特許 7584585 半導体装置

(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】2024-11-07

(45)【発行日】2024-11-15

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/786 20060101AFI20241108BHJP

   H01L 27/088 20060101ALI20241108BHJP

   H01L 21/8234 20060101ALI20241108BHJP

   G06K 19/02 20060101ALI20241108BHJP

   G06K 19/07 20060101ALI20241108BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 618B

H01L29/78 613Z

H01L29/78 618G

H01L27/088 331E

H01L27/088 E

G06K19/02

G06K19/07 020

G06K19/07 230

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2023116445

(22)【出願日】2023-07-18

(62)【分割の表示】P 2021172259の分割

【原出願日】2010-11-09

(65)【公開番号】P2023138533

(43)【公開日】2023-10-02

【審査請求日】2023-08-09

(31)【優先権主張番号】P 2009265594

(32)【優先日】2009-11-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】加藤 清

(72)【発明者】

【氏名】小山 潤

【審査官】西村 治郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１１４４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０９４４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３５３５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／７８６

Ｈ０１Ｌ ２７／０８８

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３４

Ｇ０６Ｋ １９／０２

Ｇ０６Ｋ １９／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコンを有する第１のチャネル形成領域を有する第１のトランジスタと、
酸化物半導体を有する第２のチャネル形成領域を有する第２のトランジスタと、を有する半導体装置であって、
第１の絶縁層を介して前記第１のチャネル形成領域上に位置する領域を有する第１の導電層と、
前記第１の導電層と同じ材料を有する第２の導電層と、
前記第１の導電層の上面と接する領域と、前記第２の導電層の上面と接する領域と、を有する第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層の上方に位置する領域を有し、前記第２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位置する領域を有する、第３の絶縁層と、
前記第３の絶縁層の上面と接する領域を有し、前記第１のトランジスタのソース及びドレインの一方と電気的に接続された第３の導電層と、
前記第３の絶縁層の上面と接する領域を有し、前記第２のトランジスタのソース及びドレインの一方と電気的に接続された第４の導電層と、を有し、
前記第３の導電層は、前記第４の導電層と同じ材料を有し、
前記第４の導電層は、前記第２の導電層と電気的に接続される、半導体装置。

【請求項2】

シリコンを有する第１のチャネル形成領域を有する第１のトランジスタと、
酸化物半導体を有する第２のチャネル形成領域を有する第２のトランジスタと、を有する半導体装置であって、
第１の絶縁層を介して前記第１のチャネル形成領域上に位置する領域を有する第１の導電層と、
前記第１の導電層と同じ材料を有する第２の導電層と、
前記第１の導電層の上面と接する領域と、前記第２の導電層の上面と接する領域と、を有する第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層の上方に位置する領域を有し、前記第２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位置する領域を有する、第３の絶縁層と、
前記第３の絶縁層の上面と接する領域を有し、前記第１のトランジスタのソース及びドレインの一方と電気的に接続された第３の導電層と、
前記第３の絶縁層の上面と接する領域を有し、前記第２のトランジスタのソース及びドレインの一方と電気的に接続された第４の導電層と、
前記第２のチャネル形成領域上に位置する領域を有する第５の導電層と、を有し、
前記第３の導電層は、前記第４の導電層と同じ材料を有し、
前記第４の導電層は、前記第２の導電層と電気的に接続され、
前記第５の導電層の側面は、前記第３の絶縁層と接する領域を有する、半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関する。特に無線通信機能を有する半導体装置に関する。

【0002】

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

【背景技術】

【0003】

無線でのデータの送受信が可能な無線通信機能を有する半導体装置は、様々な分野にお
いて実用化が進められている。このような半導体装置は、新しい形態の通信情報端末とし
てさらなる市場の拡大が見込まれている。実用化されている無線通信機能を有する半導体
装置は、アンテナと、半導体素子を用いて形成された集積回路とが同一基板上に形成され
ている。また、無線通信機能を有する半導体装置は、無線タグ、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒ
ｅｑｕｅｎｃｙ）タグ、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉ
ｃａｔｉｏｎ）タグ、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）タグ、またはＩＤ
（Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグとも呼ばれる。

【0004】

当該半導体装置は、アクティブ型と、パッシブ型の２種に大別される。前者は、半導体
装置内に電池を有し、該電池を電力供給源として動作する半導体装置であり、後者は、半
導体装置内に電池などの電力供給源が存在せず、外部の質問器（リーダ、リーダライタ、
Ｒ／Ｗともいう）から入力される信号を電力供給源として動作する半導体装置である。

【0005】

アクティブ型無線タグは、電力供給源を内蔵しているため、パッシブ型無線タグと比較
し質問器との通信距離を長くすることができる。ただし、アクティブ型無線タグは、応答
する質問器の有無にかかわらず常時又は定期的に動作（信号の生成）を行うため、消費電
力が大きくなる。

【0006】

アクティブ型無線タグの消費電力を低減する技術が特許文献１に開示されている。特許
文献１で開示されるアクティブ型無線タグ（アクティブ無線タグ）は、従来のアクティブ
型無線タグの構成に加えて、外部からの信号を受信する第２のアンテナと、当該信号を用
いて発電する発電器と、該発電器の出力電圧が入力される電圧検知回路とを有し、該電圧
検知回路によって間欠動作が制御される。これにより、消費電力を低減することができる
。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２００６－２２９５５８

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、間欠動作を行う半導体装置で消費される電力は、動作時における消費電
力のみならず待機時における消費電力（以下、待機電力ともいう）も含まれる。なお、こ
こでは、待機電力とは、電池が電気的に接続された素子又は回路を介した微量な放電に起
因する消費電力を指す。特に、特許文献１で開示される間欠動作を制御することが可能な
半導体装置においては、消費電力に占める待機電力の割合が高くなる。そのため、当該半
導体装置において消費電力を低減するには、待機電力を低減することが重要となる。

【0009】

そこで、本発明の一態様は、半導体装置の待機電力を低減することを課題の一とする。

【0010】

また、本発明の一態様は、半導体装置を長寿命化することを課題の一とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題は、電力供給源となる電池と、特定の回路とがチャネル形成領域が酸化物半導
体によって構成されるトランジスタを介して電気的に接続されることによって解決するこ
とができる。なお、当該酸化物半導体は、電子供与体（ドナー）となる水素を除去するこ
とで、真性又は実質的に真性な半導体である。

【0012】

具体的には、当該酸化物半導体に含まれる水素が５×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）
以下、好ましくは５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、より好ましくは５×１０^１
７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である。このように水素濃度を低減することによって、キ
ャリア密度を１×１０^１４ｃｍ^－３未満、好ましくは１×１０^１２ｃｍ^－３未満、さらに
好ましくは測定限界以下の１×１０^１１ｃｍ^－３未満とすることが可能になる。

【0013】

このように高純度化された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いるこ
とで、チャネル幅が１０ｍｍの場合でさえも、当該トランジスタのオフ状態におけるドレ
イン電流は１×１０^－１３［Ａ］以下となるように作用する。すなわち、高純度化された
酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に適用することによって、リーク電流を
大幅に低減することができる。

【0014】

すなわち、本発明の一態様は、アンテナと、電池と、アンテナから入力される信号を復
調する復調回路と、復調回路から入力される信号及び電池から供給される電源電圧を用い
て動作する信号処理部と、復調回路から入力される信号によって制御されるパワー制御回
路と、を有し、信号処理部は、パワー制御回路から入力される信号によってスイッチング
が制御されるトランジスタと、トランジスタを介して電池の陽極又は陰極に電気的に接続
された機能回路と、を有し、トランジスタのチャネル形成領域は、水素濃度が５×１０^１
９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下の酸化物半導体によって構成される半導体装置である。

【0015】

また、上記構成に含まれる復調回路はタイマーに置換することが可能である。つまり、
アンテナと、電池と、定期的に信号を出力するタイマーと、タイマーから入力される信号
及び電池から供給される電源電圧を用いて動作する信号処理部と、タイマーから入力され
る信号によって制御されるパワー制御回路と、を有し、信号処理部は、パワー制御回路か
ら入力される信号によってスイッチングが制御されるトランジスタと、トランジスタを介
して電池の陽極又は陰極に電気的に接続された機能回路と、を有し、トランジスタのチャ
ネル形成領域は、水素濃度が５×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下の酸化物半導体に
よって構成される半導体装置も本発明の一態様である。

【0016】

また、上記構成における電池が二次電池であり、且つ上記構成に加えて、アンテナから
入力される信号を整流する整流回路と、整流回路から入力される信号を用いて二次電池を
充電する充電回路と、二次電池を用いて電源電圧を生成する安定化電源回路と、を有する
半導体装置も本発明の一態様である。

【0017】

なお、上記の機能回路としては、例えば論理ゲートなどが挙げられる。当該論理ゲート
は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）によって構成することが可能であるし、Ｎ型ト
ランジスタ（ＮＭＯＳ）のみによって構成することも可能である。

【発明の効果】

【0018】

本発明の一態様の半導体装置は、機能回路と、電池と、機能回路と電池の電気的な接続
を制御するトランジスタとを有する。該トランジスタのチャネル形成領域は、水素濃度が
低減された酸化物半導体によって構成される。具体的には、当該酸化物半導体の水素濃度
は、５×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である。そのため、待機状態において当該
トランジスタをオフすることにより、当該トランジスタを介した放電を抑制することがで
きる。その結果、当該半導体装置の待機電力を低減することができる。また、待機状態に
おける電池の放電を低減することで、半導体装置を長寿命化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施の形態１で説明する半導体装置の構成例を示す図。

【図2】実施の形態２で説明する半導体装置の構成例を示す図。

【図3】実施の形態３で説明する半導体装置の構成例を示す図。

【図4】実施の形態４で説明する半導体装置の構成例を示す図。

【図5】（Ａ）～（Ｃ）実施の形態４で説明する半導体装置が有する論理ゲートの構成例を示す図。

【図6】（Ａ）～（Ｃ）実施の形態４で説明する半導体装置が有する論理ゲートの構成例を示す図。

【図7】実施の形態５で説明するＰ型トランジスタ及びＮ型トランジスタの構成例を示す断面図。

【図8】（Ａ）～（Ｈ）実施の形態５で説明するＰ型トランジスタの作製工程の一例を示す断面図。

【図9】（Ａ）～（Ｇ）実施の形態５で説明するＮ型トランジスタの作製工程の一例を示す断面図。

【図10】（Ａ）～（Ｄ）実施の形態５で説明するＮ型トランジスタの作製工程の一例を示す断面図。

【図11】実施の形態５で説明するＰ型トランジスタ及びＮ型トランジスタの構成例を示す断面図。

【図12】（Ａ）、（Ｂ）実施の形態５で説明するＰ型トランジスタ及びＮ型トランジスタの構成例を示す断面図。

【図13】（Ａ）、（Ｂ）実施の形態５で説明するＰ型トランジスタ及びＮ型トランジスタの構成例を示す断面図。

【図14】（Ａ）、（Ｂ）実施の形態５で説明するＰ型トランジスタ及びＮ型トランジスタの構成例を示す断面図。

【図15】実施の形態６で説明するトランジスタの構成例を示す（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図。

【図16】（Ａ）～（Ｅ）実施の形態６で説明するトランジスタの作製工程の一例を示す断面図。

【図17】（Ａ）～（Ｅ）実施の形態７で説明するトランジスタの作製工程の一例を示す断面図。

【図18】（Ａ）～（Ｄ）実施の形態８で説明するトランジスタの作製工程の一例を示す断面図。

【図19】実施の形態９で説明する半導体装置の使用例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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。

【0021】

なお、トランジスタのソース端子及びドレイン端子は、トランジスタの構造や動作条件
等によって替わるため、いずれがソース端子又はドレイン端子であるかを特定することが
困難である。そこで、本書類においては、ソース端子及びドレイン端子の一方を第１端子
、ソース端子及びドレイン端子の他方を第２端子と表記し、区別することとする。

【0022】

また、各実施の形態の図面等において示す各構成の、大きさ、層の厚さ、又は領域は、
明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限
定されない。また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」などの序数は、構
成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記
する。

【0023】

（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置の一例について説明する。具体的には、電池を電力供給
源とした無線通信機能を有する半導体装置の一例について図１を参照して説明する。

【0024】

図１に示す半導体装置は、無線信号の送受信が可能なアンテナ１０と、電源電圧（ＶＤ
Ｄ）の供給源となる電池１１と、アンテナ１０から入力される信号を復調する復調回路１
２と、復調回路１２から入力される信号及び電池１１から供給される電源電圧（ＶＤＤ）
を用いて動作する信号処理部１３と、復調回路１２から入力される信号及び信号処理部１
３から入力される信号によって制御されるパワー制御回路１４とを有する。なお、本実施
の形態において、動作とは、信号処理部１３又は信号処理部１３の一部において行われる
信号の生成を指すこととする。

【0025】

さらに、信号処理部１３は、パワー制御回路１４から入力される信号によってスイッチ
ングが制御されるトランジスタ１５を有する。具体的には、トランジスタ１５は、復調回
路１２からパワー制御回路１４に入力される信号によってオフ状態からオン状態へのスイ
ッチングが制御され、信号処理部１３からパワー制御回路１４に入力される信号によって
オン状態からオフ状態へのスイッチングが制御される。

【0026】

また、信号処理部１３は、復調回路１２から入力される信号及び電源電圧（ＶＤＤ）を
用いて動作する機能回路（図示しない）を有する。なお、トランジスタ１５は、機能回路
と、電池１１の陽極又は陰極との間に設けられる。すなわち、機能回路が、トランジスタ
１５を介して、電池１１の陽極又は陰極に電気的に接続されている。また、当該機能回路
は、トランジスタ１５がオン状態にある期間において、動作を行うことが可能である。

【0027】

また、トランジスタ１５のチャネル形成領域は、水素濃度が５×１０^１９（ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３）以下、好ましくは５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、さらに好ましく
は５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下の酸化物半導体によって構成されている。す
なわち、トランジスタ１５は、キャリアの供与体となる水素を極めて低濃度にまで低下さ
せた高純度化が図られた酸化物半導体をチャネル形成領域に適用したトランジスタである
。なお、当該酸化物半導体層中の水素濃度測定は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓ
ｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で行ったものである
。

【0028】

これにより、トランジスタ１５のリーク電流を大幅に低減することが可能である。加え
て、本実施の形態の半導体装置は、待機状態においてトランジスタ１５がオフ状態を維持
する。そのため、待機状態における電池１１の放電を抑制することができる。つまり、半
導体装置の待機電力を低減することができる。また、待機状態における電池１１の放電を
抑制することで、半導体装置を長寿命化することができる。

【0029】

＜変形例＞
なお、上述した半導体装置は、本実施の形態の半導体装置の一例であり、上述した半導
体装置と異なる点を有する半導体装置も本実施の形態には含まれる。

【0030】

例えば、上述した半導体装置においては、トランジスタ１５は、機能回路と、電池１１
の陽極又は陰極との間に設けられる構成について示したが、本実施の形態の半導体装置は
当該構成に限定されない。本実施の形態の半導体装置において、トランジスタ１５は、機
能回路の構成要素であっても構わない。また、トランジスタ１５は、必ずしも電池１１と
直接接続される必要はない。直列に接続された回路又はトランジスタとの順序を入れ替え
ることで、機能を保ちつつ、当該機能回路内に設けられても構わない。

【0031】

また、上述した半導体装置においては、トランジスタ１５のオン状態からオフ状態への
スイッチングは、信号処理部１３の出力信号によって制御される構成について示したが、
本実施の形態の半導体装置は当該構成に限定されない。本実施の形態の半導体装置におい
て、トランジスタ１５のオン状態からオフ状態へのスイッチングは、復調回路１２から入
力される信号によって制御される構成であっても構わない。また、トランジスタ１５がオ
フ状態からオン状態へスイッチングした時点から特定の時間が経過した後に、オン状態か
らオフ状態へのスイッチングが行われる構成であっても構わない。

【0032】

なお、本実施の形態の内容又は該内容の一部は、他の実施の形態の内容又は該内容の一
部と自由に組み合わせることが可能である。

【0033】

（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置の一例について説明する。具体的には、電池を電力供給
源とした無線通信機能を有する半導体装置の一例について図２を参照して説明する。

