特開 2024-53987 半導体装置及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024053987

(43)【公開日】2024-04-16

(54)【発明の名称】半導体装置及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/336 20060101AFI20240409BHJP

   H01L 29/786 20060101ALI20240409BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20240409BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 619A

H01L29/78 618B

H01L21/265 Y

H01L21/265 W

【審査請求】未請求

【請求項の数】21

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022160543

(22)【出願日】2022-10-04

(71)【出願人】

【識別番号】502356528

【氏名又は名称】株式会社ジャパンディスプレイ

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】渡壁 創

(72)【発明者】

【氏名】津吹 将志

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 俊成

(72)【発明者】

【氏名】花田 明紘

(72)【発明者】

【氏名】田丸 尊也

【テーマコード（参考）】

5F110

【Ｆターム（参考）】

5F110AA14

5F110BB01

5F110BB03

5F110BB05

5F110CC02

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5F110GG43

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5F110HL03

5F110HL04

5F110HL06

5F110HL11

5F110NN03

5F110NN04

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5F110NN23

5F110NN24

5F110NN28

5F110NN35

5F110NN40

5F110NN44

5F110NN46

5F110NN47

5F110NN49

5F110QQ11

(57)【要約】

【課題】チャネル領域への水素の侵入を防止する水素トラップ領域を含む半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体装置は、酸化物絶縁層、酸化物半導体層、ゲート電極、ゲート絶縁層、及び第１絶縁層を含む。前記ゲート電極と重なる第１領域における前記ゲート絶縁層の厚さは２００ｎｍ以上である。前記第１領域において、前記ゲート電極は前記第１絶縁層と接し、前記ゲート電極と重ならず、前記酸化物半導体層と重なる第２領域において、前記酸化物半導体層は前記第１絶縁層と接する。前記第２領域における前記酸化物半導体層に含まれる不純物の量は、前記第１領域における前記酸化物半導体層に含まれる前記不純物の量より多く、前記ゲート電極及び前記酸化物半導体層と重ならない前記第３領域における前記酸化物絶縁層に含まれる前記不純物の量は、前記第２領域における前記酸化物絶縁層に含まれる前記不純物の量より多い。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化物絶縁層と、
前記酸化物絶縁層の上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上のゲート電極と、
前記酸化物半導体層と前記ゲート電極との間のゲート絶縁層と、
前記酸化物半導体層及び前記ゲート電極を覆う第１絶縁層と、を含み、
前記ゲート電極と重なる第１領域と、
前記ゲート電極と重ならず、前記酸化物半導体層と重なる第２領域と、
前記ゲート電極及び前記酸化物半導体層と重ならない第３領域と、に区分され、
前記第１領域における前記ゲート絶縁層の厚さは２００ｎｍ以上であり、
前記第１領域において、前記ゲート電極は前記第１絶縁層と接し、
前記第２領域において、前記酸化物半導体層は前記第１絶縁層と接し、
前記第２領域における前記酸化物半導体層に含まれる不純物の量は、前記第１領域における前記酸化物半導体層に含まれる前記不純物の量より多く、
前記第３領域における前記酸化物絶縁層に含まれる前記不純物の量は、前記第２領域における前記酸化物絶縁層に含まれる前記不純物の量より多い、半導体装置。

【請求項2】

前記第１絶縁層は窒化物絶縁層である、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第３領域において、前記酸化物絶縁層及び前記第１絶縁層の膜厚方向における前記不純物のプロファイルのピークは、前記酸化物絶縁層の中に存在する、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記第２領域において、前記酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記第１絶縁層の膜厚方向における前記不純物のプロファイルのピークは、前記酸化物半導体層の中に存在する、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第２領域において、前記酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記第１絶縁層の膜厚方向における前記不純物のプロファイルのピークは、前記酸化物絶縁層の中、又は、前記酸化物絶縁層と前記酸化物半導体層との界面付近に存在する、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第１絶縁層の上の第２絶縁層をさらに含み、
前記第１絶縁層は、酸化物であり、
前記第２絶縁層は、窒化物である、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記第３領域において、
前記不純物は、前記酸化物絶縁層及び前記第１絶縁層に含まれ、
前記酸化物絶縁層、前記第１絶縁層、及び前記第２絶縁層の膜厚方向における前記不純物のプロファイルのピークは、前記酸化物絶縁層の中に存在する、請求項６に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記第１領域において、
前記不純物は、前記ゲート電極及び前記第１絶縁層に含まれ、
前記ゲート電極及び前記第１絶縁層の膜厚方向における前記不純物のプロファイルのピークは、前記ゲート電極の中に存在する、請求項７に記載の半導体装置。

【請求項9】

前記第２領域において、
前記不純物は、前記酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記第１絶縁層に含まれ、
前記酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、前記第１絶縁層、及び前記第２絶縁層の膜厚方向における前記不純物のプロファイルのピークは、前記酸化物半導体層の中に存在する、請求項８に記載の半導体装置。

【請求項10】

前記第２領域において、
前記不純物は、前記酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記第１絶縁層に含まれ、
前記酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、前記第１絶縁層、及び前記第２絶縁層の膜厚方向における前記不純物のプロファイルのピークは、前記第１絶縁層の中、又は、前記酸化物半導体層と前記第１絶縁層との界面付近に存在する、請求項８に記載の半導体装置。

【請求項11】

前記第３領域において、
前記不純物は、前記酸化物絶縁層及び前記第１絶縁層に含まれ、
前記酸化物絶縁層、前記第１絶縁層、及び前記第２絶縁層の膜厚方向における前記不純物のプロファイルは、第１ピーク及び第２ピークを含み、
前記第１ピークは、前記酸化物絶縁層の中に存在し、
前記第２ピークは、前記第１絶縁層の中に存在する、請求項６に記載の半導体装置。

【請求項12】

前記第１領域において、
前記不純物は、前記ゲート電極及び前記第１絶縁層に含まれ、
前記ゲート電極及び前記第１絶縁層の膜厚方向における前記不純物のプロファイルは、第３ピーク及び第４ピークを含み、
前記第３ピークは、前記ゲート電極の中に存在し、
前記第４ピークは、前記第１絶縁層の中に存在する、請求項１１に記載の半導体装置。

【請求項13】

前記第２領域において、
前記不純物は、前記酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記第１絶縁層に含まれ、
前記酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、前記第１絶縁層、及び前記第２絶縁層の膜厚方向における前記不純物のプロファイルは、第５ピーク及び第６ピークを含み、
前記第５ピークは、前記酸化物半導体層の中に存在し、
前記第６ピークは、前記第１絶縁層の中に存在する、請求項１２に記載の半導体装置。

【請求項14】

前記第３領域において、前記第１絶縁層は前記酸化物絶縁層と接している、請求項１乃至１３のいずれか一に記載の半導体装置。

【請求項15】

前記第１絶縁層の厚さは５０ｎｍ以上である、請求項６、１１、１２及び１３のいずれか一に記載の半導体装置。

【請求項16】

前記第１絶縁層の厚さは１００ｎｍ以上である、請求項６、１１、１２及び１３のいずれか一に記載の半導体装置。

【請求項17】

前記第１絶縁層の厚さは１５０ｎｍ未満である、請求項６乃至１０のいずれか一に記載の半導体装置。

【請求項18】

前記第１絶縁層の厚さは５０ｎｍ以上である、請求項１７に記載の半導体装置。

【請求項19】

前記第１絶縁層の厚さは１００ｎｍ以上である、請求項１７に記載の半導体装置。

【請求項20】

第１酸化物絶縁層を形成し、
前記第１酸化物絶縁層の上に酸化物半導体層を形成し、
前記第１酸化物絶縁層の上に前記酸化物半導体層のパターンを形成することで、前記第１酸化物絶縁層を露出し、
前記酸化物半導体層の上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層の上にゲート電極を形成し、
前記酸化物半導体層の上に前記ゲート絶縁層及び前記ゲート電極のパターンを形成することで、前記酸化物半導体層及び前記第１酸化物絶縁層を露出し、
露出した前記酸化物半導体層及び前記第１酸化物絶縁層に不純物を注入し、
前記第１酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記ゲート電極の各々の上に第２酸化物絶縁層を形成し、
前記第２酸化物絶縁層に不純物を注入し、
前記第２酸化物絶縁層の上に窒化物絶縁層を形成する、半導体装置の製造方法。

【請求項21】

第１酸化物絶縁層を形成し、
前記第１酸化物絶縁層の上に酸化物半導体層を形成し、
前記第１酸化物絶縁層の上に前記酸化物半導体層のパターンを形成することで、前記第１酸化物絶縁層を露出し、
前記酸化物半導体層の上にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層の上にゲート電極を形成し、
前記酸化物半導体層の上に前記ゲート絶縁層及び前記ゲート電極のパターンを形成することで、前記酸化物半導体層及び前記第１酸化物絶縁層を露出し、
前記第１酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記ゲート電極の各々の上に、膜中の水素含有量が１×１０^２１ｃｍ^－３以下である第２酸化物絶縁層を形成し、
前記酸化物半導体層、前記第１酸化物絶縁層、及び前記第２酸化物絶縁層に不純物を注入し、
前記第２酸化物絶縁層の上に窒化物絶縁層を形成する、半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一実施形態は、酸化物半導体をチャネルとして用いる半導体装置及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、アモルファスシリコン、低温ポリシリコン、及び単結晶シリコンなどのシリコン半導体に替わり、酸化物半導体をチャネルとして用いる半導体装置の開発が進められている（例えば、特許文献１～特許文献６参照）。このような酸化物半導体を含む半導体装置は、アモルファスシリコンを含む薄膜トランジスタと同様に、単純な構造かつ低温プロセスで形成することができる。また、酸化物半導体を含む半導体装置は、アモルファスシリコンを含む半導体装置より高い電界効果移動度を有することが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１４１３３８号公報

【特許文献2】特開２０１４－０９９６０１号公報

【特許文献3】特開２０２１－１５３１９６号公報

【特許文献4】特開２０１８－００６７３０号公報

【特許文献5】特開２０１６－１８４７７１号公報

【特許文献6】特開２０２１－１０８４０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

酸化物半導体では、酸素欠陥に水素が結合されるとキャリアが生成される。このメカニズムを利用し、半導体装置において、酸化物半導体層に酸素欠陥を形成し、形成された酸素欠陥に水素を供給することによって、低抵抗な領域であるソース領域及びドレイン領域を形成することができる。一方で、酸化物半導体層のチャネル領域に水素が拡散すると、半導体装置のチャネルとして機能が低下する。具体的には、水素がチャネル領域に拡散することによって、半導体装置の電気特性における閾値電圧が変化するため、閾値電圧のばらつきが増大し、半導体装置の製造歩留まりが低下する。そのため、酸化物半導体層と接する絶縁層として、水素をトラップすることができる過剰酸素を含む酸化物層を用いることで、チャネル領域への水素の侵入が抑制される。

【0005】

しかしながら、過剰酸素を含む酸化物層は、電子トラップとして機能するため、このような酸化物層を含む半導体装置において、信頼性が著しく低下する。したがって、信頼性が低下することを抑制し、酸化物半導体層のソース領域及びドレイン領域に水素を供給し、酸化物半導体層のチャネル領域に水素が侵入することを抑制することができる半導体装置が望まれている。

