半导体装置及其工作方法与流程

characteristics of transistor using oxide semiconductor material，indium-gallium-zinc oxide，”jpn.j.appl.phys.，vol.51，021201(2012).
13.[非专利文献4]s.yamazaki et al.，“sid symposium digest of technical papers”，2012，volume 43，issue 1，p.183-186


技术实现要素：

[0014]
发明所要解决的技术问题
[0015]
例如，在包括非反相输入端子及反相输入端子的放大器中，有如下问题：在开关电容放大器对输入信号进行采样并将其保持在电容器中的期间，即使非反相输入端子与反相输入端子的电位差为0v也输出的偏置电压、功率与频率成反比且难以用滤波器消除的1/f噪声、自由电子因热能不规则移动导致的热噪声等放大器引起的噪声叠加到输出上，难以消除该噪声。
[0016]
本发明的一个方式的目的之一是提供一种减轻放大器引起的噪声给输出带来的影响的开关电容放大器。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括放大器的半导体装置，其中减轻放大器引起的噪声给输出带来的影响。此外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括放大器的半导体装置，其中提高放大器的精度。
[0017]
注意，本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的，只要可以实现至少一个目的即可。另外，上述目的的记载不妨碍其他目的的存在。上述以外的目的自可从说明书、权利要求书、附图等的记载显而易见，且可以从说明书、权利要求书、附图等的记载中抽出上述以外的目的。
[0018]
解决技术问题的手段
[0019]
本发明的一个方式是一种半导体装置，包括：开关；第一及第二电容器；第一及第二斩波电路；放大器；第一及第二输入端子；以及第一及第二输出端子。放大器包括非反相输入端子、反相输入端子、反相输出端子及非反相输出端子。在第一期间，半导体装置使第一输入端子与第一电容器的一个端子电连接，使第二输入端子与第二电容器的一个端子电连接，使第一电容器的另一个端子与第一输出端子电连接，使第二电容器的另一个端子与第二输出端子电连接，第一斩波电路使第一电容器的另一个端子与非反相输入端子电连接，使第二电容器的另一个端子与反相输入端子电连接，第二斩波电路使反相输出端子与第一输出端子电连接，使非反相输出端子与第二输出端子电连接。在第二期间，半导体装置使第一电容器的一个端子与第一输出端子电连接，使第二电容器的一个端子与第二输出端子电连接，第一斩波电路使第一电容器的另一个端子与非反相输入端子电连接，使第二电容器的另一个端子与反相输入端子电连接，第二斩波电路使反相输出端子与第一输出端子电连接，使非反相输出端子与第二输出端子电连接。在第三期间，半导体装置使第一电容器的一个端子与第一输出端子电连接，使第二电容器的一个端子与第二输出端子电连接，第一斩波电路使第一电容器的另一个端子与反相输入端子电连接，使第二电容器的另一个端子与非反相输入端子电连接，并且，第二斩波电路使非反相输出端子与第一输出端子电连接，使反相输出端子与第二输出端子电连接。
[0020]
在上述方式中，开关、第一斩波电路及第二斩波电路包括晶体管，并且晶体管分别在沟道形成区域中包含金属氧化物。
[0021]
本发明的一个方式是一种半导体装置的工作方法，该半导体装置包括：开关；第一及第二电容器；第一及第二斩波电路；放大器；第一及第二输入端子；以及第一及第二输出端子。放大器包括非反相输入端子、反相输入端子、反相输出端子及非反相输出端子。在第一期间，半导体装置使第一输入端子与第一电容器的一个端子电连接，使第二输入端子与第二电容器的一个端子电连接，使第一电容器的另一个端子与第一输出端子电连接，使第二电容器的另一个端子与第二输出端子电连接，第一斩波电路使第一电容器的另一个端子与非反相输入端子电连接，使第二电容器的另一个端子与反相输入端子电连接，第二斩波电路使反相输出端子与第一输出端子电连接，使非反相输出端子与第二输出端子电连接。在第二期间，半导体装置使第一电容器的一个端子与第一输出端子电连接，使第二电容器的一个端子与第二输出端子电连接，第一斩波电路使第一电容器的另一个端子与非反相输入端子电连接，使第二电容器的另一个端子与反相输入端子电连接，第二斩波电路使反相输出端子与第一输出端子电连接，使非反相输出端子与第二输出端子电连接。在第三期间，半导体装置使第一电容器的一个端子与第一输出端子电连接，使第二电容器的一个端子与第二输出端子电连接，第一斩波电路使第一电容器的另一个端子与反相输入端子电连接，使第二电容器的另一个端子与非反相输入端子电连接，第二斩波电路使非反相输出端子与第一输出端子电连接，使反相输出端子与第二输出端子电连接。
[0022]
在上述方式中，开关、第一斩波电路及第二斩波电路包括晶体管，并且晶体管分别在沟道形成区域中包含金属氧化物。
[0023]
本发明的一个方式是一种半导体装置，包括：第一至第六开关；第一及第二电容器；第一及第二斩波电路；放大器；第一及第二输入端子；以及第一及第二输出端子。放大器包括非反相输入端子、反相输入端子、反相输出端子及非反相输出端子，第一斩波电路包括第一至第四端子，第二斩波电路包括第五至第八端子。第一输入端子与第一开关的一个端子电连接，第二输入端子与第二开关的一个端子电连接，第一开关的另一个端子与第三开关的一个端子及第一电容器的一个端子电连接，第二开关的另一个端子与第四开关的一个端子及第二电容器的一个端子电连接，第一电容器的另一个端子与第五开关的一个端子及第一端子电连接，第二电容器的另一个端子与第六开关的一个端子及第二端子电连接。第三端子与非反相输入端子电连接，第四端子与反相输入端子电连接，反相输出端子与第五端子电连接，非反相输出端子与第六端子电连接，第七端子与第三开关的另一个端子、第五开关的另一个端子及第一输出端子电连接，第八端子与第四开关的另一个端子、第六开关的另一个端子及第二输出端子电连接。在第一期间，第一斩波电路具有使第一端子与第三端子处于导通状态的功能及使第二端子与第四端子处于导通状态的功能，第二斩波电路具有使第五端子与第七端子处于导通状态的功能及使第六端子与第八端子处于导通状态的功能。在第二期间，第一斩波电路具有使第一端子与第四端子处于导通状态的功能及使第二端子与第三端子处于导通状态的功能，第二斩波电路具有使第五端子与第八端子处于导通状态的功能及使第六端子与第七端子处于导通状态的功能。
[0024]
在上述方式中，第一至第六开关、第一斩波电路及第二斩波电路包括晶体管，并且晶体管分别在沟道形成区域中包含金属氧化物。
[0025]
发明效果
[0026]
根据本发明的一个方式可以提供一种减轻放大器引起的噪声给输出带来的影响
的开关电容放大器。另外，根据本发明的一个方式可以提供一种包括放大器的半导体装置，其中减轻放大器引起的噪声给输出带来的影响。此外，根据本发明的一个方式可以提供一种包括放大器的半导体装置，其中提高放大器的精度。
[0027]
注意，上述效果的记载不妨碍其他效果的存在。注意，本发明的一个方式并不需要具有所有上述效果，只要可以具有至少一个效果即可。上述以外的效果自可从说明书、权利要求书、附图等的记载显而易见，且可以从说明书、权利要求书、附图等的记载中抽出上述以外的效果。
附图说明
[0028]
图1a是示出半导体装置的结构例子的方框图。图1b、图1d及图1f是示出表示开关的图形符号的图。图1c、图1e及图1g是示出开关的结构例子的电路图。
[0029]
图2a是示出表示斩波电路的图形符号的图。图2b是示出斩波电路的结构例子的电路图。图2c是示出表示放大器的图形符号的图。图2d是示出放大器的结构例子的电路图。
[0030]
图3是示出半导体装置的工作例子的时序图。
[0031]
图4a至图4c是示出半导体装置的等效电路的图。
[0032]
图5是示出半导体装置的结构例子的截面图。
[0033]
图6a至图6c是示出晶体管的结构例子的截面图。
[0034]
图7a是示出晶体管的结构例子的俯视图。图7b及图7c是示出晶体管的结构例子的截面图。
[0035]
图8a是示出晶体管的结构例子的俯视图。图8b及图8c是示出晶体管的结构例子的截面图。
[0036]
图9a是示出晶体管的结构例子的俯视图。图9b及图9c是示出晶体管的结构例子的截面图。
[0037]
图10a是示出晶体管的结构例子的俯视图。图10b及图10c是示出晶体管的结构例子的截面图。
[0038]
图11a是示出晶体管的结构例子的俯视图。图11b及图11c是示出晶体管的结构例子的截面图。
[0039]
图12a是示出晶体管的结构例子的俯视图。图12b及图12c是示出晶体管的结构例子的截面图。
[0040]
图13a及图13b是示出晶体管的结构例子的截面图。
[0041]
图14是示出半导体装置的结构例子的截面图。
[0042]
图15a及图15b是示出晶体管的结构例子的截面图。
[0043]
图16a是说明igzo的结晶结构的分类的图。图16b是说明caac-igzo膜的xrd谱的图。图16c是说明caac-igzo膜的纳米束电子衍射图案的图。
具体实施方式
[0044]
下面，参照附图对实施方式进行说明。注意，所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实，就是实施方式可以以多个不同形式来实施，其方式和详细内容可以在不脱离本发明的宗旨及其范围的条件下被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该
被解释为仅限定在以下所示的实施方式所记载的内容中。
[0045]
下面所示的多个实施方式可以适当地组合。另外，当在一个实施方式中示出多个结构例子时，可以适当地相互组合这些结构例子。
[0046]
本说明书的方框图示出在独立的方框中根据其功能进行分类的构成要素，但是，实际的构成要素难以根据功能被清楚地划分，一个构成要素有时具有多个功能。
[0047]
在附图等中，为了方便起见，有时夸大表示大小、层的厚度或区域等。因此，本发明并不局限于附图中的尺寸。在附图中，示意性地示出理想的例子，因此本发明不局限于附图所示的形状或数值等。
[0048]
在附图等中，有时使用同一附图标记表示同一构成要素、具有相同功能的构成要素、由同一材料形成的构成要素或者同时形成的构成要素等，并且有时省略重复说明。
[0049]
在本说明书等中，“膜”和“层”可以相互调换。例如，有时可以将“导电层”调换为“导电膜”。此外，有时可以将“绝缘膜”调换为“绝缘层”。
[0050]
在本说明书等中，“上”或“下”等表达配置的词句不局限于构成要素的位置关系为“直接在
…
之上”或“直接在
…
之下”。例如，“栅极绝缘层上的栅电极”包括在栅极绝缘层和栅电极之间包含另一构成要素的情况。
[0051]
另外，本说明书等中的“第一”、“第二”、“第三”等序数词是为了避免构成要素的混淆而附记的，而不是用于在数目方面上进行限制。
[0052]
另外，在本说明书等中，在使用同一符号表示多个构成要素时，尤其在需要区分它们时，有时对符号附加“_1”、“_2”、“[n]”、“[m，n]”等用于识别的符号。例如，将第二布线gl记载为布线gl[2]。
[0053]
在本说明书等中，“电连接”包括通过“具有某种电作用的元件”连接的情况。这里，“具有某种电作用的元件”只要可以进行连接对象间的电信号的授受，就对其没有特别的限制。例如，“具有某种电作用的元件”不仅包括电极和布线，而且还包括晶体管等的开关元件、电阻器、电感器、电容元件、其他具有各种功能的元件等。因此，即便记载为“电连接”，在实际电路中有时存在没有物理连接的部分而只是布线延伸的情况。
[0054]
另外，在本说明书等中，“电极”或“布线”不在功能上限定其构成要素。例如，有时将“电极”用作“布线”的一部分，反之亦然。
[0055]
另外，在本说明书等中，电子电路中的“端子”是指进行电流或电位的输入(或输出)或者信号的接收(或发送)的部分。因此，布线或电极的一部分有时被用作端子。
[0056]
一般而言，“电容元件”具有两个电极隔着绝缘体(电介质)彼此相对的结构。此外，本说明书等包括“电容元件”具有两个电极隔着绝缘体彼此相对的结构、“电容元件”具有两个布线隔着绝缘体彼此相对的结构的情况或者“电容元件”具有两个布线隔着绝缘体配置的结构的情况。在本说明书等中，有时将“电容元件”称为“电容”或“电容器”等。
[0057]
注意，在本说明书等中，“电压”大多是指某个电位与基准电位(例如接地电位)之间的电位差。因此，电压和电位差可以互相调换。
[0058]
在本说明书等中，晶体管是指至少包括源极、漏极以及栅极这三个端子的元件。晶体管在源极(源极端子、源区或源电极)与漏极(漏极端子、漏区或漏电极)之间具有沟道形成区域，并且电流能够通过沟道形成区域流在漏极与源极之间。注意，在本说明书等中，沟道形成区域是指电流主要流过的区域。
[0059]
另外，在使用极性不同的晶体管的情况或电路工作中的电流方向变化的情况等下，源极及漏极的功能有时互相调换。因此，在本说明书等中，源极和漏极可以相互调换。
[0060]
另外，在本说明书等中，在没有特别的说明的情况下，关态电流是指晶体管处于关闭状态(也称为非导通状态、遮断状态)时的漏极电流。在没有特别的说明的情况下，在n沟道型晶体管中，关闭状态是指相对于源极的栅极的电压vgs低于阈值电压vth的状态，在p沟道型晶体管中，关闭状态是指相对于源极的栅极的电压vgs高于阈值电压vth的状态。也就是说，n沟道型晶体管的关态电流有时是指相对于源极的栅极的电压vgs低于阈值电压vth时的漏极电流。
[0061]
在上述关态电流的说明中，可以将漏极换称为源极。也就是说，关态电流有时指晶体管处于关闭状态时的源极电流。另外，泄漏电流有时指与关态电流相同的意思。在本说明书等中，关态电流有时指在晶体管处于关闭状态时流在源极与漏极间的电流。
[0062]
在本说明书等中，通态电流有时指在晶体管处于开启状态(也称为导通状态)时流在源极与漏极间的电流。
[0063]
在本说明书等中，金属氧化物(metal oxide)是指广义上的金属的氧化物。金属氧化物被分类为氧化物绝缘体、氧化物导电体(包括透明氧化物导电体)和氧化物半导体等。
[0064]
例如，在将金属氧化物用于晶体管的沟道形成区域的情况下，有时将该金属氧化物称为氧化物半导体。换言之，在金属氧化物具有放大作用、整流作用和开关作用中的至少一个的情况下，可以将该金属氧化物称为金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor)。也就是说，可以将在沟道形成区域中包含金属氧化物的晶体管称为“氧化物半导体晶体管”、“os晶体管”。同样地，“使用氧化物半导体的晶体管”也是在沟道形成区域中包含金属氧化物的晶体管。
[0065]
此外，在本说明书等中，有时将包含氮的金属氧化物也称为金属氧化物(metal oxide)。此外，也可以将包含氮的金属氧化物称为金属氧氮化物(metal oxynitride)。将在后面说明金属氧化物的详细内容。
[0066]
(实施方式1)
[0067]
在本实施方式中，说明根据本发明的一个方式的半导体装置的结构例子及工作例子。
[0068]
《半导体装置的结构例子》
[0069]
图1a是示出根据本发明的一个方式的半导体装置100的结构例子的方框图。半导体装置100包括开关sw1_1、开关sw1_2、开关sw2_1、开关sw2_2、开关sw3_1、开关sw3_2、电容器c11、电容器c12、斩波电路20_1、斩波电路20_2及放大器30。
[0070]
半导体装置100包括输入端子inp、输入端子inm、输出端子outp及输出端子outm，斩波电路20_1、斩波电路20_2及放大器30分别包括第一端子至第四端子。后面说明斩波电路20_1、斩波电路20_2及放大器30所包括的第一端子至第四端子。
[0071]
注意，在本说明书等中，为了区别具有同样的功能的多个构成要素，使用“_1”或“_2”等符号。就是说，开关sw1_1及开关sw1_2在指任意开关时使用开关sw1的符号进行说明，而在需要指定一个开关时使用开关sw1_1或开关sw1_2的符号进行说明。
[0072]
在本说明书等中，为了说明构成要素间的信号或电位的输入输出，使用“输入端子”、“输出端子”、“端子”等词语表现，在实际上电路有时没有“输入端子”、“输出端子”、“端
子”等物理连接的部分而只有用布线或电极等电连接。
[0073]
在半导体装置100中，输入端子inp与开关sw1_1的一个端子电连接，输入端子inm与开关sw1_2的一个端子电连接，开关sw1_1的另一个端子与开关sw3_1的一个端子及电容器c11的一个端子电连接，开关sw1_2的另一个端子与开关sw3_2的一个端子及电容器c12的一个端子电连接。
