(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-06
(45)【発行日】2024-11-14
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 29/786 20060101AFI20241107BHJP
H01L 21/8234 20060101ALI20241107BHJP
H01L 27/06 20060101ALI20241107BHJP
H01L 27/088 20060101ALI20241107BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20241107BHJP
H10B 12/00 20230101ALI20241107BHJP
【ＦＩ】
H01L29/78 613B
H01L27/06 102A
H01L27/088 E
H01L27/088 H
H01L29/78 618B
H01L29/78 626C
H10B12/00 801
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2024105903
(22)【出願日】2024-07-01
(62)【分割の表示】P 2023099055の分割
【原出願日】2011-09-07
(65)【公開番号】P2024123267
(43)【公開日】2024-09-10
【審査請求日】2024-07-01
(31)【優先権主張番号】P 2010204685
(32)【優先日】2010-09-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000153878
【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所
(72)【発明者】
【氏名】神長 正美
(72)【発明者】
【氏名】相原 大和
(72)【発明者】
【氏名】栃林 克明
(72)【発明者】
【氏名】荒川 徹
【審査官】志津木 康
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－５３１６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１４１２３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－４０７７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１８６８６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－９３９２４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ２９／７８
Ｈ０１Ｌ２７／０６－２７／１１８
Ｈ１０Ｂ１０／００－９９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、
容量素子と、
を有し、
前記第２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のトランジスタのゲートと常に導通しており、
前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方と常に導通しており、
前記容量素子の一方の電極は、前記第１のトランジスタのゲートと常に導通している半導体装置であって、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域を有するシリコン半導体層と、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第１のトランジスタのゲートとしての機能を有する第１の導電層と、
前記シリコン半導体層の上方に配置された領域を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第２のトランジスタのゲートとしての機能を有する第２の導電層と、
前記第２の導電層の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上方に配置された領域を有し、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有し、かつ、前記容量素子の一方の電極としての機能を有する第３の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に配置された領域を有し、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方としての機能を有する第４の導電層と、
前記第３の導電層の上方に配置された領域を有し、前記容量素子の他方の電極としての機能を有する第５の導電層と、
を有し、
前記第３の導電層は、前記第１の導電層と接する領域を有し、
前記第５の導電層は、前記第１の導電層と重なりを有し、
前記酸化物半導体層は、前記第５の導電層と重なりを有さず、
前記第５の導電層には、信号の電位が入力される、
半導体装置。
【請求項2】
第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、
容量素子と、
を有し、
前記第２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のトランジスタのゲートと常に導通しており、
前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方と常に導通しており、
前記容量素子の一方の電極は、前記第１のトランジスタのゲートと常に導通している半導体装置であって、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域を有するシリコン半導体層と、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第１のトランジスタのゲートとしての機能を有する第１の導電層と、
前記シリコン半導体層の上方に配置された領域を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第２のトランジスタのゲートとしての機能を有する第２の導電層と、
前記第２の導電層の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上方に配置された領域を有し、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有し、かつ、前記容量素子の一方の電極としての機能を有する第３の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に配置された領域を有し、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方としての機能を有する第４の導電層と、
前記第３の導電層の上方に配置された領域を有し、前記容量素子の他方の電極としての機能を有する第５の導電層と、
を有し、
前記第３の導電層は、前記第１の導電層と接する領域を有し、
前記第３の導電層と前記第５の導電層とが重なる領域は、前記第１の導電層と重なりを有し、
前記酸化物半導体層は、前記第５の導電層と重なりを有さず、
前記第５の導電層には、信号の電位が入力される、
半導体装置。
【請求項3】
第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、
容量素子と、
を有し、
前記第２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のトランジスタのゲートと常に導通しており、
前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方と常に導通しており、
前記容量素子の一方の電極は、前記第１のトランジスタのゲートと常に導通している半導体装置であって、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域を有するシリコン半導体層と、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第１のトランジスタのゲートとしての機能を有する第１の導電層と、
前記シリコン半導体層の上方に配置された領域を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第２のトランジスタのゲートとしての機能を有する第２の導電層と、
前記第２の導電層の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上方に配置された領域を有し、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有し、かつ、前記容量素子の一方の電極としての機能を有する第３の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に配置された領域を有し、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方としての機能を有する第４の導電層と、
前記第３の導電層の上方に配置された領域を有し、前記容量素子の他方の電極としての機能を有する第５の導電層と、
を有し、
前記第３の導電層は、前記第１の導電層と接する領域を有し、
前記第５の導電層は、前記シリコン半導体層と重なりを有し、
前記酸化物半導体層は、前記第５の導電層と重なりを有さず、
前記第５の導電層には、信号の電位が入力される、
半導体装置。
【請求項4】
第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、
容量素子と、
を有し、
前記第２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のトランジスタのゲートと常に導通しており、
前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方と常に導通しており、
前記容量素子の一方の電極は、前記第１のトランジスタのゲートと常に導通している半導体装置であって、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域を有するシリコン半導体層と、
前記第１のトランジスタのチャネル形成領域の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第１のトランジスタのゲートとしての機能を有する第１の導電層と、
前記シリコン半導体層の上方に配置された領域を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第２のトランジスタのゲートとしての機能を有する第２の導電層と、
前記第２の導電層の上方に配置された領域を有し、かつ、前記第２のトランジスタのチャネル形成領域を有する酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上方に配置された領域を有し、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方としての機能を有し、かつ、前記容量素子の一方の電極としての機能を有する第３の導電層と、
前記酸化物半導体層の上方に配置された領域を有し、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方としての機能を有する第４の導電層と、
前記第３の導電層の上方に配置された領域を有し、前記容量素子の他方の電極としての機能を有する第５の導電層と、
を有し、
前記第３の導電層は、前記第１の導電層と接する領域を有し、
前記第３の導電層と前記第５の導電層とが重なる領域は、前記シリコン半導体層と重なりを有し、
前記酸化物半導体層は、前記第５の導電層と重なりを有さず、
前記第５の導電層には、信号の電位が入力される、
半導体装置。
【請求項5】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記酸化物半導体層は、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎを含む、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
半導体装置、および半導体装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体特性を示す酸化物半導体が注目されている。半導体特性を示す酸化物半導
体は、トランジスタに適用することができる。
体は、トランジスタに適用することができる。
【0003】
酸化物半導体のエッチングには、再現性が高く所望の形状を得るためのエッチング法が
種々検討されている。その中でも、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む酸化物半導体を含んで構
成される膜の加工方法において、トランジスタの酸化物半導体層をハロゲン系ガスでエッ
チングする技術が報告されている（特許文献１参照）。
種々検討されている。その中でも、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む酸化物半導体を含んで構
成される膜の加工方法において、トランジスタの酸化物半導体層をハロゲン系ガスでエッ
チングする技術が報告されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００８－４２０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、トランジスタの構造には、半導体層上に配線層が設けられている構造がある
が、そのようなトランジスタの作製工程においては、導電層をエッチングすることにより
配線層を形成している。そのような半導体層上の導電層をエッチングする際にもハロゲン
系ガスが用いられている。
が、そのようなトランジスタの作製工程においては、導電層をエッチングすることにより
配線層を形成している。そのような半導体層上の導電層をエッチングする際にもハロゲン
系ガスが用いられている。
【0006】
そのため、上記の構造において半導体層として酸化物半導体を用いると、導電層をエッ
チングする際に酸化物半導体層も同時にエッチングされてしまうおそれがある。
チングする際に酸化物半導体層も同時にエッチングされてしまうおそれがある。
【0007】
このように酸化物半導体層がエッチングされてしまうと、酸化物半導体層の膜厚にバラ
ツキが生じてトランジスタの特性にもバラツキが生じてしまい、信頼性が低下してしまう
。
ツキが生じてトランジスタの特性にもバラツキが生じてしまい、信頼性が低下してしまう
。
【0008】
酸化物半導体を用いたトランジスタを有する半導体装置の作製方法において、導電層の
エッチング工程で、導電層の下層に位置する酸化物半導体層がエッチングされてしまうこ
とを軽減する技術を提供することを目的の一とする。
エッチング工程で、導電層の下層に位置する酸化物半導体層がエッチングされてしまうこ
とを軽減する技術を提供することを目的の一とする。
【0009】
酸化物半導体を用いたトランジスタを有する半導体装置の作製方法において、酸化物半
導体層の膜厚が薄くなって、トランジスタ特性に影響を与えてしまうことを軽減する技術
を提供することを目的の一とする。
導体層の膜厚が薄くなって、トランジスタ特性に影響を与えてしまうことを軽減する技術
を提供することを目的の一とする。
【0010】
また、高性能、高信頼性のトランジスタを有する半導体装置を作製する技術を提供する
ことを目的の一とする。
ことを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
酸化物半導体層上に配線層が積層される構造を含む半導体装置の作製方法においては、
導電層をエッチングして配線層を形成している。導電層をエッチングする際に酸化物半導
体層を保護するための保護導電膜を酸化物半導体層と導電層との間に形成する。
導電層をエッチングして配線層を形成している。導電層をエッチングする際に酸化物半導
体層を保護するための保護導電膜を酸化物半導体層と導電層との間に形成する。
【0012】
酸化物半導体層上に形成される保護導電膜および導電層をエッチングする工程を２段階
に分けて行う。２段階のエッチング工程とは、導電層をエッチングする第１のエッチング
工程、および保護導電膜をエッチングして下層の酸化物半導体層を露出させるまで行う第
２のエッチング工程である。
に分けて行う。２段階のエッチング工程とは、導電層をエッチングする第１のエッチング
工程、および保護導電膜をエッチングして下層の酸化物半導体層を露出させるまで行う第
２のエッチング工程である。
【0013】
保護導電膜は、第１のエッチング工程では、酸化物半導体層が導電層と同時にエッチン
グされてしまうことを防ぐためのエッチングストッパーとして機能させるため、導電層よ
りエッチングされにくい膜であり、一方、第２のエッチング工程では、酸化物半導体層の
露出領域において保護導電膜が残渣なく除去されるように酸化物半導体層よりエッチング
されやすい膜である必要がある。
グされてしまうことを防ぐためのエッチングストッパーとして機能させるため、導電層よ
りエッチングされにくい膜であり、一方、第２のエッチング工程では、酸化物半導体層の
露出領域において保護導電膜が残渣なく除去されるように酸化物半導体層よりエッチング
されやすい膜である必要がある。
【0014】
従って、第１のエッチング工程は、導電層と保護導電膜とのエッチング選択比が高い条
件で行い、第２のエッチング工程は、保護導電膜と酸化物半導体層とのエッチング選択比
が高い条件で行う。
件で行い、第２のエッチング工程は、保護導電膜と酸化物半導体層とのエッチング選択比
が高い条件で行う。
【0015】
なお、本明細書中では、Ａのエッチング速度をＢのエッチング速度で割ったものを「Ａ
とＢとのエッチング選択比」と定義する。例えば「導電層と保護導電膜とのエッチング選
択比」とは、導電層のエッチング速度を保護導電膜のエッチング速度で割った値を意味し
ている。また、本明細書では、「エッチング選択比が高い」とはエッチング選択比が１よ
り大きいことを意味する。
とＢとのエッチング選択比」と定義する。例えば「導電層と保護導電膜とのエッチング選
択比」とは、導電層のエッチング速度を保護導電膜のエッチング速度で割った値を意味し
ている。また、本明細書では、「エッチング選択比が高い」とはエッチング選択比が１よ
り大きいことを意味する。
【0016】
導電層は、保護導電膜とのエッチング選択比が高いため、保護導電膜の膜厚は薄くても
エッチングストッパーとして機能することができる。
エッチングストッパーとして機能することができる。
【0017】
保護導電膜の膜厚を薄くすることにより、保護導電膜をエッチングする時間を短時間に
できる。
できる。
【0018】
第１のエッチングは、塩素系ガスを用いて行い、第２のエッチングは塩素系ガスとフッ
素系ガスの混合ガスを用いて行うことが好ましい。
素系ガスの混合ガスを用いて行うことが好ましい。
【0019】
なお、具体的には、塩素系ガスとしてはＢＣｌ３とＣｌ２の混合ガスが挙げられる。塩
素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスとしてはＳＦ６とＣｌ２の混合ガスが挙げられる。
素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスとしてはＳＦ６とＣｌ２の混合ガスが挙げられる。
【0020】
本明細書中に開示される半導体装置の作製方法の一態様の好ましい形態として、具体的
な構成を以下に説明する。
な構成を以下に説明する。
【0021】
本明細書中に開示される半導体装置の作製方法の一態様は、ゲート電極層を形成し、ゲ
ート電極層上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体層を形成し、酸化
物半導体層上に保護導電膜を形成し、保護導電膜上に導電層を形成し、導電層上にレジス
トマスクを形成し、レジストマスクを用いて、塩素系ガスを用いる第１のエッチング工程
により、選択的に導電層をエッチングして保護導電膜を露出させ、レジストマスクを用い
て、塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスを用いる第２のエッチング工程により、選択的
に保護導電膜をエッチングして酸化物半導体層を露出させると共に配線層を形成し、酸化
物半導体層、保護導電膜、配線層上に絶縁膜を形成し、第１のエッチング工程において、
保護導電膜が導電層よりエッチングされにくく、導電層と保護導電膜とのエッチング選択
比が高い条件で行い、第２のエッチング工程において、保護導電膜が酸化物半導体層より
エッチングされやすく、保護導電膜と酸化物半導体層とのエッチング選択比が高い条件で
行う。
ート電極層上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に酸化物半導体層を形成し、酸化
物半導体層上に保護導電膜を形成し、保護導電膜上に導電層を形成し、導電層上にレジス
トマスクを形成し、レジストマスクを用いて、塩素系ガスを用いる第１のエッチング工程
により、選択的に導電層をエッチングして保護導電膜を露出させ、レジストマスクを用い
て、塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスを用いる第２のエッチング工程により、選択的
に保護導電膜をエッチングして酸化物半導体層を露出させると共に配線層を形成し、酸化
物半導体層、保護導電膜、配線層上に絶縁膜を形成し、第１のエッチング工程において、
保護導電膜が導電層よりエッチングされにくく、導電層と保護導電膜とのエッチング選択
比が高い条件で行い、第２のエッチング工程において、保護導電膜が酸化物半導体層より
エッチングされやすく、保護導電膜と酸化物半導体層とのエッチング選択比が高い条件で
行う。
【0022】
本明細書中に開示される半導体装置の作製方法の一態様は、酸化物半導体層を形成し、
酸化物半導体層上に保護導電膜を形成し、保護導電膜上に導電層を形成し、導電層上にレ
ジストマスクを形成し、レジストマスクを用いて、塩素系ガスを用いる第１のエッチング
工程により、選択的に導電層をエッチングして保護導電膜を露出させ、レジストマスクを
用いて、塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスを用いる第２のエッチング工程により、選
択的に保護導電膜をエッチングして酸化物半導体層を露出させると共に配線層を形成し、
配線層上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上の酸化物半導体層と重畳する領域にゲ
ート電極層を形成し、第１のエッチング工程において、保護導電膜が導電層よりエッチン
グされにくく、導電層と保護導電膜とのエッチング選択比が高い条件で行い、第２のエッ
チング工程において、保護導電膜が酸化物半導体層よりエッチングされやすく、保護導電
膜と酸化物半導体層とのエッチング選択比が高い条件で行う。
酸化物半導体層上に保護導電膜を形成し、保護導電膜上に導電層を形成し、導電層上にレ
ジストマスクを形成し、レジストマスクを用いて、塩素系ガスを用いる第１のエッチング
工程により、選択的に導電層をエッチングして保護導電膜を露出させ、レジストマスクを
用いて、塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスを用いる第２のエッチング工程により、選
択的に保護導電膜をエッチングして酸化物半導体層を露出させると共に配線層を形成し、
配線層上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上の酸化物半導体層と重畳する領域にゲ
ート電極層を形成し、第１のエッチング工程において、保護導電膜が導電層よりエッチン
グされにくく、導電層と保護導電膜とのエッチング選択比が高い条件で行い、第２のエッ
チング工程において、保護導電膜が酸化物半導体層よりエッチングされやすく、保護導電
膜と酸化物半導体層とのエッチング選択比が高い条件で行う。
【0023】
本明細書中に開示される半導体装置の作製方法の一態様において、例えば、保護導電膜
の膜厚は、酸化物半導体層の膜厚以下であると好ましい。
の膜厚は、酸化物半導体層の膜厚以下であると好ましい。
【0024】
本明細書中に開示される半導体装置の作製方法の一態様において、例えば、第１のエッ
チング工程は、導電層と保護導電膜とのエッチング選択比が４以上、好ましくは６以上で
あり、第２のエッチング工程は、保護導電膜と酸化物半導体層とのエッチング選択比が３
０以上、好ましくは４５以上であればよい。
チング工程は、導電層と保護導電膜とのエッチング選択比が４以上、好ましくは６以上で
あり、第２のエッチング工程は、保護導電膜と酸化物半導体層とのエッチング選択比が３
０以上、好ましくは４５以上であればよい。
