４００と、容量素
子４５００および容量素子４６００と、を有する。ここでトランジスタ４１００は、上述
のトランジスタ３２００と同様のトランジスタを用いることができ、トランジスタ４２０
０乃至４４００は、上述のトランジスタ３３００と同様のトランジスタを用いることがで
きる。なお、図３１に示す半導体装置は、図３１では図示を省略したが、マトリクス状に
複数設けられる。図３１に示す半導体装置は、配線４００１、配線４００３、配線４００
５乃至４００９に与える信号または電位に従って、データ電圧の書き込み、読み出しを制
御することができる。ここで、図３１に示す回路は、トランジスタ４１００を図１８に示
すトランジスタ９０ａまたはトランジスタ９０ｂを用いて形成することができ、トランジ
スタ４２００、トランジスタ４３００およびトランジスタ４４００を図１２に示すトラン
ジスタ６０ａまたは図１３に示すトランジスタ６０ｂを用いて形成することができ、容量
素子４５００および容量素子４６００を図１７に示す容量素子８０ａを用いて形成するこ
とができる。

トランジスタ４１００のソースまたはドレインの一方は、配線４００３に接続される。ト
ランジスタ４１００のソースまたはドレインの他方は、配線４００１に接続される。なお
図３３では、トランジスタ４１００の導電型をｐチャネル型として示すが、ｎチャネル型
でもよい。

図３１に示す半導体装置は、２つのデータ保持部を有する。例えば第１のデータ保持部は
、ノードＦＧ１に接続されるトランジスタ４４００のソースまたはドレインの一方、容量
素子４６００の一方の電極、およびトランジスタ４２００のソースまたはドレインの一方
の間で電荷を保持する。また、第２のデータ保持部は、ノードＦＧ２に接続されるトラン
ジスタ４１００のゲート、トランジスタ４２００のソースまたはドレインの他方、トラン
ジスタ４３００のソースまたはドレインの一方、および容量素子４５００の一方の電極の
間で電荷を保持する。

トランジスタ４３００のソースまたはドレインの他方は、配線４００３に接続される。ト
ランジスタ４４００のソースまたはドレインの他方は、配線４００１に接続される。トラ
ンジスタ４４００のゲートは、配線４００５に接続される。トランジスタ４２００のゲー
トは、配線４００６に接続される。トランジスタ４３００のゲートは、配線４００７に接
続される。容量素子４６００の他方の電極は、配線４００８に接続される。容量素子４５
００の他方の電極は、配線４００９に接続される。

トランジスタ４２００乃至４４００は、データ電圧の書き込みと電荷の保持を制御するス
イッチとしての機能を有する。なおトランジスタ４２００乃至４４００は、非導通状態に
おいてソースとドレインとの間を流れる電流（オフ電流）が低いトランジスタが用いられ
ることが好適である。オフ電流が少ないトランジスタとしては、チャネル形成領域に酸化
物半導体を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）であることが好ましい。ＯＳトラン
ジスタは、オフ電流が低い、シリコンを有するトランジスタと重ねて作製できる等の利点
がある。なお図３３では、トランジスタ４２００乃至１４の導電型をｎチャネル型として
示すが、ｐチャネル型でもよい。

トランジスタ４２００およびトランジスタ４３００と、トランジスタ４４００とは、酸化
物半導体を用いたトランジスタであっても別層に設けることが好ましい。すなわち、図３
１に示す半導体装置は、図３１に示すように、トランジスタ４１００を有する第１の層４
０２１と、トランジスタ４２００およびトランジスタ４３００を有する第２の層４０２２
と、トランジスタ４４００を有する第３の層４０２３と、で構成されることが好ましい。
トランジスタを有する層を積層して設けることで、回路面積を縮小することができ、半導
体装置の小型化を図ることができる。

次いで、図３１に示す半導体装置への情報の書き込み動作について説明する。

最初に、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作（以下、
書き込み動作１とよぶ。）について説明する。なお、以下において、ノードＦＧ１に接続
されるデータ保持部に書きこむデータ電圧をＶ_Ｄ１とし、トランジスタ４１００の閾値電
圧をＶｔｈとする。

書き込み動作１では、配線４００３をＶ_Ｄ１とし、配線４００１を接地電位とした後に、
電気的に浮遊状態とする。また配線４００５、４００６をハイレベルにする。また配線４
００７乃至４００９をローレベルにする。すると、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２
の電位が上昇し、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、配線４０
０１の電位が上昇する。またトランジスタ４４００、トランジスタ４２００が導通状態と
なる。そのため、配線４００１の電位の上昇につれて、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位が上
昇する。ノードＦＧ２の電位が上昇し、トランジスタ４１００でゲートとソースとの間の
電圧（Ｖｇｓ）がトランジスタ４１００の閾値電圧Ｖｔｈになると、トランジスタ４１０
０を流れる電流が小さくなる。そのため、配線４００１、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位の
上昇は止まり、Ｖ_Ｄ１からＶｔｈだけ下がった「Ｖ_Ｄ１－Ｖｔｈ」で一定となる。

つまり、配線４００３に与えたＶ_Ｄ１は、トランジスタ４１００に電流が流れることで、
配線４００１に与えられ、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位が上昇する。電位の上昇によって
、ノードＦＧ２の電位が「Ｖ_Ｄ１－Ｖｔｈ」となると、トランジスタ４１００のＶｇｓが
Ｖｔｈとなるため、電流が止まる。

次に、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の書き込み動作（以下、書
き込み動作２とよぶ。）について説明する。なお、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持
部に書きこむデータ電圧をＶ_Ｄ２として説明する。

書き込み動作２では、配線４００１をＶ_Ｄ２とし、配線４００３を接地電位とした後に、
電気的に浮遊状態とする。また配線４００７をハイレベルにする。また配線４００５、４
００６、４００８、４００９をローレベルにする。トランジスタ４３００を導通状態とし
て配線４００３をローレベルにする。そのため、ノードＦＧ２の電位もローレベルにまで
低下し、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流れることで、配線４００３の電
位が上昇する。またトランジスタ４３００が導通状態となる。そのため、配線４００３の
電位の上昇につれて、ノードＦＧ２の電位が上昇する。ノードＦＧ２の電位が上昇し、ト
ランジスタ４１００でＶｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４
１００を流れる電流が小さくなる。そのため、配線４００３、ＦＧ２の電位の上昇は止ま
り、Ｖ_Ｄ２からＶｔｈだけ下がった「Ｖ_Ｄ２－Ｖｔｈ」で一定となる。

つまり、配線４００１に与えたＶ_Ｄ２は、トランジスタ４１００に電流が流れることで、
配線４００３に与えられ、ノードＦＧ２の電位が上昇する。電位の上昇によって、ノード
ＦＧ２の電位が「Ｖ_Ｄ２－Ｖｔｈ」となると、トランジスタ４１００のＶｇｓがＶｔｈと
なるため、電流が止まる。このとき、ノードＦＧ１の電位は、トランジスタ４２００、４
４００共に非導通状態であり、書き込み動作１で書きこんだ「Ｖ_Ｄ１－Ｖｔｈ」が保持さ
れる。

図３３に示す半導体装置では、複数のデータ保持部にデータ電圧を書きこんだのち、配線
４００９をハイレベルにして、ノードＦＧ１、ＦＧ２の電位を上昇させる。そして、各ト
ランジスタを非導通状態として、電荷の移動をなくし、書きこんだデータ電圧を保持する
。

以上説明したノードＦＧ１、ＦＧ２へのデータ電圧の書き込み動作によって、複数のデー
タ保持部にデータ電圧を保持させることができる。なお書きこまれる電位として、「Ｖ_Ｄ
１－Ｖｔｈ」や「Ｖ_Ｄ２－Ｖｔｈ」を一例として挙げて説明したが、これらは多値のデー
タに対応するデータ電圧である。そのため、それぞれのデータ保持部で４ビットのデータ
を保持する場合、１６値の「Ｖ_Ｄ１－Ｖｔｈ」や「Ｖ_Ｄ２－Ｖｔｈ」を取り得る。

次いで、図３１に示す半導体装置からの情報の読み出し動作について説明する。

最初に、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作（以下、
読み出し動作１とよぶ。）について説明する。

読み出し動作１では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線４００３
を放電させる。配線４００５乃至４００８をローレベルにする。また、配線４００９をロ
ーレベルとして、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２の電位を「Ｖ_Ｄ２－Ｖｔｈ」とす
る。ノードＦＧ２の電位が下がることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が
流れることで、電気的に浮遊状態の配線４００３の電位が低下する。配線４００３の電位
の低下につれて、トランジスタ４１００のＶｇｓが小さくなる。トランジスタ４１００の
Ｖｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が
小さくなる。すなわち、配線４００３の電位が、ノードＦＧ２の電位「Ｖ_Ｄ２－Ｖｔｈ」
からＶｔｈだけ大きい値である「Ｖ_Ｄ２」となる。この配線４００３の電位は、ノードＦ
Ｇ２に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデー
タ電圧はＡ／Ｄ変換を行い、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータを取得する
。

つまり、プリチャージ後の配線４００３を浮遊状態とし、配線４００９の電位をハイレベ
ルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流
れることで、浮遊状態にあった配線４００３の電位は低下して「Ｖ_Ｄ２」となる。トラン
ジスタ４１００では、ノードＦＧ２の「Ｖ_Ｄ２－Ｖｔｈ」との間のＶｇｓがＶｔｈとなる
ため、電流が止まる。そして、配線４００３には、書き込み動作２で書きこんだ「Ｖ_Ｄ２
」が読み出される。

ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部のデータを取得したら、トランジスタ４３００を
導通状態として、ノードＦＧ２の「Ｖ_Ｄ２－Ｖｔｈ」を放電させる。

次に、ノードＦＧ１に保持される電荷をノードＦＧ２に分配し、ノードＦＧ１に接続され
るデータ保持部のデータ電圧を、ノードＦＧ２に接続されるデータ保持部に移す。ここで
、配線４００１、４００３をローレベルとする。配線４００６をハイレベルにする。また
、配線４００５、配線４００７乃至４００９をローレベルにする。トランジスタ４２００
が導通状態となることで、ノードＦＧ１の電荷が、ノードＦＧ２との間で分配される。

ここで、電荷の分配後の電位は、書きこんだ電位「Ｖ_Ｄ１－Ｖｔｈ」から低下する。その
ため、容量素子４６００の容量値は、容量素子４５００の容量値よりも大きくしておくこ
とが好ましい。あるいは、ノードＦＧ１に書きこむ電位「Ｖ_Ｄ１－Ｖｔｈ」は、同じデー
タを表す電位「Ｖ_Ｄ２－Ｖｔｈ」よりも大きくすることが好ましい。このように、容量値
の比を変えること、予め書きこむ電位を大きくしておくことで、電荷の分配後の電位の低
下を抑制することができる。電荷の分配による電位の変動については、後述する。

次に、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作（以下、読
み出し動作２とよぶ。）について説明する。