[0074]
电容器c11的另一个端子与开关sw2_1的一个端子及斩波电路20_1的第一端子电连接，电容器c12的另一个端子与开关sw2_2的一个端子及斩波电路20_1的第二端子电连接，斩波电路20_1的第三端子与放大器30的第一端子电连接，斩波电路20_1的第四端子与放大器30的第二端子电连接。
[0075]
放大器30的第三端子与斩波电路20_2的第一端子电连接，放大器30的第四端子与斩波电路20_2的第二端子电连接，斩波电路20_2的第三端子与开关sw2_1的另一个端子、开关sw3_1的另一个端子及输出端子outm电连接，斩波电路20_2的第四端子与开关sw2_2的另一个端子、开关sw3_2的另一个端子及输出端子outp电连接。
[0076]
《开关的结构例子》
[0077]
开关sw1例如可以使用晶体管11构成。图1b是示出表示开关sw1的图形符号的图，图1c是示出开关sw1的结构例子的电路图。注意，在图1b等中，将开关sw1所包括的两个端子记为端子t11及端子t12。
[0078]
如图1c所示，开关sw1包括晶体管11，晶体管11的源极和漏极中的一个与端子t11电连接，晶体管11的源极和漏极中的另一个与端子t12电连接。晶体管11的栅极被输入信号s1，开关sw1是由信号s1控制导通状态或非导通状态的开关。就是说，在信号s1为高电平时，端子t11与端子t12成为导通状态，在信号s1为低电平时，端子t11与端子t12成为非导通状态。
[0079]
开关sw2例如可以使用晶体管12构成。图1d是示出表示开关sw2的图形符号的图，图1e是示出开关sw2的结构例子的电路图。注意，在图1d等中，将开关sw2所包括的两个端子记为端子t13及端子t14。开关sw2的结构例子与开关sw1同样，因此省略其说明。开关sw2是由信号s2控制导通状态或非导通状态的开关，在信号s2为高电平时，端子t13与端子t14成为导通状态，在信号s2为低电平时，端子t13与端子t14成为非导通状态。
[0080]
开关sw3例如可以使用晶体管13构成。图1f是示出开关sw3的图形符号的图，图1g是示出开关sw3的结构例子的电路图。注意，在图1f等中，将开关sw3所包括的两个端子记为端子t15及端子t16。开关sw3的结构例子与开关sw1同样，所以省略其说明。开关sw3是由信号s3控制导通状态或非导通状态的开关，在信号s3为高电平时，端子t15与端子t16成为导通状态，在信号s3为低电平时，端子t15与端子t16成为非导通状态。
[0081]
《斩波电路的结构例子》
[0082]
斩波电路20例如可以使用晶体管21至晶体管24构成。图2a是示出表示斩波电路20的图形符号的图，图2b是示出斩波电路20的结构例子的电路图。
[0083]
在图2a等中，将斩波电路20所包括的四个端子记为端子t21至端子t24。注意，在斩波电路20中，端子t21相当于上述第一端子，端子t22相当于上述第二端子，端子t23相当于上述第三端子，端子t24相当于上述第四端子。
[0084]
如图2b所示，斩波电路20包括晶体管21至晶体管24，端子t21与晶体管21的源极和
漏极中的一个及晶体管22的源极和漏极中的一个电连接，端子t22与晶体管23的源极和漏极中的一个及晶体管24的源极和漏极中的一个电连接。端子t23与晶体管21的源极和漏极中的另一个及晶体管24的源极和漏极中的另一个电连接，端子t24与晶体管23的源极和漏极中的另一个及晶体管22的源极和漏极中的另一个电连接。
[0085]
晶体管21的栅极及晶体管23的栅极被输入信号s4，晶体管21及晶体管23由信号s4控制导通状态或非导通状态。晶体管22的栅极及晶体管24的栅极被输入信号s5，晶体管22及晶体管24由信号s5控制导通状态或非导通状态。
[0086]
注意，信号s5为信号s4的反转信号。在信号s4为高电平时，信号s5为低电平，在信号s4为低电平时，信号s5为高电平。就是说，在信号s4为高电平时，端子t21及端子t23处于导通状态，端子t22及端子t24处于导通状态。在信号s4为低电平时，端子t21及端子t24处于导通状态，端子t22及端子t23处于导通状态。
[0087]
《晶体管1》
[0088]
晶体管11至晶体管13及晶体管21至晶体管24可以使用os晶体管。氧化物半导体由于带隙为2ev以上，所以具有关态电流非常小的特性。在os晶体管中例如源极与漏极之间的电压为10v的状态下的每沟道宽度1μm的归一化的关态电流可以为10
×
10-21
a(10仄普托安培)以下。在实施方式2及实施方式3中详细说明os晶体管。
[0089]
os晶体管具有如下特征：由于可以使用薄膜法等方法形成，所以可以在半导体衬底上层叠设置；由于在高温环境下也不增加关态电流，所以例如可以使开关sw1至开关sw3具有高可靠性；由于可以使用与在沟道形成区域中包含硅的晶体管同样的制造装置制造，所以可以以低成本制造；等。
[0090]
晶体管11至晶体管13及晶体管21至晶体管24也可以具有背栅极(也称为第二栅极或底栅极)。例如，在晶体管11包括背栅极时，通过对晶体管11的背栅极施加规定电位，可以增高或降低晶体管11的阈值电压。或者，通过晶体管11的背栅极与晶体管11的栅极(对于背栅极也称为第一栅极、顶栅极或前栅极)电连接，可以增加晶体管11的通态电流。
[0091]
用于os晶体管的沟道形成区域的金属氧化物优选是至少包含in、ga、sn和zn中的一种以上的元素的氧化物。作为这种氧化物，可以使用in-sn-ga-zn氧化物、in-ga-zn氧化物、in-sn-zn氧化物、in-al-zn氧化物、sn-ga-zn氧化物、al-ga-zn氧化物、sn-al-zn氧化物、in-zn氧化物、sn-zn氧化物、al-zn氧化物、zn-mg氧化物、sn-mg氧化物、in-mg氧化物、in-ga氧化物、in氧化物、sn氧化物、zn氧化物等。
[0092]
或者，晶体管11至晶体管13及晶体管21至晶体管24也可以使用os晶体管以外的晶体管。晶体管11至晶体管13及晶体管21至晶体管24优选使用关态电流小的晶体管，例如可以使用在沟道形成区域中包含带隙大的半导体的晶体管。带隙较大的半导体有时是指带隙为2.2ev以上的半导体，例如可以举出碳化硅、氮化镓、金刚石等。
[0093]
《放大器的结构例子》
[0094]
放大器30例如可以使用晶体管31至晶体管39及晶体管41至晶体管44构成。图2c是示出表示放大器30的图形符号的图，图2d是示出放大器30的结构例子的电路图。
[0095]
在图2c等中，将放大器30所包括的四个端子记为端子t31至端子t34。注意，在放大器30中，端子t31相当于上述第一端子，端子t32相当于上述第二端子，端子t33相当于上述第三端子，端子t34相当于上述第四端子。此外，端子t31可以具有放大器30的非反相输入端
子的性质，端子t32可以具有放大器30的反相输入端子的性质，端子t33可以具有放大器30的反相输出端子的性质，端子t34可以具有放大器30的非反相输出端子的性质。
[0096]
如图2d所示，放大器30包括端子t_vdd、端子t_bp、端子t_cp、端子t_com、端子t_cn及端子t_bn。
[0097]
如图2d所示，放大器30包括晶体管31至晶体管39及晶体管41至晶体管44，晶体管31的源极和漏极中的一个与端子t_vdd电连接，晶体管31的源极和漏极中的另一个与晶体管32的源极和漏极中的一个、晶体管33的源极和漏极中的一个、晶体管34的源极和漏极中的一个及晶体管35的源极和漏极中的一个电连接。
[0098]
晶体管32的源极和漏极中的另一个与晶体管41的源极和漏极中的一个及晶体管43的源极和漏极中的一个电连接，晶体管33的源极和漏极中的另一个与被供应基准电位的布线电连接。晶体管34的源极和漏极中的另一个与被供应基准电位的布线电连接，晶体管35的源极和漏极中的另一个与晶体管42的源极和漏极中的一个及晶体管44的源极和漏极中的一个电连接。
[0099]
晶体管36的源极和漏极中的一个及晶体管37的源极和漏极中的一个与端子t_vdd电连接，晶体管36的源极和漏极中的另一个与晶体管38的源极和漏极中的一个电连接，晶体管37的源极和漏极中的另一个与晶体管39的源极和漏极中的一个电连接。晶体管38的源极和漏极中的另一个与端子t33及晶体管41的源极和漏极中的另一个电连接，晶体管39的源极和漏极中的另一个与端子t34及晶体管42的源极和漏极中的另一个电连接，晶体管43的源极和漏极中的另一个及晶体管44的源极和漏极中的另一个与被供应基准电位的布线电连接。
[0100]
晶体管31的栅极、晶体管36的栅极及晶体管37的栅极与端子t_bp电连接，晶体管38的栅极及晶体管39的栅极与端子t_cp电连接，晶体管32的栅极与端子t31电连接，晶体管35的栅极与端子t32电连接。晶体管33的栅极及晶体管34的栅极与端子t_com电连接，晶体管41的栅极及晶体管42的栅极与端子t_cn电连接，晶体管43的栅极及晶体管44的栅极与端子t_bn电连接。
[0101]
注意，端子t_vdd被输入电源电位vdd，端子t_bp、端子t_cp、端子t_com、端子t_cn及端子t_bn分别被输入调整放大器30的工作的偏置电位。例如，端子t_com优选被输入输入到端子t31及端子t32的电位的中心电位。
[0102]
《晶体管2》
[0103]
晶体管31至晶体管39及晶体管41至晶体管44可以使用形成于半导体衬底上的晶体管。只要可以形成晶体管的沟道形成区域，就对半导体衬底没有特别的限制。例如，可以使用单晶硅衬底、单晶锗衬底、化合物半导体衬底(sic衬底、gan衬底等)、soi(silicon on insulator：绝缘体上硅)衬底等。
[0104]
作为soi衬底例如可以使用：通过在对镜面抛光薄片注入氧离子之后进行高温加热，在离表面有一定深度的区域中形成氧化层，并消除产生在表面层中的缺陷来形成的simox(separation by implanted oxygen：注入氧隔离)衬底；利用通过注入氢离子而形成的微小空隙经过加热处理成长而使半导体衬底劈开的智能剥离法或eltran法(注册商标：epitaxial layer transfer：外延层转移)等形成的soi衬底。使用单晶衬底形成的晶体管在沟道形成区域中包括单晶半导体。
[0105]
在本实施方式中，说明作为半导体衬底使用单晶硅衬底的例子。将形成于单晶硅衬底上的晶体管称为“si晶体管”。注意，在图2d所示的放大器30的结构例子中，晶体管31至晶体管39为p沟道型晶体管，晶体管41至晶体管44为n沟道型晶体管。
[0106]
《半导体装置的工作例子》
[0107]
图3是示出半导体装置100的工作例子的时序图。图3所示的时序图示出时刻t1至时刻t10的信号s1至信号s5的电位状态(高电平或低电平)。
[0108]
在时刻t1，信号s1及信号s2从低电平变为高电平。信号s3及信号s5保持低电平，信号s4保持高电平。就是说，开关sw1及开关sw2处于导通状态，开关sw3处于非导通状态。在时刻t1至时刻t2的期间，对输入到输入端子inp及输入端子inm的电位进行采样。
[0109]
通过进行采样，当在电容器c11的一个端子中储存电荷+q11时，在电容器c11的另一个端子中储存电荷-q11。电容器c12也是同样的，当在电容器c12的一个端子中储存电荷+q12时，在电容器c12的另一个端子中储存电荷-q12。
[0110]
注意，在时刻t1至时刻t5的期间，在斩波电路20_1及斩波电路20_2中，第一端子及第三端子处于导通状态，第二端子及第四端子处于导通状态。图4a示出反映在时刻t1至时刻t2的期间的开关sw1至开关sw3、斩波电路20_1及斩波电路20_2的状态的半导体装置100的等效电路。
[0111]
在此状态下，在时刻t2信号s2从高电平变为低电平时，开关sw2成为非导通状态。此外，在时刻t3信号s1从高电平变为低电平时，开关sw1成为非导通状态。通过开关sw1及开关sw2成为非导通状态，电容器c11及电容器c12成为浮动状态(电浮动状态)。
[0112]
在时刻t4信号s3从低电平变为高电平时，开关sw3成为导通状态。此时，在电容器c11的一个端子中继续储存电荷+q11，在另一个端子中继续储存电荷-q11，在电容器c12的一个端子中继续储存电荷+q12，在另一个端子中继续储存电荷-q12。因此，从输出到输出端子outp的电位减去输出到输出端子outm的电位之差等于在时刻t1至时刻t2的期间从输入到输入端子inp的电位减去输入到输入端子inm的电位之差。
[0113]
图4b示出反映在时刻t4至时刻t5的期间的开关sw1至开关sw3、斩波电路20_1及斩波电路20_2的状态的半导体装置100的等效电路。
[0114]
在时刻t4至时刻t10的期间，开关sw1及开关sw2处于非导通状态，开关sw3处于导通状态。在时刻t5，信号s4从高电平变为低电平，信号s5从低电平变为高电平。就是说，在时刻t5至时刻t6的期间，在斩波电路20_1及斩波电路20_2中，第一端子及第四端子处于导通状态，第二端子及第三端子处于导通状态。
[0115]
图4c示出反映在时刻t5至时刻t6的期间的开关sw1至开关sw3、斩波电路20_1及斩波电路20_2的状态的半导体装置100的等效电路。
[0116]
在时刻t4至时刻t10的期间，开关sw1至开关sw3的状态不变，斩波电路20_1及斩波电路20_2的状态变化。就是说，在时刻t4至时刻t5的期间、时刻t6至时刻t7的期间及时刻t8至时刻t9的期间，在斩波电路20_1及斩波电路20_2中，第一端子及第三端子处于导通状态，第二端子及第四端子处于导通状态。半导体装置100成为图4b所示的等效电路的状态。
[0117]
在时刻t5至时刻t6的期间、时刻t7至时刻t8的期间及时刻t9至时刻t10的期间，在斩波电路20_1及斩波电路20_2中，第一端子及第四端子处于导通状态，第二端子及第三端子处于导通状态。半导体装置100成为图4c所示的等效电路的状态。
[0118]
《半导体装置》
[0119]
如上所述，半导体装置100在时刻t1至时刻t2的期间对输入到输入端子inp及输入端子inm的电位进行采样，在时刻t4至时刻t10的期间向输出端子outp及输出端子outm输出电位。此时，从输出到输出端子outp的电位减去输出到输出端子outm的电位之差等于从输入到输入端子inp的电位减去输入到输入端子inm的电位之差。
[0120]
在时刻t4至时刻t5的期间、时刻t6至时刻t7的期间及时刻t8至时刻t9的期间，斩波电路20_1使电容器c11的另一个端子与放大器30的第一端子电连接(成为导通状态)，使电容器c12的另一个端子与放大器30的第二端子电连接。同样地，斩波电路20_2使放大器30的第三端子与输出端子outm电连接，使放大器30的第四端子与输出端子outp电连接(图4b所示的等效电路的状态)。
[0121]
在时刻t5至时刻t6的期间、时刻t7至时刻t8的期间及时刻t9至时刻t10的期间，斩波电路20_1使电容器c11的另一个端子与放大器30的第二端子电连接(导通状态)，使电容器c12的另一个端子与放大器30的第一端子电连接。同样地，斩波电路20_2使放大器30的第三端子与输出端子outp电连接，使放大器30的第四端子与输出端子outm电连接(图4c所示的等效电路的状态)。
[0122]
就是说，通过半导体装置100交替地处于图4b所示的等效电路的状态和图4c所示的等效电路的状态，例如可以取消放大器30引起的偏置电压的影响。此外，例如，通过调换放大器30所包括的输入端子的极性，可以减轻放大器30引起的1/f噪声、热噪声等给输出带来的影响。
[0123]
通过半导体装置100作为晶体管11至晶体管13及晶体管21至晶体管24使用os晶体管等关态电流小的晶体管，可以长时间保持在时刻t1至时刻t2的期间进行采样的电位。
[0124]
通过使用半导体装置100，可以实现减轻放大器30引起的偏置电压或噪声的影响的高精度放大器，由于可以长时间保持进行采样的电位，所以半导体装置100例如优选用于输出阻抗高的传感器等高精度测量。
[0125]
本实施方式可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合而实施。
[0126]
(实施方式2)
[0127]
在本实施方式中，说明构成上述实施方式中说明的半导体装置100的晶体管的结构例子。在本实施方式中，具有在包括形成于单晶硅衬底上的si晶体管的层的上方层叠设置包括os晶体管的层的结构。
[0128]
《半导体装置的结构例子》
[0129]
图5所示的半导体装置包括晶体管300、晶体管500及电容元件600。图6a是晶体管500的沟道长度方向上的截面图，图6b是晶体管500的沟道宽度方向上的截面图，图6c是晶体管300的沟道宽度方向上的截面图。
[0130]
晶体管500例如相当于上述实施方式所示的晶体管21，晶体管500除了第一栅极(也称为顶栅极或前栅极，或者简称为栅极)以外还包括第二栅极(也称为底栅极或背栅极)。此外，晶体管300相当于构成放大器30的si晶体管，电容元件600例如相当于电容器c11。
