半導体装置およびその作製方法
【課題】本発明の一態様は、酸化物半導体を用いたデバイスにおいて高い移動度を達成し、信頼性の高い表示装置を提供する。
【解決手段】表面と略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶領域を有する酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層上に接する酸化物絶縁層を形成し、第３の加熱処理を行うことにより、酸化物半導体層に酸素を供給し、酸化物絶縁層上に、水素を含む窒化物絶縁層を形成し、第４の加熱処理を行うことにより、少なくとも酸化物半導体層と酸化物絶縁層の界面に水素を供給する。
【解決手段】表面と略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶領域を有する酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層上に接する酸化物絶縁層を形成し、第３の加熱処理を行うことにより、酸化物半導体層に酸素を供給し、酸化物絶縁層上に、水素を含む窒化物絶縁層を形成し、第４の加熱処理を行うことにより、少なくとも酸化物半導体層と酸化物絶縁層の界面に水素を供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
トランジスタなどの半導体素子を少なくとも一つの素子として含む回路を有する半導体装置およびその作製方法に関する。例えば、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や有機発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。
【０００２】
なお、本明細書中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、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等に形成されるトランジスタはアモルファスシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコンを用いたトランジスタは電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化に対応することができる。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタの電界効果移動度は高いがガラス基板の大面積化には適していないという欠点を有している。
【０００４】
シリコンを用いたトランジスタに対して、酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば酸化物半導体として、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物を用いてトランジスタを作製し、表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献１および特許文献２で開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
また、大型の表示装置が普及しつつある。家庭用のテレビにおいても表示画面の対角が４０インチから５０インチクラスのテレビも普及し始めている。
【０００７】
従来の酸化物半導体を用いたトランジスタの電界効果移動度は１０〜２０ｃｍ２／Ｖｓが得られている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルファスシリコンのトランジスタの１０倍以上の電界効果移動度が得られるため、大型の表示装置においても画素のスイッチング素子としては十分な性能が得られる。
【０００８】
しかし、酸化物半導体を用いたトランジスタを半導体装置の駆動デバイス、例えば大型の表示装置等の駆動回路の一つのスイッチング素子として用いるには限界があった。
【０００９】
本発明の一態様は、基板の大面積化を可能とするとともに、結晶性の優れた酸化物半導体層を形成し、所望の高い電界効果移動度を有するトランジスタを製造可能とし、大型の表示装置や高性能の半導体装置等の実用化を図ることを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
トランジスタの電界効果移動度を高める方法の一つとして、酸化物半導体層の結晶化を行う。第１の酸化物半導体層の成膜後にアニールを行い、その上面に第２の酸化物半導体層の成膜を行い、その後、膜表面より上方の第２の酸化物半導体層の表面に向かって結晶成長をさせる。第１の結晶層の結晶は、第２の酸化物半導体層にとっては種結晶に相当する。その上側に第２の結晶層が形成されることが重要である。この第１の結晶層及び第２の結晶層を形成する方法は、六方晶を作る全ての酸化物半導体で有効である。なお、第１の結晶層及び第２の結晶層は、チャネル形成領域で各結晶のａ軸およびｂ軸が配向し、かつ、第１の酸化物半導体層の表面に対して垂直にｃ軸配向した非単結晶体である。
【００１１】
また、トランジスタの電界効果移動度を高める方法の一つとして、酸化物半導体層の高純度化も結晶化と同時、または別工程で行う。具体的には、ドナー準位を構成する水または水素を除去し、さらに酸素欠損を低減した後、酸化物半導体層を構成する主成分材料の酸素を十分に供給することにより、酸化物半導体層を高純度化することである。
【００１２】
酸化物半導体層に酸素を供給する方法としては、酸化物半導体層に接して酸化物絶縁層を形成する、または酸化物絶縁層を形成した後に熱処理を行うことが挙げられる。
【００１３】
そして、酸化物半導体層に酸素を供給した後、酸化物半導体層の上方に形成する層間膜として水素を含む窒化物絶縁層を形成し、加熱して窒化物絶縁膜から酸化物半導体層の界面（具体的には酸化物絶縁層との界面）または膜中に水素を拡散して特性改善を図る。例えば、酸化物絶縁層として酸化珪素の層（ＳｉＯｘ層）を用いた場合、加熱により、窒化物絶縁膜から拡散された水素は、酸化物半導体層とＳｉＯｘ層との界面のＳｉの未結合手や、酸化物半導体中の酸素などの未結合手などを終端させる。本発明の一態様は、結晶化により、ｃ軸配向させた後の酸化物半導体層に対して意図的に適量の水素を添加して、界面準位をなくすことを特徴の一つとしている。なお、本明細書において、「水素を含む」とは、酸化物半導体層に接する絶縁層と比較して多くの水素を含むことをいう。例えば、水素を含む絶縁層中の水素濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。
【００１４】
本明細書で開示する本発明の一態様は、絶縁表面を有する基板上に第１の酸化物半導体層を形成し、第１の加熱処理を行うことにより、第１の酸化物半導体層の表面から内部に向かって結晶成長し、該表面と略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶領域を形成し、第１の酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層を形成し、第２の加熱処理を行うことにより、結晶領域から結晶成長させて第２の酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化し、第２の酸化物半導体層上に導電層を形成し、導電層をエッチングすることにより、ソース電極層およびドレイン電極層を形成し、第２の酸化物半導体層、ソース電極層およびドレイン電極層を覆うように酸化物絶縁層を形成し、第３の加熱処理を行うことにより、第２の酸化物半導体層に酸素を供給し、酸化物絶縁層上の第２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、酸化物絶縁層およびゲート電極層上に、水素を含む窒化物絶縁層を形成し、第４の加熱処理を行うことにより、少なくとも第２の酸化物半導体層と酸化物絶縁層の界面に水素を供給する半導体装置の作製方法である。
【００１５】
また、上記方法により得られる構成も本発明の一態様であり、その構成は、絶縁表面を有する基板上に、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層上に接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層の積層上にソース電極層またはドレイン電極層と、第２の酸化物半導体層上に接する酸化物絶縁層と、酸化物絶縁層上にゲート電極層と、ゲート電極層上に水素を含む窒化物絶縁層とを有する半導体装置である。
【００１６】
また、他の本発明の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート電極層を覆うように第１の酸化物絶縁層を形成し、ゲート電極層および第１の酸化物絶縁層上に第１の酸化物半導体層を形成し、第１の加熱処理を行うことにより、第１の酸化物半導体層の表面から内部に向かって結晶成長し、該表面と略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶領域を形成し、第１の酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層を形成し、第２の加熱処理を行うことにより、結晶領域から結晶成長させて第２の酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化し、第２の酸化物半導体層上に導電層を形成し、導電層をエッチングすることにより、ソース電極層およびドレイン電極層を形成し、第２の酸化物半導体層、ソース電極層およびドレイン電極層を覆うように第２の酸化物絶縁層を形成し、第３の加熱処理を行うことにより、第２の酸化物半導体層に酸素を供給し、第２の酸化物絶縁層上に、水素を含む窒化物絶縁層を形成し、第４の加熱処理を行うことにより、少なくとも第１の酸化物半導体層と第１の酸化物絶縁層の界面に水素を供給する半導体装置の作製方法である。
【００１７】
また、上記方法により得られる構成も本発明の一態様であり、その構成は、絶縁表面を有する基板上に平坦表面を有するゲート電極層と、ゲート電極層上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に少なくとも一部接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層上に接し、且つ第１の酸化物半導体層の表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層の積層上にソース電極層またはドレイン電極層と、第２の酸化物半導体層上に接する酸化物絶縁層と、酸化物絶縁層上に接する水素を含む窒化物絶縁層とを有する半導体装置である。
【００１８】
上記各作製方法の構成により、トランジスタの電界効果移動度を高くできると、例えば、表示装置において、スイッチ時間を短縮して表示特性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
下地となる基板の材料が、酸化物、窒化物、金属など、いずれの材料であっても、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製し、大型の表示装置や高性能の半導体装置等を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一態様を示す断面図である。
【図２】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図３】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図４】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図５】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図６】本発明の一態様を示す断面図である。
【図７】本発明の一態様を示す断面図である。
【図８】本発明の一態様を示す等価回路図である。
【図９】本発明の一態様を示す上面図及び断面図である。
【図１０】本発明の一態様を示す上面図及び断面図である。
【図１１】本発明の一態様を示す断面図である。
【図１２】電子機器の一例を示す図である。
【図１３】電子機器の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、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。また、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。
【００２２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の構成および作製方法について、図１乃至図４を参照して説明する。
【００２３】
図１は、半導体装置の構成の一例であるトランジスタ１５０を示す断面図である。なお、トランジスタ１５０は、キャリアが電子であるｎチャネル型ＩＧＦＥＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるものとして説明するが、ｐチャネル型ＩＧＦＥＴを作製することも可能である。
【００２４】
トランジスタ１５０の作製方法について図２または図３を参照して以下に説明する。
【００２５】
まず、基板１００上に、絶縁層１０２を形成する。そして、絶縁層１０２上に第１の酸化物半導体層を成膜し、第１の加熱処理によって少なくとも第１の酸化物半導体層の表面を含む領域を結晶化させて、第１の酸化物半導体層１０４を形成する（図２（Ａ）参照）。
【００２６】
基板１００は、絶縁表面を有する基板であればよく、例えば、ガラス基板とすることができる。特に大面積のガラス基板は、本発明の一態様に係る半導体装置を低コストで大量生産することができるため、好ましい。また、ガラス基板は無アルカリガラス基板であることが望ましい。無アルカリガラス基板には、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等のガラス材料が用いられる。他にも、基板１００として、石英基板、サファイア基板等の絶縁体でなる絶縁性基板、シリコン等の半導体材料でなる半導体基板の表面を絶縁材料で被覆したもの、金属やステンレス等の導電体でなる導電性基板の表面を絶縁材料で被覆したものを用いることができる。
【００２７】
絶縁層１０２は下地として機能するものであり、ＣＶＤ法やスパッタ法等を用いて形成することができる。また、絶縁層１０２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、絶縁層１０２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。絶縁層１０２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。なお、絶縁層１０２は必須の構成要素ではないから、絶縁層１０２を設けない構成とすることも可能である。
【００２８】
また、絶縁層１０２上に形成される第１の酸化物半導体層は、三元系金属酸化物であり、Ｉｎ−ＭＸ−ＺｎＹ−ＯＺ（Ｙ＝０．５〜５）で表現される酸化物半導体材料を用いても良い。ここで、Ｍは、ガリウム（Ｇａ）やアルミニウム（Ａｌ）やボロン（Ｂ）などの１３族元素から選択される一または複数種類の元素を表す。なお、Ｉｎ、Ｍ、Ｚｎ、及びＯの含有量は任意であり、Ｍの含有量がゼロ（即ち、Ｘ＝０）の場合を含む。一方、ＩｎおよびＺｎの含有量はゼロではない。すなわち、上述の表記には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−ＯやＩｎ−Ｚｎ−Ｏなどが含まれる。
【００２９】
また、第１の酸化物半導体層として他にも四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏや、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏや、二元系金属酸化物であるＳｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏや、単元系金属酸化物であるＩｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｏなどを用いることもできる。