読み出し動作２では、プリチャージを行ってから電気的に浮遊状態とした、配線４００３
を放電させる。配線４００５乃至４００８をローレベルにする。また、配線４００９は、
プリチャージ時にハイレベルとして、その後ローレベルとする。配線４００９をローレベ
ルとすることで、電気的に浮遊状態にあるノードＦＧ２を電位「Ｖ_Ｄ１－Ｖｔｈ」とする
。ノードＦＧ２の電位が下がることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流
れることで、電気的に浮遊状態の配線４００３の電位が低下する。配線４００３の電位の
低下につれて、トランジスタ４１００のＶｇｓが小さくなる。トランジスタ４１００のＶ
ｇｓがトランジスタ４１００のＶｔｈになると、トランジスタ４１００を流れる電流が小
さくなる。すなわち、配線４００３の電位が、ノードＦＧ２の電位「Ｖ_Ｄ１－Ｖｔｈ」か
らＶｔｈだけ大きい値である「Ｖ_Ｄ１」となる。この配線４００３の電位は、ノードＦＧ
１に接続されるデータ保持部のデータ電圧に対応する。読み出されたアナログ値のデータ
電圧はＡ／Ｄ変換を行い、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部のデータを取得する。
以上が、ノードＦＧ１に接続されるデータ保持部へのデータ電圧の読み出し動作である。

つまり、プリチャージ後の配線４００３を浮遊状態とし、配線４００９の電位をハイレベ
ルからローレベルに切り替えることで、トランジスタ４１００に電流が流れる。電流が流
れることで、浮遊状態にあった配線４００３の電位は低下して「Ｖ_Ｄ１」となる。トラン
ジスタ４１００では、ノードＦＧ２の「Ｖ_Ｄ１－Ｖｔｈ」との間のＶｇｓがＶｔｈとなる
ため、電流が止まる。そして、配線４００３には、書き込み動作１で書きこんだ「Ｖ_Ｄ１
」が読み出される。

以上説明したノードＦＧ１、ＦＧ２からのデータ電圧の読み出し動作によって、複数のデ
ータ保持部からデータ電圧を読み出すことができる。例えば、ノードＦＧ１およびノード
ＦＧ２にそれぞれ４ビット（１６値）のデータを保持することで計８ビット（２５６値）
のデータを保持することができる。また、図３１においては、第１の層４０２１乃至第３
の層４０２３からなる構成としたが、さらに層を形成することによって、半導体装置の面
積を増大させず記憶容量の増加を図ることができる。

なお読み出される電位は、書きこんだデータ電圧よりＶｔｈだけ大きい電圧として読み出
すことができる。そのため、書き込み動作で書きこんだ「Ｖ_Ｄ１－Ｖｔｈ」や「Ｖ_Ｄ２－
Ｖｔｈ」のＶｔｈを相殺して読み出す構成とすることができる。その結果、メモリセルあ
たりの記憶容量を向上させるとともに、読み出されるデータを正しいデータに近づけるこ
とができるため、データの信頼性に優れたものとすることができる。

＜記憶装置４＞
図３０（Ｃ）に示す半導体装置は、トランジスタ３５００、第６の配線３００６を有する
点で図３０（Ａ）に示した半導体装置と異なる。この場合も図３０（Ａ）に示した半導体
装置と同様の動作により情報の書き込みおよび保持動作が可能である。また、トランジス
タ３５００としては上記のトランジスタ３２００と同様のトランジスタを用いればよい。
ここで、トランジスタ３２００およびトランジスタ３５００を上記素子層５０で構成し、
トランジスタ３３００を上記素子層３０で構成し、容量素子３４００を上記素子層４０で
構成することで、図３０（Ａ）に示す回路は、図１９に示す半導体装置で形成することが
できる。ここで、図３０（Ｃ）に示す回路は、トランジスタ３２００およびトランジスタ
３５００を図１８に示すトランジスタ９０ａまたはトランジスタ９０ｂを用いて形成する
ことができ、トランジスタ３３００を図１２に示すトランジスタ６０ａまたは図１３に示
すトランジスタ６０ｂを用いて形成することができ、容量素子３４００を図１７に示す容
量素子８０ａを用いて形成することができる。

第６の配線３００６は、トランジスタ３５００のゲートと電気的に接続され、トランジス
タ３５００のソース、ドレインの一方はトランジスタ３２００のドレインと電気的に接続
され、トランジスタ３５００のソース、ドレインの他方は第３の配線３００３と電気的に
接続される。

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

（実施の形態４）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明したＯＳトランジスタを適用可能な回路構成
の一例について、図３２乃至図３５を用いて説明する。

図３２（Ａ）にインバータの回路図を示す。インバータ８００は、入力端子ＩＮに与える
信号の論理を反転した信号を出力端子ＯＵＴから出力する。インバータ８００は、複数の
ＯＳトランジスタを有する。信号Ｓ_ＢＧは、ＯＳトランジスタの電気特性を切り替えるこ
とができる信号である。

図３２（Ｂ）に、インバータ８００の一例を示す。インバータ８００は、ＯＳトランジス
タ８１０、およびＯＳトランジスタ８２０を有する。インバータ８００は、ｎチャネル型
トランジスタで作製することができるため、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍ
ｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）でインバータ（ＣＭＯＳインバー
タ）を作製する場合と比較して、低コストで作製することが可能である。

なおＯＳトランジスタを有するインバータ８００は、Ｓｉトランジスタで構成されるＣＭ
ＯＳ上に配置することもできる。インバータ８００は、ＣＭＯＳの回路に重ねて配置でき
るため、インバータ８００を追加する分の回路面積の増加を抑えることができる。

ＯＳトランジスタ８１０、８２０は、フロントゲートとして機能する第１ゲートと、バッ
クゲートとして機能する第２ゲートと、ソースまたはドレインの一方として機能する第１
端子と、ソースまたはドレインの他方として機能する第２端子を有する。

ＯＳトランジスタ８１０の第１ゲートは、第２端子に接続される。ＯＳトランジスタ８１
０の第２ゲートは、信号Ｓ_ＢＧを供給する配線に接続される。ＯＳトランジスタ８１０の
第１端子は、電圧ＶＤＤを与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８１０の第２端子
は、出力端子ＯＵＴに接続される。

ＯＳトランジスタ８２０の第１ゲートは、入力端子ＩＮに接続される。ＯＳトランジスタ
８２０の第２ゲートは、入力端子ＩＮに接続される。ＯＳトランジスタ８２０の第１端子
は、出力端子ＯＵＴに接続される。ＯＳトランジスタ８２０の第２端子は、電圧ＶＳＳを
与える配線に接続される。

図３２（Ｃ）は、インバータ８００の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図３２（Ｃ）のタイミングチャートでは、入力端子ＩＮの信号波形、出力端子ＯＵＴの信
号波形、信号Ｓ_ＢＧの信号波形、およびＯＳトランジスタ８１０（ＦＥＴ８１０）の閾値
電圧の変化について示している。

信号Ｓ_ＢＧはＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与えることで、ＯＳトランジスタ８
１０の閾値電圧を制御することができる。

信号Ｓ_ＢＧは、閾値電圧をマイナスシフトさせるための電圧Ｖ_ＢＧ＿Ａ、閾値電圧をプラ
スシフトさせるための電圧Ｖ_ＢＧ＿Ｂを有する。第２ゲートに電圧Ｖ_ＢＧ＿Ａを与えるこ
とで、ＯＳトランジスタ８１０は閾値電圧Ｖ_ＴＨ＿Ａにマイナスシフトさせることができ
る。また、第２ゲートに電圧Ｖ_ＢＧ＿Ｂを与えることで、ＯＳトランジスタ８１０は閾値
電圧Ｖ_ＴＨ＿Ｂにプラスシフトさせることができる。

前述の説明を可視化するために、図３３（Ａ）には、トランジスタの電気特性の一つであ
る、Ｖｇ－Ｉｄカーブを示す。

上述したＯＳトランジスタ８１０の電気特性は、第２ゲートの電圧を電圧Ｖ_ＢＧ＿Ａのよ
うに大きくすることで、図３３（Ａ）中の破線８４０で表される曲線にシフトさせること
ができる。また、上述したＯＳトランジスタ８１０の電気特性は、第２ゲートの電圧を電
圧Ｖ_ＢＧ＿Ｂのように小さくすることで、図３３（Ａ）中の実線８４１で表される曲線に
シフトさせることができる。図３３（Ａ）に示すように、ＯＳトランジスタ８１０は、信
号Ｓ_ＢＧを電圧Ｖ_ＢＧ＿Ａあるいは電圧Ｖ_ＢＧ＿Ｂというように切り替えることで、閾値
電圧をプラスシフトあるいはマイナスシフトさせることができる。

閾値電圧を閾値電圧Ｖ_ＴＨ＿Ｂにプラスシフトさせることで、ＯＳトランジスタ８１０は
電流が流れにくい状態とすることができる。図３３（Ｂ）には、この状態を可視化して示
す。図３３（Ｂ）に図示するように、ＯＳトランジスタ８１０に流れる電流Ｉ_Ｂを極めて
小さくすることができる。そのため、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルでＯＳトラ
ンジスタ８２０はオン状態（ＯＮ）のとき、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に下降させるこ
とができる。

図３３（Ｂ）に図示したように、ＯＳトランジスタ８１０に流れる電流が流れにくい状態
とすることができるため、図３２（Ｃ）に示すタイミングチャートにおける出力端子の信
号波形８３１を急峻に変化させることができる。電圧ＶＤＤを与える配線と、電圧ＶＳＳ
を与える配線との間に流れる貫通電流を少なくすることができるため、低消費電力での動
作を行うことができる。

また、閾値電圧を閾値電圧Ｖ_ＴＨ＿Ａにマイナスシフトさせることで、ＯＳトランジスタ
８１０は電流が流れやすい状態とすることができる。図３３（Ｃ）には、この状態を可視
化して示す。図３３（Ｃ）に図示するように、このとき流れる電流Ｉ_Ａを少なくとも電流
Ｉ_Ｂよりも大きくすることができる。そのため、入力端子ＩＮに与える信号がローレベル
でＯＳトランジスタ８２０はオフ状態（ＯＦＦ）のとき、出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に
上昇させることができる。

図３３（Ｃ）に図示したように、ＯＳトランジスタ８１０に流れる電流が流れやすい状態
とすることができるため、図３２（Ｃ）に示すタイミングチャートにおける出力端子の信
号波形８３２を急峻に変化させることができる。

なお、信号Ｓ_ＢＧによるＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧の制御は、ＯＳトランジスタ
８２０の状態が切り替わる以前、すなわち時刻Ｔ１やＴ２よりも前に行うことが好ましい
。例えば、図３２（Ｃ）に図示するように、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルに切
り替わる時刻Ｔ１よりも前に、閾値電圧Ｖ_ＴＨ＿Ａから閾値電圧Ｖ_ＴＨ＿ＢにＯＳトラン
ジスタ８１０の閾値電圧を切り替えることが好ましい。また、図３２（Ｃ）に図示するよ
うに、入力端子ＩＮに与える信号がローレベルに切り替わる時刻Ｔ２よりも前に、閾値電
圧Ｖ_ＴＨ＿Ｂから閾値電圧Ｖ_ＴＨ＿ＡにＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を切り替える
ことが好ましい。

なお図３２（Ｃ）のタイミングチャートでは、入力端子ＩＮに与える信号に応じて信号Ｓ
_ＢＧを切り替える構成を示したが、別の構成としてもよい。たとえば閾値電圧を制御する
ための電圧は、フローティング状態としたＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに保持さ
せる構成としてもよい。当該構成を実現可能な回路構成の一例について、図３４（Ａ）に
示す。

図３４（Ａ）では、図３２（Ｂ）で示した回路構成に加えて、ＯＳトランジスタ８５０を
有する。ＯＳトランジスタ８５０の第１端子は、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに
接続される。またＯＳトランジスタ８５０の第２端子は、電圧Ｖ_ＢＧ＿Ｂ（あるいは電圧
Ｖ_ＢＧ＿Ａ）を与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８５０の第１ゲートは、信号
Ｓ_Ｆを与える配線に接続される。ＯＳトランジスタ８５０の第２ゲートは、電圧Ｖ_{ＢＧ＿
Ｂ}（あるいは電圧Ｖ_ＢＧ＿Ａ）を与える配線に接続される。