[0131]
晶体管500是在沟道形成区域中包含金属氧化物的晶体管(os晶体管)。由于晶体管500具有关态电流非常小的特性，所以在上述实施方式中通过将该晶体管500用于开关
sw1至开关sw3及斩波电路20，半导体装置100可以长时间保持采样的电位。
[0132]
如图5所示，在本实施方式中说明的半导体装置中，晶体管500设置在晶体管300的上方，电容元件600设置在晶体管300及晶体管500的上方。
[0133]
晶体管300设置在衬底311上，并包括：导电体316、绝缘体315、由衬底311的一部分构成的半导体区域313；以及被用作源区或漏区的低电阻区域314a及低电阻区域314b。
[0134]
如图6c所示，在晶体管300中，导电体316隔着绝缘体315覆盖半导体区域313的顶面及沟道宽度方向的侧面。如此，通过使晶体管300具有fin型结构，有效沟道宽度增加，所以可以提高晶体管300的通态特性。此外，由于可以增加栅电极的电场的影响，所以可以提高晶体管300的关态特性。
[0135]
另外，晶体管300可以为p沟道型晶体管或n沟道型晶体管。
[0136]
半导体区域313的沟道形成区域或其附近的区域、被用作源区或漏区的低电阻区域314a及低电阻区域314b等优选包含硅类半导体等半导体，更优选包含单晶硅。或者，也可以使用包含ge(锗)、sige(硅锗)、gaas(砷化镓)、gaalas(镓铝砷)等的材料形成。可以使用对晶格施加应力，改变晶面间距而控制有效质量的硅。或者，晶体管300也可以是使用gaas和gaalas等的hemt(high electron mobility transistor：高电子迁移率晶体管)。
[0137]
在低电阻区域314a及低电阻区域314b中，除了用于半导体区域313的半导体材料之外，还包含砷、磷等赋予n型导电性的元素或硼等赋予p型导电性的元素。
[0138]
作为被用作栅电极的导电体316，可以使用包含砷、磷等赋予n型导电性的元素或硼等赋予p型导电性的元素的硅等半导体材料、金属材料、合金材料或金属氧化物材料等导电材料。
[0139]
此外，由于导电体的材料决定功函数，所以通过改变导电体的材料，可以调整晶体管的vth。具体而言，作为导电体优选使用氮化钛或氮化钽等材料。为了兼具导电性和埋入性，作为导电体优选使用钨或铝等金属材料的叠层，尤其在耐热性方面上优选使用钨。
[0140]
注意，图5所示的晶体管300只是一个例子，不局限于上述结构，根据电路结构或驱动方法使用适当的晶体管即可。
[0141]
以覆盖晶体管300的方式依次层叠有绝缘体320、绝缘体322、绝缘体324及绝缘体326。
[0142]
作为绝缘体320、绝缘体322、绝缘体324及绝缘体326，例如可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧氮化铝、氮氧化铝及氮化铝等。
[0143]
绝缘体322也可以被用作使因设置在其下方的晶体管300等而产生的台阶平坦化的平坦化膜。例如，为了提高绝缘体322的顶面的平坦性，其顶面也可以通过利用化学机械抛光(cmp)法等的平坦化处理被平坦化。
[0144]
作为绝缘体324，优选使用能够防止氢或杂质从衬底311或晶体管300等扩散到设置有晶体管500的区域中的具有阻挡性的膜。
[0145]
作为对氢具有阻挡性的膜的一个例子，例如可以使用通过cvd法形成的氮化硅。在此，有时氢扩散到晶体管500等具有氧化物半导体的半导体元件中，导致该半导体元件的特性下降。因此，优选在晶体管500与晶体管300之间设置抑制氢的扩散的膜。抑制氢的扩散的膜具体是指氢的脱离量少的膜。
[0146]
氢的脱离量例如可以利用热脱附谱分析(tds分析)法等测量。例如，在tds分析中
的膜表面温度为50℃至500℃的范围内，当将换算为氢原子的脱离量换算为绝缘体324的每单位面积的量时，绝缘体324的氢的脱离量为10
×
10
15
atoms/cm2以下，优选为5
×
10
15
atoms/cm2以下，即可。
[0147]
注意，绝缘体326的介电常数优选比绝缘体324低。例如，绝缘体326的相对介电常数优选低于4，更优选低于3。例如，绝缘体326的相对介电常数优选为绝缘体324的相对介电常数的0.7倍以下，更优选为0.6倍以下。通过将相对介电常数低的材料用于层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。
[0148]
此外，在绝缘体320、绝缘体322、绝缘体324及绝缘体326中埋入与电容元件600或晶体管500连接的导电体328、导电体330等。此外，导电体328及导电体330具有插头或布线的功能。注意，有时使用同一附图标记表示具有插头或布线的功能的多个导电体。此外，在本说明书等中，布线、与布线连接的插头也可以是一个构成要素。就是说，导电体的一部分有时被用作布线，并且导电体的一部分有时被用作插头。
[0149]
作为各插头及布线(导电体328及导电体330等)的材料，可以使用金属材料、合金材料、金属氮化物材料或金属氧化物材料等导电材料的单层或叠层。优选使用兼具耐热性和导电性的钨或钼等高熔点材料，优选使用钨。或者，优选使用铝或铜等低电阻导电材料形成。通过使用低电阻导电材料可以降低布线电阻。
[0150]
也可以在绝缘体326及导电体330上形成布线层。例如，在图5中，依次层叠有绝缘体350、绝缘体352及绝缘体354。此外，在绝缘体350、绝缘体352及绝缘体354中形成有导电体356。导电体356具有与晶体管300连接的插头或布线的功能。此外，导电体356可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
[0151]
此外，与绝缘体324同样，绝缘体350例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体356优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体350所具有的开口部中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
[0152]
注意，作为对氢具有阻挡性的导电体，例如优选使用氮化钽等。此外，通过层叠氮化钽和导电性高的钨，不但可以保持作为布线的导电性而且可以抑制氢从晶体管300扩散。此时，对氢具有阻挡性的氮化钽层优选与对氢具有阻挡性的绝缘体350接触。
[0153]
此外，也可以在绝缘体354及导电体356上形成布线层。例如，在图5中，依次层叠有绝缘体360、绝缘体362及绝缘体364。此外，在绝缘体360、绝缘体362及绝缘体364中形成有导电体366。导电体366具有插头或布线的功能。此外，导电体366可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
[0154]
此外，与绝缘体324同样，绝缘体360例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体366优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体360所具有的开口部中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
[0155]
此外，也可以在绝缘体364及导电体366上形成布线层。例如，在图5中，依次层叠有绝缘体370、绝缘体372及绝缘体374。此外，在绝缘体370、绝缘体372及绝缘体374中形成有导电体376。导电体376具有插头或布线的功能。此外，导电体376可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
[0156]
此外，与绝缘体324同样，绝缘体370例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体376优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体370所具有的开口部中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
[0157]
此外，也可以在绝缘体374及导电体376上形成布线层。例如，在图5中，依次层叠有绝缘体380、绝缘体382及绝缘体384。此外，在绝缘体380、绝缘体382及绝缘体384中形成有导电体386。导电体386具有插头或布线的功能。此外，导电体386可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
[0158]
此外，与绝缘体324同样，绝缘体380例如优选使用对氢具有阻挡性的绝缘体。此外，导电体386优选包含对氢具有阻挡性的导电体。尤其是，在对氢具有阻挡性的绝缘体380所具有的开口部中形成对氢具有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以使用阻挡层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
[0159]
在上面说明包括导电体356的布线层、包括导电体366的布线层、包括导电体376的布线层及包括导电体386的布线层，但是根据本实施方式的半导体装置不局限于此。与包括导电体356的布线层同样的布线层可以为三层以下，与包括导电体356的布线层同样的布线层可以为五层以上。
[0160]
在绝缘体384上依次层叠有绝缘体510、绝缘体512、绝缘体514及绝缘体516。作为绝缘体510、绝缘体512、绝缘体514及绝缘体516中的任意个，优选使用对氧或氢具有阻挡性的物质。
[0161]
例如，作为绝缘体510及绝缘体514，优选使用能够防止氢或杂质从衬底311或设置有晶体管300的区域等扩散到设置有晶体管500的区域中的具有阻挡性的膜。因此，绝缘体510及绝缘体514可以使用与绝缘体324同样的材料。
[0162]
作为对氢具有阻挡性的膜的一个例子，可以使用通过cvd法形成的氮化硅。在此，有时氢扩散到晶体管500等具有氧化物半导体的半导体元件中，导致该半导体元件的特性下降。因此，优选在晶体管500与晶体管300之间设置抑制氢的扩散的膜。具体而言，抑制氢的扩散的膜是指氢的脱离量少的膜。
[0163]
例如，作为对氢具有阻挡性的膜，绝缘体510及绝缘体514优选使用氧化铝、氧化铪、氧化钽等金属氧化物。
[0164]
尤其是，氧化铝的不使氧及导致晶体管的电特性变动的氢、水分等杂质透过的阻挡效果高。因此，在晶体管的制造工序中及制造工序之后，氧化铝可以防止氢、水分等杂质进入晶体管500中。此外，氧化铝可以抑制氧从构成晶体管500的氧化物释放。因此，氧化铝适合用于晶体管500的保护膜。
[0165]
例如，作为绝缘体512及绝缘体516，可以使用与绝缘体320同样的材料。此外，通过由介电常数较低的材料形成层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。例如，作为绝缘体512及绝缘体516，可以使用氧化硅膜和氧氮化硅膜等。
[0166]
此外，在绝缘体510、绝缘体512、绝缘体514及绝缘体516中埋入有导电体518、构成晶体管500的导电体(导电体503)等。此外，导电体518被用作与电容元件600或晶体管300连接的插头或布线。导电体518可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
[0167]
尤其是，与绝缘体510及绝缘体514接触的区域的导电体518优选为对氧、氢及水具
有阻挡性的导电体。通过采用该结构，可以利用对氧、氢及水具有阻挡性的层将晶体管300与晶体管500分离，从而可以抑制氢从晶体管300扩散到晶体管500中。
[0168]
在绝缘体516的上方设置有晶体管500。
[0169]
如图6a和图6b所示，晶体管500包括：嵌入在绝缘体514及绝缘体516中的导电体503；配置在绝缘体516及导电体503上的绝缘体520；配置在绝缘体520上的绝缘体522；配置在绝缘体522上的绝缘体524；配置在绝缘体524上的氧化物530a；配置在氧化物530a上的氧化物530b；配置在氧化物530b上且彼此隔开的导电体542a及导电体542b；配置在导电体542a及导电体542b上且形成有与导电体542a和导电体542b之间重叠的开口的绝缘体580；配置在开口中的导电体560；配置在氧化物530b、导电体542a、导电体542b及绝缘体580与导电体560之间的绝缘体550；配置在氧化物530b、导电体542a、导电体542b及绝缘体580与绝缘体550之间的氧化物530c。
[0170]
另外，如图6a和图6b所示，优选在氧化物530a、氧化物530b、导电体542a及导电体542b与绝缘体580之间配置有绝缘体544。此外，如图6a和图6b所示，导电体560优选包括设置在绝缘体550的内侧的导电体560a及嵌入在导电体560a的内侧的导电体560b。此外，如图6a和图6b所示，优选在绝缘体580、导电体560及绝缘体550上配置有绝缘体574。
[0171]
注意，下面有时将氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c统称为氧化物530。此外，有时将导电体542a及导电体542b统称为导电体542。
[0172]
在晶体管500中，在形成沟道的区域及其附近层叠有氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的三层，但是本发明不局限于此。例如，可以设置氧化物530b的单层、氧化物530b与氧化物530a的两层结构、氧化物530b与氧化物530c的两层结构或者四层以上的叠层结构。另外，在晶体管500中，导电体560具有两层结构，但是本发明不局限于此。例如，导电体560也可以具有单层结构或三层以上的叠层结构。注意，图5、图6a、图6b所示的晶体管500只是一个例子而不局限于上述结构，可以根据电路结构或驱动方法使用适当的晶体管。
[0173]
在此，导电体560被用作晶体管的栅电极，导电体542a及导电体542b被用作源电极或漏电极。如上所述，导电体560填埋于绝缘体580的开口中及夹在导电体542a与导电体542b之间的区域。导电体560、导电体542a及导电体542b相对于绝缘体580的开口的配置是自对准地被选择。换言之，在晶体管500中，可以在源电极与漏电极之间自对准地配置栅电极。由此，可以在不设置用于对准的余地的方式形成导电体560，所以可以实现晶体管500的占有面积的缩小。由此，可以实现半导体装置的微型化及高集成化。
[0174]
再者，导电体560自对准地形成在导电体542a与导电体542b之间的区域，所以导电体560不包括与导电体542a及导电体542b重叠的区域。由此，可以降低形成在导电体560与导电体542a及导电体542b之间的寄生电容。因此，可以提高晶体管500的开关速度，从而晶体管500可以具有高频率特性。
[0175]
导电体560有时被用作第一栅电极。导电体503有时被用作第二栅电极。在此情况下，通过独立地改变供应到导电体503的电位而不使其与供应到导电体560的电位联动，可以控制晶体管500的vth。尤其是，通过对导电体503供应负电位，可以使晶体管500的vth大于0v且可以减小关态电流。因此，与不对导电体503施加负电位时相比，在对导电体503施加负电位的情况下，可以减小对导电体560供应的电位为0v时的漏极电流。
[0176]
导电体503以与氧化物530及导电体560重叠的方式配置。由此，在对导电体560及
导电体503供应电位的情况下，从导电体560产生的电场和从导电体503产生的电场连接，可以覆盖形成在氧化物530中的沟道形成区域。在本说明书等中，将由第一栅电极的电场和第二栅电极的电场电围绕沟道形成区域的晶体管的结构称为surrounded channel(s-channel：围绕沟道)结构。
[0177]
另外，在本说明书等中，s-channel结构具有如下特征，即与沟道形成区域相同，接触于被用作源电极及漏电极的导电体542a及导电体542b的氧化物530的侧面及周边为i型。另外，因为接触于导电体542a及导电体542b的氧化物530的侧面及周边与绝缘体544接触，所以与沟道形成区域相同，有可能成为i型。注意，在本说明书等中，i型可以说与后面说明的高纯度本征相同。此外，本说明书等中公开的s-channel结构与fin型结构及平面型结构不同。通过采用s-channel结构，可以提高对于短沟道效应的耐性，换言之，可以实现不容易发生短沟道效应的晶体管。
[0178]