【0025】
本明細書中に開示される半導体装置の作製方法の一態様において、例えば、配線層は材
料にアルミニウムを含む膜を有する積層構造を形成すると好ましい。
料にアルミニウムを含む膜を有する積層構造を形成すると好ましい。
【0026】
本明細書中に開示される半導体装置の作製方法の一態様において、例えば、配線層はア
ルミニウムを含む膜の下層にチタン膜を有する積層構造を形成すると好ましい。
ルミニウムを含む膜の下層にチタン膜を有する積層構造を形成すると好ましい。
【0027】
本明細書中に開示される半導体装置の作製方法の一態様において、例えば、保護導電膜
はタングステン膜を用いて形成すると好ましい。
はタングステン膜を用いて形成すると好ましい。
【0028】
本明細書中に開示される半導体装置の作製方法の一態様において、例えば、酸化物半導
体層はインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む膜を用いて形成すると好ましい。
体層はインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む膜を用いて形成すると好ましい。
【発明の効果】
【0029】
高いエッチング選択比で導電層のエッチングを行うことで酸化物半導体層のエッチング
を軽減することができる。
を軽減することができる。
【0030】
エッチング工程を精度良く制御することができるため、ノーマリーオンになりにくい薄
膜の酸化物半導体層を有するトランジスタを作製することができる。
膜の酸化物半導体層を有するトランジスタを作製することができる。
【0031】
また、酸化物半導体層の膜厚にバラツキが生じることを軽減でき、トランジスタのリー
ク電流を抑制し、高性能、高信頼性のトランジスタを有する半導体装置を作製することが
可能である。
ク電流を抑制し、高性能、高信頼性のトランジスタを有する半導体装置を作製することが
可能である。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】半導体装置の作製方法を説明する断面図。
【図2】半導体装置の作製方法を説明する断面図。
【図3】半導体装置の平面図および断面図。
【図4】半導体装置の断面図。
【図5】半導体装置の断面図、上面図および回路図。
【図6】電子機器を示す図。
【図7】実施例１で説明するＳＴＥＭ像。
【図8】実施例１で説明する比較例のＳＴＥＭ像。
【図9】実施例２で説明するＳＴＥＭ像。
【発明を実施するための形態】
【0033】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明
は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態
および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、
本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、
図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共
通して用いる。また、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付
さないことがある。また、便宜上、絶縁層は上面図には表さないことがある。
は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態
および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、
本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、
図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共
通して用いる。また、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付
さないことがある。また、便宜上、絶縁層は上面図には表さないことがある。
【0034】
なお、以下の説明において、第１、第２などの序数詞は、説明の便宜上付したものであ
り、その数を限定するものではない。
り、その数を限定するものではない。
【0035】
（実施の形態１）
本実施の形態は、本発明の一態様であるトランジスタを有する半導体装置の作製方法に
ついて説明する。
本実施の形態は、本発明の一態様であるトランジスタを有する半導体装置の作製方法に
ついて説明する。
【0036】
まず、基板１００上にゲート電極層１０２を選択的に形成する（図１（Ａ）参照）。
【0037】
基板１００は、絶縁性表面を有するものを用いればよい。例えば、ガラス基板、石英基
板、表面に絶縁層が設けられた半導体基板、または表面に絶縁層が設けられたステンレス
基板などを用いればよい。
板、表面に絶縁層が設けられた半導体基板、または表面に絶縁層が設けられたステンレス
基板などを用いればよい。
【0038】
ゲート電極層１０２は、導電性材料により形成すればよく、ゲート電極層１０２となる
導電性材料膜を形成し、これをフォトリソグラフィ法により加工すればよい。
導電性材料膜を形成し、これをフォトリソグラフィ法により加工すればよい。
【0039】
ゲート電極層１０２を覆ってゲート絶縁膜１０４を形成し、ゲート絶縁膜１０４上に酸
化物半導体層１０６を選択的に形成する（図１（Ｂ）参照）。
化物半導体層１０６を選択的に形成する（図１（Ｂ）参照）。
【0040】
ゲート絶縁膜１０４は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化酸
化シリコンなどを用いて形成すればよく、スパッタリング法により形成することが好まし
い。酸化物半導体層１０６に接するゲート絶縁膜１０４からは、水分および水素を極力除
去しておくことが好ましいからである。なお、ゲート絶縁膜１０４は単層であってもよい
し、複数の層が積層されて設けられていてもよい。
化シリコンなどを用いて形成すればよく、スパッタリング法により形成することが好まし
い。酸化物半導体層１０６に接するゲート絶縁膜１０４からは、水分および水素を極力除
去しておくことが好ましいからである。なお、ゲート絶縁膜１０４は単層であってもよい
し、複数の層が積層されて設けられていてもよい。
【0041】
なお、「酸化窒化シリコン」とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いも
のであって、好ましくは、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂ
ａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）および水素前方散乱法（ＨＦ
Ｓ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合
に、組成範囲として酸素が５０原子％～７０原子％、窒素が０．５原子％～１５原子％、
シリコンが２５原子％～３５原子％の範囲で含まれるものをいう。
のであって、好ましくは、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂ
ａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）および水素前方散乱法（ＨＦ
Ｓ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合
に、組成範囲として酸素が５０原子％～７０原子％、窒素が０．５原子％～１５原子％、
シリコンが２５原子％～３５原子％の範囲で含まれるものをいう。
【0042】
なお、「窒化酸化シリコン」とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いも
のであって、好ましくは、ＲＢＳおよびＨＦＳを用いて測定した場合に、組成範囲として
酸素が５～３０原子％、窒素が２０原子％～５５原子％、シリコンが２５原子％～３５原
子％の範囲で含まれるものをいう。ただし、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを
構成する原子の合計を１００原子％としたとき、窒素、酸素、シリコンの含有比率が上記
の範囲内に含まれるものとする。
のであって、好ましくは、ＲＢＳおよびＨＦＳを用いて測定した場合に、組成範囲として
酸素が５～３０原子％、窒素が２０原子％～５５原子％、シリコンが２５原子％～３５原
子％の範囲で含まれるものをいう。ただし、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを
構成する原子の合計を１００原子％としたとき、窒素、酸素、シリコンの含有比率が上記
の範囲内に含まれるものとする。
【0043】
また、ゲート絶縁膜１０４は、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸
化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が
添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加さ
れたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、などを含むように
形成するのが好適である。また、その厚さは特に限定されないが、半導体装置を微細化す
る場合には、トランジスタの動作を確保するために薄くするのが望ましい。例えば、酸化
シリコンを用いる場合には、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎ
ｍ以下とすることができる。
化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が
添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加さ
れたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、などを含むように
形成するのが好適である。また、その厚さは特に限定されないが、半導体装置を微細化す
る場合には、トランジスタの動作を確保するために薄くするのが望ましい。例えば、酸化
シリコンを用いる場合には、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎ
ｍ以下とすることができる。
【0044】
上述のように、ゲート絶縁膜を薄くすると、トンネル効果などに起因するゲートリーク
が問題となる。ゲートリークの問題を解消するには、ゲート絶縁膜１０４に、酸化ハフニ
ウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞
０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ
＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０
））、などの高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料を用いると良い。ｈｉｇｈ－ｋ材料をゲート
絶縁膜１０４に用いることで、電気的特性を確保しつつ、ゲートリークを抑制するために
膜厚を大きくすることが可能になる。なお、ｈｉｇｈ－ｋ材料を含む膜と、酸化シリコン
、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウムなどのいずれ
かを含む膜との積層構造としてもよい。
が問題となる。ゲートリークの問題を解消するには、ゲート絶縁膜１０４に、酸化ハフニ
ウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞
０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ
＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０
））、などの高誘電率（ｈｉｇｈ－ｋ）材料を用いると良い。ｈｉｇｈ－ｋ材料をゲート
絶縁膜１０４に用いることで、電気的特性を確保しつつ、ゲートリークを抑制するために
膜厚を大きくすることが可能になる。なお、ｈｉｇｈ－ｋ材料を含む膜と、酸化シリコン
、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウムなどのいずれ
かを含む膜との積層構造としてもよい。
【0045】
酸化物半導体層１０６を形成する酸化物半導体としては、水や水素などの不純物が除去
され、酸化物半導体の主成分以外のキャリア供与体となる不純物が極力含まれないように
高純度化し、十分な酸素が供給されることにより真性（ｉ型）化または実質的に真性（ｉ
型）化された酸化物半導体を用いる。
され、酸化物半導体の主成分以外のキャリア供与体となる不純物が極力含まれないように
高純度化し、十分な酸素が供給されることにより真性（ｉ型）化または実質的に真性（ｉ
型）化された酸化物半導体を用いる。
【0046】
上述のように、トランジスタに用いられる酸化物半導体層１０６は水素などの不純物が
十分に除去され、十分な酸素が供給されることにより、高純度化されたものであることが
望ましい。具体的には、例えば、酸化物半導体層１０６の水素濃度は５×１０１９ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望ましくは５
×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。なお、上述の酸化物半導体層１０６中の水素
濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓ
ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定されるものである。このように、水素濃度が十分に低減
されて高純度化され、十分な酸素の供給により酸素欠乏に起因するエネルギーギャップ中
の欠陥準位が低減された酸化物半導体層１０６では、キャリア濃度が１×１０１２／ｃｍ
３未満、望ましくは、１×１０１１／ｃｍ３未満、より望ましくは１．４５×１０１０／
ｃｍ３未満となる。例えば、室温（２５℃）でのオフ電流（ここでは、単位チャネル幅（
１μｍ）あたりの値）は１００ｚＡ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×１０－２１Ａ）以
下、望ましくは１０ｚＡ以下となる。このように、ｉ型化（真性化）または実質的にｉ型
化された酸化物半導体層１０６を用いることで、極めて優れたオフ電流特性のトランジス
タを得ることができる。
十分に除去され、十分な酸素が供給されることにより、高純度化されたものであることが
望ましい。具体的には、例えば、酸化物半導体層１０６の水素濃度は５×１０１９ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ３以下、望ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より望ましくは５
×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。なお、上述の酸化物半導体層１０６中の水素
濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓ
ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で測定されるものである。このように、水素濃度が十分に低減
されて高純度化され、十分な酸素の供給により酸素欠乏に起因するエネルギーギャップ中
の欠陥準位が低減された酸化物半導体層１０６では、キャリア濃度が１×１０１２／ｃｍ
３未満、望ましくは、１×１０１１／ｃｍ３未満、より望ましくは１．４５×１０１０／
ｃｍ３未満となる。例えば、室温（２５℃）でのオフ電流（ここでは、単位チャネル幅（
１μｍ）あたりの値）は１００ｚＡ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×１０－２１Ａ）以
下、望ましくは１０ｚＡ以下となる。このように、ｉ型化（真性化）または実質的にｉ型
化された酸化物半導体層１０６を用いることで、極めて優れたオフ電流特性のトランジス
タを得ることができる。
【0047】
また、酸化物半導体層１０６のナトリウム濃度は５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下
、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体層１０６のリチウム濃度は５×１０１５
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また
、酸化物半導体層１０６のカリウム濃度は５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好まし
くは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。なお、上述の酸化物半導体層１０６中
のナトリウム濃度、リチウム濃度およびカリウム濃度は、二次イオン質量分析法で測定さ
れるものである。アルカリ金属、およびアルカリ土類金属は酸化物半導体にとっては悪性
の不純物であり、少ない方がよい。特にアルカリ金属のうち、ナトリウムは酸化物半導体
に接する絶縁膜が酸化物であった場合、その中に拡散し、Ｎａ＋となる。また、酸化物半
導体内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合中に割り込む。その結果、ト
ランジスタ特性の劣化（例えば、ノーマリーオン化（しきい値の負へのシフト）、移動度
の低下等）をもたらす。加えて、特性のばらつきの原因ともなる。このような問題は、特
に酸化物半導体中の水素の濃度が十分に低い場合において顕著となる。したがって、酸化
物半導体中の水素の濃度が５×１０１９ｃｍ－３以下、特に５×１０１８ｃｍ－３以下で
ある場合には、アルカリ金属の濃度を上記の値にすることが強く求められる。
、好ましくは１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１５ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また、酸化物半導体層１０６のリチウム濃度は５×１０１５
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。また
、酸化物半導体層１０６のカリウム濃度は５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好まし
くは１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。なお、上述の酸化物半導体層１０６中
のナトリウム濃度、リチウム濃度およびカリウム濃度は、二次イオン質量分析法で測定さ
れるものである。アルカリ金属、およびアルカリ土類金属は酸化物半導体にとっては悪性
の不純物であり、少ない方がよい。特にアルカリ金属のうち、ナトリウムは酸化物半導体
に接する絶縁膜が酸化物であった場合、その中に拡散し、Ｎａ＋となる。また、酸化物半
導体内において、金属と酸素の結合を分断し、あるいは結合中に割り込む。その結果、ト
ランジスタ特性の劣化（例えば、ノーマリーオン化（しきい値の負へのシフト）、移動度
の低下等）をもたらす。加えて、特性のばらつきの原因ともなる。このような問題は、特
に酸化物半導体中の水素の濃度が十分に低い場合において顕著となる。したがって、酸化
物半導体中の水素の濃度が５×１０１９ｃｍ－３以下、特に５×１０１８ｃｍ－３以下で
ある場合には、アルカリ金属の濃度を上記の値にすることが強く求められる。
【0048】
このような高純度化された酸化物半導体は界面準位および界面電荷に対して極めて敏感
であるため、ゲート絶縁膜１０４と酸化物半導体層１０６の界面の状態（界面準位、界面
電荷など）を適切なものとなるよう調整することは重要である。そのため、高純度化され
た酸化物半導体に接するゲート絶縁膜１０４は、高品質であることが好ましい。ここで、
「ゲート絶縁膜１０４が高品質である」とは、ゲート絶縁膜１０４の表面もしくは膜中に
含まれる欠陥が少なく、電荷をトラップする欠陥準位や界面準位が少なく、固定電荷が発
生しづらいことなどが挙げられる。
であるため、ゲート絶縁膜１０４と酸化物半導体層１０６の界面の状態（界面準位、界面
電荷など）を適切なものとなるよう調整することは重要である。そのため、高純度化され
た酸化物半導体に接するゲート絶縁膜１０４は、高品質であることが好ましい。ここで、
「ゲート絶縁膜１０４が高品質である」とは、ゲート絶縁膜１０４の表面もしくは膜中に
含まれる欠陥が少なく、電荷をトラップする欠陥準位や界面準位が少なく、固定電荷が発
生しづらいことなどが挙げられる。
【0049】
ゲート絶縁膜１０４は、例えば、マイクロ波（例えば周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた
高密度プラズマＣＶＤ法により形成されることで、緻密で絶縁耐圧を高くできるため好ま
しい。高純度化された酸化物半導体層と高品質なゲート絶縁膜が密接するように形成され
ると、界面準位を低減し、界面特性を良好なものとすることができるからである。
高密度プラズマＣＶＤ法により形成されることで、緻密で絶縁耐圧を高くできるため好ま
しい。高純度化された酸化物半導体層と高品質なゲート絶縁膜が密接するように形成され
ると、界面準位を低減し、界面特性を良好なものとすることができるからである。
【0050】
もちろん、ゲート絶縁膜１０４として高品質な絶縁層を形成できるものであれば、スパ
ッタリング法やプラズマＣＶＤ法など他の成膜方法を適用してもよい。
ッタリング法やプラズマＣＶＤ法など他の成膜方法を適用してもよい。
【0051】
また、酸化物半導体層１０６に接するゲート絶縁膜１０４は、第１３族元素および酸素
を含む絶縁材料としてもよい。酸化物半導体材料には第１３族元素を含むものが多く、第
１３族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体層に接す
る絶縁層に用いることで、酸化物半導体層との界面の状態を良好に保つことができる。ま
た、後述する、酸化物半導体膜の保護膜として機能する絶縁膜１１６についても同様に第
１３族元素および酸素を含む絶縁材料としてもよい。
を含む絶縁材料としてもよい。酸化物半導体材料には第１３族元素を含むものが多く、第
１３族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体層に接す
る絶縁層に用いることで、酸化物半導体層との界面の状態を良好に保つことができる。ま
た、後述する、酸化物半導体膜の保護膜として機能する絶縁膜１１６についても同様に第
１３族元素および酸素を含む絶縁材料としてもよい。
【0052】
ここで、第１３族元素を含む絶縁材料とは、絶縁材料に一または複数の第１３族元素を
含むことを意味する。第１３族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸
化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。こ
こで、酸化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量（原子％）よりアルミニウムの
含有量（原子％）が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、アルミニウムの含
有量（原子％）よりガリウムの含有量（原子％）が多いものを示す。
含むことを意味する。第１３族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸
化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。こ
こで、酸化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量（原子％）よりアルミニウムの
含有量（原子％）が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、アルミニウムの含
有量（原子％）よりガリウムの含有量（原子％）が多いものを示す。
【0053】
例えば、ガリウムを含有する酸化物半導体層に接してゲート絶縁膜を形成する場合に、
ゲート絶縁膜に酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体層とゲート絶縁膜の
界面特性を良好に保つことができる。また、酸化物半導体層と酸化ガリウムを含む絶縁層
とを接して設けることにより、酸化物半導体層と絶縁層の界面における水素のパイルアッ
プを低減することができる。なお、絶縁層に酸化物半導体の成分元素と同じ族の元素を用