【0034】

図２に示す半導体装置は、無線信号の送受信が可能なアンテナ２０と、電源電圧（ＶＤ
Ｄ）の供給源となる電池２１と、定期的に信号を出力することで当該半導体装置の間欠動
作を制御するタイマー２２と、タイマー２２から入力される信号及び電池２１から供給さ
れる電源電圧（ＶＤＤ）を用いて動作する信号処理部２３と、タイマー２２から入力され
る信号及び信号処理部２３から入力される信号によって制御されるパワー制御回路２４と
を有する。なお、本実施の形態において、動作とは、信号処理部２３又は信号処理部２３
の一部において行われる信号の生成を指すこととする。

【0035】

さらに、信号処理部２３は、パワー制御回路２４から入力される信号によってスイッチ
ングが制御されるトランジスタ２５を有する。具体的には、トランジスタ２５は、タイマ
ー２２からパワー制御回路２４に入力される信号によってオフ状態からオン状態へのスイ
ッチングが制御され、信号処理部２３からパワー制御回路２４に入力される信号によって
オン状態からオフ状態へのスイッチングが制御される。

【0036】

また、信号処理部２３は、タイマー２２の出力信号及び電源電圧（ＶＤＤ）を用いて動
作する機能回路（図示しない）を有する。なお、トランジスタ２５は、機能回路と、電池
２１の陽極又は陰極との間に設けられる。すなわち、機能回路が、トランジスタ２５を介
して、電池２１の陽極又は陰極に電気的に接続されている。また、当該機能回路は、トラ
ンジスタ２５がオン状態にある期間において、動作を行うことが可能である。

【0037】

また、トランジスタ２５のチャネル形成領域は、水素濃度が５×１０^１９（ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３）以下、好ましくは５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、さらに好ましく
は５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下の酸化物半導体によって構成されている。す
なわち、トランジスタ２５は、キャリアの供与体となる水素を極めて低濃度にまで低下さ
せた高純度化が図られた酸化物半導体をチャネル形成領域に適用したトランジスタである
。なお、当該酸化物半導体層中の水素濃度測定は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓ
ｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で行ったものである
。

【0038】

これにより、トランジスタ２５のリーク電流を大幅に低減することが可能である。加え
て、本実施の形態の半導体装置は、待機状態においてトランジスタ２５がオフ状態を維持
する。そのため、待機状態における電池２１の放電を抑制することができる。つまり、半
導体装置の待機電力を低減することができる。また、待機状態における電池２１の放電を
抑制することで、半導体装置を長寿命化することができる。

【0039】

＜変形例＞
なお、上述した半導体装置は、本実施の形態の半導体装置の一例であり、上述した半導
体装置と異なる点を有する半導体装置も本実施の形態には含まれる。

【0040】

例えば、上述した半導体装置においては、タイマー２２の出力信号が信号処理部２３及
びパワー制御回路２４に入力される構成について示したが、本実施の形態の半導体装置は
当該構成に限定されない。本実施の形態の半導体装置において、タイマー２２の出力信号
は、パワー制御回路のみに入力される構成であっても構わない。また、信号処理部２３の
出力信号がタイマー２２に入力される構成であっても構わない。例えば、信号処理部２３
がタイマー２２のリセット信号を出力してタイマー２２に入力することで、次の動作時期
を制御することが可能である。

【0041】

なお、本実施の形態の内容又は該内容の一部は、他の実施の形態の内容又は該内容の一
部と自由に組み合わせることが可能である。

【0042】

（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置の一例について説明する。具体的には、二次電池を電力
供給源とした無線通信機能を有する半導体装置の一例について図３を参照して説明する。

【0043】

図３に示す半導体装置は、無線信号の送受信が可能なアンテナ３０と、電力供給源とな
る二次電池３１と、アンテナ３０から入力される信号を整流する整流回路３２と、整流回
路３２から入力される信号を用いて二次電池３１の充電を行う充電回路３３と、二次電池
３１を用いて当該半導体装置内で用いられる電源電圧（ＶＤＤ）を生成する安定化電源回
路３４と、アンテナ３０から入力される信号を復調する復調回路３５と、復調回路３５か
ら入力される信号及び安定化電源回路３４から供給される電源電圧（ＶＤＤ）を用いて動
作する信号処理部３６と、復調回路３５から入力される信号及び信号処理部３６から入力
される信号によって制御されるパワー制御回路３７とを有する。なお、本実施の形態にお
いて、動作とは、信号処理部３６又は信号処理部３６の一部において行われる信号の生成
を指すこととする。

【0044】

さらに、信号処理部３６は、パワー制御回路３７から入力される信号によってスイッチ
ングが制御されるトランジスタ３８を有する。具体的には、トランジスタ３８は、復調回
路３５からパワー制御回路３７に入力される信号によってオフ状態からオン状態へのスイ
ッチングが制御され、信号処理部３６からパワー制御回路３７に入力される信号によって
オン状態からオフ状態へのスイッチングが制御される。

【0045】

また、信号処理部３６は、復調回路３５から入力される信号及び電源電圧（ＶＤＤ）を
用いて動作する機能回路（図示しない）を有する。なお、トランジスタ３８は、機能回路
と、安定化電源回路３４との間に設けられる。すなわち、機能回路が、トランジスタ３８
及び安定化電源回路３４を介して、二次電池３１の陽極又は陰極に電気的に接続されてい
る。また、当該機能回路は、トランジスタ３８がオン状態にある期間において、動作を行
うことが可能である。

【0046】

また、トランジスタ３８のチャネル形成領域は、水素濃度が５×１０^１９（ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３）以下、好ましくは５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、さらに好ましく
は５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下の酸化物半導体によって構成されている。す
なわち、トランジスタ３８は、キャリアの供与体となる水素を極めて低濃度にまで低下さ
せた高純度化が図られた酸化物半導体をチャネル形成領域に適用したトランジスタである
。なお、当該酸化物半導体層中の水素濃度測定は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓ
ｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で行ったものである
。

【0047】

これにより、トランジスタ３８のリーク電流を大幅に低減することが可能である。加え
て、本実施の形態の半導体装置は、待機状態においてトランジスタ３８がオフ状態を維持
する。そのため、待機状態における二次電池３１の放電を抑制することができる。つまり
、半導体装置の待機電力を低減することができる。また、待機状態における二次電池３１
の放電を抑制することで、半導体装置を長寿命化することができる。

【0048】

さらに、図３に示した半導体装置は、アンテナ３０から入力される信号によって二次電
池３１の充電が可能である。なお、当該半導体装置は、動作時において並行して充電を行
うことが可能であるし、待機状態においてアンテナ３０から入力される信号を用いて充電
を行うことも可能である。

【0049】

また、当該半導体装置において、待機電力と同程度の電力を常時充電すれば、電池切れ
は起きない。さらに、当該半導体装置は上述したようにトランジスタ３８を有することで
、待機電力を低減することができる。これにより、当該半導体装置の充電可能距離を向上
させることができる。このような特性を有する本実施の形態の半導体装置は、特にアクセ
スが難しい場所（体内、放射能、劇薬の存在する空間、又は真空空間など）において有効
である。

【0050】

＜変形例＞
なお、上述した半導体装置は、本実施の形態の半導体装置の一例であり、上述した半導
体装置と異なる点を有する半導体装置も本実施の形態には含まれる。

【0051】

例えば、上述した半導体装置においては、１つのアンテナ３０を有し、アンテナ３０を
用いて無線信号の送受信及び二次電池３１の充電を行う構成について示したが、本実施の
形態の半導体装置は当該構成に限定されない。本実施の形態の半導体装置において、無線
信号の送受信のアンテナと、二次電池３１の充電用のアンテナを別途設ける構成であって
も構わない。

【0052】

なお、本実施の形態の内容又は該内容の一部は、他の実施の形態の内容又は該内容の一
部と自由に組み合わせることが可能である。

【0053】

（実施の形態４）
本実施の形態では、半導体装置の一例について説明する。具体的には、二次電池を電力
供給源とした無線通信機能を有する半導体装置の一例について図４を参照して説明する。

【0054】

図４に示す半導体装置は、無線信号の送受信が可能なアンテナ４０と、電力供給源とな
る二次電池４１と、アンテナ４０から入力される信号を整流する整流回路４２と、整流回
路４２の出力信号を用いて二次電池４１の充電を行う充電回路４３と、二次電池４１を用
いて当該半導体装置内で用いられる電源電圧（ＶＤＤ）を生成する安定化電源回路４４と
、アンテナ４０から入力される信号を復調する復調回路４５と、復調回路４５から入力さ
れる信号及び安定化電源回路４４から供給される電源電圧（ＶＤＤ）を用いて動作する信
号処理部４６と、復調回路４５から入力される信号及び信号処理部４６から入力される信
号によって制御されるパワー制御回路４７とを有する。なお、本実施の形態において、動
作とは、信号処理部４６又は信号処理部４６の一部において行われる信号の生成を指すこ
ととする。

【0055】

さらに、信号処理部４６は、復調回路４５から入力される信号を用いて処理を行う論理
回路４８と、当該半導体装置内で用いられるクロック信号（ＣＫ）を生成するクロック生
成回路４９と、特定の外部情報を信号に変換するセンサ５０と、情報を記憶するメモリ回
路５１と、アンテナ４０に負荷変調を与える変調回路５２とを有する。なお、論理回路４
８、クロック生成回路４９、センサ５０、メモリ回路５１、及び変調回路５２のそれぞれ
には、パワー制御回路４７から出力されるスタンバイ信号（Ｓｔｄｂｙ）が入力される。

【0056】

本実施の形態の半導体装置に含まれる各種回路は、トランジスタを有する。ここでは、
論理回路４８が有する論理ゲート（インバータ（ＮＯＴゲート）、ＮＯＲゲート、及びＮ
ＡＮＤゲート）の具体的な回路構成例について図５を参照して説明する。

【0057】

図５（Ａ）にインバータの具体的な回路構成例を示す。図５（Ａ）に示すインバータは
、Ｐ型トランジスタ８０と、Ｎ型トランジスタ８１と、Ｎ型トランジスタ８２とを有する
。

【0058】

Ｐ型トランジスタ８０は、第１端子が電源電圧（ＶＤＤ）を供給する配線に電気的に接
続される。

【0059】

Ｎ型トランジスタ８１は、第１端子がＰ型トランジスタ８０の第２端子に電気的に接続
される。

【0060】

Ｎ型トランジスタ８２は、ゲート端子がスタンバイ信号（Ｓｔｄｂｙ）を供給する配線
に電気的に接続され、第１端子がＮ型トランジスタ８１の第２端子に電気的に接続され、
第２端子が接地される。

【0061】

なお、図５（Ａ）に示すインバータにおいて、Ｐ型トランジスタ８０及びＮ型トランジ
スタ８１のゲート端子に入力信号が入力され、Ｐ型トランジスタ８０の第２端子及びＮ型
トランジスタ８１の第１端子が電気的に接続するノードの電位がインバータの出力信号と
して出力される。

【0062】

図５（Ｂ）にＮＯＲゲートの具体的な回路構成例を示す。図５（Ｂ）に示すＮＯＲゲー
トは、Ｐ型トランジスタ８３と、Ｐ型トランジスタ８４と、Ｎ型トランジスタ８５と、Ｎ
型トランジスタ８６と、Ｎ型トランジスタ８７とを有する。

【0063】

Ｐ型トランジスタ８３は、第１端子が電源電圧（ＶＤＤ）を供給する配線に電気的に接
続される。

【0064】

Ｐ型トランジスタ８４は、第１端子がＰ型トランジスタ８３の第２端子に電気的に接続
される。

【0065】

Ｎ型トランジスタ８５は、第１端子がＰ型トランジスタ８４の第２端子に電気的に接続
される。

【0066】

Ｎ型トランジスタ８６は、第１端子がＰ型トランジスタ８４の第２端子及びＮ型トラン
ジスタ８５の第１端子に電気的に接続される。

【0067】

Ｎ型トランジスタ８７は、ゲート端子がスタンバイ信号（Ｓｔｄｂｙ）を供給する配線
に電気的に接続され、第１端子がＮ型トランジスタ８５の第２端子及びＮ型トランジスタ
８６の第２端子に電気的に接続され、第２端子が接地される。

【0068】

なお、図５（Ｂ）に示すＮＯＲゲートにおいて、Ｐ型トランジスタ８３及びＮ型トラン
ジスタ８６のゲート端子に第１の入力信号が、Ｐ型トランジスタ８４及びＮ型トランジス
タ８５のゲート端子に第２の入力信号が入力され、Ｐ型トランジスタ８４の第２端子、Ｎ
型トランジスタ８５の第１端子、及びＮ型トランジスタ８６の第１端子が電気的に接続す
るノードの電位がＮＯＲゲートの出力信号として出力される。

【0069】

図５（Ｃ）にＮＡＮＤゲートの具体的な回路構成例を示す。図５（Ｃ）に示すＮＡＮＤ
ゲートは、Ｐ型トランジスタ８８と、Ｐ型トランジスタ８９と、Ｎ型トランジスタ９０と
、Ｎ型トランジスタ９１と、Ｎ型トランジスタ９２とを有する。

【0070】

Ｐ型トランジスタ８８は、第１端子が電源電圧（ＶＤＤ）を供給する配線に電気的に接
続される。

【0071】

Ｐ型トランジスタ８９は、第１端子が電源電圧（ＶＤＤ）を供給する配線に電気的に接
続される。

【0072】

Ｎ型トランジスタ９０は、第１端子がＰ型トランジスタ８８の第２端子及びＰ型トラン
ジスタ８９の第２端子に電気的に接続される。

【0073】

Ｎ型トランジスタ９１は、第１端子がＮ型トランジスタ９０の第２端子に電気的に接続
される。

【0074】

Ｎ型トランジスタ９２は、ゲート端子がスタンバイ信号（Ｓｔｄｂｙ）を供給する配線
に電気的に接続され、第１端子がＮ型トランジスタ９１の第２端子に電気的に接続され、
第２端子が接地される。

【0075】

なお、図５（Ｃ）に示すＮＡＮＤゲートにおいて、Ｐ型トランジスタ８８及びＮ型トラ
ンジスタ９０のゲート端子に第１の入力信号が、Ｐ型トランジスタ８９及びＮ型トランジ
スタ９１のゲート端子に第２の入力信号が入力され、Ｐ型トランジスタ８８の第２端子、
Ｐ型トランジスタ８９の第２端子、及びＮ型トランジスタ９０の第１端子が電気的に接続
するノードの電位がＮＡＮＤゲートの出力信号として出力される。

【0076】

上述した論理ゲートは、接地電位を供給する配線との電気的な接続を制御するトランジ
スタ（Ｎ型トランジスタ８２、Ｎ型トランジスタ８７、又はＮ型トランジスタ９２）を有
する。また、当該論理ゲートにおいては、当該トランジスタのチャネル形成領域を水素濃
度が５×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、好ましくは５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／
ｃｍ^３）以下、さらに好ましくは５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下の酸化物半導
体によって構成する。これにより、当該トランジスタのリーク電流を大幅に低減すること
ができる。そのため、論理ゲートを介して流れる貫通電流を低減することが可能になる。
その結果、当該半導体装置の待機電力を低減することができる。

【0077】

なお、ここでは、各論理ゲートが接地電位の入力を制御するトランジスタを有する構成
について示したが、１つのトランジスタによって複数の論理ゲートに対する接地電位の入
力を制御する構成であってもよい。

【0078】

また、上述の説明においては、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）によって論理ゲー
トを構成する例について示したが、本実施の形態の半導体装置は、Ｎ型トランジスタのみ
によって構成することもできる。図６にＮ型トランジスタのみによって構成される論理ゲ
ートを示す。図６（Ａ）はインバータであり、図６（Ｂ）はＮＯＲゲートであり、図６（
Ｃ）ＮＡＮＤゲートである。端的に言うと、図６に示す論理ゲートは、図５に示した論理
ゲートが有するＰ型トランジスタをダイオード接続されたＮ型トランジスタに置換した構
成である。

【0079】

上述したように、図６（Ａ）～（Ｃ）に示す論理ゲートは、接地電位を供給する配線と
の電気的な接続を制御するトランジスタとして、チャネル形成領域の水素濃度が５×１０
^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下、好ましくは５×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下
、さらに好ましくは５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下の酸化物半導体によって構
成されたトランジスタを適用する。これにより、当該トランジスタのリーク電流を大幅に
低減することができる。そのため、論理ゲートを介して流れる貫通電流を低減することが
可能になる。その結果、当該半導体装置の待機電力を低減することができる。

