JP5892852B2 - プログラマブルロジックデバイス - Google Patents

Description

本明細書で開示する発明は、半導体装置に関する。

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、半導体素子、電気光学装置、記憶装置、信号処理装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。

ＬＳＩに代表される半導体集積回路は、製造時に回路構成を固定され、一般的に製造後に回路構成を変更することができない。これに対して、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）と呼ばれる半導体集積回路は、複数の論理回路からなる論理ブロックを単位として、各論理ブロックが配線を介して電気的に接続される構造となっている。プログラマブルロジックデバイスでは、各論理ブロックの回路構成を電気的に制御することができる。

これにより、プログラマブルロジックデバイスは、製造後も設計変更を行うことが可能となるので、プログラマブルロジックデバイスを用いることにより、半導体集積回路の設計、開発に費やされる期間及びコストを大幅に削減させることができる。

プログラマブルロジックデバイスには、ＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ ＰＬＤ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）と呼ばれるものも存在する。いずれにおいても、論理ブロックに設けられているメモリ部に格納されたデータ（コンフィグレーションデータ）にしたがってスイッチの切換を行うプログラマブルスイッチによって各論理ブロックの回路構成を制御している。つまり、各プログラマブルスイッチにデータをプログラミングすることで、プログラマブルロジックデバイスの回路構成を変更することができる。

当該メモリ部には、ＳＲＡＭ等の揮発性メモリが主に用いられている。また、その一方で、例えば、特許文献１では、当該メモリ部に、フラッシュメモリのようにフローティングゲートトランジスタからなる不揮発性メモリを用いる技術が開示されている。

また、アナログ素子を含む機能ブロックによってアレイを構成することで、プログラマブルとしたアナログ回路の開発も行われている。例えば、特許文献２では、アナログ素子であるキャパシタを複数並列に接続し、その容量値を可変としたプログラマブルキャパシタアレイが開示されている。

特開２００４−１５０６０号公報 特開平９−２７７３２号公報

近年、電子機器の消費電力の低減は重要な課題として取りあげられており、電子機器に用いられる半導体集積回路の低消費電力化も強く求められている。そこで消費電力低減のために、半導体装置全体またはその一部への電源電位の供給を一時的に遮断し、必要な時にのみ必要な回路ブロックにおいて電源電位の供給を選択する駆動方法が提案されている。

プログラマブルロジックデバイスにおいて、プログラマブルスイッチのメモリ部にフローティングゲートトランジスタを用いてメモリ部の不揮発化を図る場合、電源電位の供給を一時的に遮断しても回路ブロックに保存されたデータは保持される。しかしながら、データを書き込む際にはフローティングゲートに電子を注入するので、高い電位が必要となり、書き込みに長い時間を必要とするという問題がある。また、当該書き込みの際に生じるトンネル電流によりフローティングゲートのゲート絶縁層が劣化するという問題もある。さらに、フローティングゲートトランジスタは、データの読み出しまたは書き込み時間が遅いため、断続的な動作には不向きである。

また、デジタル回路を含むプログラマブルロジックデバイスと比較して、アナログ回路（アナログ素子）を含むプログラマブル回路は普及が遅れているものの、回路の省スペース化、低コスト化、設計の自由度の向上のために、その開発が望まれている。

上述の問題に鑑み、電源電位の供給が遮断されたときでもデータの保持が可能で、且つ、低消費電力化が可能なプログラマブルなアナログデバイスを提供することを課題の一とする。

開示する発明の一態様では、アナログ素子を含むユニットセルを複数有するプログラマブル回路において、ユニットセル毎に導通または非導通の切り替えを行う。また、当該ユニットセルのスイッチとして、オフ電流を十分に小さくすることができる第１のトランジスタと、ゲート電極が第１のトランジスタのソース電極又はドレイン電極と電気的に接続された第２のトランジスタと、を含む構成とし、当該第２のトランジスタのゲート電位によってユニットセルの導通または非導通を制御する。より具体的には、例えば以下の構成とすることができる。

本発明の一態様は、並列に接続された複数のユニットセルと、ユニットセルのそれぞれと電気的に接続された複数のビット線と、ユニットセルのそれぞれと電気的に接続された複数のワード線と、入力信号線と、出力信号線と、を含むプログラマブル回路を有し、ユニットセルの一は、第１のゲート電極、第１のソース電極、及び第１のドレイン電極を含み、酸化物半導体を含んで構成される第１のトランジスタと、第２のゲート電極、第２のソース電極、及び第２のドレイン電極を含む第２のトランジスタと、アナログ素子と、を有し、ワード線と、第１のゲート電極と、は電気的に接続され、第１のソース電極又は第１のドレイン電極の一方は、ビット線と電気的に接続され、第１のソース電極又は第１のドレイン電極の他方は、第２のゲート電極と電気的に接続され、アナログ素子の一方の電極は、入力信号線と電気的に接続され、アナログ素子の他方の電極は、第２のソース電極又は第２のドレイン電極の一方と電気的に接続され、第２のソース電極又は第２のドレイン電極の他方は、出力信号線と電気的に接続され、第２のゲート電極に与えられる電位によって、ユニットセルそれぞれの導通又は非導通を制御することで、プログラマブル回路から出力されるアナログ値を可変とする半導体装置である。

また、本発明の他の一態様は、マトリクス状に接続された複数のユニットセルと、ユニットセルのそれぞれと電気的に接続された複数のビット線と、ユニットセルのそれぞれと電気的に接続された複数のワード線と、入力信号線と、出力信号線と、を含むプログラマブル回路を有し、ユニットセルの一は、第１のゲート電極、第１のソース電極、及び第１のドレイン電極を含み、酸化物半導体を含んで構成される第１のトランジスタと、第２のゲート電極、第２のソース電極、及び第２のドレイン電極を含む第２のトランジスタと、アナログ素子と、を有し、ワード線と、第１のゲート電極と、は電気的に接続され、第１のソース電極又は第１のドレイン電極の一方は、ビット線と電気的に接続され、第１のソース電極又は第１のドレイン電極の他方は、第２のゲート電極と電気的に接続され、アナログ素子の一方の電極は、入力信号線と電気的に接続され、アナログ素子の他方の電極は、第２のソース電極又は第２のドレイン電極の一方と電気的に接続され、第２のソース電極又は第２のドレイン電極の他方は、出力信号線と電気的に接続され、第２のゲート電極に与えられる電位によって、ユニットセルそれぞれの導通又は非導通を制御することで、プログラマブル回路から出力されるアナログ値を可変とする半導体装置である。

上記の半導体装置のいずれかにおいて、アナログ素子は、容量素子、抵抗素子または光電変換素子であってもよい。

上記の半導体装置のいずれかにおいて、アナログ素子は、酸化物半導体を含んで構成されるのが好ましい。

プログラマブル回路を構成するユニットセルのスイッチとして、オフ電流を十分に小さくすることができる第１のトランジスタと、ゲート電極が第１のトランジスタのソース電極又はドレイン電極と電気的に接続された第２のトランジスタと、を含む構成とする。これによって、電源電位の供給が遮断されている間も、第２のトランジスタのゲート電極に保持されたユニットセルの切り替えデータを、長期間にわたって保持することができる。よって、プログラマブル回路全体またはその一部への電源電位の供給を一時的に遮断し、必要なときにのみ電源電位を供給することができるため、半導体装置の低消費電力化を図ることができる。

また、プログラマブル回路にアナログ素子を含むユニットセルを複数配置し、ユニットセル毎に導通または非導通を切り替えることで、プログラマブル回路全体におけるアナログ値を可変とすることができる。

本発明の一態様の半導体装置を説明する回路図。 本発明の一態様の半導体装置を説明する回路図。 本発明の一態様の半導体装置を説明する回路図。 本発明の一態様の半導体装置を説明する回路図。 本発明の一態様の半導体装置を説明する回路図。 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す図。 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す図。 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す図。 本発明の一態様の半導体装置の作製工程を示す図。 携帯用の電子機器のブロック図。 電子書籍のブロック図。 酸化物材料の構造を説明する図。 酸化物材料の構造を説明する図。 酸化物材料の構造を説明する図。 酸化物材料の構造を説明する図。 計算によって得られた移動度のゲート電圧依存性を説明する図。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図。 計算に用いたトランジスタの断面構造を説明する図。 酸化物半導体膜を用いたトランジスタ特性のグラフ。 試料Ａおよび試料ＢのＸＲＤスペクトルを示す図。 トランジスタのオフ電流と測定時基板温度との関係を示す図。 Ｉ_ｄおよび電界効果移動度のＶ_ｇ依存性を示す図。 基板温度としきい値電圧の関係および基板温度と電界効果移動度の関係を示す図。 測定に用いたトランジスタの平面図及び断面図。

以下では、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、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下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、本明細書等において、「ソース」または「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れかわることがある。このため、本明細書等においては、「ソース」または「ドレイン」の用語は入れかえて用いることができるものとする。

また、本明細書等において、「電気的に接続」とは、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限はない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、容量素子（キャパシタ、コンデンサともいう）、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。

図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、理解の簡単のため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。

また、本明細書等において、第１または第２などとして付される序数詞は便宜上用いるものであって、工程順または積層順を示すものではない。また、本明細書等において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。また、これらの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。

（実施の形態１）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の回路構成について、図１及び図２を参照して説明する。なお、以下の説明において、同様の機能を有する配線が複数ある場合には、配線の名称の末尾に、＿１、＿２、＿ｎ等を付すことで区別している。

〈プログラマブル回路１〉
図１（Ａ）に本実施の形態のプログラマブル回路３３０の構成を示す。プログラマブル回路３３０は、入力信号線ＩＮと出力信号線ＯＵＴとの間に、並列に接続された複数のユニットセルを有する。図１（Ａ）では、ユニットセル３２０ａとユニットセル３２０ｂとが並列に接続されている。但し、本発明の実施の形態はこれに限られず、３以上のユニットセルが並列に接続されていてもよい。

また、ユニットセル３２０（ユニットセル３２０ａ、ユニットセル３２０ｂ）の各々は、ビット線Ｂ（ビット線Ｂ＿１、ビット線Ｂ＿２）及びワード線Ｗ（ワード線Ｗ＿１、ワード線Ｗ＿２）と電気的に接続されている。図１（Ａ）では、ユニットセル３２０ａとワード線Ｗ＿１及びビット線Ｂ＿１とがそれぞれ電気的に接続され、ユニットセル３２０ｂとワード線Ｗ＿２及びビット線Ｂ＿２とがそれぞれ電気的に接続されている。

ユニットセル３２０はそれぞれ、第１のトランジスタ３４０、第２のトランジスタ３５０及びアナログ素子３１０を含む。ユニットセル３２０に含まれる第１のトランジスタ３４０のゲート電極は、ワード線Ｗと電気的に接続され、第１のトランジスタ３４０のソース電極又はドレイン電極の一方は、ビット線Ｂと電気的に接続され、第１のトランジスタ３４０のソース電極又はドレイン電極の他方は、第２のトランジスタ３５０のゲート電極と電気的に接続される。また、アナログ素子３１０の一方の電極は、入力信号線ＩＮと電気的に接続され、アナログ素子３１０の他方の電極は、第２のトランジスタ３５０のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続され、第２のソース電極又はドレイン電極の他方は、出力信号線ＯＵＴと電気的に接続される。

ユニットセル３２０に適用可能なアナログ素子３１０としては、例えば、抵抗素子、容量素子、コイル、光電変換素子等がある。

入力信号線ＩＮからアナログ素子３１０に供給された電位は、第２のトランジスタ３５０がオン状態の場合に選択的に出力信号線ＯＵＴへ出力される。すなわち、第２のトランジスタ３５０のゲート電極に与えられる電位によって、各ユニットセル３２０におけるアナログ素子３１０のアナログ値の出力を制御することができる。また、プログラマブル回路３３０において、出力信号線ＯＵＴから出力されるアナログ値は、プログラマブル回路３３０に含まれる複数のユニットセル３２０によって合成されるため、各ユニットセル３２０からの出力を制御することによって、プログラマブル回路３３０のアナログ値を可変とすることができる。

ここで、第１のトランジスタ３４０には、オフ電流が極めて小さいトランジスタが適用される。例えば、酸化物半導体等のワイドバンドギャップ半導体を用いたトランジスタを用いることができる。このようなオフ電流が極めて小さいトランジスタを第１のトランジスタ３４０に適用すると、第１のトランジスタ３４０をオフ状態とすることで、第２のトランジスタ３５０のゲート電極の電位を極めて長時間にわたって保持することが可能である。

なお、第２のトランジスタ３５０の半導体材料については特に限定されない。アナログ素子の電位の出力速度を向上させるという観点からは、例えば、単結晶シリコンを用いたトランジスタなどのスイッチング速度の高いトランジスタを用いるのが好適である。または、第２のトランジスタ３５０を、第１のトランジスタ３４０と同様に酸化物半導体等のワイドバンドギャップ半導体を含む構成としてもよい。

以下に、図１（Ａ）のプログラマブル回路３３０におけるデータの入出力の動作について説明する。

まず、ワード線Ｗの電位を第１のトランジスタ３４０がオン状態となる電位にして、第１のトランジスタ３４０をオン状態とする。これにより、ビット線Ｂの電位が第２のトランジスタ３５０のゲート電極に与えられる。次いで、入力信号線ＩＮからアナログ素子へ電位を供給する。ここで、第２のトランジスタ３５０のゲート電極に与えられた電位が第２のトランジスタ３５０のしきい値電圧以上であると、第２のトランジスタ３５０がオン状態となり、アナログ素子３１０へ供給された電位が出力信号線ＯＵＴへ出力される。例えば、第２のトランジスタ３５０がｎチャネル型のトランジスタである場合ビット線Ｂを高電位（例えばＶＤＤ）とすると、第２のトランジスタ３５０がオン状態となり、アナログ素子３１０の電位が出力信号線ＯＵＴへ出力される。一方、ビット線Ｂを低電位（例えばＧＮＤ）とすると、第２のトランジスタ３５０がオフ状態となり、アナログ素子３１０の電位は出力信号線ＯＵＴへ出力されず、当該ユニットセル３２０は非導通となる。なお、第２のトランジスタ３５０としてｐチャネル型のトランジスタを用いてもよい。