図３４（Ａ）の動作について、図３４（Ｂ）のタイミングチャートを用いて説明する。

ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を制御するための電圧は、入力端子ＩＮに与える信号
がハイレベルに切り替わる時刻Ｔ３よりも前に、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに
与える構成とする。信号Ｓ_ＦをハイレベルとしてＯＳトランジスタ８５０をオン状態とし
、ノードＮ_ＢＧに閾値電圧を制御するための電圧Ｖ_ＢＧ＿Ｂを与える。

ノードＮ_ＢＧが電圧Ｖ_ＢＧ＿Ｂとなった後は、ＯＳトランジスタ８５０をオフ状態とする
。ＯＳトランジスタ８５０は、オフ電流が極めて小さいため、オフ状態にし続けることで
、ノードＮ_ＢＧを非常にフローティング状態に近い状態にして、一旦ノードＮ_ＢＧに保持
させた電圧Ｖ_ＢＧ＿Ｂを保持することができる。そのため、ＯＳトランジスタ８５０の第
２ゲートに電圧Ｖ_ＢＧ＿Ｂを与える動作の回数が減るため、電圧Ｖ_ＢＧ＿Ｂの書き換えに
要する分の消費電力を小さくすることができる。

なお図３２（Ｂ）および図３４（Ａ）の回路構成では、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲ
ートに与える電圧を外部からの制御によって与える構成について示したが、別の構成とし
てもよい。たとえば閾値電圧を制御するための電圧を、入力端子ＩＮに与える信号を基に
生成し、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに与える構成としてもよい。当該構成を実
現可能な回路構成の一例について、図３５（Ａ）に示す。

図３５（Ａ）では、図３２（Ｂ）で示した回路構成において、入力端子ＩＮとＯＳトラン
ジスタ８１０の第２ゲートとの間にＣＭＯＳインバータ８６０を有する。ＣＭＯＳインバ
ータ８６０の入力端子は、入力端子ＩＮに接続さえる。ＣＭＯＳインバータ８６０の出力
端子は、ＯＳトランジスタ８１０の第２ゲートに接続される。

図３５（Ａ）の動作について、図３５（Ｂ）のタイミングチャートを用いて説明する。図
３５（Ｂ）のタイミングチャートでは、入力端子ＩＮの信号波形、出力端子ＯＵＴの信号
波形、ＣＭＯＳインバータ８６０の出力波形ＩＮ＿Ｂ、およびＯＳトランジスタ８１０（
ＦＥＴ８１０）の閾値電圧の変化について示している。

入力端子ＩＮに与える信号の論理を反転した信号である出力波形ＩＮ＿Ｂは、ＯＳトラン
ジスタ８１０の閾値電圧を制御する信号とすることができる。したがって、図３２（Ａ）
乃至（Ｃ）で説明したように、ＯＳトランジスタ８１０の閾値電圧を制御できる。例えば
、図３５（Ｂ）における時刻Ｔ４となるとき、入力端子ＩＮに与える信号がハイレベルで
ＯＳトランジスタ８２０はオン状態となる。このとき、出力波形ＩＮ＿Ｂはローレベルと
なる。そのため、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れにくい状態とすることができ、出
力端子ＯＵＴの電圧を急峻に下降させることができる。

また図３５（Ｂ）における時刻Ｔ５となるとき、入力端子ＩＮに与える信号がローレベル
でＯＳトランジスタ８２０はオフ状態となる。このとき、出力波形ＩＮ＿Ｂはハイレベル
となる。そのため、ＯＳトランジスタ８１０は電流が流れやすい状態とすることができ、
出力端子ＯＵＴの電圧を急峻に上昇させることができる。

以上説明したように本実施の形態の構成では、ＯＳトランジスタを有するインバータにお
ける、バックゲートの電圧を入力端子ＩＮの信号の論理にしたがって切り替える。当該構
成とすることで、ＯＳトランジスタの閾値電圧を制御することができる。入力端子ＩＮに
与える信号によってＯＳトランジスタの閾値電圧を制御することで、出力端子ＯＵＴの電
圧を急峻に変化させることができる。また、電源電圧を与える配線間の貫通電流を小さく
することができる。そのため、低消費電力化を図ることができる。

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

（実施の形態５）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明したＯＳトランジスタを有する複数の回路を
有する半導体装置の一例について、図３６乃至図４２を用いて説明する。

図３６（Ａ）は、半導体装置９００のブロック図である。半導体装置９００は、電源回路
９０１、回路９０２、電圧生成回路９０３、回路９０４、電圧生成回路９０５および回路
９０６を有する。

電源回路９０１は、基準となる電圧Ｖ_ＯＲＧを生成する回路である。電圧Ｖ_ＯＲＧは、単
一の電圧ではなく、複数の電圧でもよい。電圧Ｖ_ＯＲＧは、半導体装置９００の外部から
与えられる電圧Ｖ_０を基に生成することができる。半導体装置９００は、外部から与えら
れる単一の電源電圧を基に電圧Ｖ_ＯＲＧを生成できる。そのため半導体装置９００は、外
部から電源電圧を複数与えることなく動作することができる。

回路９０２、９０４および９０６は、異なる電源電圧で動作する回路である。例えば回路
９０２の電源電圧は、電圧Ｖ_ＯＲＧと電圧Ｖ_ＳＳ（Ｖ_ＯＲＧ＞Ｖ_ＳＳ）とを基に印加され
る電圧である。また、例えば回路９０４の電源電圧は、電圧Ｖ_ＰＯＧと電圧Ｖ_ＳＳ（Ｖ_Ｐ
ＯＧ＞Ｖ_ＯＲＧ）とを基に印加される電圧である。また、例えば回路９０６の電源電圧は
、電圧Ｖ_ＯＲＧと電圧Ｖ_ＮＥＧ（Ｖ_ＯＲＧ＞Ｖ_ＳＳ＞Ｖ_ＮＥＧ）とを基に印加される電圧
である。なお電圧Ｖ_ＳＳは、グラウンド電位（ＧＮＤ）と等電位とすれば、電源回路９０
１で生成する電圧の種類を削減できる。

電圧生成回路９０３は、電圧Ｖ_ＰＯＧを生成する回路である。電圧生成回路９０３は、電
源回路９０１から与えられる電圧Ｖ_ＯＲＧを基に電圧Ｖ_ＰＯＧを生成できる。そのため、
回路９０４を有する半導体装置９００は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動作
することができる。

電圧生成回路９０５は、電圧Ｖ_ＮＥＧを生成する回路である。電圧生成回路９０５は、電
源回路９０１から与えられる電圧Ｖ_ＯＲＧを基に電圧Ｖ_ＮＥＧを生成できる。そのため、
回路９０６を有する半導体装置９００は、外部から与えられる単一の電源電圧を基に動作
することができる。

図３６（Ｂ）は電圧Ｖ_ＰＯＧで動作する回路９０４の一例、図３６（Ｃ）は回路９０４を
動作させるための信号の波形の一例である。

図３６（Ｂ）では、トランジスタ９１１を示している。トランジスタ９１１のゲートに与
える信号は、例えば、電圧Ｖ_ＰＯＧと電圧Ｖ_ＳＳを基に生成される。当該信号は、トラン
ジスタ９１１を導通状態とする動作時に電圧Ｖ_ＰＯＧ、非導通状態とする動作時に電圧Ｖ
_ＳＳとする。電圧Ｖ_ＰＯＧは、図３６（Ｃ）に図示するように、電圧Ｖ_ＯＲＧより大きい
。そのため、トランジスタ９１１は、ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）との間をより確実に
導通状態にできる。その結果、回路９０４は、誤動作が低減された回路とすることができ
る。

図３６（Ｄ）は電圧Ｖ_ＮＥＧで動作する回路９０６の一例、図３６（Ｅ）は回路９０６を
動作させるための信号の波形の一例である。

図３６（Ｄ）では、バックゲートを有するトランジスタ９１２を示している。トランジス
タ９１２のゲートに与える信号は、例えば、電圧Ｖ_ＯＲＧと電圧Ｖ_ＳＳを基にして生成さ
れる。当該信号は、トランジスタ９１１を導通状態とする動作時に電圧Ｖ_ＯＲＧ、非導通
状態とする動作時に電圧Ｖ_ＳＳを基に生成される。また、トランジスタ９１２のバックゲ
ートに与える信号は、電圧Ｖ_ＮＥＧを基に生成される。電圧Ｖ_ＮＥＧは、図３６（Ｅ）に
図示するように、電圧Ｖ_ＳＳ（ＧＮＤ）より小さい。そのため、トランジスタ９１２の閾
値電圧は、プラスシフトするように制御することができる。そのため、トランジスタ９１
２をより確実に非導通状態とすることができ、ソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）との間を流
れる電流を小さくできる。その結果、回路９０６は、誤動作が低減され、且つ低消費電力
化が図られた回路とすることができる。

なお電圧Ｖ_ＮＥＧは、トランジスタ９１２のバックゲートに直接与える構成としてもよい
。あるいは、電圧Ｖ_ＯＲＧと電圧Ｖ_ＮＥＧを基に、トランジスタ９１２のゲートに与える
信号を生成し、当該信号をトランジスタ９１２のバックゲートに与える構成としてもよい
。

また図３７（Ａ）、（Ｂ）には、図３６（Ｄ）、（Ｅ）の変形例を示す。

図３７（Ａ）に示す回路図では、電圧生成回路９０５と、回路９０６と、の間に制御回路
９２１によって導通状態が制御できるトランジスタ９２２を示す。トランジスタ９２２は
、ｎチャネル型のＯＳトランジスタとする。制御回路９２１が出力する制御信号Ｓ_ＢＧは
、トランジスタ９２２の導通状態を制御する信号である。また回路９０６が有するトラン
ジスタ９１２Ａ、９１２Ｂは、トランジスタ９２２と同じＯＳトランジスタである。

図３７（Ｂ）のタイミングチャートには、制御信号Ｓ_ＢＧの電位の変化を示し、トランジ
スタ９１２Ａ、９１２Ｂのバックゲートの電位の状態をノードＮ_ＢＧの電位の変化で示す
。制御信号Ｓ_ＢＧがハイレベルのときにトランジスタ９２２が導通状態となり、ノードＮ
_ＢＧが電圧Ｖ_ＮＥＧとなる。その後、制御信号Ｓ_ＢＧがローレベルのときにノードＮ_ＢＧ
が電気的にフローティングとなる。トランジスタ９２２は、ＯＳトランジスタであるため
、オフ電流が小さい。そのため、ノードＮ_ＢＧが電気的にフローティングであっても、一
旦与えた電圧Ｖ_ＮＥＧを保持することができる。

また図３８（Ａ）には、上述した電圧生成回路９０３に適用可能な回路構成の一例を示す
。図３８（Ａ）に示す電圧生成回路９０３は、ダイオードＤ１乃至Ｄ５、キャパシタＣ１
乃至Ｃ５、およびインバータＩＮＶを有する５段のチャージポンプである。クロック信号
ＣＬＫは、キャパシタＣ１乃至Ｃ５に直接、あるいはインバータＩＮＶを介して与えられ
る。インバータＩＮＶの電源電圧を、電圧Ｖ_ＯＲＧと電圧Ｖ_ＳＳとを基に印加される電圧
とすると、クロック信号ＣＬＫを与えることによって、電圧Ｖ_ＯＲＧの５倍の正電圧に昇
圧された電圧Ｖ_ＰＯＧを得ることができる。なお、ダイオードＤ１乃至Ｄ５の順方向電圧
は０Ｖとしている。また、チャージポンプの段数を変更することで、所望の電圧Ｖ_ＰＯＧ
を得ることができる。