【００３０】
本実施の形態では、第１の酸化物半導体層を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体成膜用ターゲットを用いて、スパッタ法により形成することとする。
【００３１】
第１の酸化物半導体層をスパッタ法で作製するためのターゲットとしては、例えば、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む酸化物半導体成膜用ターゲットの組成比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：ｘ：ｙ（ｘは０以上、ｙは０．５以上５以下）とする。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ比］（ｘ＝１、ｙ＝１）（すなわち、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ比］）の組成比を有するターゲットなどを用いても良い。また、酸化物半導体成膜用ターゲットとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［ａｔｏｍ比］の組成比を有するターゲット、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：０：１［ａｔｏｍ比］（ｘ＝０、ｙ＝１）の組成比を有するターゲットを用いることもできる。本実施の形態では、後に加熱処理を行い第１の酸化物半導体層を意図的に結晶化させるため、結晶化が生じやすい酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることが好ましい。
【００３２】
酸化物半導体成膜用ターゲット中の酸化物半導体の相対密度は８０％以上、好ましくは９５％以上、さらに好ましくは９９．９％以上とする。相対密度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、緻密な第１の酸化物半導体層が形成される。また、本実施の形態では、後に加熱処理を行い第１の酸化物半導体層を意図的に結晶化させるため、結晶化が生じやすい酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることが好ましい。
【００３３】
第１の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の濃度が数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雰囲気を用いるのが好適である。
【００３４】
第１の酸化物半導体層の形成の際には、例えば、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℃以下にする。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第１の酸化物半導体層を形成する。基板を熱しながら第１の酸化物半導体層を形成することにより、第１の酸化物半導体層に含まれる不純物を低減することができる。また、スパッタによる損傷が軽減される。第１の酸化物半導体層の成膜を行う前、または成膜中、または成膜後に、スパッタ装置に残存している水分などを除去することが好ましい。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などを用いることができる。また、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いてもよい。クライオポンプを用いて排気した処理室は、水素や水などが除去されているため、第１の酸化物半導体層の不純物濃度を低減できる。
【００３５】
なお、第１の酸化物半導体層の成膜を行う前、スパッタ装置に残存している水分などを除去するためにプリヒート処理を行うと良い。プリヒート処理としては成膜チャンバー内を減圧下で２００℃〜６００℃に加熱する方法や、加熱しながら窒素や不活性ガスの導入と排気を繰り返す方法等がある。プリヒート処理を終えたら、基板またはスパッタ装置を冷却した後、大気にふれることなく酸化物半導体層の成膜を行う。この場合のターゲット冷却液は、水ではなく油脂等を用いるとよい。加熱せずに窒素の導入と排気を繰り返しても一定の効果が得られるが、加熱しながら行うとなお良い。
【００３６】
第１の酸化物半導体層の形成条件としては、例えば、基板とターゲットの間との距離が１７０ｍｍ、圧力が０．４Ｐａ、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、膜厚のばらつきも小さくなるため好ましい。第１の酸化物半導体層の厚さは、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下とするのが好ましく、本実施の形態では一例として５ｎｍとする。ただし、適用する酸化物半導体材料や用途などにより適切な厚さは異なるから、その厚さは、用いる材料や用途などに応じて選択すればよい。
【００３７】
また、第１の酸化物半導体層の結晶化としては、第１の加熱処理を行い、少なくとも第１の酸化物半導体層の表面を含む領域を結晶化させ、第１の酸化物半導体層１０４を形成する。また、この第１の加熱処理により、第１の酸化物半導体層中の水（水酸基を含む）や水素などを除去することができる。第１の加熱処理の温度は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは５５０℃以上７５０℃以下とする。また、加熱時間は１分以上２４時間以下とする。本実施の形態では、第１の加熱処理として、窒素雰囲気下で７００℃、１時間の熱処理を行い、脱水または脱水素化が行われた後、雰囲気を切り替えて酸素雰囲気にすることで第１の酸化物半導体層内部に酸素を供給する。
【００３８】
なお、第１の加熱処理においては、窒素、酸素、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、酸素、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。また、Ｈ２Ｏが２０ｐｐｍ以下の乾燥空気中で、さらに好ましくは、Ｈ２Ｏが１ｐｐｍ以下の乾燥空気中で、第１の加熱処理を行っても良い。このような第１の加熱処理によって第１の酸化物半導体層１０４中の水（水酸基を含む）や水素などを除去することができる。
【００３９】
第１の加熱処理によって少なくとも表面を含む領域に結晶領域を有する第１の酸化物半導体層１０４を形成する。表面を含む領域に形成される結晶領域は、表面から内部に向かって結晶成長することで形成される。当該結晶領域は、平均厚さが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の板状結晶である。また、当該結晶領域は、該表面に対して略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶を有する領域である。ここで、略垂直とは、垂直方向から±１０°以内の状態を言うものとする。
【００４０】
なお、第１の加熱処理に用いる加熱処理装置は特に限られず、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などを用いることができる。例えば、電気炉や、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。
【００４１】
次に、少なくとも表面を含む領域に結晶領域を有する第１の酸化物半導体層１０４上に、第２の酸化物半導体層１０５を形成する（図２（Ｂ）参照）。
【００４２】
第２の酸化物半導体層１０５は、第１の酸化物半導体層と同様に、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏや、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏや、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏや、単元系金属酸化物であるＩｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｏなどを用いて形成することができる。
【００４３】
なお、第２の酸化物半導体層１０５は、第１の酸化物半導体層１０４と同一主成分の材料を用いること、あるいは同一の結晶構造かつ近接した格子定数（格子定数のミスマッチが１％以下）を有することが好ましい。または異なる主成分の材料を用いて形成しても良い。
【００４４】
同一主成分の材料を用いる場合、後に行われる第２の酸化物半導体層１０５の結晶化において、第１の酸化物半導体層１０４の結晶領域の結晶を種結晶として結晶成長を行いやすくなる。また、実質的な膜厚を増加させることができるため、パワーデバイスなどの用途には好適である。さらに、同一主成分材料である場合には、密着性などの界面物性や電気的特性も良好である。
【００４５】
本実施の形態では、第２の酸化物半導体層１０５を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体成膜用ターゲットを用いて、スパッタ法により成膜する。第２の酸化物半導体層１０５のスパッタ法による成膜は、上述した第１の酸化物半導体層のスパッタ法による成膜と同様に行えばよい。ただし、第２の酸化物半導体層１０５の厚さは、第１の酸化物半導体層１０４の厚さより厚くすることが好ましい。また、第１の酸化物半導体層１０４と第２の酸化物半導体層１０５の厚さの和が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるように、第２の酸化物半導体層１０５を形成することが好ましい。なお、適用する酸化物半導体材料や用途などにより適切な厚さは異なるから、その厚さは、用いる材料や用途などに応じて選択すればよい。
【００４６】
次に、第２の酸化物半導体層１０５に第２の加熱処理を行い、第１の酸化物半導体層１０４の結晶領域を種結晶領域として結晶成長させて、第２の酸化物半導体層１０６を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【００４７】
第２の加熱処理の温度は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは６００℃以上７００℃以下とする。第２の加熱処理の加熱時間は１分以上１００時間以下とし、好ましくは５時間以上２０時間以下とし、代表的には１０時間とする。
【００４８】
なお、第２の加熱処理においても、窒素、酸素、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、酸素、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（９９．９９９９９９％）以上、とすることが好ましい。また、Ｈ２Ｏが２０ｐｐｍ以下の乾燥空気中で、さらに好ましくは、Ｈ２Ｏが１ｐｐｍ以下の乾燥空気中で、第２の加熱処理を行っても良い。このような第２の加熱処理によって第２の酸化物半導体層１０６中の水（水酸基を含む）や水素などを除去することができる。よって不純物を低減して高純度化し、ｉ型化または実質的にｉ型化された第１の酸化物半導体層１０４及び第２の酸化物半導体層１０６を形成できる。
【００４９】
また、第２の加熱処理の昇温時には炉の内部を窒素雰囲気とし、冷却時には炉の内部を酸素雰囲気として雰囲気を切り替えてもよく、窒素雰囲気で脱水または脱水化が行われた後、雰囲気を切り替えて酸素雰囲気にすることで第２の酸化物半導体層１０６内部に酸素を供給することができる。
【００５０】
このように、第２の加熱処理を行うことにより、第２の酸化物半導体層１０５と第１の酸化物半導体層１０４の界面に形成された結晶領域から第２の酸化物半導体層１０５全体を結晶化させ、第２の酸化物半導体層１０６を形成することができる。また、第２の加熱処理によって、さらに高い配向性を有する結晶層からなる第１の酸化物半導体層１０４とすることができる。
【００５１】
上記酸化物半導体層は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つｍは自然数でない）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、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及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏなどがある。また、ＩｎＧａｘＺｎｙＯｚで表される材料を用いることができる。ここで、ｘ、ｙ、ｚは任意の数である。また、ｘ、ｙ、ｚは整数である必要はなく、非整数であっても良い。なお、ｘは０であっても良いが、ｙは０でないことが望ましい。例えば、当該表記は、ｘが０であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏの結晶を含んでいる。また、本明細書でいうＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏで表記される結晶は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つｍは自然数でない）であり、ｍが自然数でないことは、ＩＣＰ−ＭＳ分析や、ＲＢＳ分析を用いて確認することができる。また、ｘ＝１、ｙ＝１で表記される結晶や、ｘ＝１、ｙ＝０．５で表記される結晶などを含む。このような結晶は、第２の加熱処理によって、そのｃ軸が、第２の酸化物半導体層１０６表面と略垂直な方向をとるように配向する。
【００５２】
ここで、上述の結晶は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎのいずれかを含有し、ａ軸（ａ−ａｘｉｓ）およびｂ軸（ｂ−ａｘｉｓ）に平行なレイヤーの積層構造として捉えることができる。具体的には、上述の結晶は、Ｉｎを含有するレイヤーと、Ｉｎを含有しないレイヤー（ＧａまたはＺｎを含有するレイヤー）が、ｃ軸（ｃ−ａｘｉｓ）方向に積層された構造を有する。上記酸化物半導体層は、結晶性を有する領域を含み、当該結晶性を有する領域は、ａ−ｂ面が膜表面に概略平行であり、ｃ軸が膜表面に概略垂直である結晶よりなる。つまり、当該酸化物半導体層に含まれる結晶性を有する領域は、ｃ軸配向している。また、このようにｃ軸が配向した結晶性を有する領域を含むので、当該酸化物半導体層を、Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ； ＣＡＡＣともよぶ。つまり、当該結晶性を有する領域を含む酸化物半導体層は非単結晶であり、且つ膜全体は非晶質状態とはならない。
【００５３】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体結晶では、Ｉｎを含有するレイヤーの、ａ軸およびｂ軸に平行な方向に関する導電性は良好である。これは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体結晶では電気伝導が主としてＩｎによって制御されること、および、一のＩｎの５ｓ軌道が、隣接するＩｎの５ｓ軌道と重なりを有することにより、キャリアパスが形成されることによる。
【００５４】
また、第１の酸化物半導体層１０４が絶縁層１０２との界面に非晶質領域を有するような構造の場合、第２の加熱処理を行うことにより、第１の酸化物半導体層１０４の表面に形成されている結晶領域から第１の酸化物半導体層１０４の下面に向かって結晶成長が行われ、該非晶質領域が結晶化される場合もある。なお、絶縁層１０２を構成する材料や、熱処理の条件などによっては、該非晶質領域が残存する場合もある。
【００５５】
第１の酸化物半導体層１０４と第２の酸化物半導体層１０５とに同一主成分の酸化物半導体材料を用いる場合、図２（Ｃ）に示すように、第１の酸化物半導体層１０４の結晶を結晶成長の種結晶として、第２の酸化物半導体層１０５の表面に向かって上方に結晶成長し、第２の酸化物半導体層１０６が形成され、第１の酸化物半導体層１０４と、第２の酸化物半導体層１０６とが、同一結晶構造を有する。そのため、図２（Ｃ）では点線で示したが、第１の酸化物半導体層１０４と第２の酸化物半導体層１０６の境界が判別できなくなり、第１の酸化物半導体層１０４と第２の酸化物半導体層１０６を同一の層と見なせることもある。