また、ビット線Ｂの電位を第２のトランジスタ３５０のゲート電極に格納した後、当該ビット線Ｂの電位を保持した状態で、ワード線Ｗの電位を第１のトランジスタ３４０がオフ状態となる電位として、第１のトランジスタ３４０をオフ状態とすることで、新たな電位を供給することなく第２のトランジスタ３５０のゲート電極に与えられた電位を保持することができる。第１のトランジスタ３４０は、酸化物半導体のようなワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されており、オフ電流が極めて低いので、第２のトランジスタ３５０のゲート電極に与えられた所定の電位が極めて長期間にわたって保持される。これにより、ユニットセル３２０の導通状態または非導通状態（アナログ素子３１０に供給された電位を出力信号線ＯＵＴへ供給する状態又は供給しない状態）を電源電位の供給なしで保持することができる。

このように、プログラマブル回路３３０を構成するユニットセル３２０のスイッチとして、オフ電流を十分に小さくすることができる第１のトランジスタ（例えば、酸化物半導体のようなワイドバンドギャップ半導体を用いたトランジスタ）と、ゲート電極が第１のトランジスタのソース電極又はドレイン電極と電気的に接続された第２のトランジスタと、を含む構成とし、当該第２のトランジスタのゲート電位によってユニットセルの導通または非導通を制御する。これによって、電源電位の供給が遮断されている間も、第２のトランジスタのゲート電極に保持されたユニットセル３２０の切り替えデータを長期間にわたって保持することができる。よって、プログラマブル回路３３０全体またはその一部への電源電位の供給を一時的に遮断し、必要なときにのみ電源電位の供給することができるため、半導体装置の低消費電力化を図ることができる。

また、プログラマブル回路３３０にユニットセル３２０を複数配置し、ユニットセル３２０毎に導通または非導通を切り替えることで、プログラマブル回路３３０全体におけるアナログ値を可変とすることができる。例えば、図１（Ａ）においては、ユニットセル３２０ａ及びユニットセル３２０ｂ双方が導通する場合、ユニットセル３２０ａまたはユニットセル３２０ｂのどちらか一方が導通する場合、ユニットセル３２０ａ及びユニットセル３２０ｂの双方が非導通の場合の３通りのアナログ値を出力することができる。よって、汎用性の高いプログラマブル回路３３０を構成することができる。

なお、図１（Ａ）に示すプログラマブル回路３３０において、ユニットセル３２０に代えて、図１（Ｂ）のユニットセル３２１を適用してもよい。ユニットセル３２１は、第１のトランジスタ３４０、第２のトランジスタ３５２、第３のトランジスタ３６０、第４のトランジスタ３４２、インバータ３７０及びアナログ素子３１０を含む。第２のトランジスタ３５２はｎチャネル型のトランジスタであり、第３のトランジスタ３６０はｐチャネル型のトランジスタである。また、第４のトランジスタ３４２は、第１のトランジスタ３４０と同様に、例えば酸化物半導体等のワイドバンドギャップ半導体を含んで構成されており、オフ電流を十分に小さくすることができるトランジスタである。

図１（Ｂ）において、アナログ素子３１０の一方の電極は、入力信号線ＩＮ（図示せず）と電気的に接続される。第２のトランジスタ３５２及び第３のトランジスタ３６０のソース電極又はドレイン電極の一方は、アナログ素子３１０の他方の電極と互いに電気的に接続され、第２のトランジスタ３５２及び第３のトランジスタ３６０のソース電極又はドレイン電極の他方は、出力信号線ＯＵＴ（図示せず）と互いに電気的に接続されている。また、第１のトランジスタ３４０及び第４のトランジスタ３４２のゲート電極は、ワード線Ｗと電気的に接続され、第１のトランジスタ３４０のソース電極又はドレイン電極の一方は、ビット線Ｂと電気的に接続される。第４のトランジスタ３４２のソース電極又はドレイン電極の一方は、インバータ３７０を介してビット線Ｂと電気的に接続されており、第４のトランジスタ３４２のソース電極又はドレイン電極の一方には、ビット線Ｂの反転信号が供給される。また、第１のトランジスタ３４０のソース電極又はドレイン電極の他方は、第２のトランジスタ３５０のゲート電極と電気的に接続され、第４のトランジスタ３４２のソース電極又はドレイン電極の他方は、第３のトランジスタ３６０のゲート電極と電気的に接続される。

図１（Ａ）に示すユニットセル３２０のように、第２のトランジスタ３５０のゲート電極の電位のみでユニットセルの導通または非導通が決定される場合、当該第２のトランジスタ３５０のゲート電極の電位を維持するためには、第２のトランジスタ３５０のソース電極又はドレイン電極に係る最大電位（または最小電位）よりも、第２のトランジスタ３５０のしきい値電圧分高い（または低い）電位を、そのゲート電極にかける必要がある。しかしながら、図１（Ｂ）に示す構成を用いることにより、第２のトランジスタ３５２及び第３のトランジスタ３６０の双方のゲート電極に電位を保持することが可能であるため、しきい値電圧分の電圧降下（または電圧上昇）を考慮して電位を増加させる必要がなくなる。よって、プログラマブル回路をより低消費電力化することができる。

〈プログラマブル回路２〉
図２（Ａ）に図１とは異なる本実施の形態のプログラマブル回路３３２の構成を示す。プログラマブル回路３３２は、入力信号線ＩＮと出力信号線ＯＵＴとの間に、マトリクス状に接続されたユニットセル３２０ａ、ユニットセル３２０ｂ、ユニットセル３２０ｃ及びユニットセル３２０ｄを有する。但し、本発明の実施の形態はこれに限られず、５以上のユニットセルを有していてもよい。

また、図２（Ａ）において、ワード線Ｗ＿１１は、ユニットセル３２０ａとユニットセル３２０ｃにおいて共通化して設けられており、同様に、ワード線Ｗ＿１２は、ユニットセル３２０ｂとユニットセル３２０ｄにおいて共通化して設けられている。また、ビット線Ｂ＿１１は、ユニットセル３２０ａとユニットセル３２０ｂにおいて共通化して設けられており、同様に、ビット線Ｂ＿２１は、ユニットセル３２０ｃとユニットセル３２０ｄにおいて共通化して設けられている。図２（Ａ）に示すように、ユニットセル３２０をマトリクス状に配置し、行毎にワード線Ｗを設け、列毎にビット線Ｂを設けることで、一意のユニットセル３２０を指定してデータを書き込むことが可能である。但し、ワード線Ｗまたはビット線Ｂの接続は図２（Ａ）の配置に限られるものではない。

プログラマブル回路３３２に含まれる各ユニットセル３２０の構成は、図１（Ａ）のプログラマブル回路３３０と同様であり、ユニットセル３２０それぞれの導通または非導通は、ユニットセル３２０に含まれる第２のトランジスタ３５０のゲート電極に与えられる電位によって制御することができる。より具体的には、入力信号線ＩＮから、ユニットセル３２０のアナログ素子３１０に供給された電位は、第２のトランジスタ３５０がオン状態の場合に選択的に出力信号線ＯＵＴへ出力される。なお、図１（Ａ）のユニットセル３２０に代えて、図１（Ｂ）のユニットセル３２１と組み合わせてもよい。

また、プログラマブル回路３３２において、出力信号線ＯＵＴから出力されるアナログ値は、プログラマブル回路３３２に含まれる複数のユニットセル３２０によって合成されるため、各ユニットセル３２０からの出力を制御することによって、プログラマブル回路３３２のアナログ値を可変とすることができる。

図２（Ａ）に示すプログラマブル回路３３２においては、ユニットセル３２０ａ乃至ユニットセル３２０ｄの全てが導通する場合、ユニットセル３２０ａ乃至ユニットセル３２０ｄのうちの３つのユニットセルが導通する場合、ユニットセル３２０ａ乃至ユニットセル３２０ｄのうちの２つのユニットセルが導通する場合、ユニットセル３２０ａ乃至ユニットセル３２０ｄの全てが非導通の場合の４通りのアナログ値を出力することができる。よって、汎用性の高いプログラマブル回路３３２を構成することができる。また、プログラマブル回路３３２がｍ行×ｎ列（但し、ｍ及びｎはそれぞれ２以上の整数）のマトリクス状に配置されたユニットセル３２０を有する場合、図１（Ａ）に示すプログラマブル回路３３０の様に（ｍ×ｎ）個のユニットセルを並列に接続する場合と比較して、配線の本数を削減することができ、より小型化且つ低消費電力化を図ることが可能となる。

なお、ユニットセル３２０をマトリクス状に接続する場合には、図２（Ｂ）に示すプログラマブル回路３３３のように、列毎に出力信号線ＯＵＴを設けてもよい。図２（Ｂ）に示す構成とすることで、例えば、プログラマブル回路３３３がｍ行×ｎ列のマトリクス状に配置されたユニットセル３２０を有し、ｋ列目（２≦ｋ≦ｎ、ｋは整数）に含まれるユニットセル３２０が全て非導通となる場合であっても、当該プログラマブル回路３３３において、その他の列から出力されたアナログ値を得ることが可能となる。なお、図２（Ｂ）に示すプログラマブル回路は、出力信号線ＯＵＴを複数（ユニットセル３２０の列毎に）有する以外は、プログラマブル回路３３２と同様の構成とすることができる。

以上示したように、本実施の形態のプログラマブル回路は、ユニットセル３２０の導通または非導通の制御を、第２のトランジスタ３５０のオン状態またはオフ状態の切り替えによって行い、当該第２のトランジスタ３５０のゲート電位は、オフ電流の十分に小さいワイドバンドギャップ半導体（例えば、酸化物半導体）を含む第１のトランジスタ３４０を介して供給される。これによって、電源電位の供給が遮断されている間も長期間にわたって、ユニットセル３２０の導通状態又は非導通状態に係るデータを保持することができるため、低消費電力化を図ることができる。また、ユニットセル３２０の導通状態又は非導通状態に係るデータを保持することで、電源電位を再度供給した際に、当該データを再度書き込みする必要がないため、揮発性メモリを用いた場合と比較して電源投入後のプログラマブル回路の起動時間を短縮することができる。

また、本実施の形態のプログラマブル回路に含まれるユニットセル３２０は、酸化物半導体等のワイドバンドギャップ半導体を用いた第１のトランジスタ３４０のスイッチングによって制御されるため、メモリ部にフローティングゲートを用いて電子注入でコンフィギュレーションデータを書き込む場合と比較して、電荷を注入するための高電圧が不要である。また、フローティングゲートに電子注入を行うときに生じたトンネル電流によるゲート絶縁層の劣化の問題も生じないので、データの書き換え可能回数を増やすことができる。

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で示したプログラマブル回路３３０の適用例を示す。なお、本実施の形態で示すアナログ素子を、プログラマブル回路３３２に適用可能であることはいうまでもない。また、本実施の形態で示す以外のアナログ素子を本発明の一態様に係るプログラマブル回路に適用してもよい。

〈適用例１〉
図３（Ａ）に、図１（Ａ）で示したプログラマブル回路３３０において、アナログ素子３１０として容量素子３１２を含むプログラマブル回路３３４を示す。

プログラマブル回路３３４は、入力信号線ＩＮと出力信号線ＯＵＴとの間に、並列に接続されたユニットセル３２２ａ及びユニットセル３２２ｂを有する。ユニットセル３２２（ユニットセル３２２ａ、ユニットセル３２２ｂ）は、図１（Ａ）で示したユニットセル３２０においてアナログ素子３１０として、容量素子３１２を有する構成である。容量素子３１２の一方の電極は、入力信号線ＩＮと電気的に接続され、容量素子３１２の他方の電極は、第２のトランジスタ３５０のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続される。その他の構成は、ユニットセル３２０と同様である。

図３（Ａ）に示すプログラマブル回路３３４は、ユニットセル３２２に含まれる第２のトランジスタのゲート電極の電位を制御することによって、プログラマブル回路３３４から出力される容量値を可変とすることができるため、容量値を調節して回路の最適化を行うことが可能となる。なお、プログラマブル回路３３４に含まれるユニットセル３２２の数が多い程、出力可能な容量値が多様化するため好ましい。

プログラマブル回路３３４は、例えば、図３（Ｂ）に示すように、アンテナ回路４００の一部として設けることができる。図３（Ｂ）に示すアンテナ回路４００において、プログラマブル回路３３４に含まれる複数の容量素子３１２は、共振容量として機能する。通常、アンテナ回路に設けられる共振容量は、配線をレーザカット等によって加工することにより共振容量の値を設定して、共振周波数を調節しているが、製造工程のばらつきにより、実際の共振周波数が所望の共振周波数からずれる場合がある。また、共振容量の値が固定されているため、アンテナ回路の汎用性が低い。一方、本実施の形態で示すアンテナ回路４００は、プログラマブル回路３３４を有することで、共振容量の値をユニットセル３２２に含まれる第２のトランジスタ３５０のオン状態またはオフ状態の切り替えによって可変とすることが可能であるため、アンテナ回路４００の共振周波数を精度よく調整することができる。また、当該アンテナ回路４００の汎用性を向上させることができる。