【0006】

本発明の一実施形態は、上記問題に鑑み、チャネル領域への水素の侵入を防止する水素トラップ領域を含む半導体装置を提供することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一実施形態に係る半導体装置は、酸化物絶縁層と、前記酸化物絶縁層の上の酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層の上のゲート電極と、前記酸化物半導体層と前記ゲート電極との間のゲート絶縁層と、前記酸化物半導体層及び前記ゲート電極を覆う第１絶縁層と、を含む。前記酸化物絶縁層及び前記酸化物半導体層は、前記ゲート電極と重なる第１領域と、前記ゲート電極と重ならず、前記酸化物半導体層と重なる第２領域と、前記ゲート電極及び前記酸化物半導体層と重ならない第３領域と、に区分される。前記第１領域における前記ゲート絶縁層の厚さは２００ｎｍ以上である。前記第１領域において、前記ゲート電極は前記第１絶縁層と接し、前記第２領域において、前記酸化物半導体層は前記第１絶縁層と接する。前記第２領域における前記酸化物半導体層に含まれる不純物の量は、前記第１領域における前記酸化物半導体層に含まれる前記不純物の量より多く、前記第３領域における前記酸化物絶縁層に含まれる前記不純物の量は、前記第２領域における前記酸化物絶縁層に含まれる前記不純物の量より多い。

【0008】

本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第１酸化物絶縁層を形成し、前記第１酸化物絶縁層の上に酸化物半導体層を形成し、前記第１酸化物絶縁層の上に前記酸化物半導体層のパターンを形成することで、前記第１酸化物絶縁層を露出し、前記酸化物半導体層の上にゲート絶縁層を形成し、前記ゲート絶縁層の上にゲート電極を形成し、前記酸化物半導体層の上に前記ゲート絶縁層及び前記ゲート電極のパターンを形成することで、前記酸化物半導体層及び前記第１酸化物絶縁層を露出し、露出した前記酸化物半導体層及び前記第１酸化物絶縁層に不純物を注入し、前記第１酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記ゲート電極の各々の上に第２酸化物絶縁層を形成し、前記第２酸化物絶縁層に不純物を注入し、前記第２酸化物絶縁層の上に窒化物絶縁層を形成する。

【0009】

本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第１酸化物絶縁層を形成し、前記第１酸化物絶縁層の上に酸化物半導体層を形成し、前記第１酸化物絶縁層の上に前記酸化物半導体層のパターンを形成することで、前記第１酸化物絶縁層を露出し、前記酸化物半導体層の上にゲート絶縁層を形成し、前記ゲート絶縁層の上にゲート電極を形成し、前記酸化物半導体層の上に前記ゲート絶縁層及び前記ゲート電極のパターンを形成することで、前記酸化物半導体層及び前記第１酸化物絶縁層を露出し、前記第１酸化物絶縁層、前記酸化物半導体層、及び前記ゲート電極の各々の上に、膜中の水素含有量が１×１０^２０ｃｍ^－３以下である第２酸化物絶縁層を形成し、前記酸化物半導体層、前記第１酸化物絶縁層、及び前記第２酸化物絶縁層に不純物を注入し、前記第２酸化物絶縁層の上に窒化物絶縁層を形成する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す断面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す平面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式的な部分拡大断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る半導体装置において、第１領域～第３領域における不純物濃度のプロファイルを示すグラフである。

【図5】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すシーケンス図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図8】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図9】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図10】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図11】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図12】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図13】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図14】本発明の一実施形態に係る半導体装置において、第２領域及び第３領域における水素のトラップ機能を説明する模式的な断面図である。

【図15】本発明の一実施形態に係る半導体装置において、第２領域及び第３領域における水素のトラップ機能を説明する模式的な断面図である。

【図16】本発明の一実施形態に係る半導体装置において、水素トラップによる効果を説明する模式的な断面図及び半導体装置の電気特性を示す図である。

【図17】本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す断面図である。

【図18】本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式的な部分拡大断面図である。

【図19】本発明の一実施形態に係る半導体装置において、第１領域～第３領域における不純物濃度のプロファイルを示すグラフである。

【図20】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すシーケンス図である。

【図21】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図22】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図23】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図24】本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式的な部分拡大断面図である。

【図25】本発明の一実施形態に係る半導体装置において、第１領域～第３領域における不純物濃度のプロファイルを示すグラフである。

【図26】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すシーケンス図である。

【図27】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【図28】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、本発明の各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。以下の開示はあくまで一例にすぎない。当業者が、発明の主旨を保ちつつ、実施形態の構成を適宜変更することによって容易に想到し得る構成は、当然に本発明の範囲に含有される。図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合がある。しかし、図示された形状はあくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

【0012】

本発明の各実施の形態において、基板から酸化物半導体層に向かう方向を上又は上方という。逆に、酸化物半導体層から基板に向かう方向を下又は下方という。このように、説明の便宜上、上方又は下方という語句を用いて説明するが、例えば、基板と酸化物半導体層との上下関係が図示と逆になるように配置されてもよい。以下の説明で、例えば基板上の酸化物半導体層という表現は、上記のように基板と酸化物半導体層との上下関係を説明しているに過ぎず、基板と酸化物半導体層との間に他の部材が配置されていてもよい。上方又は下方は、複数の層が積層された構造における積層順を意味するものであり、トランジスタの上方の画素電極と表現する場合、平面視において、トランジスタと画素電極とが重ならない位置関係であってもよい。一方、トランジスタの鉛直上方の画素電極と表現する場合は、平面視において、トランジスタと画素電極とが重なる位置関係を意味する。

【0013】

本明細書において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合により、互いに入れ替えることができる。

【0014】

「表示装置」とは、電気光学層を用いて映像を表示する構造体を指す。例えば、表示装置という用語は、電気光学層を含む表示パネルを指す場合もあり、又は表示セルに対して他の光学部材（例えば、偏光部材、バックライト、タッチパネル等）を装着した構造体を指す場合もある。「電気光学層」には、技術的な矛盾が生じない限り、液晶層、エレクトロルミネセンス（ＥＬ）層、エレクトロクロミック（ＥＣ）層、電気泳動層が含まれ得る。したがって、後述する実施形態について、表示装置として、液晶層を含む液晶表示装置、及び有機ＥＬ層を含む有機ＥＬ表示装置を例示して説明するが、本実施形態における構造は、上述した他の電気光学層を含む表示装置へ適用することができる。

【0015】

本明細書において「αはＡ、Ｂ又はＣを含む」、「αはＡ、Ｂ及びＣのいずれかを含む」、「αはＡ、Ｂ及びＣからなる群から選択される一つを含む」、といった表現は、特に明示が無い限り、αがＡ～Ｃの複数の組み合わせを含む場合を排除しない。さらに、これらの表現は、αが他の要素を含む場合も排除しない。

【0016】

なお、以下の各実施形態は、技術的な矛盾を生じない限り、互いに組み合わせることができる。

【0017】

［１．第１実施形態］
図１～図１６を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置について説明する。以下に示す実施形態の半導体装置は、表示装置に用いられるトランジスタの他に、例えば、マイクロプロセッサ（Ｍｉｃｒｏ－Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＭＰＵ）などの集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＩＣ）、又はメモリ回路に用いられてもよい。

【0018】

［１－１．半導体装置１０の構成］
図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す平面図である。

【0019】

図１に示すように、半導体装置１０は基板１００の上方に設けられている。半導体装置１０は、遮光層１０５、窒化物絶縁層１１０、酸化物絶縁層１２０、酸化物半導体層１４０、ゲート絶縁層１５０、ゲート電極１６０、絶縁層１７０、１８０、ソース電極２０１、及びドレイン電極２０３を含む。ソース電極２０１及びドレイン電極２０３を特に区別しない場合、これらを併せてソース・ドレイン電極２００という場合がある。

【0020】

遮光層１０５は基板１００の上に設けられている。窒化物絶縁層１１０及び酸化物絶縁層１２０は基板１００及び遮光層１０５の上に設けられている。窒化物絶縁層１１０は、遮光層１０５の上面及び端部を覆う。酸化物半導体層１４０は酸化物絶縁層１２０の上に設けられている。酸化物半導体層１４０はパターニングされている。酸化物絶縁層１２０の一部は、酸化物半導体層１４０の端部を越えて酸化物半導体層１４０のパターンより外側に延びている。

【0021】

本実施形態では、酸化物絶縁層１２０と酸化物半導体層１４０とが接した構成が例示されているが、この構成に限定されない。例えば、酸化物絶縁層１２０と酸化物半導体層１４０との間に金属酸化物層が設けられてもよい。例えば、当該金属酸化物層として、アルミニウムを主成分とする金属酸化物が用いられてもよい。具体的には、当該金属酸化物層として、酸化アルミニウムが用いられてもよい。

【0022】

ゲート電極１６０は、酸化物半導体層１４０の上方において、酸化物半導体層１４０に対向している。ゲート絶縁層１５０は、酸化物半導体層１４０とゲート電極１６０との間に設けられている。ゲート絶縁層１５０は酸化物半導体層１４０に接している。酸化物半導体層１４０の主面のうち、ゲート絶縁層１５０に接する面を上面１４１という。酸化物半導体層１４０の主面のうち、酸化物絶縁層１２０に接する面を下面１４２という。上面１４１と下面１４２との間の面を側面１４３という。

【0023】

ゲート絶縁層１５０のパターン端部は、ゲート電極１６０のパターン端部とほぼ一致している。つまり、平面視で、ゲート絶縁層１５０のパターンはゲート電極１６０のパターンと略一致する。

【0024】

絶縁層１７０はゲート絶縁層１５０及びゲート電極１６０の上に設けられている。絶縁層１７０は、ゲート電極１６０を覆う。絶縁層１７０を「第１絶縁層」という場合がある。絶縁層１８０は絶縁層１７０の上に設けられている。絶縁層１７０、１８０には、酸化物半導体層１４０に達する開口１７１、１７３が設けられている。ソース電極２０１は開口１７１の内部に設けられている。ソース電極２０１は開口１７１の底部で酸化物半導体層１４０に接している。ドレイン電極２０３は開口１７３の内部に設けられている。ドレイン電極２０３は開口１７３の底部で酸化物半導体層１４０に接している。

【0025】

遮光層１０５は、酸化物半導体層１４０に対して基板１００側から入射する光を遮蔽する機能を備える。窒化物絶縁層１１０は、基板１００から酸化物半導体層１４０に向かって拡散する不純物を遮蔽するバリア膜としての機能を備える。遮光層１０５が、半導体装置１０のボトムゲートとしての機能を備えてもよい。この場合、窒化物絶縁層１１０及び酸化物絶縁層１２０は、ボトムゲートに対するゲート絶縁層としての機能を備える。

【0026】

半導体装置１０の動作は、主にゲート電極１６０に供給される電圧によって制御される。遮光層１０５が、ボトムゲートとしての機能を備える場合、遮光層１０５には補助的な電圧が供給される。ただし、遮光層１０５にゲート電極１６０と同様の電圧が供給されてもよい。一方、遮光層１０５が単に遮光膜として用いられる場合、遮光層１０５に特定の電圧が供給されず、遮光層１０５の電位がフローティングであってもよい。又は、遮光層１０５は絶縁体であってもよい。

【0027】

半導体装置１０は、ゲート電極１６０及び酸化物半導体層１４０の各々のパターンを基準として、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、及び第３領域Ａ３に区分される。第１領域Ａ１は、平面視でゲート電極１６０と重なる領域である。第２領域Ａ２は、平面視でゲート電極１６０とは重ならず、酸化物半導体層１４０と重なる領域である。第３領域Ａ３は、平面視でゲート電極１６０及び酸化物半導体層１４０の両方と重ならない領域である。