【００５６】
なお、第２の加熱処理に用いる加熱処理装置も第１の加熱処理と同様の条件で用いることができる。
【００５７】
次に、マスクを用いたエッチングなどの方法によって第１の酸化物半導体層１０４及び第２の酸化物半導体層１０６を加工して、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ及び島状の第２の酸化物半導体層１０６ａを形成する（図２（Ｄ）参照）。
【００５８】
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、その両方を組み合わせて用いることもできる。酸化物半導体層を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）は適宜設定する。
【００５９】
ドライエッチングに用いることができ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（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）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（ＣＦ４）、六弗化硫黄（ＳＦ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、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。
【００６０】
また、ウェットエッチングに用いることができ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がある。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。
【００６１】
次に、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａに接するように導電層１０８を形成する（図２（Ｅ）参照）。
【００６２】
導電層１０８は、スパッタ法をはじめとする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１０８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て形成することができる。また、導電層１０８は、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数を含む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一または複数含有させた材料を用いてもよい。また、導電層１０８の他の材料として、窒化チタン、窒化タンタルなどのバリア性の高い材料を用いてもよい。窒化チタンや窒化タンタルなどのバリア性の高い材料を、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと接する部分に用いることで、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａへの不純物の侵入を抑制し、トランジスタ特性への悪影響を抑えることができる。
【００６３】
また、導電層１０８は、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する場合がある）、酸化インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）、または、これらの金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含有させたものを用いることができる。
【００６４】
導電層１０８としては、チタン層上にアルミニウム層と、該アルミニウム層上にチタン層が積層された三層の積層構造とすることが好ましい。また、金属導電膜としてアルミニウム層とタングステン層を積層した二層の積層構造、銅層とタングステン層を積層した二層の積層構造、アルミニウム層とモリブデン層を積層した二層の積層構造とすることもできる。勿論、金属導電膜として単層、または４層以上の積層構造としてもよい。ここでは、チタン膜の単層構造を適用する。チタン膜の単層構造を用いると、後のエッチングの際に良好なテーパー形状を形成するエッチングを実現することができる。
【００６５】
次に、導電層１０８を選択的にエッチングして、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂを形成する（図３（Ａ）参照）。
【００６６】
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ＡｒＦレーザ光を用いるのが好適である。特に、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（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いてマスク形成の露光を行うのが好適である。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（１μｍ）以下とすることも可能である。このような方法でチャネル長を小さくすることにより、動作速度を向上させることもできる。また、上記酸化物半導体を用いたトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、微細化による消費電力の増大を抑制できる。
【００６７】
導電層１０８のエッチングの際には、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ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、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ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。
【００６８】
また、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの側面において、ソース電極層１０８ａ、またはドレイン電極層１０８ｂと接する部分が非晶質状態となることもある。
【００６９】
次に、大気に触れさせないようにし、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの一部に接するゲート絶縁層１１２を形成する（図３（Ｂ）参照）。ゲート絶縁層１１２は、ＣＶＤ法やスパッタ法等を用いて形成することができる。また、ゲート絶縁層１１２は、酸化珪素、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１１２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。積層構造とする場合は、酸化物半導体と接する層を上記材料とし、その上に窒化珪素膜を積層することもできる。ゲート絶縁層１１２の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。
【００７０】
本実施の形態では、スパッタ法により、酸素雰囲気下で酸化珪素膜を成膜してゲート絶縁層１１２を形成する。ゲート絶縁層１１２の成膜時に酸素を島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの一部に対して添加し、酸素を供給することができる。
【００７１】
また、ゲート絶縁層１１２として、１×１０１１／ｃｍ３以上のプラズマ密度を達成できる高密度プラズマ装置を用い、緻密で絶縁耐圧の高い高品質なゲート絶縁層を形成してもよい。
【００７２】
その後、不活性ガス雰囲気下、または酸素雰囲気下で第３の加熱処理を行うのが望ましい。第３の加熱処理の温度は、２００℃以上４５０℃以下、望ましくは２５０℃以上３５０℃以下である。例えば、酸素を含む雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行えばよい。第３の加熱処理を行うと、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａに酸素を供給し、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ中の酸素欠損を低減することができる。
【００７３】
次に、ゲート絶縁層１１２上の島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ及び島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと重畳する領域にゲート電極層１１４を形成する（図３（Ｃ）参照）。ゲート電極層１１４は、ゲート絶縁層１１２上に導電層を形成した後に、当該導電層を選択的にパターニングすることによって形成することができる。
【００７４】
上記導電層は、スパッタ法をはじめとする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て形成することができる。また、上述した元素の窒化物である、窒化チタン、窒化タンタルなどを用いて形成しても良い。マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数を含む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一または複数含有させた材料を用いてもよい。
【００７５】
次に、ゲート絶縁層１１２およびゲート電極層１１４上に、水素を含む層間絶縁層１１６を形成した後、第４の加熱処理を行う（図３（Ｄ）参照）。例えば、水素を含む層間絶縁層１１６中の水素濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。水素を含む層間絶縁層１１６は、ＣＶＤ法などを用いて形成することができる。本実施の形態では、ＣＶＤ法により得られる窒化物絶縁層の一つである窒化珪素膜を用いる。
【００７６】
第４の加熱処理は、窒素雰囲気下、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下とする。また、第４の加熱処理は、窒素雰囲気下に限定されず、酸素雰囲気、希ガス雰囲気、乾燥空気雰囲気で行えばよい。
【００７７】
水素を含む層間絶縁層１１６を形成した後の第４の加熱処理は、層間絶縁層１１６に含まれる水素を拡散させて、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ、及び島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの欠陥（例えば、酸化物半導体中における酸素などの未結合手など）や、界面のＳｉの未結合手を終端する工程である。酸化珪素膜からなる絶縁膜（ゲート絶縁層１１２）の存在に関係なく島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ、および島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの膜中またはこれらの酸化物半導体層とＳｉＯｘ層（ゲート絶縁層１１２）の界面に水素を拡散させることができる。
【００７８】
以上により、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａの結晶領域から結晶成長させた島状の第２の酸化物半導体層１０６ａを用い、層間絶縁層１１６に含まれる水素を拡散させて欠陥を終端させたトランジスタ１５０が完成する。
【００７９】
次いで、層間絶縁層１１６上に層間絶縁層１１８を形成し、図１に示す断面構造とする。層間絶縁層１１８は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて得られる酸化珪素、窒化酸化珪素、窒化珪素、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。また、層間絶縁層１１８の材料として、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の有機樹脂を用いることもできる。なお、本実施の形態では、層間絶縁層１１６と層間絶縁層１１８の積層構造としているが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。１層としても良いし、３層以上の積層構造としても良い。
【００８０】
なお、上記層間絶縁層１１８は、その表面が平坦になるように形成することが望ましい。表面が平坦になるように層間絶縁層１１８を形成することで、層間絶縁層１１８上に、電極や配線などを好適に形成することができるためである。
【００８１】
図１に示すトランジスタ１５０は、基板１００上に絶縁層１０２を介して設けられた島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ上に設けられた島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと電気的に接続するソース電極層１０８ａ、および、ドレイン電極層１０８ｂと、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ、ソース電極層１０８ａ、およびドレイン電極層１０８ｂを覆うゲート絶縁層１１２と、ゲート絶縁層１１２上のゲート電極層１１４と、を有する。
【００８２】
また、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａでは、一般的なシリコンウェハにおけるキャリア濃度（１×１０１４／ｃｍ３程度）と比較して、十分に小さいキャリア濃度の値（例えば、１×１０１２／ｃｍ３未満、より好ましくは、１．４５×１０１０／ｃｍ３未満）をとる。また、ドレイン電圧が１Ｖから１０Ｖの範囲のいずれかの電圧において、チャネル長が１０μｍであり、酸化物半導体層の合計膜厚３０ｎｍの場合において、オフ電流（ゲートソース間の電圧を０Ｖ以下としたときのソースドレイン間に流れる電流）が１×１０−１３Ａ以下、またはオフ電流密度（オフ電流をトランジスタのチャネル幅で除した数値）は１００ａＡ（ａ（アト）は１０−１８倍を示す）／μｍ以下、好ましくは１０ａＡ／μｍ以下、更に好ましくは１ａＡ／μｍ以下にすることができる。なお、オフ電流とドレイン電圧との値が分かればオームの法則からトランジスタがオフのときの抵抗値（オフ抵抗Ｒ）を算出することができ、チャネル形成領域の断面積Ａとチャネル長Ｌが分かればρ＝ＲＡ／Ｌの式（Ｒはオフ抵抗）からオフ抵抗率ρを算出することもできる。オフ抵抗率は１×１０９Ω・ｍ以上（又は１×１０１０Ω・ｍ）が好ましい。ここで、断面積Ａは、チャネル形成領域の膜厚をｄとし、チャネル幅をＷとするとき、Ａ＝ｄＷから算出することができる。
【００８３】
また、加熱して層間絶縁層１１６に含まれる水素を島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａに拡散させるため、水素の拡散する量によっては、キャリア濃度の値が１×１０１４／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満をとりうる。
【００８４】
アモルファスシリコンのトランジスタのオフ電流が１×１０−１２Ａ程度であるのに対し、酸化物半導体を用いたトランジスタのオフ電流は、その１００００分の１以下である。このように、ｉ型化または実質的にｉ型化された酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ電流特性のトランジスタ１５０を得ることができる。
【００８５】