また図３８（Ｂ）には、上述した電圧生成回路９０５に適用可能な回路構成の一例を示す
。図３８（Ｂ）に示す電圧生成回路９０５は、ダイオードＤ１乃至Ｄ５、キャパシタＣ１
乃至Ｃ５、およびインバータＩＮＶを有する４段のチャージポンプである。クロック信号
ＣＬＫは、キャパシタＣ１乃至Ｃ５に直接、あるいはインバータＩＮＶを介して与えられ
る。インバータＩＮＶの電源電圧を、電圧Ｖ_ＯＲＧと電圧Ｖ_ＳＳとを基に印加される電圧
とすると、クロック信号ＣＬＫを与えることによって、グラウンド、すなわち電圧Ｖ_ＳＳ
から電圧Ｖ_ＯＲＧの４倍の負電圧に降圧された電圧Ｖ_ＮＥＧを得ることができる。なお、
ダイオードＤ１乃至Ｄ５の順方向電圧は０Ｖとしている。また、チャージポンプの段数を
変更することで、所望の電圧Ｖ_ＮＥＧを得ることができる。

なお上述した電圧生成回路９０３の回路構成は、図３８（Ａ）で示す回路図の構成に限ら
ない。電圧生成回路９０３の変形例を図３９（Ａ）乃至（Ｃ）、図４０（Ａ）、（Ｂ）に
示す。

図３９（Ａ）に示す電圧生成回路９０３Ａは、トランジスタＭ１乃至Ｍ１０、キャパシタ
Ｃ１１乃至Ｃ１４、およびインバータＩＮＶ１を有する。クロック信号ＣＬＫは、トラン
ジスタＭ１乃至Ｍ１０のゲートに直接、あるいはインバータＩＮＶ１を介して与えられる
。クロック信号ＣＬＫを与えることによって、電圧Ｖ_ＯＲＧの４倍の正電圧に昇圧された
電圧Ｖ_ＰＯＧを得ることができる。なお、段数を変更することで、所望の電圧Ｖ_ＰＯＧを
得ることができる。図３９（Ａ）に示す電圧生成回路９０３Ａは、トランジスタＭ１乃至
Ｍ１０をＯＳトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタＣ１１乃至Ｃ
１４に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧Ｖ_ＯＲＧから電圧Ｖ_Ｐ
ＯＧへの昇圧を図ることができる。

また図３９（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ｂは、トランジスタＭ１１乃至Ｍ１４、キャ
パシタＣ１５、Ｃ１６、およびインバータＩＮＶ２を有する。クロック信号ＣＬＫは、ト
ランジスタＭ１１乃至Ｍ１４のゲートに直接、あるいはインバータＩＮＶ２を介して与え
られる。クロック信号ＣＬＫを与えることによって、電圧Ｖ_ＯＲＧの２倍の正電圧に昇圧
された電圧Ｖ_ＰＯＧを得ることができる。図３９（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ｂは、
トランジスタＭ１１乃至Ｍ１４をＯＳトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、
キャパシタＣ１５、Ｃ１６に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧
Ｖ_ＯＲＧから電圧Ｖ_ＰＯＧへの昇圧を図ることができる。

また図３９（Ｃ）に示す電圧生成回路９０３Ｃは、インダクタＩ１１、トランジスタＭ１
５、ダイオードＤ６、およびキャパシタＣ１７を有する。トランジスタＭ１５は、制御信
号ＥＮによって、導通状態が制御される。制御信号ＥＮによって、電圧Ｖ_ＯＲＧが昇圧さ
れた電圧Ｖ_ＰＯＧを得ることができる。図３９（Ｃ）に示す電圧生成回路９０３Ｃは、イ
ンダクタＩ１１を用いて電圧の昇圧を行うため、変換効率の高い電圧の昇圧を行うことが
できる。

また図４０（Ａ）に示す電圧生成回路９０３Ｄは、図３８（Ａ）に示す電圧生成回路９０
３のダイオードＤ１乃至Ｄ５をダイオード接続したトランジスタＭ１６乃至Ｍ２０に置き
換えた構成に相当する。図４０（Ａ）に示す電圧生成回路９０３Ｄは、トランジスタＭ１
６乃至Ｍ２０をＯＳトランジスタとすることでオフ電流を小さくでき、キャパシタＣ１乃
至Ｃ５に保持した電荷の漏れを抑制できる。そのため、効率的に電圧Ｖ_ＯＲＧから電圧Ｖ
_ＰＯＧへの昇圧を図ることができる。

また図４０（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ｅは、図４０（Ａ）に示す電圧生成回路９０
３ＤのトランジスタＭ１６乃至Ｍ２０を、バックゲートを有するトランジスタＭ２１乃至
Ｍ２５に置き換えた構成に相当する。図４０（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ｅは、バッ
クゲートにゲートと同じ電圧を与えることができるため、トランジスタを流れる電流量を
増やすことができる。そのため、効率的に電圧Ｖ_ＯＲＧから電圧Ｖ_ＰＯＧへの昇圧を図る
ことができる。

なお電圧生成回路９０３の変形例は、図３８（Ｂ）に示した電圧生成回路９０５にも適用
可能である。この場合の回路図の構成を図４１（Ａ）乃至（Ｃ）、図４２（Ａ）、（Ｂ）
に示す。図４１（Ａ）に示す電圧生成回路９０５Ａは、クロック信号ＣＬＫを与えること
によって、電圧Ｖ_ＳＳから電圧Ｖ_ＯＲＧの３倍の負電圧に降圧された電圧Ｖ_ＮＥＧを得る
ことができる。また図４１（Ｂ）に示す電圧生成回路９０５Ａは、クロック信号ＣＬＫを
与えることによって、電圧Ｖ_ＳＳから電圧Ｖ_ＯＲＧの２倍の負電圧に降圧された電圧Ｖ_Ｎ
ＥＧを得ることができる。

図４１（Ａ）乃至（Ｃ）、図４２（Ａ）、（Ｂ）に示す電圧生成回路９０５Ａ乃至９０５
Ｅでは、図３９（Ａ）乃至（Ｃ）、図４０（Ａ）、（Ｂ）に示す電圧生成回路９０３Ａ乃
至９０３Ｅにおいて、各配線に与える電圧を変更すること、あるいは素子の配置を変更し
た構成に相当する。図４１（Ａ）乃至（Ｃ）、図４２（Ａ）、（Ｂ）に示す電圧生成回路
９０５Ａ乃至９０５Ｅは、電圧生成回路９０３Ａ乃至９０３Ｅと同様に、効率的に電圧Ｖ
_ＳＳから電圧Ｖ_ＮＥＧへの降圧を図ることができる。

以上説明したように本実施の形態の構成では、半導体装置が有する回路に必要な電圧を内
部で生成することができる。そのため半導体装置は、外部から与える電源電圧の種類を削
減できる。

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

（実施の形態６）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタや上述した記憶装置などの
半導体装置を含むＣＰＵの一例について説明する。

＜ＣＰＵの構成＞

図４３に示す半導体装置４００は、ＣＰＵコア４０１、パワーマネージメントユニット
４２１および周辺回路４２２を有する。パワーマネージメントユニット４２１は、パワー
コントローラ４０２、およびパワースイッチ４０３を有する。周辺回路４２２は、キャッ
シュメモリを有するキャッシュ４０４、バスインターフェース（ＢＵＳ Ｉ／Ｆ）４０５
、及びデバッグインターフェース（Ｄｅｂｕｇ Ｉ／Ｆ）４０６を有する。ＣＰＵコア４
０１は、データバス４２３、制御装置４０７、ＰＣ（プログラムカウンタ）４０８、パイ
プラインレジスタ４０９、パイプラインレジスタ４１０、ＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ
ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）４１１、及びレジスタファイル４１２を有する。ＣＰＵコア４
０１と、キャッシュ４０４等の周辺回路４２２とのデータのやり取りは、データバス４２
３を介して行われる。

半導体装置（セル）は、パワーコントローラ４０２、制御装置４０７をはじめ、多くの
論理回路に適用することができる。特に、スタンダードセルを用いて構成することができ
る全ての論理回路に適用することができる。その結果、小型の半導体装置４００を提供で
きる。また、消費電力低減することが可能な半導体装置４００を提供できる。また、動作
速度を向上することが可能な半導体装置４００を提供できる。また、電源電圧の変動を低
減することが可能な半導体装置４００を提供できる。

半導体装置（セル）に、ｐチャネル型Ｓｉトランジスタと、先の実施の形態に記載の酸
化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル形成領域に含む
トランジスタとを用い、該半導体装置（セル）を半導体装置４００に適用することで、小
型の半導体装置４００を提供できる。また、消費電力低減することが可能な半導体装置４
００を提供できる。また、動作速度を向上することが可能な半導体装置４００を提供でき
る。特に、Ｓｉトランジスタはｐチャネル型のみとすることで、製造コストを低く抑える
ことができる。

制御装置４０７は、ＰＣ４０８、パイプラインレジスタ４０９、パイプラインレジスタ
４１０、ＡＬＵ４１１、レジスタファイル４１２、キャッシュ４０４、バスインターフェ
ース４０５、デバッグインターフェース４０６、及びパワーコントローラ４０２の動作を
統括的に制御することで、入力されたアプリケーションなどのプログラムに含まれる命令
をデコードし、実行する機能を有する。

ＡＬＵ４１１は、四則演算、論理演算などの各種演算処理を行う機能を有する。

キャッシュ４０４は、使用頻度の高いデータを一時的に記憶しておく機能を有する。Ｐ
Ｃ４０８は、次に実行する命令のアドレスを記憶する機能を有するレジスタである。なお
、図４３では図示していないが、キャッシュ４０４には、キャッシュメモリの動作を制御
するキャッシュコントローラが設けられている。

パイプラインレジスタ４０９は、命令データを一時的に記憶する機能を有するレジスタ
である。

レジスタファイル４１２は、汎用レジスタを含む複数のレジスタを有しており、メイン
メモリから読み出されたデータ、またはＡＬＵ４１１の演算処理の結果得られたデータ、
などを記憶することができる。

パイプラインレジスタ４１０は、ＡＬＵ４１１の演算処理に利用するデータ、またはＡ
ＬＵ４１１の演算処理の結果得られたデータなどを一時的に記憶する機能を有するレジス
タである。

バスインターフェース４０５は、半導体装置４００と半導体装置４００の外部にある各
種装置との間におけるデータの経路としての機能を有する。デバッグインターフェース４
０６は、デバッグの制御を行うための命令を半導体装置４００に入力するための信号の経
路としての機能を有する。

パワースイッチ４０３は、半導体装置４００が有する、パワーコントローラ４０２以外
の各種回路への、電源電圧の供給を制御する機能を有する。上記各種回路は、幾つかのパ
ワードメインにそれぞれ属しており、同一のパワードメインに属する各種回路は、パワー
スイッチ４０３によって電源電圧の供給の有無が制御される。また、パワーコントローラ
４０２はパワースイッチ４０３の動作を制御する機能を有する。