【0028】

上記の構成を換言すると、第１領域Ａ１において、酸化物半導体層１４０はゲート絶縁層１５０によって覆われている。一方、第２領域Ａ２において、酸化物半導体層１４０の上にゲート絶縁層１５０は設けられていないため、酸化物半導体層１４０はゲート絶縁層１５０から露出されている。したがって、第２領域Ａ２において、酸化物半導体層１４０は絶縁層１７０と接している。同様に、第３領域Ａ３において、酸化物絶縁層１２０は絶縁層１７０と接している。第１領域Ａ１において、ゲート電極１６０は絶縁層１７０と接している。

【0029】

第１領域Ａ１におけるゲート絶縁層１５０の厚さは、２００ｎｍ以上である。第１領域Ａ１におけるゲート絶縁層１５０の厚さは、２５０ｎｍ以上、又は３００ｎｍ以上であってもよい。

【0030】

酸化物半導体層１４０は、ゲート電極１６０のパターンを基準として、ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、及びチャネル領域ＣＨに区分される。ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄは、第２領域Ａ２に対応する領域である。チャネル領域ＣＨは、第１領域Ａ１に対応する領域である。平面視で、チャネル領域ＣＨにおける端部は、ゲート電極１６０の端部と一致している。チャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０は、半導体の性質を有する。ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄにおける各々の酸化物半導体層１４０は、導体の性質を有する。つまり、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄにおける酸化物半導体層１４０のキャリア濃度は、チャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０のキャリア濃度より高い。ソース電極２０１及びドレイン電極２０３は、それぞれ、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄにおける酸化物半導体層１４０と接しており、酸化物半導体層１４０と電気的に接続されている。酸化物半導体層１４０は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。

【0031】

本実施形態では、半導体装置１０として、ゲート電極１６０が酸化物半導体層１４０の上方に設けられたトップゲート型トランジスタが用いられた構成を例示するが、この構成に限定されない。例えば、上記のように、半導体装置１０は、ゲート電極１６０に加えて遮光層１０５がゲートとして機能する、デュアルゲート型トランジスタであってもよい。又は、半導体装置１０は、主に遮光層１０５がゲートとして機能する、ボトムゲート型トランジスタであってもよい。上記の構成はあくまで一実施形態に過ぎず、本発明は上記の構成に限定されない。

【0032】

図２に示すＤ１方向において、遮光層１０５の幅はゲート電極１６０の幅より大きい。Ｄ１方向は、ソース電極２０１とドレイン電極２０３とを結ぶ方向であり、半導体装置１０のチャネル長Ｌを示す方向である。具体的には、酸化物半導体層１４０とゲート電極１６０とが重なる領域（チャネル領域ＣＨ）におけるＤ１方向の長さがチャネル長Ｌであり、当該チャネル領域ＣＨにおけるＤ２方向の幅がチャネル幅Ｗである。遮光層１０５及びゲート電極１６０はＤ２方向に延在している。

【0033】

図２では、平面視において、ソース・ドレイン電極２００が遮光層１０５及びゲート電極１６０と重ならない構成が例示されているが、この構成に限定されない。例えば、平面視において、ソース・ドレイン電極２００が遮光層１０５及びゲート電極１６０の少なくともいずれか一方と重なっていてもよい。上記の構成はあくまで一実施形態に過ぎず、本発明は上記の構成に限定されない。

【0034】

［１－２．半導体装置１０の各部材の材質］
基板１００として、ガラス基板、石英基板、及びサファイア基板など、透光性を有する剛性基板が用いられる。基板１００が可撓性を備える必要がある場合、基板１００として、ポリイミド基板、アクリル基板、シロキサン基板、フッ素樹脂基板など、樹脂を含む基板が用いられる。基板１００として樹脂を含む基板が用いられる場合、基板１００の耐熱性を向上させるために、上記の樹脂に不純物が導入されてもよい。特に、半導体装置１０がトップエミッション型のディスプレイである場合、基板１００が透明である必要はないため、基板１００の透明度を悪化させる不純物が用いられてもよい。表示装置ではない集積回路に半導体装置１０が用いられる場合は、基板１００としてシリコン基板、炭化シリコン基板、化合物半導体基板などの半導体基板、又は、ステンレス基板などの導電性基板など、透光性を備えない基板が用いられる。

【0035】

遮光層１０５、ゲート電極１６０、及びソース・ドレイン電極２００として、一般的な金属材料が用いられる。例えば、これらの部材として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ビスマス（Ｂｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、及びこれらの合金又は化合物が用いられる。遮光層１０５、ゲート電極１６０、及びソース・ドレイン電極２００として、上記の材料が単層で用いられてもよく積層で用いられてもよい。遮光層１０５として、導電性が不要である場合には、上記の金属材料以外の材料が用いられてもよい。例えば、遮光層１０５として、例えば黒色樹脂などのブラックマトリクスが用いられてもよい。遮光層１０５は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。例えば、遮光層１０５は、赤色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ、及び青色カラーフィルタの積層構造であってもよい。

【0036】

窒化物絶縁層１１０、酸化物絶縁層１２０、及び絶縁層１７０、１８０として、一般的な絶縁性材料が用いられる。例えば、酸化物絶縁層１２０及び絶縁層１８０として、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）、酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘＮ_ｙ）などの無機絶縁層が用いられる。窒化物絶縁層１１０及び絶縁層１７０として、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、窒化酸化シリコン（ＳｉＮ_ｘＯ_ｙ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ_ｘ）、窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮ_ｘＯ_ｙ）などの無機絶縁層が用いられる。ただし、絶縁層１７０として、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）、酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘＮ_ｙ）などの無機絶縁層が用いられてもよい。絶縁層１８０として、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、窒化酸化シリコン（ＳｉＮ_ｘＯ_ｙ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ_ｘ）、窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮ_ｘＯ_ｙ）などの無機絶縁層が用いられてもよい。

【0037】

ゲート絶縁層１５０として、上記の絶縁層のうち酸素を含む絶縁層が用いられる。例えば、ゲート絶縁層１５０として、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）、酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘＮ_ｙ）などの無機絶縁層が用いられる。

【0038】

酸化物絶縁層１２０として、熱処理によって酸素を放出する機能を備える絶縁層が用いられる。つまり、酸化物絶縁層１２０として、酸素を過剰に含む酸化物絶縁層が用いられる。酸化物絶縁層１２０が酸素を放出する熱処理の温度は、例えば、６００℃以下、５００℃以下、４５０℃以下、又は４００℃以下である。つまり、酸化物絶縁層１２０は、例えば、基板１００としてガラス基板が用いられた場合における半導体装置１０の製造工程で行われる熱処理温度で酸素を放出する。絶縁層１７０、１８０の少なくともいずれか一方に、酸化物絶縁層１２０と同様に、熱処理によって酸素を放出する機能を備える絶縁層が用いられてもよい。

【0039】

ゲート絶縁層１５０として、欠陥が少ない絶縁層が用いられる。例えば、ゲート絶縁層１５０における酸素の組成比と、ゲート絶縁層１５０と同様の組成の絶縁層（以下、「他の絶縁層」という）における酸素の組成比と、を比較した場合、ゲート絶縁層１５０における酸素の組成比の方が当該他の絶縁層における酸素の組成比より当該絶縁層に対する化学量論比に近い。具体的には、ゲート絶縁層１５０及び絶縁層１８０の各々に酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）が用いられる場合、ゲート絶縁層１５０として用いられる酸化シリコンにおける酸素の組成比は、絶縁層１８０として用いられる酸化シリコンにおける酸素の組成比に比べて、酸化シリコンの化学量論比に近い。例えば、ゲート絶縁層１５０として、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ）で評価したときに欠陥が観測されない層が用いられてもよい。

【0040】

上記のＳｉＯ_ｘＮ_ｙ及びＡｌＯ_ｘＮ_ｙは、酸素（Ｏ）より少ない比率（ｘ＞ｙ）の窒素（Ｎ）を含有するシリコン化合物及びアルミニウム化合物である。ＳｉＮ_ｘＯ_ｙ及びＡｌＮ_ｘＯ_ｙは、窒素より少ない比率（ｘ＞ｙ）の酸素を含有するシリコン化合物及びアルミニウム化合物である。

【0041】

酸化物半導体層１４０として、半導体の特性を有する金属酸化物を用いることができる。例えば、酸化物半導体層１４０として、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び酸素（Ｏ）を含む酸化物半導体を用いることができる。例えば、酸化物半導体層１４０として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４の組成比を有する酸化物半導体を用いることができる。ただし、本実施形態で使用されるＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯを含む酸化物半導体は上記の組成に限定されず、上記とは異なる組成の酸化物半導体が用いられてもよい。例えば、移動度を向上させるためにＩｎの比率が上記より大きい酸化物半導体層が用いられてもよい。一方、バンドギャップを大きくし、光照射による影響を小さくするためにＧａの比率が上記より大きい酸化物半導体層が用いられてもよい。

【0042】

例えば、Ｉｎの比率が上記より大きい酸化物半導体層１４０として、インジウム（Ｉｎ）を含む２以上の金属を含む酸化物半導体が用いられてもよい。この場合、酸化物半導体層１４０において、全金属元素に対するインジウム元素の比率が原子比率で５０％以上であってもよい。酸化物半導体層１４０として、インジウムに加えて、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニア（Ｚｒ）、ランタノイドが用いられてもよい。酸化物半導体層１４０として、上記以外の元素が用いられてもよい。

【0043】

酸化物半導体層１４０として、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯを含む酸化物半導体に他の元素が添加されていてもよく、例えばＡｌ、Ｓｎなどの金属元素が添加されていてもよい。上記の酸化物半導体以外にもＩｎ、Ｇａを含む酸化物半導体（ＩＧＯ）、Ｉｎ、Ｚｎを含む酸化物半導体（ＩＺＯ）、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを含む酸化物半導体（ＩＴＺＯ）、及びＩｎ、Ｗを含む酸化物半導体などが酸化物半導体層１４０として用いられてもよい。

【0044】

インジウム元素の比率が大きい場合、酸化物半導体層１４０が結晶化しやすい。上記のように、酸化物半導体層１４０において、全金属元素に対するインジウム元素の比率が５０％以上である材料を用いることで、多結晶構造を有する酸化物半導体層１４０を得ることができる。インジウム以外の金属元素として、ガリウムを含むことが好ましい。ガリウムは、インジウムと同じ第１３族元素に属する。そのため、酸化物半導体層１４０の結晶性がガリウムによって阻害されることなく、酸化物半導体層１４０は多結晶構造を有する。

【0045】

酸化物半導体層１４０の詳細な製造方法は後述するが、酸化物半導体層１４０は、スパッタリング法を用いて形成することができる。スパッタリング法によって形成される酸化物半導体層１４０の組成は、スパッタリングターゲットの組成に依存する。酸化物半導体層１４０が多結晶構造を有する場合であっても、スパッタリングターゲットの組成と酸化物半導体層１４０の組成とは略一致する。この場合、酸化物半導体層１４０の金属元素の組成は、スパッタリングターゲットの金属元素の組成に基づき特定することができる。

【0046】

酸化物半導体層１４０が多結晶構造を有する場合、Ｘ線回折（Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）法を用いて、酸化物半導体層の組成を特定してもよい。具体的には、ＸＲＤ法によって取得された酸化物半導体層の結晶構造及び格子定数に基づき、酸化物半導体層の金属元素の組成を特定することができる。さらに、酸化物半導体層１４０の金属元素の組成は、蛍光Ｘ線分析又は電子プローブマイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＥＰＭＡ）分析などを用いて特定することもできる。ただし、酸化物半導体層１４０に含まれる酸素元素は、スパッタリングのプロセス条件などにより変化するため、この限りではない。