いる場合には、同様の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材
料を用いて絶縁層を形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過さ
せにくいという特性を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体層への水
の侵入防止という点においても好ましい。
ゲート絶縁膜に酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体層とゲート絶縁膜の
界面特性を良好に保つことができる。また、酸化物半導体層と酸化ガリウムを含む絶縁層
とを接して設けることにより、酸化物半導体層と絶縁層の界面における水素のパイルアッ
プを低減することができる。なお、絶縁層に酸化物半導体の成分元素と同じ族の元素を用
いる場合には、同様の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材
料を用いて絶縁層を形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過さ
せにくいという特性を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体層への水
の侵入防止という点においても好ましい。
【0054】
また、酸化物半導体層１０６に接する絶縁層、例えばゲート絶縁膜１０４は、酸素雰囲
気下による熱処理や、酸素ドープなどにより、絶縁材料を化学量論的組成比より酸素が多
い状態とすることが好ましい。酸素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。な
お、当該バルクという用語は、酸素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確
にする趣旨で用いている。また、酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加す
る酸素プラズマドープが含まれる。また、酸素ドープは、イオン注入法またはイオンドー
ピング法を用いて行ってもよい。
気下による熱処理や、酸素ドープなどにより、絶縁材料を化学量論的組成比より酸素が多
い状態とすることが好ましい。酸素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。な
お、当該バルクという用語は、酸素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確
にする趣旨で用いている。また、酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加す
る酸素プラズマドープが含まれる。また、酸素ドープは、イオン注入法またはイオンドー
ピング法を用いて行ってもよい。
【0055】
例えば、酸化物半導体層１０６に接する絶縁層として酸化ガリウムを用いた場合、酸素
雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムの組成をＧａ２Ｏ
ｘ（ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。また、酸化物半導体層１０６に接す
る絶縁層として酸化アルミニウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドー
プを行うことにより、酸化アルミニウムの組成をＡｌ２Ｏｘ（ｘ＝３＋α、０＜α＜１）
とすることができる。または、酸化物半導体層１０６に接する絶縁層として酸化ガリウム
アルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）を用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や
、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム
）の組成をＧａｘＡｌ２－ｘＯ３＋α（０＜ｘ＜２、０＜α＜１）とすることができる。
雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムの組成をＧａ２Ｏ
ｘ（ｘ＝３＋α、０＜α＜１）とすることができる。また、酸化物半導体層１０６に接す
る絶縁層として酸化アルミニウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドー
プを行うことにより、酸化アルミニウムの組成をＡｌ２Ｏｘ（ｘ＝３＋α、０＜α＜１）
とすることができる。または、酸化物半導体層１０６に接する絶縁層として酸化ガリウム
アルミニウム（酸化アルミニウムガリウム）を用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や
、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムアルミニウム（酸化アルミニウムガリウム
）の組成をＧａｘＡｌ２－ｘＯ３＋α（０＜ｘ＜２、０＜α＜１）とすることができる。
【0056】
酸素ドープ処理等を行うことにより、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶
縁層を形成することができる。このような領域を備える絶縁層と酸化物半導体層が接する
ことにより、絶縁層中の過剰な酸素が酸化物半導体層に供給され、酸化物半導体層中、ま
たは酸化物半導体層と絶縁層の界面における酸素不足欠陥を低減し、脱水化処理または脱
水素化処理された酸化物半導体層をｉ型化またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体とする
ことができる。
縁層を形成することができる。このような領域を備える絶縁層と酸化物半導体層が接する
ことにより、絶縁層中の過剰な酸素が酸化物半導体層に供給され、酸化物半導体層中、ま
たは酸化物半導体層と絶縁層の界面における酸素不足欠陥を低減し、脱水化処理または脱
水素化処理された酸化物半導体層をｉ型化またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体とする
ことができる。
【0057】
なお、化学量論的組成比より酸素が多い領域を有する絶縁層は、ゲート絶縁膜１０４に
代えて、酸化物半導体層１０６の保護膜として形成する絶縁膜（例えば、後述する絶縁膜
１１６など）に適用しても良く、ゲート絶縁膜１０４および保護膜として形成する絶縁膜
の双方に適用しても良い。
代えて、酸化物半導体層１０６の保護膜として形成する絶縁膜（例えば、後述する絶縁膜
１１６など）に適用しても良く、ゲート絶縁膜１０４および保護膜として形成する絶縁膜
の双方に適用しても良い。
【0058】
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（Ｓ
ｎ）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。
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（Ｓ
ｎ）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。
【0059】
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。
（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。
【0060】
酸化物半導体層１０６を形成する酸化物半導体としては、四元系金属酸化物であるＩｎ
－Ｓｎ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ－Ｈｆ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ－Ａｌ－Ｇａ－Ｚ
ｎ系酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ａｌ－Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｈｆ－Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ
－Ｈｆ－Ａｌ－Ｚｎ系酸化物や、三元系金属酸化物であるＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物（Ｉ
ＧＺＯ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－Ｈ
ｆ－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－Ｚ
ｎ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系酸化物や、単元系金属酸
化物である酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛などを用いることができる。Ｉｎ－Ｇａ
－Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、
ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入ってい
てもよい。
－Ｓｎ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ－Ｈｆ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ－Ａｌ－Ｇａ－Ｚ
ｎ系酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ａｌ－Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｈｆ－Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ
－Ｈｆ－Ａｌ－Ｚｎ系酸化物や、三元系金属酸化物であるＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物（Ｉ
ＧＺＯ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－Ｈ
ｆ－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－Ｚ
ｎ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系酸化物や、単元系金属酸
化物である酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛などを用いることができる。Ｉｎ－Ｇａ
－Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、
ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入ってい
てもよい。
【0061】
また、酸化物半導体層１０６は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記され
る薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選
ばれた一または複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、ＧａおよびＡｌ、Ｇａお
よびＭｎ、またはＧａおよびＣｏなどがある。
る薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選
ばれた一または複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、ＧａおよびＡｌ、Ｇａお
よびＭｎ、またはＧａおよびＣｏなどがある。
【0062】
また、酸化物半導体層１０６を形成する酸化物半導体の薄膜をスパッタリング法で形成
するためのターゲットとしては、例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：Ｚｎ
Ｏ＝１：１：１［ｍｏｌ比］の酸化物半導体成膜用ターゲットを用いて、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚ
ｎ系酸化物膜を成膜する。また、このターゲットの材料および組成に限定されず、例えば
、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ比］の酸化物半導体成膜用ター
ゲットを用いてもよい。なお、ここで、例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物膜とは、イン
ジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜、という意味であり
、その組成比はとくに問わない。
するためのターゲットとしては、例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：Ｚｎ
Ｏ＝１：１：１［ｍｏｌ比］の酸化物半導体成膜用ターゲットを用いて、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚ
ｎ系酸化物膜を成膜する。また、このターゲットの材料および組成に限定されず、例えば
、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ比］の酸化物半導体成膜用ター
ゲットを用いてもよい。なお、ここで、例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ系酸化物膜とは、イン
ジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜、という意味であり
、その組成比はとくに問わない。
【0063】
また、酸化物半導体としてＩｎ－Ｚｎ系の酸化物を用いる場合、用いるターゲットの組
成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１～１：２（モル比に換算するとＩｎ２Ｏ３：
ＺｎＯ＝２５：１～１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１～１：１（モル比に換算
するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１～１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１５：
１～１．５：１（モル比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２～３：４）とする。
例えば、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ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。
成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１～１：２（モル比に換算するとＩｎ２Ｏ３：
ＺｎＯ＝２５：１～１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１～１：１（モル比に換算
するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１～１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１５：
１～１．５：１（モル比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２～３：４）とする。
例えば、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ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。
【0064】
また、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ系の酸化物は、ＩＴＺＯと呼ぶことができ、用いるターゲット
の組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：２：２、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：
３、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１、またはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２０：４５：３５などと
なる酸化物ターゲットを用いる。
の組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：２：２、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：
３、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１、またはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２０：４５：３５などと
なる酸化物ターゲットを用いる。
【0065】
また、酸化物半導体層１０６となる半導体膜の厚さは、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする
のが望ましい。酸化物半導体層１０６となる半導体膜を厚くしすぎると（例えば、膜厚を
５０ｎｍ以上）、トランジスタがノーマリーオンとなってしまう恐れがあるためである。
のが望ましい。酸化物半導体層１０６となる半導体膜を厚くしすぎると（例えば、膜厚を
５０ｎｍ以上）、トランジスタがノーマリーオンとなってしまう恐れがあるためである。
【0066】
ここでは、酸化物半導体層１０６となる半導体膜は、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系の酸化物
半導体成膜用ターゲットを用いてスパッタリング法により減圧雰囲気下で形成される。
半導体成膜用ターゲットを用いてスパッタリング法により減圧雰囲気下で形成される。
【0067】
また、酸化物半導体成膜用ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは
９５％以上９９．９％以下である。このように、充填率の高い酸化物半導体成膜用ターゲ
ットを用いることにより、成膜される酸化物半導体膜を緻密な膜とすることができる。
９５％以上９９．９％以下である。このように、充填率の高い酸化物半導体成膜用ターゲ
ットを用いることにより、成膜される酸化物半導体膜を緻密な膜とすることができる。
【0068】
例えば、酸化物半導体層は、次のように形成することができる。
【0069】
まず、減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持し、基板温度が、２００℃を超えて
５００℃以下、好ましくは３００℃を超えて５００℃以下、より好ましくは３５０℃以上
４５０℃以下となるように加熱する。
５００℃以下、好ましくは３００℃を超えて５００℃以下、より好ましくは３５０℃以上
４５０℃以下となるように加熱する。
【0070】
次に、成膜室内の残留水分を除去しつつ、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導入し、上記ターゲットを用いて基板上に酸化物半導体層
を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、排気手段として、クライオポンプ
、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどの吸着型の真空ポンプを用いること
が望ましい。また、排気手段は、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであって
もよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素、水、水酸基または水
素化物などの不純物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）などが除去されているた
め、当該成膜室で成膜した酸化物半導体層に含まれる水素、水、水酸基または水素化物な
どの不純物の濃度を低減することができる。
十分に除去された高純度ガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板上に酸化物半導体層
を成膜する。成膜室内の残留水分を除去するためには、排気手段として、クライオポンプ
、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどの吸着型の真空ポンプを用いること
が望ましい。また、排気手段は、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであって
もよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素、水、水酸基または水
素化物などの不純物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）などが除去されているた
め、当該成膜室で成膜した酸化物半導体層に含まれる水素、水、水酸基または水素化物な
どの不純物の濃度を低減することができる。
【0071】
成膜中の基板温度が低温（例えば、１００℃以下）の場合、酸化物半導体に水素原子を
含む物質が混入するおそれがあるため、基板を上述の温度で加熱することが好ましい。基
板を上述の温度で加熱して、酸化物半導体層の成膜を行うことにより、基板温度は高温と
なるため、水素結合は熱により切断され、水素原子を含む物質が酸化物半導体層に取り込
まれにくい。したがって、基板が上述の温度で加熱された状態で、酸化物半導体層の成膜
を行うことにより、酸化物半導体層に含まれる水素、水、水酸基または水素化物などの不
純物の濃度を十分に低減することができる。また、スパッタリングによる酸化物半導体層
の損傷を軽減することができる。
含む物質が混入するおそれがあるため、基板を上述の温度で加熱することが好ましい。基
板を上述の温度で加熱して、酸化物半導体層の成膜を行うことにより、基板温度は高温と
なるため、水素結合は熱により切断され、水素原子を含む物質が酸化物半導体層に取り込
まれにくい。したがって、基板が上述の温度で加熱された状態で、酸化物半導体層の成膜
を行うことにより、酸化物半導体層に含まれる水素、水、水酸基または水素化物などの不
純物の濃度を十分に低減することができる。また、スパッタリングによる酸化物半導体層
の損傷を軽減することができる。
【0072】
成膜条件の一例として、基板とターゲットの間との距離を６０ｍｍ、圧力を０．４Ｐａ
、直流（ＤＣ）電源を０．５ｋＷ、基板温度を４００℃、成膜雰囲気を酸素（酸素流量比
率１００％）雰囲気とする。なお、パルス直流電源を用いると、成膜時に発生する粉状物
質（パーティクル、ごみともいう）が軽減でき、膜厚分布も小さくなるため好ましい。
、直流（ＤＣ）電源を０．５ｋＷ、基板温度を４００℃、成膜雰囲気を酸素（酸素流量比
率１００％）雰囲気とする。なお、パルス直流電源を用いると、成膜時に発生する粉状物
質（パーティクル、ごみともいう）が軽減でき、膜厚分布も小さくなるため好ましい。
【0073】
なお、酸化物半導体層をスパッタリング法により形成する前に、アルゴンガスを導入し
てプラズマを発生させる逆スパッタを行い、酸化物半導体層の被形成表面に付着している
粉状物質（パーティクル、ごみともいう）を除去することが好ましい。逆スパッタとは、
基板に電圧を印加し、基板近傍にプラズマを形成して、基板側の表面を改質する方法であ
る。なお、アルゴンに代えて、窒素、ヘリウム、酸素などのガスを用いてもよい。
てプラズマを発生させる逆スパッタを行い、酸化物半導体層の被形成表面に付着している
粉状物質（パーティクル、ごみともいう）を除去することが好ましい。逆スパッタとは、
基板に電圧を印加し、基板近傍にプラズマを形成して、基板側の表面を改質する方法であ
る。なお、アルゴンに代えて、窒素、ヘリウム、酸素などのガスを用いてもよい。
【0074】
なお、酸化物半導体層１０６を形成する前に予備加熱を行うことで、予め脱水化または
脱水素化しておいてもよい。
脱水素化しておいてもよい。
【0075】
なお、酸化物半導体層１０６となる半導体膜を形成する前には、成膜室内の残留水分と
水素を十分に除去することが好ましい。従って、酸化物半導体層１０６となる半導体膜の
形成前に、吸着型の真空ポンプ（例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリ
メーションポンプ）を用いて排気を行うことが好ましい。