上記構成を有する半導体装置４００は、パワーゲーティングを行うことが可能である。
パワーゲーティングの動作の流れについて、一例を挙げて説明する。

まず、ＣＰＵコア４０１が、電源電圧の供給を停止するタイミングを、パワーコントロ
ーラ４０２のレジスタに設定する。次いで、ＣＰＵコア４０１からパワーコントローラ４
０２へ、パワーゲーティングを開始する旨の命令を送る。次いで、半導体装置４００内に
含まれる各種レジスタとキャッシュ４０４が、データの退避を開始する。次いで、半導体
装置４００が有するパワーコントローラ４０２以外の各種回路への電源電圧の供給が、パ
ワースイッチ４０３により停止される。次いで、割込み信号がパワーコントローラ４０２
に入力されることで、半導体装置４００が有する各種回路への電源電圧の供給が開始され
る。なお、パワーコントローラ４０２にカウンタを設けておき、電源電圧の供給が開始さ
れるタイミングを、割込み信号の入力に依らずに、当該カウンタを用いて決めるようにし
てもよい。次いで、各種レジスタとキャッシュ４０４が、データの復帰を開始する。次い
で、制御装置４０７における命令の実行が再開される。

このようなパワーゲーティングは、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一
つ、または複数の論理回路において行うことができる。また、短い時間でも電源の供給を
停止することができる。このため、空間的に、あるいは時間的に細かい粒度で消費電力の
削減を行うことができる。

パワーゲーティングを行う場合、ＣＰＵコア４０１や周辺回路４２２が保持する情報を
短期間に退避できることが好ましい。そうすることで、短期間に電源のオンオフが可能と
なり、省電力の効果が大きくなる。

ＣＰＵコア４０１や周辺回路４２２が保持する情報を短期間に退避するためには、フリ
ップフロップ回路がその回路内でデータ退避できることが好ましい（バックアップ可能な
フリップフロップ回路と呼ぶ）。また、ＳＲＡＭセルがセル内でデータ退避できることが
好ましい（バックアップ可能なＳＲＡＭセルと呼ぶ）。バックアップ可能なフリップフロ
ップ回路やＳＲＡＭセルは、酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化
物）をチャネル形成領域に含むトランジスタを有することが好ましい。その結果、トラン
ジスタが低いオフ電流を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲ
ＡＭセルは長期間電源供給なしに情報を保持することができる。また、トランジスタが高
速なスイッチング速度を有することで、バックアップ可能なフリップフロップ回路やＳＲ
ＡＭセルは短期間のデータ退避および復帰が可能となる場合がある。

バックアップ可能なフリップフロップ回路の例について、図４４を用いて説明する。

図４４に示す半導体装置５００は、バックアップ可能なフリップフロップ回路の一例で
ある。半導体装置５００は、第１の記憶回路５０１と、第２の記憶回路５０２と、第３の
記憶回路５０３と、読み出し回路５０４と、を有する。半導体装置５００には、電位Ｖ１
と電位Ｖ２の電位差が、電源電圧として供給される。電位Ｖ１と電位Ｖ２は一方がハイレ
ベルであり、他方がローレベルである。以下、電位Ｖ１がローレベル、電位Ｖ２がハイレ
ベルの場合を例に挙げて、半導体装置５００の構成例について説明するものとする。

第１の記憶回路５０１は、半導体装置５００に電源電圧が供給されている期間において
、データを含む信号Ｄが入力されると、当該データを保持する機能を有する。そして、半
導体装置５００に電源電圧が供給されている期間において、第１の記憶回路５０１からは
、保持されているデータを含む信号Ｑが出力される。一方、第１の記憶回路５０１は、半
導体装置５００に電源電圧が供給されていない期間においては、データを保持することが
できない。すなわち、第１の記憶回路５０１は、揮発性の記憶回路と呼ぶことができる。

第２の記憶回路５０２は、第１の記憶回路５０１に保持されているデータを読み込んで
記憶する（あるいは退避する）機能を有する。第３の記憶回路５０３は、第２の記憶回路
５０２に保持されているデータを読み込記憶する（あるいは退避する）機能を有する。読
み出し回路５０４は、第２の記憶回路５０２または第３の記憶回路５０３に保持されたデ
ータを読み出して第１の記憶回路５０１に記憶する（あるいは復帰する）機能を有する。

特に、第３の記憶回路５０３は、半導体装置５００に電源電圧が供給されてない期間に
おいても、第２の記憶回路５０２に保持されているデータを読み込記憶する（あるいは退
避する）機能を有する。

図４４に示すように、第２の記憶回路５０２はトランジスタ５１２と容量素子５１９と
を有する。第３の記憶回路５０３はトランジスタ５１３と、トランジスタ５１５と、容量
素子５２０とを有する。読み出し回路５０４はトランジスタ５１０と、トランジスタ５１
８と、トランジスタ５０９と、トランジスタ５１７と、を有する。

トランジスタ５１２は、第１の記憶回路５０１に保持されているデータに応じた電荷を
、容量素子５１９に充放電する機能を有する。トランジスタ５１２は、第１の記憶回路５
０１に保持されているデータに応じた電荷を容量素子５１９に対して高速に充放電できる
ことが望ましい。具体的には、トランジスタ５１２が、結晶性を有するシリコン（好まし
くは多結晶シリコン、更に好ましくは単結晶シリコン）をチャネル形成領域に含むことが
望ましい。

トランジスタ５１３は、容量素子５１９に保持されている電荷に従って導通状態または
非導通状態が選択される。トランジスタ５１５は、トランジスタ５１３が導通状態である
ときに、配線５４４の電位に応じた電荷を容量素子５２０に充放電する機能を有する。ト
ランジスタ５１５は、オフ電流が著しく小さいことが望ましい。具体的には、トランジス
タ５１５が、酸化物半導体（好ましくはＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物）をチャネル
形成領域に含むことが望ましい。

各素子の接続関係を具体的に説明すると、トランジスタ５１２のソース及びドレインの
一方は、第１の記憶回路５０１に接続されている。トランジスタ５１２のソース及びドレ
インの他方は、容量素子５１９の一方の電極、トランジスタ５１３のゲート、及びトラン
ジスタ５１８のゲートに接続されている。容量素子５１９の他方の電極は、配線５４２に
接続されている。トランジスタ５１３のソース及びドレインの一方は、配線５４４に接続
されている。トランジスタ５１３のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５１５の
ソース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ５１５のソース及びドレイン
の他方は、容量素子５２０の一方の電極、及びトランジスタ５１０のゲートに接続されて
いる。容量素子５２０の他方の電極は、配線５４３に接続されている。トランジスタ５１
０のソース及びドレインの一方は、配線５４１に接続されている。トランジスタ５１０の
ソース及びドレインの他方は、トランジスタ５１８のソース及びドレインの一方に接続さ
れている。トランジスタ５１８のソース及びドレインの他方は、トランジスタ５０９のソ
ース及びドレインの一方に接続されている。トランジスタ５０９のソース及びドレインの
他方は、トランジスタ５１７のソース及びドレインの一方、及び第１の記憶回路５０１に
接続されている。トランジスタ５１７のソース及びドレインの他方は、配線５４０に接続
されている。また、図４４においては、トランジスタ５０９のゲートは、トランジスタ５
１７のゲートと接続されているが、トランジスタ５０９のゲートは、必ずしもトランジス
タ５１７のゲートと接続されていなくてもよい。

トランジスタ５１５に先の実施の形態で例示したトランジスタを適用することができる
。トランジスタ５１５のオフ電流が小さいために、半導体装置５００は、長期間電源供給
なしに情報を保持することができる。トランジスタ５１５のスイッチング特性が良好であ
るために、半導体装置５００は、高速のバックアップとリカバリを行うことができる。

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態および実施
例と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態７）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した撮像装置の
一例について説明する。

＜撮像装置＞
以下では、本発明の一態様に係る撮像装置について説明する。

図４５（Ａ）は、本発明の一態様に係る撮像装置２００の例を示す平面図である。撮像装
置２００は、画素部２１０と、画素部２１０を駆動するための周辺回路２６０と、周辺回
路２７０、周辺回路２８０と、周辺回路２９０と、を有する。画素部２１０は、ｐ行ｑ列
（ｐおよびｑは２以上の整数）のマトリクス状に配置された複数の画素２１１を有する。
周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０は、それぞれ複
数の画素２１１に接続し、複数の画素２１１を駆動するための信号を供給する機能を有す
る。なお、本明細書等において、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０およ
び周辺回路２９０などの全てを指して「周辺回路」または「駆動回路」と呼ぶ場合がある
。例えば、周辺回路２６０は周辺回路の一部といえる。

また、撮像装置２００は、光源２９１を有することが好ましい。光源２９１は、検出光Ｐ
１を放射することができる。

また、周辺回路は、少なくとも、論理回路、スイッチ、バッファ、増幅回路、または変換
回路の１つを有する。また、周辺回路は、画素部２１０を形成する基板上に形成してもよ
い。また、周辺回路の一部または全部にＩＣチップ等の半導体装置を用いてもよい。なお
、周辺回路は、周辺回路２６０、周辺回路２７０、周辺回路２８０および周辺回路２９０
のいずれか一以上を省略してもよい。

また、図４５（Ｂ）に示すように、撮像装置２００が有する画素部２１０において、画素
２１１を傾けて配置してもよい。画素２１１を傾けて配置することにより、行方向および
列方向の画素間隔（ピッチ）を短くすることができる。これにより、撮像装置２００にお
ける撮像の品質をより高めることができる。

＜画素の構成例１＞
撮像装置２００が有する１つの画素２１１を複数の副画素２１２で構成し、それぞれの副
画素２１２に特定の波長域の光を透過するフィルタ（カラーフィルタ）を組み合わせるこ
とで、カラー画像表示を実現するための情報を取得することができる。

図４６（Ａ）は、カラー画像を取得するための画素２１１の一例を示す平面図である。図
４６（Ａ）に示す画素２１１は、赤（Ｒ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設け
られた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｒ」ともいう）、緑（Ｇ）の波長域の光を透
過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下、「副画素２１２Ｇ」ともいう）
および青（Ｂ）の波長域の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２（以下
、「副画素２１２Ｂ」ともいう）を有する。副画素２１２は、フォトセンサとして機能さ
せることができる。

副画素２１２（副画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂ）は、配線２３
１、配線２４７、配線２４８、配線２４９、配線２５０と電気的に接続される。また、副
画素２１２Ｒ、副画素２１２Ｇ、および副画素２１２Ｂは、それぞれが独立した配線２５
３に接続している。また、本明細書等において、例えばｎ行目の画素２１１に接続された
配線２４８、配線２４９、および配線２５０を、それぞれ配線２４８［ｎ］、配線２４９
［ｎ］、および配線２５０［ｎ］と記載する。また、例えばｍ列目の画素２１１に接続さ
れた配線２５３を、配線２５３［ｍ］と記載する。なお、図４８（Ａ）において、ｍ列目
の画素２１１が有する副画素２１２Ｒに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｒ、副画
素２１２Ｇに接続する配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｇ、および副画素２１２Ｂに接続す
る配線２５３を配線２５３［ｍ］Ｂと記載している。副画素２１２は、上記配線を介して
周辺回路と電気的に接続される。

また、撮像装置２００は、隣接する画素２１１の、同じ波長域の光を透過するカラーフィ
ルタが設けられた副画素２１２同士がスイッチを介して電気的に接続する構成を有する。
図４６（Ｂ）に、ｎ行（ｎは１以上ｐ以下の整数）ｍ列（ｍは１以上ｑ以下の整数）に配
置された画素２１１が有する副画素２１２と、該画素２１１に隣接するｎ＋１行ｍ列に配
置された画素２１１が有する副画素２１２の接続例を示す。図４６（Ｂ）において、ｎ行
ｍ列に配置された副画素２１２Ｒと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｒがスイッ
チ２０１を介して接続されている。また、ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇと、ｎ＋
１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｇがスイッチ２０２を介して接続されている。また、
ｎ行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂと、ｎ＋１行ｍ列に配置された副画素２１２Ｂがス
イッチ２０３を介して接続されている。