【0047】

上述のように、酸化物半導体層１４０は、アモルファス構造を有していてもよく、多結晶構造を有していてもよい。多結晶構造を有する酸化物半導体は、Ｐｏｌｙ－ＯＳ（Ｐｏｌｙ－ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技術を用いて作製することができる。以下では、アモルファス構造を有する酸化物半導体と区別するとき、多結晶構造を有する酸化物半導体をＰｏｌｙ－ＯＳとして説明する場合がある。

【0048】

上記のように、酸化物絶縁層１２０と酸化物半導体層１４０との間に金属酸化物層が設けられる場合、当該金属酸化物層として、アルミニウムを主成分とする金属酸化物が用いられる。例えば、金属酸化物層として、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）、酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘＮ_ｙ）、窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮ_ｘＯ_ｙ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ_ｘ）などの無機絶縁層が用いられる。「アルミニウムを主成分とする金属酸化物層」とは、金属酸化物層に含まれるアルミニウムの比率が、金属酸化物層全体の１％以上であることを意味する。金属酸化物層に含まれるアルミニウムの比率は、金属酸化物層全体の５％以上７０％以下、１０％以上６０％以下、又は３０％以上５０％以下であってもよい。上記の比率は、質量比であってもよく、重量比であってもよい。

【0049】

［１－３．水素トラップ領域の構成］
水素トラップ領域は、酸化物絶縁層１２０に形成される。そこで、図３及び図４を参照して、酸化物絶縁層１２０に形成される水素トラップ領域の構成について説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式的な部分拡大断面図である。具体的には、図３は、図１における領域Ｐを拡大した断面図である。図３に示す領域Ｐは、ドレイン領域Ｄ近傍の領域であるが、ソース領域Ｓ近傍も領域Ｐと同様の構成を有する。

【0050】

酸化物絶縁層１２０は、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、及び第３領域Ａ３に区分される。各領域における酸化物絶縁層１２０は、それぞれ酸化物絶縁層１２０－１、１２０－２、１２０－３と表記される。酸化物絶縁層１２０－１、１２０－２は酸化物半導体層１４０と接する。酸化物絶縁層１２０－３は絶縁層１７０と接する。

【0051】

詳細は後述するが、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄにおける酸化物半導体層１４０は、ゲート電極１６０をマスクとした不純物のイオン注入によって形成される。不純物として、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルゴン（Ａｒ）、又は窒素（Ｎ）などが用いられる。イオン注入によって、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄにおける酸化物半導体層１４０には酸素欠陥が生成される。生成された酸素欠陥に水素がトラップされることによって、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄにおける酸化物半導体層１４０は低抵抗化する。窒化シリコン層は酸化シリコン層に比べて水素を多く含ため、例えば、絶縁層１７０として窒化シリコンが用いられることで、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄにおける酸化物半導体層１４０を低抵抗化することができる。

【0052】

詳細は後述するが、ゲート絶縁層１５０がエッチングによって除去され、第２領域Ａ２における酸化物半導体層１４０及び第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０が露出された状態でイオン注入が行われる。第２領域Ａ２において、イオン注入された不純物は、酸化物半導体層１４０を介して酸化物絶縁層１２０に到達する。同様に、第３領域Ａ３において、イオン注入された不純物は、露出された酸化物絶縁層１２０に導入される。したがって、第２領域Ａ２及び第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０にダングリングボンド欠陥ＤＢが生成される。

【0053】

第１領域Ａ１ではゲート電極１６０をマスクとして不純物のイオン注入が行われる。したがって、第１領域Ａ１において、ゲート絶縁層１５０及び酸化物絶縁層１２０－１には不純物が注入されず、これらの絶縁層にはダングリングボンド欠陥ＤＢは生成されない。一方、上述のように、酸化物絶縁層１２０－２、１２０－３には、ダングリングボンド欠陥ＤＢが生成される。例えば、酸化物絶縁層１２０として酸化シリコンが用いられるとき、酸化物絶縁層１２０－２、１２０－３には、シリコンのダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。

【0054】

酸化物絶縁層１２０に形成されたダングリングボンド欠陥ＤＢは、水素をトラップする。つまり、半導体装置１０において、酸化物絶縁層１２０－２、１２０－３が、水素トラップ領域として機能する。したがって、例えば絶縁層１７０の成膜時に絶縁層１７０から拡散した水素が酸化物絶縁層１２０－２、１２０－３中のダングリングボンド欠陥ＤＢにトラップされるため、水素がチャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０に侵入することを抑制することができる。そのため、絶縁層１７０を成膜した後の状態において、酸化物絶縁層１２０－２、１２０－３の水素濃度は、酸化物絶縁層１２０－１の水素濃度より高い。

【0055】

上記のダングリングボンド欠陥ＤＢはイオン注入によって形成されるため、酸化物絶縁層１２０－２、１２０－３は、イオン注入によって導入された不純物を含む。酸化物絶縁層１２０－２、１２０－３に形成されるダングリングボンド欠陥ＤＢの量の分布は、これらに含まれる不純物の濃度プロファイルに対応する。つまり、イオン注入によって得られる不純物のプロファイルを調整することで、ダングリングボンド欠陥ＤＢの位置及び量を調整することができる。

【0056】

詳細は後述するが、水素がチャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０に侵入することに起因して、半導体装置１０の電気特性に異常が発生することを抑制するためには、酸化物絶縁層１２０にダングリングボンド欠陥ＤＢを形成することが効果的である。したがって、酸化物絶縁層１２０に到達するように不純物を注入する必要がある。

【0057】

例えば、ゲート絶縁層として高電圧に対する耐性が要求される半導体装置の場合、ゲート絶縁層１５０の厚さが２００ｎｍ以上であることが要求される。一方、イオン注入によって不純物を酸化物絶縁層１２０に到達させる場合、イオン注入装置の加速電圧による制限があるため、イオン注入によって不純物が通過する絶縁層の厚さが１５０ｎｍ未満であることが要求される。詳細は後述するが、これらの要求を満たすために、本実施形態では、第２領域Ａ２における酸化物半導体層１４０の上、及び第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０の上のゲート絶縁層１５０が除去された状態で、不純物のイオン注入が行われる。

【0058】

図４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置において、第１領域Ａ１～第３領域Ａ３における不純物濃度のプロファイルを示すグラフである。図４に示す３つの濃度プロファイルの各々の縦軸は単位体積当たりの不純物の濃度（Concentration [/cm3]）を示し、横軸は深さ方向における層の名称を示す。横軸における「ＵＣ」は酸化物絶縁層１２０及び窒化物絶縁層１１０に対応する。「ＯＳ」は酸化物半導体層１４０に対応する。「ＧＩ」はゲート絶縁層１５０に対応する。「ＧＬ」はゲート電極１６０に対応する。「ＰＡＳ」は絶縁層１７０に対応する。

【0059】

図４に示すように、第１領域Ａ１では、不純物の濃度プロファイルはゲート電極１６０（ＧＬ）中にピークを有している。したがって、第１領域Ａ１における深さ方向において、ゲート電極１６０の所定の位置に含まれる不純物の量は、ゲート絶縁層１５０の所定の位置に含まれる不純物の量、酸化物半導体層１４０の所定の位置に含まれる不純物の量、及び酸化物絶縁層１２０に含まれる不純物の量の各々より多い。上記の「深さ方向」は、各層の厚さ方向を意味する。金属材料は、イオン注入によって導入される不純物に対して、高い阻止能を備える。ゲート電極１６０として金属材料が用いられる場合、不純物は、ゲート電極１６０によって阻止され、ゲート絶縁層１５０（ＧＩ）に到達しない。したがって、第１領域Ａ１におけるゲート絶縁層１５０及び酸化物絶縁層１２０には不純物の導入に伴うダングリングボンド欠陥ＤＢは形成されない。ただし、半導体装置１０の電気特性に影響がない範囲であれば、不純物がゲート絶縁層１５０に到達していてもよい。

【0060】

第２領域Ａ２では、不純物の濃度プロファイルは酸化物半導体層１４０（ＯＳ）中にピークを有している。したがって、第２領域Ａ２における深さ方向において、酸化物半導体層１４０の所定の位置に含まれる不純物の量は、酸化物絶縁層１２０の所定の位置に含まれる不純物の量より多い。不純物の導入の目的は、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄにおける酸化物半導体層１４０の低抵抗化なので、上記のような濃度プロファイルとなるようにイオン注入の条件が設定される。第２領域Ａ２における酸化物半導体層１４０に含まれる不純物の量は、第１領域Ａ１における酸化物半導体層１４０に含まれる不純物の量より多い。同様に、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０（ＵＣ）に含まれる不純物の量は、第１領域Ａ１における酸化物絶縁層１２０に含まれる不純物の量より多い。

【0061】

上記のように、第２領域Ａ２において、酸化物絶縁層１２０にも不純物が導入される。したがって、酸化物絶縁層１２０－２に、不純物の導入に伴うダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される（図３参照）。

【0062】

第３領域Ａ３では、不純物の濃度プロファイルは酸化物絶縁層１２０中にピークを有している。第３領域Ａ３には、酸化物絶縁層１２０の上に酸化物半導体層１４０が設けられていない。その結果、第２領域Ａ２で酸化物半導体層１４０中に濃度プロファイルのピークが存在する代わりに、第３領域Ａ３では酸化物絶縁層１２０中に濃度プロファイルのピークが存在する。つまり、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０に含まれる不純物の量は、第１領域Ａ１における酸化物絶縁層１２０に含まれる不純物の量より多く、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０に含まれる不純物の量より多い。

【0063】

上記のような不純物の濃度プロファイルによって、酸化物絶縁層１２０－３に、不純物の導入に伴うダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される（図３参照）。上記のように、第３領域Ａ３では酸化物絶縁層１２０中に濃度プロファイルのピークが存在するため、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０に存在するダングリングボンド欠陥ＤＢの量は、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０に存在するダングリングボンド欠陥ＤＢの量より多い。したがって、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０は、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０より多くの水素をトラップすることができる。

【0064】

本実施形態において、第３領域Ａ３における深さ方向において、酸化物絶縁層１２０中の所定の位置に含まれる不純物の量は、１×１０^１６／ｃｍ^３以上、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、又は１×１０^１８／ｃｍ^３以上である。当該所定の位置は、濃度プロファイルのピークの位置であってもよく、酸化物絶縁層１２０と絶縁層１７０との界面に相当する位置であってもよい。又は、当該所定の位置は、当該界面に相当する位置から酸化物絶縁層１２０の方向に所定の深さ移動した位置であってもよい。

【0065】

本実施形態では、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０に含まれる不純物の量が、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０に含まれる不純物の量より多い構成が例示されているが、この構成に限定されない。同様に、本実施形態では、第３領域Ａ３における不純物の濃度プロファイルのピークが酸化物絶縁層１２０中に存在する構成が例示されているが、この構成に限定されない。例えば、第３領域Ａ３の深さ方向において、酸化物絶縁層１２０の最上面（酸化物絶縁層１２０と絶縁層１７０との界面に相当する面）における不純物の濃度が最も高くてもよい。