水素を十分に除去することが好ましい。従って、酸化物半導体層１０６となる半導体膜の
形成前に、吸着型の真空ポンプ（例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリ
メーションポンプ）を用いて排気を行うことが好ましい。
【0076】
また、酸化物半導体層は、第１の結晶性酸化物半導体層上に第１の結晶性酸化物半導体
層よりも厚い第２の結晶性酸化物半導体層を有する積層構造としてもよい。このような積
層構造を有する酸化物半導体層は以下の方法で形成することができる。
層よりも厚い第２の結晶性酸化物半導体層を有する積層構造としてもよい。このような積
層構造を有する酸化物半導体層は以下の方法で形成することができる。
【0077】
まず、ゲート絶縁膜１０４上に膜厚１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の第１の結晶性酸化物半導
体層を形成する。第１の結晶性酸化物半導体層の形成は、スパッタリング法を用い、その
スパッタリング法による成膜時における基板温度は２００℃以上４００℃以下とする。次
いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第１の加熱処理を
行う。当該加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。
体層を形成する。第１の結晶性酸化物半導体層の形成は、スパッタリング法を用い、その
スパッタリング法による成膜時における基板温度は２００℃以上４００℃以下とする。次
いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第１の加熱処理を
行う。当該加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。
【0078】
成膜時における基板温度や第１の加熱処理の温度にもよるが、このような加熱処理によ
って、膜表面から結晶化が起こり、膜の表面から内部に向かって結晶成長し、ｃ軸配向し
た結晶が得られる。加熱処理によって、亜鉛と酸素が膜表面に多く集まり、上平面が六角
形をなす亜鉛と酸素からなるグラフェンタイプの二次元結晶が最表面に１層または複数層
形成され、これが膜厚方向に成長して重なり積層となる。加熱処理の温度を上げると表面
から内部、そして内部から底部と結晶成長が進行する。
って、膜表面から結晶化が起こり、膜の表面から内部に向かって結晶成長し、ｃ軸配向し
た結晶が得られる。加熱処理によって、亜鉛と酸素が膜表面に多く集まり、上平面が六角
形をなす亜鉛と酸素からなるグラフェンタイプの二次元結晶が最表面に１層または複数層
形成され、これが膜厚方向に成長して重なり積層となる。加熱処理の温度を上げると表面
から内部、そして内部から底部と結晶成長が進行する。
【0079】
次いで、第１の結晶性酸化物半導体層上に１０ｎｍよりも厚い第２の酸化物半導体層を
形成する。第２の酸化物半導体層の形成は、スパッタリング法を用い、その成膜時におけ
る基板温度は２００℃以上４００℃以下とする。成膜時における基板温度を２００℃以上
４００℃以下とすることにより、第１の結晶性酸化物半導体層の表面上に接して成膜する
酸化物半導体層にプリカーサの整列が起き、所謂、秩序性を持たせることができる。
形成する。第２の酸化物半導体層の形成は、スパッタリング法を用い、その成膜時におけ
る基板温度は２００℃以上４００℃以下とする。成膜時における基板温度を２００℃以上
４００℃以下とすることにより、第１の結晶性酸化物半導体層の表面上に接して成膜する
酸化物半導体層にプリカーサの整列が起き、所謂、秩序性を持たせることができる。
【0080】
次いで、基板を配置するチャンバー雰囲気を窒素、または乾燥空気とし、第２の加熱処
理を行う。当該加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。当該加熱処理によ
って第２の結晶性酸化物半導体層を形成する。当該加熱処理は、窒素雰囲気下、酸素雰囲
気下、或いは窒素と酸素の混合雰囲気下で行うことにより、第２の結晶性酸化物半導体層
の高密度化および欠陥数の減少を図る。第２の加熱処理によって、第１の結晶性酸化物半
導体層を核として膜厚方向、即ち底部から内部に結晶成長が進行して第２の結晶性酸化物
半導体層が形成される。
理を行う。当該加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下とする。当該加熱処理によ
って第２の結晶性酸化物半導体層を形成する。当該加熱処理は、窒素雰囲気下、酸素雰囲
気下、或いは窒素と酸素の混合雰囲気下で行うことにより、第２の結晶性酸化物半導体層
の高密度化および欠陥数の減少を図る。第２の加熱処理によって、第１の結晶性酸化物半
導体層を核として膜厚方向、即ち底部から内部に結晶成長が進行して第２の結晶性酸化物
半導体層が形成される。
【0081】
また、上記作製方法により、得られる第１の結晶性酸化物半導体層および第２の結晶性
酸化物半導体層は、ｃ軸配向を有していることを特徴の一つとしている。ただし、第１の
結晶性酸化物半導体層および第２の結晶性酸化物半導体層は、ｃ軸配向を有した結晶（Ｃ
Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ；ＣＡＡＣとも呼ぶ）を含む酸化物を有す
る。なお、第１の結晶性酸化物半導体層および第２の結晶性酸化物半導体層は、一部に結
晶粒界を有している。
酸化物半導体層は、ｃ軸配向を有していることを特徴の一つとしている。ただし、第１の
結晶性酸化物半導体層および第２の結晶性酸化物半導体層は、ｃ軸配向を有した結晶（Ｃ
Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ；ＣＡＡＣとも呼ぶ）を含む酸化物を有す
る。なお、第１の結晶性酸化物半導体層および第２の結晶性酸化物半導体層は、一部に結
晶粒界を有している。
【0082】
ＣＡＡＣを含む酸化物とは、広義に、非単結晶であって、そのａｂ面に垂直な方向から
見て、三角形、六角形、正三角形または正六角形の原子配列を有し、かつｃ軸方向に垂直
な方向から見て、金属原子が層状、または金属原子と酸素原子が層状に配列した相を含む
酸化物をいう。
見て、三角形、六角形、正三角形または正六角形の原子配列を有し、かつｃ軸方向に垂直
な方向から見て、金属原子が層状、または金属原子と酸素原子が層状に配列した相を含む
酸化物をいう。
【0083】
ＣＡＡＣは単結晶ではないが、非晶質のみから形成されているものでもない。また、Ｃ
ＡＡＣは結晶化した部分（結晶部分）を含むが、１つの結晶部分と他の結晶部分の境界を
明確に判別できないこともある。
ＡＡＣは結晶化した部分（結晶部分）を含むが、１つの結晶部分と他の結晶部分の境界を
明確に判別できないこともある。
【0084】
ＣＡＡＣに酸素が含まれる場合、酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、ＣＡＡ
Ｃを構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣを支持する基板面、
ＣＡＡＣの表面などに垂直な方向）に揃っていてもよい。または、ＣＡＡＣを構成する個
々の結晶部分のａｂ面の法線は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣを支持する基板面、ＣＡＡ
Ｃの表面などに垂直な方向）を向いていてもよい。
Ｃを構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣを支持する基板面、
ＣＡＡＣの表面などに垂直な方向）に揃っていてもよい。または、ＣＡＡＣを構成する個
々の結晶部分のａｂ面の法線は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣを支持する基板面、ＣＡＡ
Ｃの表面などに垂直な方向）を向いていてもよい。
【0085】
ＣＡＡＣは、その組成などに応じて、導体であったり、半導体であったり、絶縁体であ
ったりする。また、その組成などに応じて、可視光に対して透明であったり不透明であっ
たりする。
ったりする。また、その組成などに応じて、可視光に対して透明であったり不透明であっ
たりする。
【0086】
このようなＣＡＡＣの例として、膜状に形成され、膜表面または支持する基板面に垂直
な方向から観察すると三角形または六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察
すると金属原子または金属原子および酸素原子（または窒素原子）の層状配列が認められ
る結晶を挙げることもできる。
な方向から観察すると三角形または六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察
すると金属原子または金属原子および酸素原子（または窒素原子）の層状配列が認められ
る結晶を挙げることもできる。
【0087】
このような第１の結晶性酸化物半導体層と第２の結晶性酸化物半導体層の積層をトラン
ジスタに用いることで、安定した電気的特性を有し、且つ、信頼性の高いトランジスタを
実現できる。
ジスタに用いることで、安定した電気的特性を有し、且つ、信頼性の高いトランジスタを
実現できる。
【0088】
酸化物半導体層の加工は、所望の形状のマスクを酸化物半導体層上に形成した後、当該
酸化物半導体層をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォ
トリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット法な
どの方法を用いてマスクを形成しても良い。なお、酸化物半導体層のエッチングは、ドラ
イエッチングでもウェットエッチングでもよい。もちろん、これらを組み合わせて用いて
もよい。
酸化物半導体層をエッチングすることによって行うことができる。上述のマスクは、フォ
トリソグラフィなどの方法を用いて形成することができる。または、インクジェット法な
どの方法を用いてマスクを形成しても良い。なお、酸化物半導体層のエッチングは、ドラ
イエッチングでもウェットエッチングでもよい。もちろん、これらを組み合わせて用いて
もよい。
【0089】
次に、酸化物半導体層１０６に加熱処理（第３の加熱処理）を行う。この加熱処理によ
って酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行うことができる。加熱雰囲気は不活性雰
囲気とし、加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４５０℃以上６０
０℃以下とする。なお、基板の歪み点未満とすることが好ましい。本実施の形態では、加
熱処理として、窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。なお、加熱処理
は酸化物半導体層１０６の形成後であればよく、このタイミングに限定されない。さらに
は、加熱処理を行う雰囲気は、窒素雰囲気に限定されず、酸素ガスと窒素ガスの混合ガス
雰囲気でもよいし、酸素雰囲気でもよいし、水分が十分に除去された空気（Ｄｒｙ Ａｉ
ｒ）でもよい。加熱処理後は、大気曝露を避けるなどして、酸化物半導体層１０６への水
や水素の再混入を防ぐことが好ましい。
って酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行うことができる。加熱雰囲気は不活性雰
囲気とし、加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４５０℃以上６０
０℃以下とする。なお、基板の歪み点未満とすることが好ましい。本実施の形態では、加
熱処理として、窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。なお、加熱処理
は酸化物半導体層１０６の形成後であればよく、このタイミングに限定されない。さらに
は、加熱処理を行う雰囲気は、窒素雰囲気に限定されず、酸素ガスと窒素ガスの混合ガス
雰囲気でもよいし、酸素雰囲気でもよいし、水分が十分に除去された空気（Ｄｒｙ Ａｉ
ｒ）でもよい。加熱処理後は、大気曝露を避けるなどして、酸化物半導体層１０６への水
や水素の再混入を防ぐことが好ましい。
【0090】
また、第３の加熱処理を行った酸化物半導体層に、第４の加熱処理を行ってもよい。第
４の加熱処理は、酸化性雰囲気にて加熱処理することにより酸化物半導体層中に酸素を供
給して、第３の加熱処理の際に酸化物半導体層中に生じた酸素欠損を補填する目的がある
。このため、第４の加熱処理は加酸素化処理ということもできる。第４の加熱処理は、例
えば２００℃以上基板の歪み点未満で行えばよい。好ましくは、２５０℃以上４５０℃以
下とする。処理時間は３分～２４時間とする。処理時間を長くするほど非晶質領域に対し
て結晶領域の割合の多い酸化物半導体層を形成することができるが、２４時間を超える熱
処理は生産性の低下を招くため好ましくない。
４の加熱処理は、酸化性雰囲気にて加熱処理することにより酸化物半導体層中に酸素を供
給して、第３の加熱処理の際に酸化物半導体層中に生じた酸素欠損を補填する目的がある
。このため、第４の加熱処理は加酸素化処理ということもできる。第４の加熱処理は、例
えば２００℃以上基板の歪み点未満で行えばよい。好ましくは、２５０℃以上４５０℃以
下とする。処理時間は３分～２４時間とする。処理時間を長くするほど非晶質領域に対し
て結晶領域の割合の多い酸化物半導体層を形成することができるが、２４時間を超える熱
処理は生産性の低下を招くため好ましくない。
【0091】
このような熱処理を行うことによって不純物を低減した酸化物半導体層を形成すること
で、極めて優れた特性のトランジスタを実現することができる。
で、極めて優れた特性のトランジスタを実現することができる。
【0092】
【0093】
保護導電膜１０７は、後に導電層１０８から配線層１１２をエッチングして形成する際
に導電層１０８の下層に存在する酸化物半導体層１０６を保護している。保護導電膜１０
７を形成する導電性材料として、例えば、ＷまたはＭｏが挙げられる。導電層１０８を形
成する導電性材料として、例えば、Ｔｉ、ＡｌもしくはＴａまたはこれらの窒化物が挙げ
られる。なお、導電層１０８は単層であってもよいし、複数の層が積層されて設けられて
いてもよい。本実施の形態では、導電層１０８はＴｉ＼Ａｌ＼Ｔｉの積層構造を用いる。
に導電層１０８の下層に存在する酸化物半導体層１０６を保護している。保護導電膜１０
７を形成する導電性材料として、例えば、ＷまたはＭｏが挙げられる。導電層１０８を形
成する導電性材料として、例えば、Ｔｉ、ＡｌもしくはＴａまたはこれらの窒化物が挙げ
られる。なお、導電層１０８は単層であってもよいし、複数の層が積層されて設けられて
いてもよい。本実施の形態では、導電層１０８はＴｉ＼Ａｌ＼Ｔｉの積層構造を用いる。
【0094】
また、酸化物半導体層１０６と接する金属膜として、酸素親和性の高い金属を用いると
、酸化物半導体層１０６から酸素を引き抜きやすく、酸化物半導体層１０６が変質してし
まう恐れがある。
、酸化物半導体層１０６から酸素を引き抜きやすく、酸化物半導体層１０６が変質してし
まう恐れがある。
【0095】
よって、酸化物半導体層１０６に接する金属膜として酸素親和性の低い金属を用いるこ
とが好ましい。本実施の形態では、酸化物半導体層１０６と接する金属膜は、保護導電膜
１０７であるＷ膜を用いている。
とが好ましい。本実施の形態では、酸化物半導体層１０６と接する金属膜は、保護導電膜
１０７であるＷ膜を用いている。
【0096】
Ｗを用いた保護導電膜１０７は、導電層１０８として用いるＴｉと比較して酸素親和性
が低い。Ｗを用いた保護導電膜１０７を設けることで、酸化物半導体層１０６とＴｉ膜と
が接して形成されるより、酸化物半導体層１０６から酸素を引き抜く作用が弱くなるため
、Ｗ膜と酸化物半導体層１０６との接触界面が変質しにくい。そのため、酸化物半導体層
１０６の一部が変質することによる酸化物半導体層１０６の実質的な膜厚減少を軽減する
ことができる。
が低い。Ｗを用いた保護導電膜１０７を設けることで、酸化物半導体層１０６とＴｉ膜と
が接して形成されるより、酸化物半導体層１０６から酸素を引き抜く作用が弱くなるため
、Ｗ膜と酸化物半導体層１０６との接触界面が変質しにくい。そのため、酸化物半導体層
１０６の一部が変質することによる酸化物半導体層１０６の実質的な膜厚減少を軽減する
ことができる。
【0097】
次に、導電層１０８上にレジストマスク１１０を選択的に形成する（図１（Ｄ）参照）
。レジストマスク１１０は、フォトリソグラフィ法により形成すればよい。
。レジストマスク１１０は、フォトリソグラフィ法により形成すればよい。
【0098】
次に、レジストマスク１１０を用いて導電層１０８および保護導電膜１０７に対してエ
ッチングを行って、配線層１１２および導電層１１４を形成する。配線層１１２および導
電層１１４を形成するためのエッチング工程は、オーバーエッチングによる酸化物半導体
層１０６の膜減りを極力低減するため、２段階のエッチングにより行う。
ッチングを行って、配線層１１２および導電層１１４を形成する。配線層１１２および導
電層１１４を形成するためのエッチング工程は、オーバーエッチングによる酸化物半導体
層１０６の膜減りを極力低減するため、２段階のエッチングにより行う。
【0099】
まず、レジストマスク１１０を用いて、保護導電膜１０７が露出するまで導電層１０８
を選択的にエッチングする（第１のエッチング工程）。ここで、導電層１０８は、エッチ
ングされて配線層１１２となる。配線層１１２は、少なくともトランジスタのソース電極
およびドレイン電極を構成する（図１（Ｅ）参照）。
を選択的にエッチングする（第１のエッチング工程）。ここで、導電層１０８は、エッチ
ングされて配線層１１２となる。配線層１１２は、少なくともトランジスタのソース電極
およびドレイン電極を構成する（図１（Ｅ）参照）。
【0100】
なお、第１のエッチング工程は、保護導電膜１０７が導電層１０８よりエッチングされ
にくく、導電層１０８と保護導電膜１０７とのエッチング選択比が高い条件で行う。例え
ば、エッチングガスとして塩素系ガスを用いることができる。ここで、塩素系ガスとして
は、ＣＣｌ４、ＳｉＣｌ４、ＢＣｌ３およびＣｌ２等が挙げられる。特に好ましくはＢＣ
ｌ３とＣｌ２の混合ガスを用いる。
にくく、導電層１０８と保護導電膜１０７とのエッチング選択比が高い条件で行う。例え
ば、エッチングガスとして塩素系ガスを用いることができる。ここで、塩素系ガスとして
は、ＣＣｌ４、ＳｉＣｌ４、ＢＣｌ３およびＣｌ２等が挙げられる。特に好ましくはＢＣ
ｌ３とＣｌ２の混合ガスを用いる。
【0101】
次に、酸化物半導体層１０６が露出するまで保護導電膜１０７を選択的にエッチングす
る（第２のエッチング工程）。ここで、保護導電膜１０７は、エッチングされて導電層１
１４となる（図１（Ｆ）参照）。なお、第２のエッチング工程では、酸化物半導体層１０
６の露出領域において保護導電膜１０７が残渣なく除去され、かつ、酸化物半導体層１０
６がエッチングされないことが好ましい。
る（第２のエッチング工程）。ここで、保護導電膜１０７は、エッチングされて導電層１
１４となる（図１（Ｆ）参照）。なお、第２のエッチング工程では、酸化物半導体層１０
６の露出領域において保護導電膜１０７が残渣なく除去され、かつ、酸化物半導体層１０
６がエッチングされないことが好ましい。
【0102】
なお、第２のエッチング工程は、保護導電膜１０７が酸化物半導体層１０６よりエッチ
ングされやすく、保護導電膜１０７と酸化物半導体層１０６とのエッチング選択比が高い
条件で行う。例えば、エッチングガスとして塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスを用い
ることができる。ここで、塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスとしては、特に好ましく
はＳＦ６とＣｌ２との混合ガスを用いる。
ングされやすく、保護導電膜１０７と酸化物半導体層１０６とのエッチング選択比が高い
条件で行う。例えば、エッチングガスとして塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスを用い
ることができる。ここで、塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスとしては、特に好ましく
はＳＦ６とＣｌ２との混合ガスを用いる。
【0103】
以上説明したように、保護導電膜１０７の効果により、チャネル形成領域となる部分の
酸化物半導体層１０６の膜厚を保ちつつ、チャネル形成領域となる部分の配線層１１２を
離間させることができる。このようなエッチング方法を採用して配線層１１２を形成する
ことで、基板１００が大面積基板であっても、基板面内におけるチャネル形成領域となる
部分の酸化物半導体層１０６の膜厚にバラツキが生じることを軽減することができる。
酸化物半導体層１０６の膜厚を保ちつつ、チャネル形成領域となる部分の配線層１１２を
離間させることができる。このようなエッチング方法を採用して配線層１１２を形成する
ことで、基板１００が大面積基板であっても、基板面内におけるチャネル形成領域となる
部分の酸化物半導体層１０６の膜厚にバラツキが生じることを軽減することができる。
【0104】
そして、レジストマスク１１０を除去する。また、酸化物半導体層、保護導電膜、配線
層上に絶縁膜１１６を形成することが好ましい。以上の工程で、本実施の形態のトランジ
スタ１２０が完成する（図１（Ｇ）参照）。絶縁膜１１６は、酸化シリコン、窒化シリコ
ン、酸化窒化シリコンなどにより形成すればよく、スパッタリング法により形成すること
が好ましい。また、絶縁膜１１６はゲート絶縁膜１０４と同様の材料を用いることができ
る。
層上に絶縁膜１１６を形成することが好ましい。以上の工程で、本実施の形態のトランジ
スタ１２０が完成する（図１（Ｇ）参照）。絶縁膜１１６は、酸化シリコン、窒化シリコ
ン、酸化窒化シリコンなどにより形成すればよく、スパッタリング法により形成すること
が好ましい。また、絶縁膜１１６はゲート絶縁膜１０４と同様の材料を用いることができ
る。
【0105】
絶縁膜１１６の形成後には、不活性ガス雰囲気下、または酸素雰囲気下で第４の熱処理
を行うのが望ましい。熱処理の温度は、２００℃以上４５０℃以下、望ましくは２５０℃
以上３５０℃以下である。例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行えばよ
い。第４の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、絶縁膜１１６が酸素を含む場合、脱水化または脱水素化された酸化
物半導体層１０６に酸素を供給し、該酸化物半導体層１０６の酸素欠損を補填して、ｉ型
（真性）半導体またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層を形成することもできる。
を行うのが望ましい。熱処理の温度は、２００℃以上４５０℃以下、望ましくは２５０℃
以上３５０℃以下である。例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行えばよ
い。第４の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、絶縁膜１１６が酸素を含む場合、脱水化または脱水素化された酸化
物半導体層１０６に酸素を供給し、該酸化物半導体層１０６の酸素欠損を補填して、ｉ型
（真性）半導体またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層を形成することもできる。
【0106】
なお、本実施の形態では、絶縁膜１１６の形成後に第４の熱処理を行っているが、第４
の熱処理のタイミングはこれに限定されない。例えば、第３の熱処理に続けて第４の熱処
理を行っても良いし、第３の熱処理に第４の熱処理を兼ねさせても良いし、第４の熱処理
に第３の熱処理を兼ねさせても良い。
の熱処理のタイミングはこれに限定されない。例えば、第３の熱処理に続けて第４の熱処
理を行っても良いし、第３の熱処理に第４の熱処理を兼ねさせても良いし、第４の熱処理
に第３の熱処理を兼ねさせても良い。
【0107】
上述の方法を用いて形成することにより、高純度化された酸化物半導体層１０６を適用
したトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を、チャネル幅１μｍ当た
り１０ｚＡ／μｍ未満、８５℃にて１００ｚＡ／μｍ未満レベルにまで低くすることがで
きる。すなわち、測定限界近傍または測定限界近傍以下までオフ電流を下げることができ
る。
したトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を、チャネル幅１μｍ当た
り１０ｚＡ／μｍ未満、８５℃にて１００ｚＡ／μｍ未満レベルにまで低くすることがで
きる。すなわち、測定限界近傍または測定限界近傍以下までオフ電流を下げることができ
る。
【0108】