また、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの材料を同じ物とした場合（いわゆるホモ・エピ成長の場合）、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの境界が判別できなくなるため図１では点線で示したが、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａを同一の層と見なせることもある（図１参照）。また、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａのいずれも非単結晶状態となる。
【００８６】
もちろん、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの材料を異なるものとしても良い。島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの材料を異なるものとする場合（いわゆるヘテロ・エピ成長の場合）には、例えば、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａに二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏを用い、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａに三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを用いる構成などを採用することができる。
【００８７】
また、酸化物半導体層のうち、チャネル形成領域となる領域は、少なくとも平坦面を有していることが好ましい。また、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層は、同じｃ軸配向をしている非単結晶体である。なお、第２の酸化物半導体層表面の高低差は、ゲート電極層と重畳する領域（チャネル形成領域）において、１ｎｍ以下（好ましくは０．２ｎｍ以下）であることが好ましい。
【００８８】
（実施の形態２）
実施の形態１ではトップゲート型のトランジスタの作製例を示したが、本実施の形態では、ボトムゲート型のトランジスタの作製例について説明する。
【００８９】
まず、絶縁表面を有する基板上に、導電膜を形成した後、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層４０１を設ける。
【００９０】
基板４００としては、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や、シリコン基板、石英基板などを用いる。
【００９１】
本実施の形態では基板４００としてガラス基板を用い、後に形成する酸化物半導体層を結晶化するための加熱を行うため、基板４００に対して６５０℃、６分の加熱処理を２回行う。成膜前に基板の加熱を行うことにより、基板の収縮による膜剥がれや、マスクの位置ずれを抑える。
【００９２】
また、下地層となる絶縁層を基板４００とゲート電極層４０１の間に設けてもよい。下地層は、基板４００からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化珪素、酸化珪素、窒化酸化珪素、または酸化窒化珪素から選ばれた一または複数の層による積層構造により形成することができる。
【００９３】
ゲート電極層４０１としては、金属導電層を用いることができる。金属導電層の材料としては、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等を用いるのが好ましい。例えば、チタン層上にアルミニウム層と、該アルミニウム層上にチタン層が積層された三層の積層構造とすることが好ましい。勿論、金属導電層として単層、または２層構造、または４層以上の積層構造としてもよい。後に加熱処理を行う場合、ゲート電極層４０１としてその加熱処理温度に耐えうる材料を選択することが好ましい。
【００９４】
次いで、ゲート電極層４０１上にゲート絶縁層４０２を形成する。ゲート絶縁層４０２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタ法等を用いて、酸化珪素層、窒化珪素層、酸化ハフニウム層、酸化窒化珪素層又は窒化酸化珪素層を単層で又は積層して形成することができる。例えば、窒化珪素膜と酸化珪素膜の積層とする。ゲート絶縁層４０２の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。
【００９５】
本実施の形態において、ゲート絶縁層４０２の形成は、高密度プラズマ装置により行う。ここでは、高密度プラズマ装置は、１×１０１１／ｃｍ３以上のプラズマ密度を達成できる装置を指している。例えば、３ｋＷ〜６ｋＷのマイクロ波電力を印加してプラズマを発生させて、絶縁膜の成膜を行う。
【００９６】
チャンバーに材料ガスとしてモノシランガス（ＳｉＨ４）と亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）と希ガスを導入し、１０Ｐａ〜３０Ｐａの圧力下で高密度プラズマを発生させてガラス等の絶縁表面を有する基板上に絶縁膜を形成する。その後、モノシランガス（ＳｉＨ４）の供給を停止し、大気に曝すことなく亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）と希ガスとを導入して絶縁膜表面にプラズマ処理を行ってもよい。少なくとも亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）と希ガスとを導入して絶縁膜表面に行われるプラズマ処理は、絶縁膜の成膜より後に行う。上記プロセス順序を経た絶縁膜は、膜厚が薄く、例えば１００ｎｍ未満であっても信頼性を確保することができる絶縁膜である。
【００９７】
本実施の形態では、ゲート絶縁層４０２として高密度プラズマ装置による膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素膜（ＳｉＯｘＮｙとも呼ぶ、ただし、ｘ＞ｙ＞０）を用いる。
【００９８】
次いで、ゲート絶縁層４０２上に、厚さ２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の第１の酸化物半導体層を形成する。また、第１の酸化物半導体層は、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）及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成することができる。本実施の形態では、後に加熱処理を行い意図的に結晶化させるため、結晶化が生じやすい酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることが好ましい。
【００９９】
次いで、第１の酸化物半導体層の第１の加熱処理を行い、少なくとも一部を結晶化させる。第１の加熱処理の温度は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは６００℃以上７００℃以下とする。また、加熱時間は１分以上２４時間以下とする。第１の加熱処理によって表面から結晶成長した非単結晶層である第１の酸化物半導体層４０４を形成する（図４（Ａ）参照）。また、表面付近に形成される結晶層は、その表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている。
【０１００】
なお、第１の加熱処理においては、窒素、酸素、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、酸素、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、とすることが好ましい。また、Ｈ２Ｏが２０ｐｐｍ以下の乾燥空気雰囲気下で第１の加熱処理を行っても良い。
【０１０１】
また、第１の加熱処理の昇温時には炉の内部を窒素雰囲気とし、冷却時には炉の内部を酸素雰囲気として雰囲気を切り替えてもよく、窒素雰囲気で脱水または脱水化が行われた後、雰囲気を切り替えて酸素雰囲気にすることで第１の酸化物半導体層内部に酸素を供給してｉ型とすることができる。
【０１０２】
次いで、板状結晶である第１の酸化物半導体層４０４上に、少なくとも第１の酸化物半導体層４０４よりも膜厚の厚い第２の酸化物半導体層を形成する。なお、第２の酸化物半導体層の膜厚は、作製するデバイスによって最適な膜厚を実施者が決定すればよい。例えば、ボトムゲート型トランジスタを作製する場合は、第１の酸化物半導体層４０４と第２の酸化物半導体層の合計膜厚は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。
【０１０３】
また、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層は、同一成分を含む材料を用いること、あるいは同一の結晶構造かつ近接した格子定数（格子定数のミスマッチが１％以下）を有することが好ましい。同一成分を含む材料を用いる場合、後に行われる結晶化において第１の酸化物半導体層の板状結晶を種結晶として結晶成長を行いやすくなる。また、同一成分を含む材料である場合には、密着性などの界面物性や電気的特性も良好である。
【０１０４】
次いで、第２の加熱処理を行い、第１の酸化物半導体層の結晶層の結晶を種結晶として結晶成長を行う。第２の加熱処理の温度は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは５５０℃以上６５０℃以下とする。また、加熱時間は１分以上２４時間以下とする。第２の加熱処理によって第２の酸化物半導体層を結晶化させる。こうして結晶化した第２の酸化物半導体層４０６を得ることができる（図４（Ｂ）参照）。
【０１０５】
次いで、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層からなる酸化物半導体層をフォトリソグラフィ工程により島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ及び島状の第２の酸化物半導体層４０６ａに加工する。次いで、ゲート絶縁層４０２、及び島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ及び島状の第２の酸化物半導体層４０６ａ上に、スパッタ法などにより金属導電膜を形成した後、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金属電極層を形成する。
【０１０６】
後にソース電極層及びドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）となる金属導電膜の材料としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの金属材料、または該金属材料を成分とする合金材料で形成する。また、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｓｃ、ＹなどＡｌ膜に生ずるヒロックやウィスカーの発生を防止する元素が添加されているＡｌ材料を用いることで耐熱性を向上させることが可能となる。
【０１０７】
例えば、金属導電膜としては、チタン層上にアルミニウム層と、該アルミニウム層上にチタン層が積層された三層の積層構造とすることが好ましい。また、金属導電膜としてアルミニウム層とタングステン層を積層した二層の積層構造、銅層とタングステン層を積層した二層の積層構造、アルミニウム層とモリブデン層を積層した二層の積層構造とすることもできる。勿論、金属導電膜として単層、または４層以上の積層構造としてもよい。
【０１０８】
次いで、レジストマスクを除去し、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４０８ａ、及びドレイン電極層４０８ｂを形成した後、レジストマスクを除去する。なお、このエッチング工程では、島状の第２の酸化物半導体層４０６ａの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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
次いで、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４１２を形成した後、第３の加熱処理を行う（図４（Ｃ）参照）。
【０１１１】
本実施の形態では、酸化物絶縁層４１２として膜厚３００ｎｍ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）と酸素の混合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。結晶化させた島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ及び、結晶化させた島状の第２の酸化物半導体層４０６ａに接して形成する酸化物絶縁層４１２は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の膜厚とし、代表的には酸化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウム膜などを用いる。
【０１１２】
また、第３の加熱処理の温度は、２００℃以上４５０℃以下、望ましくは２５０℃以上３５０℃以下である。例えば、酸素を含む雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行えばよい。第３の加熱処理を行うと、島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ及び、島状の第２の酸化物半導体層４０６ａに酸素を供給し、島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ及び、島状の第２の酸化物半導体層４０６ａ中の酸素欠損を低減することができる。
【０１１３】
次いで、酸化物絶縁層４１２上に、水素を含む層間絶縁層４１６を形成した後、第４の加熱処理を行う（図４（Ｄ）参照）。水素を含む層間絶縁層４１６は、ＣＶＤ法などを用いて形成することができる。本実施の形態では、ＣＶＤ法により得られる水素を含む窒化物絶縁層の一つである窒化珪素膜を用いる。
【０１１４】
第４の加熱処理は、窒素雰囲気下、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下とする。また、第４の加熱処理は、窒素雰囲気下に限定されず、酸素雰囲気、希ガス雰囲気、乾燥空気雰囲気で行えばよい。
【０１１５】
水素を含む層間絶縁層４１６を形成した後の第４の加熱処理は、層間絶縁層４１６に含まれる水素を拡散させて、島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ、及び島状の第２の酸化物半導体層４０６ａの欠陥を終端する工程である。酸化珪素膜からなる絶縁膜（酸化物絶縁層４１２）の存在に関係なく島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ、及び島状の第２の酸化物半導体層４０６ａの膜中またはこれらの酸化物半導体層とＳｉＯｘ層（酸化珪素膜）の界面に水素を拡散させることができる。
【０１１６】
以上により、島状の第１の酸化物半導体層４０４ａの結晶領域から結晶成長させた島状の第２の酸化物半導体層４０６ａを用い、層間絶縁層４１６に含まれる水素を拡散させて欠陥を終端させたトランジスタ４５０が完成する。
【０１１７】
次いで、層間絶縁層４１６上に層間絶縁層４１８を形成し、図４（Ｅ）に示す断面構造とする。層間絶縁層４１８は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて得られる酸化珪素、窒化酸化珪素、窒化珪素、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。また、層間絶縁層４１８の材料として、アクリル等の有機樹脂を用いることもできる。なお、本実施の形態では、層間絶縁層４１６と層間絶縁層４１８の積層構造としているが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。１層としても良いし、３層以上の積層構造としても良い。
【０１１８】