【0066】

図２を参照すると、チャネル領域ＣＨが第１領域Ａ１に相当し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが第２領域Ａ２に相当し、チャネル領域ＣＨ、ソース領域Ｓ、及びドレイン領域Ｄ以外の領域が第３領域Ａ３に相当する。つまり、チャネル領域ＣＨは、第２領域Ａ２によって挟まれており、第３領域Ａ３によって囲まれている。したがって、例えば絶縁層１７０の成膜時に絶縁層１７０から拡散した水素は、チャネル領域ＣＨの周囲に位置する第２領域Ａ２及び第３領域Ａ３に設けられた酸化物絶縁層１２０に形成されたダングリングボンド欠陥ＤＢによってトラップされる。その結果、当該水素がチャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０に侵入することを抑制することができる。

【0067】

［１－４．半導体装置１０の製造方法］
図５～図１３を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法について説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すシーケンス図である。図６～図１３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

【0068】

図５及び図６に示すように、基板１００の上に遮光層１０５が形成され、遮光層１０５の上に窒化物絶縁層１１０及び酸化物絶縁層１２０が形成される（図５のステップＳ１００１の「絶縁層／遮光層形成」）。窒化物絶縁層１１０として、例えば、窒化シリコンが形成される。酸化物絶縁層１２０として、例えば、酸化シリコンが形成される。窒化物絶縁層１１０及び酸化物絶縁層１２０はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって成膜される。例えば、窒化物絶縁層１１０の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、又は１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。酸化物絶縁層１２０の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、又は１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。

【0069】

窒化物絶縁層１１０として窒化シリコンが用いられることで、窒化物絶縁層１１０は、例えば基板１００側から酸化物半導体層１４０に向かって拡散する不純物をブロックすることができる。例えば、酸化物絶縁層１２０として用いられる酸化シリコンは、熱処理によって酸素を放出する物性の酸化シリコンである。

【0070】

図５及び図７に示すように、酸化物絶縁層１２０の上に酸化物半導体層１４０を形成する（図５のステップＳ１００２の「ＯＳ成膜」）。酸化物半導体層１４０は、スパッタリング法又は原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって成膜される。

【0071】

酸化物絶縁層１２０と酸化物半導体層１４０との間に、アルミニウムを主成分とする金属酸化物層が設けられる場合、当該金属酸化物層も、上記と同様にスパッタリング法又は原子層堆積法によって成膜される。

【0072】

酸化物半導体層１４０の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、１５ｎｍ以上７０ｎｍ以下、又は２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。本実施形態では、酸化物半導体層１４０の厚さは３０ｎｍである。後述する熱処理（ＯＳアニール）前の酸化物半導体層１４０はアモルファスである。

【0073】

後述するＯＳアニールによって、酸化物半導体層１４０を結晶化する場合、成膜後かつＯＳアニール前の酸化物半導体層１４０はアモルファス（酸化物半導体の結晶成分が少ない状態）であることが好ましい。つまり、酸化物半導体層１４０の成膜条件は、成膜直後の酸化物半導体層１４０ができるだけ結晶化しない条件であることが好ましい。例えば、スパッタリング法によって酸化物半導体層１４０が成膜される場合、被成膜対象物（基板１００及びその上に形成された構造物）の温度を制御しながら酸化物半導体層１４０が成膜される。

【0074】

スパッタリング法によって被成膜対象物に対して成膜を行うと、プラズマ中で発生したイオン及びスパッタリングターゲットによって反跳した原子が被成膜対象物に衝突するため、成膜処理に伴い被成膜対象物の温度が上昇する。成膜処理中の被成膜対象物の温度が上昇すると、成膜直後の状態で酸化物半導体層１４０に微結晶が含まれ、その後のＯＳアニールによる結晶化が阻害される場合がある。上記のように被成膜対象物の温度を制御するために、例えば、被成膜対象物を冷却しながら成膜を行うことができる。例えば、被成膜対象物の被成膜面の温度（以下、「成膜温度」という。）が１００℃以下、７０℃以下、５０℃以下、又は３０℃以下になるように、被成膜対象物を当該被成膜面の反対側の面から冷却することができる。上記のように、被成膜対象物を冷却しながら酸化物半導体層１４０の成膜を行うことで、成膜直後の状態で結晶成分が少ない酸化物半導体層１４０を成膜することができる。酸化物半導体層１４０の成膜条件における酸素分圧は、２％以上２０％以下、３％以上１５％以下、又は３％以上１０％以下である。

【0075】

図５及び図８に示すように、酸化物半導体層１４０のパターンを形成する（図５のステップＳ１００３の「ＯＳパターン形成」）。図示しないが、酸化物半導体層１４０の上にレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて酸化物半導体層１４０をエッチングする。酸化物半導体層１４０のエッチングとして、ウェットエッチングが用いられてもよく、ドライエッチングが用いられてもよい。ウェットエッチングとして、酸性のエッチャントを用いてエッチングを行うことができる。エッチャントとして、例えば、シュウ酸、ＰＡＮ、硫酸、過酸化水素水、又はフッ酸を用いることができる。ステップＳ１００３における酸化物半導体層１４０はアモルファスであるため、ウェットエッチングにより酸化物半導体層１４０を容易に所定の形状にパターニングすることができる。

【0076】

酸化物半導体層１４０のパターン形成の後に酸化物半導体層１４０に対して熱処理（ＯＳアニール）が行われる（図５のステップＳ１００４の「ＯＳアニール」）。ＯＳアニールでは、酸化物半導体層１４０が、所定の到達温度で所定の時間保持される。所定の到達温度は、３００℃以上５００℃以下、又は３５０℃以上４５０℃以下である。到達温度での保持時間は、１５分以上１２０分以下、又は３０分以上６０分以下である。本実施形態では、このＯＳアニールによって、酸化物半導体層１４０が結晶化する。ただし、必ずしもＯＳアニールによって酸化物半導体層１４０が結晶化しなくてもよい。

【0077】

図５及び図９に示すように、ゲート絶縁層１５０を成膜する（図５のステップＳ１００５の「ＧＩ形成」）。ゲート絶縁層１５０として、例えば、酸化シリコンが形成される。ゲート絶縁層１５０はＣＶＤ法によって形成される。例えば、ゲート絶縁層１５０として上記のように欠陥が少ない絶縁層を形成するために、３５０℃以上の成膜温度でゲート絶縁層１５０を成膜してもよい。ゲート絶縁層１５０の厚さは、例えば、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、又は２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下である。ゲート絶縁層１５０を成膜した後に、ゲート絶縁層１５０の上部に酸素を打ち込む処理を行ってもよい。酸素を打ち込む処理として、ゲート絶縁層１５０の上に金属酸化物層をスパッタリング法によって形成する構成を行ってもよい。

【0078】

酸化物半導体層１４０の上にゲート絶縁層１５０が成膜された状態で、酸化物半導体層１４０へ酸素を供給するための熱処理（酸化アニール）が行われる（図５のステップＳ１００６の「酸化アニール」）。酸化物半導体層１４０が成膜されてから酸化物半導体層１４０の上にゲート絶縁層１５０が成膜されるまでの間の工程で、酸化物半導体層１４０の上面１４１及び側面１４３には多くの酸素欠損が発生する。上記の酸化アニールによって、酸化物絶縁層１２０及びゲート絶縁層１５０から放出された酸素が酸化物半導体層１４０に供給され、酸素欠損が修復される。ゲート絶縁層１５０に酸素を打ち込む処理を行わない場合、ゲート絶縁層１５０の上に、熱処理によって酸素を放出する絶縁層を形成した状態で酸化アニールが行われてもよい。

【0079】

ゲート絶縁層１５０から酸化物半導体層１４０への酸素供給量を多くするために、ゲート絶縁層１５０の上に、アルミニウムを主成分とする金属酸化物層がスパッタリング法によって形成され、その状態で酸化アニールが行われてもよい。この金属酸化物層として、ガスに対するバリア性が高い酸化アルミニウムが用いられることで、酸化アニール時にゲート絶縁層１５０に打ち込まれた酸素が外方拡散することを抑制することができる。上記の金属酸化物層の形成及び酸化アニールによって、ゲート絶縁層１５０に打ち込まれた酸素が効率良く酸化物半導体層１４０に供給される。

【0080】

図５及び図１０に示すように、ゲート電極１６０を成膜し、ゲート電極１６０及びゲート絶縁層１５０を一括でエッチングする（図５のステップＳ１００７の「ＧＥ形成＋ＧＩエッチング」）。ゲート電極１６０は、スパッタリング法又は原子層堆積法によって成膜される。ゲート電極１６０及びゲート絶縁層１５０は、フォトリソグラフィー工程を経てパターニングされる。ゲート電極１６０及びゲート絶縁層１５０は同一工程（同一条件）でエッチングされてもよく、それぞれが異なる工程（異なる条件）でエッチングされてもよい。つまり、ゲート絶縁層１５０のエッチングは、ゲート電極１６０に対するエッチング工程におけるオーバーエッチングによって実施されてもよく、ゲート電極１６０のエッチングの後に、ゲート電極１６０をマスクとしてゲート電極１６０に対するエッチングとは異なるエッチングによって実施されてもよい。

【0081】

図１１に示すように、ゲート電極１６０及びゲート絶縁層１５０がパターニングされることによって、第２領域Ａ２における酸化物半導体層１４０が露出され、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０が露出される。この状態で、露出された酸化物絶縁層１２０及び酸化物半導体層１４０に不純物のイオン注入が行われる（図５のステップＳ１００８の「不純物 イオン注入」）。具体的には、ゲート電極１６０をマスクとして、露出された酸化物絶縁層１２０及び酸化物半導体層１４０に不純物が注入される。

【0082】

イオン注入によって、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルゴン（Ａｒ）、又は窒素（Ｎ）などの元素が酸化物絶縁層１２０及び酸化物半導体層１４０に注入される。ゲート電極１６０と重ならない第２領域Ａ２における酸化物半導体層１４０では、イオン注入によって酸素欠陥が生成される。生成された酸素欠陥に水素がトラップされることにより、第２領域Ａ２における酸化物半導体層１４０の抵抗が低下する。一方、ゲート電極１６０と重なる第１領域Ａ１における酸化物半導体層１４０では、不純物が注入されないため、酸素欠陥が生成されず、第１領域Ａ１における抵抗は低下しない。上記の工程によって、第１領域Ａ１における酸化物半導体層１４０にチャネル領域ＣＨが形成され、第２領域Ａ２における酸化物半導体層１４０にソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが形成される。

【0083】

上記イオン注入によって、第２領域Ａ２及び第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０にダングリングボンド欠陥ＤＢが生成される。ダングリングボンド欠陥ＤＢの位置及び量は、イオン注入のプロセスパラメータ（例えば、ドーズ量、加速電圧、プラズマ電力など）を調整することで制御することができる。例えば、ドーズ量は１×１０^１４／ｃｍ^２以上、５×１０^１４／ｃｍ^２、又は１×１０^１５／ｃｍ^２以上である。例えば、加速電圧は１０ｋｅＶ超、１５ｋｅＶ以上、又は２０ｋｅＶ以上である。

【0084】

図５及び図１２に示すように、ゲート絶縁層１５０及びゲート電極１６０の上に層間膜として絶縁層１７０、１８０を成膜する（図５のステップＳ１００９の「層間膜成膜」）。絶縁層１７０、１８０はＣＶＤ法によって成膜される。例えば、絶縁層１７０として窒化シリコン層が形成され、絶縁層１８０として酸化シリコン層が形成される。ただし、絶縁層１７０、１８０として用いられる材料は上記に限定されない。絶縁層１７０の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。絶縁層１８０の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