さらに、プログラマブル回路３３４に含まれる容量素子３１２を、第１のトランジスタ３４０と同様の半導体材料（例えば、酸化物半導体）を含む構成とすることで、プログラマブル回路３３４の作製工程の簡略化及び作製時間の短縮化を図ることができるため好ましい。これによって、半導体装置の製造コストを削減することができる。また、第１のトランジスタ３４０、第２のトランジスタ３５０及び容量素子３１２に含まれる半導体材料を全て同じ半導体材料としてもよい。

〈適用例２〉
図４（Ａ）に、図１（Ａ）で示したプログラマブル回路３３０において、アナログ素子３１０として抵抗素子３１４を含むプログラマブル回路３３６を示す。

プログラマブル回路３３６は、入力信号線ＩＮと出力信号線ＯＵＴとの間に、並列に接続されたユニットセル３２４ａ及びユニットセル３２４ｂを有する。ユニットセル３２４（ユニットセル３２４ａ、ユニットセル３２４ｂ）は、図１（Ａ）で示したユニットセル３２０においてアナログ素子３１０として、抵抗素子３１４を有する構成である。抵抗素子３１４の一方の電極は、入力信号線ＩＮと電気的に接続され、抵抗素子３１４の他方の電極は、第２のトランジスタ３５０のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続される。その他の構成は、ユニットセル３２０と同様である。

図４（Ａ）に示すプログラマブル回路３３６は、ユニットセル３２４に含まれる第２のトランジスタのゲート電極の電位を制御することによって、プログラマブル回路３３６から出力される抵抗値を可変とすることができるため、抵抗値を調節して回路の最適化を行うことが可能となる。なお、プログラマブル回路３３６に含まれるユニットセル３２４の数が多い程、出力可能な抵抗値が多様化するため好ましい。

プログラマブル回路３３６は、例えば、図４（Ｂ）に示すように、抵抗分割回路４０２の一部として用いることができる。プログラマブル回路３３６を抵抗分割回路４０２の一部として用いることで、当該抵抗分割回路４０２の精度を向上させることができる。また、抵抗分割回路４０２の出力を容易に変更することが可能となるため、抵抗分割回路４０２の汎用性を向上させることができる。

さらに、プログラマブル回路３３６に含まれる抵抗素子３１４を、第１のトランジスタ３４０と同様の半導体材料（例えば、酸化物半導体）を含む構成とすることで、プログラマブル回路３３６の作製工程の簡略化及び作製時間の短縮化を図ることができるため好ましい。これによって、半導体装置の製造コストを削減することができる。また、第１のトランジスタ３４０、第２のトランジスタ３５０及び抵抗素子３１４に含まれる半導体材料を全て同じ半導体材料としてもよい。

〈適用例３〉
図５に、図１（Ａ）で示したプログラマブル回路３３０において、アナログ素子３１０として光電変換素子３１６を含むプログラマブル回路３３８を示す。

プログラマブル回路３３８は、入力信号線ＩＮと出力信号線ＯＵＴとの間に、並列に接続されたユニットセル３２６ａ及びユニットセル３２６ｂを有する。ユニットセル３２６（ユニットセル３２６ａ、ユニットセル３２６ｂ）は、図１（Ａ）で示したユニットセル３２０においてアナログ素子３１０として、光電変換素子３１６を有する構成である。光電変換素子３１６の一方の電極は、入力信号線ＩＮと電気的に接続され、光電変換素子３１６の他方の電極は、第２のトランジスタ３５０のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続される。その他の構成は、ユニットセル３２０と同様である。

図５に示すプログラマブル回路３３８は、ユニットセル３２６に含まれる第２のトランジスタのゲート電極の電位を制御することによって、プログラマブル回路３３８からの出力を制御することができる。

光電変換素子の光電変換効率は、光電変換素子に照射される光エネルギーのうち、電気エネルギーへと変換される割合を指すため、複数の光電変換素子を有する回路において一部の領域への光照射エネルギーが低い場合、回路全体としては光電変換効率が低下してしまう。しかしながら本実施の形態で示すプログラマブル回路３３８においては、ユニットセル３２６毎に導通または非導通を制御することが可能であるため、光照射エネルギーの低い領域に設けられたユニットセル３２６を非導通とすることで、プログラマブル回路３３８全体としての、光電変換効率を低下させることなく動作させることができる。

さらに、プログラマブル回路３３８に含まれる光電変換素子３１６を、第１のトランジスタ３４０と同様の半導体材料（例えば、酸化物半導体）を含む構成とすることで、プログラマブル回路３３８の作製工程の簡略化及び作製時間の短縮化を図ることができるため好ましい。これによって、半導体装置の製造コストを削減することができる。また、第１のトランジスタ３４０、第２のトランジスタ３５０及び光電変換素子３１６に含まれる半導体材料を全て同じ半導体材料としてもよい。

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態においては、実施の形態１または２に示すプログラマブル回路に含まれるトランジスタの作製方法について、図６乃至図９を用いて説明する。本実施の形態では、例として、酸化物半導体を含んで構成されるトランジスタ１１０と、ｎチャネル型のトランジスタ１１２との作製方法について具体的に説明する。なお、酸化物半導体を含んで構成されるトランジスタ１１０は、図１（Ａ）における第１のトランジスタ３４０に相当し、ｎチャネル型のトランジスタ１１２は、図１（Ａ）における第２のトランジスタ３５０に相当する。図６乃至図９において、Ａ−Ｂに示す断面図は、酸化物半導体を含んで構成されるトランジスタ１１０、ｎチャネル型のトランジスタ１１２が形成される領域の断面図に相当し、Ｃ−Ｄに示す断面図は、酸化物半導体を含んで構成されるトランジスタ１１０のソース電極又はドレイン電極の一方とｎチャネル型のトランジスタ１１２のゲート電極とが接続されたノードにおける断面図に相当する。

まず、図６（Ａ）に示すように、ｐ型の半導体基板２０１に素子分離領域２０３を形成する。

ｐ型の半導体基板２０１としては、ｐ型の導電型を有する単結晶シリコン基板（シリコンウェハー）、化合物半導体基板（ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板等）を用いることができる。

また、ｐ型の半導体基板２０１の代わりに、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板として、鏡面研磨ウェハーに酸素イオンを注入した後、高温加熱することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠陥を消滅させて作られた所謂ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）基板や、水素イオン注入により形成された微小ボイドの熱処理による成長を利用して半導体基板を劈開するスマートカット法や、ＥＬＴＲＡＮ法（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｙｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ：キヤノン社の登録商標）等を用いて形成したＳＯＩ基板を用いてもよい。

素子分離領域２０３は、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法又はＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法等を用いて形成する。

また、同一基板上にｐチャネル型のトランジスタを形成する場合、例えば、図１（Ｂ）に示す第３のトランジスタ３６０やインバータ３７０を同一基板上に作製する場合、ｐ型の半導体基板２０１の一部にｎウェル領域を形成してもよい。ｎウェル領域は、リン、ヒ素等のｎ型を付与する不純物元素を添加して形成される。

なお、ここでは、ｐ型の半導体基板を用いているが、ｎ型の半導体基板を用いて、ｐチャネル型のトランジスタを形成してもよい。その場合、ｎ型の半導体基板にｐ型を付与するホウ素等の不純物元素が添加されたｐウェル領域を形成して、同一基板上にｎチャネル型のトランジスタを形成してもよい。

次に、図６（Ｂ）に示すように、半導体基板２０１上にゲート絶縁膜２０７およびゲート電極２０９を形成する。

熱処理を行い半導体基板２０１の表面を酸化した酸化シリコン膜を形成する。又は、熱酸化法により酸化シリコン膜を形成した後に、窒化処理を行うことによって酸化シリコン膜の表面を窒化させることにより、酸化シリコン膜と酸素と窒素を有するシリコン膜（酸化窒化シリコン膜）との積層構造で形成する。次に、酸化シリコン膜又は酸窒化シリコン膜の一部を選択的にエッチングして、ゲート絶縁膜２０７を形成する。若しくは、厚さ５〜５０ｎｍの酸化シリコン、酸化窒化シリコン、高誘電率物質（ｈｉｇｈ−ｋ材料ともいう）であるタンタル酸化物、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化チタンなどの金属酸化物、酸化ランタンなどの希土類酸化物又はハフニウムシリケート等を、ＣＶＤ法、スパッタリング法等を用いて形成した後、選択的に一部をエッチングして、ゲート絶縁膜２０７を形成する。

ゲート電極２０９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、又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、金属窒化物膜と上記の金属膜の積層構造でゲート電極２０９を形成してもよい。金属窒化物としては、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。金属窒化物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。

ゲート電極２０９は、導電膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成した後、該導電膜の一部を選択的にエッチングして形成される。

ここでは、熱処理を行い、半導体基板２０１の表面を酸化した酸化シリコン膜を形成し、該酸化シリコン膜上に窒化タンタル膜及びタングステン膜が積層された導電膜をスパッタリング法により形成した後、酸化シリコン膜及び導電膜のそれぞれ一部を選択的にエッチングして、ゲート絶縁膜２０７およびゲート電極２０９を形成する。

なお、高集積化を実現するためには、ゲート電極２０９の側面にサイドウォール絶縁層を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタの特性を重視する場合には、ゲート電極２０９の側面にサイドウォール絶縁層を設けることもできる。

次に、図６（Ｃ）に示すように、半導体基板２０１にｎ型を付与する不純物元素を添加して、ｎ型の不純物領域２１１ａ、ｎ型の不純物領域２１１ｂを形成する。また、同一基板上にｎウェル領域を形成している場合、当該領域にｐ型を付与する不純物元素を添加してｐ型の不純物領域を形成する。ｎ型の不純物領域２１１ａ、ｎ型の不純物領域２１１ｂおよびｐ型の不純物領域におけるｎ型を付与する不純物元素及びｐ型を付与する不純物元素の濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下である。ｎ型を付与する不純物元素及びｐ型を付与する不純物元素は、イオンドーピング法、イオン注入法等を適宜用いて、半導体基板２０１及びｎウェル領域に添加する。

また、ゲート電極２０９の側面にサイドウォール絶縁層を設ける場合、当該サイドウォール絶縁層と重畳する領域に、ｎ型の不純物領域２１１ａ、ｎ型の不純物領域２１１ｂおよびｐ型の不純物領域とは異なる不純物濃度の不純物領域を形成することができる。

次に、図６（Ｄ）に示すように、半導体基板２０１、素子分離領域２０３、ゲート絶縁膜２０７およびゲート電極２０９上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により、絶縁膜２１５および絶縁膜２１７を形成する。

絶縁膜２１５および絶縁膜２１７は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよく、積層又は単層で設ける。なお、絶縁膜２１５をＣＶＤ法により形成することで、絶縁膜２１５の水素含有量が高まる。このような絶縁膜２１５を用いて熱処理を行うことにより、半導体基板を水素化し、水素によりダングリングボンドを終端させ、当該半導体基板中の欠陥を低減することができる。

また、絶縁膜２１７として、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｇｌａｓｓ）などの無機材料、又は、ポリイミド、アクリルなどの有機材料を用いて形成することで、絶縁膜２１７の平坦性を高めることができる。

絶縁膜２１５又は絶縁膜２１７を形成した後、ｎ型の不純物領域２１１ａ、ｎ型の不純物領域２１１ｂおよびｐ型の不純物領域に添加された不純物元素を活性化するための熱処理を行う。

以上の工程により、図６（Ｄ）に示すように、ｎチャネル型のトランジスタ１１２を作製することができる。

次に、絶縁膜２１５および絶縁膜２１７の一部を選択的にエッチングして、開口部を形成する。次に、開口部にコンタクトプラグ２１９ａおよびコンタクトプラグ２１９ｂを形成する。代表的には、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により導電膜を形成した後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法やエッチングなどにより平坦化処理を行い、導電膜の表面の不要な部分を除去して、コンタクトプラグを形成する。

コンタクトプラグ２１９ａおよびコンタクトプラグ２１９ｂとなる導電膜は、ＷＦ_６ガスとＳｉＨ_４ガスからＣＶＤ法でタングステンシリサイドを形成し、開口部に導電膜を埋め込むことで形成される。

次に、絶縁膜２１７及びコンタクトプラグ２１９ａおよびコンタクトプラグ２１９ｂ上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により絶縁膜を形成した後、該絶縁膜の一部を選択的にエッチングし、溝部を有する絶縁膜２２１を形成する。次に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により導電膜を形成した後、ＣＭＰ法やエッチングなどにより平坦化処理を行い、該導電膜の表面の不要な部分を除去して、配線２２３ａおよび配線２２３ｂを形成する（図７（Ａ）参照）。

ここで、配線２２３ａ及び配線２２３ｂは、それぞれトランジスタ１１２のソース電極又はドレイン電極して機能し、図１（Ａ）に示すアナログ素子３１０の一方の電極又は出力信号線ＯＵＴとそれぞれ電気的に接続される。

絶縁膜２２１は、絶縁膜２１５と同様の材料を用いて形成することができる。

配線２２３ａおよび配線２２３ｂとして、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、又はタングステンからなる単体金属、又はこれを主成分とする合金を単層構造又は積層構造として用いる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン膜上にチタン膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などがある。なお、酸化インジウム、酸化錫又は酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。

平坦化された絶縁膜２２１、配線２２３ａおよび配線２２３ｂを用いることで、後に形成する酸化物半導体を含むトランジスタにおける電気特性のばらつきを低減することができる。また、歩留まり高く酸化物半導体を含むトランジスタを形成することができる。

次に、熱処理又はプラズマ処理により、絶縁膜２２１、配線２２３ａおよび配線２２３ｂに含まれる水素を脱離させることが好ましい。この結果、後の熱処理において、後に形成される絶縁膜及び酸化物半導体膜中に水素が拡散することを防ぐことができる。なお、熱処理は、不活性雰囲気、減圧雰囲気又は乾燥空気雰囲気にて、１００℃以上基板の歪み点未満で行う。また、プラズマ処理は、希ガス、酸素、窒素又は酸化窒素（亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化窒素など）を用いる。