また、図４（Ｅ）に示すように、ゲート電極層４０１は、ソース電極層４０８ａ（またはドレイン電極層４０８ｂ）と重なる領域を有することも特徴の一つである。上記島状の酸化物半導体層は、ソース電極層４０８ａの端部とゲート絶縁層４０２の段差、即ち断面図においてゲート絶縁層の平坦面からテーパー面となる変化点との間の領域（ここでは図４（Ｅ）中で示したＬＯＶ領域）を有している。ＬＯＶ領域は、ゲート電極層の端部で生じる結晶粒界に、キャリアが流れないようにするために重要である。
【０１１９】
また、酸化物絶縁層４１２上にバックゲートとして機能する電極層を形成してもよい。その場合の作製例を図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す。図４（Ｃ）の状態を得た後、ゲート電極層４０１に達するコンタクトホールを形成し（図示しない）、酸化物絶縁層４１２上に電極層４１４を形成する（図５（Ａ）参照）。次いで、電極層４１４及び酸化物絶縁層４１２上に、水素を含む層間絶縁層４１６を形成する。そして第４の加熱処理を行って図５（Ｂ）に示すトランジスタ４５１を得ることができる。電極層４１４を酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験（バイアス−熱ストレス試験）前後におけるトランジスタ４５１のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、ｃ軸配向した非単結晶層を有する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、トランジスタに光を照射しつづけて行うＢＴ試験前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減でき、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。また、電極層４１４は、電位がトランジスタ４５１のゲート電極層４０１と異なっていても良い。また、電極層４１４の電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。
【０１２０】
（実施の形態３）
本実施の形態では、チャネルストップ型のトランジスタの例を図６を用いて示す。
【０１２１】
本実施の形態は、実施の形態２と一部異なるだけであるため、詳細な説明はここでは省略することとする。
【０１２２】
以下に工程を順に説明する。実施の形態２と同様に、基板５００上にゲート電極層５０１、ゲート絶縁層５０２を形成する。次いで、実施の形態２と同様に、第１の酸化物半導体層を形成し、第１の加熱処理を行って第１の酸化物半導体層を結晶化させる。次いで、実施の形態２と同様に、第２の酸化物半導体層を形成し、第２の加熱処理を行って第２の酸化物半導体層を結晶化させる。
【０１２３】
次いで、酸化物絶縁層を形成し、第３の加熱処理を行う。酸化物絶縁層は、実施の形態２に示した酸化物絶縁層４１２と同じ材料を用いる。また、第３の加熱処理も実施の形態２に示した第３の加熱処理と同じ条件とし、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層に酸素を供給し、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層中の酸素欠損を低減する。
【０１２４】
次いで、フォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを酸化物絶縁層上に形成し、選択的にエッチングを行って島状の第１の酸化物半導体層５０４ａ、及び島状の第２の酸化物半導体層５０６ａを形成する。
【０１２５】
次いで、レジストマスクを除去し、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島状の酸化物絶縁層５２０を形成する。
【０１２６】
次いで、島状の酸化物絶縁層５２０、及び島状の第１の酸化物半導体層５０４ａ、及び島状の第２の酸化物半導体層５０６ａ上に、スパッタ法などにより金属導電膜を形成した後、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５０８ａ及びドレイン電極層５０８ｂを形成する。
【０１２７】
次いで、島状の酸化物絶縁層５２０、ソース電極層５０８ａ、及びドレイン電極層５０８ｂ上に水素を含む層間絶縁層５１６を形成した後、第４の加熱処理を行う。また、第４の加熱処理も実施の形態２に示した第４の加熱処理と同じ条件とし、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層に水素を供給し、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層中の欠損を低減する。
【０１２８】
以上により、島状の第１の酸化物半導体層５０４ａの結晶領域から結晶成長させた島状の第２の酸化物半導体層５０６ａを用い、層間絶縁層５１６に含まれる水素を拡散させて欠陥を終端させたチャネルストップ型のトランジスタ５５０が完成する。
【０１２９】
次いで、層間絶縁層５１６上に平坦化のための層間絶縁層５１８を形成し、図６に示す断面構造を得ることができる。
【０１３０】
なお、本実施の形態は、実施の形態２と自由に組み合わせることができる。
【０１３１】
（実施の形態４）
本実施の形態では、先の実施の形態において説明した半導体装置を半導体集積回路に用いる場合の一例として、先の実施の形態において説明した半導体装置と別の半導体材料を用いた半導体装置との積層構造を有する半導体装置について、図７を参照して説明する。
【０１３２】
図７は、本実施の形態にかかる半導体装置の構成の一例を示す断面図である。図７中のＡ１−Ａ２はトランジスタ２５０のチャネル長方向に平行に沿って切った断面であり、Ｂ１−Ｂ２はトランジスタ１５０のチャネル長方向に平行に沿って切った断面である。図７に示される半導体装置は、下部に、酸化物半導体以外の材料（例えば、シリコン）を用いたトランジスタ２５０を有し、上部に酸化物半導体を用いたトランジスタ１５０を有するものである。酸化物半導体を用いたトランジスタ１５０は、図１に示したトランジスタ１５０である。なお、トランジスタ２５０およびトランジスタ１５０は、いずれもｎ型トランジスタとして説明するが、ｐ型トランジスタを採用しても良い。特に、トランジスタ２５０は、ｐ型とすることが容易である。
【０１３３】
トランジスタ２５０は、半導体材料を含む基板２００に設けられたチャネル形成領域２１６と、チャネル形成領域２１６を挟むように設けられた不純物領域２１４および高濃度不純物領域２２０（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２１６上に設けられたゲート絶縁層２０８ａと、ゲート絶縁層２０８ａ上に設けられたゲート電極層２１０ａと、不純物領域２１４と電気的に接続するソース電極層またはドレイン電極層２３０ａ、および、ソース電極層またはドレイン電極層２３０ｂを有する（図７参照）。
【０１３４】
ここで、ゲート電極層２１０ａの側面にはサイドウォール絶縁層２１８が設けられている。また、基板２００の主平面に垂直な方向から見てサイドウォール絶縁層２１８と重ならない領域には、高濃度不純物領域２２０を有し、高濃度不純物領域２２０と接する金属化合物領域２２４を有する。また、基板２００上にはトランジスタ２５０を囲むように素子分離絶縁層２０６が設けられており、トランジスタ２５０を覆うように、層間絶縁層２２６および層間絶縁層２２８が設けられている。ソース電極層またはドレイン電極層２３０ａ、ソース電極層またはドレイン電極層２３０ｂは、層間絶縁層２２６および層間絶縁層２２８に形成された開口を通じて、金属化合物領域２２４と電気的に接続されている。つまり、ソース電極層またはドレイン電極層２３０ａ、ソース電極層またはドレイン電極層２３０ｂは、金属化合物領域２２４を介して高濃度不純物領域２２０および不純物領域２１４と電気的に接続されている。ソース電極層またはドレイン電極層２３０ａ、ソース電極層またはドレイン電極層２３０ｂと同様に、電極２３０ｃが層間絶縁層２２６および層間絶縁層２２８に設けられた開口に形成されている。また、層間絶縁層２２８上には絶縁層２３４が設けられており、当該絶縁層２３４に埋め込まれるように、電極２３６ａ、電極２３６ｂ、電極２３６ｃが設けられている。ここで、電極２３６ａはソース電極層またはドレイン電極層２３０ａと接しており、電極２３６ｂはソース電極層またはドレイン電極層２３０ｂと接しており、電極２３６ｃは電極２３０ｃと接している。
【０１３５】
トランジスタ１５０は、絶縁層１０２上に設けられた島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ上に設けられ、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと電気的に接続されているソース電極層１０８ａ、ドレイン電極層１０８ｂと、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ、ソース電極層１０８ａ、およびドレイン電極層１０８ｂを覆うように設けられたゲート絶縁層１１２と、ゲート絶縁層１１２上の、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと重畳する領域に設けられたゲート電極層１１４と、を有する（図７参照）。
【０１３６】
また、トランジスタ１５０上には、層間絶縁層１１６および層間絶縁層１１８が設けられている。ここで、ゲート絶縁層１１２、層間絶縁層１１６、および層間絶縁層１１８には、ソース電極層１０８ａ、ドレイン電極層１０８ｂにまで達する開口が設けられており、当該開口を通じて、電極２５４ｄ、電極２５４ｅが、それぞれ、ソース電極層１０８ａ、ドレイン電極層１０８ｂに接して形成されている。また、電極２５４ｄ、電極２５４ｅと同様に、ゲート絶縁層１１２、層間絶縁層１１６、および層間絶縁層１１８に設けられた開口を通じて、電極２３６ａ、電極２３６ｂ、電極２３６ｃに接する電極２５４ａ、電極２５４ｂ、電極２５４ｃが形成されている。
【０１３７】
また、層間絶縁層１１８上には絶縁層２５６が設けられており、当該絶縁層２５６に埋め込まれるように、電極２５８ａ、電極２５８ｂ、電極２５８ｃ、電極２５８ｄが設けられている。ここで、電極２５８ａは電極２５４ａと接しており、電極２５８ｂは電極２５４ｂと接しており、電極２５８ｃは電極２５４ｃおよび電極２５４ｄと接しており、電極２５８ｄは電極２５４ｅと接している。
【０１３８】
つまり、トランジスタ１５０のソース電極層１０８ａまたはドレイン電極層１０８ｂは、電極２３０ｃ、電極２３６ｃ、電極２５４ｃ、電極２５８ｃ、電極２５４ｄを介して、他の要素（酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタなど）と電気的に接続されている（図７参照）。さらに、トランジスタ１５０のソース電極層１０８ａまたはドレイン電極層１０８ｂは、電極２５４ｅ、電極２５８ｄを介して、他の要素に電気的に接続されている。なお、接続に係る電極（電極２３０ｃ、電極２３６ｃ、電極２５４ｃ、電極２５８ｃ、電極２５４ｄ等）の構成は、上記に限定されず、適宜追加、省略等が可能である。
【０１３９】
なお、各種電極（例えば、電極２５８ａ、電極２５８ｂ、電極２５８ｃ、電極２５８ｄなど）の一部には銅を含む材料を用いることが好ましい。これらの一部に銅を含む材料を用いることで、導電性を向上させることができる。銅を含む電極や配線は、いわゆるダマシンプロセスなどによって形成することが可能である。
【０１４０】
以上、本実施の形態では、積層構造にかかる半導体装置の代表的な一例について説明したが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。例えば、トランジスタの構成、絶縁層の数や配置、電極や配線の数や接続関係、などは適宜変更することが可能である。例えば、電極の接続関係の一例として、トランジスタ２５０のゲート電極層２１０ａと、トランジスタ１５０のソース電極層１０８ａまたはドレイン電極層１０８ｂとが電気的に接続される構成を採用することもできる。
【０１４１】
このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタとを一体に備える構成とすることで、酸化物半導体を用いたトランジスタとは異なる電気特性を備えた半導体装置を実現することができる。
【０１４２】
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。
【０１４３】
（実施の形態５）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の具体例として、記憶装置として機能する半導体装置の構成例を説明する。なお、ここでは、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（例えば、シリコン）を用いたトランジスタと、を含む半導体装置について説明する。
【０１４４】
図８に示す半導体装置では、トランジスタ３００のゲート電極と、トランジスタ３０２のソース電極またはドレイン電極の一方とは、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３００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３００のドレイン電極とは、電気的に接続されている。そして、第３の配線（３ｒｄ Ｌｉｎｅ：第１信号線とも呼ぶ）とトランジスタ３０２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信号線とも呼ぶ）と、トランジスタ３０２のゲート電極とは、電気的に接続されている。ここで、トランジスタ３００には酸化物半導体以外の材料（例えば、シリコン）が用いられており、トランジスタ３０２には酸化物半導体材料が用いられている。
【０１４５】
酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ３００は、酸化物半導体を用いたトランジスタ３０２と比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の読み出しなどを高速に行うことが可能である。また、酸化物半導体を用いたトランジスタ３０２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ３０２をオフ状態とすることで、トランジスタ３００のゲート電極の電位を極めて長時間にわたって保持することが可能である。
【０１４６】
トランジスタ３０２のソース電極またはドレイン電極は、トランジスタ３００のゲート電極と電気的に接続されることにより、不揮発性メモリ素子として用いられるフローティングゲート型トランジスタのフローティングゲートと同等の作用を奏する。このため、本実施の形態においては、トランジスタ３０２のソース電極またはドレイン電極とトランジスタ３００のゲート電極が電気的に接続される部位をフローティングゲート部ＦＧと呼ぶ。当該フローティングゲート部ＦＧは絶縁物中に埋設されていることにより電荷を保持することができる。トランジスタ３０２はシリコン半導体で形成されるトランジスタ３００と比較して、オフ電流が１０万分の１以下であるため、フローティングゲート部ＦＧに蓄積される電荷の、トランジスタ３０２のリークによる消失を無視することができる。
【０１４７】
このような構成を採用することで、従来のフローティングゲート型トランジスタにおいて指摘されているゲート絶縁膜（トンネル絶縁膜）の劣化を回避することができる。すなわち電子をフローティングゲートに注入する際に生じるトンネル電流によってゲート絶縁膜が劣化することを解消することができる。このため、図８に示す半導体装置では、原理的に書き込み回数の制限を無視することができる。
【０１４８】
なお、フローティングゲート部ＦＧには容量素子を付加してもよい。フローティングゲート部ＦＧに容量素子を付加することで、電荷の保持が容易になり、また、各配線の電位変動に起因するフローティングゲート部ＦＧの電位変動を抑制することが容易になる。
【０１４９】
図８に示す半導体装置では、トランジスタ３００のゲート電極の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０１５０】