本明細書中に開示される半導体装置の一態様において、高性能、高信頼性のトランジス
タを作製することができる。
タを作製することができる。
【0109】
本実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わせて実施することが可能である。
【0110】
（実施の形態２）
本発明は、実施の形態１に示した形態に限定されない。例えば、本明細書に開示される
半導体装置は、配線層上にゲート電極層が配置されたトップゲート構造であってもよい。
本発明は、実施の形態１に示した形態に限定されない。例えば、本明細書に開示される
半導体装置は、配線層上にゲート電極層が配置されたトップゲート構造であってもよい。
【0111】
まず、基板２００上に好ましくは下地絶縁層２０１を形成し、下地絶縁層２０１上に酸
化物半導体層２０６を選択的に形成する（図２（Ａ）参照）。
化物半導体層２０６を選択的に形成する（図２（Ａ）参照）。
【0112】
基板２００は、実施の形態１の基板１００と同様のものを用いればよい。
【0113】
下地絶縁層２０１は、実施の形態１のゲート絶縁膜１０４などと同様の材料および形成
方法により形成することができる。
方法により形成することができる。
【0114】
酸化物半導体層２０６は、実施の形態１の酸化物半導体層１０６と同様の材料および形
成方法により形成することができる。
成方法により形成することができる。
【0115】
【0116】
保護導電膜２０７は、実施の形態１の保護導電膜１０７と同様の材料および形成方法に
より形成することができる。また、導電層２０８は、実施の形態１の導電層１０８と同様
の材料および形成方法により形成することができる。本実施の形態では、導電層２０８は
Ｔｉ＼Ａｌ＼Ｔｉの積層構造を用いる。
より形成することができる。また、導電層２０８は、実施の形態１の導電層１０８と同様
の材料および形成方法により形成することができる。本実施の形態では、導電層２０８は
Ｔｉ＼Ａｌ＼Ｔｉの積層構造を用いる。
【0117】
また、酸化物半導体層と接する金属膜として、酸素親和性の高い金属を用いると、酸化
物半導体層から酸素を引き抜きやすく、酸化物半導体層を変質してしまう恐れがある。
物半導体層から酸素を引き抜きやすく、酸化物半導体層を変質してしまう恐れがある。
【0118】
よって、酸化物半導体層に接する金属膜として酸素親和性の低い金属を用いることが好
ましい。本実施の形態では、酸化物半導体層と接する金属膜は、保護導電膜であるＷ膜を
用いている。
ましい。本実施の形態では、酸化物半導体層と接する金属膜は、保護導電膜であるＷ膜を
用いている。
【0119】
Ｗを用いた保護導電膜は、導電層２０８として用いるＴｉと比較して酸素親和性が低い
。Ｗを用いた保護導電膜を設けることで、酸化物半導体層とＴｉ膜とが接して形成される
より、酸化物半導体層から酸素を引き抜く作用が弱くなるため、Ｗ膜と酸化物半導体層と
の接触界面が変質しにくい。そのため、酸化物半導体層の一部が変質することによる酸化
物半導体層の実質的な膜厚減少を軽減することができる。
。Ｗを用いた保護導電膜を設けることで、酸化物半導体層とＴｉ膜とが接して形成される
より、酸化物半導体層から酸素を引き抜く作用が弱くなるため、Ｗ膜と酸化物半導体層と
の接触界面が変質しにくい。そのため、酸化物半導体層の一部が変質することによる酸化
物半導体層の実質的な膜厚減少を軽減することができる。
【0120】
【0121】
次に、レジストマスク２１０を用いて導電層２０８および保護導電膜２０７に対してエ
ッチングを行って、配線層２１２および導電層２１４を形成する。配線層２１２は、少な
くともトランジスタのソース電極およびドレイン電極を構成する。配線層２１２および導
電層２１４を形成するためのエッチング工程は、オーバーエッチングによる酸化物半導体
層２０６の膜減りを極力低減するため、２段階のエッチングにより行う。
ッチングを行って、配線層２１２および導電層２１４を形成する。配線層２１２は、少な
くともトランジスタのソース電極およびドレイン電極を構成する。配線層２１２および導
電層２１４を形成するためのエッチング工程は、オーバーエッチングによる酸化物半導体
層２０６の膜減りを極力低減するため、２段階のエッチングにより行う。
【0122】
まず、レジストマスク２１０を用いて、保護導電膜２０７が露出するまで導電層２０８
を選択的にエッチングする（第１のエッチング工程）。ここで、導電層２０８は、エッチ
ングされて配線層２１２となる（図２（Ｄ）参照）。
を選択的にエッチングする（第１のエッチング工程）。ここで、導電層２０８は、エッチ
ングされて配線層２１２となる（図２（Ｄ）参照）。
【0123】
なお、第１のエッチング工程は、保護導電膜２０７が導電層２０８よりエッチングされ
にくく、導電層２０８と保護導電膜２０７とのエッチング選択比が高い条件で行う。例え
ば、エッチングガスとして塩素系ガスを用いることができる。ここで、塩素系ガスとして
は、ＣＣｌ４、ＳｉＣｌ４、ＢＣｌ３およびＣｌ２が挙げられる。特に好ましくはＢＣｌ
３とＣｌ２の混合ガスを用いる。
にくく、導電層２０８と保護導電膜２０７とのエッチング選択比が高い条件で行う。例え
ば、エッチングガスとして塩素系ガスを用いることができる。ここで、塩素系ガスとして
は、ＣＣｌ４、ＳｉＣｌ４、ＢＣｌ３およびＣｌ２が挙げられる。特に好ましくはＢＣｌ
３とＣｌ２の混合ガスを用いる。
【0124】
次に、酸化物半導体層２０６が露出するまで保護導電膜２０７を選択的にエッチングす
る（第２のエッチング工程）。ここで、保護導電膜２０７は、エッチングされて導電層２
１４となる（図２（Ｅ）参照）。なお、第２のエッチング工程では、酸化物半導体層２０
６の露出領域において保護導電膜２０７が残渣なく除去され、かつ、酸化物半導体層２０
６がエッチングされないことが好ましい。
る（第２のエッチング工程）。ここで、保護導電膜２０７は、エッチングされて導電層２
１４となる（図２（Ｅ）参照）。なお、第２のエッチング工程では、酸化物半導体層２０
６の露出領域において保護導電膜２０７が残渣なく除去され、かつ、酸化物半導体層２０
６がエッチングされないことが好ましい。
【0125】
なお、第２のエッチング工程は、保護導電膜２０７が酸化物半導体層２０６よりエッチ
ングされやすく、保護導電膜２０７と酸化物半導体層２０６とのエッチング選択比が高い
条件で行う。例えば、エッチングガスとして塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスを用い
ることができる。ここで、塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスとしては、特に好ましく
はＳＦ６とＣｌ２との混合ガスを用いる。
ングされやすく、保護導電膜２０７と酸化物半導体層２０６とのエッチング選択比が高い
条件で行う。例えば、エッチングガスとして塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスを用い
ることができる。ここで、塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスとしては、特に好ましく
はＳＦ６とＣｌ２との混合ガスを用いる。
【0126】
以上説明したように、保護導電膜２０７の効果により、チャネル形成領域となる部分の
酸化物半導体層２０６の膜厚を保ちつつ、チャネル形成領域となる部分の配線層２１２を
離間させることができる。このようなエッチング方法を採用して配線層２１２を形成する
ことで、基板２００が大面積基板であっても、基板面内におけるチャネル形成領域となる
部分の酸化物半導体層２０６の膜厚にバラツキが生じることを軽減することができる。
酸化物半導体層２０６の膜厚を保ちつつ、チャネル形成領域となる部分の配線層２１２を
離間させることができる。このようなエッチング方法を採用して配線層２１２を形成する
ことで、基板２００が大面積基板であっても、基板面内におけるチャネル形成領域となる
部分の酸化物半導体層２０６の膜厚にバラツキが生じることを軽減することができる。
【0127】
そして、レジストマスク２１０を除去する。また、酸化物半導体層、保護導電膜、配線
層上にゲート絶縁膜２０４を形成し、酸化物半導体層２０６と重畳してゲート電極層２０
２を選択的に形成する。以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ２２０が完成する（
図２（Ｆ））。ゲート絶縁膜２０４は、実施の形態１のゲート絶縁膜１０４などと同様の
材料および形成方法により形成することができ、ゲート電極層２０２は、実施の形態１の
ゲート電極層１０２などと同様の材料および形成方法により形成することができる。
層上にゲート絶縁膜２０４を形成し、酸化物半導体層２０６と重畳してゲート電極層２０
２を選択的に形成する。以上の工程で、本実施の形態のトランジスタ２２０が完成する（
図２（Ｆ））。ゲート絶縁膜２０４は、実施の形態１のゲート絶縁膜１０４などと同様の
材料および形成方法により形成することができ、ゲート電極層２０２は、実施の形態１の
ゲート電極層１０２などと同様の材料および形成方法により形成することができる。
【0128】
なお、本実施の形態においても、酸化物半導体層は高純度化されている。高純度化され
た酸化物半導体層である酸化物半導体層２０６を適用したトランジスタは、オフ状態にお
ける電流値（オフ電流値）を、チャネル幅１μｍ当たり１０ｚＡ／μｍ未満、８５℃にて
１００ｚＡ／μｍ未満レベルにまで低くすることができる。すなわち、測定限界近傍また
は測定限界近傍以下までオフ電流を下げることができる。
た酸化物半導体層である酸化物半導体層２０６を適用したトランジスタは、オフ状態にお
ける電流値（オフ電流値）を、チャネル幅１μｍ当たり１０ｚＡ／μｍ未満、８５℃にて
１００ｚＡ／μｍ未満レベルにまで低くすることができる。すなわち、測定限界近傍また
は測定限界近傍以下までオフ電流を下げることができる。
【0129】
本明細書中に開示される半導体装置の一態様において、高性能、高信頼性のトランジス
タを作製することができる。
タを作製することができる。
【0130】
本実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わせて実施することが可能である。
【0131】
本発明は、実施の形態１および実施の形態２に示した形態に限定されず、本発明の趣旨
から逸脱しない範囲で異なる形態であってもよい。
から逸脱しない範囲で異なる形態であってもよい。
【0132】
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一形態に相当する液晶表示パネルの外観および断面に
ついて、図３を用いて説明する。図３に示す液晶表示パネルは、実施の形態１で示したト
ランジスタを用いているが、これに限られず、実施の形態１または実施の形態２で示した
トランジスタを含むことができる。図３（Ａ）および図３（Ｃ）は、トランジスタ４０１
０、トランジスタ４０１１、および液晶素子４０１３を、第１の基板４００１と第２の基
板４００６との間にシール材４００５によって封止した、パネルの平面図であり、図３（
Ｂ）は、図３（Ａ）または図３（Ｃ）のＭ－Ｎにおける断面図に相当する。
本実施の形態では、半導体装置の一形態に相当する液晶表示パネルの外観および断面に
ついて、図３を用いて説明する。図３に示す液晶表示パネルは、実施の形態１で示したト
ランジスタを用いているが、これに限られず、実施の形態１または実施の形態２で示した
トランジスタを含むことができる。図３（Ａ）および図３（Ｃ）は、トランジスタ４０１
０、トランジスタ４０１１、および液晶素子４０１３を、第１の基板４００１と第２の基
板４００６との間にシール材４００５によって封止した、パネルの平面図であり、図３（
Ｂ）は、図３（Ａ）または図３（Ｃ）のＭ－Ｎにおける断面図に相当する。
【0133】
第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲
むようにして、シール材４００５が設けられている。また、画素部４００２と、走査線駆
動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられている。よって、画素部４００２と
、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４
００６とによって、液晶層４００８と共に封止されている。また、第１の基板４００１上
のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上
に単結晶半導体膜または多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装され
ている。
むようにして、シール材４００５が設けられている。また、画素部４００２と、走査線駆
動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられている。よって、画素部４００２と
、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４
００６とによって、液晶層４００８と共に封止されている。また、第１の基板４００１上
のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上
に単結晶半導体膜または多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装され
ている。
【0134】
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ方法
、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ方法などを用いることができる。図３（Ａ）は
、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図３（Ｃ）は、ＴＡＢ
方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ方法などを用いることができる。図３（Ａ）は
、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図３（Ｃ）は、ＴＡＢ
方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
【0135】
また、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４
は、トランジスタを複数有しており、図３（Ｂ）では、画素部４００２に含まれるトラン
ジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示し
ている。図３（Ｂ）において、トランジスタ４０１１、トランジスタ４０１０上には絶縁
層４０４１、絶縁層４０４２、絶縁層４０２１が設けられている。
は、トランジスタを複数有しており、図３（Ｂ）では、画素部４００２に含まれるトラン
ジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示し
ている。図３（Ｂ）において、トランジスタ４０１１、トランジスタ４０１０上には絶縁
層４０４１、絶縁層４０４２、絶縁層４０２１が設けられている。
【0136】
トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１には、実施の形態１または実施の形態２
で示したトランジスタを用いることができる。本実施の形態において、トランジスタ４０
１０、トランジスタ４０１１はｎチャネル型トランジスタである。
で示したトランジスタを用いることができる。本実施の形態において、トランジスタ４０
１０、トランジスタ４０１１はｎチャネル型トランジスタである。
【0137】
また、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０は、トランジスタ４０１０と電気
的に接続されている。そして、液晶素子４０１３の対向電極層４０３１は第２の基板４０
０６上に形成されている。画素電極層４０３０と対向電極層４０３１と液晶層４００８と
が重なっている部分が、液晶素子４０１３に相当する。なお、画素電極層４０３０、対向
電極層４０３１にはそれぞれ配向膜として機能する絶縁層４０３２、絶縁層４０３３が設
けられ、絶縁層４０３２、絶縁層４０３３を介して液晶層４００８を挟持している。
的に接続されている。そして、液晶素子４０１３の対向電極層４０３１は第２の基板４０
０６上に形成されている。画素電極層４０３０と対向電極層４０３１と液晶層４００８と
が重なっている部分が、液晶素子４０１３に相当する。なお、画素電極層４０３０、対向
電極層４０３１にはそれぞれ配向膜として機能する絶縁層４０３２、絶縁層４０３３が設
けられ、絶縁層４０３２、絶縁層４０３３を介して液晶層４００８を挟持している。
【0138】
なお、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、透光性基板を用いることが
でき、ポリエステルフィルム、またはアクリル樹脂フィルムなどのプラスチックや、ガラ
スや、セラミックスなどを用いることができる。
でき、ポリエステルフィルム、またはアクリル樹脂フィルムなどのプラスチックや、ガラ
スや、セラミックスなどを用いることができる。
【0139】
また、柱状のスペーサ４０３５は絶縁層を選択的にエッチングすることで得られ、画素
電極層４０３０と対向電極層４０３１との間の距離（セルギャップ）を制御するために設
けられている。なお球状のスペーサを用いていても良い。また、対向電極層４０３１は、
トランジスタ４０１０と同一基板上に設けられる共通電位線と電気的に接続される。共通
接続部を用いて、一対の基板間に配置される導電性粒子を介して対向電極層４０３１と共
通電位線とを電気的に接続することができる。なお、導電性粒子はシール材４００５に含
有させる。
電極層４０３０と対向電極層４０３１との間の距離（セルギャップ）を制御するために設
けられている。なお球状のスペーサを用いていても良い。また、対向電極層４０３１は、
トランジスタ４０１０と同一基板上に設けられる共通電位線と電気的に接続される。共通
接続部を用いて、一対の基板間に配置される導電性粒子を介して対向電極層４０３１と共
通電位線とを電気的に接続することができる。なお、導電性粒子はシール材４００５に含
有させる。
【0140】
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよく、その場合には横電界方式
とするため、図３に示す電極配置と異なる配置とする。例えば、同一絶縁層上に画素電極
層と共通電極層とを並べて配置し、液晶層に横電界を印加する。ブルー相は液晶相の一つ
であり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する
直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改
善するために数重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層４００８
に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍｓｅ
ｃ以下と短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。
とするため、図３に示す電極配置と異なる配置とする。例えば、同一絶縁層上に画素電極
層と共通電極層とを並べて配置し、液晶層に横電界を印加する。ブルー相は液晶相の一つ
であり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する
直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改
善するために数重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層４００８
に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍｓｅ
ｃ以下と短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。
【0141】
なお透過型液晶表示装置の他に、半透過型液晶表示装置でも適用できる。
【0142】
また、液晶表示装置では、基板の外側（視認側）に偏光板を設け、内側に着色層（カラ
ーフィルター）、表示素子に用いる電極層という順に設ける例を示すが、偏光板は基板の
内側に設けてもよい。また、偏光板と着色層の積層構造も本実施の形態に限定されず、偏
光板および着色層の材料や作製工程条件によって適宜設定すればよい。また、表示部以外
にブラックマトリクスとして機能する遮光膜を設けてもよい。
ーフィルター）、表示素子に用いる電極層という順に設ける例を示すが、偏光板は基板の
内側に設けてもよい。また、偏光板と着色層の積層構造も本実施の形態に限定されず、偏
光板および着色層の材料や作製工程条件によって適宜設定すればよい。また、表示部以外
にブラックマトリクスとして機能する遮光膜を設けてもよい。
【0143】
トランジスタ４０１１、トランジスタ４０１０上には、酸化物半導体層に接して絶縁層
４０４１が形成されている。また、絶縁層４０４１上に接して保護絶縁層４０４２を形成
する。なお、トランジスタの表面凹凸を低減するために、保護絶縁層４０４２を平坦化絶
縁膜として機能する絶縁層４０２１で覆う構成としてもよい。
４０４１が形成されている。また、絶縁層４０４１上に接して保護絶縁層４０４２を形成
する。なお、トランジスタの表面凹凸を低減するために、保護絶縁層４０４２を平坦化絶
縁膜として機能する絶縁層４０２１で覆う構成としてもよい。
【0144】
また、平坦化絶縁膜として絶縁層４０２１を形成する。絶縁層４０２１としては、ポリ
イミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有
機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ－ｋ材料
）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用い
ることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁
層４０２１を形成してもよい。
イミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有
機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ－ｋ材料
）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用い
ることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁
層４０２１を形成してもよい。
【0145】
絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ
法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリー
ン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナ
イフコーター等を用いることができる。絶縁層４０２１の焼成工程と半導体層のアニール
を兼ねることで効率よく半導体装置を作製することが可能となる。
法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリー
ン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナ
イフコーター等を用いることができる。絶縁層４０２１の焼成工程と半導体層のアニール
を兼ねることで効率よく半導体装置を作製することが可能となる。
【0146】
画素電極層４０３０、対向電極層４０３１は、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、インジウム錫酸化物（ＩＴＯともいう）、イン
ジウム亜鉛酸化物、酸化シリコン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
電性材料を用いることができる。また、１枚乃至１０枚のグラフェンシートよりなる材料
を用いてもよい。
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、インジウム錫酸化物（ＩＴＯともいう）、イン
ジウム亜鉛酸化物、酸化シリコン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
電性材料を用いることができる。また、１枚乃至１０枚のグラフェンシートよりなる材料
を用いてもよい。
【0147】
また、別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素
部４００２に与えられる各種信号および電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