次に、絶縁膜２２１、配線２２３ａ及び配線２２３ｂ上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により、絶縁膜２２５を形成する。絶縁膜２２５としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウムを単層又は積層して形成する。また、絶縁膜２２５として、加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜を用いて形成することが好ましい。加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜としては、化学量論比を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化絶縁膜を用いる。加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜は、加熱により酸素が脱離するため、後の工程で行う加熱により酸化物半導体膜に酸素を拡散させることができる。

また、絶縁膜２２５は、ＣＭＰ処理などを行って平坦化を図ることが望ましい。絶縁膜２２５の表面の平均面粗さ（Ｒａ）は、１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下とする。

なお、本明細書などにおいて平均面粗さ（Ｒａ）とは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）で定義されている中心線平均粗さ（Ｒａ）を、測定面に対して適用できるよう三次元に拡張したものであり、基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値で表現される。

平均面粗さ（Ｒａ）は、測定データの示す面である測定面をＺ＝Ｆ（Ｘ，Ｙ）で表すとき、基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値で表現され、次の式で与えられる。

ここで、指定面とは、粗さ計測の対象となる面であり、座標（Ｘ_１，Ｙ_１）（Ｘ_１，Ｙ_２）（Ｘ_２，Ｙ_１）（Ｘ_２，Ｙ_２）の４点で表される四角形の領域とし、指定面が理想的にフラットであるとしたときの面積をＳ_０とする。また、基準面とは、指定面の平均の高さにおける、ＸＹ平面と平行な面のことである。つまり、指定面の高さの平均値をＺ_０とするとき、基準面の高さもＺ_０で表される。平均面粗さ（Ｒａ）は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて評価可能である。

上記ＣＭＰ処理は、１回行ってもよいし、複数回行ってもよい。複数回に分けてＣＭＰ処理を行う場合は、高い研磨レートの一次研磨を行った後、低い研磨レートの仕上げ研磨を行うのが好ましい。このように研磨レートの異なる研磨を組み合わせることによって、絶縁膜２２５の表面の平坦性をさらに向上させることができる。

また、絶縁膜２２５を平坦化させる処理としては、プラズマ処理を用いることもできる。プラズマ処理は、真空のチャンバーに不活性ガス、例えばアルゴンガスなどの希ガスを導入し、被処理面を陰極とする電界をかけて行う。その原理としてはプラズマドライエッチ法と同等であるが、不活性ガスを用いて行う。すなわち、このプラズマ処理は、被処理面に不活性ガスのイオンを照射して、スパッタリング効果により表面の微細な凹凸を平坦化する処理である。このことから、当該プラズマ処理を「逆スパッタ処理」と呼ぶこともできる。

このプラズマ処理時、プラズマ中には電子とアルゴンの陽イオンが存在し、陰極方向にアルゴンの陽イオンが加速される。加速されたアルゴンの陽イオンは被処理面をスパッタする。このとき、該被処理面の凸部から優先的にスパッタされる。被処理面からスパッタされた粒子は、被処理面の別の場所に付着する。このとき、該被処理面の凹部に優先的に付着する。このように凸部を削り、凹部を埋めることで被処理面の平坦性が向上する。なお、プラズマ処理とＣＭＰ処理と併用することにより絶縁膜２２５のさらなる平坦化を図ることができる。

なお、当該プラズマ処理によって、絶縁膜２２５表面に付着した酸素、水分、有機物などの不純物をスパッタリングの効果で除去することも可能である。

なお、酸化物半導体の成膜を行う前に、成膜室の加熱および排気を行って、成膜室中の水素、水、水酸基、水素化物などの不純物を除去しておくことが好ましい。特に成膜室の内壁に吸着して存在するこれらの不純物を除去することが重要である。ここで、熱処理は、例えば、１００℃以上４５０℃以下で行えばよい。また、処理室の排気は、ドライポンプなどの粗引きポンプと、スパッタイオンポンプ、ターボ分子ポンプ及びクライオポンプなどの高真空ポンプとを適宜組み合わせて行うとよい。ターボ分子ポンプは大きいサイズの分子の排気が優れる一方、水素や水の排気能力が低い。さらに、水の排気能力の高いクライオポンプまたは水素の排気能力の高いスパッタイオンポンプを組み合わせることが有効となる。またこのとき、不活性ガスを導入しながら不純物の除去を行うと、排気するだけでは脱離しにくい水などの脱離速度をさらに大きくすることができる。このような処理を行って酸化物半導体の成膜前に成膜室の不純物を除去することにより、酸化物半導体への水素、水、水酸基、水素化物などの混入を低減することができる。

また、酸化物半導体膜をスパッタリング装置で成膜する前に、スパッタリング装置にダミー基板を搬入し、ダミー基板上に酸化物半導体膜を成膜して、ターゲット表面、又は防着板に付着した水素、水分を取り除く工程を行ってもよい。

次に、絶縁膜２２５上に、スパッタリング法、塗布法、印刷法、蒸着法、ＰＣＶＤ法、ＰＬＤ法、ＡＬＤ法又はＭＢＥ法等を用いて酸化物半導体膜２２７を形成する（図７（Ｂ）参照）。ここでは、酸化物半導体膜２２７として、スパッタリング法により、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さで酸化物半導体膜を形成する。酸化物半導体膜２２７の厚さを上記厚さとすることで、トランジスタの微細化に伴って発生するおそれのある短チャネル効果を抑制することができる。

酸化物半導体膜２２７に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。また、上記酸化物半導体に酸化シリコンを含んでもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を主成分として有する酸化物という意味であり、その組成比は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。このとき、上記酸化物半導体においては、化学量論比に対し、酸素を過剰にすると好ましい。酸素を過剰にすることで酸化物半導体膜の酸素欠損に起因するキャリアの生成を抑制することができる。

また、酸化物半導体として、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０、且つ、ｍは整数でない）で表記される材料を用いてもよい。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一の金属元素又は複数の金属元素を示す。また、酸化物半導体として、Ｉｎ_３ＳｎＯ_５（ＺｎＯ）_ｎ（ｎ＞０、且つ、ｎは整数）で表記される材料を用いてもよい。

なお、酸化物半導体膜２２７において、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度は、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが望ましい。アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアが生成されることがあり、トランジスタのオフ電流の上昇の原因となるためである。

また、酸化物半導体膜２２７には、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の窒素が含まれてもよい。

なお、酸化物半導体膜２２７に用いることが可能な酸化物半導体は、シリコン半導体よりもバンドギャップが広く、真性キャリア密度がシリコン半導体よりも低い、ワイドバンドギャップ半導体とする。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

酸化物半導体膜２２７は、単結晶構造であってもよいし、非単結晶構造であってもよい。後者の場合、アモルファス構造でも、多結晶構造でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファス構造でもよい。

アモルファス状態の酸化物半導体は、比較的容易に平坦な表面を得ることができるため、これを用いてトランジスタを作製した際の界面散乱を低減でき、比較的容易に、比較的高い移動度を得ることができる。

また、結晶性を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく、上述のように、絶縁膜２２５の表面の平均面粗さ（Ｒａ）を、１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下とし、その上に酸化物半導体膜２２７を形成することが好ましい。

ここでは、酸化物半導体膜２２７をスパッタリング法により形成する。

スパッタリング法に用いるターゲットとしては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。

酸化物半導体としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲット中の金属元素の原子数比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、４：２：３、３：１：２、１：１：２、２：１：３、又は３：１：４などとすればよい。このような原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物をターゲットとして用いることができる。また、ターゲットの組成比を上記のようにすることにより、多結晶又は後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。

また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲット中の金属元素の原子数比は、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１、２：１：３、１：２：２、又は２０：４５：３５などとすればよい。このような原子数比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物をターゲットとして用いることができる。また、ターゲットの組成比を上記のようにすることにより、多結晶膜又は後述するＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。

酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲット中の金属元素の原子数比は、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。このような原子数比のＩｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物をターゲットとして用いることができる。

しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間結合距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。

例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を上げることができる。

なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝１）の酸化物の組成の近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが、（ａ−Ａ）^２＋（ｂ−Ｂ）^２＋（ｃ−Ｃ）^２≦ｒ^２を満たすことを言う。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。他の酸化物でも同様である。

なお、スパッタリングガスは、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、希ガス及び酸素の混合ガスを適宜用いる。なお、希ガス及び酸素の混合ガスの場合、希ガスに対して酸素のガス比を高めることが好ましい。また、スパッタリングガスは、酸化物半導体膜への水素、水、水酸基、水素化物などの混入を防ぐために、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が十分に除去された高純度ガスを用いた雰囲気とすることが望ましい。

スパッタリング法において、プラズマを発生させるための電源装置は、ＲＦ電源装置、ＡＣ電源装置、ＤＣ電源装置等を適宜用いることができる。

なお、酸化物半導体膜を成膜する処理室は、リークレートを１×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／秒以下とすることが好ましく、それによりスパッタリング法により成膜する際、膜中への不純物の混入を低減することができる。このように、酸化物半導体膜の成膜工程において、更に好ましくは酸化絶縁膜の成膜工程において、処理室の圧力、処理室のリークレートなどにおいて、不純物の混入を極力抑えることによって、酸化物半導体膜に含まれる水素を含む不純物の混入を低減することができる。また、酸化絶縁膜から酸化物半導体膜への水素などの不純物の拡散を低減することができる。

なお、酸化物半導体膜は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう）又は非晶質などの状態をとる。酸化物半導体膜として、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜を用いてもよい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部及び非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部の境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、且つａｂ面に垂直な方向から見て三角形状又は六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状又は金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸及びｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。

なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状又は表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、又は成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気的特性の変化を抑制することができる。特に、上述のように、絶縁膜２２５の表面の平均面粗さ（Ｒａ）を、１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下とし、その上にＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成することが好ましい。これにより、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶性を向上させ、当該ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタの移動度の向上を図ることができる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶構造の一例について図１２乃至図１５を用いて詳細に説明する。なお、特に断りがない限り、図１２乃至図１５は上方向をｃ軸方向とし、ｃ軸方向と直交する面をａｂ面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ａｂ面を境にした場合の上半分、下半分をいう。また、図１２において、丸で囲まれたＯは４配位のＯを示し、二重丸で囲まれたＯは３配位のＯを示す。

図１２（Ａ）に、１個の６配位のＩｎと、Ｉｎに近接の６個の４配位の酸素原子（以下４配位のＯ）と、を有する構造を示す。ここでは、金属原子が１個に対して、近接の酸素原子のみ示した構造を小グループと呼ぶ。図１２（Ａ）の構造は、八面体構造をとるが、簡単のため平面構造で示している。なお、図１２（Ａ）の上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがある。図１２（Ａ）に示す小グループは電荷が０である。

図１２（Ｂ）に、１個の５配位のＧａと、Ｇａに近接の３個の３配位の酸素原子（以下３配位のＯ）と、Ｇａに近接の２個の４配位のＯと、を有する構造を示す。３配位のＯは、いずれもａｂ面に存在する。図１２（Ｂ）の上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがある。また、Ｉｎも５配位をとるため、図１２（Ｂ）に示す構造をとりうる。図１２（Ｂ）に示す小グループは電荷が０である。

図１２（Ｃ）に、１個の４配位のＺｎと、Ｚｎに近接の４個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図１２（Ｃ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。図１２（Ｃ）に示す小グループは電荷が０である。

図１２（Ｄ）に、１個の６配位のＳｎと、Ｓｎに近接の６個の４配位のＯと、を有する構造を示す。図１２（Ｄ）の上半分には３個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがある。図１２（Ｄ）に示す小グループは電荷が＋１となる。

図１２（Ｅ）に、２個のＺｎを含む小グループを示す。図１２（Ｅ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には１個の４配位のＯがある。図１２（Ｅ）に示す小グループは電荷が−１となる。

ここでは、複数の小グループの集合体を中グループと呼び、複数の中グループの集合体を大グループと呼ぶ。

ここで、これらの小グループ同士が結合する規則について説明する。Ｉｎの上半分の３個のＯは下方向に３個の近接Ｉｎを有し、下半分の３個のＯは上方向に３個の近接Ｉｎを有する。Ｇａの上半分の１個のＯは下方向に１個の近接Ｇａを有し、下半分の１個のＯは上方向に１個の近接Ｇａを有する。Ｚｎの上半分の１個のＯは下方向に１個の近接Ｚｎを有し、下半分の３個のＯは上方向に３個の近接Ｚｎを有する。この様に、金属原子の上方向の４配位のＯの数と、そのＯの下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の下方向の４配位のＯの数と、そのＯの上方向にある近接金属原子の数は等しい。Ｏは４配位なので、下方向にある近接金属原子の数と、上方向にある近接金属原子の数の和は４になる。従って、金属原子の上方向にある４配位のＯの数と、別の金属原子の下方向にある４配位のＯの数との和が４個のとき、金属原子を有する二種の小グループ同士は結合することができる。例えば、６配位の金属原子（Ｉｎ又はＳｎ）が上半分の４配位のＯを介して結合する場合、４配位のＯが３個であるため、５配位の金属原子（Ｇａ又はＩｎ）又は４配位の金属原子（Ｚｎ）のいずれかと結合することになる。

これらの配位数を有する金属原子は、ｃ軸方向において、４配位のＯを介して結合する。また、このほかにも、層構造の合計の電荷が０となるように複数の小グループが結合して中グループを構成する。

図１３（Ａ）に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。図１３（Ｂ）に、３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図１３（Ｃ）は、図１３（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示す。