はじめに、情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線の電位を、トランジスタ３０２がオン状態となる電位として、トランジスタ３０２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位が、トランジスタ３００のゲート電極に与えられる（書き込み）。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ３０２がオフ状態となる電位として、トランジスタ３０２をオフ状態とすることにより、トランジスタ３００のゲート電極の電位が保持される（保持）。
【０１５１】
トランジスタ３０２のオフ電流は極めて小さいから、トランジスタ３００のゲート電極の電位は長時間にわたって保持される。例えば、トランジスタ３００のゲート電極の電位がトランジスタ３００をオン状態とする電位であれば、トランジスタ３００のオン状態が長時間にわたって保持されることになる。また、トランジスタ３００のゲート電極の電位がトランジスタ３００をオフ状態とする電位であれば、トランジスタ３００のオフ状態が長時間にわたって保持される。
【０１５２】
次に、情報の読み出しについて説明する。上述のように、トランジスタ３００のオン状態またはオフ状態が保持された状態において、第１の配線に所定の電位（低電位）が与えられると、トランジスタ３００のオン状態またはオフ状態に応じて、第２の配線の電位は異なる値をとる。例えば、トランジスタ３００がオン状態の場合には、第１の配線の電位に対して、第２の配線の電位が低下することになる。逆に、トランジスタ３００がオフ状態の場合には、第２の配線の電位は変化しない。
【０１５３】
このように、情報が保持された状態において、第１の配線の電位と第２の配線の電位とを比較することで、情報を読み出すことができる。
【０１５４】
次に、情報の書き換えについて説明する。情報の書き換えは、上記情報の書き込みおよび保持と同様に行われる。つまり、第４の配線の電位を、トランジスタ３０２がオン状態となる電位として、トランジスタ３０２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、トランジスタ３００のゲート電極に与えられる。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ３０２がオフ状態となる電位として、トランジスタ３０２をオフ状態とすることにより、新たな情報が保持された状態となる。
【０１５５】
このように、開示する発明に係る半導体装置は、再度の情報の書き込みによって直接的に情報を書き換えることが可能である。このためフラッシュメモリなどにおいて必要とされる消去動作が不要であり、消去動作に起因する動作速度の低下を抑制することができる。つまり、半導体装置の高速動作が実現される。
【０１５６】
また、本実施の形態に係る半導体装置は、トランジスタ３０２の低オフ電流特性により、極めて長時間にわたり情報を保持することが可能である。つまり、ＤＲＡＭなどで必要とされるリフレッシュ動作が不要であり、消費電力を抑制することができる。また、実質的な不揮発性の半導体装置として用いることが可能である。
【０１５７】
また、トランジスタ３０２のスイッチング動作によって情報の書き込みなどを行うため、高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。さらに、トランジスタのオン、オフによって、情報の書き込みや消去が行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
【０１５８】
また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジスタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の読み出しを高速に行うことが可能である。
【０１５９】
なお、上記説明は、電子を多数キャリアとするｎ型トランジスタ（ｎチャネル型トランジスタ）を用いる場合についてのものであるが、ｎ型トランジスタに代えて、正孔を多数キャリアとするｐ型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。
【０１６０】
本実施の形態にかかる半導体装置は、例えば先の実施の形態において説明したようなトランジスタの積層構造によって形成することができる。もちろん、開示する発明をトランジスタの積層構造に限定する必要はない。例えば、トランジスタ３００とトランジスタ３０２を同一面上に形成しても良い。また、本実施の形態にかかる半導体装置は、トランジスタ３０２のオフ電流が小さいことを利用するものであるから、トランジスタ３００については特に限定する必要はない。例えば、本実施の形態では酸化物半導体以外の材料を用いてトランジスタ３００を形成しているが、酸化物半導体を用いても構わない。
【０１６１】
また、本実施の形態では理解の簡単のため、最小単位の半導体装置について説明したが、半導体装置の構成はこれに限られるものではない。複数の半導体装置を適当に接続して、より高度な半導体装置を構成することもできる。例えば、上記半導体装置を複数用いて、ＮＡＮＤ型やＮＯＲ型の半導体装置を構成することが可能である。配線の構成も図８に限定されず、適宜変更することができる。
【０１６２】
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。
【０１６３】
（実施の形態６）
本実施の形態では、ｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタを作製し、該トランジスタを画素部、さらには駆動回路に用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製する場合について説明する。また、駆動回路の一部または全部を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
【０１６４】
本実施の形態では、本発明の一形態である半導体装置として液晶表示装置の例を示す。まず、半導体装置の一形態に相当する液晶表示パネルの外観及び断面について、図９を用いて説明する。図９（Ａ）は、第１の基板４００１上に形成されたｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１、及び液晶素子４０１３を、第２の基板４００６との間にシール材４００５によって封止した、パネルの上面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０１６５】
第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、信号線駆動回路４００３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、信号線駆動回路４００３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、信号線駆動回路４００３、及び走査線駆動回路４００４は、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とによって、液晶層４００８と共に封止されている。
【０１６６】
また、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、信号線駆動回路４００３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９（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。トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１上には絶縁層４０２０、絶縁層４０１４、および絶縁層４０２１が設けられている。
【０１６７】
トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１は、実施の形態２で示したｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１はｎチャネル型トランジスタである。
【０１６８】
絶縁層４０２１上において、駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に導電層４０４０が設けられている。導電層４０４０を酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後におけるトランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、ｃ軸配向した非単結晶層を有する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、トランジスタに光を照射しつづけて行うＢＴ試験前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減でき、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。また、導電層４０４０は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層４０４０の電位は、ＧＮＤ、０Ｖ、またはフローティング状態であってもよい。
【０１６９】
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４００６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。
【０１７０】
なお、第２の基板４００６としては、ガラス、プラスチックを用いることができる。
【０１７１】
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と同一絶縁基板上に設けられる共通電位線と電気的に接続される。また、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。
【０１７２】
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い。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５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に用いると良い。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１ｍｓｅｃ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。
【０１７３】
また、ブルー相を示す液晶を用いると、配向膜へのラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。特に、酸化物半導体層を用いるトランジスタでは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体層を用いるトランジスタを有する液晶表示装置にブルー相の液晶材料を用いることはより効果的である。
【０１７４】
なお、本実施の形態で示す液晶表示装置は透過型液晶表示装置の例であるが、反射型液晶表示装置としても良いし、半透過型液晶表示装置としても良い。
【０１７５】
また、本実施の形態で示す液晶表示装置では、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、偏光板及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、必要に応じてブラックマトリクスとして機能する遮光層を設けてもよい。
【０１７６】
また、本実施の形態では、トランジスタの表面凹凸を低減するため、及びトランジスタの信頼性を向上させるため、トランジスタを保護層や平坦化絶縁層として機能する絶縁層（絶縁層４０２０、絶縁層４０１４、絶縁層４０２１）で覆う構成となっている。なお、保護層は、大気中に浮遊する有機物や金属物、水蒸気などの汚染不純物の侵入を防ぐためのものであり、緻密な膜が好ましい。保護層は、スパッタ法を用いて、酸化珪素層、窒化珪素層、酸化窒化珪素層、窒化酸化珪素層、酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層、酸化窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層の単層、又は積層で形成すればよい。
【０１７７】
ここでは、保護層として絶縁層の積層を形成する。ここでは、一層目の絶縁層４０２０として、スパッタ法を用いて酸化珪素層を形成する。保護層として酸化珪素層を用いると、保護層と接する酸化物半導体層に酸素を添加し、酸素欠損を低減することができる。
【０１７８】
また、保護層の二層目として絶縁層４０１４を形成する。ここでは、二層目の絶縁層４０１４として、プラズマＣＶＤ法を用いて水素を含む窒化物絶縁層の一つである窒化珪素層を形成し、その後熱処理を行って酸化物半導体層に水素を拡散させる。また、保護層として窒化珪素層を用いると、ナトリウム等のイオンが半導体領域中に侵入して、トランジスタの電気特性を変化させることを抑制することができる。
【０１７９】
また、平坦化絶縁層として絶縁層４０２１を形成する。絶縁層４０２１としては、アクリル等の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層を複数積層させることで、絶縁層４０２１を形成してもよい。
【０１８０】
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（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を用いることができる。
【０１８１】
また同一基板上に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及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【０１８２】
本実施の形態では、接続端子電極４０１５が、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０と同じ導電層から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電層で形成されている。
【０１８３】
接続端子電極４０１５は、ＦＰＣ４０１８が有する端子と、異方性導電層４０１９を介して電気的に接続されている。
【０１８４】
また、必要であれば、カラーフィルタを各画素に対応して設ける。また、第１の基板４００１と第２の基板４００６の外側には偏光板や拡散板を設ける。また、バックライトの光源は冷陰極管やＬＥＤにより構成されて液晶表示モジュールとなる。
【０１８５】
液晶表示モジュールには、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０１８６】
以上の工程により、液晶表示装置を作製することができる。
【０１８７】
実施の形態２に示すｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタは、結晶性の優れた酸化物半導体層を有し、高い電界効果移動度を有するため、本実施の形態のように、これを用いて液晶表示装置を製造することで、優れた表示特性の液晶表示装置が実現される。
【０１８８】
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。
【０１８９】
（実施の形態７）
半導体装置の一形態に相当する発光表示パネル（発光パネルともいう）の外観及び断面について、図１０を用いて説明する。図１０（Ａ）は、第１の基板上に形成されたｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタ及び発光素子を、第２の基板との間にシール材によって封止した、パネルの平面図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＨ−Ｉにおける断面図に相当する。