【0080】

また、クロック生成回路４９、センサ５０、メモリ回路５１、及び変調回路５２におい
ても、従来の回路構成をもとに、当該回路と接地電位を供給する配線又は当該回路と電源
電位（ＶＤＤ）を供給する配線の間にパワー制御回路４７によってスイッチングが制御さ
れるトランジスタを設ける構成とすることが可能である。また、従来の回路構成を構成す
るブロック単位で、パワー制御回路４７によって制御されるトランジスタを設けてもよい
し、機能回路単位で、パワー制御回路４７によって制御されるトランジスタを設けてもよ
い。

【0081】

なお、本実施の形態の内容又は該内容の一部は、他の実施の形態の内容又は該内容の一
部と自由に組み合わせることが可能である。

【0082】

（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態１乃至４に示した半導体装置が有するトランジスタの一
例について説明する。具体的には、当該半導体装置が有するＰ型トランジスタとして、半
導体材料を含む基板を用いて形成されるトランジスタを適用し、Ｎ型トランジスタとして
、酸化物半導体を用いて形成されるトランジスタを適用する例を示す。

【0083】

＜構成例＞
本実施の形態の半導体装置が有するＰ型トランジスタ及びＮ型トランジスタを図７に示
す。

【0084】

図７に示すＰ型トランジスタ１６０は、半導体材料を含む基板１００に設けられたチャ
ネル形成領域１１６と、チャネル形成領域１１６を挟むように設けられた一対の不純物領
域１１４ａ、１１４ｂ及び一対の高濃度不純物領域１２０ａ、１２０ｂ（これらをあわせ
て単に不純物領域とも呼ぶ）と、チャネル形成領域１１６上に設けられたゲート絶縁層１
０８ａと、ゲート絶縁層１０８ａ上に設けられたゲート電極層１１０ａと、不純物領域１
１４ａと電気的に接続するソース電極層１３０ａと、不純物領域１１４ｂと電気的に接続
するドレイン電極層１３０ｂとを有する。

【0085】

なお、ゲート電極層１１０ａの側面にはサイドウォール絶縁層１１８が設けられている
。また、半導体材料を含む基板１００のサイドウォール絶縁層１１８と重ならない領域に
は、一対の高濃度不純物領域１２０ａ、１２０ｂを有し、一対の高濃度不純物領域１２０
ａ、１２０ｂ上には一対の金属化合物領域１２４ａ、１２４ｂが存在する。また、基板１
００上にはＰ型トランジスタ１６０を囲むように素子分離絶縁層１０６が設けられており
、Ｐ型トランジスタ１６０を覆うように、層間絶縁層１２６および層間絶縁層１２８が設
けられている。ソース電極層１３０ａ、ドレイン電極層１３０ｂは、層間絶縁層１２６お
よび層間絶縁層１２８に形成された開口を通じて、一対の金属化合物領域１２４ａ、１２
４ｂの一方と電気的に接続されている。つまり、ソース電極層１３０ａは、金属化合物領
域１２４ａを介して高濃度不純物領域１２０ａおよび不純物領域１１４ａと電気的に接続
され、ドレイン電極層１３０ｂは、金属化合物領域１２４ｂを介して高濃度不純物領域１
２０ｂおよび不純物領域１１４ｂと電気的に接続されている。

【0086】

また、後述するＮ型トランジスタ１６４の下層には、ゲート絶縁層１０８ａと同一材料
からなる絶縁層１０８ｂ、ゲート電極層１１０ａと同一材料からなる電極層１１０ｂ、並
びにソース電極層１３０ａ及びドレイン電極層１３０ｂと同一材料からなる電極層１３０
ｃが設けられている。

【0087】

図７に示すＮ型トランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられたゲート電極層
１３６ｄと、ゲート電極層１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層
１３８上に設けられた酸化物半導体層１４０と、酸化物半導体層１４０上に設けられ、酸
化物半導体層１４０と電気的に接続されているソース電極層１４２ａと、ドレイン電極層
１４２ｂとを有する。

【0088】

ここで、ゲート電極層１３６ｄは、層間絶縁層１２８上に形成された絶縁層１３２に、
埋め込むように設けられている。また、ゲート電極層１３６ｄと同様に、Ｐ型トランジス
タ１６０が有する、ソース電極層１３０ａに接する電極層１３６ａ及びドレイン電極層１
３０ｂに接する電極層１３６ｂが形成されている。また、電極層１３０ｃに接する電極層
１３６ｃが形成されている。

【0089】

また、Ｎ型トランジスタ１６４の上には、酸化物半導体層１４０の一部と接するように
、保護絶縁層１４４が設けられており、保護絶縁層１４４上には層間絶縁層１４６が設け
られている。ここで、保護絶縁層１４４および層間絶縁層１４６には、ソース電極層１４
２ａ及びドレイン電極層１４２ｂにまで達する開口が設けられており、当該開口を通じて
、ソース電極層１４２ａに接する電極層１５０ｄ、ドレイン電極層１４２ｂに接する電極
層１５０ｅが形成されている。また、電極層１５０ｄ、電極層１５０ｅと同様に、ゲート
絶縁層１３８、保護絶縁層１４４、層間絶縁層１４６に設けられた開口を通じて、電極層
１３６ａに接する電極層１５０ａ、電極層１３６ｂに接する電極層１５０ｂ、及び電極層
１３６ｃに接する電極層１５０ｃが形成されている。

【0090】

ここで、酸化物半導体層１４０は水素などの不純物が十分に除去され、高純度化されて
いる。具体的には、酸化物半導体層１４０の水素濃度は５×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ
^３）以下である。なお、酸化物半導体層１４０の水素濃度は、５×１０^１８（ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３）以下であることが望ましく、５×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下である
ことがより望ましい。水素濃度が十分に低減されて高純度化された酸化物半導体層１４０
を用いることで、極めて優れたオフ電流特性のＮ型トランジスタ１６４を得ることができ
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た酸化物半導体層１４０を適
用することで、Ｎ型トランジスタ１６４のリーク電流を低減することができる。なお、上
述の酸化物半導体層１４０中の水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏ
ｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定したものである。

【0091】

また、層間絶縁層１４６上には絶縁層１５２が設けられており、絶縁層１５２に埋め込
まれるように、電極層１５４ａ、電極層１５４ｂ、電極層１５４ｃ、電極層１５４ｄが設
けられている。なお、電極層１５４ａは電極層１５０ａと接しており、電極層１５４ｂは
電極層１５０ｂと接しており、電極層１５４ｃは電極層１５０ｃおよび電極層１５０ｄと
接しており、電極層１５４ｄは電極層１５０ｅと接している。

【0092】

本実施の形態で示すＰ型トランジスタ１６０が有するソース電極層１３０ａは、上層領
域に設けられた電極層１３６ａ、電極層１５０ａ、及び電極層１５４ａに電気的に接続し
ている。そのため、Ｐ型トランジスタ１６０のソース電極層１３０ａは、これらの導電層
を適宜形成することにより、上層領域に設けられたＮ型トランジスタ１６４が有する電極
層のいずれかと電気的に接続させることが可能である。また、Ｐ型トランジスタが有する
ドレイン電極層１３０ｂについても同様に、上層領域に設けられたＮ型トランジスタ１６
４が有する電極層のいずれかと電気的に接続させることが可能である。なお、図７には図
示していないが、Ｐ型トランジスタ１６０が有するゲート電極層１１０ａが、上層領域に
設けられた電極層を介して、Ｎ型トランジスタ１６４が有する電極層のいずれかと電気的
に接続する構成にすることもできる。

【0093】

同様に、本実施の形態で示すＮ型トランジスタ１６４が有するソース電極層１４２ａは
、下層領域に設けられた電極層１３０ｃ及び電極層１１０ｂに電気的に接続している。そ
のため、Ｎ型トランジスタ１６４のソース電極層１３０ａは、これらの導電層を適宜形成
することにより、下層領域に設けられたＰ型トランジスタ１６０のゲート電極層１４２ａ
、ソース電極層１３０ａ、又はドレイン電極層１３０ｂと電気的に接続させることが可能
である。なお、図７には図示していないが、Ｎ型トランジスタ１６４が有するゲート電極
層１３６ｄ又はドレイン電極層１４２ｂが、下層領域に設けられた電極層を介して、Ｐ型
トランジスタ１６０が有する電極層のいずれかと電気的に接続する構成にすることもでき
る。

【0094】

上述したＰ型トランジスタ１６０及びＮ型トランジスタ１６４を適宜設けることによっ
て、各種回路を構成することができる。なお、当該回路が有するＮ型トランジスタ１６４
の全てを酸化物半導体を用いて形成されるトランジスタとする必要はなく、各トランジス
タに求められる特性に応じて、適宜変更することが可能である。例えば、半導体装置が有
する論理ゲートを構成するＮ型トランジスタとして、半導体材料を含む基板を用いて形成
されるトランジスタを適用し、当該論理ゲートと、電池の陰極との電気的な接続を制御す
るＮ型トランジスタとして、酸化物半導体を用いて形成されるトランジスタを適用するこ
とが可能である。

【0095】

＜作製工程例＞
次に、Ｐ型トランジスタ１６０及びＮ型トランジスタ１６４の作製方法の一例について
説明する。以下では、はじめにＰ型トランジスタ１６０の作製方法について図８を参照し
て説明し、その後、Ｎ型トランジスタ１６４の作製方法について図９および図１０を参照
して説明する。

【0096】

まず、半導体材料を含む基板１００を用意する（図８（Ａ）参照）。半導体材料を含む
基板１００としては、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。ここでは、半導体材料を含む基板１００として、単結晶シリコン基板を用いる場合
の一例について示すものとする。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をも含む概念として用いる。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、ＳＯ
Ｉ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も
含まれるものとする。

【0097】

基板１００上には、素子分離絶縁層を形成するためのマスクとなる保護層１０２を形成
する（図８（Ａ）参照）。保護層１０２としては、例えば、酸化シリコンや窒化シリコン
、窒化酸化シリコンなどを材料とする絶縁層を用いることができる。なお、この工程の前
後において、半導体装置のしきい値電圧を制御するために、ｎ型の導電性を付与する不純
物元素やｐ型の導電性を付与する不純物元素を基板１００に添加してもよい。半導体がシ
リコンの場合、ｎ型の導電性を付与する不純物としては、例えば、リンや砒素などを用い
ることができる。また、ｐ型の導電性を付与する不純物としては、例えば、硼素、アルミ
ニウム、ガリウムなどを用いることができる。

【0098】

次に、上記の保護層１０２をマスクとしてエッチングを行い、保護層１０２に覆われて
いない領域（露出している領域）の基板１００の一部を除去する。これにより分離された
半導体領域１０４が形成される（図８（Ｂ）参照）。当該エッチングには、ドライエッチ
ングを用いるのが好適であるが、ウェットエッチングを用いても良い。エッチングガスや
エッチング液については被エッチング材料に応じて適宜選択することができる。

【0099】

次に、半導体領域１０４を覆うように絶縁層を形成し、半導体領域１０４に重畳する領
域の絶縁層を選択的に除去することで、素子分離絶縁層１０６を形成する（図８（Ｂ）参
照）。当該絶縁層は、酸化シリコンや窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを用いて形成
される。絶縁層の除去方法としては、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などの研磨処理やエッチング処理などがあるが、そのいずれを用
いても良い。なお、半導体領域１０４の形成後、または、素子分離絶縁層１０６の形成後
には、上記保護層１０２を除去する。

【0100】

次に、半導体領域１０４上に絶縁層を形成し、当該絶縁層上に導電材料を含む層を形成
する。

【0101】

絶縁層は後のゲート絶縁層となるものであり、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて
得られる酸化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミ
ニウム、酸化タンタル等を含む膜の単層構造または積層構造とすると良い。他に、高密度
プラズマ処理や熱酸化処理によって、半導体領域１０４の表面を酸化、窒化することによ
り、上記絶縁層を形成してもよい。高密度プラズマ処理は、例えば、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ、
Ｘｅなどの希ガスと、酸素、酸化窒素、アンモニア、窒素、水素などとの混合ガスを用い
て行うことができる。また、絶縁層の厚さは特に限定されないが、例えば、１ｎｍ以上１
００ｎｍ以下とすることができる。

【0102】

導電材料を含む層は、アルミニウムや銅、チタン、タンタル、タングステン等の金属材
料を用いて形成することができる。また、導電材料を含む多結晶シリコンなどの半導体材
料を用いて、導電材料を含む層を形成しても良い。形成方法も特に限定されず、蒸着法、
ＣＶＤ法、スパッタリング法、スピンコート法などの各種成膜方法を用いることができる
。なお、本実施の形態では、導電材料を含む層を、金属材料を用いて形成する場合の一例
について示すものとする。

【0103】

その後、絶縁層および導電材料を含む層を選択的にエッチングして、ゲート絶縁層１０
８ａ、ゲート電極層１１０ａを形成する（図８（Ｃ）参照）。

【0104】

次に、ゲート電極層１１０ａを覆う絶縁層１１２を形成する（図８（Ｃ）参照）。そし
て、半導体領域１０４に硼素（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）などを添加して、浅い接合深
さの一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂを形成する（図８（Ｃ）参照）。なお、ここで
はＰ型トランジスタを形成するために硼素やアルミニウムを添加しているが、Ｎ型トラン
ジスタを形成する場合には、リン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などの不純物元素を添加すればよ
い。なお、一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂの形成により、半導体領域１０４のゲー
ト絶縁層１０８ａ下部には、チャネル形成領域１１６が形成される（図８（Ｃ）参照）。
ここで、添加する不純物の濃度は適宜設定することができるが、半導体素子が高度に微細
化される場合には、その濃度を高くすることが望ましい。また、ここでは、絶縁層１１２
を形成した後に一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂを形成する工程を採用しているが、
一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂを形成した後に絶縁層１１２を形成する工程として
も良い。

【0105】

次に、サイドウォール絶縁層１１８を形成する（図８（Ｄ）参照）。サイドウォール絶
縁層１１８は、絶縁層１１２を覆うように絶縁層を形成した後に、当該絶縁層に異方性の
高いエッチング処理を適用することで、自己整合的に形成することができる。また、この
際に、絶縁層１１２を部分的にエッチングして、ゲート電極層１１０ａの上面と、一対の
不純物領域１１４ａ、１１４ｂの上面を露出させると良い。

【0106】

次に、ゲート電極層１１０ａ、一対の不純物領域１１４ａ、１１４ｂ、サイドウォール
絶縁層１１８等を覆うように、絶縁層を形成する。そして、一対の不純物領域１１４ａ、
１１４ｂの一部に対して硼素（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）などを添加して、一対の高濃
度不純物領域１２０ａ、１２０ｂを形成する（図８（Ｅ）参照）。ここでも、Ｎ型トラン
ジスタを形成する場合には、リン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などの不純物元素を添加すればよ
い。その後、上記絶縁層を除去し、ゲート電極層１１０ａ、サイドウォール絶縁層１１８
、一対の高濃度不純物領域１２０ａ、１２０ｂ等を覆うように金属層１２２を形成する（
図８（Ｅ）参照）。金属層１２２は、真空蒸着法やスパッタリング法、スピンコート法な
どの各種成膜方法を用いて形成することができる。金属層１２２は、半導体領域１０４を
構成する半導体材料と反応して低抵抗な金属化合物となる金属材料を用いて形成すること
が望ましい。このような金属材料としては、例えば、チタン、タンタル、タングステン、
ニッケル、コバルト、白金等がある。

【0107】

次に、熱処理を施して、金属層１２２と半導体材料とを反応させる。これにより、一対
の高濃度不純物領域１２０ａ、１２０ｂに接する一対の金属化合物領域１２４ａ、１２４
ｂが形成される（図８（Ｆ）参照）。なお、ゲート電極層１１０ａとして多結晶シリコン
などを用いる場合には、ゲート電極層１１０ａの金属層１２２と接触する部分にも、金属
化合物領域が形成されることになる。

【0108】

上記熱処理としては、例えば、フラッシュランプの照射による熱処理を用いることがで
きる。もちろん、その他の熱処理方法を用いても良いが、金属化合物の形成に係る化学反
応の制御性を向上させるためには、ごく短時間の熱処理が実現できる方法を用いることが
望ましい。なお、上記の金属化合物領域は、金属材料と半導体材料との反応により形成さ
れるものであり、十分に導電性が高められた領域である。当該金属化合物領域を形成する
ことで、電気抵抗を十分に低減し、素子特性を向上させることができる。なお、一対の金
属化合物領域１２４ａ、１２４ｂを形成した後には、金属層１２２は除去する。