図１３（Ａ）においては、簡単のため、３配位のＯは省略し、４配位のＯは個数のみ示し、例えば、Ｓｎの上半分および下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがあることを丸枠の３として示している。同様に、図１３（Ａ）において、Ｉｎの上半分および下半分にはそれぞれ１個ずつ４配位のＯがあり、丸枠の１として示している。また、同様に、図１３（Ａ）において、下半分には１個の４配位のＯがあり、上半分には３個の４配位のＯがあるＺｎと、上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがあるＺｎとを示している。

図１３（Ａ）において、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎが、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に３個の４配位のＯがあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に１個の４配位のＯがあるＺｎ２個からなる小グループと結合し、この小グループの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＳｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。

ここで、３配位のＯおよび４配位のＯの場合、結合１本当たりの電荷はそれぞれ−０．６６７、−０．５と考えることができる。例えば、Ｉｎ（６配位又は５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｓｎ（５配位又は６配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋４である。従って、Ｓｎを含む小グループは電荷が＋１となる。そのため、Ｓｎを含む層構造を形成するためには、電荷＋１を打ち消す電荷−１が必要となる。電荷−１をとる構造として、図１２（Ｅ）に示すように、２個のＺｎを含む小グループが挙げられる。例えば、Ｓｎを含む小グループが１個に対し、２個のＺｎを含む小グループが１個あれば、電荷が打ち消されるため、層構造の合計の電荷を０とすることができる。

具体的には、図１３（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の結晶（Ｉｎ_２ＳｎＺｎ_３Ｏ_８）を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造は、Ｉｎ_２ＳｎＺｎ_２Ｏ_７（ＺｎＯ）_ｍ（ｍは０又は自然数。）とする組成式で表すことができる。

また、このほかにも、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物や、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物や、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、一元系金属の酸化物であるＩｎ系酸化物、Ｓｎ系酸化物、Ｚｎ系酸化物などを用いた場合も同様である。

例えば、図１４（Ａ）に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループのモデル図を示す。

図１４（Ａ）において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、上から順に４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎが、４配位のＯが１個上半分にあるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の３個の４配位のＯを介して、４配位のＯが１個ずつ上半分および下半分にあるＧａと結合し、そのＧａの下半分の１個の４配位のＯを介して、４配位のＯが３個ずつ上半分および下半分にあるＩｎと結合している構成である。この中グループが複数結合して大グループを構成する。

図１４（Ｂ）に３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図１４（Ｃ）は、図１４（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示している。

ここで、Ｉｎ（６配位又は５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｇａ（５配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋３であるため、Ｉｎ、ＺｎおよびＧａのいずれかを含む小グループは、電荷が０となる。そのため、これらの小グループの組み合わせであれば中グループの合計の電荷は常に０となる。

また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、図１４（Ａ）に示した中グループに限定されず、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの配列が異なる中グループを組み合わせた大グループも取りうる。

具体的には、図１４（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の結晶を得ることができる。なお、得られるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造は、ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｎ（ｎは自然数。）とする組成式で表すことができる。

ｎ＝１（ＩｎＧａＺｎＯ_４）の場合は、例えば、図１５（Ａ）に示す結晶構造を取りうる。なお、図１５（Ａ）に示す結晶構造において、図１２（Ｂ）で説明したように、Ｇａ及びＩｎは５配位をとるため、ＧａがＩｎに置き換わった構造も取りうる。

また、ｎ＝２（ＩｎＧａＺｎ_２Ｏ_５）の場合は、例えば、図１５（Ｂ）に示す結晶構造を取りうる。なお、図１５（Ｂ）に示す結晶構造において、図１２（Ｂ）で説明したように、Ｇａ及びＩｎは５配位をとるため、ＧａがＩｎに置き換わった構造も取りうる。

酸化物半導体膜２２７をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合は、酸化物半導体膜２２７を成膜する際に、基板温度が２００℃を超えて７００℃以下、好ましくは３００℃を超えて５００℃以下、より好ましくは４００℃以上４５０℃以下となるように、基板を加熱する。このように、基板を加熱しながら酸化物半導体膜２２７を成膜することにより、酸化物半導体膜２２７をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とすることができる。

また、上記の温度範囲で加熱しながら、一原子層以上１０ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下の薄い膜厚の第１の酸化物半導体膜を成膜したのち、同様の方法で加熱しながらさらに厚い膜厚の第２の酸化物半導体膜を成膜し、第１の酸化物半導体膜と第２の酸化物半導体膜を積層して、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の酸化物半導体膜２２７を形成しても良い。

また、酸化物半導体膜２２７を非晶質構造とする場合は、酸化物半導体膜２２７を成膜する際に、基板の加熱を行わない、又は基板温度を２００℃未満、より好ましくは１８０℃未満として基板を加熱する。このように、酸化物半導体膜２２７を成膜することにより、酸化物半導体膜２２７を非晶質構造とすることができる。

また、上記の方法で酸化物半導体膜を非晶質構造として成膜した後、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃、さらに好ましくは５５０℃以上の温度で熱処理を行って、当該非晶質構造の酸化物半導体膜の少なくとも一部を結晶化し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の酸化物半導体膜２２７を形成しても良い。なお、当該熱処理は不活性ガス雰囲気下で行うことができる。不活性ガス雰囲気としては、窒素、又は希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン等）を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望ましい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（すなわち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とする。また、当該熱処理は、後述する脱水化又は脱水素化の熱処理などで兼ねることも可能である。

以上の方法において、成膜時の基板加熱温度が高いほど、得られる酸化物半導体膜２２７の不純物濃度は低くなる。また、酸化物半導体膜２２７中の原子配列が整い、高密度化され、多結晶膜又はＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。さらに、酸素ガス雰囲気で成膜することでも、希ガスなどの余分な原子が含まれないため、多結晶膜又はＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されやすくなる。ただし、酸素ガスと希ガスの混合雰囲気としてもよく、その場合は酸素ガスの割合は３０体積％以上、好ましくは５０体積％以上、さらに好ましくは８０体積％以上とする。

酸化物半導体膜２２７形成後、酸化物半導体膜２２７に対して、熱処理を行ってもよい。熱処理を行うことによって、酸化物半導体膜２２７中に含まれる水素原子を含む物質をさらに除去することができる。当該熱処理は不活性ガス雰囲気下で行い、熱処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下、また、基板が歪み点を有する場合は基板の歪み点未満とする。不活性ガス雰囲気としては、窒素、又は希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン等）を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望ましい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（すなわち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とする。

当該熱処理は、例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に半導体基板２０１を導入し、窒素雰囲気下、４５０℃、１時間の条件で行うことができる。

また、熱処理装置は電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、又は熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いても良い。例えば、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。ガスとしては、アルゴンなどの希ガス、又は窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。なお、加熱処理装置としてＧＲＴＡ装置を用いる場合には、その熱処理時間が短いため、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中で基板を加熱してもよい。

また、上記熱処理で酸化物半導体膜２２７を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度のＮ_２Ｏガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）とすることが好ましい。特にこれらのガスには、水、水素などが含まれないことが好ましい。また、同じ炉に導入する酸素ガス又はＮ_２Ｏガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又はＮ_２Ｏガスの作用によって、脱水化又は脱水素化処理による不純物の排除工程で低減してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料の一つである酸素を供給することができる。

なお、上述の熱処理には水素や水などを除去する効果があるため、当該熱処理を、脱水化又は脱水素化などと呼ぶこともできる。当該熱処理は、例えば、酸化物半導体膜を島状に加工する前、ゲート絶縁膜の形成後などのタイミングにおいて行うことも可能である。また、このような脱水化又は脱水素化の熱処理は、一回に限らず複数回行っても良い。

次に、酸化物半導体膜２２７の一部を選択的にエッチングして、島状の酸化物半導体膜２２９を形成する。その後、酸化物半導体膜２２９上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により絶縁膜２３１を形成する。そして、絶縁膜２３１上にゲート電極２３３を形成する（図８（Ａ）参照）。

絶縁膜２３１は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム又はＧａ−Ｚｎ系金属酸化物などを用いればよく、積層又は単層で設ける。また、絶縁膜２３１は、絶縁膜２２５に示すような、加熱により酸素が脱離する酸化絶縁膜を用いてもよい。絶縁膜２３１に加熱により酸素が脱離する膜を用いることで、後の加熱処理により酸化物半導体膜２２９に生じる酸素欠損を修復することができ、トランジスタの電気特性の劣化を抑制できる。

また、絶縁膜２３１として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ_ｘ）、窒素が添加されたハフニウムシリケート、窒素が添加されたハフニウムアルミネート、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲート絶縁膜の厚さを薄くしてもゲートリークを低減できる。

絶縁膜２３１の厚さは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下とするとよい。

ゲート電極２３３は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属元素、又は上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金などを用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一又は複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、ゲート電極２３３は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造などがある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素の膜、又は複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。

また、ゲート電極２３３は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。

ゲート電極２３３は、印刷法又はインクジェット法により形成される。若しくは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で導電膜を形成した後、該導電膜の一部を選択的にエッチングして形成される。

なお、ゲート電極２３３と絶縁膜２３１との間に、絶縁膜２３１に接する材料層として、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＺｎＮなど）を設けることが好ましい。これらの膜は５ｅＶ、好ましくは５．５ｅＶ以上の仕事関数を有し、トランジスタの電気特性のしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。例えば、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体膜２２９より高い窒素濃度、具体的には７原子％以上の窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いる。

なお、絶縁膜２３１の成膜後に、不活性ガス雰囲気下、又は酸素雰囲気下で熱処理を行ってもよい。熱処理の温度は、２００℃以上４５０℃以下とするのが好ましく、２５０℃以上３５０℃以下とするのがより好ましい。このような熱処理を行うことによって、トランジスタの電気的特性のばらつきを軽減することができる。また、酸化物半導体膜２２９と接する絶縁膜２２５又は絶縁膜２３１が酸素を含む場合、酸化物半導体膜２２９に酸素を供給し、該酸化物半導体膜２２９の酸素欠損を補填することもできる。このように、上述の熱処理には酸素を供給する効果があるため、当該熱処理を、加酸化（加酸素化）などと呼ぶこともできる。

なお、本実施の形態では、絶縁膜２３１の形成後に加酸化の熱処理を行っているが、加酸化の熱処理のタイミングはこれに限定されるものではない。

上述のように、脱水化又は脱水素化の熱処理と加酸化の熱処理を適用し、酸化物半導体膜２２９中の不純物を低減し、酸素欠損を補填することで、酸化物半導体膜２２９をその主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することができる。

次に、ゲート電極２３３をマスクとして、酸化物半導体膜２２９にドーパントを添加する処理を行ってもよい。この結果、図８（Ｂ）に示すように、ゲート電極２３３に覆われ、ドーパントが添加されない第１の領域２３５ａと、ドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃを形成する。ゲート電極２３３をマスクにしてドーパントを添加するため、セルフアラインで、ドーパントが添加されない第１の領域２３５ａ、及びドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃを形成することができる。なお、ゲート電極２３３と重畳する第１の領域２３５ａはチャネル領域として機能する。また、ドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃは、電界緩和領域として機能する。また、第１の領域２３５ａ、及びドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃを酸化物半導体膜２３５と示す。

酸化物半導体膜２３５の第１の領域２３５ａは、水素濃度を５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、より好ましくは５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることが好ましい。酸化物半導体及び水素の結合により、水素の一部がドナーとなり、キャリアである電子が生じてしまう。これらのため、酸化物半導体膜２３５の第１の領域２３５ａ中の水素濃度を低減することで、しきい値電圧のマイナスシフトを低減することができる。

ドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃに含まれるドーパントの濃度は、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。

ドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃはドーパントを含むため、キャリア密度又は欠陥を増加させることができる。このため、ドーパントを含まない第１の領域２３５ａと比較して導電性を高めることができる。なお、ドーパント濃度を増加させすぎると、ドーパントがキャリアの移動を阻害することになり、ドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃの導電性を低下させることになる。

ドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃは、導電率が０．１Ｓ／ｃｍ以上１０００Ｓ／ｃｍ以下、好ましくは１０Ｓ／ｃｍ以上１０００Ｓ／ｃｍ以下とすることが好ましい。

酸化物半導体膜２３５において、ドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃを有することで、チャネル領域として機能する第１の領域２３５ａの端部に加わる電界を緩和させることができる。このため、トランジスタの短チャネル効果を抑制することができる。

酸化物半導体膜２２９にドーパントを添加する方法として、イオンドーピング法又はイオンインプランテーション法を用いることができる。また、添加するドーパントとしては、ホウ素、窒素、リン、及びヒ素の少なくとも一以上がある。又は、ドーパントとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノンの少なくとも一以上がある。又は、ドーパントとしては、水素がある。なお、ドーパントとして、ホウ素、窒素、リン、及びヒ素の一以上と、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノンの一以上と、水素とを適宜組み合わしてもよい。

また、酸化物半導体膜２２９へのドーパントの添加は、酸化物半導体膜２２９を覆って、絶縁膜などが形成されている状態を示したが、酸化物半導体膜２２９が露出している状態でドーパントの添加を行ってもよい。

さらに、上記ドーパントの添加はイオンドーピング法又はイオンインプランテーション法などによる注入する以外の方法でも行うことができる。例えば、添加する元素を含むガス雰囲気にてプラズマを発生させて、被添加物に対してプラズマ処理を行うことによって、ドーパントを添加することができる。上記プラズマを発生させる装置としては、ドライエッチング装置やＣＶＤ装置、高密度ＣＶＤ装置などを用いることができる。

この後、熱処理を行ってもよい。当該熱処理の温度は、代表的には、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上３２５℃以下とする。又は、２５０℃から３２５℃まで徐々に温度上昇させながら加熱してもよい。