另外，导电体503具有与导电体518同样的结构，以与绝缘体514及绝缘体516的开口的内壁接触的方式形成有导电体503a，其内侧形成有导电体503b。
[0179]
绝缘体520、绝缘体522、绝缘体524及绝缘体550被用作栅极绝缘膜。
[0180]
在此，与氧化物530接触的绝缘体524优选使用包含超过化学计量组成的氧的绝缘体。换言之，优选在绝缘体524中形成有过剩氧区域。通过以与氧化物530接触的方式设置上述包含过剩氧的绝缘体，可以减少氧化物530中的氧空位，从而可以提高晶体管500的可靠性。
[0181]
具体而言，作为具有过剩氧区域的绝缘体，优选使用通过加热使一部分的氧脱离的氧化物材料。通过加热使氧脱离的氧化物是指在tds分析中换算为氧原子的氧的脱离量为1.0
×
10
18
atoms/cm3以上，优选为1.0
×
10
19
atoms/cm3以上，进一步优选为2.0
×
10
19
atoms/cm3以上，或者3.0
×
10
20
atoms/cm3以上的氧化物膜。另外，进行上述tds分析时的膜的表面温度优选在100℃以上且700℃以下，或者100℃以上且400℃以下的范围内。
[0182]
当绝缘体524具有过剩氧区域时，绝缘体522优选具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等)的扩散的功能(不容易使上述氧透过)。
[0183]
当绝缘体522具有抑制氧或杂质的扩散的功能时，氧化物530所包含的氧不扩散到绝缘体520一侧，所以是优选的。另外，可以抑制导电体503与绝缘体524或氧化物530所包含的氧起反应。
[0184]
作为绝缘体522，例如优选使用包含氧化铝、氧化铪、氧化钽、氧化锆、锆钛酸铅(pzt)、钛酸锶(srtio3)或(ba,sr)tio3(bst)等的绝缘体的单层或叠层。当进行晶体管的微型化及高集成化时，由于栅极绝缘膜的薄膜化，有时发生泄漏电流等问题。通过作为被用作栅极绝缘膜的绝缘体使用high-k材料，可以在保持物理厚度的同时降低晶体管工作时的栅极电位。
[0185]
尤其是，优选使用作为具有抑制杂质及氧等的扩散的功能(不容易使上述氧透过)的绝缘材料的包含铝和铪中的一方或双方的氧化物的绝缘体。作为包含铝和铪中的一方或双方的氧化物的绝缘体，优选使用氧化铝、氧化铪、包含铝及铪的氧化物(铝酸铪)等。当使用这种材料形成绝缘体522时，绝缘体522被用作抑制氧从氧化物530释放或氢等杂质从晶体管500的周围部进入氧化物530的层。
[0186]
或者，例如也可以对上述绝缘体添加氧化铝、氧化铋、氧化锗、氧化铌、氧化硅、氧
化钛、氧化钨、氧化钇、氧化锆。此外，也可以对上述绝缘体进行氮化处理。还可以在上述绝缘体上层叠氧化硅、氧氮化硅或氮化硅。
[0187]
绝缘体520优选具有热稳定性。例如，因为氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。另外，通过high-k材料的绝缘体与氧化硅或氧氮化硅组合，可以形成具有热稳定性且相对介电常数高的叠层结构的绝缘体520。
[0188]
绝缘体520、绝缘体522及绝缘体524也可以具有两层以上的叠层结构。此时，不局限于使用相同材料构成的叠层结构，也可以是使用不同材料形成的叠层结构。
[0189]
在晶体管500中，优选将被用作氧化物半导体的金属氧化物用于包含沟道形成区域的氧化物530。例如，作为氧化物530优选使用in-m-zn氧化物(元素m为选自铝、镓、钇、铜、钒、铍、硼、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨和镁等中的一种或多种)等金属氧化物。此外，作为氧化物530，也可以使用in-ga氧化物、in-zn氧化物。
[0190]
被用作氧化物半导体的金属氧化物可以使用溅射法形成，也可以使用ald(atomic layer deposition：原子层沉积)法形成。在其他实施方式中说明被用作氧化物半导体的金属氧化物。
[0191]
另外，作为晶体管500优选使用载流子密度低的金属氧化物。在降低金属氧化物的载流子密度的情况下，降低金属氧化物中的杂质浓度而降低缺陷态密度即可。在本说明书等中，将杂质浓度低且缺陷态密度低的状态称为“高纯度本征”或“实质上高纯度本征”。作为金属氧化物中的杂质例如有氢、氮、碱金属、碱土金属、铁、镍、硅等。
[0192]
特别是，由于包含在金属氧化物中的氢与键合到金属原子的氧起反应而成为水，因此有时在金属氧化物中形成氧空位。当金属氧化物中的沟道形成区域中包括氧空位时，晶体管有时具有常开启特性。再者，有时氢进入氧空位中而成的缺陷被用作供体而生成作为载流子的电子。此外，有时氢的一部分键合到与金属原子键合的氧而生成作为载流子的电子。因此，使用包含多量的氢的金属氧化物的晶体管容易具有常开启特性。
[0193]
氢进入氧空位中而成的缺陷会用作金属氧化物的供体。然而，难以定量地评价该缺陷。于是，在金属氧化物中，有时不是使用供体浓度而是使用载流子密度进行评价。因此，在本说明书等中，作为金属氧化物的参数，有时不是使用供体浓度而是使用假定不施加电场的状态下的载流子密度。换言之，本说明书等所记载的“载流子密度”有时也可以称为“供体浓度”。
[0194]
因此，在将金属氧化物用于氧化物530时，优选尽量减少金属氧化物中的氢。具体而言，在金属氧化物中，利用二次离子质谱(sims：secondary ion mass spectrometry)测得的氢浓度低于1
×
10
20
atoms/cm3，优选低于1
×
10
19
atoms/cm3，更优选低于5
×
10
18
atoms/cm3，进一步优选低于1
×
10
18
atoms/cm3。通过将氢等杂质被充分降低的金属氧化物用于晶体管的沟道形成区域，可以使晶体管具有稳定的电特性。
[0195]
另外，在作为氧化物530使用金属氧化物时，沟道形成区域的金属氧化物的载流子密度优选为1
×
10
18
cm-3
以下，更优选小于1
×
10
17
cm-3
，进一步优选小于1
×
10
16
cm-3
，更进一步优选小于1
×
10
13
cm-3
，还进一步优选小于1
×
10
12
cm-3
。注意，对沟道形成区域的金属氧化物的载流子密度的下限值没有特别的限制，例如可以设定为1
×
10-9
cm-3
。
[0196]
另外，在作为氧化物530使用金属氧化物时，在导电体542(导电体542a及导电体542b)与氧化物530接触时，有时氧化物530中的氧扩散到导电体542而导电体542被氧化。在
导电体542被氧化时，导电体542的导电率下降的可能性高。另外，也可以将“氧化物530中的氧向导电体542扩散”称为“导电体542吸收氧化物530中的氧”。
[0197]
此外，当氧化物530中的氧扩散到导电体542(导电体542a及导电体542b)时，导电体542a和氧化物530b间及导电体542b和氧化物530b间可能会形成另一层。因为该另一层包含比导电体542多的氧，所以推测该另一层具有绝缘性。此时，可以认为导电体542、该另一层和氧化物530b的三层结构是由金属-绝缘体-半导体构成的三层结构，有时也将其称为mis(metal-insulator-semiconductor)结构或以mis结构为主的二极管连接结构。
[0198]
注意，上述另一层不局限于形成在导电体542与氧化物530b间，例如，有时另一层形成在导电体542与氧化物530c间或者导电体542与氧化物530b间及导电体542与氧化物530c间。
[0199]
此外，作为在氧化物530中被用作沟道形成区域的金属氧化物，优选使用其带隙为2ev以上，优选为2.5ev以上的金属氧化物。如此，通过使用带隙较宽的金属氧化物，可以减小晶体管的关态电流。
[0200]
此外，能够用于氧化物530的半导体材料不局限于上述金属氧化物。氧化物530也可以使用具有带隙的半导体材料(不是零带隙半导体的半导体材料)。例如，优选将硅等单个元素的半导体、砷化镓等化合物半导体、被用作半导体的层状物质(也称为原子层物质、二维材料等)等用于半导体材料。特别是，优选将被用作半导体的层状物质用于半导体材料。
[0201]
在此，在本说明书等中，层状物质是具有层状结晶结构的材料群的总称。层状结晶结构是由共价键或离子键形成的层通过如范德华力那样的比共价键或离子键弱的键合层叠的结构。层状物质在每单位层中具有高导电性，即，具有高二维导电性。通过将被用作半导体并具有高二维导电性的材料用于沟道形成区域，可以提供通态电流大的晶体管。
[0202]
作为层状物质，有石墨烯、硅烯、硫族化物等。硫族化物是包含硫族元素的化合物。此外，硫族元素是属于第16族的元素的总称，其中包括氧、硫、硒、碲、钋、鉝。另外，作为硫族化物，可以举出过渡金属硫族化物、第13族硫族化物等。
[0203]
作为氧化物530，例如优选使用被用作半导体的过渡金属硫族化物。作为能够被用作氧化物530的过渡金属硫族化物，具体地可以举出硫化钼(典型的是mos2)、硒化钼(典型的是mose2)、碲化钼(典型的是mote2)、硫化钨(典型的是ws2)、硒化钨(典型的是wse2)、碲化钨(典型的是wte2)、硫化铪(典型的是hfs2)、硒化铪(典型的是hfse2)、硫化锆(典型的是zrs2)、硒化锆(典型的是zrse2)等。
[0204]
在氧化物530中，当在氧化物530b之下设置有氧化物530a时，可以防止杂质从形成在氧化物530a下方的结构物扩散到氧化物530b。当在氧化物530b之上设置有氧化物530c时，可以防止杂质从形成在氧化物530c的上方的结构物扩散到氧化物530b。
[0205]
另外，氧化物530优选具有各金属原子的原子个数比互不相同的多个氧化物层的叠层结构。具体而言，用于氧化物530a的金属氧化物的构成元素中的元素m的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物的构成元素中的元素m的原子个数比。另外，用于氧化物530a的金属氧化物中的相对于in的元素m的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物中的相对于in的元素m的原子个数比。另外，用于氧化物530b的金属氧化物中的相对于元素m的in的原子个数比优选大于用于氧化物530a的金属氧化物中的相对于元素m的in
的原子个数比。另外，氧化物530c可以使用可用于氧化物530a或氧化物530b的金属氧化物。
[0206]
优选的是，使氧化物530a及氧化物530c的导带底的能量高于氧化物530b的导带底的能量。换言之，氧化物530a及氧化物530c的电子亲和势优选小于氧化物530b的电子亲和势。
[0207]
在此，在氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的接合部中，导带底的能级平缓地变化。换言之，也可以将上述情况表达为氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的接合部的导带底的能级连续地变化或者连续地接合。为此，优选降低形成在氧化物530a与氧化物530b的界面以及氧化物530b与氧化物530c的界面的混合层的缺陷态密度。
[0208]
具体而言，通过使氧化物530a与氧化物530b、以及氧化物530b与氧化物530c除了氧之外还包含共同元素(为主要成分)，可以形成缺陷态密度低的混合层。例如，在氧化物530b为in-ga-zn氧化物的情况下，作为氧化物530a及氧化物530c优选使用in-ga-zn氧化物、ga-zn氧化物及氧化镓等。
[0209]
此时，载流子的主要路径为氧化物530b。通过使氧化物530a及氧化物530c具有上述结构，可以降低氧化物530a与氧化物530b的界面及氧化物530b与氧化物530c的界面的缺陷态密度。因此，界面散射对载流子传导的影响减少，可以提高晶体管500的通态电流。
[0210]
在氧化物530b上设置有被用作源电极及漏电极的导电体542(导电体542a及导电体542b)。作为导电体542，优选使用选自铝、铬、铜、银、金、铂、钽、镍、钛、钼、钨、铪、钒、铌、锰、镁、锆、铍、铟、钌、铱、锶和镧中的金属元素、以上述金属元素为成分的合金或者组合上述金属元素的合金等。例如，优选使用氮化钽、氮化钛、钨、包含钛和铝的氮化物、包含钽和铝的氮化物、氧化钌、氮化钌、包含锶和钌的氧化物、包含镧和镍的氧化物等。另外，氮化钽、氮化钛、包含钛和铝的氮化物、包含钽和铝的氮化物、氧化钌、氮化钌、包含锶和钌的氧化物、包含镧和镍的氧化物是不容易氧化的导电材料或者吸收氧也维持导电性的材料，所以是优选的。
[0211]
另外，如图6a所示，有时在氧化物530与导电体542的界面及其附近作为低电阻区域形成有区域543(区域543a及区域543b)。此时，区域543a被用作源区和漏区中的一个，区域543b被用作源区和漏区中的另一个。此外，沟道形成区域形成在夹在区域543a和区域543b之间的区域中。
[0212]
通过以与氧化物530接触的方式形成上述导电体542，区域543的氧浓度有时降低。另外，在区域543中有时形成包括包含在导电体542中的金属及氧化物530的成分的金属化合物层。在此情况下，区域543的载流子密度增加，区域543成为低电阻区域。
[0213]
绝缘体544以覆盖导电体542的方式设置，抑制导电体542的氧化。此时，绝缘体544也可以以覆盖氧化物530的侧面且与绝缘体524接触的方式设置。
[0214]
作为绝缘体544，可以使用包含选自铪、铝、镓、钇、锆、钨、钛、钽、镍、锗和镁等中的一种或两种以上的金属氧化物。
[0215]
尤其是，作为绝缘体544，优选使用作为包含铝和铪中的一方或双方的氧化物的绝缘体的氧化铝、氧化铪、包含铝及铪的氧化物(铝酸铪)等。尤其是，铝酸铪的耐热性比氧化铪膜高。因此，在后面的工序的热处理中不容易晶化，所以是优选的。另外，在导电体542是具有耐氧化性的材料或者吸收氧也其导电性不会显著降低的情况下，不需要必须设置绝缘体544。根据所需要的晶体管特性，适当地设计即可。
[0216]
绝缘体550被用作栅极绝缘膜。绝缘体550优选以与氧化物530c的内侧(顶面及侧面)接触的方式配置。绝缘体550优选使用通过加热而使氧释放的绝缘体形成。例如，可以使用在tds分析中换算为氧原子的氧的脱离量为1.0
×
10
18
atoms/cm3以上，优选为1.0
×
10
19
atoms/cm3以上，进一步优选为2.0
×
10
19
atoms/cm3以上，或者3.0
×
10
20
atoms/cm3以上的氧化物膜。另外，进行上述tds分析时的膜的表面温度优选在100℃以上且700℃以下的范围内。
[0217]
具体而言，可以使用包含过剩氧的氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、添加有氟的氧化硅、添加有碳的氧化硅、添加有碳及氮的氧化硅、具有空孔的氧化硅。尤其是，氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。
[0218]
通过作为绝缘体550以与氧化物530c的顶面接触的方式设置通过加热而释放氧的绝缘体，可以高效地从绝缘体550通过氧化物530c对氧化物530b的沟道形成区域供应氧。此外，与绝缘体524同样，优选降低绝缘体550中的水或氢等杂质的浓度。绝缘体550的厚度优选为1nm以上且20nm以下。
[0219]
另外，为了将绝缘体550所包含的过剩氧高效地供应到氧化物530，也可以在绝缘体550与导电体560之间设置金属氧化物。该金属氧化物优选抑制从绝缘体550到导电体560的氧扩散。通过设置抑制氧的扩散的金属氧化物，从绝缘体550到导电体560的过剩氧的扩散得到抑制。换言之，可以抑制供应到氧化物530的过剩氧的减少。另外，可以抑制因过剩氧导致的导电体560的氧化。作为该金属氧化物，可以使用可用于绝缘体544的材料。
[0220]
在图6a及图6b中，被用作第一栅电极的导电体560具有两层结构，但是也可以具有单层结构或三层以上的叠层结构。
[0221]
作为导电体560a，优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、氮原子、氮分子、氧化氮分子(n2o、no、no2等)、铜原子等杂质的扩散的功能的导电材料。或者，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能的导电材料。通过使导电体560a具有抑制氧的扩散的功能，可以抑制因绝缘体550所包含的氧导致导电体560b氧化而导电率下降。作为具有抑制氧的扩散的功能的导电材料，例如，优选使用钽、氮化钽、钌或氧化钌等。
[0222]
作为导电体560b，优选使用以钨、铜或铝为主要成分的导电材料。由于导电体560b还被用作布线，所以优选使用导电性高的导电体。例如，可以使用以钨、铜或铝为主要成分的导电材料。导电体560b也可以具有叠层结构，例如，可以采用钛或者氮化钛和上述导电材料的叠层结构。