【０１９０】
第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、信号線駆動回路４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、走査線駆動回路４５０４ｂを囲むようにして、シール材４５０５が設けられている。また画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、信号線駆動回路４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、走査線駆動回路４５０４ｂの上に第２の基板４５０６が設けられている。よって画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、信号線駆動回路４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、走査線駆動回路４５０４ｂは、第１の基板４５０１とシール材４５０５と第２の基板４５０６とによって、充填材４５０７と共に密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルムやカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。
【０１９１】
また第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、信号線駆動回路４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、走査線駆動回路４５０４ｂは、トランジスタを複数有しており、図１０（Ｂ）では、画素部４５０２に含まれるトランジスタ４５１０と、信号線駆動回路４５０３ａに含まれるトランジスタ４５０９とを例示している。
【０１９２】
トランジスタ４５０９、トランジスタ４５１０は、実施の形態２で示したｃ軸配向した酸化物半導体層を含む移動度の高いトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジスタ４５０９、トランジスタ４５１０はｎチャネル型トランジスタである。
【０１９３】
駆動回路用のトランジスタ４５０９の酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に導電層４５４０が絶縁層４５４４上に設けられている。また、導電層４５４０は、電位がトランジスタ４５０９のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層４５４０の電位は、ＧＮＤ、０Ｖ、またはフローティング状態であってもよい。
【０１９４】
トランジスタ４５０９は、保護絶縁層としてチャネル形成領域を含む半導体層に接して絶縁層４５４１が形成されている。絶縁層４５４１は実施の形態２で示した酸化物絶縁層４１２と同様な材料及び方法で形成すればよい。また、絶縁層４５４１上に保護絶縁層４５１４が形成されている。保護絶縁層４５１４は実施の形態２で示した層間絶縁層４１６と同様な材料及び方法で形成すればよい。ここでは、保護絶縁層４５１４として、ＰＣＶＤ法により窒化珪素層を形成する。
【０１９５】
また、保護絶縁層４５１４上に、トランジスタの表面凹凸を低減する平坦化絶縁層として機能する絶縁層４５４４を形成する。絶縁層４５４４としては、実施の形態６で示した絶縁層４０２１と同様な材料及び方法で形成すればよい。ここでは、絶縁層４５４４としてアクリルを用いる。
【０１９６】
また、発光素子４５１１が有する画素電極である第１の電極層４５１７は、トランジスタ４５１０のソース電極層またはドレイン電極層と電気的に接続されている。なお発光素子４５１１の構成は、第１の電極層４５１７、電界発光層４５１２、第２の電極層４５１３の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１１から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１１の構成は適宜変えることができる。
【０１９７】
隔壁４５２０は、有機樹脂層、または無機絶縁層を用いて形成する。特に感光性の材料を用い、第１の電極層４５１７上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を有する傾斜面となるようにすることが好ましい。
【０１９８】
電界発光層４５１２は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていても良い。
【０１９９】
発光素子４５１１に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４５１３及び隔壁４５２０上に保護層を形成してもよい。保護層としては、窒化珪素層、窒化酸化珪素層、ＤＬＣ層等を形成することができる。
【０２００】
また、信号線駆動回路４５０３ａ、信号線駆動回路４５０３ｂ、走査線駆動回路４５０４ａ、走査線駆動回路４５０４ｂ、または画素部４５０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４５１８ａ、ＦＰＣ４５１８ｂから供給されている。
【０２０１】
接続端子電極４５１５が、発光素子４５１１が有する第１の電極層４５１７と同じ導電層から形成され、端子電極４５１６は、トランジスタ４５０９、トランジスタ４５１０が有するソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電層から形成されている。
【０２０２】
接続端子電極４５１５は、ＦＰＣ４５１８ａが有する端子と、異方性導電層４５１９を介して電気的に接続されている。
【０２０３】
発光素子４５１１からの光の取り出し方向に位置する第２の基板４５０６は、透光性でなければならない。その場合には、ガラス板、プラスチック板、ポリエステルフィルムまたはアクリルフィルムのような透光性を有する材料を用いる。
【０２０４】
また、充填材４５０７としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂を用いることができ、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。例えば充填材として窒素を用いればよい。
【０２０５】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。
【０２０６】
以上の工程により、発光表示装置（表示パネル）を作製することができる。
【０２０７】
実施の形態２に示すｃ軸配向した酸化物半導体層を用いたトランジスタは、結晶性の優れた酸化物半導体層を有し、高い電界効果移動度を有するため、本実施の形態のように、これを用いて発光表示装置を製造することで、優れた表示特性の発光表示装置が実現される。
【０２０８】
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。
【０２０９】
（実施の形態８）
半導体装置の一形態として電子ペーパーの例を示す。
【０２１０】
実施の形態２に示す方法により得られるｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタは、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）とも呼ばれており、紙と同じように読みやすく、他の表示装置に比べ低消費電力化、薄型化、軽量化が可能という利点を有している。
【０２１１】
電気泳動ディスプレイは、様々な形態が考えられ得るが、例えば、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構成とすることができる。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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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２のｃ軸配向した酸化物半導体層を含む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。
【０２１５】
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て形成することができる。
【０２１６】
図１１には、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は、実施の形態２で示すトランジスタと同様に作製でき、ｃ軸配向した酸化物半導体層を含む移動度の高いトランジスタである。また、絶縁層５８４は、水素を含む窒化物絶縁層であり、ｃ軸配向した酸化物半導体層に水素を供給するために設けられている。
【０２１７】
図１１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の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差を生じさせての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。
【０２１８】
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、半導体層と接する絶縁層５８３に覆われている。トランジスタ５８１のソース電極層又はドレイン電極層は、第１の電極層５８７と、絶縁層５８３、絶縁層５８４、絶縁層５８５に形成された開口において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、キャビティ５９４が存在する。キャビティ５９４内は、黒色領域５９０ａ及び白色領域５９０ｂを有する球形粒子と、液体とで満たされている。また、キャビティ５９４の周囲は樹脂等の充填材５９５で充填されている。これらは第１の基板５８０及び第２の基板５９６の間に配置されている（図１１参照）。
【０２１９】
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と同一絶縁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。
【０２２０】
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〜２００μｍ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、電子ペーパーに用いることができる。
【０２２１】
以上の工程により、電子ペーパーを作製することができる。
【０２２２】
本実施の形態では、実施の形態２に示すｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタを用いて、いわゆる電子ペーパーを作製している。当該トランジスタは、結晶性の優れた酸化物半導体層を有し、高い電界効果移動度を有するため、これを用いて電子ペーパーを製造することで、優れた表示特性の電子ペーパーが実現される。
【０２２３】
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。
【０２２４】
（実施の形態９）
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、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどのカメラ、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。
【０２２５】
本実施の形態では、実施の形態６乃至実施の形態８のいずれか一で得られる表示装置を搭載した電子機器の例について図１２及び図１３を用いて説明する。
【０２２６】
図１２（Ａ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製したノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００２、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、実施の形態６に示す液晶表示装置をノート型のパーソナルコンピュータは有している。
【０２２７】
図１２（Ｂ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製した携帯情報端末（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、実施の形態７に示す発光表示装置を携帯情報端末は有している。
【０２２８】
図１２（Ｃ）は実施の形態８に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り、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。
【０２２９】
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１２（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図１２（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。
【０２３０】
また、図１２（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。
【０２３１】
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。
【０２３２】
図１２（Ｄ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製した携帯電話であり、筐体２８００及び筐体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２８００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。
【０２３３】
また、表示パネル２８０２はタッチパネル機能を備えており、図１２（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。
【０２３４】
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及びマイクロフォン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１２（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。
【０２３５】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電及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及び移動に対応できる。
【０２３６】
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。
【０２３７】
図１２（Ｅ）は少なくとも表示装置を一部品として実装して作製した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。
【０２３８】
図１３は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。
【０２３９】
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９６１０により行うことができる。リモコン操作機９６１０が備える操作キー９６０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９６０３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機９６１０に、当該リモコン操作機９６１０から出力する情報を表示する表示部９６０７を設ける構成としてもよい。
【０２４０】
なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０２４１】