当該熱処理により、ドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃの抵抗を低減することができる。なお、当該熱処理において、ドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃは、結晶状態でも非晶質状態でもよい。

次に、図８（Ｃ）に示すように、ゲート電極２３３の側面にサイドウォール絶縁膜２３７、及びゲート絶縁膜２３９、並びに電極２４１ａ、電極２４１ｂを形成する。

サイドウォール絶縁膜２３７は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよく、積層又は単層で設ける。なお、サイドウォール絶縁膜２３７として、絶縁膜２２５と同様に、加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜を用いて形成してもよい。

ここで、サイドウォール絶縁膜２３７の形成方法について説明する。

まず、絶縁膜２３１およびゲート電極２３３上に、後にサイドウォール絶縁膜２３７となる絶縁膜を形成する。絶縁膜は、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。また、当該絶縁膜の厚さは特に限定はないが、ゲート電極２３３の形状に応じる被覆性を考慮して、適宜選択すればよい。

次に、絶縁膜をエッチングすることによりサイドウォール絶縁膜２３７を形成する。該エッチングは、異方性の高いエッチングであり、サイドウォール絶縁膜２３７は、絶縁膜に異方性の高いエッチング工程を行うことでセルフアラインに形成することができる。

また、ドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃにおいて、電界緩和領域として機能する幅は、サイドウォール絶縁膜２３７の幅に対応し、またサイドウォール絶縁膜２３７の幅は、ゲート電極２３３の厚さにも対応することから、電界緩和領域の範囲が、所望の範囲となるように、ゲート電極２３３の厚さを決めればよい。

また、サイドウォール絶縁膜２３７の形成工程と共に、異方性の高いエッチングを用いて絶縁膜２３１をエッチングし、酸化物半導体膜２３５を露出させることで、ゲート絶縁膜２３９を形成することができる。

一対の電極２４１ａ、電極２４１ｂは配線２２３ａおよび配線２２３ｂと同様の材料を適宜用いて形成することができる。なお、一対の電極２４１ａ、電極２４１ｂは配線としても機能させてもよい。

一対の電極２４１ａ、電極２４１ｂは、印刷法又はインクジェット法を用いて形成される。又は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等で導電膜を形成した後、該導電膜の一部を選択的にエッチングして、一対の電極２４１ａ、電極２４１ｂを形成する。

一対の電極２４１ａ、電極２４１ｂは、サイドウォール絶縁膜２３７及びゲート絶縁膜２３９の側面と接するように、形成されることが好ましい。即ち、トランジスタの一対の電極２４１ａ、電極２４１ｂの端部がサイドウォール絶縁膜２３７上に位置し、酸化物半導体膜２３５において、ドーパントを含む一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃの露出部を全て覆っていることが好ましい。この結果、ドーパントが含まれる一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃにおいて、一対の電極２４１ａ、電極２４１ｂと接する領域がソース領域及びドレイン領域として機能すると共に、サイドウォール絶縁膜２３７及びゲート絶縁膜２３９と重なる領域が電界緩和領域として機能する。また、サイドウォール絶縁膜２３７の長さにより電界緩和領域の幅が制御できるため、一対の電極２４１ａ、電極２４１ｂを形成するためのマスク合わせの精度を緩和することができる。よって、複数のトランジスタにおけるばらつきを低減することができる。

なお、本実施の形態では、ゲート電極２３３の側面に接してサイドウォール絶縁膜２３７を設けたが、本発明はこれに限られるものではなく、サイドウォール絶縁膜２３７を設けない構成とすることもできる。また、本実施の形態では、一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃを形成した後でサイドウォール絶縁膜２３７を設けたが、本発明はこれに限られるものではなく、サイドウォール絶縁膜２３７を設けた後で一対の第２の領域２３５ｂ、第２の領域２３５ｃを形成しても良い。このような構成とすることにより、第１の領域２３５ａをサイドウォール絶縁膜２３７と重畳する領域まで広げることができる。

次に、図９（Ａ）に示すように、スパッタリング法、ＣＶＤ法、塗布法、印刷法等により、絶縁膜２４３及び絶縁膜２４５を形成する。

絶縁膜２４３、絶縁膜２４５は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよく、積層又は単層で設ける。なお、絶縁膜２４５として、外部への酸素の拡散を防ぐ絶縁膜を用いることで、絶縁膜２４３から脱離する酸素を酸化物半導体膜に供給することができる。外部への酸素の拡散を防ぐ絶縁膜の代表例としては、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム等がある。また、絶縁膜２４５として、外部からの水素の拡散を防ぐ絶縁膜を用いることで、外部から酸化物半導体膜への水素の拡散を低減することが可能であり、酸化物半導体膜の欠損を低減することができる。外部からの水素の拡散を防ぐ絶縁膜の代表例としては、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。また、絶縁膜２４３を、加熱により酸素の一部が脱離する酸化絶縁膜、外部への酸素の拡散を防ぐ絶縁膜と、酸化絶縁膜との３層構造とすることで、効率よく酸化物半導体膜へ酸素を拡散すると共に、外部への酸素の脱離を抑制することが可能であり、温度及び湿度の高い状態でも、トランジスタの特性の変動を低減することができる。

以上の工程により、図９（Ａ）に示すように、酸化物半導体を含んで構成されるトランジスタ１１０を作製することができる。なお、上記トランジスタ１１０は、ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い酸化物半導体膜２３５を有するため、極めて優れた特性を示す。

なお、本実施の形態でトランジスタ１１０をトップゲート構造としたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えばボトムゲート構造としても良い。また、本実施の形態でトランジスタ１１０は、一対の電極２４１ａおよび電極２４１ｂが、一対の第２の領域２３５ｂおよび第２の領域２３５ｃの上面の少なくとも一部と接する構成としているが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、一対の第２の領域２３５ｂおよび第２の領域２３５ｃが、一対の電極２４１ａおよび電極２４１ｂの少なくとも一部と接する構成としても良い。また、酸化物半導体膜２２９に不純物領域を設けなくてもよい。

次に、絶縁膜２１５、絶縁膜２１７、絶縁膜２２１、絶縁膜２２５、絶縁膜２４３、絶縁膜２４５のそれぞれ一部を選択的にエッチングし、開口部を形成して、ゲート電極２０９、電極２４１ａおよび電極２４１ｂのそれぞれ一部を露出する。次に、開口部に導電膜を成膜した後、該導電膜の一部を選択的にエッチングして、電極２４１ｂに接して配線２４９を、電極２４１ａに接して配線２５０を形成する。配線２４９および配線２５０は、コンタクトプラグ２１９ａおよびコンタクトプラグ２１９ｂに示す材料を適宜用いることができる。

ここで、配線２４９は、トランジスタ１１０のソース電極又はドレイン電極の一方とトランジスタ１１２のゲート電極２０９とを電気的に接続するノードとして機能する。また、配線２５０は、トランジスタ１１０のソース電極又はドレイン電極の他方として機能し、図１（Ａ）に示すビット線Ｂと電気的に接続される。また、図９（Ｂ）では直接的に示していないが、トランジスタ１１０のゲート電極２３３も、図１（Ａ）に示すワード線Ｗと電気的に接続されるものとする。

また、図９（Ｂ）においては、トランジスタ１１０のソース電極又はドレイン電極の一方（電極２４１ｂ）と、トランジスタ１１２のゲート電極２０９と、が配線２４９を介して接続する構成としているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、トランジスタ１１２上に設けられた絶縁膜の上面にトランジスタ１１２のゲート電極の上面が露出されるような構造とし、当該ゲート電極の上面に直接接するようにトランジスタ１１０のソース電極又はドレイン電極の一方を設ける構成としても良い。

以上の工程により、トランジスタ１１０およびトランジスタ１１２からなるユニットセルのスイッチを作製することができる。

以上に示すように、オフ電流を十分に小さくすることができる、酸化物半導体のようなワイドバンドギャップ半導体を含んで構成されるトランジスタを、プログラマブル回路に含まれるユニットセルのスイッチに用いることにより、電源電位の供給が遮断された場合でも、当該ユニットセルの導通又は非導通の切り替えデータを長期間にわたって保持することが可能となる。また、プログラマブル回路にアナログ素子を含むユニットセルを複数配置し、ユニットセル毎に導通または非導通を切り替えることで、プログラマブル回路全体におけるアナログ値を可変とすることができる。

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、先の実施の形態で示した酸化物半導体膜を有するトランジスタについて、電界効果移動度を理論的に導出し、当該電界効果移動度を用いてトランジスタ特性を導出する。

酸化物半導体に限らず、実際に測定される絶縁ゲート型トランジスタの電界効果移動度は、さまざまな理由によって本来の移動度よりも低くなる。移動度を低下させる要因としては半導体内部の欠陥や半導体と絶縁膜との界面の欠陥があるが、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルを用いると、半導体内部に欠陥がないと仮定した場合の電界効果移動度を理論的に導き出せる。

半導体本来の移動度をμ_０、測定される電界効果移動度をμとし、半導体中に何らかのポテンシャル障壁（粒界等）が存在すると仮定すると、次の式（１）で表現できる。

ここで、Ｅはポテンシャル障壁の高さであり、ｋがボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。また、ポテンシャル障壁が欠陥に由来すると仮定すると、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルでは、次の式（２）で表現できる。

ここで、ｅは電気素量、Ｎはチャネル内の単位面積当たりの平均欠陥密度、εは半導体の誘電率、ｎは単位面積当たりのチャネルに含まれるキャリア数、Ｃ_ｏｘは単位面積当たりの容量、Ｖ_ｇはゲート電圧、ｔはチャネルの厚さである。なお、厚さ３０ｎｍ以下の半導体層であれば、チャネルの厚さは半導体層の厚さと同一として差し支えない。
線形領域におけるドレイン電流Ｉ_ｄは、次の式（３）で表現できる。

ここで、Ｌはチャネル長、Ｗはチャネル幅であり、ここでは、Ｌ＝Ｗ＝１０μｍである。また、Ｖ_ｄはドレイン電圧である。

式（３）の両辺をＶｇで割り、更に両辺の対数を取ると、次の式（４）となる。

式（４）の右辺はＶ_ｇの関数である。この式からわかるように、縦軸をｌｎ（Ｉｄ／Ｖｇ）、横軸を１／Ｖｇして実測値をプロットして得られるグラフの直線の傾きから欠陥密度Ｎが求められる。すなわち、トランジスタのＩ_ｄ―Ｖ_ｇ特性から、欠陥密度を評価できる。酸化物半導体としては、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）の比率が、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のものでは欠陥密度Ｎは１×１０^１２／ｃｍ^２程度である。

このようにして求めた欠陥密度等をもとに式（１）および式（２）よりμ_０＝１２０ｃｍ^２／Ｖｓが導出される。欠陥のあるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物で測定される移動度は４０ｃｍ^２／Ｖｓ程度である。しかし、半導体内部および半導体と絶縁膜との界面の欠陥が無い酸化物半導体の移動度μ_０は１２０ｃｍ^２／Ｖｓとなると予想できる。

ただし、半導体内部に欠陥がなくても、チャネルとゲート絶縁物との界面での散乱によってトランジスタの輸送特性は影響を受ける。すなわち、ゲート絶縁物界面からｘだけ離れた場所における移動度μ_１は、次の式（５）で表現できる。

ここで、Ｄはゲート方向の電界、Ｂ、ｌは定数である。Ｂおよびｌは、実際の測定結果より求めることができ、上記の測定結果からは、Ｂ＝４．７５×１０^７ｃｍ／ｓ、ｌ＝１０ｎｍ（界面散乱が及ぶ深さ）である。Ｄが増加する（すなわち、ゲート電圧が高くなる）と式（５）の第２項が増加するため、移動度μ_１は低下することがわかる。

半導体内部の欠陥が無い理想的な酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタの移動度μ_２を計算した結果を図１６に示す。なお、計算にはシノプシス社製デバイスシミュレーションソフト、Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用し、酸化物半導体のバンドギャップ、電子親和力、比誘電率、厚さをそれぞれ、２．８電子ボルト、４．７電子ボルト、１５、１５ｎｍとした。これらの値は、スパッタリング法により形成された薄膜を測定して得られたものである。

さらに、ゲート、ソース、ドレインの仕事関数をそれぞれ、５．５電子ボルト、４．６電子ボルト、４．６電子ボルトとした。また、ゲート絶縁物の厚さは１００ｎｍ、比誘電率は４．１とした。チャネル長およびチャネル幅はともに１０μｍ、ドレイン電圧Ｖ_ｄは０．１Ｖである。

図１６で示されるように、ゲート電圧１Ｖ強で移動度１００ｃｍ^２／Ｖｓ以上のピークをつけるが、ゲート電圧がさらに高くなると、界面散乱が大きくなり、移動度が低下する。なお、界面散乱を低減するためには、半導体層表面を原子レベルで平坦にすること（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｆｌａｔｎｅｓｓ）が望ましい。

このような移動度を有する酸化物半導体を用いて微細なトランジスタを作製した場合の特性を計算した結果を図１７乃至図１９に示す。なお、計算に用いたトランジスタの断面構造を図２０に示す。図２０に示すトランジスタは酸化物半導体層にｎ^＋の導電型を呈する第２の領域１１０３ｂおよび第２の領域１１０３ｃを有する。第２の領域１１０３ｂおよび第２の領域１１０３ｃの抵抗率は２×１０^−３Ωｃｍとする。

図２０（Ａ）に示すトランジスタは、下地絶縁膜１１０１と、下地絶縁膜１１０１に埋め込まれるように形成された酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁物１１０２の上に形成される。トランジスタは第２の領域１１０３ｂ、第２の領域１１０３ｃと、それらに挟まれ、チャネル形成領域となる真性の第１の領域１１０３ａと、ゲート電極１１０５を有する。ゲート電極１１０５の幅を３３ｎｍとする。