[0223]
绝缘体580隔着绝缘体544设置在导电体542上。绝缘体580优选具有过剩氧区域。例如，绝缘体580优选包含氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、添加有氟的氧化硅、添加有碳的氧化硅、添加有碳及氮的氧化硅、具有空孔的氧化硅或树脂等。尤其是，氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。尤其是，氧化硅和具有空孔的氧化硅容易在后面的工序中形成过剩氧区域，所以是优选的。
[0224]
通过以与氧化物530c接触的方式设置通过加热而释放氧的绝缘体580，可以将绝缘体580中的氧通过氧化物530c高效地供应给氧化物530。另外，优选降低绝缘体580中的水或氢等杂质的浓度。
[0225]
绝缘体580的开口以与导电体542a和导电体542b之间的区域重叠的方式形成。由
此，导电体560填埋于绝缘体580的开口中及夹在导电体542a与导电体542b之间的区域。
[0226]
在进行半导体装置的微型化时，需要缩短栅极长度，但是需要防止导电体560的导电性的下降。为此，在增大导电体560的厚度的情况下，导电体560有可能具有纵横比高的形状。在本实施方式中，由于将导电体560填埋于绝缘体580的开口，所以即使导电体560具有纵横比高的形状，在工序中也不发生导电体560的倒塌。
[0227]
绝缘体574优选以与绝缘体580的顶面、导电体560的顶面及绝缘体550的顶面接触的方式设置。通过利用溅射法形成绝缘体574，可以在绝缘体550及绝缘体580中形成过剩氧区域。由此，可以将氧从该过剩氧区域供应到氧化物530中。
[0228]
例如，作为绝缘体574，可以使用包含选自铪、铝、镓、钇、锆、钨、钛、钽、镍、锗和镁等中的一种或两种以上的金属氧化物。
[0229]
尤其是，氧化铝具有高阻挡性，即使是0.5nm以上且3.0nm以下的薄膜，也可以抑制氢及氮的扩散。由此，通过利用溅射法形成的氧化铝可以在被用作氧供应源的同时还具有氢等杂质的阻挡膜的功能。
[0230]
另外，优选在绝缘体574上设置被用作层间膜的绝缘体581。与绝缘体524等同样，优选降低绝缘体581中的水或氢等杂质的浓度。
[0231]
另外，在形成于绝缘体581、绝缘体574、绝缘体580及绝缘体544中的开口配置导电体540a及导电体540b。导电体540a及导电体540b以隔着导电体560彼此对置的方式设置。导电体540a及导电体540b具有与后面说明的导电体546及导电体548同样的结构。
[0232]
在绝缘体581上设置有绝缘体582。绝缘体582优选使用对氧或氢具有阻挡性的物质。因此，作为绝缘体582可以使用与绝缘体514同样的材料。例如，作为绝缘体582优选使用氧化铝、氧化铪、氧化钽等金属氧化物。
[0233]
尤其是，氧化铝的不使氧及导致晶体管的电特性变动的氢、水分等杂质透过的阻挡效果高。因此，在晶体管的制造工序中及制造工序之后，氧化铝可以防止氢、水分等杂质进入晶体管500中。此外，氧化铝可以抑制氧从构成晶体管500的氧化物释放。因此，氧化铝适合用于晶体管500的保护膜。
[0234]
此外，在绝缘体582上设置有绝缘体586。作为绝缘体586可以使用与绝缘体320同样的材料。此外，通过由介电常数较低的材料形成层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。例如，作为绝缘体586，可以使用氧化硅膜及氧氮化硅膜等。
[0235]
此外，在绝缘体520、绝缘体522、绝缘体524、绝缘体544、绝缘体580、绝缘体574、绝缘体581、绝缘体582及绝缘体586中埋入导电体546及导电体548等。
[0236]
导电体546及导电体548被用作与电容元件600、晶体管500或晶体管300连接的插头或布线。导电体546及导电体548可以使用与导电体328及导电体330同样的材料形成。
[0237]
接着，在晶体管500的上方设置有电容元件600。电容元件600包括导电体610、导电体620及绝缘体630。
[0238]
此外，也可以在导电体546及导电体548上设置导电体612。导电体612被用作与晶体管500连接的插头或者布线。导电体610被用作电容元件600的电极。此外，可以同时形成导电体612及导电体610。
[0239]
作为导电体612及导电体610可以使用包含选自钼、钛、钽、钨、铝、铜、铬、钕、钪中的元素的金属膜或以上述元素为成分的金属氮化物膜(氮化钽膜、氮化钛膜、氮化钼膜、氮
化钨膜)等。或者，也可以使用铟锡氧化物、包含氧化钨的铟氧化物、包含氧化钨的铟锌氧化物、包含氧化钛的铟氧化物、包含氧化钛的铟锡氧化物、铟锌氧化物、添加有氧化硅的铟锡氧化物等导电材料。
[0240]
在图5中，导电体612及导电体610具有单层结构，但是不局限于此，也可以具有两层以上的叠层结构。例如，也可以在具有阻挡性的导电体与导电性高的导电体之间形成与具有阻挡性的导电体以及导电性高的导电体紧密性高的导电体。
[0241]
以隔着绝缘体630重叠于导电体610的方式设置导电体620。作为导电体620可以使用金属材料、合金材料、金属氧化物材料等导电材料。优选使用兼具耐热性和导电性的钨或钼等高熔点材料，尤其优选使用钨。当与导电体等其他构成要素同时形成导电体620时，使用低电阻金属材料的cu(铜)或al(铝)等即可。
[0242]
在导电体620及绝缘体630上设置有绝缘体650。绝缘体650可以使用与绝缘体320同样的材料形成。此外，绝缘体650可以被用作覆盖其下方的凹凸形状的平坦化膜。
[0243]
通过采用本结构，可以在抑制使用包含os晶体管的半导体装置的电特性变动的同时提高可靠性。此外，可以提供一种通态电流大的os晶体管。此外，可以提供一种关态电流小的os晶体管。此外，可以提供一种功耗得到减少的半导体装置。此外，可以实现使用包含os晶体管的半导体装置的微型化或高集成化。
[0244]
《晶体管的结构例子》
[0245]
注意，本实施方式所示的半导体装置的晶体管500的结构不局限于上述结构。下面，对可用于晶体管500的结构例子进行说明。
[0246]
《晶体管的结构例子1》
[0247]
参照图7a、图7b及图7c说明晶体管510a的结构例子。图7a是晶体管510a的俯视图。图7b是在图7a中以点划线l1-l2表示的部分的截面图。图7c是在图7a中以点划线w1-w2表示的部分的截面图。在图7a的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。
[0248]
在图7a、图7b及图7c中示出晶体管510a、被用作层间膜的绝缘体511、绝缘体512、绝缘体514、绝缘体516、绝缘体580、绝缘体582及绝缘体584。此外，示出与晶体管510a电连接且被用作接触插头的导电体546(导电体546a及导电体546b)及被用作布线的导电体503。
[0249]
晶体管510a包括：被用作第一栅电极的导电体560(导电体560a及导电体560b)；被用作第二栅电极的导电体505(导电体505a及导电体505b)；被用作第一栅极绝缘膜的绝缘体550；被用作第二栅极绝缘膜的绝缘体521、绝缘体522、绝缘体524；包括形成沟道的区域的氧化物530(氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c)；被用作源极和漏极中的一个的导电体542a；被用作源极和漏极中的另一个的导电体542b；绝缘体574。
[0250]
另外，在图7b所示的晶体管510a中，在设置于绝缘体580中的开口部中隔着绝缘体574配置有氧化物530c、绝缘体550及导电体560。此外，氧化物530c、绝缘体550及导电体560配置在导电体542a和导电体542b之间。
[0251]
绝缘体511及绝缘体512被用作层间膜。
[0252]
作为层间膜，可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧氮化铝、氮氧化铝、氮化铝、氧化铪、氧氮化铪、氮氧化铪、氮化铪、氧化钽、氧化锆、锆钛酸铅(pzt)、钛酸锶(srtio3)或(ba,sr)tio3(bst)等绝缘体的单层或叠层。或者，例如也可以对这些绝缘体添加氧化铝、氧化铋、氧化锗、氧化铌、氧化硅、氧化钛、氧化钨、氧化钇、氧化锆。此外，也可
以对这些绝缘体进行氮化处理。还可以将氧化硅、氧氮化硅或氮化硅层叠于上述绝缘体。
[0253]
例如，绝缘体511优选被用作抑制水或氢等杂质从衬底一侧进入晶体管510a的阻挡膜。因此，作为绝缘体511优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、铜原子等杂质的扩散的功能(不容易使上述杂质透过)的绝缘材料。另外，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能(不容易使上述氧透过)的绝缘材料。此外，例如，优选作为绝缘体511使用氧化铝或氮化硅等。通过采用该结构，可以抑制氢、水等杂质从与绝缘体511相比更靠近衬底一侧扩散到晶体管510a一侧。
[0254]
例如，绝缘体512的介电常数优选比绝缘体511低。通过将介电常数低的材料用于层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。
[0255]
导电体503以嵌入在绝缘体512中的方式形成。在此，导电体503的顶面的高度与绝缘体512的顶面的高度可以大致相同。导电体503具有单层结构，但是本发明不局限于此。例如，导电体503也可以具有两层以上的多层膜结构。作为导电体503，优选使用以钨、铜或铝为主要成分的导电性高的导电材料。
[0256]
在晶体管510a中，导电体560有时被用作第一栅电极。导电体505有时被用作第二栅电极。在此情况下，通过独立地改变供应到导电体505的电位而不使其与供应到导电体560的电位联动，可以控制晶体管510a的阈值电压。尤其是，通过对导电体505供应负电位，可以使晶体管510a的阈值电压大于0v且可以减小关态电流。因此，与不对导电体505施加负电位时相比，在对导电体505施加负电位的情况下，可以减小对导电体560供应的电位为0v时的漏极电流。
[0257]
另外，例如通过将导电体505重叠于导电体560，在对导电体560及导电体505供应电位的情况下，从导电体560产生的电场和从导电体505产生的电场连接，可以覆盖形成在氧化物530中的沟道形成区域。
[0258]
就是说，可以由被用作第一栅电极的导电体560的电场和被用作第二栅电极的导电体505的电场电围绕沟道形成区域。换言之，与上述晶体管500同样，晶体管510a具有surrounded channel(s-channel)结构。
[0259]
与绝缘体511及绝缘体512同样，绝缘体514及绝缘体516被用作层间膜。例如，绝缘体514优选被用作抑制水或氢等杂质从衬底一侧进入晶体管510a的阻挡膜。通过采用该结构，可以抑制氢、水等杂质从与绝缘体514相比更靠近衬底一侧扩散到晶体管510a一侧。例如，绝缘体516的介电常数优选比绝缘体514低。通过将介电常数低的材料用于层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。
[0260]
在被用作第二栅极的导电体505中，以与绝缘体514及绝缘体516的开口的内壁接触的方式形成有导电体505a，其内侧形成有导电体505b。在此，导电体505a及导电体505b的顶面的高度与绝缘体516的顶面的高度可以大致相同。另外，在晶体管510a中，层叠有导电体505a与导电体505b，但是本发明不局限于此。例如，导电体505可以具有单层结构，也可以具有三层以上的叠层结构。
[0261]
在此，作为导电体505a优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、铜原子等杂质的扩散的功能(不容易使上述杂质透过)的导电材料。或者，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能(不容易使上述氧透过)的导电材料。在本说明书等中，“抑制杂质或氧的扩散的功能”是指抑制上述杂质和上述氧中的任一个或全部的扩
散的功能。
[0262]
例如，通过使导电体505a具有抑制氧的扩散的功能，可以抑制因导电体505b氧化而导致导电率的下降。
[0263]
另外，在导电体505还具有布线的功能的情况下，作为导电体505b，优选使用以钨、铜或铝为主要成分的导电性高的导电材料。在此情况下，不一定需要设置导电体503。在附图中，导电体505b具有单层结构，但是也可以具有叠层结构，例如，可以采用钛或者氮化钛和上述导电材料的叠层结构。
[0264]
绝缘体521、绝缘体522及绝缘体524被用作第二栅极绝缘膜。
[0265]
绝缘体522优选具有阻挡性。当绝缘体522具有阻挡性时，绝缘体522被用作抑制氢等杂质从晶体管510a的周围部进入晶体管510a的层。
[0266]
作为绝缘体522，例如优选使用包含氧化铝、氧化铪、含有铝及铪的氧化物(铝酸铪)、含有铝及铪的氧氮化物、氧化钽、氧化锆、锆钛酸铅(pzt)、钛酸锶(srtio3)或(ba,sr)tio3(bst)等的绝缘体的单层或叠层。当进行晶体管的微型化及高集成化时，由于栅极绝缘膜的薄膜化，有时发生泄漏电流等问题。通过作为被用作栅极绝缘膜的绝缘体使用high-k材料，可以在保持物理厚度的同时降低晶体管工作时的栅极电位。
[0267]
此外，绝缘体521优选具有热稳定性。例如，因为氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。另外，通过high-k材料的绝缘体与氧化硅或氧氮化硅组合，可以形成具有热稳定性且相对介电常数高的叠层结构的绝缘体521。
[0268]
注意，在图7b及图7c中，第二栅极绝缘膜具有三层的叠层结构，但是也可以具有两层以下或者四层以上的叠层结构。此时，不局限于使用相同材料构成的叠层结构，也可以是使用不同材料形成的叠层结构。
[0269]
包括被用作沟道形成区域的区域的氧化物530包括氧化物530a、氧化物530a上的氧化物530b及氧化物530b上的氧化物530c。当氧化物530b下设置有氧化物530a时，可以防止杂质从形成在氧化物530a下方的结构物扩散到氧化物530b。当氧化物530b上设置有氧化物530c时，可以防止杂质从形成在氧化物530c的上方的结构物扩散到氧化物530b。作为氧化物530，可以使用上述金属氧化物之一的氧化物半导体。
[0270]
优选在设置于绝缘体580中的开口部内隔着绝缘体574设置氧化物530c。当绝缘体574具有阻挡性时，可以抑制来自绝缘体580的杂质扩散到氧化物530。
[0271]
导电体542中的一个被用作源电极，另一个被用作漏电极。
[0272]
导电体542a及导电体542b可以使用铝、钛、铬、镍、铜、钇、锆、钼、银、钽或钨等金属或者以这些元素为主要成分的合金。尤其是，氮化钽等金属氮化物膜对氢或氧具有阻挡性，且耐氧化性较高，所以是优选的。
[0273]
此外，虽然在图7b中示出单层结构，但是也可以采用两层以上的叠层结构。例如，优选层叠氮化钽膜及钨膜。另外，也可以层叠钛膜及铝膜。另外，也可以采用在钨膜上层叠铝膜的两层结构、在铜-镁-铝合金膜上层叠铜膜的两层结构、在钛膜上层叠铜膜的两层结构、在钨膜上层叠铜膜的两层结构。
[0274]
另外，也可以使用：在钛膜或氮化钛膜上层叠铝膜或铜膜并在其上形成钛膜或氮化钛膜的三层结构、在钼膜或氮化钼膜上层叠铝膜或铜膜并在其上形成钼膜或氮化钼膜的三层结构等。另外，也可以使用包含氧化铟、氧化锡或氧化锌的透明导电材料。
[0275]
此外，也可以在导电体542上设置阻挡层。阻挡层优选使用对氧或氢具有阻挡性的物质。通过采用该结构，可以抑制在形成绝缘体574时导电体542氧化。
[0276]
阻挡层例如可以使用金属氧化物。尤其是，优选使用氧化铝、氧化铪、氧化镓等对氧或氢具有阻挡性的绝缘膜。此外，也可以使用利用cvd法形成的氮化硅。
[0277]
通过包括阻挡层，可以扩大导电体542的材料的选择范围。例如，导电体542可以使用钨或铝等耐氧化性低且导电性高的材料。另外，例如可以使用容易进行沉积或加工的导电体。
[0278]
绝缘体550被用作第一栅极绝缘膜。优选在设置于绝缘体580中的开口部内隔着氧化物530c及绝缘体574设置绝缘体550。
[0279]
当进行晶体管的微型化及高集成化时，由于栅极绝缘膜的薄膜化，有时发生泄漏电流等问题。此时，与第二栅极绝缘膜同样，绝缘体550也可以具有叠层结构。通过使被用作栅极绝缘膜的绝缘体具有high-k材料与具有热稳定性的材料的叠层结构，可以在保持物理厚度的同时降低晶体管工作时的栅极电位。此外，可以实现具有热稳定性及高相对介电常数的叠层结构。
[0280]