部４００２に与えられる各種信号および電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【0148】
接続端子電極４０１５が、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０と同じ導電膜
から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１のソ
ース電極およびドレイン電極と同じ導電膜で形成されている。
から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１のソ
ース電極およびドレイン電極と同じ導電膜で形成されている。
【0149】
接続端子電極４０１５は、ＦＰＣ４０１８が有する端子と、異方性導電膜４０１９を介
して電気的に接続されている。
して電気的に接続されている。
【0150】
また、図３においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１の基板４００１に
実装している例を示しているがこの構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して
実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成し
て実装しても良い。
実装している例を示しているがこの構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して
実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成し
て実装しても良い。
【0151】
本実施の形態で示す液晶表示パネルは、実施の形態１または実施の形態２で示した電気
的特性が良好で、信頼性の高いトランジスタを用いて構成されているため、良好な品質を
有する液晶表示パネルとすることが可能である。
的特性が良好で、信頼性の高いトランジスタを用いて構成されているため、良好な品質を
有する液晶表示パネルとすることが可能である。
【0152】
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。
適宜組み合わせて用いることができる。
【0153】
（実施の形態４）
本実施の形態では、半導体装置の一形態として電子ペーパーの例を示す。
本実施の形態では、半導体装置の一形態として電子ペーパーの例を示す。
【0154】
実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタは、スイッチング素子と電気的に
接続する素子を利用して電子インクを駆動させる電子ペーパーに用いてもよい。電子ペー
パーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）も呼ばれており、紙と同じ読みやす
さ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有し
ている。
接続する素子を利用して電子インクを駆動させる電子ペーパーに用いてもよい。電子ペー
パーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）も呼ばれており、紙と同じ読みやす
さ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有し
ている。
【0155】
電気泳動ディスプレイは、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の
粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質
に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイク
ロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示
するものである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合にお
いて移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色
を含む）とする。
粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質
に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイク
ロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示
するものである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合にお
いて移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色
を含む）とする。
【0156】
このように、電気泳動ディスプレイは、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する
、いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
、いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
【0157】
上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、
この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。ま
た、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。ま
た、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。
【0158】
また、アクティブマトリクス基板上に適宜、二つの電極の間に挟まれるように上記マイ
クロカプセルを複数配置すればアクティブマトリクス型の表示装置が完成し、マイクロカ
プセルに電界を印加すれば表示を行うことができる。例えば、実施の形態１または実施の
形態２のトランジスタによって得られるアクティブマトリクス基板を用いることができる
。
クロカプセルを複数配置すればアクティブマトリクス型の表示装置が完成し、マイクロカ
プセルに電界を印加すれば表示を行うことができる。例えば、実施の形態１または実施の
形態２のトランジスタによって得られるアクティブマトリクス基板を用いることができる
。
【0159】
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料
、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレ
クトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料
を用いればよい。
、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレ
クトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料
を用いればよい。
【0160】
図４は、半導体装置の例としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。半導体
装置に用いられるトランジスタ５８１としては、実施の形態１または実施の形態２で示す
トランジスタと同様に作製でき、電気的特性が良好で、信頼性の高いトランジスタである
。
装置に用いられるトランジスタ５８１としては、実施の形態１または実施の形態２で示す
トランジスタと同様に作製でき、電気的特性が良好で、信頼性の高いトランジスタである
。
【0161】
図４の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。ツイス
トボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用いる電極層であ
る第１の電極層および第２の電極層の間に配置し、第１の電極層および第２の電極層に電
位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
トボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用いる電極層であ
る第１の電極層および第２の電極層の間に配置し、第１の電極層および第２の電極層に電
位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【0162】
図４において、トランジスタ５８１はボトムゲート構造のトランジスタであり、実施の
形態１または実施の形態２で示したトランジスタを用いることができる。
形態１または実施の形態２で示したトランジスタを用いることができる。
【0163】
トランジスタ５８１のソース電極またはドレイン電極は、絶縁層５８３、絶縁層５８５
に形成される開口において、第１の電極層５８７と接しており電気的に接続している。第
１の電極層５８７と第２の電極層５８８との間には黒色領域５９０ａおよび白色領域５９
０ｂを有し、周りに液体で満たされている球形粒子５８９が一対の基板５８０、基板５９
６の間に設けられており、球形粒子５８９の周囲は樹脂等の充填材５９５で充填されてい
る。
に形成される開口において、第１の電極層５８７と接しており電気的に接続している。第
１の電極層５８７と第２の電極層５８８との間には黒色領域５９０ａおよび白色領域５９
０ｂを有し、周りに液体で満たされている球形粒子５８９が一対の基板５８０、基板５９
６の間に設けられており、球形粒子５８９の周囲は樹脂等の充填材５９５で充填されてい
る。
【0164】
また、第１の電極層５８７が画素電極に相当し、第２の電極層５８８が共通電極に相当
する。第２の電極層５８８は、トランジスタ５８１と同一基板上に設けられる共通電位線
と電気的に接続される。共通接続部を用いて、一対の基板５８０、基板５９６間に配置さ
れる導電性粒子を介して第２の電極層５８８と共通電位線とを電気的に接続することがで
きる。
する。第２の電極層５８８は、トランジスタ５８１と同一基板上に設けられる共通電位線
と電気的に接続される。共通接続部を用いて、一対の基板５８０、基板５９６間に配置さ
れる導電性粒子を介して第２の電極層５８８と共通電位線とを電気的に接続することがで
きる。
【0165】
また、ツイストボールの代わりに、電気泳動素子を用いることも可能である。透明な液
体と、正に帯電した白い微粒子と負に帯電した黒い微粒子とを封入した直径１０μｍ～２
００μｍ程度のマイクロカプセルを用いる。第１の電極層と第２の電極層との間に設けら
れるマイクロカプセルは、第１の電極層と第２の電極層によって、電場が与えられると、
白い微粒子と、黒い微粒子が逆の方向に移動し、白または黒を表示することができる。こ
の原理を応用した表示素子が電気泳動表示素子であり、一般的に電子ペーパーとよばれて
いる。電気泳動表示素子は、液晶表示素子に比べて反射率が高いため、補助ライトは不要
であり、また消費電力が小さく、薄暗い場所でも表示部を認識することが可能である。ま
た、表示部に電源が供給されない場合であっても、一度表示した像を保持することが可能
であるため、電波発信源から表示機能付き半導体装置（単に表示装置、または表示装置を
具備する半導体装置ともいう）を遠ざけた場合であっても、表示された像を保存しておく
ことが可能となる。
体と、正に帯電した白い微粒子と負に帯電した黒い微粒子とを封入した直径１０μｍ～２
００μｍ程度のマイクロカプセルを用いる。第１の電極層と第２の電極層との間に設けら
れるマイクロカプセルは、第１の電極層と第２の電極層によって、電場が与えられると、
白い微粒子と、黒い微粒子が逆の方向に移動し、白または黒を表示することができる。こ
の原理を応用した表示素子が電気泳動表示素子であり、一般的に電子ペーパーとよばれて
いる。電気泳動表示素子は、液晶表示素子に比べて反射率が高いため、補助ライトは不要
であり、また消費電力が小さく、薄暗い場所でも表示部を認識することが可能である。ま
た、表示部に電源が供給されない場合であっても、一度表示した像を保持することが可能
であるため、電波発信源から表示機能付き半導体装置（単に表示装置、または表示装置を
具備する半導体装置ともいう）を遠ざけた場合であっても、表示された像を保存しておく
ことが可能となる。
【0166】
以上の工程により、実施の形態１または実施の形態２で示すトランジスタを有する電子
ペーパーを作製することができる。本実施の形態で示す電子ペーパーは、実施の形態１ま
たは実施の形態２で示した電気的特性が良好で、信頼性の高いトランジスタを用いて構成
されているため、良好な品質を有する電子ペーパーとすることが可能である。
ペーパーを作製することができる。本実施の形態で示す電子ペーパーは、実施の形態１ま
たは実施の形態２で示した電気的特性が良好で、信頼性の高いトランジスタを用いて構成
されているため、良好な品質を有する電子ペーパーとすることが可能である。
【0167】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可
能である。
能である。
【0168】
（実施の形態５）
本実施の形態では、半導体装置の一例として、記憶媒体（メモリ素子）を示す。本実施
の形態では、実施の形態１で示す酸化物半導体を用いたトランジスタと、酸化物半導体以
外の材料を用いたトランジスタとを同一基板上に形成する。
本実施の形態では、半導体装置の一例として、記憶媒体（メモリ素子）を示す。本実施
の形態では、実施の形態１で示す酸化物半導体を用いたトランジスタと、酸化物半導体以
外の材料を用いたトランジスタとを同一基板上に形成する。
【0169】
図５は、半導体装置の構成の一例である。図５（Ａ）には、半導体装置の断面を、図５
（Ｂ）には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図５（Ａ）は、図５（Ｂ）の
Ａ１－Ａ２およびＢ１－Ｂ２における断面に相当する。また、図５（Ｃ）には、上記半導
体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。図５（Ａ）および図５（Ｂ
）に示される半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ３６０を有し
、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ３６２を有する。本実施の形態では、第
１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料とし、第２の半導体材料を酸化物半導体
とする。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シ
リコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶
半導体を用いるのが好ましい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、高速動作
が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の
電荷保持を可能とする。
（Ｂ）には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図５（Ａ）は、図５（Ｂ）の
Ａ１－Ａ２およびＢ１－Ｂ２における断面に相当する。また、図５（Ｃ）には、上記半導
体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。図５（Ａ）および図５（Ｂ
）に示される半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ３６０を有し
、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ３６２を有する。本実施の形態では、第
１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料とし、第２の半導体材料を酸化物半導体
とする。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シ
リコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶
半導体を用いるのが好ましい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、高速動作
が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の
電荷保持を可能とする。
【0170】
図５におけるトランジスタ３６０は、半導体材料（例えば、シリコンなど）を含む基板
３００に設けられたチャネル形成領域３１６と、チャネル形成領域３１６を挟むように設
けられた不純物領域３２０と、不純物領域３２０に接する金属化合物領域３２４と、チャ
ネル形成領域３１６上に設けられたゲート絶縁膜３０８と、ゲート絶縁膜３０８上に設け
られたゲート電極３１０と、を有する。
３００に設けられたチャネル形成領域３１６と、チャネル形成領域３１６を挟むように設
けられた不純物領域３２０と、不純物領域３２０に接する金属化合物領域３２４と、チャ
ネル形成領域３１６上に設けられたゲート絶縁膜３０８と、ゲート絶縁膜３０８上に設け
られたゲート電極３１０と、を有する。
【0171】
半導体材料を含む基板３００は、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多
結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用
することができる。なお、一般に「ＳＯＩ基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体層が設
けられた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料
からなる半導体層が設けられた構成の基板も含む。つまり、「ＳＯＩ基板」が有する半導
体層は、シリコン半導体層に限定されない。また、ＳＯＩ基板には、ガラス基板などの絶
縁基板上に絶縁層を介して半導体層が設けられた構成のものが含まれるものとする。
結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用
することができる。なお、一般に「ＳＯＩ基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体層が設
けられた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料
からなる半導体層が設けられた構成の基板も含む。つまり、「ＳＯＩ基板」が有する半導
体層は、シリコン半導体層に限定されない。また、ＳＯＩ基板には、ガラス基板などの絶
縁基板上に絶縁層を介して半導体層が設けられた構成のものが含まれるものとする。
【0172】
トランジスタ３６０の金属化合物領域３２４の一部には、電極３２６が接続されている
。ここで、電極３２６は、トランジスタ３６０のソース電極やドレイン電極として機能す
る。また、トランジスタ３６０を囲むように素子分離絶縁層３０６が設けられており、ト
ランジスタ３６０を覆うように絶縁層３２８が設けられている。なお、高集積化を実現す
るためには、図５に示すようにトランジスタ３６０が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３６０の特性を重視する場合には、ゲー
ト電極３１０の側面にサイドウォール絶縁層を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純
物領域３２０を設けても良い。
。ここで、電極３２６は、トランジスタ３６０のソース電極やドレイン電極として機能す
る。また、トランジスタ３６０を囲むように素子分離絶縁層３０６が設けられており、ト
ランジスタ３６０を覆うように絶縁層３２８が設けられている。なお、高集積化を実現す
るためには、図５に示すようにトランジスタ３６０が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３６０の特性を重視する場合には、ゲー
ト電極３１０の側面にサイドウォール絶縁層を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純
物領域３２０を設けても良い。
【0173】
トランジスタ３６０は公知の技術を用いて作製することができる。半導体材料として、
例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウ
ムヒ素等を用いたトランジスタ３６０は、高速動作が可能であるという特徴を有する。こ
のため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み
出しを高速に行うことができる。
例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウ
ムヒ素等を用いたトランジスタ３６０は、高速動作が可能であるという特徴を有する。こ
のため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み
出しを高速に行うことができる。
【0174】
トランジスタ３６０を形成した後、トランジスタ３６２および容量素子３６４の形成前
の処理として、絶縁層３２８にＣＭＰ処理を施して、ゲート電極３１０の上面を露出させ
る。ゲート電極３１０の上面を露出させる処理としては、ＣＭＰ処理の他にエッチング処
理などを適用することも可能であるが、トランジスタ３６２の特性を向上させるために、
絶縁層３２８の表面は可能な限り平坦にしておくことが望ましい。
の処理として、絶縁層３２８にＣＭＰ処理を施して、ゲート電極３１０の上面を露出させ
る。ゲート電極３１０の上面を露出させる処理としては、ＣＭＰ処理の他にエッチング処
理などを適用することも可能であるが、トランジスタ３６２の特性を向上させるために、
絶縁層３２８の表面は可能な限り平坦にしておくことが望ましい。
【0175】
次に、ゲート電極３１０、絶縁層３２８などの上に導電層を形成し、該導電層を選択的
にエッチングして、トランジスタ３６２のゲート電極３４８ａを形成する。図５に示す半
導体装置のトランジスタ３６２は、ゲート電極３４８ａと、ゲート電極３４８ａを覆うゲ
ート絶縁膜３４６と、ゲート絶縁膜３４６上にゲート電極３４８ａと重畳するように設け
られた酸化物半導体層３４４と、酸化物半導体層３４４と電気的に接続されている導電膜
３４１ａ、ソース電極３４２ａおよび導電膜３４１ｂ、ドレイン電極３４２ｂと、を有す
る。詳細については、実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタの記載を参酌
することができる。なお、図５において、ゲート絶縁膜３４６は酸化物半導体層３４４と
ちょうど重畳するように設けられているがこれに限られることなく、少なくともゲート電
極３４８ａを覆い、かつ、電極３２６と導電膜３４１ａ、ソース電極３４２ａとが電気的
に接続され、ゲート電極３１０と導電膜３４１ｂ、ドレイン電極３４２ｂとが電気的に接
続されるように設ければよい。
にエッチングして、トランジスタ３６２のゲート電極３４８ａを形成する。図５に示す半
導体装置のトランジスタ３６２は、ゲート電極３４８ａと、ゲート電極３４８ａを覆うゲ
ート絶縁膜３４６と、ゲート絶縁膜３４６上にゲート電極３４８ａと重畳するように設け
られた酸化物半導体層３４４と、酸化物半導体層３４４と電気的に接続されている導電膜
３４１ａ、ソース電極３４２ａおよび導電膜３４１ｂ、ドレイン電極３４２ｂと、を有す
る。詳細については、実施の形態１または実施の形態２に示すトランジスタの記載を参酌
することができる。なお、図５において、ゲート絶縁膜３４６は酸化物半導体層３４４と
ちょうど重畳するように設けられているがこれに限られることなく、少なくともゲート電
極３４８ａを覆い、かつ、電極３２６と導電膜３４１ａ、ソース電極３４２ａとが電気的
に接続され、ゲート電極３１０と導電膜３４１ｂ、ドレイン電極３４２ｂとが電気的に接
続されるように設ければよい。
【0176】
また、図５に示す半導体装置においては、トランジスタ３６２上に絶縁層３５７が設け
られ、絶縁層３５７上にドレイン電極３４２ｂと少なくとも一部が重畳するように導電層
３５８が設けられる。つまり、導電層３５８は容量素子３６４の一方の電極として機能す
る。ここで、絶縁層３５７はゲート絶縁膜３４６と同様の材料で形成することができ、導
電層３５８はゲート電極３４８ａと同様の材料で形成することができる。
られ、絶縁層３５７上にドレイン電極３４２ｂと少なくとも一部が重畳するように導電層
３５８が設けられる。つまり、導電層３５８は容量素子３６４の一方の電極として機能す