ゲート電極１１０５と第１の領域１１０３ａの間には、ゲート絶縁膜１１０４を有し、また、ゲート電極１１０５の両側面にはサイドウォール絶縁膜１１０６ａおよびサイドウォール絶縁膜１１０６ｂ、ゲート電極１１０５の上部には、ゲート電極１１０５と他の配線との短絡を防止するための絶縁物１１０７を有する。サイドウォール絶縁膜の幅は５ｎｍとする。また、第２の領域１１０３ｂおよび第２の領域１１０３ｃに接して、ソース電極１１０８ａおよびドレイン電極１１０８ｂを有する。なお、このトランジスタにおけるチャネル幅を４０ｎｍとする。

図２０（Ｂ）に示すトランジスタは、下地絶縁膜１１０１と、酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁物１１０２の上に形成され、第２の領域１１０３ｂ、第２の領域１１０３ｃと、それらに挟まれた真性の第１の領域１１０３ａと、幅３３ｎｍのゲート電極１１０５とゲート絶縁膜１１０４とサイドウォール絶縁膜１１０６ａおよびサイドウォール絶縁膜１１０６ｂと絶縁物１１０７とソース電極１１０８ａおよびドレイン電極１１０８ｂを有する点で図２０（Ａ）に示すトランジスタと同じである。

図２０（Ａ）に示すトランジスタと図２０（Ｂ）に示すトランジスタの相違点は、サイドウォール絶縁膜１１０６ａおよびサイドウォール絶縁膜１１０６ｂの下の半導体領域の導電型である。図２０（Ａ）に示すトランジスタでは、サイドウォール絶縁膜１１０６ａおよびサイドウォール絶縁膜１１０６ｂの下の半導体領域はｎ^＋の導電型を呈する第２の領域１１０３ｂおよび第２の領域１１０３ｃであるが、図２０（Ｂ）に示すトランジスタでは、真性の第１の領域１１０３ａである。すなわち、第２の領域１１０３ｂ（第２の領域１１０３ｃ）とゲート電極１１０５がＬｏｆｆだけ重ならない領域ができている。この領域をオフセット領域といい、その幅Ｌｏｆｆをオフセット長という。図から明らかなように、オフセット長は、サイドウォール絶縁膜１１０６ａ（サイドウォール絶縁膜１１０６ｂ）の幅と同じである。

その他の計算に使用するパラメータは上述の通りである。計算にはシノプシス社製デバイスシミュレーションソフト、Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用した。図１７は、図２０（Ａ）に示される構造のトランジスタのドレイン電流（Ｉｄ、実線）および移動度（μ、点線）のゲート電圧（Ｖｇ、ゲートとソースの電位差）依存性を示す。ドレイン電流Ｉｄは、ドレイン電圧（ドレインとソースの電位差）を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。

図１７（Ａ）はゲート絶縁膜の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図１７（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図１７（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。ゲート絶縁膜が薄くなるほど、特にオフ状態でのドレイン電流Ｉｄ（オフ電流）が顕著に低下する。一方、移動度μのピーク値やオン状態でのドレイン電流Ｉｄ（オン電流）には目立った変化が無い。ゲート電圧１Ｖ前後で、ドレイン電流はメモリ素子等で必要とされる１０μＡを超えることが示された。

図１８は、図２０（Ｂ）に示される構造のトランジスタで、オフセット長Ｌｏｆｆを５ｎｍとしたもののドレイン電流Ｉｄ（実線）および移動度μ（点線）のゲート電圧Ｖｇ依存性を示す。ドレイン電流Ｉｄは、ドレイン電圧を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。図１８（Ａ）はゲート絶縁膜の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図１８（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図１８（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。

また、図１９は、図２０（Ｂ）に示される構造のトランジスタで、オフセット長Ｌｏｆｆを１５ｎｍとしたもののドレイン電流Ｉｄ（実線）および移動度μ（点線）のゲート電圧依存性を示す。ドレイン電流Ｉｄは、ドレイン電圧を＋１Ｖとし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。図１９（Ａ）はゲート絶縁膜の厚さを１５ｎｍとしたものであり、図１９（Ｂ）は１０ｎｍとしたものであり、図１９（Ｃ）は５ｎｍとしたものである。

いずれもゲート絶縁膜が薄くなるほど、オフ電流が顕著に低下する一方、移動度μのピーク値やオン電流には目立った変化が無い。

なお、移動度μのピークは、図１７では８０ｃｍ^２／Ｖｓ程度であるが、図１８では６０ｃｍ^２／Ｖｓ程度、図１９では４０ｃｍ^２／Ｖｓと、オフセット長Ｌｏｆｆが増加するほど低下する。また、オフ電流も同様な傾向がある。一方、オン電流にはオフセット長Ｌｏｆｆの増加にともなって減少するが、オフ電流の低下に比べるとはるかに緩やかである。また、いずれもゲート電圧１Ｖ前後で、ドレイン電流はメモリ素子等で必要とされる１０μＡを超えることが示された。また、このように移動度の高いトランジスタを、先の実施の形態で示したプログラマブル回路に含まれるユニットセルのメモリ部に用いることにより、当該ユニットセルの切り替えデータの書き込みを高速で行うことができる。

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態５）
本実施の形態では、先の実施の形態で示した酸化物半導体膜を有するトランジスタについて、特にＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を有するトランジスタについて説明する。

Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタは、該酸化物半導体を形成する際に基板を加熱して成膜すること、或いは酸化物半導体膜を形成した後に熱処理を行うことで良好な特性を得ることができる。なお、主成分とは組成比で５ａｔｏｍｉｃ％以上含まれる元素をいう。

Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜の成膜後に基板を意図的に加熱することで、トランジスタの電界効果移動度を向上させることが可能となる。また、トランジスタのしきい値電圧をプラスシフトさせ、ノーマリーオフ化させることが可能となる。以下、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を有するトランジスタを作製して各種測定を行った結果について説明する。

まず、本実施の形態で各種測定に用いたトランジスタの構造について図２６を用いて説明する。図２６（Ａ）は、当該トランジスタの平面図であり、図２６（Ｂ）は図２６（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂに対応する断面図である。

図２６（Ｂ）に示すトランジスタは、基板６００と、基板６００上に設けられた下地絶縁膜６０２と、下地絶縁膜６０２上に設けられた酸化物半導体膜６０６と、酸化物半導体膜６０６と接する一対の電極６１４と、酸化物半導体膜６０６および一対の電極６１４上に設けられたゲート絶縁膜６０８と、ゲート絶縁膜６０８を介して酸化物半導体膜６０６と重畳して設けられたゲート電極６１０と、ゲート絶縁膜６０８およびゲート電極６１０を覆って設けられた層間絶縁膜６１６と、層間絶縁膜６１６に設けられた開口部を介して一対の電極６１４と接続する配線６１８と、層間絶縁膜６１６および配線６１８を覆って設けられた保護膜６２０と、を有する。ここで、一対の電極６１４は、当該トランジスタのソース電極およびドレイン電極として機能する。

基板６００としてはガラス基板を、下地絶縁膜６０２としては酸化シリコン膜を、酸化物半導体膜６０６としてはＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を、一対の電極６１４としてはタングステン膜を、ゲート絶縁膜６０８としては酸化シリコン膜を、ゲート電極６１０としては窒化タンタル膜とタングステン膜との積層構造を、層間絶縁膜６１６としては酸化窒化シリコン膜とポリイミド膜との積層構造を、配線６１８としてはチタン膜、アルミニウム膜、チタン膜がこの順で形成された積層構造を、保護膜６２０としてはポリイミド膜を、それぞれ用いた。

なお、図２６（Ａ）に示す構造のトランジスタにおいて、ゲート電極６１０と一対の電極６１４との重畳する幅をＬｏｖと呼ぶ。同様に、酸化物半導体膜６０６に対する一対の電極６１４のはみ出しをｄＷと呼ぶ。

図２１（Ａ）〜図２１（Ｃ）は、図２６に示すトランジスタにおいて、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍである酸化物半導体膜と、厚さ１００ｎｍのゲート絶縁膜を用いたトランジスタの特性である。なお、Ｖ_ｄは１０Ｖとした。

図２１（Ａ）は基板を意図的に加熱せずにスパッタリング法でＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を形成したときのトランジスタ特性である。このとき電界効果移動度は１８．８ｃｍ^２／Ｖｓｅｃが得られている。一方、基板を意図的に加熱してＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を形成すると電界効果移動度を向上させることが可能となる。図２１（Ｂ）は基板を２００℃に加熱してＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を形成したときのトランジスタ特性を示すが、電界効果移動度は３２．２ｃｍ^２／Ｖｓｅｃが得られている。

電界効果移動度は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を形成した後に熱処理をすることによって、さらに高めることができる。図２１（Ｃ）は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜を２００℃でスパッタリング成膜した後、６５０℃で熱処理をしたときのトランジスタ特性を示す。このとき電界効果移動度は３４．５ｃｍ^２／Ｖｓｅｃが得られている。

基板を意図的に加熱することでスパッタリング成膜中の水分が酸化物半導体膜中に取り込まれるのを低減する効果が期待できる。また、成膜後に熱処理をすることによっても、酸化物半導体膜から水素や水酸基若しくは水分を放出させ除去することができ、上記のように電界効果移動度を向上させることができる。このような電界効果移動度の向上は、脱水化・脱水素化による不純物の除去のみならず、高密度化により原子間距離が短くなるためとも推定される。また、酸化物半導体から不純物を除去して高純度化することで結晶化を図ることができる。このように高純度化された非単結晶酸化物半導体は、理想的には１００ｃｍ^２／Ｖｓｅｃを超える電界効果移動度を実現することも可能になると推定される。

Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体に酸素イオンを注入し、熱処理により該酸化物半導体に含まれる水素や水酸基若しくは水分を放出させ、その熱処理と同時に又はその後の熱処理により酸化物半導体を結晶化させても良い。このような結晶化若しくは再結晶化の処理により結晶性の良い非単結晶酸化物半導体を得ることができる。

基板を意図的に加熱して成膜すること及び／又は成膜後に熱処理することの効果は、電界効果移動度の向上のみならず、トランジスタのノーマリーオフ化を図ることにも寄与している。基板を意図的に加熱しないで形成されたＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体膜をチャネル形成領域としたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスシフトしてしまう傾向がある。しかし、基板を意図的に加熱して形成された酸化物半導体膜を用いた場合、このしきい値電圧のマイナスシフト化は解消される。つまり、しきい値電圧はトランジスタがノーマリーオフとなる方向に動き、このような傾向は図２１（Ａ）と図２１（Ｂ）の対比からも確認することができる。

なお、しきい値電圧はＩｎ、Ｓｎ及びＺｎの比率を変えることによっても制御することが可能であり、組成比としてＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３とすることでトランジスタのノーマリーオフ化を期待することができる。また、ターゲットの組成比をＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３とすることで結晶性の高い酸化物半導体膜を得ることができる。

意図的な基板加熱温度若しくは熱処理温度は、１５０℃以上、好ましくは２００℃以上、より好ましくは４００℃以上であり、より高温で成膜し或いは熱処理することでトランジスタのノーマリーオフ化を図ることが可能となる。

熱処理は酸素雰囲気中で行うことができるが、まず窒素若しくは不活性ガス、又は減圧下で熱処理を行ってから酸素を含む雰囲気中で熱処理を行っても良い。最初に脱水化・脱水素化を行ってから酸素を酸化物半導体に加えることで、熱処理の効果をより高めることができる。また、後から酸素を加えるには、酸素イオンを電界で加速して酸化物半導体膜に注入する方法を適用しても良い。

酸化物半導体中及び積層される膜との界面には、酸素欠損による欠陥が生成されやすいが、かかる熱処理により酸化物半導体中に酸素を過剰に含ませることにより、定常的に生成される酸素欠損を過剰な酸素によって補償することが可能となる。過剰酸素は主に格子間に存在する酸素であり、その酸素濃度は１×１０^１６／ｃｍ^３以上２×１０^２０／ｃｍ^３以下とすれば、結晶に歪み等を与えることなく酸化物半導体中に含ませることができる。

また、熱処理によって酸化物半導体に結晶が少なくとも一部に含まれるようにすることで、より安定な酸化物半導体膜を得ることができる。例えば、組成比Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用いて、基板を意図的に加熱せずにスパッタリング成膜した酸化物半導体膜は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）でハローパタンが観測される。この成膜された酸化物半導体膜を熱処理することによって結晶化させることができる。熱処理温度は任意であるが、例えば６５０℃の熱処理を行うことで、Ｘ線回折により明確な回折ピークを観測することができる。

実際に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜のＸＲＤ分析を行った。ＸＲＤ分析には、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製Ｘ線回折装置Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥを用い、Ｏｕｔ−ｏｆ−Ｐｌａｎｅ法で測定した。

ＸＲＤ分析を行った試料として、試料Ａおよび試料Ｂを用意した。以下に試料Ａおよび試料Ｂの作製方法を説明する。

脱水素化処理済みの石英基板上にＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を１００ｎｍの厚さで成膜した。

Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜は、スパッタリング装置を用い、酸素雰囲気で電力を１００Ｗ（ＤＣ）として成膜した。ターゲットは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いた。なお、成膜時の基板加熱温度は２００℃とした。このようにして作製した試料を試料Ａとした。

次に、試料Ａと同様の方法で作製した試料に対し熱処理を６５０℃の温度で行った。熱処理は、はじめに窒素雰囲気で１時間の熱処理を行い、温度を下げずに酸素雰囲気でさらに１時間の熱処理を行っている。このようにして作製した試料を試料Ｂとした。