被用作第一栅电极的导电体560包括导电体560a及导电体560a上的导电体560b。与导电体505a同样，作为导电体560a优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、铜原子等杂质的扩散的功能的导电材料。另外，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能的导电材料。
[0281]
当导电体560a具有抑制氧的扩散的功能时，可以扩大导电体560b的材料的选择范围。也就是说，通过包括导电体560a，可以抑制导电体560b的氧化，而可以防止导电率的下降。
[0282]
作为具有抑制氧的扩散的功能的导电材料，例如，优选使用钽、氮化钽、钌或氧化钌等。此外，作为导电体560a，可以使用可用于氧化物530的氧化物半导体。在此情况下，通过利用溅射法形成导电体560b，可以降低导电体560a的电阻率而使其成为导电体。该导电体可以称为oc(oxide conductor)电极。
[0283]
作为导电体560b，优选使用以钨、铜或铝为主要成分的导电材料。由于导电体560被用作布线，所以作为导电体560b优选使用导电性高的导电体。例如，可以使用以钨、铜或铝为主要成分的导电材料。导电体560b也可以具有叠层结构，例如，可以采用钛或者氮化钛和上述导电材料的叠层。
[0284]
在绝缘体580与晶体管510a之间配置绝缘体574。作为绝缘体574优选使用具有抑制水或氢等杂质及氧的扩散的功能的绝缘材料。例如优选使用氧化铝或氧化铪等。此外，例如，可以使用氧化镁、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕或氧化钽等金属氧化物、氮氧化硅或氮化硅等。
[0285]
通过包括绝缘体574，可以抑制绝缘体580所包含的水、氢等杂质经过氧化物530c、绝缘体550扩散到氧化物530b。此外，可以抑制绝缘体580所包含的过剩氧使导电体560氧化。
[0286]
绝缘体580、绝缘体582及绝缘体584被用作层间膜。
[0287]
与绝缘体514同样，绝缘体582优选被用作抑制水或氢等杂质从外部进入晶体管510a的阻挡绝缘膜。
[0288]
此外，与绝缘体516同样，绝缘体580及绝缘体584的介电常数优选比绝缘体582低。通过将介电常数较低的材料用于层间膜，可以减少产生在布线之间的寄生电容。
[0289]
另外，晶体管510a也可以通过嵌入在绝缘体580、绝缘体582及绝缘体584中的导电体546等插头或布线电连接到其他构成要素。
[0290]
另外，与导电体505同样，作为导电体546的材料，可以使用金属材料、合金材料、金属氮化物材料或金属氧化物材料等导电材料的单层或叠层。例如，优选使用兼具耐热性和导电性的钨或钼等高熔点材料。或者，优选使用铝或铜等低电阻导电材料。通过使用低电阻导电材料可以降低布线电阻。
[0291]
例如，通过作为导电体546使用对氢及氧具有阻挡性的导电体的氮化钽等与导电性高的钨的叠层结构，可以在保持作为布线的导电性的同时抑制来自外部的杂质的扩散。
[0292]
通过具有上述结构，可以提供一种通态电流大的os晶体管。或者，可以提供一种关态电流小的os晶体管。或者，在包含os晶体管的半导体装置中，可以在电特性变动得到抑制的同时可靠性得到提高。
[0293]
《晶体管的结构例子2》
[0294]
参照图8a、图8b及图8c说明晶体管510b的结构例子。图8a是晶体管510b的俯视图。图8b是在图8a中以点划线l1-l2表示的部分的截面图。图8c是在图8a中以点划线w1-w2表示的部分的截面图。在图8a的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。
[0295]
晶体管510b是晶体管510a的变形例子。由此，为了防止重复说明，主要对与晶体管510a不同之处进行说明。
[0296]
晶体管510b包括导电体542(导电体542a及导电体542b)与氧化物530c、绝缘体550及导电体560重叠的区域。通过采用该结构，可以提供通态电流大的晶体管。此外，可以提供控制性高的晶体管。
[0297]
被用作第一栅电极的导电体560包括导电体560a及导电体560a上的导电体560b。与导电体505a同样，作为导电体560a优选使用具有抑制氢原子、氢分子、水分子、铜原子等杂质的扩散的功能的导电材料。另外，优选使用具有抑制氧(例如，氧原子、氧分子等中的至少一个)的扩散的功能的导电材料。
[0298]
当导电体560a具有抑制氧的扩散的功能时，可以扩大导电体560b的材料的选择范围。也就是说，通过包括导电体560a，可以抑制导电体560b的氧化，而可以防止导电率的下降。
[0299]
此外，优选以覆盖导电体560的顶面及侧面、绝缘体550的侧面以及氧化物530c的侧面的方式设置绝缘体574。作为绝缘体574优选使用具有抑制水或氢等杂质及氧的扩散的功能的绝缘材料。例如优选使用氧化铝或氧化铪等。此外，例如，可以使用氧化镁、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化钕或氧化钽等金属氧化物、氮氧化硅或氮化硅等。
[0300]
通过设置绝缘体574，可以抑制导电体560的氧化。此外，通过包括绝缘体574，可以抑制绝缘体580所包含的水、氢等杂质扩散到晶体管510b。
[0301]
另外，也可以在导电体546与绝缘体580间设置具有阻挡性的绝缘体576(绝缘体576a及绝缘体576b)。通过设置绝缘体576，可以抑制绝缘体580的氧与导电体546发生反应导致导电体546被氧化。
[0302]
另外，通过设置具有阻挡性的绝缘体576，可以扩大用于插头或布线的导电体的材
料的选择范围。例如，通过作为导电体546使用具有吸收氧的性质且具有高导电性的金属材料，可以提供低功耗的半导体装置。具体而言，可以使用钨或铝等耐氧化性低且导电性高的材料。另外，例如可以使用容易进行沉积或加工的导电体。
[0303]
《晶体管的结构例子3》
[0304]
参照图9a、图9b及图9c说明晶体管510c的结构例子。图9a是晶体管510c的俯视图。图9b是在图9a中以点划线l1-l2表示的部分的截面图。图9c是在图9a中以点划线w1-w2表示的部分的截面图。在图9a的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。
[0305]
晶体管510c是晶体管510a的变形例子。由此，为了防止重复说明，主要对与晶体管510a不同之处进行说明。
[0306]
图9a、图9b及图9c所示的晶体管510c在导电体542a与氧化物530b之间配置有导电体547a，在导电体542b与氧化物530b之间配置有导电体547b。在此，导电体542a(导电体542b)具有超过导电体547a(导电体547b)的顶面及导电体560一侧的侧面延伸并与氧化物530b的顶面接触的区域。在此，作为导电体547，可以使用可用于导电体542的导电体。此外，导电体547的厚度优选至少大于导电体542。
[0307]
由于图9a、图9b及图9c所示的晶体管510c具有上述结构，与晶体管510a相比，可以将导电体542靠近导电体560。或者，可以将导电体542a的端部及导电体542b的端部重叠于导电体560。由此，可以减小晶体管510c的实质上的沟道长度，而可以提高通态电流及频率特性。
[0308]
另外，导电体547a(导电体547b)优选与导电体542a(导电体542b)重叠。通过采用该结构，在形成填埋导电体546a(导电体546b)的开口的蚀刻时，导电体547a(导电体547b)被用作蚀刻停止层而可以防止氧化物530b的过蚀刻。
[0309]
此外，在图9a、图9b及图9c所示的晶体管510c中，也可以以接触于绝缘体544之上的方式配置绝缘体545。绝缘体544优选被用作抑制水或氢等杂质或过剩氧从绝缘体580一侧进入晶体管510c的阻挡绝缘膜。作为绝缘体545，可以使用可用于绝缘体544的绝缘体。此外，作为绝缘体544，例如也可以使用氮化铝、氮化铝钛、氮化钛、氮化硅或氮氧化硅等氮化物绝缘体。
[0310]
另外，在图9a、图9b及图9c所示的晶体管510c中，与图7a、图7b及图7c所示的晶体管510a不同，导电体505也可以具有单层结构。此时，可以在已形成为图案的导电体505上形成成为绝缘体516的绝缘膜，通过利用cmp法等直到导电体505的顶面露出为止去除该绝缘膜的顶部。在此，优选提高导电体505的顶面的平坦性。例如，导电体505的顶面的平均表面粗糙度(ra)可以为1nm以下，优选为0.5nm以下，更优选为0.3nm以下。由此，可以提高形成在导电体505上的绝缘层的平坦性，而可以提高氧化物530b及氧化物530c的结晶性。
[0311]
《晶体管的结构例子4》
[0312]
参照图10a、图10b及图10c说明晶体管510d的结构例子。图10a是晶体管510d的俯视图。图10b是在图10a中以点划线l1-l2表示的部分的截面图。图10c是在图10a中以点划线w1-w2表示的部分的截面图。在图10a的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。
[0313]
晶体管510d是上述晶体管的变形例子。由此，为了防止重复说明，主要对与上述晶体管不同之处进行说明。
[0314]
在图10a、图10b及图10c中，将具有第二栅极的功能的导电体505还用作布线而不
设置导电体503。此外，在氧化物530c上包括绝缘体550，在绝缘体550上包括金属氧化物552。此外，在金属氧化物552上包括导电体560，在导电体560上包括绝缘体570。此外，在绝缘体570上包括绝缘体571。
[0315]
金属氧化物552优选具有抑制氧扩散的功能。通过在绝缘体550与导电体560之间设置抑制氧扩散的金属氧化物552，向导电体560的氧扩散得到抑制。换言之，可以抑制供应到氧化物530的氧量的减少。另外，可以抑制因氧导致的导电体560的氧化。
[0316]
另外，金属氧化物552可以被用作第一栅极的一部分。例如，可以将可用作氧化物530的氧化物半导体用作金属氧化物552。在此情况下，通过利用溅射法形成导电体560，可以降低金属氧化物552的电阻值使其变为导电层。可以将其称为oc(oxide conductor)电极。
[0317]
另外，金属氧化物552有时被用作栅极绝缘膜的一部分。因此，在将氧化硅或氧氮化硅等用于绝缘体550的情况下，作为金属氧化物552优选使用作为相对介电常数高的high-k材料的金属氧化物。通过采用该叠层结构，可以形成具有热稳定性且相对介电常数高的叠层结构。因此，可以在保持物理厚度的同时降低在晶体管工作时施加的栅极电位。另外，可以减少被用作栅极绝缘膜的绝缘层的等效氧化物厚度(eot)。
[0318]
虽然示出晶体管510d中的金属氧化物552是单层的结构，但是也可以采用两层以上的叠层结构。例如，可以将被用作栅电极的一部分的金属氧化物与被用作栅极绝缘膜的一部分的金属氧化物层叠。
[0319]
当将金属氧化物552用作栅电极时，可以在不减弱来自导电体560的电场的影响的情况下提高晶体管510d的通态电流。另外，当将金属氧化物552用作栅极绝缘膜时，通过利用绝缘体550及金属氧化物552的物理厚度保持导电体560与氧化物530之间的距离，可以抑制导电体560与氧化物530之间的泄漏电流。由此，通过设置绝缘体550及金属氧化物552的叠层结构，可以容易调节导电体560与氧化物530之间的物理距离及从导电体560施加到氧化物530的电场强度。
[0320]
具体而言，作为金属氧化物552，通过使可用于氧化物530的氧化物半导体低电阻化，可以将其用作金属氧化物552。或者，可以使用包含选自铪、铝、镓、钇、锆、钨、钛、钽、镍、锗和镁等中的一种或两种以上的金属氧化物。
[0321]
尤其是，优选使用作为包含铝和铪中的一方或双方的氧化物的绝缘层的氧化铝、氧化铪、包含铝及铪的氧化物(铝酸铪)等。尤其是，铝酸铪的耐热性比氧化铪膜高。因此，在后面的工序的加热处理中不容易晶化，所以是优选的。注意，金属氧化物552不是必需的构成要素，可以根据所需的晶体管特性适当地设计。
[0322]
作为绝缘体570优选使用具有抑制水或氢等杂质及氧的透过的功能的绝缘材料。例如优选使用氧化铝或氧化铪等。由此，可以防止导电体560因来自绝缘体570的上方的氧而氧化。另外，可以抑制来自绝缘体570的上方的水或氢等杂质通过导电体560及绝缘体550进入氧化物530中。
[0323]
绝缘体571被用作硬掩模。通过设置绝缘体571，可以以使导电体560的侧面与衬底表面大致垂直的方式对导电体560进行加工，具体而言，可以使导电体560的侧面与衬底表面所形成的角度为75度以上且100度以下，优选为80度以上且95度以下。
[0324]
另外，也可以通过作为绝缘体571使用抑制水或氢等杂质及氧的透过的功能的绝
缘材料，来将绝缘体571还用作阻挡层。在此情况下，也可以不设置绝缘体570。
[0325]
通过将绝缘体571用作硬掩模，选择性地去除绝缘体570、导电体560、金属氧化物552、绝缘体550及氧化物530c的一部分，可以使它们的侧面大致对齐，且使氧化物530b的表面的一部分露出。
[0326]
另外，晶体管510d在露出的氧化物530b的表面的一部分具有区域531a及区域531b。区域531a和区域531b中的一个被用作源区，另一个被用作漏区。
[0327]
例如通过利用离子注入法、离子掺杂法、等离子体浸没离子注入法或等离子体处理等，对露出的氧化物530b的表面引入磷或硼等杂质元素，来可以形成区域531a及区域531b。注意，在本实施方式等中，“杂质元素”是指主要成分元素之外的元素。
[0328]
另外，也可以在使氧化物530b的表面的一部分露出之后形成金属膜，然后进行加热处理，来将包含在该金属膜中的元素扩散到氧化物530b中，由此形成区域531a及区域531b。
[0329]
氧化物530b中的被引入杂质元素的区域的电阻率下降。由此，有时将区域531a及区域531b称为“杂质区域”或“低电阻区域”。
[0330]
通过将绝缘体571和/或导电体560用作掩模，可以自对准地形成区域531a及区域531b。因此，区域531a和/或区域531b不与导电体560重叠，可以减小寄生电容。此外，偏置区域不形成在沟道形成区域与源/漏区(区域531a或区域531b)之间。通过自对准地形成区域531a及区域531b，可以实现通态电流的增加、阈值电压的降低、工作频率的提高等。
[0331]
另外，为了进一步降低关态电流，也可以在沟道形成区域与源/漏区之间设置偏置区域。偏置区域是电阻率高的区域，且是不被进行上述杂质元素的引入的区域。通过在形成绝缘体575后进行上述杂质元素的引入，可以形成偏置区域。在此情况下，与绝缘体571等同样，绝缘体575也被用作掩模。因此，氧化物530b的与绝缘体575重叠的区域不被引入杂质元素，由此可以将该区域的电阻率保持为高。
[0332]
另外，晶体管510d在绝缘体570、导电体560、金属氧化物552、绝缘体550及氧化物530c的侧面包括绝缘体575。绝缘体575优选为相对介电常数低的绝缘体。例如，优选使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、添加有氟的氧化硅、添加有碳的氧化硅、添加有碳及氮的氧化硅、具有空孔的氧化硅或树脂等。尤其是，当将氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅或具有空孔的氧化硅用于绝缘体575时，在后面的工序中可在绝缘体575中容易形成过剩氧区域，所以是优选的。另外，氧化硅及氧氮化硅具有热稳定性，所以是优选的。此外，绝缘体575优选具有扩散氧的功能。
[0333]
另外，晶体管510d在绝缘体575、氧化物530上包括绝缘体574。绝缘体574优选利用溅射法形成。通过利用溅射法，可以形成水或氢等杂质少的绝缘体。例如，作为绝缘体574，优选使用氧化铝。
[0334]
有时利用溅射法形成的氧化膜从被形成的结构体抽出氢。因此，由于绝缘体574从氧化物530及绝缘体575吸收氢及水，而可以降低氧化物530及绝缘体575的氢浓度。
[0335]
《晶体管的结构例子5》
[0336]
参照图11a、图11b及图11c说明晶体管510e的结构例子。图11a是晶体管510e的俯视图。图11b是在图11a中以点划线l1-l2表示的部分的截面图。图11c是在图11a中以点划线w1-w2表示的部分的截面图。在图11a的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。
[0337]
晶体管510e是上述晶体管的变形例子。由此，为了防止重复说明，主要对与上述晶体管不同之处进行说明。
[0338]
在图11a、图11b及图11c中，在露出的氧化物530b的表面的一部分包括区域531a及区域531b而不设置导电体542。区域531a和区域531b中的一个被用作源区，另一个被用作漏区。此外，在氧化物530b与绝缘体574之间包括绝缘体573。