【0109】

次に、上述の工程により形成された各構成を覆うように、層間絶縁層１２６、層間絶縁
層１２８を形成する（図８（Ｇ）参照）。層間絶縁層１２６や層間絶縁層１２８は、酸化
シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化
タンタル等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。また、ポリイミド
、アクリル等の有機絶縁材料を用いて形成することも可能である。なお、ここでは、層間
絶縁層１２６や層間絶縁層１２８の二層構造としているが、層間絶縁層の構成はこれに限
定されない。層間絶縁層１２８の形成後には、その表面を、ＣＭＰやエッチング処理など
によって平坦化しておくことが望ましい。

【0110】

その後、上記層間絶縁層に、一対の金属化合物領域１２４ａ、１２４ｂにまで達する開
口を形成し、当該開口に、ソース電極層１３０ａ、ドレイン電極層１３０ｂを形成する（
図８（Ｈ）参照）。ソース電極層１３０ａ及びドレイン電極層１３０ｂは、例えば、開口
を含む領域にＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて導電層を形成した後、エッチング処理やＣ
ＭＰといった方法を用いて、上記導電層の一部を除去することにより形成することができ
る。

【0111】

なお、ソース電極層１３０ａ及びドレイン電極層１３０ｂを形成する際には、その表面
が平坦になるように加工することが望ましい。例えば、開口を含む領域にチタン膜や窒化
チタン膜を薄く形成した後に、開口に埋め込むようにタングステン膜を形成する場合には
、その後のＣＭＰによって、不要なタングステン、チタン、窒化チタンなどを除去すると
共に、その表面の平坦性を向上させることができる。このように、ソース電極層１３０ａ
及びドレイン電極層１３０ｂを含む表面を平坦化することにより、後の工程において、良
好な電極、配線、絶縁層、半導体層などを形成することが可能となる。

【0112】

なお、ここでは、一対の金属化合物領域１２４ａ、１２４ｂと接触するソース電極層１
３０ａ及びドレイン電極層１３０ｂのみを示しているが、この工程において、配線として
機能する電極層（例えば、図７における電極層１３０ｃ）などをあわせて形成することが
できる。ソース電極層１３０ａ及びドレイン電極層１３０ｂとして用いることができる材
料について特に限定はなく、各種導電材料を用いることができる。例えば、モリブデン、
チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム
などの導電性材料を用いることができる。

【0113】

以上により、半導体材料を含む基板１００を用いたＰ型トランジスタ１６０が形成され
る。なお、上記工程の後には、さらに電極や配線、絶縁層などを形成しても良い。配線の
構造として、層間絶縁層および導電層の積層構造でなる多層配線構造を採用することによ
り、高度に集積化した回路を提供することができる。また、上記工程と同様の工程によっ
て、半導体材料を含む基板１００を用いたＮ型トランジスタも形成することが可能である
。すなわち、上述した工程において、半導体領域に添加する不純物元素をリン（Ｐ）やヒ
素（Ａｓ）などの不純物元素に変更することによって、Ｎ型トランジスタを形成すること
ができる。

【0114】

次に、図９および図１０を用いて、層間絶縁層１２８上にＮ型トランジスタ１６４を作
製する工程について説明する。なお、図９および図１０は、層間絶縁層１２８上の各種電
極層や、Ｎ型トランジスタ１６４などの作製工程を示すものであるから、Ｎ型トランジス
タ１６４の下部に存在するＰ型トランジスタ１６０等については省略している。

【0115】

まず、層間絶縁層１２８、ソース電極層１３０ａ、ドレイン電極層１３０ｂ、電極層１
３０ｃ上に絶縁層１３２を形成する（図９（Ａ）参照）。絶縁層１３２はＰＶＤ法やＣＶ
Ｄ法などを用いて形成することができる。また、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化
シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル等の無機絶縁材料を含む材
料を用いて形成することができる。

【0116】

次に、絶縁層１３２に対し、ソース電極層１３０ａ、ドレイン電極層１３０ｂ、および
電極層１３０ｃにまで達する開口を形成する。この際、後にゲート電極層１３６ｄが形成
される領域にも併せて開口を形成する。そして、上記開口に埋め込むように、導電層１３
４を形成する（図９（Ｂ）参照）。上記開口はマスクを用いたエッチングなどの方法で形
成することができる。当該マスクは、フォトマスクを用いた露光などの方法によって形成
することが可能である。エッチングとしてはウェットエッチング、ドライエッチングのい
ずれを用いても良いが、微細加工の観点からは、ドライエッチングを用いることが好適で
ある。導電層１３４の形成は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などの成膜法を用いて行うことができ
る。導電層１３４の形成に用いることができる材料としては、モリブデン、チタン、クロ
ム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウムなどの導電性
材料や、これらの合金、化合物（例えば窒化物）などが挙げられる。

【0117】

より具体的には、例えば、開口を含む領域にＰＶＤ法によりチタン膜を薄く形成し、Ｃ
ＶＤ法により窒化チタン膜を薄く形成した後に、開口に埋め込むようにタングステン膜を
形成する方法を適用することができる。ここで、ＰＶＤ法により形成されるチタン膜は、
界面の酸化膜を還元し、下部電極層（ここでは、ソース電極層１３０ａ、ドレイン電極層
１３０ｂ、電極層１３０ｃなど）との接触抵抗を低減させる機能を有する。また、その後
に形成される窒化チタン膜は、導電性材料の拡散を抑制するバリア機能を備える。また、
チタンや窒化チタンなどによるバリア膜を形成した後に、メッキ法により銅膜を形成して
もよい。

【0118】

導電層１３４を形成した後には、エッチング処理やＣＭＰといった方法を用いて導電層
１３４の一部を除去し、絶縁層１３２を露出させて、電極層１３６ａ、電極層１３６ｂ、
電極層１３６ｃ、ゲート電極層１３６ｄを形成する（図９（Ｃ）参照）。なお、上記導電
層１３４の一部を除去して電極層１３６ａ、電極層１３６ｂ、電極層１３６ｃ、ゲート電
極層１３６ｄを形成する際には、表面が平坦になるように加工することが望ましい。この
ように、絶縁層１３２、電極層１３６ａ、電極層１３６ｂ、電極層１３６ｃ、ゲート電極
層１３６ｄの表面を平坦化することにより、後の工程において、良好な電極、配線、絶縁
層、半導体層などを形成することが可能となる。

【0119】

次に、絶縁層１３２、電極層１３６ａ、電極層１３６ｂ、電極層１３６ｃ、ゲート電極
層１３６ｄを覆うように、ゲート絶縁層１３８を形成する（図９（Ｄ）参照）。ゲート絶
縁層１３８は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて形成することができる。また、ゲ
ート絶縁層１３８は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化アルミニ
ウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどを含むように形成するのが好適である。なお、
ゲート絶縁層１３８は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。例えば、原料
ガスとして、シラン（ＳｉＨ_４）、酸素、窒素を用いたプラズマＣＶＤ法により、酸化窒
化珪素でなるゲート絶縁層１３８を形成することができる。ゲート絶縁層１３８の厚さは
特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。積層構
造の場合は、例えば、膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の第１のゲート絶縁層と、第１の
ゲート絶縁層上の膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の第２のゲート絶縁層の積層とすると好
適である。

【0120】

なお、不純物を除去することによりｉ型化または実質的にｉ型化された酸化物半導体（
高純度化された酸化物半導体）は、界面準位や界面電荷に対して極めて敏感であるため、
このような酸化物半導体を酸化物半導体層に用いる場合には、ゲート絶縁層との界面は重
要である。つまり、高純度化された酸化物半導体層に接するゲート絶縁層１３８には、高
品質化が要求されることになる。

【0121】

例えば、μ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤ法は、緻密で絶縁耐圧
の高い高品質なゲート絶縁層１３８を形成できる点で好適である。高純度化された酸化物
半導体層と高品質ゲート絶縁層とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を
良好なものとすることができるからである。

【0122】

もちろん、ゲート絶縁層として良質な絶縁層を形成できるものであれば、高純度化され
た酸化物半導体層を用いる場合であっても、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法など他
の方法を適用することができる。また、形成後の熱処理によって、膜質や界面特性が改質
される絶縁層を適用しても良い。いずれにしても、ゲート絶縁層１３８としての膜質が良
好であると共に、酸化物半導体層との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるゲ
ート絶縁層１３８を形成すれば良い。

【0123】

さらに、８５℃、２×１０^６（Ｖ／ｃｍ）、１２時間のゲートバイアス・熱ストレス試
験（ＢＴ試験）においては、不純物が酸化物半導体に添加されていると、不純物と酸化物
半導体の主成分との結合手が、強電界（Ｂ：バイアス）と高温（Ｔ：温度）により切断さ
れ、生成された未結合手がしきい値電圧（Ｖｔｈ）のドリフトを誘発することとなる。

【0124】

これに対して、酸化物半導体の不純物、特に水素や水などを極力排除し、上記のように
ゲート絶縁層との界面特性を良好にすることにより、ＢＴ試験に対しても安定なトランジ
スタを得ることが可能である。

【0125】

次いで、ゲート絶縁層１３８上に、酸化物半導体層を形成し、マスクを用いたエッチン
グなどの方法によって該酸化物半導体層を加工して、島状の酸化物半導体層１４０を形成
する（図９（Ｅ）参照）。

【0126】

酸化物半導体層としては、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－
Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ａｌ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ａｌ－Ｚ
ｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｏ系、Ｓｎ
－Ｏ系、Ｚｎ－Ｏ系の酸化物半導体層、特に非晶質酸化物半導体層を用いるのが好適であ
る。本実施の形態では、酸化物半導体層としてＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系の金属酸化物ター
ゲットを用いて、非晶質の酸化物半導体層をスパッタ法により形成することとする。なお
、非晶質の酸化物半導体層中にシリコンを添加することで、その結晶化を抑制することが
できるから、例えば、ＳｉＯ_２を２重量％以上１０重量％以下含むターゲットを用いて酸
化物半導体層を形成しても良い。

【0127】

酸化物半導体層をスパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、例えば、酸
化亜鉛などを主成分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、Ｉｎ、
Ｇａ、およびＺｎを含む金属酸化物ターゲット（組成比として、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３
：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［ａｔｏｍ比］
）などを用いることもできる。また、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む金属酸化物ターゲッ
トとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ比］、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１
：１：２［ａｔｏｍ比］の組成比を有するターゲットなどを用いても良い。金属酸化物タ
ーゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上（例えば９９．９％
）である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、緻密な酸化物半導体
層が形成される。

【0128】

酸化物半導体層の形成雰囲気は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲気、
または、希ガス（代表的にはアルゴン）と酸素との混合雰囲気とするのが好適である。具
体的には、例えば、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が、数ｐｐｍ程度（望まし
くは数ｐｐｂ程度）にまで除去された高純度ガスを用いるのが好適である。

【0129】

酸化物半導体層の形成の際には、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、基板
温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上４００℃以下とする。基板を加
熱しながら酸化物半導体層を形成することにより、酸化物半導体層に含まれる不純物濃度
を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。そして、処理
室内の残留水分を除去しつつ水素および水が除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化
物をターゲットとして酸化物半導体層を形成する。処理室内の残留水分を除去するために
は、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。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ることができる。また、排気手段としては、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
気した処理室は、例えば、水素原子、水（Ｈ_２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ま
しくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該処理室で形成した酸化物半導
体層に含まれる不純物の濃度を低減できる。

【0130】

形成条件としては、例えば、基板とターゲットの間との距離が１００ｍｍ、圧力が０．
６Ｐａ、直流（ＤＣ）電力が０．５ｋＷ、雰囲気が酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気
、といった条件を適用することができる。なお、パルス直流（ＤＣ）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、ゴミともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一と
なるため、好ましい。酸化物半導体層の厚さは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは
５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料により適切な厚さは異
なるから、その厚さは用いる材料に応じて適宜選択すればよい。

【0131】

なお、酸化物半導体層をスパッタ法により形成する前には、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、ゲート絶縁層１３８の表面に付着しているゴミを
除去するのが好適である。ここで、逆スパッタとは、通常のスパッタにおいては、スパッ
タターゲットにイオンを衝突させるところ、逆に、処理表面にイオンを衝突させることに
よってその表面を改質する方法のことをいう。処理表面にイオンを衝突させる方法として
は、アルゴン雰囲気下で処理表面側に高周波電圧を印加して、基板付近にプラズマを生成
する方法などがある。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いて
も良い。

【0132】

上記酸化物半導体層のエッチングには、ドライエッチング、ウェットエッチングのいず
れを用いても良い。もちろん、両方を組み合わせて用いることもできる。所望の形状にエ
ッチングできるよう、材料に合わせてエッチング条件（エッチングガスやエッチング液、
エッチング時間、温度等）を適宜設定する。

【0133】

ドライエッチングに用いるエッチングガスには、例えば、塩素を含むガス（塩素系ガス
、例えば塩素（Ｃｌ_２）、塩化硼素（ＢＣｌ_３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）、四塩化炭素
（ＣＣｌ_４）など）などがある。また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化
炭素（ＣＦ_４）、六弗化硫黄（ＳＦ_６）、三弗化窒素（ＮＦ_３）、トリフルオロメタン（
ＣＨＦ_３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ_２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ
）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などを用いても良い。

【0134】

ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃ
ｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘
導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の形状にエッチングできる
ように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加され
る電力量、基板側の電極温度等）は適宜設定する。

【0135】

ウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液な
どを用いることができる。また、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）などのエッチング液を用
いてもよい。

【0136】

次いで、酸化物半導体層に第１の熱処理を行うことが望ましい。この第１の熱処理によ
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。第１の熱処理の温度は
、３００℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満とする。例えば
、抵抗発熱体などを用いた電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層１４０に対して窒素雰
囲気下４５０℃において１時間の熱処理を行う。この間、酸化物半導体層１４０は、大気
に触れることなく、水や水素の再混入が行われないようにする。

【0137】

なお、熱処理装置は電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、また
は熱輻射によって、被処理物を加熱する装置であっても良い。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ
Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ
Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎ
ｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライ
ドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧
水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置
である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。気体としては、
アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活
性気体が用いられる。

【0138】

例えば、第１の熱処理として、６５０℃～７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基
板を投入し、数分間加熱した後、当該不活性ガス中から基板を取り出すＧＲＴＡ処理を行
ってもよい。ＧＲＴＡ処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、短時間
の熱処理であるため、基板の歪み点を超える温度条件であっても適用が可能となる。

【0139】

なお、第１の熱処理は、窒素、または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン等）を主成
分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気で行うことが望ましい。例え
ば、熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を
、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（すなわ
ち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とする。

【0140】

第１の熱処理の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、酸化物半導体層が結晶
化し、微結晶または多結晶となる場合もある。例えば、結晶化率が９０％以上、または８
０％以上の微結晶の酸化物半導体層となる場合もある。また、第１の熱処理の条件、また
は酸化物半導体層の材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物半導体層となる
場合もある。

【0141】

また、非晶質の酸化物半導体（例えば、酸化物半導体層の表面）に微結晶（粒径１ｎｍ
以上２０ｎｍ以下（代表的には２ｎｍ以上４ｎｍ以下））が混在する酸化物半導体層とな
る場合もある。

【0142】

また、非晶質中に微結晶を配列させることで、酸化物半導体層の電気的特性を変化させ
ることも可能である。例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系の金属酸化物ターゲットを用いて
酸化物半導体層を形成する場合には、電気的異方性を有するＩｎ_２Ｇａ_２ＺｎＯ_７の結晶
粒が配向した微結晶部を形成することで、酸化物半導体層の電気的特性を変化させること
ができる。

【0143】

より具体的には、例えば、Ｉｎ_２Ｇａ_２ＺｎＯ_７のｃ軸が酸化物半導体層の表面に垂直
な方向をとるように配向させることで、酸化物半導体層の表面に平行な方向の導電性を向
上させ、酸化物半導体層の表面に垂直な方向の絶縁性を向上させることができる。また、
このような微結晶部は、酸化物半導体層中への水や水素などの不純物の侵入を抑制する機
能を有する。

【0144】

なお、上述の微結晶部を有する酸化物半導体層は、ＧＲＴＡ処理による酸化物半導体層
の表面加熱によって形成することができる。また、Ｚｎの含有量がＩｎまたはＧａの含有
量より小さいスパッタターゲットを用いることで、より好適に形成することが可能である
。

【0145】

酸化物半導体層１４０に対する第１の熱処理は、島状の酸化物半導体層１４０に加工す
る前の酸化物半導体層に行うこともできる。その場合には、第１の熱処理後に、加熱装置
から基板を取り出し、フォトリソグラフィ工程を行うことになる。