なお、副画素２１２に用いるカラーフィルタは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に限定さ
れず、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ）およびマゼンタ（Ｍ）の光を透過するカラーフィ
ルタを用いてもよい。１つの画素２１１に３種類の異なる波長域の光を検出する副画素２
１２を設けることで、フルカラー画像を取得することができる。

または、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設
けられた副画素２１２に加えて、黄（Ｙ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副
画素２１２を有する画素２１１を用いてもよい。または、それぞれシアン（Ｃ）、黄（Ｙ
）およびマゼンタ（Ｍ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２に加え
て、青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタが設けられた副画素２１２を有する画素２１
１を用いてもよい。１つの画素２１１に４種類の異なる波長域の光を検出する副画素２１
２を設けることで、取得した画像の色の再現性をさらに高めることができる。

また、例えば、図４６（Ａ）において、赤の波長域の光を検出する副画素２１２、緑の波
長域の光を検出する副画素２１２、および青の波長域の光を検出する副画素２１２の画素
数比（または受光面積比）は、１：１：１でなくても構わない。例えば、画素数比（受光
面積比）を赤：緑：青＝１：２：１とするＢａｙｅｒ配列としてもよい。または、画素数
比（受光面積比）を赤：緑：青＝１：６：１としてもよい。

なお、画素２１１に設ける副画素２１２は１つでもよいが、２つ以上が好ましい。例えば
、同じ波長域の光を検出する副画素２１２を２つ以上設けることで、冗長性を高め、撮像
装置２００の信頼性を高めることができる。

また、可視光を吸収または反射して、赤外光を透過するＩＲ（ＩＲ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ）
フィルタを用いることで、赤外光を検出する撮像装置２００を実現することができる。

また、ＮＤ（ＮＤ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ（減光フィルタ）を用い
ることで、光電変換素子（受光素子）に大光量光が入射した時に生じる出力飽和すること
を防ぐことができる。減光量の異なるＮＤフィルタを組み合わせて用いることで、撮像装
置のダイナミックレンジを大きくすることができる。

また、前述したフィルタ以外に、画素２１１にレンズを設けてもよい。ここで、図４７の
断面図を用いて、画素２１１、フィルタ２５４、レンズ２５５の配置例を説明する。レン
ズ２５５を設けることで、副画素２１２中に設けられた光電変換素子が入射光を効率よく
受光することができる。具体的には、図４７（Ａ）に示すように、画素２１１に形成した
レンズ２５５、フィルタ２５４（フィルタ２５４Ｒ、フィルタ２５４Ｇおよびフィルタ２
５４Ｂ）、および画素回路２３０等を通して光２５６を光電変換素子２２０に入射させる
構造とすることができる。

ただし、一点鎖線で囲んだ領域に示すように、矢印で示す光２５６の一部が配線２５７の
一部によって遮光されてしまうことがある。したがって、図４７（Ｂ）に示すように光電
変換素子２２０側にレンズ２５５およびフィルタ２５４を配置して、光電変換素子２２０
が光２５６を効率良く受光させる構造が好ましい。光電変換素子２２０側から光２５６を
光電変換素子２２０に入射させることで、検出感度の高い撮像装置２００を提供すること
ができる。

図４７に示す光電変換素子２２０として、ｐｎ型接合またはｐｉｎ型の接合が形成された
光電変換素子を用いてもよい。

また、光電変換素子２２０を、放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質を用
いて形成してもよい。放射線を吸収して電荷を発生させる機能を有する物質としては、セ
レン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ヒ化ガリウム、テルル化カドミウム、カドミウム亜鉛合金
等がある。

例えば、光電変換素子２２０にセレンを用いると、可視光や、紫外光、赤外光に加えて、
Ｘ線や、ガンマ線といった幅広い波長域にわたって光吸収係数を有する光電変換素子２２
０を実現できる。

ここで、撮像装置２００が有する１つの画素２１１は、図４６に示す副画素２１２に加え
て、第１のフィルタを有する副画素２１２を有してもｆよい。

＜画素の構成例２＞
以下では、シリコンを用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタと、を
用いて画素を構成する一例について説明する。各トランジスタは上記実施の形態に示すも
のと同様のトランジスタを用いることができる。

図４８は、撮像装置を構成する素子の断面図である。図４８に示す撮像装置は、シリコン
基板３００に設けられたシリコンを用いたトランジスタ３５１、トランジスタ３５１上に
積層して配置された酸化物半導体を用いたトランジスタ３５２およびトランジスタ３５３
、ならびにシリコン基板３００に設けられたフォトダイオード３６０を含む。各トランジ
スタおよびフォトダイオード３６０は、種々のプラグ３７０および配線３７１と電気的な
接続を有する。また、フォトダイオード３６０のアノード３６１は、低抵抗領域３６３を
介してプラグ３７０と電気的に接続を有する。

また撮像装置は、シリコン基板３００に設けられたトランジスタ３５１およびフォトダイ
オード３６０を有する層３１０と、層３１０と接して設けられ、配線３７１を有する層３
２０と、層３２０と接して設けられ、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３を有
する層３３０と、層３３０と接して設けられ、配線３７２および配線３７３を有する層３
４０を備えている。

なお図４８の断面図の一例では、シリコン基板３００において、トランジスタ３５１が形
成された面とは逆側の面にフォトダイオード３６０の受光面を有する構成とする。該構成
とすることで、各種トランジスタや配線などの影響を受けずに光路を確保することができ
る。そのため、高開口率の画素を形成することができる。なお、フォトダイオード３６０
の受光面をトランジスタ３５１が形成された面と同じとすることもできる。

なお、酸化物半導体を用いたトランジスタのみを用いて画素を構成する場合には、層３１
０を、酸化物半導体を用いたトランジスタを有する層とすればよい。または層３１０を省
略し、酸化物半導体を用いたトランジスタのみで画素を構成してもよい。

なお、シリコン基板３００は、ＳＯＩ基板であってもよい。また、シリコン基板３００に
替えて、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ヒ化ガリウム、ヒ化アル
ミニウムガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムまたは有機半導体を有する基板を用
いることもできる。

ここで、トランジスタ３５１およびフォトダイオード３６０を有する層３１０と、トラン
ジスタ３５２およびトランジスタ３５３を有する層３３０と、の間には絶縁体３８０が設
けられる。ただし、絶縁体３８０の位置は限定されない。また、絶縁体３８０の下に絶縁
体３７９が設けられ、絶縁体３８０の上に絶縁体３８１が設けられる。ここで、絶縁体３
７９は図１９に示す絶縁体１１０に対応し、絶縁体３８０は図１９に示す絶縁体６１に対
応し、絶縁体３８１は図１９に示す絶縁体６７に対応する。

絶縁体３７９乃至絶縁体３８０に設けられた開口に、導電体３９０ａ乃至導電体３９０ｅ
が設けられている。導電体３９０ａ、導電体３９０ｂおよび導電体３９０ｅは、図１９に
示す導電体１２１ａおよび導電体１２２ａなどと対応しており、プラグおよび配線として
機能する。また、導電体３９０ｃは、図１９に示す導電体６２ａおよび導電体６２ｂと対
応しており、トランジスタ３５３のバックゲートとして機能する。また、導電体３９０ｄ
は、図１９に示す導電体６２ａおよび導電体６２ｂと対応しており、トランジスタ３５２
のバックゲートとして機能する。

トランジスタ３５１のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁体中の水素はシリコンのダ
ングリングボンドを終端し、トランジスタ３５１の信頼性を向上させる効果がある。一方
、トランジスタ３５２およびトランジスタ３５３などの近傍に設けられる絶縁体中の水素
は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなる。そのため、トランジスタ３
５２およびトランジスタ３５３などの信頼性を低下させる要因となる場合がある。したが
って、シリコン系半導体を用いたトランジスタの上層に酸化物半導体を用いたトランジス
タを積層して設ける場合、これらの間に水素をブロックする機能を有する絶縁体３８０を
設けることが好ましい。絶縁体３８０より下層に水素を閉じ込めることで、トランジスタ
３５１の信頼性が向上させることができる。さらに、絶縁体３８０より下層から、絶縁体
３８０より上層に水素が拡散することを抑制できるため、トランジスタ３５２およびトラ
ンジスタ３５３などの信頼性を向上させることができる。さらに、導電体３９０ａ、導電
体３９０ｂおよび導電体３９０ｅが形成されることにより、絶縁体３８０に形成されてい
るビアホールを通じて上層に水素が拡散することも抑制できるため、トランジスタ３５２
およびトランジスタ３５３などの信頼性を向上させることができる。

また、図４８の断面図において、層３１０に設けるフォトダイオード３６０と、層３３０
に設けるトランジスタとを重なるように形成することができる。そうすると、画素の集積
度を高めることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。

また、撮像装置の一部または全部を湾曲させてもよい。撮像装置を湾曲させることで、像
面湾曲や非点収差を低減することができる。よって、撮像装置と組み合わせて用いるレン
ズなどの光学設計を容易とすることができる。例えば、収差補正のためのレンズ枚数を低
減できるため、撮像装置を用いた電子機器などの小型化や軽量化を実現することができる
。また、撮像された画像の品質を向上させる事ができる。

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

（実施の形態８）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係るトランジスタなどを利用した電子機器に
ついて説明する。

＜電子機器＞
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備
えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ
等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いること
ができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器と
して、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ
、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプ
レイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオ
プレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ
払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図４９に示
す。

図４９（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体１９０１、筐体１９０２、表示部１９０３、
表示部１９０４、マイクロフォン１９０５、スピーカー１９０６、操作キー１９０７、ス
タイラス１９０８等を有する。なお、図４９（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表
示部１９０３と表示部１９０４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は
、これに限定されない。

図４９（Ｂ）は携帯データ端末であり、第１筐体１９１１、第２筐体１９１２、第１表示
部１９１３、第２表示部１９１４、接続部１９１５、操作キー１９１６等を有する。第１
表示部１９１３は第１筐体１９１１に設けられており、第２表示部１９１４は第２筐体１
９１２に設けられている。そして、第１筐体１９１１と第２筐体１９１２とは、接続部１
９１５により接続されており、第１筐体１９１１と第２筐体１９１２の間の角度は、接続
部１９１５により変更が可能である。第１表示部１９１３における映像を、接続部１９１
５における第１筐体１９１１と第２筐体１９１２との間の角度にしたがって、切り替える
構成としてもよい。また、第１表示部１９１３および第２表示部１９１４の少なくとも一
方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。なお
、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することが
できる。または、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子
を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。

図４９（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体１９２１、表示部１９２２
、キーボード１９２３、ポインティングデバイス１９２４等を有する。

図４９（Ｄ）は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体１９３１、冷蔵室用扉１９３２、冷凍室用扉
１９３３等を有する。

図４９（Ｅ）はビデオカメラであり、第１筐体１９４１、第２筐体１９４２、表示部１９
４３、操作キー１９４４、レンズ１９４５、接続部１９４６等を有する。操作キー１９４
４およびレンズ１９４５は第１筐体１９４１に設けられており、表示部１９４３は第２筐
体１９４２に設けられている。そして、第１筐体１９４１と第２筐体１９４２とは、接続
部１９４６により接続されており、第１筐体１９４１と第２筐体１９４２の間の角度は、
接続部１９４６により変更が可能である。表示部１９４３における映像を、接続部１９４
６における第１筐体１９４１と第２筐体１９４２との間の角度にしたがって切り替える構
成としてもよい。