[0339]
图11b所示的区域531(区域531a及区域531b)是氧化物530b被添加下述元素而成的区域。区域531例如可以利用伪栅极形成。
[0340]
具体而言，在氧化物530b上设置伪栅极，将该伪栅极用作掩模，对氧化物530b添加使该氧化物530b低电阻化的元素。也就是说，该元素被添加到氧化物530的不与伪栅极重叠的区域中，由此形成区域531。作为该元素的添加方法，可以使用：对离子化了的源气体进行质量分离而添加的离子注入法；不对离子化了的源气体进行质量分离而添加的离子掺杂法；以及等离子体浸没离子注入法等。
[0341]
另外，作为使氧化物530低电阻化的元素，典型的有硼或磷。另外，也可以使用氢、碳、氮、氟、硫、氯、钛、稀有气体等。作为稀有气体的典型例子有氦、氖、氩、氪及氙等。该元素的浓度可以利用二次离子质谱分析法(sims：secondary ion mass spectrometry)等进行测量。
[0342]
尤其是，硼及磷可以使用低温多晶硅等的生产线的装置，所以是优选的。可以使用已有的设备，由此可以降低设备投资。
[0343]
接着，也可以在氧化物530b及伪栅极上形成成为绝缘体573的绝缘膜及成为绝缘体574的绝缘膜。通过层叠设置成为绝缘体573的绝缘膜和成为绝缘体574的绝缘膜，可以设置区域531与氧化物530c及绝缘体550重叠的区域。
[0344]
具体而言，在成为绝缘体574的绝缘膜上设置成为绝缘体580的绝缘膜，然后对成为绝缘体580的绝缘膜进行cmp(chemical mechanical polishing)处理，去除成为绝缘体580的绝缘膜的一部分，使伪栅极露出。接着，在去除伪栅极时，优选还去除与伪栅极接触的绝缘体573的一部分。由此，在设置于绝缘体580中的开口部的侧面，绝缘体574及绝缘体573露出，在该开口部的底面，设置在氧化物530b中的区域531的一部分露出。接着，在该开口部依次形成成为氧化物530c的氧化膜、成为绝缘体550的绝缘膜及成为导电体560的导电膜，然后利用cmp处理等直到绝缘体580露出为止去除成为氧化物530c的氧化膜、成为绝缘体550的绝缘膜及成为导电体560的导电膜的一部分，由此可以形成图11a、图11b及图11c所示的晶体管。
[0345]
注意，不一定需要设置绝缘体573及绝缘体574。根据所需要的晶体管特性，适当地设计即可。
[0346]
图11a、图11b及图11c所示的晶体管可以利用已有的装置，并且不设置导电体542，由此可以降低成本。
[0347]
《晶体管的结构例子6》
[0348]
参照图12a、图12b及图12c说明晶体管510f的结构例子。图12a是晶体管510f的俯视图。图12b是在图12a中以点划线l1-l2表示的部分的截面图。图12c是在图12a中以点划线w1-w2表示的部分的截面图。在图12a的俯视图中，为了明确起见，省略构成要素的一部分。
[0349]
晶体管510f是晶体管510a的变形例子。由此，为了防止重复说明，主要对与上述晶
体管不同之处进行说明。
[0350]
在晶体管510a中，绝缘体574的一部分设置在绝缘体580中的开口部内，覆盖导电体560的侧面。另一方面，在晶体管510f中，通过去除绝缘体580的一部分和绝缘体574的一部分形成开口。
[0351]
另外，也可以在导电体546与绝缘体580间设置具有阻挡性的绝缘体576(绝缘体576a及绝缘体576b)。通过设置绝缘体576，可以抑制绝缘体580的氧与导电体546发生反应导致导电体546被氧化。
[0352]
此外，当作为氧化物530使用氧化物半导体时优选采用各金属原子的原子个数比互不相同的多个氧化物层的叠层结构。具体而言，在用于氧化物530a的金属氧化物中，构成元素中的元素m的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物的构成元素中的元素m的原子个数比。此外，在用于氧化物530a的金属氧化物中，相对于in的元素m的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物中的相对于in的元素m的原子个数比。此外，在用于氧化物530b的金属氧化物中，相对于元素m的in的原子个数比优选大于用于氧化物530a的金属氧化物中的相对于元素m的in的原子个数比。此外，氧化物530c可以使用可用于氧化物530a或氧化物530b的金属氧化物。
[0353]
氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c优选具有结晶性，尤其是，优选使用caac-os。caac-os等具有结晶性的氧化物具有杂质及缺陷(氧空位等)少的结晶性高且致密的结构。因此，可以抑制由源电极或漏电极氧从氧化物530b被抽出。因此，即使进行加热处理也可以减少氧从氧化物530b被抽出，所以晶体管510f对制造工序中的高温度(所谓热积存，thermal budget)也很稳定。
[0354]
另外，也可以省略氧化物530a及氧化物530c中的一方或双方。氧化物530也可以采用氧化物530b的单层。当作为氧化物530采用氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的叠层时，优选的是，使氧化物530a及氧化物530c的导带底的能量高于氧化物530b的导带底的能量。换言之，氧化物530a及氧化物530c的电子亲和势优选小于氧化物530b的电子亲和势。在此情况下，氧化物530c优选使用可以用于氧化物530a的金属氧化物。具体而言，在用于氧化物530c的金属氧化物中，构成元素中的元素m的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物的构成元素中的元素m的原子个数比。此外，在用于氧化物530c的金属氧化物中，相对于in的元素m的原子个数比优选大于用于氧化物530b的金属氧化物中的相对于in的元素m的原子个数比。此外，在用于氧化物530b的金属氧化物中，相对于元素m的in的原子个数比优选大于用于氧化物530c的金属氧化物中的相对于元素m的in的原子个数比。
[0355]
在此，在氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的接合部中，导带底的能级平缓地变化。换言之，也可以将上述情况表达为氧化物530a、氧化物530b及氧化物530c的接合部的导带底的能级连续地变化或者连续地接合。为此，优选降低形成在氧化物530a与氧化物530b的界面以及氧化物530b与氧化物530c的界面的混合层的缺陷态密度。
[0356]
具体而言，通过使氧化物530a与氧化物530b以及氧化物530b与氧化物530c除了氧之外还包含共同元素(为主要成分)，可以形成缺陷态密度低的混合层。例如，在氧化物530b为in-ga-zn氧化物的情况下，作为氧化物530a及氧化物530c可以使用in-ga-zn氧化物、ga-zn氧化物及氧化镓等。此外，氧化物530c可以具有叠层结构。例如，可以使用in-ga-zn氧化物和该in-ga-zn氧化物上的ga-zn氧化物的叠层结构，或者，可以使用in-ga-zn氧化物和该
in-ga-zn氧化物上的氧化镓的叠层结构。换言之，作为氧化物530c，也可以使用in-ga-zn氧化物和不包含in的氧化物的叠层结构。
[0357]
具体而言，作为氧化物530a使用in：ga：zn＝1：3：4[原子个数比]或1：1：0.5[原子个数比]的金属氧化物，即可。此外，作为氧化物530b使用in：ga：zn＝4：2：3[原子个数比]或3：1：2[原子个数比]的金属氧化物，即可。此外，作为氧化物530c使用in：ga：zn＝1：3：4[原子个数比]、in：ga：zn＝4：2：3[原子个数比]、ga：zn＝2：1[原子个数比]或ga：zn＝2：5[原子个数比]的金属氧化物，即可。此外，作为氧化物530c具有叠层结构的情况下的具体例子，可以举出in：ga：zn＝4：2：3[原子个数比]和ga：zn＝2：1[原子个数比]的叠层结构、in：ga：zn＝4：2：3[原子个数比]和ga：zn＝2：5[原子个数比]的叠层结构、in：ga：zn＝4：2：3[原子个数比]和氧化镓的叠层结构等。
[0358]
此时，载流子的主要路径为氧化物530b。通过使氧化物530a及氧化物530c具有上述结构，可以降低氧化物530a与氧化物530b的界面及氧化物530b与氧化物530c的界面的缺陷态密度。因此，界面散射对载流子传导的影响减少，从而晶体管510f可以得到大通态电流及高频率特性。此外，在氧化物530c具有叠层结构时，被期待降低上述氧化物530b和氧化物530c的界面的缺陷态密度的效果及抑制氧化物530c所具有的构成元素扩散到绝缘体550一侧的效果。更具体而言，在氧化物530c具有叠层结构时，因为使不包含in的氧化物位于叠层结构的上方，所以可以抑制会扩散到绝缘体550一侧的in。由于绝缘体550被用作栅极绝缘体，因此在in扩散在其中的情况下导致晶体管的特性不良。由此，通过使氧化物530c具有叠层结构，可以提供可靠性高的显示装置。
[0359]
作为氧化物530优选使用被用作氧化物半导体的金属氧化物。例如，作为将成为氧化物530的沟道形成区域的金属氧化物，优选使用其带隙为2ev以上，优选为2.5ev以上的金属氧化物。如此，通过使用带隙较宽的金属氧化物，可以减小晶体管的关态电流。通过采用这种晶体管，可以提供低功耗的半导体装置。
[0360]
《晶体管的结构例子7》
[0361]
使用图13a及图13b说明晶体管510g的结构例子。晶体管510g是晶体管500的变形例子。由此，为了防止重复说明，主要对与上述晶体管不同之处进行说明。注意，图13a及图13b所示的结构也可以用于晶体管300等本发明的一个方式的半导体装置所包括的其他晶体管。
[0362]
图13a是晶体管510g的沟道长度方向上的截面图，图13b是晶体管510g的沟道宽度方向上的截面图。图13a及图13b所示的结构的晶体管510g与图6a及图6b所示的晶体管500的不同之处在于包括绝缘体402及绝缘体404。此外，与图6a及图6b所示的晶体管500的不同之处在于与导电体540a的侧面接触地设置绝缘体551，且与导电体540b的侧面接触地设置绝缘体551。再者，与图6a及图6b所示的晶体管500的不同之处在于不包括绝缘体520。
[0363]
在图13a及图13b所示的晶体管510g中，绝缘体512上设置有绝缘体402。此外，绝缘体574上及绝缘体402上设置有绝缘体404。
[0364]
在图13a及图13b所示的晶体管510g中，绝缘体514、绝缘体516、绝缘体522、绝缘体524、绝缘体544、绝缘体580及绝缘体574被图案化，绝缘体404覆盖它们。也就是说，绝缘体404与绝缘体574的顶面、绝缘体574的侧面、绝缘体580的侧面、绝缘体544的侧面、绝缘体524的侧面、绝缘体522的侧面、绝缘体516的侧面、绝缘体514的侧面、绝缘体402的顶面接
触。由此，氧化物530等被绝缘体404及绝缘体402与外部隔开。
[0365]
绝缘体402及绝缘体404的抑制氢(例如，氢原子、氢分子等中的至少一个)或水分子的扩散的能力优选高。例如，作为绝缘体402及绝缘体404，优选使用氢阻挡性较高的材料的氮化硅或氮氧化硅。由此，由于可以抑制氢等扩散到氧化物530中，可以抑制晶体管510g的特性下降。因此，可以提高包含os晶体管的半导体装置的可靠性。
[0366]
绝缘体551以与绝缘体581、绝缘体404、绝缘体574、绝缘体580及绝缘体544接触的方式设置。绝缘体551优选具有抑制氢或水分子的扩散的功能。例如，作为绝缘体551优选使用氢阻挡性较高的材料的氮化硅、氧化铝或氮氧化硅等绝缘体。尤其是，氮化硅为氢阻挡性较高的材料，因此优选用于绝缘体551。通过作为绝缘体551使用氢阻挡性较高的材料，可以抑制水或氢等杂质从绝缘体580等通过导电体540a及导电体540b扩散到氧化物530。另外，可以抑制包含在绝缘体580中的氧被导电体540a及导电体540b吸收。如此，可以提高包含os晶体管的半导体装置的可靠性。
[0367]
图14是示出晶体管500及晶体管300具有图13a及图13b所示的结构的情况下的半导体装置的结构例子的截面图。导电体546的侧面设置有绝缘体551。
[0368]
图15a及图15b是图13a及图13b所示的晶体管的变形例子。图15a是晶体管的沟道长度方向上的截面图，图15b是晶体管的沟道宽度方向上的截面图。图15a及图15b所示的晶体管与图13a及图13b所示的晶体管的不同之处在于氧化物530c具有氧化物530c1及氧化物530c2的两层结构。
[0369]
氧化物530c1与绝缘体524的顶面、氧化物530a的侧面、氧化物530b的顶面及侧面、导电体542a及导电体542b的侧面、绝缘体544的侧面及绝缘体580的侧面接触。氧化物530c2与绝缘体550接触。
[0370]
作为氧化物530c1，例如可以使用in-zn氧化物。此外，作为氧化物530c2，可以使用与氧化物530c具有单层结构时能够用于氧化物530c的材料同样的材料。例如，作为氧化物530c2，可以使用in:ga:zn＝1:3:4[原子个数比]、ga:zn＝2:1[原子个数比]或ga:zn＝2:5[原子个数比]的金属氧化物。
[0371]
通过氧化物530c具有氧化物530c1及氧化物530c2的两层结构，与氧化物530c具有单层结构的情况相比，可以提高晶体管的通态电流。因此，例如可以使晶体管为功率mos晶体管。注意，图6a及图6b所示的晶体管所包括的氧化物530c也可以具有氧化物530c1及氧化物530c2的两层结构。
[0372]
可以将图15a及图15b所示的晶体管例如用于晶体管500、晶体管300或者晶体管500和晶体管300的双方。
[0373]
本实施方式可以与本说明书所记载的其他实施方式适当地组合而实施。
[0374]
(实施方式3)
[0375]
在本实施方式中，说明金属氧化物之一的氧化物半导体。
[0376]
金属氧化物优选至少包含铟或锌。尤其优选包含铟及锌。此外，除此之外，优选还包含铝、镓、钇、锡等。此外，也可以包含选自硼、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨、镁及钴等中的一种或多种。
[0377]
《结晶结构的分类》
[0378]
首先，对氧化物半导体中的结晶结构的分类参照图16a进行说明。图16a是说明氧
化物半导体，典型为igzo(包含in、ga、zn的金属氧化物)的结晶结构的分类的图。
[0379]
如图16a所示，氧化物半导体大致分为“amorphous(无定形)”、“crystalline(结晶性)”、“crystal(结晶)”。此外，completely amorphous包含在“amorphous”中。此外，在“crystalline”中包含caac(c-axis-aligned crystalline)、nc(nanocrystalline)及cac(cloud-aligned composite)。此外，在“crystalline”的分类中不包含single crystal(单晶)、poly crystal(多晶)及completely amorphous。此外，在“crystal”中包含single crystal及poly crystal。
[0380]
此外，图16a所示的外框线被加粗的部分中的结构是介于“amorphous(无定形)”与“crystal(结晶)”之间的中间状态，是属于新的边界区域(new crystalline phase)的结构。换言之，该结构与“crystal(结晶)”或在能量性上不稳定的“amorphous(无定形)”可以说是完全不同的结构。
[0381]
可以使用x射线衍射(xrd：x-ray diffraction)谱对膜或衬底的结晶结构进行评价。在此，图16b示出被分类为“crystalline”的caac-igzo膜的通过gixd(grazing-incidence xrd)测量而得到的xrd谱。此外，将gixd法也称为薄膜法或seemann-bohlin法。下面，将图16b所示的通过gixd测量而得到的xrd谱简单地记为xrd谱。此外，图16b所示的caac-igzo膜的组成是in：ga：zn＝4：2：3[原子个数比]附近。此外，图16b所示的caac-igzo膜的厚度为500nm。
[0382]
如图16b所示，在caac-igzo膜的xrd谱中检测出表示明确的结晶性的峰值。具体而言，在caac-igzo膜的xrd谱中，2θ＝31
°
附近检测出表示c轴取向的峰值。此外，如图16b所示那样，2θ＝31
°
附近的峰值在以检测出峰值强度的角度为轴时左右非对称。
[0383]