【0146】

なお、上記熱処理は、酸化物半導体層１４０に対する脱水化、脱水素化の効果があるか
ら、脱水化処理、脱水素化処理などと呼ぶこともできる。このような脱水化処理、脱水素
化処理は、酸化物半導体層の形成後、酸化物半導体層１４０上にソース電極層及びドレイ
ン電極層を積層させた後、又はソース電極層及びドレイン電極層上に保護絶縁層を形成し
た後、などのタイミングにおいて行うことが可能である。また、このような脱水化処理、
脱水素化処理は、一回に限らず複数回行っても良い。

【0147】

次に、酸化物半導体層１４０に接するように、ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極
層１４２ｂを形成する（図９（Ｆ）参照）。ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１
４２ｂは、酸化物半導体層１４０を覆うように導電層を形成した後、当該導電層を選択的
にエッチングすることにより形成することができる。

【0148】

当該導電層は、スパッタ法などのＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法を用い
て形成することができる。また、導電層の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タ
ンタル、チタン、モリブデン、タングステンからから選ばれた元素や、上述した元素を成
分とする合金等を用いることができる。マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリ
ウム、トリウムのいずれか一または複数から選択された材料を用いてもよい。また、アル
ミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカン
ジウムから選ばれた元素を単数、または複数組み合わせた材料を用いてもよい。導電層は
、単層構造であっても良いし、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含
むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜が積層された２層構造、チタ
ン膜とアルミニウム膜とチタン膜とが積層された３層構造などが挙げられる。

【0149】

ここで、エッチングに用いるマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦレーザ光やＡｒ
Ｆレーザ光を用いるのが好適である。

【0150】

トランジスタのチャネル長（Ｌ）は、ソース電極層１４２ａの下端部と、ドレイン電極
層１４２ｂの下端部との間隔によって決定される。なお、チャネル長（Ｌ）が２５ｎｍ未
満の露光を行う場合には、数ｎｍ～数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅ
ｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いてマスク形成の露光を行う。超紫外線による露光
は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成されるトランジスタのチャネル長
（Ｌ）を１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも可能であり、回路の動作速度を高速
化できる。

【0151】

なお、導電層のエッチングの際には、酸化物半導体層１４０が除去されないように、そ
れぞれの材料およびエッチング条件を適宜調節する。なお、材料およびエッチング条件に
よっては、当該工程において、酸化物半導体層１４０の一部がエッチングされ、溝部（凹
部）を有する酸化物半導体層となることもある。

【0152】

また、酸化物半導体層１４０とソース電極層１４２ａの間、又は酸化物半導体層１４０
とドレイン電極層１４２ｂの間に、酸化物導電層を形成してもよい。酸化物導電層と、ソ
ース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂを形成するための金属層とは、連続して
形成すること（連続成膜）が可能である。酸化物導電層は、ソース領域またはドレイン領
域として機能しうる。このような酸化物導電層を設けることで、ソース領域またはドレイ
ン領域の低抵抗化を図ることができるため、トランジスタの高速動作が実現される。

【0153】

また、上記マスクの使用数や工程数を削減するため、透過した光が複数の強度となる露
光マスクである多階調マスクによってレジストマスクを形成し、これを用いてエッチング
工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは、複数の厚みを有
する形状（階段状）となり、アッシングによりさらに形状を変形させることができるため
、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。つまり、一枚
の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマ
スクを形成することができる。よって、露光マスク数を削減することができ、対応するフ
ォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が図れる。

【0154】

なお、上述の工程の後には、Ｎ_２Ｏ、Ｎ_２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処
理を行うのが好ましい。当該プラズマ処理によって、露出している酸化物半導体層の表面
に付着した水などが除去される。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理
を行ってもよい。

【0155】

次に、大気に触れさせることなく、酸化物半導体層１４０の一部に接する保護絶縁層１
４４を形成する（図９（Ｇ）参照）。

【0156】

保護絶縁層１４４は、スパッタ法など、保護絶縁層１４４に水、水素等の不純物を混入
させない方法を適宜用いて形成することができる。また、その厚さは、少なくとも１ｎｍ
以上とする。保護絶縁層１４４に用いることができる材料としては、酸化珪素、窒化珪素
、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素などがある。また、その構造は、単層構造としても良いし
、積層構造としても良い。保護絶縁層１４４を形成する際の基板温度は、室温以上３００
℃以下とするのが好ましく、雰囲気は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲
気、または希ガス（代表的にはアルゴン）と酸素の混合雰囲気とするのが好適である。

【0157】

保護絶縁層１４４に水素が含まれると、その水素の酸化物半導体層１４０への侵入や、
水素による酸化物半導体層１４０中の酸素の引き抜き、などが生じ、酸化物半導体層１４
０のバックチャネル側が低抵抗化してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。
よって、保護絶縁層１４４はできるだけ水素を含まないように、形成方法においては水素
を用いないことが重要である。

【0158】

また、処理室内の残留水分を除去しつつ保護絶縁層１４４を形成することが好ましい。
酸化物半導体層１４０および保護絶縁層１４４に水素、水酸基または水分が含まれないよ
うにするためである。

【0159】

処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。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ること
が好ましい。また、排気手段としては、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処理室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
_２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が除去されているため、当該処理室で形成した保護絶
縁層１４４に含まれる不純物の濃度を低減できる。

【0160】

保護絶縁層１４４を形成する際に用いるスパッタガスとしては、水素、水、水酸基また
は水素化物などの不純物が、数ｐｐｍ程度（望ましくは、数ｐｐｂ程度）にまで除去され
た高純度ガスを用いることが好ましい。

【0161】

次いで、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の熱処理（好ましくは２
００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行うのが望ましい。例え
ば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の熱処理を行う。第２の熱処理を行うと、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。

【0162】

また、大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下の熱処理を行って
もよい。この熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１００℃
以上２００℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえ
して行ってもよい。また、この熱処理を、保護絶縁層の形成前に、減圧下で行ってもよい
。減圧下で熱処理を行うと、加熱時間を短縮することができる。なお、当該熱処理は、上
記第２の熱処理に代えて行っても良いし、第２の熱処理の前後などに行っても良い。

【0163】

次に、保護絶縁層１４４上に、層間絶縁層１４６を形成する（図１０（Ａ）参照）。層
間絶縁層１４６はＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて形成することができる。また、酸化シ
リコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化タ
ンタル等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。層間絶縁層１４６の
形成後には、その表面を、ＣＭＰやエッチングなどの方法によって平坦化しておくことが
望ましい。

【0164】

次に、層間絶縁層１４６、保護絶縁層１４４、およびゲート絶縁層１３８に対し、電極
層１３６ａ、電極層１３６ｂ、電極層１３６ｃ、ソース電極層１４２ａ、ドレイン電極層
１４２ｂにまで達する開口を形成し、当該開口に埋め込むように導電層１４８を形成する
（図１０（Ｂ）参照）。上記開口はマスクを用いたエッチングなどの方法で形成すること
ができる。当該マスクは、フォトマスクを用いた露光などの方法によって形成することが
可能である。エッチングとしてはウェットエッチング、ドライエッチングのいずれを用い
ても良いが、微細加工の観点からは、ドライエッチングを用いることが好適である。導電
層１４８の形成は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などの成膜法を用いて行うことができる。導電層
１４８の形成に用いることができる材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタ
ル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウムなどの導電性材料や、こ
れらの合金、化合物（例えば窒化物）などが挙げられる。

【0165】

具体的には、例えば、開口を含む領域にＰＶＤ法によりチタン膜を薄く形成し、ＣＶＤ
法により窒化チタン膜を薄く形成した後に、開口に埋め込むようにタングステン膜を形成
する方法を適用することができる。ここで、ＰＶＤ法により形成されるチタン膜は、界面
の酸化膜を還元し、下部電極（ここでは、電極層１３６ａ、電極層１３６ｂ、電極層１３
６ｃ、ソース電極層１４２ａ、ドレイン電極層１４２ｂ）との接触抵抗を低減させる機能
を有する。また、その後の形成される窒化チタン膜は、導電性材料の拡散を抑制するバリ
ア機能を備える。また、チタンや窒化チタンなどによるバリア膜を形成した後に、メッキ
法により銅膜を形成してもよい。

【0166】

導電層１４８を形成した後には、エッチングやＣＭＰといった方法を用いて導電層１４
８の一部を除去し、層間絶縁層１４６を露出させて、電極層１５０ａ、電極層１５０ｂ、
電極層１５０ｃ、電極層１５０ｄ、電極層１５０ｅを形成する（図１０（Ｃ）参照）。な
お、上記導電層１４８の一部を除去して電極層１５０ａ、電極層１５０ｂ、電極層１５０
ｃ、電極層１５０ｄ、電極層１５０ｅを形成する際には、表面が平坦になるように加工す
ることが望ましい。このように、層間絶縁層１４６、電極層１５０ａ、電極層１５０ｂ、
電極層１５０ｃ、電極層１５０ｄ、電極層１５０ｅの表面を平坦化することにより、後の
工程において、良好な電極、配線、絶縁層、半導体層などを形成することが可能となる。

【0167】

さらに、絶縁層１５２を形成し、絶縁層１５２に、電極層１５０ａ、電極層１５０ｂ、
電極層１５０ｃ、電極層１５０ｄ、電極層１５０ｅにまで達する開口を形成し、当該開口
に埋め込むように導電層を形成した後、エッチングやＣＭＰなどの方法を用いて導電層の
一部を除去し、絶縁層１５２を露出させて、電極層１５４ａ、電極層１５４ｂ、電極層１
５４ｃ、電極層１５４ｄを形成する（図１０（Ｄ）参照）。当該工程は、電極層１５０ａ
等を形成する場合と同様であるから、詳細は省略する。

【0168】

上述のような方法でＮ型トランジスタ１６４を作製した場合、酸化物半導体層１４０の
水素濃度は５×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下となり、Ｎ型トランジスタ１６４の
リーク電流を低減することが可能になる。このような、優れた特性のＮ型トランジスタ１
６４を実施の形態１乃至４に示した半導体装置に適用することによって、当該半導体装置
の待機電力を低減することが可能になる。

【0169】

＜変形例＞
図１１乃至図１４には、Ｎ型トランジスタ１６４の構成の変形例を示す。つまり、Ｐ型
トランジスタ１６０の構成は上記と同様である。

【0170】

図１１には、酸化物半導体層１４０の下にゲート電極層１３６ｄを有し、ソース電極層
１４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂが、酸化物半導体層１４０の下側において接する構
成のＮ型トランジスタ１６４を示す。

【0171】

図１１に示す構成と図７に示す構成の大きな相違点として、ソース電極層１４２ａ及び
ドレイン電極層１４２ｂと、酸化物半導体層１４０との接続の位置が挙げられる。つまり
、図７に示す構成では、酸化物半導体層１４０の上側表面において、ソース電極層１４２
ａ及びドレイン電極層１４２ｂと接するのに対して、図１１に示す構成では、酸化物半導
体層１４０の下側において、ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂと接する
。そして、この接触の相違に起因して、その他の電極層、絶縁層などの配置が異なるもの
となっている。なお、各構成要素の詳細は、図７と同様である。

【0172】

具体的には、図１１に示すＮ型トランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられ
たゲート電極層１３６ｄと、ゲート電極層１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１３８と
、ゲート絶縁層１３８上に設けられた、ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１４２
ｂと、ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂの上側表面に接する酸化物半導
体層１４０と、を有する。また、Ｎ型トランジスタ１６４の上には、酸化物半導体層１４
０を覆うように、保護絶縁層１４４が設けられている。

【0173】

図１２には、酸化物半導体層１４０の上にゲート電極層１３６ｄを有するＮ型トランジ
スタ１６４を示す。ここで、図１２（Ａ）は、ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層
１４２ｂが、酸化物半導体層１４０の下側表面において酸化物半導体層１４０と接する構
成の例を示す図であり、図１２（Ｂ）は、ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１４
２ｂが、酸化物半導体層１４０の上側表面において酸化物半導体層１４０と接する構成の
例を示す図である。

【0174】

図７又は図１１に示す構成と図１２に示す構成の大きな相違点は、酸化物半導体層１４
０の上にゲート電極層１３６ｄを有する点である。また、図１２（Ａ）に示す構成と図１
２（Ｂ）に示す構成の大きな相違点は、ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１４２
ｂが、酸化物半導体層１４０の下側表面または上側表面のいずれにおいて接するか、とい
う点である。そして、これらの相違に起因して、その他の電極層、絶縁層などの配置が異
なるものとなっている。なお、各構成要素の詳細は、図７などと同様である。

【0175】

具体的には、図１２（Ａ）に示すＮ型トランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設
けられたソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂと、ソース電極層１４２ａ及
びドレイン電極層１４２ｂの上側表面に接する酸化物半導体層１４０と、酸化物半導体層
１４０上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲート絶縁層１３８上の酸化物半導体層１
４０と重畳する領域のゲート電極層１３６ｄと、を有する。

【0176】

また、図１２（Ｂ）に示すＮ型トランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられ
た酸化物半導体層１４０と、酸化物半導体層１４０の上側表面に接するように設けられた
ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂと、酸化物半導体層１４０、ソース電
極層１４２ａ、及びドレイン電極層１４２ｂ上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲー
ト絶縁層１３８上の酸化物半導体層１４０と重畳する領域に設けられたゲート電極層１３
６ｄと、を有する。

【0177】

なお、図１２に示す構成では、図７に示す構成などと比較して、構成要素が省略される
場合がある（例えば、電極層１５０ａや、電極層１５４ａなど）。この場合、作製工程の
簡略化という副次的な効果も得られる。もちろん、図７などに示す構成においても、必須
ではない構成要素を省略できることはいうまでもない。

【0178】

図１３には、素子のサイズが比較的大きい場合であって、酸化物半導体層１４０の下に
ゲート電極層１３６ｄを有する構成のＮ型トランジスタ１６４を示す。この場合、表面の
平坦性やカバレッジに対する要求は比較的緩やかなものであるから、配線や電極などを絶
縁層中に埋め込むように形成する必要はない。例えば、導電層の形成後にパターニングを
行うことで、ゲート電極層１３６ｄなどを形成することが可能である。

【0179】

図１３（Ａ）に示す構成と図１３（Ｂ）に示す構成の大きな相違点は、ソース電極層１
４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂが、酸化物半導体層１４０の下側表面または上側表面
のいずれにおいて接するか、という点である。そして、これらの相違に起因して、その他
の電極層、絶縁層などの配置が異なるものとなっている。なお、各構成要素の詳細は、図
７などと同様である。

【0180】

具体的には、図１３（Ａ）に示すＮ型トランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設
けられたゲート電極層１３６ｄと、ゲート電極層１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１
３８と、ゲート絶縁層１３８上に設けられた、ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層
１４２ｂと、ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂの上側表面に接する酸化
物半導体層１４０と、を有する。

【0181】

また、図１３（Ｂ）に示すＮ型トランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられ
たゲート電極層１３６ｄと、ゲート電極層１３６ｄ上に設けられたゲート絶縁層１３８と
、ゲート絶縁層１３８上のゲート電極層１３６ｄと重畳する領域に設けられた酸化物半導
体層１４０と、酸化物半導体層１４０の上側表面に接するように設けられたソース電極層
１４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂと、を有する。

【0182】

なお、図１３に示す構成においても、図７に示す構成などと比較して、構成要素が省略
される場合がある。この場合も、作製工程の簡略化という効果が得られる。

【0183】

図１４には、素子のサイズが比較的大きい場合であって、酸化物半導体層１４０の上に
ゲート電極層１３６ｄを有する構成のＮ型トランジスタ１６４を示す。この場合にも、表
面の平坦性やカバレッジに対する要求は比較的緩やかなものであるから、配線や電極など
を絶縁層中に埋め込むように形成する必要はない。例えば、導電層の形成後にパターニン
グを行うことで、ゲート電極層１３６ｄなどを形成することが可能である。

【0184】

図１４（Ａ）に示す構成と図１４（Ｂ）に示す構成の大きな相違点は、ソース電極層１
４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂが、酸化物半導体層１４０の下側表面または上側表面
のいずれにおいて接するか、という点である。そして、これらの相違に起因して、その他
の電極層、絶縁層などの配置が異なるものとなっている。なお、各構成要素の詳細は、図
７などと同様である。