図４９（Ｆ）は自動車であり、車体１９５１、車輪１９５２、ダッシュボード１９５３、
ライト１９５４等を有する。

なお、本実施の形態において、本発明の一態様について述べた。ただし、本発明の一態様
は、これらに限定されない。つまり、本実施の形態などでは、様々な発明の態様が記載さ
れているため、本発明の一態様は、特定の態様に限定されない。例えば、本発明の一態様
として、トランジスタのチャネル形成領域、ソースドレイン領域などが、酸化物半導体を
有する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。場合によっては、
または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタのチ
ャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、様々な半導体を有
していてもよい。場合によっては、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々
なトランジスタ、トランジスタのチャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレ
イン領域などは、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコ
ン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、または
、有機半導体などの少なくとも一つを有していてもよい。または例えば、場合によっては
、または、状況に応じて、本発明の一態様における様々なトランジスタ、トランジスタの
チャネル形成領域、または、トランジスタのソースドレイン領域などは、酸化物半導体を
有していなくてもよい。

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態および実施
例と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態９）
本実施の形態においては、本発明の一態様に係る半導体ウエハー、チップおよび電子部品
について説明する。

＜半導体ウエハー、チップ＞
図５４（Ａ）は、ダイシング処理が行なわれる前の基板７１１の上面図を示している。基
板７１１としては、例えば、半導体基板（「半導体ウエハー」ともいう。）を用いること
ができる。基板７１１上には、複数の回路領域７１２が設けられている。回路領域７１２
には、本発明の一態様に係る半導体装置や、ＣＰＵ、ＲＦタグ、またはイメーセンサなど
を設けることができる。

複数の回路領域７１２は、それぞれが分離領域７１３に囲まれている。分離領域７１３と
重なる位置に分離線（「ダイシングライン」ともいう。）７１４が設定される。分離線７
１４に沿って基板７１１を切断することで、回路領域７１２を含むチップ７１５を基板７
１１から切り出すことができる。図５４（Ｂ）にチップ７１５の拡大図を示す。

また、分離領域７１３に導電層や半導体層を設けてもよい。分離領域７１３に導電層や半
導体層を設けることで、ダイシング工程時に生じうるＥＳＤを緩和し、ダイシング工程の
歩留まり低下を防ぐことができる。また、一般にダイシング工程は、基板の冷却、削りく
ずの除去、帯電防止などを目的として、炭酸ガスなどを溶解させて比抵抗を下げた純水を
切削部に流しながら行なわれる。分離領域７１３に導電層や半導体層を設けることで、当
該純水の使用量を削減することができる。よって、半導体装置の生産コストを低減するこ
とができる。また、半導体装置の生産性を高めることができる。

分離領域７１３に設ける半導体層としては、バンドギャップが２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ
以下、好ましくは２．７ｅＶ以上３．５ｅＶ以下の材料を用いることが好ましい。このよ
うな材料を用いると、蓄積された電荷をゆっくりと放電することができるため、ＥＳＤに
よる電荷の急激な移動が抑えられ、静電破壊を生じにくくすることができる。

＜電子部品＞
チップ７１５を電子部品に適用する例について、図５５を用いて説明する。なお、電子部
品は、半導体パッケージ、またはＩＣ用パッケージともいう。電子部品は、端子取り出し
方向や、端子の形状に応じて、複数の規格や名称が存在する。

電子部品は、組み立て工程（後工程）において、上記実施の形態に示した半導体装置と該
半導体装置以外の部品が組み合わされて完成する。

図５５（Ａ）に示すフローチャートを用いて、後工程について説明する。前工程において
上記実施の形態に示した半導体装置を有する素子基板が完成した後、該素子基板の裏面（
半導体装置などが形成されていない面）を研削する「裏面研削工程」を行なう（ステップ
Ｓ７２１）。研削により素子基板を薄くすることで、素子基板の反りなどを低減し、電子
部品の小型化を図ることができる。

次に、素子基板を複数のチップ（チップ７１５）に分離する「ダイシング工程」を行う（
ステップＳ７２２）。そして、分離したチップを個々ピックアップしてリードフレーム上
に接合する「ダイボンディング工程」を行う（ステップＳ７２３）。ダイボンディング工
程におけるチップとリードフレームとの接合は、樹脂による接合や、テープによる接合な
ど、適宜製品に応じて適した方法を選択する。なお、リードフレームに代えてインターポ
ーザ基板上にチップを接合してもよい。

次いで、リードフレームのリードとチップ上の電極とを、金属の細線（ワイヤー）で電気
的に接続する「ワイヤーボンディング工程」を行う（ステップＳ７２４）。金属の細線に
は、銀線や金線を用いることができる。また、ワイヤーボンディングは、ボールボンディ
ングや、ウェッジボンディングを用いることができる。

ワイヤーボンディングされたチップは、エポキシ樹脂などで封止される「封止工程（モー
ルド工程）」が施される（ステップＳ７２５）。封止工程を行うことで電子部品の内部が
樹脂で充填され、チップに内蔵される回路部やチップとリードを接続するワイヤーを機械
的な外力から保護することができ、また水分や埃による特性の劣化（信頼性の低下）を低
減することができる。

次いで、リードフレームのリードをめっき処理する「リードめっき工程」を行なう（ステ
ップＳ７２６）。めっき処理によりリードの錆を防止し、後にプリント基板に実装する際
のはんだ付けをより確実に行うことができる。次いで、リードを切断および成形加工する
「成形工程」を行なう（ステップＳ７２７）。

次いで、パッケージの表面に印字処理（マーキング）を施す「マーキング工程」を行なう
（ステップＳ７２８）。そして外観形状の良否や動作不良の有無などを調べる「検査工程
」（ステップＳ７２９）を経て、電子部品が完成する（ステップＳ７２９）。

また、完成した電子部品の斜視模式図を図５５（Ｂ）に示す。図５５（Ｂ）では、電子部
品の一例として、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）の斜視模式図を示して
いる。図５５（Ｂ）に示す電子部品７５０は、リード７５５および半導体装置７５３を示
している。半導体装置７５３としては、上記実施の形態に示した半導体装置などを用いる
ことができる。

図５５（Ｂ）に示す電子部品７５０は、例えばプリント基板７５２に実装される。このよ
うな電子部品７５０が複数組み合わされて、それぞれがプリント基板７５２上で電気的に
接続されることで電子部品が実装された基板（実装基板７５４）が完成する。完成した実
装基板７５４は、電子機器などに用いられる。

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

本実施例では、本発明に係るプラズマ処理の効果を確認した。窒素を有する金属としては
ＡＬＤ法を用いた窒化タンタル膜を用いた。該窒化タンタル膜にプラズマ処理を行いシー
ト抵抗値の変動を測定し、またＸＰＳ（Ｘｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｏｒｏｎ Ｓｐ
ｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析を行った。

試料は、ガラス基板上にＡＬＤ法を用いて、窒化タンタル膜を３０ｎｍの膜厚で成膜した
。プリカーサ―は、ペンタキス（ジメチルアミノ）タンタルを用いた。

次に、該窒化タンタルの膜厚測定およびシート抵抗値測定を行った。膜厚の測定は、エリ
プソメトリ法を用い、シート抵抗値の測定はシート抵抗測定器を用いた。次に、プラズマ
処理を行った。本実施例では、逆スパッタの機能を有するスパッタ装置を用いてアルゴン
ガスを用いた逆スパッタ処理をプラズマ処理とした。

逆スパッタの条件を試料により変更した。即ち、試料１は、投入パワー５０Ｗ、処理時間
３０秒、試料２は、投入パワー５０Ｗ、処理時間６０秒、試料３は、投入パワー１００Ｗ
、処理時間３０秒、試料４は、投入パワー１００Ｗ、処理時間６０秒、試料５は、投入パ
ワー１５０Ｗ、処理時間６０秒、試料６は、パワー投入２００Ｗ、処理時間６０秒とした
。試料７は、比較試料として逆スパッタ処理を行わなかった。

次に、逆スパッタ処理後の試料１乃至試料６の膜厚測定とシート抵抗値を測定した。また
、試料２、４、５、６および７の膜表面についてＸＰＳ分析を行った。また、試料７は、
膜の深さ方向のＸＰＳ分析も行った。

図５０に逆スパッタの投入パワーおよび処理時間による窒化タンタル膜の膜減り量のグラ
フを示す。投入パワーを大きくすると窒化タンタルの膜減り量が増加し、投入パワー２０
０Ｗ、処理時間６０秒では、約４．３ｎｍの膜減り量であった。

図５１に逆スパッタ処理条件による窒化タンタル膜のシート抵抗値の変動のグラフを示す
。逆スパッタの投入パワー５０Ｗでは、処理時間を６０秒としてもシート抵抗値の変動量
は小さかった。投入パワー１００Ｗ、処理時間６０秒、投入パワー１５０Ｗ、処理時間６
０秒、投入パワー２００Ｗ、処理時間６０秒では、シート抵抗値の変動が大きく、投入パ
ワー２００Ｗ、処理時間６０秒の処理が最も変動が大きく、成膜後のシート抵抗値２５０
ＫΩ／□に対して、逆スパッタ処理後は、約１２ＫΩ／□と大きく低下することが解った
。

図５２は、試料２、４、５、６および７の膜表面についてのＸＰＳ分析結果である。図５
２中の表記は、試料２は５０Ｗ、試料４は１００Ｗ、試料５は１５０Ｗ、試料６は２００
Ｗ、試料７は成膜後に対応する。横軸は、束縛エネルギー（Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇ
ｙ）を表し、縦軸は束縛エネルギーに対応した信号強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を表す。

図５２によると、逆スパッタ処理を行うと束縛エネルギーの高いスペクトル強度が低下し
、低束縛エネルギーのスペクトル強度が強くなり、その傾向は投入パワーを大きくする方
が大きかった。つまり逆スパッタ処理を行うと低束縛エネルギーの高い方から低い方に向
かって酸化タンタルから酸化窒化タンタルへ、酸化窒化タンタルから窒化タンタルへと膜
組成が変化していることが解った。

図５３に試料７の深さ方向のＸＰＳ分析結果を示す。図５３は、試料７の膜表面からガラ
スまでの深さ方向のタンタル（Ｔａ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）およびシリコン（Ｓｉ）
のプロファイルを示している。図５３によると、窒化タンタルの膜の最表面から約２ｎｍ
から３ｎｍの深さでは、酸素（Ｏ）の割合が大きく６０ａｔｏｍｉｃ％近くであり、窒素
（Ｎ）は２０ａｔｏｍｉｃ％以下と低く、酸化タンタルに近い組成である。また、膜表面
約２ｎｍから３ｎｍより深くは、酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）との割合が表面付近とは逆転し
、酸素の割合は４ａｔｏｍｉｃ％から６ａｔｏｍｉｃ％であり、窒素（Ｎ）は、約４０ａ
ｔｏｍｉｃ％であった。

以上の結果から、膜の最表面から約２ｎｍから３ｎｍの深さまで、逆スパッタ処理により
、酸素（Ｏ）の割合の大きな、高い電気抵抗値の膜を除去し、電気抵抗値の低い窒化タン
タルを形成することができる。この結果は、逆スパッタ処理条件２００Ｗ、６０秒で低い
シート抵抗値が得られた結果と一致する。