此外，可以使用纳米束电子衍射法(nbed：nano beam electron diffraction)观察的衍射图案(也称为纳米束电子衍射图案)对膜或衬底的结晶结构进行评价。图16c示出caac-igzo膜的衍射图案。图16c是将电子束向平行于衬底的方向入射的nbed观察的衍射图案。此外，图16c所示的caac-igzo膜的组成是in：ga：zn＝4：2：3[原子个数比]附近。此外，在纳米束电子衍射法中，进行束径为1nm的电子衍射法。
[0384]
如图16c所示那样，在caac-igzo膜的衍射图案中观察到表示c轴取向的多个斑点。
[0385]
《《氧化物半导体的结构》》
[0386]
此外，在注目于氧化物半导体的结晶结构的情况下，有时氧化物半导体的分类与图16a不同。例如，氧化物半导体可以分类为单晶氧化物半导体和除此之外的非单晶氧化物半导体。作为非单晶氧化物半导体，例如可以举出上述caac-os及nc-os。此外，在非单晶氧化物半导体中包含多晶氧化物半导体、a-like os(amorphous-like oxide semiconductor)及非晶氧化物半导体等。
[0387]
在此，对上述caac-os、nc-os及a-like os的详细内容进行说明。
[0388]
[caac-os]
[0389]
caac-os是包括多个结晶区域的氧化物半导体，该多个结晶区域的c轴取向于特定的方向。此外，特定的方向是指caac-os膜的厚度方向、caac-os膜的被形成面的法线方向、或者caac-os膜的表面的法线方向。此外，结晶区域是具有原子排列的周期性的区域。注意，在将原子排列看作晶格排列时结晶区域也是晶格排列一致的区域。再者，caac-os具有在a-b面方向上多个结晶区域连接的区域，有时该区域具有畸变。此外，畸变是指在多个结晶区
域连接的区域中，晶格排列一致的区域和其他晶格排列一致的区域之间的晶格排列的方向变化的部分。换言之，caac-os是指c轴取向并在a-b面方向上没有明显的取向的氧化物半导体。
[0390]
此外，上述多个结晶区域的每一个由一个或多个微小结晶(最大径小于10nm的结晶)构成。在结晶区域由一个微小结晶构成的情况下，该结晶区域的最大径小于10nm。此外，结晶区域由多个微小结晶构成的情况下，有时该结晶区域的尺寸为几十nm左右。
[0391]
此外，在in-m-zn氧化物(元素m为选自铝、镓、钇、锡及钛等中的一种或多种)中，caac-os有包括含有层叠有铟(in)及氧的层(以下，in层)、含有元素m、锌(zn)及氧的层(以下，(m，zn)层)的层状结晶结构(也称为层状结构)的趋势。此外，铟和元素m可以彼此置换。因此，有时(m，zn)层包含铟。此外，有时in层包含元素m。注意，有时in层包含zn。该层状结构例如在高分辨率tem图像中被观察作为晶格像。
[0392]
例如，当对caac-os膜使用xrd装置进行结构分析时，在使用θ/2θ扫描的out-of-plane xrd测量中，在2θ＝31
°
或其附近检测出表示c轴取向的峰值。注意，表示c轴取向的峰值的位置(2θ值)有时根据构成caac-os的金属元素的种类、组成等变动。
[0393]
此外，例如，在caac-os膜的电子衍射图案中观察到多个亮点(斑点)。此外，在以透过样品的入射电子束的斑点(也称为直接斑点)为对称中心时，某一个斑点和其他斑点被观察在点对称的位置。
[0394]
在从上述特定的方向观察结晶区域的情况下，虽然该结晶区域中的晶格排列基本上是六方晶格，但是单位晶格并不局限于正六角形，有是非正六角形的情况。此外，在上述畸变中，有时具有五角形、七角形等晶格排列。此外，在caac-os的畸变附近观察不到明确的晶界(grain boundary)。也就是说，晶格排列的畸变抑制晶界的形成。这可能是由于caac-os因为a-b面方向上的氧原子的排列的低密度或因金属原子被取代而使原子间的键合距离产生变化而能够包容畸变。
[0395]
此外，确认到明确的晶界的结晶结构被称为所谓的多晶(polycrystal)。晶界成为复合中心而载流子被俘获，因而有可能导致晶体管的通态电流的降低、场效应迁移率的降低等。因此，确认不到明确的晶界的caac-os是使晶体管的半导体层具有优异的结晶结构的结晶性氧化物之一。注意，为了构成caac-os，优选为包含zn的结构。例如，与in氧化物相比，in-zn氧化物及in-ga-zn氧化物能够进一步地抑制晶界的发生，所以是优选的。
[0396]
caac-os是结晶性高且确认不到明确的晶界的氧化物半导体。因此，可以说在caac-os中，不容易发生起因于晶界的电子迁移率的降低。此外，氧化物半导体的结晶性有时因杂质的混入或缺陷的生成等而降低，因此可以说caac-os是杂质或缺陷(氧缺陷等)少的氧化物半导体。因此，包含caac-os的氧化物半导体的物理性质稳定。因此，包含caac-os的氧化物半导体具有高耐热性及可靠性良好。此外，caac-os对制造工序中的高温度(所谓热积存；thermal budget)也很稳定。由此，通过在os晶体管中使用caac-os，可以扩大制造工序的自由度。
[0397]
[nc-os]
[0398]
在nc-os中，微小的区域(例如1nm以上且10nm以下的区域，特别是1nm以上且3nm以下的区域)中的原子排列具有周期性。换言之，nc-os具有微小的结晶。此外，例如，该微小的结晶的尺寸为1nm以上且10nm以下，尤其为1nm以上且3nm以下，将该微小的结晶称为纳米
晶。此外，nc-os在不同的纳米晶之间观察不到结晶取向的规律性。因此，在膜整体中观察不到取向性。所以，有时nc-os在某些分析方法中与a-like os或非晶氧化物半导体没有差别。例如，在对nc-os膜使用xrd装置进行结构分析时，在使用θ/2θ扫描的out-of-plane xrd测量中，不检测出表示结晶性的峰值。此外，在对nc-os膜进行使用其束径比纳米晶大(例如，50nm以上)的电子束的电子衍射(也称为选区电子衍射)时，观察到类似光晕图案的衍射图案。另一方面，在对nc-os膜进行使用其束径近于或小于纳米晶的尺寸(例如1nm以上且30nm以下)的电子束的电子衍射(也称为纳米束电子射线)的情况下，有时得到在以直接斑点为中心的环状区域内观察到多个斑点的电子衍射图案。
[0399]
[a-like os]
[0400]
a-like os是具有介于nc-os与非晶氧化物半导体之间的结构的氧化物半导体。a-like os包含空洞或低密度区域。也就是说，a-like os的结晶性比nc-os及caac-os的结晶性低。此外，a-like os的膜中的氢浓度比nc-os及caac-os的膜中的氢浓度高。
[0401]
《《氧化物半导体的结构》》
[0402]
接着，说明上述的cac-os的详细内容。此外，说明cac-os与材料构成有关。
[0403]
[cac-os]
[0404]
cac-os例如是指包含在金属氧化物中的元素不均匀地分布的构成，其中包含不均匀地分布的元素的材料的尺寸为0.5nm以上且10nm以下，优选为1nm以上且3nm以下或近似的尺寸。注意，在下面也将在金属氧化物中一个或多个金属元素不均匀地分布且包含该金属元素的区域混合的状态称为马赛克状或补丁(patch)状，该区域的尺寸为0.5nm以上且10nm以下，优选为1nm以上且3nm以下或近似的尺寸。
[0405]
再者，cac-os是指其材料分开为第一区域与第二区域而成为马赛克状且该第一区域分布于膜中的结构(下面也称为云状)。就是说，cac-os是指具有该第一区域和该第二区域混合的结构的复合金属氧化物。
[0406]
在此，将相对于构成in-ga-zn氧化物的cac-os的金属元素的in、ga及zn的原子个数比的每一个记为[in]、[ga]及[zn]。例如，在in-ga-zn氧化物的cac-os中，第一区域是其[in]大于cac-os膜的组成中的[in]的区域。此外，第二区域是其[ga]大于cac-os膜的组成中的[ga]的区域。此外，例如，第一区域是其[in]大于第二区域中的[in]且其[ga]小于第二区域中的[ga]的区域。此外，第二区域是其[ga]大于第一区域中的[ga]且其[in]小于第一区域中的[in]的区域。
[0407]
具体而言，上述第一区域是以铟氧化物或铟锌氧化物等为主要成分的区域。此外，上述第二区域是以镓氧化物或镓锌氧化物等为主要成分的区域。换言之，可以将上述第一区域称为以in为主要成分的区域。此外，可以将上述第二区域称为以ga为主要成分的区域。
[0408]
注意，有时观察不到上述第一区域和上述第二区域的明确的边界。
[0409]
例如，在in-ga-zn氧化物的cac-os中，根据通过能量分散型x射线分析法(edx：energy dispersive x-ray spectroscopy)取得的edx分析图像(edx-mapping)，可确认到具有以in为主要成分的区域(第一区域)及以ga为主要成分的区域(第二区域)不均匀地分布而混合的结构。
[0410]
在将cac-os用于晶体管的情况下，通过起因于第一区域的导电性和起因于第二区域的绝缘性的互补作用，可以使cac-os具有开关功能(控制导通/关闭的功能)。换言之，在
cac-os的材料的一部分中具有导电性的功能且在另一部分中具有绝缘性的功能，在材料的整体中具有半导体的功能。通过使导电性的功能和绝缘性的功能分离，可以最大限度地提高各功能。因此，通过将cac-os用于晶体管，可以实现高通态电流(i
on
)、高场效应迁移率(μ)及良好的开关工作。
[0411]
氧化物半导体具有各种结构及各种特性。本发明的一个方式的氧化物半导体也可以包括非晶氧化物半导体、多晶氧化物半导体、a-like os、cac-os、nc-os、caac-os中的两种以上。
[0412]
《包括氧化物半导体的晶体管》
[0413]
在此，说明将上述氧化物半导体用于晶体管的情况。
[0414]
通过将上述氧化物半导体用于晶体管，可以实现场效应迁移率高的晶体管。此外，可以实现可靠性高的晶体管。
[0415]
此外，优选将载流子浓度低的氧化物半导体用于晶体管。例如，氧化物半导体中的载流子浓度可以为1
×
10
17
cm-3
以下，优选为1
×
10
15
cm-3
以下，更优选为1
×
10
13
cm-3
以下，进一步优选为1
×
10
11
cm-3
以下，更进一步优选低于1
×
10
10
cm-3
，且1
×
10-9
cm-3
以上。在以降低氧化物半导体膜的载流子浓度为目的的情况下，可以降低氧化物半导体膜中的杂质浓度以降低缺陷态密度。在本说明书等中，将杂质浓度低且缺陷态密度低的状态称为“高纯度本征”或“实质上高纯度本征”。此外，有时将载流子浓度低的氧化物半导体称为“高纯度本征”或“实质上高纯度本征”的氧化物半导体。
[0416]
因为高纯度本征或实质上高纯度本征的氧化物半导体膜具有较低的缺陷态密度，所以有可能具有较低的陷阱态密度。
[0417]
此外，被氧化物半导体的陷阱能级俘获的电荷到消失需要较长的时间，有时像固定电荷那样动作。因此，有时在陷阱态密度高的氧化物半导体中形成沟道形成区域的晶体管的电特性不稳定。
[0418]
因此，为了使晶体管的电特性稳定，降低氧化物半导体中的杂质浓度是有效的。为了降低氧化物半导体中的杂质浓度，优选还降低附近膜中的杂质浓度。作为杂质有氢、氮、碱金属、碱土金属、铁、镍、硅等。
[0419]
《杂质》
[0420]
在此，说明氧化物半导体中的各杂质的影响。
[0421]
在氧化物半导体包含第14族元素之一的硅或碳时，在氧化物半导体中形成缺陷能级。因此，将氧化物半导体中的硅或碳的浓度、与氧化物半导体的界面附近的硅或碳的浓度(通过二次离子质谱分析法(sims：secondary ion mass spectrometry)测得的浓度)设定为2
×
10
18
atoms/cm3以下，优选为2
×
10
17
atoms/cm3以下。
[0422]
此外，当氧化物半导体包含碱金属或碱土金属时，有时形成缺陷能级而形成载流子。因此，使用包含碱金属或碱土金属的氧化物半导体的晶体管容易具有常开启特性。由此，将利用sims分析测得的氧化物半导体中的碱金属或碱土金属的浓度设定为1
×
10
18
atoms/cm3以下，优选为2
×
10
16
atoms/cm3以下。
[0423]
当氧化物半导体包含氮时，容易产生作为载流子的电子，使载流子浓度增高，而被n型化。其结果，将含有氮的氧化物半导体用于半导体的晶体管容易具有常开启型特性。或者，在氧化物半导体包含氮时，有时形成陷阱能级。其结果，有时晶体管的电特性不稳定。因
此，将利用sims测得的氧化物半导体中的氮浓度设定为低于5
×
10
19
atoms/cm3，优选为5
×
10
18
atoms/cm3以下，更优选为1
×
10
18
atoms/cm3以下，进一步优选为5
×
10
17
atoms/cm3以下。
[0424]
包含在氧化物半导体中的氢与键合于金属原子的氧起反应生成水，因此有时形成氧缺陷。当氢进入该氧缺陷时，有时生成作为载流子的电子。此外，有时由于氢的一部分与键合于金属原子的氧键合，产生作为载流子的电子。因此，具有含有氢的氧化物半导体的晶体管容易具有常开启特性。由此，优选尽可能减少氧化物半导体中的氢。具体而言，在氧化物半导体中，将利用sims测得的氢浓度设定为低于1
×
10
20
atoms/cm3，优选低于1
×
10
19
atoms/cm3，更优选低于5
×
10
18
atoms/cm3，还进一步优选低于1
×
10
18
atoms/cm3。
[0425]
通过将杂质被充分降低的氧化物半导体用于晶体管的沟道形成区域，可以使晶体管具有稳定的电特性。
[0426]
本实施方式所示的构成、结构、方法等可以与其他的实施方式及实施例等所示的构成、结构、方法等适当地组合而使用。
[0427]
[符号说明]
[0428]
q11：电荷、q12：电荷、c11：电容器、c12：电容器、s1：信号、s2：信号、s3：信号、s4：信号、s5：信号、sw1：开关、sw1_1：开关、sw1_2：开关、sw2：开关、sw2_1：开关、sw2_2：开关、sw3：开关、sw3_1：开关、sw3_2：开关、inp：输入端子、inm：输入端子、outp：输出端子、outm：输出端子、t11：端子、t12：端子、t13：端子、t14：端子、t15：端子、t16：端子、t21：端子、t22：端子、t23：端子、t24：端子、t31：端子、t32：端子、t33：端子、t34：端子、t_bn：端子、t_bp：端子、t_cn：端子、t_com：端子、t_cp：端子、t_vdd：端子、vdd：电源电位、11：晶体管、12：晶体管、13：晶体管、20：斩波电路、20_1：斩波电路、20_2：斩波电路、21：晶体管、22：晶体管、23：晶体管、24：晶体管、30：放大器、31：晶体管、32：晶体管、33：晶体管、34：晶体管、35：晶体管、36：晶体管、37：晶体管、38：晶体管、39：晶体管、41：晶体管、42：晶体管、43：晶体管、44：晶体管、100：半导体装置、300：晶体管、311：衬底、313：半导体区域、314a：低电阻区域、314b：低电阻区域、315：绝缘体、316：导电体、320：绝缘体、322：绝缘体、324：绝缘体、326：绝缘体、328：导电体、330：导电体、350：绝缘体、352：绝缘体、354：绝缘体、356：导电体、360：绝缘体、362：绝缘体、364：绝缘体、366：导电体、370：绝缘体、372：绝缘体、374：绝缘体、376：导电体、380：绝缘体、382：绝缘体、384：绝缘体、386：导电体、402：绝缘体、404：绝缘体、500：晶体管、503：导电体、503a：导电体、503b：导电体、505：导电体、505a：导电体、505b：导电体、510：绝缘体、510a：晶体管、510b：晶体管、510c：晶体管、510d：晶体管、510e：晶体管、510f：晶体管、510g：晶体管、511：绝缘体、512：绝缘体、514：绝缘体、516：绝缘体、518：导电体、520：绝缘体、521：绝缘体、522：绝缘体、524：绝缘体、530：氧化物、530a：氧化物、530b：氧化物、530c：氧化物、530c1：氧化物、530c2：氧化物、531：区域、531a：区域、531b：区域、540a：导电体、540b：导电体、542：导电体、542a：导电体、542b：导电体、543：区域、543a：区域、543b：区域、544：绝缘体、545：绝缘体、546：导电体、546a：导电体、546b：导电体、547：导电体、547a：导电体、547b：导电体、548：导电体、550：绝缘体、551：绝缘体、552：金属氧化物、560：导电体、560a：导电体、560b：导电体、570：绝缘体、571：绝缘体、573：绝缘体、574：绝缘体、575：绝缘体、576：绝缘体、576a：绝缘体、576b：绝缘体、580：绝缘体、581：绝缘体、582：绝缘体、584：绝缘体、586：绝缘体、600：电容元件、610：导电体、612：导电体、620：导电体、630：绝缘体、650：绝缘体。