【0185】

具体的には、図１４（Ａ）に示すＮ型トランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設
けられたソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂと、ソース電極層１４２ａ及
びドレイン電極層１４２ｂの上側表面に接する酸化物半導体層１４０と、ソース電極層１
４２ａ、ドレイン電極層１４２ｂ、及び酸化物半導体層１４０上に設けられたゲート絶縁
層１３８と、ゲート絶縁層１３８上の酸化物半導体層１４０と重畳する領域に設けられた
ゲート電極層１３６ｄと、を有する。

【0186】

また、図１４（Ｂ）に示すＮ型トランジスタ１６４は、層間絶縁層１２８上に設けられ
た酸化物半導体層１４０と、酸化物半導体層１４０の上側表面に接するように設けられた
ソース電極層１４２ａ及びドレイン電極層１４２ｂと、ソース電極層１４２ａ、ドレイン
電極層１４２ｂ、及び酸化物半導体層１４０上に設けられたゲート絶縁層１３８と、ゲー
ト絶縁層１３８上の酸化物半導体層１４０と重畳する領域に設けられたゲート電極層１３
６ｄと、を有する。

【0187】

なお、図１４に示す構成においても、図７に示す構成などと比較して、構成要素が省略
される場合がある。この場合も、作製工程の簡略化という効果が得られる。

【0188】

本実施の形態では、Ｐ型トランジスタ１６０上にＮ型トランジスタ１６４を積層して形
成する例について説明したが、Ｐ型トランジスタ１６０及びＮ型トランジスタ１６４の構
成はこれに限られるものではない。例えば、同一平面上にＰ型トランジスタ及びＮ型トラ
ンジスタを形成することができる。さらに、Ｐ型トランジスタ１６０と、Ｎ型トランジス
タ１６４とを重畳して設けても良い。

【0189】

上述したＮ型トランジスタ１６４を実施の形態１乃至４に示した半導体装置が有するＮ
型トランジスタに適用することによって、待機状態における電池の放電を抑制することが
できる。つまり、半導体装置の待機電力を低減することができる。また、待機状態におけ
る電池の放電を抑制することで、半導体装置を長寿命化することができる。

【0190】

なお、本実施の形態の内容又は該内容の一部は、他の実施の形態の内容又は該内容の一
部と自由に組み合わせることが可能である。

【0191】

（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態１乃至４に示した半導体装置が有するトランジスタの一
例について説明する。具体的には、チャネル形成領域が酸化物半導体によって構成される
トランジスタの一例について説明する。

【0192】

本実施の形態のトランジスタ及びその作製方法の一形態を、図１５及び図１６を用いて
説明する。

【0193】

図１５（Ａ）、（Ｂ）にトランジスタの平面及び断面構造の一例を示す。図１５（Ａ）
、（Ｂ）に示すトランジスタ４６０は、トップゲート構造のトランジスタである。

【0194】

図１５（Ａ）はトップゲート構造のトランジスタ４６０の平面図であり、図１５（Ｂ）
は図１５（Ａ）の線Ｄ１－Ｄ２における断面図である。

【0195】

トランジスタ４６０は、絶縁表面を有する基板４５０上に、絶縁層４５７、ソース電極
層又はドレイン電極層４６５ａ（４６５ａ１、４６５ａ２）、酸化物半導体層４６２、ソ
ース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ、配線層４６８、ゲート絶縁層４５２、ゲート電
極層４６１（４６１ａ、４６１ｂ）を含み、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ（
４６５ａ１、４６５ａ２）は配線層４６８を介して配線層４６４と電気的に接続している
。また、図示していないが、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂもゲート絶縁層４
５２に設けられた開口において配線層と電気的に接続する。

【0196】

以下、図１６（Ａ）乃至（Ｅ）を用い、基板４５０上にトランジスタ４６０を作製する
工程を説明する。

【0197】

まず、絶縁表面を有する基板４５０上に下地膜となる絶縁層４５７を形成する。

【0198】

本実施の形態では、絶縁層４５７として、スパッタリング法により酸化シリコン層を形
成する。基板４５０を処理室へ搬送し、水素及び水分が除去された高純度酸素を含むスパ
ッタガスを導入しシリコンターゲット又は石英（好ましくは合成石英）を用いて、基板４
５０に絶縁層４５７として、酸化シリコン層を成膜する。なお、スパッタガスとして酸素
又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。

【0199】

例えば、純度が６Ｎであり、石英（好ましくは合成石英）を用い、基板温度１０８℃、
基板とターゲットの間との距離（Ｔ－Ｓ間距離）を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、高周波電
源１．５ｋＷ、酸素及びアルゴン（酸素流量２５ｓｃｃｍ：アルゴン流量２５ｓｃｃｍ＝
１：１）雰囲気下でＲＦスパッタリング法により酸化シリコン膜を成膜する。膜厚は１０
０ｎｍとする。なお、石英（好ましくは合成石英）に代えてシリコンターゲットを酸化シ
リコン膜を成膜するためのターゲットとして用いることができる。

【0200】

この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ絶縁層４５７を成膜することが好
ましい。絶縁層４５７に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするためである。クラ
イオポンプを用いて排気した処理室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ_２Ｏ）など水素原子
を含む化合物を含む化合物等が排気されるため、当該処理室で成膜し絶縁層４５７に含ま
れる不純物の濃度を低減できる。

【0201】

絶縁層４５７を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物な
どの不純物が、数ｐｐｍ程度、数ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いることが好
ましい。

【0202】

また、絶縁層４５７は積層構造でもよく、例えば、基板４５０側から窒化シリコン層、
窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁層
と、上記酸化物絶縁層との積層構造としてもよい。

【0203】

例えば、酸化シリコン層と基板との間に水素及び水分が除去された高純度窒素を含むス
パッタガスを導入しシリコンターゲットを用いて窒化シリコン層を成膜する。この場合に
おいても、酸化シリコン層と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ窒化シリコン層を
成膜することが好ましい。

【0204】

次いで、絶縁層４５７上に、導電膜を形成し、第１のフォトリソグラフィ工程により導
電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層又はドレイ
ン電極層４６５ａ１、４６５ａ２を形成した後、レジストマスクを除去する（図１６（Ａ
）参照）。ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２は断面図では分断さ
れて示されているが、連続した膜である。なお、形成されたソース電極層、ドレイン電極
層の端部はテーパ形状であると、上に積層するゲート絶縁層の被覆性が向上するため好ま
しい。

【0205】

ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ
、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金
か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、マンガン、マグネシウム
、ジルコニウム、ベリリウム、トリウムのいずれか一または複数から選択された材料を用
いてもよい。また、金属導電膜は、単層構造でも、２層以上の積層構造としてもよい。例
えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層す
る２層構造、Ｔｉ膜と、そのＴｉ膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上に
Ｔｉ膜を成膜する３層構造などが挙げられる。また、Ａｌに、チタン（Ｔｉ）、タンタル
（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ネオジム（Ｎｄ
）、スカンジウム（Ｓｃ）から選ばれた元素を単数、又は複数組み合わせた膜、合金膜、
もしくは窒化膜を用いてもよい。

【0206】

本実施の形態ではソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２としてスパ
ッタリング法により膜厚１５０ｎｍのチタン膜を形成する。

【0207】

次いで、絶縁層４５７及びソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２上
に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の酸化物半導体膜を形成する。

【0208】

次に第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体層４６２に加工する（図
１６（Ｂ）参照）。本実施の形態では、酸化物半導体膜としてＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系金
属酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。

【0209】

酸化物半導体膜は、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内の残留水
分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化物をターゲッ
トとして基板４５０上に酸化物半導体膜を成膜する。処理室内の残留水分を除去するため
には、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。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ることが好ましい。また、排気手段としては
、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
て排気した処理室は、例えば、水素原子、水（Ｈ_２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より
好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該処理室で成膜した酸化物
半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、酸化物半導体膜成膜時に基板を加
熱してもよい。

【0210】

酸化物半導体膜を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物
などの不純物が、数ｐｐｍ程度、数ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いることが
好ましい。

【0211】

成膜条件の一例としては、基板温度室温、基板とターゲットの間との距離を６０ｍｍ、
圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素及びアルゴン（酸素流量１５ｓｃｃ
ｍ：アルゴン流量３０ｓｃｃｍ）雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流（ＤＣ
）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、ゴミともいう）が軽減で
き、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半導体膜は好ましくは５ｎｍ以上３０
ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料により適切な厚みは異なり、材料に応
じて適宜厚みを選択すればよい。

【0212】

本実施の形態では、エッチング液として燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液を用いたウェッ
トエッチング法により、酸化物半導体膜を島状の酸化物半導体層４６２に加工する。

【0213】

本実施の形態では、酸化物半導体層４６２に、第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理
の温度は、４００℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満とする
。ここでは、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して
窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸
化物半導体層への水や水素の再混入を防ぎ、酸化物半導体層を得る。この第１の加熱処理
によって酸化物半導体層４６２の脱水化または脱水素化を行うことができる。

【0214】

なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または
熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａ
ｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉ
ｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａ
ｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。例えば、第１の加熱処理として、６５０℃～７
００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板
を移動させて高温に加熱した不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。ＧＲＴＡを
用いると短時間での高温加熱処理が可能となる。

【0215】

なお、第１の加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガ
スに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素
、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以
上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好
ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。

【0216】

また、第１の加熱処理の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、結晶化し、微
結晶膜または多結晶膜となる場合もある。

【0217】

また、酸化物半導体層の第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体層に加工する前の酸化
物半導体膜に行うこともできる。その場合には、第１の加熱処理後に、加熱装置から基板
を取り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。

【0218】

酸化物半導体層に対する脱水化、脱水素化の効果を奏する加熱処理は、酸化物半導体層
成膜後、酸化物半導体層上にさらにソース電極及びドレイン電極を積層させた後、ソース
電極及びドレイン電極上にゲート絶縁層を形成した後、のいずれで行っても良い。

【0219】

次いで、絶縁層４５７及び酸化物半導体層４６２上に、導電膜を形成し、第３のフォト
リソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行っ
てソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ、配線層４６８を形成した後、レジストマス
クを除去する（図１６（Ｃ）参照）。ソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ、配線層
４６８はソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２と同様な材料及び工程
で形成すればよい。

【0220】

本実施の形態ではソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ、配線層４６８としてスパ
ッタリング法により膜厚１５０ｎｍのチタン膜を形成する。本実施の形態では、ソース電
極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２とソース電極層又はドレイン電極層４６
５ｂに同じチタン膜を用いる例のため、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４
６５ａ２とソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂとはエッチングにおいて選択比がと
れない。よって、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２が、ソース電
極層又はドレイン電極層４６５ｂのエッチング時にエッチングされないように、酸化物半
導体層４６２に覆われないソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ２上に配線層４６８
を設けている。ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２とソース電極層
又はドレイン電極層４６５ｂとにエッチング工程において高い選択比を有する異なる材料
を用いる場合には、エッチング時にソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ２を保護す
る配線層４６８は必ずしも設けなくてもよい。

【0221】

なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層４６２は除去されないようにそれぞ
れの材料及びエッチング条件を適宜調節する。

【0222】

本実施の形態では、導電膜としてＴｉ膜を用いて、酸化物半導体層４６２にはＩｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体を用いて、エッチャントとしてアンモニア過水（アンモニア
、水、過酸化水素水の混合液）を用いる。

【0223】

なお、第３のフォトリソグラフィ工程では、酸化物半導体層４６２は一部のみがエッチ
ングされ、溝部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。また、ソース電極層
又はドレイン電極層４６５ｂ、配線層４６８を形成するためのレジストマスクをインクジ
ェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマス
クを使用しないため、製造コストを低減できる。

【0224】

次いで、絶縁層４５７、酸化物半導体層４６２、ソース電極層又はドレイン電極層４６
５ａ１、４６５ａ２、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ、及び配線層４６８上に
ゲート絶縁層４５２を形成する。

【0225】

ゲート絶縁層４５２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化シリ
コン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、又は酸化アルミニ
ウム層を単層で又は積層して形成することができる。なお、ゲート絶縁層４５２中に水素
が多量に含まれないようにするためには、スパッタリング法でゲート絶縁層４５２を成膜
することが好ましい。スパッタリング法により酸化シリコン膜を成膜する場合には、ター
ゲットとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又
は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。

【0226】

ゲート絶縁層４５２は、ソース電極層又はドレイン電極層４６５ａ１、４６５ａ２、ソ
ース電極層又はドレイン電極層４６５ｂ側から酸化シリコン層と窒化シリコン層を積層し
た構造とすることもできる。本実施の形態では、圧力０．４Ｐａ、高周波電源１．５ｋＷ
、酸素及びアルゴン（酸素流量２５ｓｃｃｍ：アルゴン流量２５ｓｃｃｍ＝１：１）雰囲
気下でＲＦスパッタリング法により膜厚１００ｎｍの酸化シリコン層を形成する。

【0227】

次いで、第４のフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選択的にエッ
チングを行ってゲート絶縁層４５２の一部を除去して、配線層４６８に達する開口４２３
を形成する（図１６（Ｄ）参照）。図示しないが開口４２３の形成時にソース電極層又は
ドレイン電極層４６５ｂに達する開口を形成してもよい。本実施の形態では、ソース電極
層又はドレイン電極層４６５ｂへの開口はさらに層間絶縁層を積層した後に形成し、電気
的に接続する配線層を開口に形成する例とする。

【0228】

次に、ゲート絶縁層４５２、及び開口４２３上に導電膜を形成した後、第５のフォトリ
ソグラフィ工程によりゲート電極層４６１（４６１ａ、４６１ｂ）、配線層４６４を形成
する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをイ
ンクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。

【0229】

また、ゲート電極層４６１（４６１ａ、４６１ｂ）、配線層４６４の材料は、モリブデ
ン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジ
ウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成
することができる。

【0230】

本実施の形態ではゲート電極層４６１（４６１ａ、４６１ｂ）、配線層４６４としてス
パッタリング法により膜厚１５０ｎｍのチタン膜を形成する。

【0231】

次いで、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは
２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行う。本実施の形態で
は、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。また、第２の加熱処理は
、トランジスタ４６０上に保護絶縁層や平坦化絶縁層を形成してから行ってもよい。

【0232】

さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行
ってもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１
００℃以上２００℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回く
りかえして行ってもよい。また、この加熱処理を、酸化物絶縁層の形成前に、減圧下で行
ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと、加熱時間を短縮することができる。

【0233】

以上の工程で、水素、水分、水素化物、水酸化物の濃度が低減された酸化物半導体層４
６２を有するトランジスタ４６０を形成することができる（図１６（Ｅ）参照）。

【0234】

また、トランジスタ４６０上に保護絶縁層や、平坦化のための平坦化絶縁層を設けても
よい。なお、図示しないが、ゲート絶縁層４５２、保護絶縁層や平坦化絶縁層にソース電
極層又はドレイン電極層４６５ｂに達する開口を形成し、その開口に、ソース電極層又は
ドレイン電極層４６５ｂと電気的に接続する配線層を形成する。

【0235】

上記のように酸化物半導体膜を成膜する際に、反応雰囲気中の残留水分を除去すること
で、該酸化物半導体膜中の水素及び水素化物の濃度を低減することができる。それにより
酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。

【0236】

上述したトランジスタを実施の形態１乃至４に示した半導体装置が有するトランジスタ
に適用することによって、待機状態における電池の放電を抑制することができる。つまり
、半導体装置の待機電力を低減することができる。また、待機状態における電池の放電を
抑制することで、半導体装置を長寿命化することができる。

【0237】

さらに、実施の形態１乃至４に示した半導体装置が有するトランジスタのすべてを本実
施の形態のトランジスタによって構成することで、作製プロセスを低減し、歩留まりの向
上及び製造コストの低減を図ることができる。

【0238】

なお、本実施の形態の内容又は該内容の一部は、他の実施の形態の内容又は該内容の一
部と自由に組み合わせることが可能である。

【0239】

（実施の形態７）
本実施の形態では、実施の形態１乃至４に示した半導体装置が有するトランジスタの一
例について説明する。具体的には、チャネル形成領域が酸化物半導体によって構成される
トランジスタの一例について説明する。

【0240】

本実施の形態のトランジスタ及びその作製方法の一形態を、図１７を用いて説明する。

【0241】

図１７（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタの断面構造の一例を示す。図１７（Ａ）乃至（
Ｅ）に示すトランジスタ３９０は、ボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジス
タともいう。

【0242】

また、トランジスタ３９０はシングルゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、
必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造のトランジスタも形成す
ることができる。