【0085】

図５及び図１３に示すように、絶縁層１７０、１８０に開口１７１、１７３を形成する（図５のステップＳ１０１０の「コンタクト開孔」）。開口１７１によってソース領域Ｓにおける酸化物半導体層１４０が露出されている。開口１７３によってドレイン領域Ｄにおける酸化物半導体層１４０が露出されている。開口１７１、１７３によって露出された酸化物半導体層１４０の上及び絶縁層１８０の上にソース・ドレイン電極２００を形成することで（図５のステップＳ１０１１の「ＳＤ形成」）、図１に示す半導体装置１０が完成する。

【0086】

［１－５．ダングリングボンド欠陥ＤＢにおける水素トラップ］
図４、図５、及び図１４を参照すると、ステップＳ１００８のイオン注入によって、第２領域Ａ２及び第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０（ＵＣ）にも不純物が注入される。この不純物のイオン注入によって、第２領域Ａ２及び第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０にダングリングボンド欠陥ＤＢが生成される。つまり、酸化物絶縁層１２０は、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルゴン（Ａｒ）、又は窒素（Ｎ）などの不純物を含む。本実施形態の場合、上記のように、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０に含まれる不純物の量より、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０に含まれる不純物の量のほうが最も多い。上記のように不純物を導入した場合に酸化物絶縁層１２０に形成されるダングリングボンド欠陥ＤＢを図１４に模式的に示す。

【0087】

絶縁層１７０がその上方から拡散した不純物をブロックする機能を有するためには、絶縁層１７０は欠陥の少ない緻密な膜であることが好ましい。そのような絶縁層１７０を得るためには、高温で絶縁層１７０を成膜する必要がある。例えば、絶縁層１７０として窒化シリコン層を高温で成膜した場合、当該絶縁層１７０には大量の水素が含まれ、成膜温度に起因して絶縁層１７０から酸化物絶縁層１２０及び酸化物半導体層１４０に大量の水素が拡散する。そのため、酸化物絶縁層１２０に水素トラップ領域が形成されていないと、酸化物絶縁層１２０を介して、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄにおける酸化物半導体層１４０だけでなく、チャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０にまで水素が拡散してしまう。

【0088】

ステップＳ１００８において、図１４に示すダングリングボンド欠陥ＤＢが酸化物絶縁層１２０中に形成されている場合、図１５に示すように、絶縁層１７０の成膜時に絶縁層１７０から拡散された水素Ｈは上記ダングリングボンド欠陥ＤＢによってトラップされる（「×」の上に「○」が重ねて表示されている）。したがって、ステップＳ１００９において、成膜中又は成膜後に絶縁層１７０から拡散された水素Ｈがチャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０に侵入することを抑制することができる。そのため、絶縁層１７０として水素を大量に含む膜を用いることができるため、不純物のブロック機能が高い絶縁層１７０を実現することができる。さらに、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄにおける酸化物半導体層１４０を十分に低抵抗化することができる。

【0089】

本実施形態の場合、酸化物絶縁層１２０に形成されるダングリングボンド欠陥ＤＢの分布に基づき、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０にトラップされる水素Ｈの量より、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０にトラップされる水素Ｈの量の方が多い。

【0090】

図１６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置において、水素トラップによる効果を説明する模式的な断面図及び半導体装置の電気特性を示す図である。図１６に示す電気特性は、水素トラップが形成される場所（層）が電気特性に与える影響を調査した結果を示す。図１６の（Ａ）に示す電気特性は、酸化物絶縁層１２０及びゲート絶縁層１５０ともに水素トラップが形成されていない（相対的に少ない）場合の電気特性である。図１６の（Ｂ）に示す電気特性は、ゲート絶縁層１５０のみに水素トラップが形成された場合の電気特性である。図１６の（Ｃ）に示す電気特性は、酸化物絶縁層１２０のみに水素トラップが形成された場合の電気特性である。

【0091】

上記の水素トラップは、本実施形態のように不純物のイオン注入によって形成されているのではなく、擬似的に各絶縁層の成膜条件を調整することで形成されている。図１６の構成において、酸化物絶縁層１２０及びゲート絶縁層１５０として酸化シリコン層が用いられている。酸素を過剰に含む条件で酸化シリコン層を成膜した場合、酸化シリコン層は水素トラップを多く含むことが判っている。つまり、図１６の（Ｂ）に示す条件では、ゲート絶縁層１５０として酸素を過剰に含む酸化シリコン層が用いられている。図１６の（Ｃ）に示す条件では、酸化物絶縁層１２０として酸素を過剰に含む酸化シリコン層が用いられている。図１６の構成は、図１の構成と同じである。

【0092】

図１６の（Ａ）に示すように、酸化物絶縁層１２０及びゲート絶縁層１５０ともに水素トラップが形成されていない場合、電気特性におけるハンプ（こぶ）が確認される。電気特性におけるハンプは、絶縁層１７０成膜時の水素がチャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０に侵入することで発生することが判っている。図１６の（Ｂ）に示すように、ゲート絶縁層１５０のみに水素トラップが形成された場合、電気特性におけるハンプは改善されていない。一方、図１６の（Ｃ）に示すように、酸化物絶縁層１２０のみに水素トラップが形成された場合、電気特性におけるハンプが低減している。これらの結果から、絶縁層１７０成膜時の水素がチャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０に侵入することを抑制するためには、酸化物絶縁層１２０に水素トラップを形成することが重要であることが判る。

【0093】

本実施形態では、図２、図４、及び図１４に示すように、チャネル領域ＣＨを囲む第３領域Ａ３において、酸化物絶縁層１２０に多くのダングリングボンド欠陥ＤＢが形成されることで、チャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０に水素が侵入することを抑制することができる。その結果、ハンプが抑制された電気特性を有する半導体装置１０を得ることができる。

【0094】

［２．第２実施形態］
図１７～図２３を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置について説明する。本実施形態に係る半導体装置１０Ａは、第１実施形態に係る半導体装置１０と類似しているが、酸化物半導体層１４０Ａと絶縁層１７０Ａとの間に酸化物絶縁層１６５Ａが設けられている点において、半導体装置１０と相違する。以下の説明において、第１実施形態に係る半導体装置１０と共通する構成については、第１実施形態に係る図面に示された符号の後にアルファベット“Ａ”を付し、その説明を省略する場合がある。

【0095】

［２－１．半導体装置１０Ａの構成］
図１７を用いて、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０Ａの構成について説明する。図１７は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の概要を示す断面図である。半導体装置１０Ａの平面図は、図２に示す平面図と同じなので説明を省略する。

【0096】

図１７に示すように、半導体装置１０Ａは、遮光層１０５Ａ、窒化物絶縁層１１０Ａ、酸化物絶縁層１２０Ａ、酸化物半導体層１４０Ａ、ゲート絶縁層１５０Ａ、ゲート電極１６０Ａ、絶縁層１７０Ａ、１８０Ａ、及びソース・ドレイン電極２００Ａに加えて、酸化物絶縁層１６５Ａを含む。酸化物絶縁層１６５Ａを「第１絶縁層」という場合がある。この場合、絶縁層１７０Ａを「第２絶縁層」という。上記のように、絶縁層１７０Ａとして、窒化物絶縁層が用いられる。

【0097】

酸化物絶縁層１６５Ａは、酸化物半導体層１４０Ａ及びゲート電極１６０Ａを覆う。つまり、酸化物絶縁層１６５Ａは、第１領域Ａ１においてゲート電極１６０Ａと絶縁層１７０Ａとの間、第２領域Ａ２において酸化物半導体層１４０Ａと絶縁層１７０Ａとの間、及び第３領域Ａ３において酸化物絶縁層１２０Ａと絶縁層１７０Ａとの間に設けられている。酸化物絶縁層１６５Ａの厚さは、５０ｎｍ以上、又は１００ｎｍ以上である。

【0098】

［２－２．水素トラップ領域の構成］
図１８は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式的な部分拡大断面図である。図１８に示すように、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、及び第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１６５Ａは、それぞれ酸化物絶縁層１６５Ａ－１、１６５Ａ－２、１６５Ａ－３と表記される。酸化物絶縁層１６５Ａ－１は、ゲート電極１６０Ａ及び絶縁層１７０Ａと接している。酸化物絶縁層１６５Ａ－２は、酸化物半導体層１４０Ａ及び絶縁層１７０Ａと接している。酸化物絶縁層１６５Ａ－３は、酸化物絶縁層１２０Ａ－３及び絶縁層１７０Ａと接している。

【0099】

詳細は後述するが、本実施形態において、イオン注入は少なくとも２回行われる。１回目のイオン注入は、第１実施形態（図１１）と同様に、ゲート絶縁層１５０Ａがエッチングによって除去され、第２領域Ａ２における酸化物半導体層１４０Ａ及び第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０Ａが露出された状態で行われる。２回目のイオン注入は、１回目のイオン注入の後、酸化物絶縁層１６５Ａが形成された状態で行われる。１回目のイオン注入によって、ダングリングボンド欠陥ＤＢは、図３と同様に酸化物絶縁層１２０Ａに生成される。２回目のイオン注入によって、ダングリングボンド欠陥ＤＢは、図１８に示すように酸化物絶縁層１６５Ａに生成される。ただし、２回目のイオン注入によって、ダングリングボンド欠陥ＤＢは、第２領域Ａ２及び第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０Ａに生成されてもよい。

【0100】

酸化物絶縁層１２０Ａ及び酸化物絶縁層１６５Ａに形成されたダングリングボンド欠陥ＤＢは、水素をトラップする。つまり、半導体装置１０Ａにおいて、酸化物絶縁層１２０Ａ－２、１２０Ａ－３及び酸化物絶縁層１６５Ａ－１、１６５Ａ－２、１６５Ａ－３が、水素トラップ領域として機能する。これらの絶縁層が水素トラップ領域として機能することで、例えば絶縁層１７０Ａの成膜時に絶縁層１７０Ａから拡散した水素は、酸化物絶縁層１２０Ａ－２、１２０Ａ－３及び酸化物絶縁層１６５Ａ－１、１６５Ａ－２、１６５Ａ－３に生成されたダングリングボンド欠陥ＤＢにトラップされる。その結果、水素がチャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０Ａに侵入することを抑制することができる。そのため、絶縁層１７０Ａを成膜した後の状態において、酸化物絶縁層１２０Ａ－２、１２０Ａ－３及び酸化物絶縁層１６５Ａ－１、１６５Ａ－２、１６５Ａ－３の水素濃度は、酸化物絶縁層１２０Ａ－１の水素濃度より高い。

【0101】

上記のダングリングボンド欠陥ＤＢはイオン注入によって形成されるため、酸化物絶縁層１２０Ａ－２、１２０Ａ－３及び酸化物絶縁層１６５Ａ－１、１６５Ａ－２、１６５Ａ－３は、イオン注入によって導入された不純物を含む。これらの絶縁層に形成されるダングリングボンド欠陥ＤＢの量の分布は、これらに含まれる不純物の濃度プロファイルに対応する。つまり、イオン注入によって得られる不純物のプロファイルを調整することで、ダングリングボンド欠陥ＤＢの位置及び量を調整することができる。