図２２に試料Ａおよび試料ＢのＸＲＤスペクトルを示す。試料Ａでは、結晶由来のピークが観測されなかったが、試料Ｂでは、２θが３５ｄｅｇ近傍および３７ｄｅｇ〜３８ｄｅｇに結晶由来のピークが観測された。

このように、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体は成膜時に意図的に加熱すること及び／又は成膜後に熱処理することによりトランジスタの特性を向上させることができる。

この基板加熱や熱処理は、酸化物半導体にとって悪性の不純物である水素や水酸基を膜中に含ませないようにすること、或いは膜中から除去する作用がある。すなわち、酸化物半導体中でドナー不純物となる水素を除去することで高純度化を図ることができ、それによってトランジスタのノーマリーオフ化を図ることができ、酸化物半導体が高純度化されることによりオフ電流を１ａＡ／μｍ以下にすることができる。ここで、上記オフ電流値の単位は、チャネル幅１μｍあたりの電流値を示す。

図２３に、トランジスタのオフ電流と測定時の基板温度（絶対温度）の逆数との関係を示す。ここでは、簡単のため測定時の基板温度の逆数に１０００を掛けた数値（１０００／Ｔ）を横軸としている。

具体的には、図２３に示すように、基板温度が１２５℃の場合には０．１ａＡ／μｍ（１×１０^−１９Ａ／μｍ）以下、８５℃の場合には１０ｚＡ／μｍ（１×１０^−２０Ａ／μｍ）以下であった。電流値の対数が温度の逆数に比例することから、室温（２７℃）の場合には０．１ｚＡ／μｍ（１×１０^−２２Ａ／μｍ）以下であると予想される。従って、オフ電流を１２５℃において１ａＡ／μｍ（１×１０^−１８Ａ／μｍ）以下に、８５℃において１００ｚＡ／μｍ（１×１０^−１９Ａ／μｍ）以下に、室温において１ｚＡ／μｍ（１×１０^−２１Ａ／μｍ）以下にすることができる。

もっとも、酸化物半導体膜の成膜時に水素や水分が膜中に混入しないように、成膜室外部からのリークや成膜室内の内壁からの脱ガスを十分抑え、スパッタガスの高純度化を図ることが好ましい。例えば、スパッタガスは水分が膜中に含まれないように露点−７０℃以下であるガスを用いることが好ましい。また、ターゲットそのものに水素や水分などの不純物が含まれていないように、高純度化されたターゲットを用いることが好ましい。Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体は熱処理によって膜中の水分を除去することができるが、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体と比べて水分の放出温度が高いため、好ましくは最初から水分の含まれない膜を形成しておくことが好ましい。

また、酸化物半導体膜成膜後に６５０℃の熱処理を行った試料のトランジスタにおいて、基板温度と電気的特性の関係について評価した。

測定に用いたトランジスタは、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍ、Ｌｏｖが片側３μｍ（合計６μｍ）、ｄＷが０μｍである。なお、Ｖ_ｄは１０Ｖとした。なお、基板温度は−４０℃、−２５℃、２５℃、７５℃、１２５℃および１５０℃で行った。ここで、トランジスタにおいて、ゲート電極と一対の電極との重畳する幅をＬｏｖと呼び、酸化物半導体膜に対する一対の電極のはみ出しをｄＷと呼ぶ。

図２４に、Ｉ_ｄ（実線）および電界効果移動度（点線）のＶ_ｇ依存性を示す。また、図２５（Ａ）に基板温度としきい値電圧の関係を、図２５（Ｂ）に基板温度と電界効果移動度の関係を示す。

図２５（Ａ）より、基板温度が高いほどしきい値電圧は低くなることがわかる。なお、その範囲は−４０℃〜１５０℃で１．０９Ｖ〜−０．２３Ｖであった。

また、図２５（Ｂ）より、基板温度が高いほど電界効果移動度が低くなることがわかる。なお、その範囲は−４０℃〜１５０℃で３６ｃｍ^２／Ｖｓ〜３２ｃｍ^２／Ｖｓであった。従って、上述の温度範囲において電気的特性の変動が小さいことがわかる。

上記のようなＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジスタによれば、オフ電流を１ａＡ／μｍ以下に保ちつつ、電界効果移動度を３０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上、好ましくは４０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上、より好ましくは６０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上とし、ＬＳＩで要求されるオン電流の値を満たすことができる。例えば、Ｌ／Ｗ＝３３ｎｍ／４０ｎｍのＦＥＴで、ゲート電圧２．７Ｖ、ドレイン電圧１．０Ｖのとき１２μＡ以上のオン電流を流すことができる。

このようにオフ電流の低いトランジスタを、先の実施の形態で示したプログラマブルスイッチのメモリ部に用いることにより、電源電位の供給が遮断されたときでもコンフィギュレーションデータを保持することが可能となる。これにより、電源投入後のコンフィギュレーションデータの書き込みを省略することが可能となるので、論理ブロックの起動時間を短くすることができる。よって、ノーマリーオフの駆動方法を用いて、低消費電力化を図ることができるプログラマブルロジックデバイスを提供することができる。

また、このように移動度の高いトランジスタを、先の実施の形態で示したプログラマブルスイッチのメモリ部に用いることにより、コンフィギュレーションデータの書き込みを高速でおこなうことができるので、動的コンフィギュレーションを容易に行うことができるプログラマブルロジックデバイスを提供することができる。

また、このような特性であれば、Ｓｉ半導体で作られる集積回路の中に酸化物半導体で形成されるトランジスタを混載しても、動作速度を犠牲にすることのないプログラマブルロジックデバイスを提供することができる。

（実施の形態６）
本発明の一態様に係るプログラマブル回路を用いることで、消費電力の低い電子機器を提供することが可能である。特に電力の供給を常時受けることが困難な携帯用の電子機器の場合、本発明の一態様に係る消費電力の低い半導体装置をその構成要素に追加することにより、連続使用時間が長くなるといったメリットが得られる。

本発明の一態様に係るプログラマブル回路を用いた半導体装置は、表示装置、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、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、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、プリンター、プリンター複合機、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。

本発明の一態様に係るプログラマブル回路を用いた半導体装置を、携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯用の電子機器に応用した場合について説明する。

図１０は、携帯用の電子機器のブロック図である。図１０に示す携帯用の電子機器はＲＦ回路４２１、アナログベースバンド回路４２２、デジタルベースバンド回路４２３、バッテリー４２４、電源回路４２５、アプリケーションプロセッサ４２６、フラッシュメモリ４３０、ディスプレイコントローラ４３１、メモリ回路４３２、ディスプレイ４３３、タッチセンサ４３９、音声回路４３７、キーボード４３８などより構成されている。ディスプレイ４３３は表示部４３４、ソースドライバ４３５、ゲートドライバ４３６によって構成されている。アプリケーションプロセッサ４２６はＣＰＵ４２７、ＤＳＰ４２８、インターフェース４２９を有している。例えば、ＲＦ回路４２１、アナログベースバンド回路４２２、メモリ回路４３２、アプリケーションプロセッサ４２６、ディスプレイコントローラ４３１、音声回路４３７のいずれか又は全てに上記実施の形態で示したプログラマブル回路を採用することによって、消費電力を低減することができる。

図１１は電子書籍のブロック図である。電子書籍はバッテリー４５１、電源回路４５２、マイクロプロセッサ４５３、フラッシュメモリ４５４、音声回路４５５、キーボード４５６、メモリ回路４５７、タッチパネル４５８、ディスプレイ４５９、ディスプレイコントローラ４６０によって構成される。マイクロプロセッサ４５３はＣＰＵ４６１、ＤＳＰ４６２、インターフェース４６３を有している。例えば、音声回路４５５、メモリ回路４５７、マイクロプロセッサ４５３、ディスプレイコントローラ４６０のいずれか又は全てに上記実施の形態で示したプログラマブルロジックデバイスを採用することで、消費電力を低減することが可能になる。

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

１１０ トランジスタ
１１２ トランジスタ
２０１ 半導体基板
２０３ 素子分離領域
２０７ ゲート絶縁膜
２０９ ゲート電極
２１５ 絶縁膜
２１７ 絶縁膜
２２１ 絶縁膜
２２５ 絶縁膜
２２７ 酸化物半導体膜
２２９ 酸化物半導体膜
２３１ 絶縁膜
２３３ ゲート電極
２３５ 酸化物半導体膜
２３７ サイドウォール絶縁膜
２３９ ゲート絶縁膜
２４３ 絶縁膜
２４５ 絶縁膜
２４９ 配線
２５０ 配線
３１０ アナログ素子
３１２ 容量素子
３１４ 抵抗素子
３１６ 光電変換素子
３２０ ユニットセル
３２１ ユニットセル
３２２ ユニットセル
３２４ ユニットセル
３２６ ユニットセル
３３０ プログラマブル回路
３３２ プログラマブル回路
３３３ プログラマブル回路
３３４ プログラマブル回路
３３６ プログラマブル回路
３３８ プログラマブル回路
３４０ トランジスタ
３４２ トランジスタ
３５０ トランジスタ
３５２ トランジスタ
３６０ トランジスタ
３７０ インバータ
４００ アンテナ回路
４０２ 抵抗分割回路
４２１ ＲＦ回路
４２２ アナログベースバンド回路
４２３ デジタルベースバンド回路
４２４ バッテリー
４２５ 電源回路
４２６ アプリケーションプロセッサ
４２７ ＣＰＵ
４２８ ＤＳＰ
４２９ インターフェース
４３０ フラッシュメモリ
４３１ ディスプレイコントローラ
４３２ メモリ回路
４３３ ディスプレイ
４３４ 表示部
４３５ ソースドライバ
４３６ ゲートドライバ
４３７ 音声回路
４３８ キーボード
４３９ タッチセンサ
４５１ バッテリー
４５２ 電源回路
４５３ マイクロプロセッサ
４５４ フラッシュメモリ
４５５ 音声回路
４５６ キーボード
４５７ メモリ回路
４５８ タッチパネル
４５９ ディスプレイ
４６０ ディスプレイコントローラ
４６１ ＣＰＵ
４６２ ＤＳＰ
４６３ インターフェース
６００ 基板
６０２ 下地絶縁膜
６０６ 酸化物半導体膜
６０８ ゲート絶縁膜
６１０ ゲート電極
６１４ 電極
６１６ 層間絶縁膜
６１８ 配線
６２０ 保護膜
１１０１ 下地絶縁膜
１１０２ 絶縁物
１１０４ ゲート絶縁膜
１１０５ ゲート電極
１１０７ 絶縁物
２１１ａ 不純物領域
２１１ｂ 不純物領域
２１９ａ コンタクトプラグ
２１９ｂ コンタクトプラグ
２２３ａ 配線
２２３ｂ 配線
２３５ａ 領域
２３５ｂ 領域
２３５ｃ 領域
２４１ａ 電極
２４１ｂ 電極
３２０ａ ユニットセル
３２０ｂ ユニットセル
３２０ｃ ユニットセル
３２０ｄ ユニットセル
３２２ａ ユニットセル
３２２ｂ ユニットセル
３２４ａ ユニットセル
３２４ｂ ユニットセル
３２６ａ ユニットセル
３２６ｂ ユニットセル
１１０３ａ 領域
１１０３ｂ 領域
１１０３ｃ 領域
１１０６ａ サイドウォール絶縁膜
１１０６ｂ サイドウォール絶縁膜
１１０８ａ ソース電極
１１０８ｂ ドレイン電極

Claims (5)

1. プログラマブル回路を有し、
   前記プログラマブル回路は、第１乃至第８のトランジスタと、第１乃至第４のアナログ素子と、を有し、
   前記第１のトランジスタのゲートは、前記第２のトランジスタを介して第１のビット線と電気的に接続され、
   前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第１のアナログ素子を介して入力信号線と電気的に接続され、
   前記第３のトランジスタのゲートは、前記第４のトランジスタを介して前記第１のビット線と電気的に接続され、
   前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第２のアナログ素子を介して前記入力信号線と電気的に接続され、
   前記第５のトランジスタのゲートは、前記第６のトランジスタを介して第２のビット線と電気的に接続され、
   前記第５のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第３のアナログ素子を介して前記第１のトランジスタのソース又はドレインの他方と電気的に接続され、
   前記第５のトランジスタのソース又はドレインの他方は、出力信号線と電気的に接続され、
   前記第７のトランジスタのゲートは、前記第８のトランジスタを介して前記第２のビット線と電気的に接続され、
   前記第７のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第４のアナログ素子を介して前記第３のトランジスタのソース又はドレインの他方と電気的に接続され、
   前記第７のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記出力信号線と電気的に接続され、
   前記第１のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第４のトランジスタのソース又はドレインの他方と電気的に接続され、
   前記第２のトランジスタのゲートは、第１のワード線と電気的に接続され、
   前記第４のトランジスタのゲートは、第２のワード線と電気的に接続され、
   前記第６のトランジスタのゲートは、前記第１のワード線と電気的に接続され、
   前記第８のトランジスタのゲートは、前記第２のワード線と電気的に接続されることを特徴とする発明プログラマブルロジックデバイス。
2. 請求項１において、
   前記第１、第３、第５及び第７のトランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有することを特徴とするプログラマブルロジックデバイス。
3. 請求項１において、
   前記第１、第３、第５及び第７のトランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有し、
   前記第２、第４、第６及び第８のトランジスタは、チャネル形成領域にシリコンを有することを特徴とするプログラマブルロジックデバイス。
4. 請求項１乃至３のいずれか一において、
   前記第１のアナログ素子は、光電変換素子であるプログラマブルロジックデバイス。
5. 請求項１乃至４のいずれか一において、
   前記第１のアナログ素子は、酸化物半導体を含んで構成されるプログラマブルロジックデバイス。