【0243】

以下、図１７（Ａ）乃至（Ｅ）を用い、基板３９４上にトランジスタ３９０を作製する
工程を説明する。

【0244】

まず、絶縁表面を有する基板３９４上に導電膜を形成した後、第１のフォトリソグラフ
ィ工程によりゲート電極層３９１を形成する。形成されたゲート電極層３９１の端部はテ
ーパ形状であると、上に積層するゲート絶縁層の被覆性が向上するため好ましい。なお、
レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット
法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。

【0245】

絶縁表面を有する基板３９４に使用することができる基板に大きな制限はないが、少な
くとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。バリウム
ホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板を用いることができる。

【0246】

また、ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が７３０℃以
上のものを用いると良い。また、ガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、
アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が用いられてい
る。一般に、酸化ホウ素と比較して酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含ませることで、より
実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、Ｂ_２Ｏ_３よりＢａＯを多く含むガラス基板を
用いることが好ましい

【0247】

なお、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの
絶縁体でなる基板を用いても良い。他にも、結晶化ガラス基板などを用いることができる
。また、プラスチック基板等も適宜用いることができる。

【0248】

下地膜となる絶縁膜を基板３９４とゲート電極層３９１との間に設けてもよい。下地膜
は、基板３９４からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シ
リコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜に
よる積層構造により形成することができる。

【0249】

また、ゲート電極層３９１の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タング
ステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分と
する合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。

【0250】

例えば、ゲート電極層３９１の２層の積層構造としては、アルミニウム層上にモリブデ
ン層が積層された２層の積層構造、銅層上にモリブデン層を積層した２層構造、銅層上に
窒化チタン層若しくは窒化タンタルを積層した２層構造、窒化チタン層とモリブデン層と
を積層した２層構造、又は窒化タングステン層とタングステン層とを積層した２層構造と
することが好ましい。３層の積層構造としては、タングステン層または窒化タングステン
と、アルミニウムとシリコンの合金またはアルミニウムとチタンの合金と、窒化チタンま
たはチタン層とを積層した積層とすることが好ましい。なお、透光性を有する導電膜を用
いてゲート電極層を形成することもできる。透光性を有する導電膜としては、透光性導電
性酸化物膜等をその例に挙げることができる。

【0251】

次いで、ゲート電極層３９１上にゲート絶縁層３９７を形成する。

【0252】

ゲート絶縁層３９７は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化シリ
コン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、又は酸化アルミニ
ウム層を単層で又は積層して形成することができる。なお、ゲート絶縁層３９７中に水素
が多量に含まれないようにするためには、スパッタリング法でゲート絶縁層３９７を成膜
することが好ましい。スパッタリング法により酸化シリコン膜を成膜する場合には、ター
ゲットとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又
は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。

【0253】

ゲート絶縁層３９７は、ゲート電極層３９１側から窒化シリコン層と酸化シリコン層を
積層した構造とすることもできる。例えば、第１のゲート絶縁層としてスパッタリング法
により膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化シリコン層（ＳｉＮ_ｙ（ｙ＞０））を形成
し、第１のゲート絶縁層上に第２のゲート絶縁層として膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の
酸化シリコン層（ＳｉＯ_ｘ（ｘ＞０））を積層してゲート絶縁層とする。

【0254】

また、ゲート絶縁層３９７、酸化物半導体膜３９３に水素、水酸基及び水分がなるべく
含まれないようにするために、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で
ゲート電極層３９１が形成された基板３９４、又はゲート絶縁層３９７までが形成された
基板３９４を予備加熱し、基板３９４に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気す
ることが好ましい。なお、予備加熱の温度としては、１００℃以上４００℃以下、好まし
くは１５０℃以上３００℃以下である。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポ
ンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱
は、酸化物絶縁層３９６の成膜前に、ソース電極層３９５ａ及びドレイン電極層３９５ｂ
まで形成した基板３９４にも同様に行ってもよい。

【0255】

次いで、ゲート絶縁層３９７上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の酸化物半導体膜３
９３を形成する（図１７（Ａ）参照）。

【0256】

なお、酸化物半導体膜３９３をスパッタリング法により成膜する前に、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、ゲート絶縁層３９７の表面に付着して
いるゴミを除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに
、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形
成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素
などを用いてもよい。

【0257】

酸化物半導体膜３９３はスパッタリング法により成膜する。酸化物半導体膜３９３は、
Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ａｌ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｚｎ－Ｏ系
、Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系、Ａｌ－Ｚｎ－Ｏ系、Ｉｎ－Ｏ系、Ｓｎ－Ｏ系、Ｚｎ－Ｏ系の酸化物
半導体膜を用いる。本実施の形態では、酸化物半導体膜３９３をＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系
金属酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。また、酸化物半導体膜
３９３は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス（代表的
にはアルゴン）及び酸素雰囲気下においてスパッタリング法により形成することができる
。また、スパッタリング法を用いる場合、ＳｉＯ_２を２重量％以上１０重量％以下含むタ
ーゲットを用いて成膜を行ってもよい。

【0258】

酸化物半導体膜３９３をスパッタリング法で作製するためのターゲットとして、酸化亜
鉛を主成分とする金属酸化物のターゲットを用いることができる。また、金属酸化物のタ
ーゲットの他の例としては、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む金属酸化物ターゲット（組成比
として、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ
＝１：１：０．５［ａｔｏｍ比］）を用いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎ
を含む金属酸化物ターゲットとして、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ比］、又
はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ比］の組成比を有するターゲットを用いるこ
ともできる。金属酸化物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。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、
成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。

【0259】

減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、基板を室温以上４００℃未満の温度に
加熱する。そして、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタ
ガスを導入し、金属酸化物をターゲットとして基板３９４上に酸化物半導体膜３９３を成
膜する。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好
ましい。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
ることが好ましい。また、排気手段としては、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処理室は、例えば、水素原子、水
（Ｈ_２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排
気されるため、当該処理室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減でき
る。また、クライオポンプにより処理室内に残留する水分を除去しながらスパッタ成膜を
行うことで、酸化物半導体膜３９３を成膜する際の基板温度は室温から４００℃未満とす
ることができる。

【0260】

成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を１００ｍｍ、圧力０．６Ｐ
ａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下の条件が適用
される。なお、パルス直流（ＤＣ）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、ゴミともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半導
体膜は好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料によ
り適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。

【0261】

スパッタリング法にはスパッタ用電源に高周波電源を用いるＲＦスパッタリング法と、
ＤＣスパッタリング法があり、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスＤＣスパッタリ
ング法もある。ＲＦスパッタリング法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、ＤＣスパ
ッタリング法は主に金属膜を成膜する場合に用いられる。

【0262】

また、材料の異なるターゲットを複数設置できる多元スパッタ装置もある。多元スパッ
タ装置は、同一チャンバーで異なる材料膜を積層成膜することも、同一チャンバーで複数
種類の材料を同時に放電させて成膜することもできる。

【0263】

また、チャンバー内部に磁石機構を備えたマグネトロンスパッタリング法を用いるスパ
ッタ装置や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるＥＣＲ
スパッタリング法を用いるスパッタ装置がある。

【0264】

また、スパッタリング法を用いる成膜方法として、成膜中にターゲット物質とスパッタ
ガス成分とを化学反応させてそれらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタリング
法や、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタリング法もある。

【0265】

次いで、酸化物半導体膜を第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体層
３９９に加工する（図１７（Ｂ）参照）。また、島状の酸化物半導体層３９９を形成する
ためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジ
ェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。

【0266】

また、ゲート絶縁層３９７にコンタクトホールを形成する場合、その工程は酸化物半導
体層３９９の形成時に行うことができる。

【0267】

なお、ここでの酸化物半導体膜３９３のエッチングは、ドライエッチングでもウェット
エッチングでもよく、両方を用いてもよい。

【0268】

ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス（塩素系ガス、例
えば塩素（Ｃｌ_２）、塩化硼素（ＢＣｌ_３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）、四塩化炭素（Ｃ
Ｃｌ_４）など）が好ましい。

【0269】

また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化炭素（ＣＦ_４）、六弗化硫黄（
ＳＦ_６）、三弗化窒素（ＮＦ_３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ_３）など）、臭化水素（
ＨＢｒ）、酸素（Ｏ_２）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希
ガスを添加したガス、などを用いることができる。

【0270】

ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃ
ｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘
導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングで
きるように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加
される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節する。

【0271】

ウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液な
どを用いることができる。また、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。

【0272】

また、ウェットエッチング後のエッチング液はエッチングされた材料とともに洗浄によ
って除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料
を再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体層に含まれるインジウム
等の材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用し低コスト化することができ
る。

【0273】

所望の加工形状にエッチングできるように、材料に合わせてエッチング条件（エッチン
グ液、エッチング時間、温度等）を適宜調節する。

【0274】

なお、次工程の導電膜を形成する前に逆スパッタを行い、酸化物半導体層３９９及びゲ
ート絶縁層３９７の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。

【0275】

次いで、ゲート絶縁層３９７、及び酸化物半導体層３９９上に、導電膜を形成する。導
電膜をスパッタリング法や真空蒸着法で形成すればよい。導電膜の材料としては、Ａｌ、
Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする
合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、マンガン、マグネシ
ウム、ジルコニウム、ベリリウム、トリウムのいずれか一または複数から選択された材料
を用いてもよい。また、金属導電膜は、単層構造でも、２層以上の積層構造としてもよい
。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積
層する２層構造、Ｔｉ膜と、そのＴｉ膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその
上にＴｉ膜を成膜する３層構造などが挙げられる。また、Ａｌに、チタン（Ｔｉ）、タン
タル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ネオジム（
Ｎｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）から選ばれた元素を単数、又は複数組み合わせた膜、合金
膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。

【0276】

第３のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエ
ッチングを行ってソース電極層３９５ａ、ドレイン電極層３９５ｂを形成した後、レジス
トマスクを除去する（図１７（Ｃ）参照）。

【0277】

第３のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦ
レーザ光やＡｒＦレーザ光を用いる。酸化物半導体層３９９上で隣り合うソース電極層の
下端部とドレイン電極層の下端部との間隔幅によって後に形成されるトランジスタのチャ
ネル長Ｌが決定される。なお、チャネル長Ｌ＝２５ｎｍ未満の露光を行う場合には、数ｎ
ｍ～数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ
）を用いて第３のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行う。超紫
外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成されるトランジス
タのチャネル長Ｌを１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも可能であり、回路の動作
速度を高速化でき、さらにオフ電流値が極めて小さいため、低消費電力化も図ることがで
きる。

【0278】

なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層３９９は除去されないようにそれぞ
れの材料及びエッチング条件を適宜調節する。

【0279】

本実施の形態では、導電膜としてＴｉ膜を用いて、酸化物半導体層３９９にはＩｎ－Ｇ
ａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体を用いて、エッチャントとしてアンモニア過水（アンモニア
、水、過酸化水素水の混合液）を用いる。

【0280】

なお、第３のフォトリソグラフィ工程では、酸化物半導体層３９９は一部のみがエッチ
ングされ、溝部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。また、ソース電極層
３９５ａ、ドレイン電極層３９５ｂを形成するためのレジストマスクをインクジェット法
で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用
しないため、製造コストを低減できる。

【0281】

また、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透
過した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジスト
マスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジスト
マスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形する
ことができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができ
る。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対
応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することがで
き、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。

【0282】

Ｎ_２Ｏ、Ｎ_２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理によって露出している酸化
物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去してもよい。また、酸素とアルゴンの混合
ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。

【0283】

プラズマ処理を行った場合、大気に触れることなく、酸化物半導体層の一部に接する保
護絶縁膜となる酸化物絶縁層として酸化物絶縁層３９６を形成する（図１７（Ｄ）参照）
。本実施の形態では、酸化物半導体層３９９がソース電極層３９５ａ、ドレイン電極層３
９５ｂと重ならない領域において、酸化物半導体層３９９と酸化物絶縁層３９６とが接す
るように形成する。

【0284】

本実施の形態では、酸化物絶縁層３９６として、島状の酸化物半導体層３９９、ソース
電極層３９５ａ、ドレイン電極層３９５ｂまで形成された基板３９４を室温以上１００℃
未満の温度に加熱し、水素及び水分が除去された高純度酸素を含むスパッタガスを導入し
シリコンターゲットを用いて、欠陥を含む酸化シリコン層を成膜する。

【0285】

例えば、純度が６Ｎであり、ボロンがドープされたシリコンターゲット（抵抗値０．０
１Ωｃｍ）を用い、基板とターゲットの間との距離（Ｔ－Ｓ間距離）を８９ｍｍ、圧力０
．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源６ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下でパルスＤ
Ｃスパッタリング法により酸化シリコン層を成膜する。膜厚は３００ｎｍとする。なお、
シリコンターゲットに代えて石英（好ましくは合成石英）を酸化シリコン層を成膜するた
めのターゲットとして用いることができる。なお、スパッタガスとして酸素又は、酸素及
びアルゴンの混合ガスを用いて行う。

【0286】

この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物絶縁層３９６を成膜するこ
とが好ましい。酸化物半導体層３９９及び酸化物絶縁層３９６に水素、水酸基又は水分が
含まれないようにするためである。

【0287】

処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。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ること
が好ましい。また、排気手段としては、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処理室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
_２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該処理室で成膜した酸化物絶縁
層３９６に含まれる不純物の濃度を低減できる。

【0288】

なお、酸化物絶縁層３９６として、酸化シリコン層に代えて、酸化窒化シリコン層、酸
化アルミニウム層、または酸化窒化アルミニウム層などを用いることもできる。

【0289】

さらに、酸化物絶縁層３９６と酸化物半導体層３９９とを接した状態で１００℃乃至４
００℃で加熱処理を行ってもよい。本実施の形態における酸化物絶縁層３９６は欠陥を多
く含むため、この加熱処理によって酸化物半導体層３９９中に含まれる水素、水分、水酸
基又は水素化物などの不純物を酸化物絶縁層３９６に拡散させ、酸化物半導体層３９９中
に含まれる該不純物をより低減させることができる。

【0290】

以上の工程で、水素、水分、水酸基又は水素化物の濃度が低減された酸化物半導体層３
９２を有するトランジスタ３９０を形成することができる（図１７（Ｅ）参照）。

【0291】

上記のように酸化物半導体膜を成膜するに際し、反応雰囲気中の残留水分を除去するこ
とで、該酸化物半導体膜中の水素及び水素化物の濃度を低減することができる。それによ
り酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。

【0292】

酸化物絶縁層上に保護絶縁層を設けてもよい。本実施の形態では、保護絶縁層３９８を
酸化物絶縁層３９６上に形成する。保護絶縁層３９８としては、窒化シリコン膜、窒化酸
化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などを用いる。

【0293】

保護絶縁層３９８として、酸化物絶縁層３９６まで形成された基板３９４を１００℃～
４００℃の温度に加熱し、水素及び水分が除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導
入しシリコンターゲットを用いて窒化シリコン膜を成膜する。この場合においても、酸化
物絶縁層３９６と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ保護絶縁層３９８を成膜する
ことが好ましい。

【0294】

保護絶縁層３９８を形成する場合、保護絶縁層３９８の成膜時に１００℃～４００℃に
基板３９４を加熱することで、酸化物半導体層中に含まれる水素若しくは水分を酸化物絶
縁層に拡散させることができる。この場合上記酸化物絶縁層３９６の形成後に加熱処理を
行わなくてもよい。

【0295】

酸化物絶縁層３９６として酸化シリコン層を形成し、保護絶縁層３９８として窒化シリ
コン層を積層する場合、酸化シリコン層と窒化シリコン層を同じ処理室において、共通の
シリコンターゲットを用いて成膜することができる。先に酸素を含むスパッタガスを導入
して、処理室内に装着されたシリコンターゲットを用いて酸化シリコン層を形成し、次に
スパッタガスを窒素を含むスパッタガスに切り替えて同じシリコンターゲットを用いて窒
化シリコン層を成膜する。酸化シリコン層と窒化シリコン層とを大気に曝露せずに連続し
て形成することができるため、酸化シリコン層表面に水素や水分などの不純物が吸着する
ことを防止することができる。この場合、酸化物絶縁層３９６として酸化シリコン層を形
成し、保護絶縁層３９８として窒化シリコン層を積層した後、酸化物半導体層中に含まれ
る水素若しくは水分を酸化物絶縁層に拡散させるための加熱処理（温度１００℃乃至４０
０℃）を行うとよい。

【0296】

保護絶縁層の形成後、さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間
以下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱しても
よいし、室温から、１００℃以上２００℃以下の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温
までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、この加熱処理を、酸化物絶縁層の
形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと、加熱時間を短縮すること
ができる。この加熱処理によって、ノーマリーオフとなるトランジスタを得ることができ
る。よって半導体装置の信頼性を向上できる。