【0102】

図１９は、本発明の一実施形態に係る半導体装置において、第１領域Ａ１～第３領域Ａ３における不純物濃度のプロファイルを示すグラフである。図１９に示す３つの濃度プロファイルの各々の縦軸は単位体積当たりの不純物の濃度（Concentration [/cm3]）を示し、横軸は深さ方向における層の名称を示す。横軸における「ＵＣ」は酸化物絶縁層１２０Ａ及び窒化物絶縁層１１０Ａに対応する。「ＯＳ」は酸化物半導体層１４０Ａに対応する。「ＧＩ」はゲート絶縁層１５０Ａに対応する。「ＧＬ」はゲート電極１６０Ａに対応する。「ＰＡＳ１」は酸化物絶縁層１６５Ａに対応する。「ＰＡＳ２」は絶縁層１７０Ａに対応する。

【0103】

図１９に示すように、第１領域Ａ１では、不純物の濃度プロファイルは２つのピーク（ピークＰ３、Ｐ４）を有している。ピークＰ３は、ゲート電極１６０Ａ（ＧＬ）中に存在している。ピークＰ４は、酸化物絶縁層１６５Ａ（ＰＡＳ１）中に存在している。つまり、第１領域Ａ１において、不純物はゲート電極１６０Ａ及び酸化物絶縁層１６５Ａの両方に含まれている。したがって、ゲート電極１６０Ａの上の酸化物絶縁層１６５Ａには、不純物の導入に伴うダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。一方、第１領域Ａ１において、不純物は絶縁層１７０Ａ（ＰＡＳ２）にはほとんど含まれていない。第１領域Ａ１における深さ方向において、ゲート電極１６０Ａ及び酸化物絶縁層１６５Ａの各々の所定の位置に含まれる不純物の量は、ゲート絶縁層１５０Ａの所定の位置に含まれる不純物の量、酸化物半導体層１４０Ａの所定の位置に含まれる不純物の量、及び酸化物絶縁層１２０Ａの所定の位置に含まれる不純物の量の各々より多い。

【0104】

第２領域Ａ２では、不純物の濃度プロファイルは２つのピーク（Ｐ５、Ｐ６）を有している。ピークＰ５は、酸化物半導体層１４０Ａ（ＯＳ）中に存在している。ピークＰ５に係る不純物の濃度プロファイルは酸化物絶縁層１２０Ａ（ＵＣ）に拡がっている。ピークＰ６は、酸化物絶縁層１６５Ａ（ＰＡＳ１）中に存在している。つまり、第２領域Ａ２において、不純物は、酸化物絶縁層１２０Ａ、酸化物半導体層１４０Ａ、及び酸化物絶縁層１６５Ａに含まれている。一方、第２領域Ａ２において、不純物は絶縁層１７０Ａにはほとんど含まれていない。第２領域Ａ２における深さ方向において、酸化物半導体層１４０Ａ及び酸化物絶縁層１６５Ａの各々の所定の位置に含まれる不純物の量は、酸化物絶縁層１２０Ａの所定の位置に含まれる不純物の量より多い。

【0105】

上記のように、第２領域Ａ２において、酸化物絶縁層１２０Ａ及び酸化物絶縁層１６５Ａに不純物が導入される。したがって、酸化物絶縁層１２０Ａ及び酸化物絶縁層１６５Ａに、不純物の導入に伴うダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。

【0106】

第３領域Ａ３では、不純物の濃度プロファイルは２つのピーク（Ｐ１、Ｐ２）を有している。ピークＰ１は、酸化物絶縁層１２０Ａ（ＵＣ）中に存在している。ピークＰ２は、酸化物絶縁層１６５Ａ（ＰＡＳ１）中に存在している。つまり、第３領域Ａ３において、不純物は、酸化物絶縁層１２０Ａ及び酸化物絶縁層１６５Ａに含まれている。一方、第３領域Ａ３において、不純物は絶縁層１７０Ａにはほとんど含まれていない。第３領域Ａ３には、酸化物絶縁層１２０Ａの上に酸化物半導体層１４０Ａが設けられていない。その結果、第２領域Ａ２で酸化物半導体層１４０Ａ中に濃度プロファイルのピークが存在する代わりに、第３領域Ａ３では酸化物絶縁層１２０Ａ中に濃度プロファイルのピークＰ１が存在する。つまり、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０Ａに含まれる不純物の量は、第１領域Ａ１における酸化物絶縁層１２０Ａに含まれる不純物の量より多く、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０Ａに含まれる不純物の量より多い。

【0107】

上記のような不純物の濃度プロファイルによって、酸化物絶縁層１２０Ａ及び酸化物絶縁層１６５Ａに、不純物の導入に伴うダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。上記のように、第３領域Ａ３では酸化物絶縁層１２０Ａ中に濃度プロファイルのピークＰ１が存在するため、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０Ａに存在するダングリングボンド欠陥ＤＢの量は、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０Ａに存在するダングリングボンド欠陥ＤＢの量より多い。したがって、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０Ａは、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０Ａより多くの水素をトラップすることができる。

【0108】

第１領域Ａ１～第３領域Ａ３において、酸化物絶縁層１６５Ａ中に濃度プロファイルのピークＰ１、Ｐ３、Ｐ５が存在するため、これらの領域における酸化物絶縁層１６５Ａには同程度のダングリングボンド欠陥ＤＢが生成されている。酸化物絶縁層１６５Ａに存在するダングリングボンド欠陥ＤＢによって、絶縁層１７０Ａからの水素をトラップすることができる。酸化物絶縁層１６５Ａの厚さが５０ｎｍ以上であることで、絶縁層１７０Ａからの水素をトラップすることによる顕著な効果が得られる。酸化物絶縁層１６５Ａの厚さが１００ｎｍ以上であることで、より顕著な上記効果が得られる。

【0109】

本実施形態において、第３領域Ａ３における深さ方向において、酸化物絶縁層１２０Ａ中の所定の位置に含まれる不純物の量は、１×１０^１６／ｃｍ^３以上、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、又は１×１０^１８／ｃｍ^３以上である。当該所定の位置は、濃度プロファイルのピークの位置であってもよく、酸化物絶縁層１２０Ａと酸化物絶縁層１６５Ａとの界面に相当する位置であってもよい。同様に、第３領域Ａ３における深さ方向において、酸化物絶縁層１６５Ａ中の所定の位置に含まれる不純物の量は、１×１０^１６／ｃｍ^３以上、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、又は１×１０^１８／ｃｍ^３以上である。当該所定の位置は、濃度プロファイルのピークＰ１の位置であってもよく、酸化物絶縁層１６５Ａと絶縁層１７０Ａとの界面に相当する位置であってもよい。

【0110】

［２－３．半導体装置１０Ａの製造方法］
図２０～図２３を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０Ａの製造方法について説明する。図２０は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すシーケンス図である。図２１～図２３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図２０に示すステップＳ１００１～Ｓ１００８のステップは、図５に示すステップＳ１００１～Ｓ１００８のステップ、及び、図６～図１１と同様なので、説明を省略する。

【0111】

図１１と同様に、露出された酸化物絶縁層１２０Ａ及び酸化物半導体層１４０Ａに不純物のイオン注入が行われた後に、図２１に示すように、酸化物絶縁層１２０Ａ、酸化物半導体層１４０Ａ、及びゲート電極１６０Ａの上に酸化物絶縁層１６５Ａを成膜する（図２０のステップＳ１０２０の「絶縁層形成」）。酸化物絶縁層１６５ＡはＣＶＤ法によって成膜される。例えば、酸化物絶縁層１６５Ａとして酸化シリコン層が形成される。ただし、酸化物絶縁層１６５Ａとして用いられる材料は上記に限定されない。酸化物絶縁層１６５Ａの厚さは、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。

【0112】

図２０及び図２２に示すように、酸化物絶縁層１６５Ａに不純物のイオン注入が行われる（図２０のステップＳ１０２１の「不純物 イオン注入」）。本実施形態では、酸化物絶縁層１６５Ａ中に不純物の濃度プロファイルのピークが存在するように不純物が注入される。イオン注入によって、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルゴン（Ａｒ）、又は窒素（Ｎ）などの元素が酸化物絶縁層１６５Ａに注入される。当該イオン注入によって、第１領域Ａ１～第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１６５Ａにダングリングボンド欠陥ＤＢが生成される。ダングリングボンド欠陥ＤＢの位置及び量は、イオン注入のプロセスパラメータ（例えば、ドーズ量、加速電圧、プラズマ電力など）を調整することで制御することができる。例えば、ドーズ量は１×１０^１４／ｃｍ^２以上、５×１０^１４／ｃｍ^２、又は１×１０^１５／ｃｍ^２以上である。例えば、注入される元素がホウ素（Ｂ）である場合、加速電圧は１０ｋｅＶ以上５０ｋｅＶ以下である。ただし、濃度プロファイルのピークは酸化物絶縁層１６５Ａ中に存在していなくてもよい。

【0113】

図２０及び図２３に示すように、酸化物絶縁層１６５Ａの上に層間膜として絶縁層１７０Ａ、１８０Ａを成膜し（図２０のステップＳ１００９の「層間膜成膜」）、絶縁層１７０Ａ、１８０Ａに開口１７１Ａ、１７３Ａを形成する（図２０のステップＳ１０１０の「コンタクト開孔」）。開口１７１Ａ、１７３Ａによって露出された酸化物半導体層１４０Ａの上及び絶縁層１８０Ａの上にソース・ドレイン電極２００Ａを形成することで（図２０のステップＳ１０１１の「ＳＤ形成」）、図１７に示す半導体装置１０Ａが完成する。

【0114】

本実施形態では、図１８及び図１９に示すように、酸化物絶縁層１２０Ａに加えて酸化物絶縁層１６５Ａにもダングリングボンド欠陥ＤＢが形成されることで、チャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０Ａに水素が侵入することを抑制することができる。その結果、ハンプが抑制された電気特性を有する半導体装置１０Ａを得ることができる。

【0115】

［３．第３実施形態］
図２４～図２８を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置について説明する。本実施形態に係る半導体装置１０Ｂは、第２実施形態に係る半導体装置１０Ａと類似しているが、イオン注入によって導入される不純物の濃度プロファイルにおいて、半導体装置１０Ａと相違する。以下の説明において、第２実施形態に係る半導体装置１０Ａと共通する構成については、第２実施形態に係る図面に示された符号の後のアルファベット“Ａ”の代わりに“Ｂ”を付し、その説明を省略する場合がある。

【0116】

［３－１．半導体装置１０Ｂの構成］
本実施形態における半導体装置１０Ｂの構成は、図１７に示す半導体装置１０Ａの構成と同じである。ただし、半導体装置１０Ｂにおける酸化物絶縁層１６５Ｂの膜質が、半導体装置１０Ａにおける酸化物絶縁層１６５Ａの膜質と相違する。それ以外の点について、半導体装置１０Ｂの構成は半導体装置１０Ａの構成と同じなので、説明を省略する。

【0117】

［３－２．水素トラップ領域の構成］
図２４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式的な部分拡大断面図である。詳細は後述するが、図２４に示す酸化物絶縁層１２０Ｂ及び酸化物絶縁層１６５Ｂに生成されるダングリングボンド欠陥ＤＢは、酸化物絶縁層１６５Ｂを形成した後に、１回のイオン注入によって生成される。