１２ 導電体
１３ 絶縁体
１３ａ 絶縁体
１４ 絶縁体
１４ａ 絶縁体
１４ｂ 絶縁体
１５ 絶縁体
１５ａ 絶縁体
１５ｂ 絶縁体
１５ｃ 絶縁体
１６ ハードマスク
１６ａ ハードマスク
１７ 開口
１７ａ 開口
１７ｂ 開口
１７ｃ 開口
１７ｄ 開口
１７ｅ 開口
１７ｅａ 開口
１７ｅｂ 開口
１７ｆ 開口
１７ｆａ 開口
１７ｆｂ 開口
１７ｇ 開口
１７ｇａ 開口
１７ｇｂ 開口
１７ｈ 開口
１７ｈａ 開口
１７ｈｂ 開口
１７ｉ 開口
１７ｉａ 開口
１７ｉｂ 開口
１７ｊ 開口
１７ｊａ 開口
１７ｊｂ 開口
１７ｋ 開口
１７ｋａ 開口
１７ｋｂ 開口
１８ａ レジストマスク
２０ 金属
２０ａ 金属
２１ 導電体
２１ａ 導電体
２１ｂ 導電体
２２ａ 導電体
３０ 素子層
３１ａ 導電体
３１ｂ 導電体
３１ｃ 導電体
３１ｄ 導電体
３１ｅ 導電体
３２ａ 導電体
３２ｂ 導電体
３２ｃ 導電体
３２ｄ 導電体
３２ｅ 導電体
３３ａ 導電体
３３ｂ 導電体
３３ｅ 導電体
４０ 素子層
４１ａ 導電体
４１ｂ 導電体
４１ｃ 導電体
４１ｄ 導電体
４１ｅ 導電体
４２ａ 導電体
４２ｂ 導電体
４２ｃ 導電体
４２ｄ 導電体
４２ｅ 導電体
４３ａ 導電体
４３ｂ 導電体
４３ｃ 導電体
４３ｄ 導電体
５０ 素子層
５１ａ 導電体
５１ｂ 導電体
５１ｃ 導電体
５２ａ 導電体
５２ｂ 導電体
５２ｃ 導電体
５５ａ 絶縁体
５５ｂ 絶縁体
５５ｃ 絶縁体
５５ｄ 絶縁体
５５ｅ 絶縁体
５８ 絶縁体
５９ 絶縁体
６０ 処理時間
６０ａ トランジスタ
６０ｂ トランジスタ
６１ 絶縁体
６２ａ 導電体
６２ｂ 導電体
６３ 絶縁体
６４ 絶縁体
６５ 絶縁体
６６ａ 絶縁体
６６ｂ 半導体
６６ｃ 絶縁体
６６ｃａ 絶縁体
６６ｃｂ 絶縁体
６７ 絶縁体
６８ 導電体
６８ａ 導電体
６８ｂ 導電体
６９ａ 絶縁体
６９ｂ 半導体
６９ｃ 絶縁体
７２ 絶縁体
７２ａ 絶縁体
７４ 導電体
７６ 絶縁体
７７ 絶縁体
７８ 絶縁体
７９ 絶縁体
８０ａ 容量素子
８０ｂ 容量素子
８０ｃ 容量素子
８１ 絶縁体
８２ 導電体
８２ａ 導電体
８２ｂ 導電体
８３ 絶縁体
８３ａ 絶縁体
８３ｂ 絶縁体
８３ｃ 絶縁体
８４ 導電体
８５ 絶縁体
８６ 絶縁体
８７ 導電体
８８ 絶縁体
８９ 絶縁体
９０ａ トランジスタ
９０ｂ トランジスタ
９１ 半導体基板
９２ａ 低抵抗領域
９２ｂ 低抵抗領域
９３ａ 低抵抗領域
９３ｂ 低抵抗領域
９４ 絶縁体
９５ 絶縁体
９６ 導電体
９７ 素子分離領域
９８ 絶縁体
９９ 絶縁体
１０２ａ 絶縁体
１０２ｂ 絶縁体
１０４ 絶縁体
１０６ 絶縁体
１０６ａ 絶縁体
１０６ｂ 半導体
１０８ 絶縁体
１１０ 絶縁体
１１１ａ 導電体
１１１ｂ 導電体
１１１ｃ 導電体
１１２ａ 導電体
１１２ｂ 導電体
１１２ｃ 導電体
１１９ 絶縁体
１２１ａ 導電体
１２１ｂ 導電体
１２１ｃ 導電体
１２２ａ 導電体
１２２ｂ 導電体
１２２ｃ 導電体
１３１ 導電体
１３２ 導電体
１３３ 導電体
１３４ 絶縁体
１３６ 絶縁体
１３８ スクライブライン
２００ 撮像装置
２０１ スイッチ
２０２ スイッチ
２０３ スイッチ
２１０ 画素部
２１１ 画素
２１２ 副画素
２１２Ｂ 副画素
２１２Ｇ 副画素
２１２Ｒ 副画素
２２０ 光電変換素子
２３０ 画素回路
２３１ 配線
２４７ 配線
２４８ 配線
２４９ 配線
２５０ 配線
２５０Ｋ シート抵抗値
２５３ 配線
２５４ フィルタ
２５４Ｂ フィルタ
２５４Ｇ フィルタ
２５４Ｒ フィルタ
２５５ レンズ
２５６ 光
２５７ 配線
２６０ 周辺回路
２７０ 周辺回路
２８０ 周辺回路
２９０ 周辺回路
２９１ 光源
３００ シリコン基板
３１０ 層
３２０ 層
３３０ 層
３４０ 層
３５１ トランジスタ
３５２ トランジスタ
３５３ トランジスタ
３６０ フォトダイオード
３６１ アノード
３６３ 低抵抗領域
３７０ プラグ
３７１ 配線
３７２ 配線
３７３ 配線
３７９ 絶縁体
３８０ 絶縁体
３８１ 絶縁体
３９０ａ 導電体
３９０ｂ 導電体
３９０ｃ 導電体
３９０ｄ 導電体
３９０ｅ 導電体
４００ 半導体装置
４０１ ＣＰＵコア
４０２ パワーコントローラ
４０３ パワースイッチ
４０４ キャッシュ
４０５ バスインターフェース
４０６ デバッグインターフェース
４０７ 制御装置
４０８ ＰＣ
４０９ パイプラインレジスタ
４１０ パイプラインレジスタ
４１１ ＡＬＵ
４１２ レジスタファイル
４２１ パワーマネージメントユニット
４２２ 周辺回路
４２３ データバス
５００ 半導体装置
５０１ 記憶回路
５０２ 記憶回路
５０３ 記憶回路
５０４ 回路
５０９ トランジスタ
５１０ トランジスタ
５１２ トランジスタ
５１３ トランジスタ
５１５ トランジスタ
５１７ トランジスタ
５１８ トランジスタ
５１９ 容量素子
５２０ 容量素子
５４０ 配線
５４１ 配線
５４２ 配線
５４３ 配線
５４４ 配線
７１１ 基板
７１２ 回路領域
７１３ 分離領域
７１４ 分離線
７１５ チップ
７５０ 電子部品
７５２ プリント基板
７５３ 半導体装置
７５４ 実装基板
７５５ リード
８００ インバータ
８１０ ＯＳトランジスタ
８２０ ＯＳトランジスタ
８３１ 信号波形
８３２ 信号波形
８４０ 破線
８４１ 実線
８５０ ＯＳトランジスタ
８６０ ＣＭＯＳインバータ
９００ 半導体装置
９０１ 電源回路
９０２ 回路
９０３ 電圧生成回路
９０３Ａ 電圧生成回路
９０３Ｂ 電圧生成回路
９０３Ｃ 電圧生成回路
９０３Ｄ 電圧生成回路
９０３Ｅ 電圧生成回路
９０４ 回路
９０５ 電圧生成回路
９０５Ａ 電圧生成回路
９０５Ｅ 電圧生成回路
９０６ 回路
９１１ トランジスタ
９１２ トランジスタ
９１２Ａ トランジスタ
９１２Ｂ トランジスタ
９２１ 制御回路
９２２ トランジスタ
１９０１ 筐体
１９０２ 筐体
１９０３ 表示部
１９０４ 表示部
１９０５ マイクロフォン
１９０６ スピーカー
１９０７ 操作キー
１９０８ スタイラス
１９１１ 筐体
１９１２ 筐体
１９１３ 表示部
１９１４ 表示部
１９１５ 接続部
１９１６ 操作キー
１９２１ 筐体
１９２２ 表示部
１９２３ キーボード
１９２４ ポインティングデバイス
１９３１ 筐体
１９３２ 冷蔵室用扉
１９３３ 冷凍室用扉
１９４１ 筐体
１９４２ 筐体
１９４３ 表示部
１９４４ 操作キー
１９４５ レンズ
１９４６ 接続部
１９５１ 車体
１９５２ 車輪
１９５３ ダッシュボード
１９５４ ライト
２１００ トランジスタ
２２００ トランジスタ
３００１ 配線
３００２ 配線
３００３ 配線
３００４ 配線
３００５ 配線
３００６ 配線
３２００ トランジスタ
３３００ トランジスタ
３４００ 容量素子
３５００ トランジスタ
４００１ 配線
４００３ 配線
４００５ 配線
４００６ 配線
４００７ 配線
４００８ 配線
４００９ 配線
４０２１ 層
４０２２ 層
４０２３ 層
４１００ トランジスタ
４２００ トランジスタ
４３００ トランジスタ
４４００ トランジスタ
４５００ 容量素子
４６００ 容量素子

Claims (2)

1. 第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタの上層に配置される第２のトランジスタと、容量素子と、第１の導電層と、第２の導電層と、第３の導電層と、第４の導電層と、第５の導電層と、を有し、
   前記第１の導電層と前記第２の導電層と前記第３の導電層とは、前記第１のトランジスタを有する層と前記第２のトランジスタを有する層とを電気的に接続する第１の接続部材として機能し、
   前記第４の導電層と前記第５の導電層とは、前記第２のトランジスタのソース又はドレインと前記容量素子の一方の電極とを電気的に接続する第２の接続部材として機能する半導体装置であって、
   前記第１の導電層の上方に第１の絶縁層が配置され、
   前記第１の絶縁層の上方に第２の絶縁層が配置され、
   前記第２の絶縁層の上方に第３の絶縁層が配置され、
   前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層と前記第３の絶縁層とを貫通する第１の開口部の内部に、前記第２の導電層が配置され、
   前記第１の開口部の断面視において、前記第２の絶縁層の側面と底面とがなす角度は、前記第３の絶縁層の側面と底面とがなす角度よりも小さく、
   前記第１の開口部の内部において、前記第２の導電層の上方に前記第３の導電層が配置され、
   前記第２の導電層は、前記第１の開口部において前記第１の導電層と電気的に接続され、
   前記第２の導電層は、前記第１の導電層の上面と重なる第１の領域と、前記第１の絶縁層の側面に沿う第２の領域と、前記第２の絶縁層の側面に沿う第３の領域と、前記第３の絶縁層の側面に沿う第４の領域と、を有し、
   前記第２の絶縁層は、酸化ハフニウムを有し、
   前記第２の導電層は、窒化チタンを有し、
   前記第３の導電層は、タングステンを有し、
   前記第２のトランジスタのソース又はドレインと、前記容量素子の一方の電極との間に第４の絶縁層が配置され、
   前記第４の絶縁層を貫通する第２の開口部の内部に、前記第４の導電層及び前記第５の導電層が配置され、
   前記第１の接続部材の上部は、平面視において延伸する領域を有する配線として機能し、
   前記第２の接続部材は、平面視において円状の形状である、半導体装置。
2. 請求項１において、
   平面視において、前記第２の接続部材の面積は、前記第１の接続部材の面積よりも小さい、半導体装置。

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