【0297】

また、ゲート絶縁層上にチャネル形成領域とする酸化物半導体層を成膜するに際し、反
応雰囲気中の残留水分を除去することで、該酸化物半導体層中の水素及び水素化物の濃度
を低減することができる。

【0298】

上記の工程は、液晶表示パネル、エレクトロルミネセンス表示パネル、電子インクを用
いた表示装置などのバックプレーン（トランジスタが形成された基板）の製造に用いるこ
とができる。上記の工程は、４００℃以下の温度で行われるため、厚さが１ｍｍ以下で、
一辺が１ｍを超えるガラス基板を用いる製造工程にも適用することができる。また、４０
０℃以下の処理温度で全ての工程を行うことができるので、表示パネルを製造するために
多大なエネルギーを消費しないで済む。

【0299】

上述したトランジスタを実施の形態１乃至４に示した半導体装置が有するトランジスタ
に適用することによって、待機状態における電池の放電を抑制することができる。つまり
、半導体装置の待機電力を低減することができる。また、待機状態における電池の放電を
抑制することで、半導体装置を長寿命化することができる。

【0300】

さらに、実施の形態１乃至４に示した半導体装置が有するトランジスタのすべてを上述
したトランジスタによって構成することで、作製プロセスを低減し、歩留まりの向上及び
製造コストの低減を図ることができる。

【0301】

なお、本実施の形態の内容又は該内容の一部は、他の実施の形態の内容又は該内容の一
部と自由に組み合わせることが可能である。

【0302】

（実施の形態８）
本実施の形態では、実施の形態１乃至４に示した半導体装置が有するトランジスタの一
例について説明する。具体的には、チャネル形成領域が酸化物半導体によって構成される
トランジスタの一例について説明する。

【0303】

本実施の形態のトランジスタ及びその作製方法の一形態を、図１８を用いて説明する。

【0304】

図１８（Ａ）乃至（Ｄ）にトランジスタの断面構造の一例を示す。図１８（Ｄ）に示す
トランジスタ３６０は、チャネル保護型（チャネルストップ型ともいう）と呼ばれるボト
ムゲート構造の一つであり逆スタガ型トランジスタともいう。

【0305】

また、トランジスタ３６０はシングルゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、
必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造のトランジスタも形成す
ることができる。

【0306】

以下、図１８（Ａ）乃至（Ｄ）を用い、基板３２０上にトランジスタ３６０を作製する
工程を説明する。

【0307】

まず、絶縁表面を有する基板３２０上に導電膜を形成した後、第１のフォトリソグラフ
ィ工程によりゲート電極層３６１を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法
で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用
しないため、製造コストを低減できる。

【0308】

また、ゲート電極層３６１の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タング
ステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分と
する合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。

【0309】

次いで、ゲート電極層３６１上にゲート絶縁層３２２を形成する。

【0310】

本実施の形態では、ゲート絶縁層３２２としてプラズマＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍ
以下の酸化窒化珪素層を形成する。

【0311】

次いで、ゲート絶縁層３２２上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の酸化物半導体膜を
形成し、第２のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体層に加工する。本実施
の形態では、酸化物半導体膜としてＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系金属酸化物ターゲットを用い
てスパッタ法により成膜する。

【0312】

この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物半導体膜を成膜することが
好ましい。酸化物半導体膜に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするためである。

【0313】

処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。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ること
が好ましい。また、排気手段としては、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処理室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
_２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該処理室で成膜した酸化物半導
体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。

【0314】

酸化物半導体膜を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素化物
などの不純物が、数ｐｐｍ程度、数ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いることが
好ましい。

【0315】

次いで、酸化物半導体層の脱水化または脱水素化を行う。脱水化または脱水素化を行う
第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪
み点未満とする。ここでは、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半
導体層に対して窒素雰囲気下４５０℃において１時間の加熱処理を行った後、大気に触れ
ることなく、酸化物半導体層への水や水素の再混入を防ぎ、酸化物半導体層３３２を得る
（図１８（Ａ）参照）。

【0316】

次いで、Ｎ_２Ｏ、Ｎ_２、またはＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行う。このプラ
ズマ処理によって、露出している酸化物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去する
。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。

【0317】

次いで、ゲート絶縁層３２２、及び酸化物半導体層３３２上に、酸化物絶縁層を形成し
た後、第３のフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選択的にエッチン
グを行って酸化物絶縁層３６６を形成した後、レジストマスクを除去する。

【0318】

本実施の形態では、酸化物絶縁層３６６として膜厚２００ｎｍの酸化珪素膜をスパッタ
法を用いて成膜する。成膜時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよく、本実施
の形態では１００℃とする。酸化珪素膜のスパッタ法による成膜は、希ガス（代表的には
アルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素雰囲
気下において行うことができる。また、ターゲットとして酸化珪素ターゲットまたは珪素
ターゲットを用いることができる。例えば、珪素ターゲットを用いて、酸素、及び窒素雰
囲気下でスパッタ法により酸化珪素を形成することができる。

【0319】

この場合において、処理室内の残留水分を除去しつつ酸化物絶縁層３６６を成膜するこ
とが好ましい。酸化物半導体層３３２及び酸化物絶縁層３６６に水素、水酸基又は水分が
含まれないようにするためである。

【0320】

処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい
。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ること
が好ましい。また、排気手段としては、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処理室は、例えば、水素原子や、水（Ｈ
_２Ｏ）など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該処理室で成膜した酸化物絶縁
層３６６に含まれる不純物の濃度を低減できる。

【0321】

酸化物絶縁層３６６を、成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基又は水素
化物などの不純物が、数ｐｐｍ程度、数ｐｐｂ程度まで除去された高純度ガスを用いるこ
とが好ましい。

【0322】

次いで、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは
２００℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行ってもよい。例えば
、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理を行うと、
酸化物半導体層の一部（チャネル形成領域）が酸化物絶縁層３６６と接した状態で加熱さ
れる。

【0323】

本実施の形態は、さらに酸化物絶縁層３６６が設けられ一部が露出している酸化物半導
体層３３２に、窒素、不活性ガス雰囲気下、又は減圧下で加熱処理を行う。酸化物絶縁層
３６６によって覆われていない露出された酸化物半導体層３３２の領域は、窒素、不活性
ガス雰囲気下、又は減圧下で加熱処理を行うと、低抵抗化することができる。例えば、窒
素雰囲気下で２５０℃、１時間の加熱処理を行う。

【0324】

酸化物絶縁層３６６が設けられた酸化物半導体層３３２に対する窒素雰囲気下の加熱処
理によって、酸化物半導体層３３２の露出領域は低抵抗化し、抵抗の異なる領域（図１８
（Ｂ）においては斜線領域及び白地領域で示す）を有する酸化物半導体層３６２となる。

【0325】

次いで、ゲート絶縁層３２２、酸化物半導体層３６２、及び酸化物絶縁層３６６上に、
導電膜を形成した後、第４のフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選
択的にエッチングを行ってソース電極層３６５ａ、ドレイン電極層３６５ｂを形成した後
、レジストマスクを除去する（図１８（Ｃ）参照）。

【0326】

ソース電極層３６５ａ、ドレイン電極層３６５ｂの材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、
Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、
上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、金属導電膜は、単層構造でも
、２層以上の積層構造としてもよい。

【0327】

以上の工程を経ることによって、成膜後の酸化物半導体膜に対して脱水化または脱水素
化のための加熱処理を行って低抵抗化した後、酸化物半導体膜の一部を選択的に酸素過剰
な状態とする。その結果、ゲート電極層３６１と重なるチャネル形成領域３６３は、Ｉ型
となり、ソース電極層３６５ａに重なる高抵抗ソース領域３６４ａと、ドレイン電極層３
６５ｂに重なる高抵抗ドレイン領域３６４ｂとが自己整合的に形成される。以上の工程で
トランジスタ３６０が形成される。

【0328】

さらに大気中、１００℃以上２００℃以下、１時間以上３０時間以下での加熱処理を行
ってもよい。本実施の形態では１５０℃で１０時間加熱処理を行う。この加熱処理は一定
の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、１００℃以上２００℃以下の加熱温
度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、
この加熱処理を、酸化物絶縁膜の形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を
行うと、加熱時間を短縮することができる。この加熱処理によって、酸化物半導体層から
酸化物絶縁層中に水素がとりこまれ、ノーマリーオフとなるトランジスタを得ることがで
きる。よって半導体装置の信頼性を向上できる。

【0329】

なお、ドレイン電極層３６５ｂ（及びソース電極層３６５ａ）と重畳した酸化物半導体
層において高抵抗ドレイン領域３６４ｂ（及び高抵抗ソース領域３６４ａ）を形成するこ
とにより、トランジスタの信頼性の向上を図ることができる。具体的には、高抵抗ドレイ
ン領域３６４ｂを形成することで、ドレイン電極層から高抵抗ドレイン領域３６４ｂ、チ
ャネル形成領域３６３にかけて、導電性を段階的に変化させうるような構造とすることが
できる。そのため、ドレイン電極層３６５ｂに高電源電位ＶＤＤを供給する配線に接続し
て動作させる場合、ゲート電極層３６１とドレイン電極層３６５ｂとの間に高電圧が印加
されても高抵抗ドレイン領域がバッファとなり局所的な電解集中が生じにくく、トランジ
スタの耐圧を向上させた構成とすることができる。

【0330】

ソース電極層３６５ａ、ドレイン電極層３６５ｂ、酸化物絶縁層３６６上に保護絶縁層
３２３を形成する。本実施の形態では、保護絶縁層３２３を、窒化珪素膜を用いて形成す
る（図１８（Ｄ）参照）。

【0331】

なお、ソース電極層３６５ａ、ドレイン電極層３６５ｂ、酸化物絶縁層３６６上にさら
に酸化物絶縁層を形成し、該酸化物絶縁層上に保護絶縁層３２３を積層してもよい。

【0332】

上述したトランジスタを実施の形態１乃至４に示した半導体装置が有するトランジスタ
に適用することによって、待機状態における電池の放電を抑制することができる。つまり
、半導体装置の待機電力を低減することができる。また、待機状態における電池の放電を
抑制することで、半導体装置を長寿命化することができる。

【0333】

さらに、実施の形態１乃至４に示した半導体装置が有するトランジスタのすべてを上述
したトランジスタによって構成することで、作製プロセスを低減し、歩留まりの向上及び
製造コストの低減を図ることができる。

【0334】

なお、本実施の形態の内容又は該内容の一部は、他の実施の形態の内容又は該内容の一
部と自由に組み合わせることが可能である。

【0335】

（実施の形態９）
本実施の形態では、実施の形態１乃至４に示した半導体装置の使用例について図１９を
参照して説明する。

【0336】

図１９に示すように、半導体装置の用途は広範囲にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有
価証券類、無記名債券類、証書類（運転免許証や住民票等、図１９（Ａ）参照）、記録媒
体（ＤＶＤソフトやビデオテープ等、図１９（Ｂ）参照）、包装用容器類（包装紙やボト
ル等、図１９（Ｃ）参照）、乗り物類（自転車等、図１９（Ｄ）参照）、身の回り品（鞄
や眼鏡等）、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、または電子機器（液晶
表示装置、ＥＬ表示装置、テレビジョン受像機、または携帯電話）等の物品、若しくは各
物品に取り付ける荷札（図１９（Ｅ）、図１９（Ｆ）参照）等に設けて使用することがで
きる。

【0337】

半導体装置１５００は、プリント基板に実装、表面に貼る、または埋め込むことにより
、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込む、または有機樹脂からなるパッケ
ージであれば当該有機樹脂に埋め込み、各物品に固定される。半導体装置１５００は、小
型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザイン性を損なう
ことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書類等に半導体装
置１５００を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれ
ば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類
、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の半導体装置を取り付けることにより、
検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、半
導体装置１５００を取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティを高めること
ができる。

【0338】

以上のように、上記実施の形態で説明した半導体装置を本実施の形態に挙げた各用途に
用いることにより、情報のやりとりに用いられるデータを正確の値のまま維持することが
できるため、物品の認証性、またはセキュリティを高めることができる。

【0339】

なお、本実施の形態の内容又は該内容の一部は、他の実施の形態の内容又は該内容の一
部と自由に組み合わせることが可能である。

【符号の説明】

【0340】

１０ アンテナ
１１ 電池
１２ 復調回路
１３ 信号処理部
１４ パワー制御回路
１５ トランジスタ
２０ アンテナ
２１ 電池
２２ タイマー
２３ 信号処理部
２４ パワー制御回路
２５ トランジスタ
３０ アンテナ
３１ 二次電池
３２ 整流回路
３３ 充電回路
３４ 安定化電源回路
３５ 復調回路
３６ 信号処理部
３７ パワー制御回路
３８ トランジスタ
４０ アンテナ
４１ 二次電池
４２ 整流回路
４３ 充電回路
４４ 安定化電源回路
４５ 復調回路
４６ 信号処理部
４７ パワー制御回路
４８ 論理回路
４９ クロック生成回路
５０ センサ
５１ メモリ回路
５２ 変調回路
８０ Ｐ型トランジスタ
８１ Ｎ型トランジスタ
８２ Ｎ型トランジスタ
８３ Ｐ型トランジスタ
８４ Ｐ型トランジスタ
８５ Ｎ型トランジスタ
８６ Ｎ型トランジスタ
８７ Ｎ型トランジスタ
８８ Ｐ型トランジスタ
８９ Ｐ型トランジスタ
９０ Ｎ型トランジスタ
９１ Ｎ型トランジスタ
９２ Ｎ型トランジスタ
１００ 基板
１０２ 保護層
１０４ 半導体領域
１０６ 素子分離絶縁層
１０８ａ ゲート絶縁層
１０８ｂ 絶縁層
１１０ａ ゲート電極層
１１０ｂ 電極層
１１２ 絶縁層
１１４ａ 不純物領域
１１４ｂ 不純物領域
１１６ チャネル形成領域
１１８ サイドウォール絶縁層
１２０ａ 高濃度不純物領域
１２０ｂ 高濃度不純物領域
１２２ 金属層
１２４ａ 金属化合物領域
１２４ｂ 金属化合物領域
１２６ 層間絶縁層
１２８ 層間絶縁層
１３０ａ ソース電極層
１３０ｂ ドレイン電極層
１３０ｃ 電極層
１３２ 絶縁層
１３４ 導電層
１３６ａ 電極層
１３６ｂ 電極層
１３６ｃ 電極層
１３６ｄ ゲート電極層
１３８ ゲート絶縁層
１４０ 酸化物半導体層
１４２ａ ソース電極層
１４２ｂ ドレイン電極層
１４４ 保護絶縁層
１４６ 層間絶縁層
１４８ 導電層
１５０ａ 電極層
１５０ｂ 電極層
１５０ｃ 電極層
１５０ｄ 電極層
１５０ｅ 電極層
１５２ 絶縁層
１５４ａ 電極層
１５４ｂ 電極層
１５４ｃ 電極層
１５４ｄ 電極層
１６０ Ｐ型トランジスタ
１６４ Ｎ型トランジスタ
３２０ 基板
３２２ ゲート絶縁層
３２３ 保護絶縁層
３３２ 酸化物半導体層
３６０ トランジスタ
３６１ ゲート電極層
３６２ 酸化物半導体層
３６３ チャネル形成領域
３６４ａ ソース領域
３６４ｂ ドレイン領域
３６５ａ ソース電極層
３６５ｂ ドレイン電極層
３６６ 酸化物絶縁層
３９０ トランジスタ
３９１ ゲート電極層
３９２ 酸化物半導体層
３９３ 酸化物半導体膜
３９４ 基板
３９５ａ ソース電極層
３９５ｂ ドレイン電極層
３９６ 酸化物絶縁層
３９７ ゲート絶縁層
３９８ 保護絶縁層
３９９ 酸化物半導体層
４２３ 開口
４５０ 基板
４５２ ゲート絶縁層
４５７ 絶縁層
４６０ トランジスタ
４６１ ゲート電極層
４６１ａ ゲート電極層
４６１ｂ ゲート電極層
４６２ 酸化物半導体層
４６４ 配線層
４６５ａ ソース電極層又はドレイン電極層
４６５ａ１ ソース電極層又はドレイン電極層
４６５ａ２ ソース電極層又はドレイン電極層
４６５ｂ ソース電極層又はドレイン電極層
４６８ 配線層
１５００ 半導体装置

【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】