【0118】

図２５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置において、第１領域Ａ１～第３領域Ａ３における不純物濃度のプロファイルを示すグラフである。図２５に示す３つの濃度プロファイルの各々の縦軸は単位体積当たりの不純物の濃度（Concentration [/cm3]）を示し、横軸は深さ方向における層の名称を示す。横軸における「ＵＣ」は酸化物絶縁層１２０Ｂ及び窒化物絶縁層１１０Ｂに対応する。「ＯＳ」は酸化物半導体層１４０Ｂに対応する。「ＧＩ」はゲート絶縁層１５０Ｂに対応する。「ＧＬ」はゲート電極１６０Ｂに対応する。「ＰＡＳ１」は酸化物絶縁層１６５Ｂに対応する。「ＰＡＳ２」は絶縁層１７０Ｂに対応する。

【0119】

図２５に示すように、第１領域Ａ１では、不純物はゲート電極１６０Ｂ（ＧＬ）及び酸化物絶縁層１６５Ｂ（ＰＡＳ１）に含まれており、当該不純物の濃度プロファイルはゲート電極１６０Ｂ中にピークを有している。したがって、第１領域Ａ１における深さ方向において、ゲート電極１６０Ｂ及び酸化物絶縁層１６５Ｂの各々の所定の位置に含まれる不純物の量は、ゲート絶縁層１５０Ｂの所定の位置に含まれる不純物の量、酸化物半導体層１４０Ｂの所定の位置に含まれる不純物の量、及び酸化物絶縁層１２０Ｂに含まれる不純物の量の各々より多い。

【0120】

第２領域Ａ２では、不純物は酸化物絶縁層１２０Ｂ（ＵＣ）、酸化物半導体層１４０Ｂ（ＯＳ）、及び酸化物絶縁層１６５Ｂに含まれており、当該不純物の濃度プロファイルは酸化物半導体層１４０Ｂ中にピークを有している。したがって、第２領域Ａ２における深さ方向において、酸化物半導体層１４０Ｂの所定の位置に含まれる不純物の量は、酸化物絶縁層１２０Ｂの所定の位置に含まれる不純物の量より多く、酸化物絶縁層１６５Ｂの所定の位置に含まれる不純物の量より多い。

【0121】

上記のように、第２領域Ａ２において、酸化物絶縁層１２０Ｂ及び酸化物絶縁層１６５Ｂに不純物が導入される。したがって、酸化物絶縁層１２０Ｂ及び酸化物絶縁層１６５Ｂに、不純物の導入に伴うダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。

【0122】

第３領域Ａ３では、不純物は酸化物絶縁層１２０Ｂ及び酸化物絶縁層１６５Ｂに含まれており、当該不純物の濃度プロファイルは酸化物絶縁層１２０Ｂ（ＵＣ）中にピークを有している。第３領域Ａ３には、酸化物絶縁層１２０Ｂの上に酸化物半導体層１４０Ｂが設けられていない。その結果、第２領域Ａ２で酸化物半導体層１４０Ｂ中に濃度プロファイルのピークが存在する代わりに、第３領域Ａ３では酸化物絶縁層１２０Ｂ中に濃度プロファイルのピークが存在する。つまり、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０Ｂに含まれる不純物の量は、第１領域Ａ１における酸化物絶縁層１２０Ｂに含まれる不純物の量より多く、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０Ｂに含まれる不純物の量より多い。

【0123】

上記のような不純物の濃度プロファイルによって、酸化物絶縁層１２０Ｂ及び酸化物絶縁層１６５Ｂに、不純物の導入に伴うダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。上記のように、第３領域Ａ３では酸化物絶縁層１２０Ｂ中に濃度プロファイルのピークが存在するため、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０Ｂに存在するダングリングボンド欠陥ＤＢの量は、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０Ｂに存在するダングリングボンド欠陥ＤＢの量より多い。したがって、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０Ｂは、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０Ｂより多くの水素をトラップすることができる。酸化物絶縁層１６５Ｂの厚さが５０ｎｍ以上であることで、絶縁層１７０Ｂからの水素をトラップすることによる顕著な効果が得られる。酸化物絶縁層１６５Ｂの厚さが１００ｎｍ以上であることで、より顕著な上記効果が得られる。

【0124】

本実施形態では、上記のように、第１領域Ａ１において不純物の濃度プロファイルはゲート電極１６０Ｂ中にピークを有し、第２領域Ａ２において当該濃度プロファイルは酸化物半導体層１４０Ｂ中にピークを有し、第３領域Ａ３において当該濃度プロファイルは酸化物絶縁層１２０Ｂ中にピークを有する構成を例示したが、この構成に限定されない。

【0125】

例えば、酸化物半導体層１４０Ｂの膜厚が相対的に薄い場合、第２領域Ａ２において上記濃度プロファイルは酸化物絶縁層１２０Ｂ中、又は酸化物半導体層１４０Ｂと酸化物絶縁層１２０Ｂとの界面付近にピークを有してもよい。他方、酸化物絶縁層１６５Ｂの膜厚が相対的に厚い場合、第１領域Ａ１～第３領域Ａ３において上記濃度プロファイルは酸化物絶縁層１６５Ｂ中、又は酸化物絶縁層１６５Ｂと酸化物絶縁層１６５Ｂの下層との界面付近にピークを有してもよい。酸化物絶縁層１６５Ｂの下層は、第１領域Ａ１におけるゲート電極１６０Ｂ、第２領域Ａ２における酸化物半導体層１４０Ｂ、及び第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０Ｂである。

【0126】

本実施形態において、第３領域Ａ３における深さ方向において、酸化物絶縁層１２０Ｂ中の所定の位置に含まれる不純物の量は、１×１０^１６／ｃｍ^３以上、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、又は１×１０^１８／ｃｍ^３以上である。当該所定の位置は、濃度プロファイルのピークの位置であってもよく、酸化物絶縁層１２０Ｂと酸化物絶縁層１６５Ｂとの界面に相当する位置であってもよい。又は、当該所定の位置は、当該界面に相当する位置から酸化物絶縁層１２０Ｂの方向に所定の深さ移動した位置であってもよい。

【0127】

［３－３．半導体装置１０Ｂの製造方法］
図２６～図２８を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０Ｂの製造方法について説明する。図２６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すシーケンス図である。図２７～図２８は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図２６に示すステップＳ１００１～Ｓ１００７のステップは、図５に示すステップＳ１００１～Ｓ１００７のステップ、及び、図６～図１０と同様なので、説明を省略する。

【0128】

図１０と同様に、ゲート電極１６０Ｂを成膜し、ゲート電極１６０Ｂ及びゲート絶縁層１５０Ｂを一括でエッチングした後に、図２７に示すように、酸化物絶縁層１２０Ｂ、酸化物半導体層１４０Ｂ、及びゲート電極１６０Ｂの上に酸化物絶縁層１６５Ｂを成膜する（図２６のステップＳ１０２０の「絶縁層形成」）。酸化物絶縁層１６５ＢはＣＶＤ法によって成膜される。例えば、酸化物絶縁層１６５Ｂとして酸化シリコン層が形成される。酸化物絶縁層１６５Ｂとして、水素含有量が相対的に少ない絶縁層が用いられる。例えば、酸化物絶縁層１６５Ｂの水素含有量は、１×１０^２１ｃｍ^－３以下である。

【0129】

酸化物絶縁層１６５Ｂとして酸化シリコン層が用いられる場合、一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）に対するシラン（ＳｉＨ_４）の比率が相対的に小さい条件で当該酸化シリコン層を成膜する。例えば、当該条件において、［Ｎ_２Ｏ／ＳｉＨ_４］は３０以下である。

【0130】

イオン注入によって不純物を酸化物絶縁層１２０Ｂに到達させる場合、イオン注入装置の加速電圧による制限がある。したがって、酸化物絶縁層１６５Ｂの厚さは１５０ｎｍ未満である。

【0131】

図２６及び図２８に示すように、酸化物絶縁層１６５Ｂに不純物のイオン注入が行われる（図２６のステップＳ１０２１の「不純物 イオン注入」）。本実施形態では、酸化物絶縁層１６５Ｂの下に設けられた酸化物半導体層１４０Ｂ（第２領域Ａ２）及び酸化物絶縁層１２０Ｂ（第３領域Ａ３）に不純物の濃度プロファイルのピークが存在するように不純物が注入される。イオン注入によって、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルゴン（Ａｒ）、又は窒素（Ｎ）などの元素が酸化物絶縁層１６５Ｂを介して酸化物半導体層１４０Ｂ及び酸化物絶縁層１２０Ｂに注入される。当該イオン注入によって、第２領域Ａ２における酸化物絶縁層１２０Ｂ、第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１２０Ｂ、及び第１領域Ａ１～第３領域Ａ３における酸化物絶縁層１６５Ｂにダングリングボンド欠陥ＤＢが生成される。ダングリングボンド欠陥ＤＢの位置及び量は、イオン注入のプロセスパラメータ（例えば、ドーズ量、加速電圧、プラズマ電力など）を調整することで制御することができる。例えば、ドーズ量は１×１０^１４／ｃｍ^２以上、５×１０^１４／ｃｍ^２、又は１×１０^１５／ｃｍ^２以上である。例えば、注入される元素がホウ素（Ｂ）である場合、加速電圧は１０ｋｅＶ以上５０ｋｅＶ以下である。

【0132】

上記のイオン注入の後、酸化物絶縁層１６５Ｂの上に層間膜として絶縁層１７０Ｂ、１８０Ｂを成膜し（図２６のステップＳ１００９の「層間膜成膜」）、絶縁層１７０Ｂ、１８０Ｂに開口１７１Ｂ、１７３Ｂを形成する（図２６のステップＳ１０１０の「コンタクト開孔」）。開口１７１Ｂ、１７３Ｂによって露出された酸化物半導体層１４０Ｂの上及び絶縁層１８０Ｂの上にソース・ドレイン電極２００Ｂを形成することで（図２６のステップＳ１０１１の「ＳＤ形成」）、図１７と同様の半導体装置１０Ｂが完成する。

【0133】

本実施形態では、図２４及び図２５に示すように、酸化物絶縁層１２０Ｂに加えて酸化物絶縁層１６５Ｂにもダングリングボンド欠陥ＤＢが形成されることで、チャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０Ｂに水素が侵入することを抑制することができる。その結果、ハンプが抑制された電気特性を有する半導体装置１０Ｂを得ることができる。さらに、本実施形態では、酸化物絶縁層１６５Ｂとして水素含有量が相対的に少ない絶縁層が用いられることで、酸化物絶縁層１６５Ｂを成膜する際に、チャネル領域ＣＨにおける酸化物半導体層１４０Ｂへの水素の浸入を抑制することができる。さらに、１回のイオン注入工程によって、酸化物絶縁層１２０Ｂ及び酸化物絶縁層１６５Ｂの両方にダングリングボンド欠陥ＤＢを形成することができる。

【0134】

本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除、もしくは設計変更を行ったもの、又は工程の追加、省略、もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

【0135】

上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

【符号の説明】

【0136】

１０：半導体装置、 １００：基板、 １０５：遮光層、 １１０：窒化物絶縁層、 １２０：酸化物絶縁層、 １４０：酸化物半導体層、 １４１：上面、 １４２：下面、 １４３：側面、 １５０：ゲート絶縁層、 １６０：ゲート電極、 １６５Ａ：酸化物絶縁層、 １７０：絶縁層、 １７１：開口、 １７３：開口、 １８０：絶縁層、 ２００：ソース・ドレイン電極、 ２０１：ソース電極、 ２０３：ドレイン電極、 Ａ１：第１領域、 Ａ２：第２領域、 Ａ３：第３領域、 ＣＨ：チャネル領域、 Ｄ：ドレイン領域、 ＤＢ：ダングリングボンド欠陥、 Ｓ：ソース領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】