る。ここで、絶縁層３５７はゲート絶縁膜３４６と同様の材料で形成することができ、導
電層３５８はゲート電極３４８ａと同様の材料で形成することができる。
【0177】
また、絶縁層３５７および導電層３５８の上には絶縁層３５０が設けられている。そし
て、絶縁層３５０上には配線３５４が設けられ、当該配線３５４はゲート絶縁膜３４６、
絶縁層３５０などに形成された開口を介してソース電極３４２ａと接続されている。ここ
で、配線３５４は、少なくともトランジスタ３６２の酸化物半導体層３４４の一部と重畳
するように設けられる。
て、絶縁層３５０上には配線３５４が設けられ、当該配線３５４はゲート絶縁膜３４６、
絶縁層３５０などに形成された開口を介してソース電極３４２ａと接続されている。ここ
で、配線３５４は、少なくともトランジスタ３６２の酸化物半導体層３４４の一部と重畳
するように設けられる。
【0178】
また、図５に示す半導体装置において、トランジスタ３６０と、トランジスタ３６２と
は、少なくとも一部が重畳するように設けられている。特に、トランジスタ３６０のソー
ス領域またはドレイン領域と酸化物半導体層３４４の一部が重畳するように設けられてい
る。また、配線３５４は、少なくとも酸化物半導体層３４４の一部と重畳するように設け
られている。また、トランジスタ３６２や容量素子３６４が、トランジスタ３６０と重畳
するように設けられている。例えば、容量素子３６４の導電層３５８は、トランジスタ３
６０のゲート電極３１０と少なくとも一部が重畳して設けられている。このような、平面
レイアウトを採用することにより、半導体装置の高集積化を図ることができる。例えば、
当該半導体装置を用いてメモリセルを構成する場合、最小加工寸法をＦとして、メモリセ
ルの占める面積を１５Ｆ２～２５Ｆ２とすることが可能である。
は、少なくとも一部が重畳するように設けられている。特に、トランジスタ３６０のソー
ス領域またはドレイン領域と酸化物半導体層３４４の一部が重畳するように設けられてい
る。また、配線３５４は、少なくとも酸化物半導体層３４４の一部と重畳するように設け
られている。また、トランジスタ３６２や容量素子３６４が、トランジスタ３６０と重畳
するように設けられている。例えば、容量素子３６４の導電層３５８は、トランジスタ３
６０のゲート電極３１０と少なくとも一部が重畳して設けられている。このような、平面
レイアウトを採用することにより、半導体装置の高集積化を図ることができる。例えば、
当該半導体装置を用いてメモリセルを構成する場合、最小加工寸法をＦとして、メモリセ
ルの占める面積を１５Ｆ２～２５Ｆ２とすることが可能である。
【0179】
図５（Ｃ）には、上記半導体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す
。図５（Ｃ）において、トランジスタ３６２のソース電極またはドレイン電極の一方と、
容量素子３６４の電極の一方と、トランジスタ３６０のゲート電極と、は電気的に接続さ
れている。また、第１の配線（１ｓｔ Ｌｉｎｅ：ソース線とも呼ぶ）とトランジスタ３
６０のソース電極とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄ Ｌｉｎｅ：ビット線と
も呼ぶ）とトランジスタ３６０のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第
３の配線（３ｒｄ Ｌｉｎｅ：第１の信号線とも呼ぶ）とトランジスタ３６２のソース電
極またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ Ｌｉｎｅ：
第２の信号線とも呼ぶ）と、トランジスタ３６２のゲート電極とは、電気的に接続されて
いる。そして、第５の配線（５ｔｈ Ｌｉｎｅ：ワード線とも呼ぶ）と、容量素子３６４
の電極の他方は電気的に接続されている。
。図５（Ｃ）において、トランジスタ３６２のソース電極またはドレイン電極の一方と、
容量素子３６４の電極の一方と、トランジスタ３６０のゲート電極と、は電気的に接続さ
れている。また、第１の配線（１ｓｔ Ｌｉｎｅ：ソース線とも呼ぶ）とトランジスタ３
６０のソース電極とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄ Ｌｉｎｅ：ビット線と
も呼ぶ）とトランジスタ３６０のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第
３の配線（３ｒｄ Ｌｉｎｅ：第１の信号線とも呼ぶ）とトランジスタ３６２のソース電
極またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ Ｌｉｎｅ：
第２の信号線とも呼ぶ）と、トランジスタ３６２のゲート電極とは、電気的に接続されて
いる。そして、第５の配線（５ｔｈ Ｌｉｎｅ：ワード線とも呼ぶ）と、容量素子３６４
の電極の他方は電気的に接続されている。
【0180】
酸化物半導体を用いたトランジスタ３６２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有
しているため、トランジスタ３６２をオフ状態とすることで、トランジスタ３６２のソー
ス電極またはドレイン電極の一方と、容量素子３６４の電極の一方と、トランジスタ３６
０のゲート電極とが電気的に接続されたノード（以下、ノードＦＧ）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。そして、容量素子３６４を有することにより、
ノードＦＧに与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み出しが容
易になる。
しているため、トランジスタ３６２をオフ状態とすることで、トランジスタ３６２のソー
ス電極またはドレイン電極の一方と、容量素子３６４の電極の一方と、トランジスタ３６
０のゲート電極とが電気的に接続されたノード（以下、ノードＦＧ）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。そして、容量素子３６４を有することにより、
ノードＦＧに与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み出しが容
易になる。
【0181】
半導体装置に情報を記憶させる場合（書き込み）は、まず、第４の配線の電位を、トラ
ンジスタ３６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ３６２をオン状態とする。こ
れにより、第３の配線の電位が、ノードＦＧに供給され、ノードＦＧに所定量の電荷が蓄
積される。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下、ロー（Ｌｏｗ）レベ
ル電荷、ハイ（Ｈｉｇｈ）レベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その
後、第４の配線の電位を、トランジスタ３６２がオフ状態となる電位にして、トランジス
タ３６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧが浮遊状態となるため、ノードＦＧに
は所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードＦＧに所定量の電荷
を蓄積および保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
ンジスタ３６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ３６２をオン状態とする。こ
れにより、第３の配線の電位が、ノードＦＧに供給され、ノードＦＧに所定量の電荷が蓄
積される。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下、ロー（Ｌｏｗ）レベ
ル電荷、ハイ（Ｈｉｇｈ）レベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その
後、第４の配線の電位を、トランジスタ３６２がオフ状態となる電位にして、トランジス
タ３６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧが浮遊状態となるため、ノードＦＧに
は所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードＦＧに所定量の電荷
を蓄積および保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
【0182】
トランジスタ３６２のオフ電流は極めて小さいため、ノードＦＧに供給された電荷は長
時間にわたって保持される。したがって、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リ
フレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となり、消費電力を十分に低減するこ
とができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持す
ることが可能である。
時間にわたって保持される。したがって、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リ
フレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となり、消費電力を十分に低減するこ
とができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持す
ることが可能である。
【0183】
記憶された情報を読み出す場合（読み出し）は、第１の配線に所定の電位（定電位）を
与えた状態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、ノードＦＧに保持
された電荷量に応じて、トランジスタ３６０は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ
３６０をｎチャネル型とすると、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が保持されている場合
のトランジスタ３６０の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷
が保持されている場合のトランジスタ３６０の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなる
ためである。ここで、見かけのしきい値とは、トランジスタ３６０を「オン状態」とする
ために必要な第５の配線の電位をいうものとする。したがって、第５の配線の電位をＶｔ
ｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの中間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに保持された電荷を
判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には
、第５の配線の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３６０は「オン状態
」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＜Ｖ
ｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３６０は「オフ状態」のままである。このため、第
５の配線の電位を制御して、トランジスタ３６０のオン状態またはオフ状態を読み出す（
第２の配線の電位を読み出す）ことで、記憶された情報を読み出すことができる。
与えた状態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、ノードＦＧに保持
された電荷量に応じて、トランジスタ３６０は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ
３６０をｎチャネル型とすると、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が保持されている場合
のトランジスタ３６０の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷
が保持されている場合のトランジスタ３６０の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなる
ためである。ここで、見かけのしきい値とは、トランジスタ３６０を「オン状態」とする
ために必要な第５の配線の電位をいうものとする。したがって、第５の配線の電位をＶｔ
ｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの中間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに保持された電荷を
判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には
、第５の配線の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ３６０は「オン状態
」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＜Ｖ
ｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ３６０は「オフ状態」のままである。このため、第
５の配線の電位を制御して、トランジスタ３６０のオン状態またはオフ状態を読み出す（
第２の配線の電位を読み出す）ことで、記憶された情報を読み出すことができる。
【0184】
また、記憶させた情報を書き換える場合においては、上記の書き込みによって所定量の
電荷を保持したノードＦＧに、新たな電位を供給することで、ノードＦＧに新たな情報に
係る電荷を保持させる。具体的には、第４の配線の電位を、トランジスタ３６２がオン状
態となる電位にして、トランジスタ３６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の
電位（新たな情報に係る電位）が、ノードＦＧに供給され、ノードＦＧに所定量の電荷が
蓄積される。その後、第４の配線の電位をトランジスタ３６２がオフ状態となる電位にし
て、トランジスタ３６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧには、新たな情報に係
る電荷が保持された状態となる。すなわち、ノードＦＧに第１の書き込みによって所定量
の電荷が保持された状態で、第１の書き込みと同様の動作（第２の書き込み）を行うこと
で、記憶させた情報を上書きすることが可能である。
電荷を保持したノードＦＧに、新たな電位を供給することで、ノードＦＧに新たな情報に
係る電荷を保持させる。具体的には、第４の配線の電位を、トランジスタ３６２がオン状
態となる電位にして、トランジスタ３６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の
電位（新たな情報に係る電位）が、ノードＦＧに供給され、ノードＦＧに所定量の電荷が
蓄積される。その後、第４の配線の電位をトランジスタ３６２がオフ状態となる電位にし
て、トランジスタ３６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧには、新たな情報に係
る電荷が保持された状態となる。すなわち、ノードＦＧに第１の書き込みによって所定量
の電荷が保持された状態で、第１の書き込みと同様の動作（第２の書き込み）を行うこと
で、記憶させた情報を上書きすることが可能である。
【0185】
本実施の形態で示すトランジスタ３６２は、高純度化され、真性化された酸化物半導体
層３４４を用いることで、トランジスタ３６２のオフ電流を十分に低減することができる
。そして、このようなトランジスタを用いることで、極めて長期にわたり記憶内容を保持
することが可能な半導体装置が得られる。
層３４４を用いることで、トランジスタ３６２のオフ電流を十分に低減することができる
。そして、このようなトランジスタを用いることで、極めて長期にわたり記憶内容を保持
することが可能な半導体装置が得られる。
【0186】
また、本実施の形態において示す半導体装置では、トランジスタ３６０とトランジスタ
３６２を重畳させることで、集積度が十分に高められた半導体装置が実現される。
３６２を重畳させることで、集積度が十分に高められた半導体装置が実現される。
【0187】
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。
適宜組み合わせて用いることができる。
【0188】
（実施の形態６）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用するこ
とができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョ
ン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカ
メラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯
型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げら
れる。
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用するこ
とができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョ
ン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカ
メラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯
型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げら
れる。
【0189】
本実施の形態では、上記実施の形態のいずれか一で得られる電気的特性が良好で、信頼
性の高いトランジスタを搭載した電子機器の例について図６を用いて説明する。
性の高いトランジスタを搭載した電子機器の例について図６を用いて説明する。
【0190】
図６（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００
２、表示部３００３、キーボード３００４などによって構成されている。なお、ノート型
のパーソナルコンピュータは、上記実施の形態で示すトランジスタを含んでいる。そのた
め、良好な品質を有し、信頼性の高いノート型のパーソナルコンピュータが実現される。
２、表示部３００３、キーボード３００４などによって構成されている。なお、ノート型
のパーソナルコンピュータは、上記実施の形態で示すトランジスタを含んでいる。そのた
め、良好な品質を有し、信頼性の高いノート型のパーソナルコンピュータが実現される。
【0191】
図６（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体３０２１には表示部３０２３と、
外部インターフェイス３０２５と、操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用
の付属品としてスタイラス３０２２がある。なお、携帯情報端末（ＰＤＡ）は、上記実施
の形態で示すトランジスタを含んでいる。そのため、良好な品質を有し、信頼性の高い携
帯情報端末（ＰＤＡ）が実現される。
外部インターフェイス３０２５と、操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用
の付属品としてスタイラス３０２２がある。なお、携帯情報端末（ＰＤＡ）は、上記実施
の形態で示すトランジスタを含んでいる。そのため、良好な品質を有し、信頼性の高い携
帯情報端末（ＰＤＡ）が実現される。
【0192】
図６（Ｃ）は、上記実施の形態で示す電子ペーパーを一部品として実装して作製した電
子書籍である。図６（Ｃ）は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍２７００
は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１およ
び筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開
閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが
可能となる。また、このような構成により、より強い外部からの衝撃に耐えることが可能
となる。また、該軸部２７１１を取り外して、筐体２７０１と筐体２７０３を分離するこ
とも可能である。
子書籍である。図６（Ｃ）は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍２７００
は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１およ
び筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開
閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが
可能となる。また、このような構成により、より強い外部からの衝撃に耐えることが可能
となる。また、該軸部２７１１を取り外して、筐体２７０１と筐体２７０３を分離するこ
とも可能である。
【0193】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組
み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成とし
てもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とする
ことで、例えば右側の表示部（図６（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の
表示部（図６（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。
み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成とし
てもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とする
ことで、例えば右側の表示部（図６（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の
表示部（図６（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。
【0194】
また、図６（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、
筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカー２７２５などを備
えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一
面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の
裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよび
ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備え
る構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構
成としてもよい。
筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカー２７２５などを備
えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一
面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の
裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよび
ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備え
る構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構
成としてもよい。
【0195】
また、電子書籍２７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により
、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とするこ
とも可能である。
、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とするこ
とも可能である。
【0196】
図６（Ｄ）は、携帯電話であり、筐体２８００および筐体２８０１の二つの筐体で構成
されている。筐体２８０１には、表示パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフ
ォン２８０４、ポインティングデバイス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端
子２８０８などを備えている。また、筐体２８０１には、携帯型情報端末の充電を行う太
陽電池セル２８１０、外部メモリスロット２８１１などを備えている。また、アンテナは
筐体２８０１内部に内蔵されている。なお、携帯電話は、上記実施の形態で示すトランジ
スタを少なくとも一部品として含んでいる。
されている。筐体２８０１には、表示パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフ
ォン２８０４、ポインティングデバイス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端
子２８０８などを備えている。また、筐体２８０１には、携帯型情報端末の充電を行う太
陽電池セル２８１０、外部メモリスロット２８１１などを備えている。また、アンテナは
筐体２８０１内部に内蔵されている。なお、携帯電話は、上記実施の形態で示すトランジ
スタを少なくとも一部品として含んでいる。
【0197】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図６（Ｄ）には映像表示され
ている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力
される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
ている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力
される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【0198】
表示パネル２８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネ
ル２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能で
ある。スピーカー２８０３およびマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電
話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１は、スライドし
、図６（Ｄ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に
適した小型化が可能である。
ル２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能で
ある。スピーカー２８０３およびマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電
話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１は、スライドし
、図６（Ｄ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に
適した小型化が可能である。
【0199】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続
可能であり、充電およびパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また
、外部メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存および移動に
対応できる。記録媒体として、実施の形態５に示す半導体装置を用いることができる。実
施の形態５によれば、オフ電流を十分に低減することができるトランジスタを用いること
で、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能な半導体装置が得られる。
可能であり、充電およびパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また
、外部メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存および移動に
対応できる。記録媒体として、実施の形態５に示す半導体装置を用いることができる。実
施の形態５によれば、オフ電流を十分に低減することができるトランジスタを用いること
で、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能な半導体装置が得られる。
【0200】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであって
もよい。
もよい。
【0201】
図６（Ｅ）は、デジタルカメラであり、本体３０５１、表示部（Ａ）３０５７、接眼部
３０５３、操作スイッチ３０５４、表示部（Ｂ）３０５５、バッテリー３０５６などによ
って構成されている。なお、デジタルカメラは、上記実施の形態で示すトランジスタを含
んでいる。そのため、良好な品質を有し、信頼性の高いデジタルカメラが実現される。
３０５３、操作スイッチ３０５４、表示部（Ｂ）３０５５、バッテリー３０５６などによ
って構成されている。なお、デジタルカメラは、上記実施の形態で示すトランジスタを含
んでいる。そのため、良好な品質を有し、信頼性の高いデジタルカメラが実現される。
【0202】
以上のように、本実施の形態に示す電子機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が
搭載されている。このため、良好な品質を有する電子機器が実現される。
搭載されている。このため、良好な品質を有する電子機器が実現される。
【実施例1】
【0203】
本実施例では、実施の形態１のトランジスタの一例を作製し、ＳＴＥＭ（Ｓｃａｎｎｉ
ｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の測定を
行った。また、該トランジスタの断面形状のＳＴＥＭ像を観察した。
ｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の測定を
行った。また、該トランジスタの断面形状のＳＴＥＭ像を観察した。
【0204】
本実施例の基板１００としては、ガラス基板を用いた。ゲート電極層１０２は、スパッ
タ装置で、タングステンターゲットを用いて形成し、厚さは１００ｎｍとした。ゲート絶
縁膜１０４は、スパッタ装置で、酸化窒化シリコンターゲットを用いて形成し、厚さは１
００ｎｍとした。酸化物半導体層１０６は、圧力０．６Ｐａ、直流（ＤＣ）電源を５ｋＷ
、基板温度を２００℃、成膜雰囲気をアルゴンと酸素の混合雰囲気（酸素：アルゴン＝５
０：５０）の条件においてスパッタ装置で、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ系の酸化物半導体ターゲッ
ト（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ比］）を用いて形成し、厚さ
は３０ｎｍとした。保護導電膜１０７は、スパッタ装置で、タングステンターゲットを用
いて形成し、厚さは５０ｎｍとした。
タ装置で、タングステンターゲットを用いて形成し、厚さは１００ｎｍとした。ゲート絶
縁膜１０４は、スパッタ装置で、酸化窒化シリコンターゲットを用いて形成し、厚さは１
００ｎｍとした。酸化物半導体層１０６は、圧力０．６Ｐａ、直流（ＤＣ）電源を５ｋＷ
、基板温度を２００℃、成膜雰囲気をアルゴンと酸素の混合雰囲気（酸素：アルゴン＝５
０：５０）の条件においてスパッタ装置で、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ系の酸化物半導体ターゲッ
ト（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ比］）を用いて形成し、厚さ
は３０ｎｍとした。保護導電膜１０７は、スパッタ装置で、タングステンターゲットを用
いて形成し、厚さは５０ｎｍとした。
【0205】
導電層１０８は、保護導電膜１０７側より第１の導電膜１０８Ａ、第２の導電膜１０８
Ｂおよび第３の導電膜１０８Ｃとなるような３層の積層構造とし、スパッタ装置で、第１
の導電膜１０８ＡはＴｉを用いて形成し、厚さは１００ｎｍ、第２の導電膜１０８ＢはＡ
ｌを用いて形成し、厚さは４００ｎｍ、第３の導電膜１０８ＣはＴｉを用いて形成し、厚
さは１００ｎｍとした。
Ｂおよび第３の導電膜１０８Ｃとなるような３層の積層構造とし、スパッタ装置で、第１
の導電膜１０８ＡはＴｉを用いて形成し、厚さは１００ｎｍ、第２の導電膜１０８ＢはＡ
ｌを用いて形成し、厚さは４００ｎｍ、第３の導電膜１０８ＣはＴｉを用いて形成し、厚
さは１００ｎｍとした。
【0206】
本実施例では、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘
導結合型プラズマ）装置を用いて２段階のエッチングを行った。本実施例は、積層構造の
導電層を加工して導電層１０８を形成するエッチングをＢＣｌ３とＣｌ２との混合ガス（
第１のエッチング工程）で行った後、保護導電膜１０７を除去させるためにガス種をＳＦ
６とＣｌ２との混合ガス（第２のエッチング工程）で行った。
導結合型プラズマ）装置を用いて２段階のエッチングを行った。本実施例は、積層構造の
導電層を加工して導電層１０８を形成するエッチングをＢＣｌ３とＣｌ２との混合ガス（
第１のエッチング工程）で行った後、保護導電膜１０７を除去させるためにガス種をＳＦ
６とＣｌ２との混合ガス（第２のエッチング工程）で行った。
【0207】
第１のエッチング工程の条件は、ＩＣＰパワーが０Ｗ、バイアスパワーが１５００Ｗ、
圧力が２．０Ｐａ、ＢＣｌ３とＣｌ２とのガス流量比が７５０ｓｃｃｍ：１５０ｓｃｃｍ
であり、２０秒間エッチング時間を延長してオーバーエッチングを行った。
圧力が２．０Ｐａ、ＢＣｌ３とＣｌ２とのガス流量比が７５０ｓｃｃｍ：１５０ｓｃｃｍ
であり、２０秒間エッチング時間を延長してオーバーエッチングを行った。
【0208】
本実施例での第１のエッチング工程条件では、Ｔｉのエッチング速度は８６．１０ｎｍ
／ｍｉｎ、Ａｌのエッチング速度は９８．４０ｎｍ／ｍｉｎ、Ｗのエッチング速度は１２
．２０ｎｍ／ｍｉｎであった。
／ｍｉｎ、Ａｌのエッチング速度は９８．４０ｎｍ／ｍｉｎ、Ｗのエッチング速度は１２
．２０ｎｍ／ｍｉｎであった。
【0209】
積層構造である導電層１０８の保護導電膜１０７に接しているＴｉ膜である第１の導電
膜１０８ＡとＷ膜である保護導電膜１０７とのエッチング選択比はＴｉのエッチング速度
８６．１０ｎｍ／ｍｉｎをＷのエッチング速度１２．２０ｎｍ／ｍｉｎで割ったものであ
り、７．０６となる。
膜１０８ＡとＷ膜である保護導電膜１０７とのエッチング選択比はＴｉのエッチング速度
８６．１０ｎｍ／ｍｉｎをＷのエッチング速度１２．２０ｎｍ／ｍｉｎで割ったものであ
り、７．０６となる。
【0210】
本実施例での第２のエッチング工程条件では、ＩＣＰパワーが２０００Ｗ、バイアスパ
ワーが３００Ｗ、圧力が１．５Ｐａ、ＳＦ６とＣｌ２とのガス流量比が５４０ｓｃｃｍ：
５４０ｓｃｃｍであり、１５秒間エッチング時間を延長してオーバーエッチングを行った
。以上により、実施例のトランジスタを作製した。
ワーが３００Ｗ、圧力が１．５Ｐａ、ＳＦ６とＣｌ２とのガス流量比が５４０ｓｃｃｍ：
５４０ｓｃｃｍであり、１５秒間エッチング時間を延長してオーバーエッチングを行った
。以上により、実施例のトランジスタを作製した。
【0211】
本実施例の条件でのＷのエッチング速度は９８．４０ｎｍ／ｍｉｎ、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ
系酸化物半導体のエッチング速度は２．１５ｎｍ／ｍｉｎであった。
系酸化物半導体のエッチング速度は２．１５ｎｍ／ｍｉｎであった。
【0212】
Ｗ膜である保護導電膜１０７とＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ系の酸化物半導体である酸化物半導体
層１０６とのエッチング選択比はＷのエッチング速度９８．４０ｎｍ／ｍｉｎをＩｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ系の酸化物半導体のエッチング速度２．１５ｎｍ／ｍｉｎで割ったものであり、
４５．７７となった。
層１０６とのエッチング選択比はＷのエッチング速度９８．４０ｎｍ／ｍｉｎをＩｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ系の酸化物半導体のエッチング速度２．１５ｎｍ／ｍｉｎで割ったものであり、
４５．７７となった。
【0213】
導電層１０８の下層に保護導電膜１０７を設けずに、積層構造の導電層１０８を加工し
て形成するエッチングをＢＣｌ３とＣｌ２との混合ガス（第１のエッチング工程）で行い
、比較例のトランジスタを作製した。実施例のトランジスタと比較例のトランジスタにつ
いて、それぞれの断面形状のＳＴＥＭ像を観察した。
て形成するエッチングをＢＣｌ３とＣｌ２との混合ガス（第１のエッチング工程）で行い
、比較例のトランジスタを作製した。実施例のトランジスタと比較例のトランジスタにつ
いて、それぞれの断面形状のＳＴＥＭ像を観察した。
【0214】
図７は、本実施例のトランジスタの酸化物半導体層１０６と導電層１０８の接続箇所の
断面ＳＴＥＭ像を示す。図８は、比較例のトランジスタの酸化物半導体層１０６と導電層
１０８の接続箇所の断面ＳＴＥＭ像を示す。
断面ＳＴＥＭ像を示す。図８は、比較例のトランジスタの酸化物半導体層１０６と導電層
１０８の接続箇所の断面ＳＴＥＭ像を示す。
【0215】
本実施例のトランジスタでは、導電層１０８と重畳していない部分の酸化物半導体層１
０６の膜厚（以後、第１の膜厚と呼ぶ。）と導電層１０８と重畳している部分の酸化物半
導体層１０６の膜厚（以後、第２の膜厚と呼ぶ。）との差はほとんどなく、約１ｎｍであ
った。
一方、比較例のトランジスタでは、導電層１０８をエッチングする際に同時に酸化物半導
体層１０６もエッチングされてしまったため、酸化物半導体層１０６の第１の膜厚と第２
の膜厚の差は、約２０ｎｍであった。
０６の膜厚（以後、第１の膜厚と呼ぶ。）と導電層１０８と重畳している部分の酸化物半
導体層１０６の膜厚（以後、第２の膜厚と呼ぶ。）との差はほとんどなく、約１ｎｍであ
った。
一方、比較例のトランジスタでは、導電層１０８をエッチングする際に同時に酸化物半導
体層１０６もエッチングされてしまったため、酸化物半導体層１０６の第１の膜厚と第２
の膜厚の差は、約２０ｎｍであった。
【0216】
以上の結果より、導電層１０８の下に設けられている酸化物半導体層１０６が比較例で
は約２０ｎｍも過剰にエッチングされていたのに対し、本実施例では、保護導電膜１０７
の効果により、導電層１０８の下に設けられている酸化物半導体層１０６はほとんどエッ
チングされなかった。以上により、本実施例のトランジスタの作製方法により、酸化物半
導体層の過剰なエッチングおよび酸化物半導体層の膜厚にバラツキが生じることを軽減す
ることができ、生産性を向上させ、歩留まりよくトランジスタを作製することが可能であ
ることがわかる。
は約２０ｎｍも過剰にエッチングされていたのに対し、本実施例では、保護導電膜１０７
の効果により、導電層１０８の下に設けられている酸化物半導体層１０６はほとんどエッ
チングされなかった。以上により、本実施例のトランジスタの作製方法により、酸化物半
導体層の過剰なエッチングおよび酸化物半導体層の膜厚にバラツキが生じることを軽減す
ることができ、生産性を向上させ、歩留まりよくトランジスタを作製することが可能であ
ることがわかる。
【実施例2】
【0217】
本実施例では、第２のエッチング工程の条件として用いることのできる他の例を示す。
本実施例のトランジスタの構成および作製工程は、第２のエッチング工程の条件以外は、
実施例１と同様である。本実施例での第２のエッチング工程条件では、ＩＣＰパワーが２
０００Ｗ、バイアスパワーが３００Ｗ、圧力が１．５Ｐａ、ＳＦ６とＣｌ２とのガス流量
比が４５０ｓｃｃｍ：６３０ｓｃｃｍであり、１５秒間エッチング時間を延長してオーバ
ーエッチングを行った。以上により、実施例のトランジスタを作製してＳＴＥＭの測定を
行い、本実施例のトランジスタについて、断面形状のＳＴＥＭ像を観察した。
本実施例のトランジスタの構成および作製工程は、第２のエッチング工程の条件以外は、
実施例１と同様である。本実施例での第２のエッチング工程条件では、ＩＣＰパワーが２
０００Ｗ、バイアスパワーが３００Ｗ、圧力が１．５Ｐａ、ＳＦ６とＣｌ２とのガス流量
比が４５０ｓｃｃｍ：６３０ｓｃｃｍであり、１５秒間エッチング時間を延長してオーバ
ーエッチングを行った。以上により、実施例のトランジスタを作製してＳＴＥＭの測定を
行い、本実施例のトランジスタについて、断面形状のＳＴＥＭ像を観察した。
【0218】
図９は、本実施例のトランジスタの酸化物半導体層１０６と導電層１０８の接続箇所の
断面ＳＴＥＭ像を示す。
断面ＳＴＥＭ像を示す。
【0219】
本実施例の第２のエッチング工程の条件を用いて作製したトランジスタでは、酸化物半
導体層１０６の第１の膜厚と第２の膜厚の差はほとんどなく、約１ｎｍであった。本実施
例において、保護導電膜１０７の効果により、導電層１０８の下に設けられている酸化物
半導体層１０６はほとんどエッチングされなかった。
導体層１０６の第１の膜厚と第２の膜厚の差はほとんどなく、約１ｎｍであった。本実施
例において、保護導電膜１０７の効果により、導電層１０８の下に設けられている酸化物
半導体層１０６はほとんどエッチングされなかった。
【0220】
また、図９に示すように第１の導電膜１０８Ａ、第２の導電膜１０８Ｂおよび第３の導
電膜１０８Ｃのそれぞれの端部は、ほぼ一致しており、連続的な形状となることが確認で
きた。第１の導電膜１０８Ａ、第２の導電膜１０８Ｂおよび第３の導電膜１０８Ｃのそれ
ぞれの端部において、段差が軽減された連続的な形状であると第１の導電膜１０８Ａ、第
２の導電膜１０８Ｂおよび第３の導電膜１０８Ｃのそれぞれの上部に成膜する膜の被覆性
を向上させることができる。
電膜１０８Ｃのそれぞれの端部は、ほぼ一致しており、連続的な形状となることが確認で
きた。第１の導電膜１０８Ａ、第２の導電膜１０８Ｂおよび第３の導電膜１０８Ｃのそれ
ぞれの端部において、段差が軽減された連続的な形状であると第１の導電膜１０８Ａ、第
２の導電膜１０８Ｂおよび第３の導電膜１０８Ｃのそれぞれの上部に成膜する膜の被覆性
を向上させることができる。
【0221】
以上により、本実施例のトランジスタの作製方法により、酸化物半導体層の過剰なエッ
チングおよび酸化物半導体層の膜厚にバラツキが生じることを軽減することができ、生産
性を向上させ、歩留まりよくトランジスタを作製することが可能であることがわかる。ま
た、エッチング工程を制御することで、良好な形状に加工することができるため、トラン
ジスタのリーク電流を抑制し、高性能、高信頼性のトランジスタを作製することが可能で
あることがわかる。
チングおよび酸化物半導体層の膜厚にバラツキが生じることを軽減することができ、生産
性を向上させ、歩留まりよくトランジスタを作製することが可能であることがわかる。ま
た、エッチング工程を制御することで、良好な形状に加工することができるため、トラン
ジスタのリーク電流を抑制し、高性能、高信頼性のトランジスタを作製することが可能で
あることがわかる。
【符号の説明】
【0222】
１００ 基板
１０２ ゲート電極層
１０４ ゲート絶縁膜
１０６ 酸化物半導体層
１０７ 保護導電膜
１０８ 導電層
１０８Ａ 導電膜
１０８Ｂ 導電膜
１０８Ｃ 導電膜
１１０ レジストマスク
１１２ 配線層
１１４ 導電層
１１６ 絶縁膜
１２０ トランジスタ
２００ 基板
２０１ 下地絶縁層
２０２ ゲート電極層
２０４ ゲート絶縁膜
２０６ 酸化物半導体層
２０７ 保護導電膜
２０８ 導電層
２１０ レジストマスク
２１２ 配線層
２１４ 導電層
２２０ トランジスタ
３００ 基板
３０６ 素子分離絶縁層
３０８ ゲート絶縁膜
３１０ ゲート電極
３１６ チャネル形成領域
３２０ 不純物領域
３２４ 金属化合物領域
３２６ 電極
３２８ 絶縁層
３４１ａ 導電膜
３４１ｂ 導電膜
３４２ａ ソース電極
３４２ｂ ドレイン電極
３４４ 酸化物半導体層
３４６ ゲート絶縁膜
３４８ａ ゲート電極
３５０ 絶縁層
３５４ 配線
３５７ 絶縁層
３５８ 導電層
３６０ トランジスタ
３６２ トランジスタ
３６４ 容量素子
５８０ 基板
５８１ トランジスタ
５８３ 絶縁層
５８５ 絶縁層
５８７ 電極層
５８８ 電極層
５８９ 球形粒子
５９０ａ 黒色領域
５９０ｂ 白色領域
５９５ 充填材
５９６ 基板
２７００ 電子書籍
２７０１ 筐体
２７０３ 筐体
２７０５ 表示部
２７０７ 表示部
２７１１ 軸部
２７２１ 電源
２７２３ 操作キー
２７２５ スピーカー
２８００ 筐体
２８０１ 筐体
２８０２ 表示パネル
２８０３ スピーカー
２８０４ マイクロフォン
２８０５ 操作キー
２８０６ ポインティングデバイス
２８０７ カメラ用レンズ
２８０８ 外部接続端子
２８１０ 太陽電池セル
２８１１ 外部メモリスロット
３００１ 本体
３００２ 筐体
３００３ 表示部
３００４ キーボード
３０２１ 本体
３０２２ スタイラス
３０２３ 表示部
３０２４ 操作ボタン
３０２５ 外部インターフェイス
３０５１ 本体
３０５３ 接眼部
３０５４ 操作スイッチ
３０５５ 表示部（Ｂ）
３０５６ バッテリー
３０５７ 表示部（Ａ）
４００１ 基板
４００２ 画素部
４００３ 信号線駆動回路
４００４ 走査線駆動回路
４００５ シール材
４００６ 基板
４００８ 液晶層
４０１０ トランジスタ
４０１１ トランジスタ
４０１３ 液晶素子
４０１５ 接続端子電極
４０１６ 端子電極
４０１８ ＦＰＣ
４０１９ 異方性導電膜
４０２１ 絶縁層
４０３０ 画素電極層
４０３１ 対向電極層
４０３２ 絶縁層
４０３３ 絶縁層
４０３５ スペーサ
４０４１ 絶縁層
４０４２ 絶縁層
１０２ ゲート電極層
１０４ ゲート絶縁膜
１０６ 酸化物半導体層
１０７ 保護導電膜
１０８ 導電層
１０８Ａ 導電膜
１０８Ｂ 導電膜
１０８Ｃ 導電膜
１１０ レジストマスク
１１２ 配線層
１１４ 導電層
１１６ 絶縁膜
１２０ トランジスタ
２００ 基板
２０１ 下地絶縁層
２０２ ゲート電極層
２０４ ゲート絶縁膜
２０６ 酸化物半導体層
２０７ 保護導電膜
２０８ 導電層
２１０ レジストマスク
２１２ 配線層
２１４ 導電層
２２０ トランジスタ
３００ 基板
３０６ 素子分離絶縁層
３０８ ゲート絶縁膜
３１０ ゲート電極
３１６ チャネル形成領域
３２０ 不純物領域
３２４ 金属化合物領域
３２６ 電極
３２８ 絶縁層
３４１ａ 導電膜
３４１ｂ 導電膜
３４２ａ ソース電極
３４２ｂ ドレイン電極
３４４ 酸化物半導体層
３４６ ゲート絶縁膜
３４８ａ ゲート電極
３５０ 絶縁層
３５４ 配線
３５７ 絶縁層
３５８ 導電層
３６０ トランジスタ
３６２ トランジスタ
３６４ 容量素子
５８０ 基板
５８１ トランジスタ
５８３ 絶縁層
５８５ 絶縁層
５８７ 電極層
５８８ 電極層
５８９ 球形粒子
５９０ａ 黒色領域
５９０ｂ 白色領域
５９５ 充填材
５９６ 基板
２７００ 電子書籍
２７０１ 筐体
２７０３ 筐体
２７０５ 表示部
２７０７ 表示部
２７１１ 軸部
２７２１ 電源
２７２３ 操作キー
２７２５ スピーカー
２８００ 筐体
２８０１ 筐体
２８０２ 表示パネル
２８０３ スピーカー
２８０４ マイクロフォン
２８０５ 操作キー
２８０６ ポインティングデバイス
２８０７ カメラ用レンズ
２８０８ 外部接続端子
２８１０ 太陽電池セル
２８１１ 外部メモリスロット
３００１ 本体
３００２ 筐体
３００３ 表示部
３００４ キーボード
３０２１ 本体
３０２２ スタイラス
３０２３ 表示部
３０２４ 操作ボタン
３０２５ 外部インターフェイス
３０５１ 本体
３０５３ 接眼部
３０５４ 操作スイッチ
３０５５ 表示部（Ｂ）
３０５６ バッテリー
３０５７ 表示部（Ａ）
４００１ 基板
４００２ 画素部
４００３ 信号線駆動回路
４００４ 走査線駆動回路
４００５ シール材
４００６ 基板
４００８ 液晶層
４０１０ トランジスタ
４０１１ トランジスタ
４０１３ 液晶素子
４０１５ 接続端子電極
４０１６ 端子電極
４０１８ ＦＰＣ
４０１９ 異方性導電膜
４０２１ 絶縁層
４０３０ 画素電極層
４０３１ 対向電極層
４０３２ 絶縁層
４０３３ 絶縁層
４０３５ スペーサ
４０４１ 絶縁層
４０４２ 絶縁層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