表示部９６０３には、画素のスイッチング素子として、実施の形態２に示すトランジスタを複数配置し、その表示部９６０３と同一絶縁基板上に形成する駆動回路に実施の形態２に示す移動度の高いトランジスタを配置する。
【０２４２】
本実施の形態は、実施の形態１乃至８のいずれか一と自由に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０２４３】
１００ 基板
１０２ 絶縁層
１０４ 第１の酸化物半導体層
１０４ａ 島状の第１の酸化物半導体層
１０５ 第２の酸化物半導体層
１０６ 第２の酸化物半導体層
１０６ａ 島状の第２の酸化物半導体層
１０８ 導電層
１０８ａ ソース電極層
１０８ｂ ドレイン電極層
１１２ ゲート絶縁層
１１４ ゲート電極層
１１６ 層間絶縁層
１１８ 層間絶縁層
１５０ トランジスタ
２００ 基板
２０６ 素子分離絶縁層
２０８ａ ゲート絶縁層
２１０ａ ゲート電極層
２１４ 不純物領域
２１６ チャネル形成領域
２１８ サイドウォール絶縁層
２２０ 高濃度不純物領域
２２４ 金属化合物領域
２２６ 層間絶縁層
２２８ 層間絶縁層
２３０ａ ソース電極層またはドレイン電極層
２３０ｂ ソース電極層またはドレイン電極層
２３０ｃ 電極
２３４ 絶縁層
２３６ａ 電極
２３６ｂ 電極
２３６ｃ 電極
２５０ トランジスタ
２５４ａ 電極
２５４ｂ 電極
２５４ｃ 電極
２５４ｄ 電極
２５４ｅ 電極
２５６ 絶縁層
２５８ａ 電極
２５８ｂ 電極
２５８ｃ 電極
２５８ｄ 電極
３００ トランジスタ
３０２ トランジスタ
４００ 基板
４０１ ゲート電極層
４０２ ゲート絶縁層
４０４ 第１の酸化物半導体層
４０４ａ 島状の第１の酸化物半導体層
４０６ 第２の酸化物半導体層
４０６ａ 島状の第２の酸化物半導体層
４０８ａ ソース電極層
４０８ｂ ドレイン電極層
４１２ 酸化物絶縁層
４１４ 電極層
４１６ 層間絶縁層
４１８ 層間絶縁層
４５０ トランジスタ
４５１ トランジスタ
５００ 基板
５０１ ゲート電極層
５０２ ゲート絶縁層
５０４ａ 島状の第１の酸化物半導体層
５０６ａ 島状の第２の酸化物半導体層
５０８ａ ソース電極層
５０８ｂ ドレイン電極層
５１６ 層間絶縁層
５１８ 層間絶縁層
５２０ 島状の酸化物絶縁層
５５０ トランジスタ
５８０ 第１の基板
５８１ トランジスタ
５８３ 絶縁層
５８４ 絶縁層
５８５ 絶縁層
５８７ 第１の電極層
５８８ 第２の電極層
５９０ａ 黒色領域
５９０ｂ 白色領域
５９４ キャビティ
５９５ 充填材
５９６ 第２の基板
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 第１の基板
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 第２の基板
４００８ 液晶層
４０１０ トランジスタ
４０１１ トランジスタ
４０１３ 液晶素子
４０１４ 絶縁層
４０１５ 接続端子電極
４０１６ 端子電極
４０１８ ＦＰＣ
４０１９ 異方性導電層
４０２０ 絶縁層
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
４０４０ 導電層
４５０１ 第１の基板
４５０２ 画素部
４５０３ａ 信号線駆動回路
４５０３ｂ 信号線駆動回路
４５０４ａ 走査線駆動回路
４５０４ｂ 走査線駆動回路
４５０５ シール材
４５０６ 第２の基板
４５０７ 充填材
４５０９ トランジスタ
４５１０ トランジスタ
４５１１ 発光素子
４５１２ 電界発光層
４５１３ 第２の電極層
４５１４ 保護絶縁層
４５１５ 接続端子電極
４５１６ 端子電極
４５１７ 第１の電極層
４５１８ａ ＦＰＣ
４５１８ｂ ＦＰＣ
４５１９ 異方性導電層
４５２０ 隔壁
４５４０ 導電層
４５４１ 絶縁層
４５４４ 絶縁層
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０３ 表示部
９６０５ スタンド
９６０７ 表示部
９６０９ 操作キー
９６１０ リモコン操作機
【技術分野】
【０００１】
トランジスタなどの半導体素子を少なくとも一つの素子として含む回路を有する半導体装置およびその作製方法に関する。例えば、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモリ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路、液晶表示パネルに代表される電気光学装置や有機発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載した電子機器に関する。
【０００２】
なお、本明細書中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、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等に形成されるトランジスタはアモルファスシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコンを用いたトランジスタは電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化に対応することができる。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタの電界効果移動度は高いがガラス基板の大面積化には適していないという欠点を有している。
【０００４】
シリコンを用いたトランジスタに対して、酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば酸化物半導体として、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物を用いてトランジスタを作製し、表示装置の画素のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献１および特許文献２で開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
また、大型の表示装置が普及しつつある。家庭用のテレビにおいても表示画面の対角が４０インチから５０インチクラスのテレビも普及し始めている。
【０００７】
従来の酸化物半導体を用いたトランジスタの電界効果移動度は１０〜２０ｃｍ２／Ｖｓが得られている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルファスシリコンのトランジスタの１０倍以上の電界効果移動度が得られるため、大型の表示装置においても画素のスイッチング素子としては十分な性能が得られる。
【０００８】
しかし、酸化物半導体を用いたトランジスタを半導体装置の駆動デバイス、例えば大型の表示装置等の駆動回路の一つのスイッチング素子として用いるには限界があった。
【０００９】
本発明の一態様は、基板の大面積化を可能とするとともに、結晶性の優れた酸化物半導体層を形成し、所望の高い電界効果移動度を有するトランジスタを製造可能とし、大型の表示装置や高性能の半導体装置等の実用化を図ることを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
トランジスタの電界効果移動度を高める方法の一つとして、酸化物半導体層の結晶化を行う。第１の酸化物半導体層の成膜後にアニールを行い、その上面に第２の酸化物半導体層の成膜を行い、その後、膜表面より上方の第２の酸化物半導体層の表面に向かって結晶成長をさせる。第１の結晶層の結晶は、第２の酸化物半導体層にとっては種結晶に相当する。その上側に第２の結晶層が形成されることが重要である。この第１の結晶層及び第２の結晶層を形成する方法は、六方晶を作る全ての酸化物半導体で有効である。なお、第１の結晶層及び第２の結晶層は、チャネル形成領域で各結晶のａ軸およびｂ軸が配向し、かつ、第１の酸化物半導体層の表面に対して垂直にｃ軸配向した非単結晶体である。
【００１１】
また、トランジスタの電界効果移動度を高める方法の一つとして、酸化物半導体層の高純度化も結晶化と同時、または別工程で行う。具体的には、ドナー準位を構成する水または水素を除去し、さらに酸素欠損を低減した後、酸化物半導体層を構成する主成分材料の酸素を十分に供給することにより、酸化物半導体層を高純度化することである。
【００１２】
酸化物半導体層に酸素を供給する方法としては、酸化物半導体層に接して酸化物絶縁層を形成する、または酸化物絶縁層を形成した後に熱処理を行うことが挙げられる。
【００１３】
そして、酸化物半導体層に酸素を供給した後、酸化物半導体層の上方に形成する層間膜として水素を含む窒化物絶縁層を形成し、加熱して窒化物絶縁膜から酸化物半導体層の界面（具体的には酸化物絶縁層との界面）または膜中に水素を拡散して特性改善を図る。例えば、酸化物絶縁層として酸化珪素の層（ＳｉＯｘ層）を用いた場合、加熱により、窒化物絶縁膜から拡散された水素は、酸化物半導体層とＳｉＯｘ層との界面のＳｉの未結合手や、酸化物半導体中の酸素などの未結合手などを終端させる。本発明の一態様は、結晶化により、ｃ軸配向させた後の酸化物半導体層に対して意図的に適量の水素を添加して、界面準位をなくすことを特徴の一つとしている。なお、本明細書において、「水素を含む」とは、酸化物半導体層に接する絶縁層と比較して多くの水素を含むことをいう。例えば、水素を含む絶縁層中の水素濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。
【００１４】
本明細書で開示する本発明の一態様は、絶縁表面を有する基板上に第１の酸化物半導体層を形成し、第１の加熱処理を行うことにより、第１の酸化物半導体層の表面から内部に向かって結晶成長し、該表面と略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶領域を形成し、第１の酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層を形成し、第２の加熱処理を行うことにより、結晶領域から結晶成長させて第２の酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化し、第２の酸化物半導体層上に導電層を形成し、導電層をエッチングすることにより、ソース電極層およびドレイン電極層を形成し、第２の酸化物半導体層、ソース電極層およびドレイン電極層を覆うように酸化物絶縁層を形成し、第３の加熱処理を行うことにより、第２の酸化物半導体層に酸素を供給し、酸化物絶縁層上の第２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、酸化物絶縁層およびゲート電極層上に、水素を含む窒化物絶縁層を形成し、第４の加熱処理を行うことにより、少なくとも第２の酸化物半導体層と酸化物絶縁層の界面に水素を供給する半導体装置の作製方法である。
【００１５】
また、上記方法により得られる構成も本発明の一態様であり、その構成は、絶縁表面を有する基板上に、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層上に接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層の積層上にソース電極層またはドレイン電極層と、第２の酸化物半導体層上に接する酸化物絶縁層と、酸化物絶縁層上にゲート電極層と、ゲート電極層上に水素を含む窒化物絶縁層とを有する半導体装置である。
【００１６】
また、他の本発明の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート電極層を覆うように第１の酸化物絶縁層を形成し、ゲート電極層および第１の酸化物絶縁層上に第１の酸化物半導体層を形成し、第１の加熱処理を行うことにより、第１の酸化物半導体層の表面から内部に向かって結晶成長し、該表面と略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶領域を形成し、第１の酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層を形成し、第２の加熱処理を行うことにより、結晶領域から結晶成長させて第２の酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化し、第２の酸化物半導体層上に導電層を形成し、導電層をエッチングすることにより、ソース電極層およびドレイン電極層を形成し、第２の酸化物半導体層、ソース電極層およびドレイン電極層を覆うように第２の酸化物絶縁層を形成し、第３の加熱処理を行うことにより、第２の酸化物半導体層に酸素を供給し、第２の酸化物絶縁層上に、水素を含む窒化物絶縁層を形成し、第４の加熱処理を行うことにより、少なくとも第１の酸化物半導体層と第１の酸化物絶縁層の界面に水素を供給する半導体装置の作製方法である。
【００１７】
また、上記方法により得られる構成も本発明の一態様であり、その構成は、絶縁表面を有する基板上に平坦表面を有するゲート電極層と、ゲート電極層上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に少なくとも一部接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層上に接し、且つ第１の酸化物半導体層の表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の酸化物半導体層と、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層の積層上にソース電極層またはドレイン電極層と、第２の酸化物半導体層上に接する酸化物絶縁層と、酸化物絶縁層上に接する水素を含む窒化物絶縁層とを有する半導体装置である。
【００１８】
上記各作製方法の構成により、トランジスタの電界効果移動度を高くできると、例えば、表示装置において、スイッチ時間を短縮して表示特性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
下地となる基板の材料が、酸化物、窒化物、金属など、いずれの材料であっても、高い電界効果移動度を有するトランジスタを作製し、大型の表示装置や高性能の半導体装置等を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一態様を示す断面図である。
【図２】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図３】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図４】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図５】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図６】本発明の一態様を示す断面図である。
【図７】本発明の一態様を示す断面図である。
【図８】本発明の一態様を示す等価回路図である。
【図９】本発明の一態様を示す上面図及び断面図である。
【図１０】本発明の一態様を示す上面図及び断面図である。
【図１１】本発明の一態様を示す断面図である。
【図１２】電子機器の一例を示す図である。
【図１３】電子機器の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、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。また、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。
【００２２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の構成および作製方法について、図１乃至図４を参照して説明する。
【００２３】
図１は、半導体装置の構成の一例であるトランジスタ１５０を示す断面図である。なお、トランジスタ１５０は、キャリアが電子であるｎチャネル型ＩＧＦＥＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるものとして説明するが、ｐチャネル型ＩＧＦＥＴを作製することも可能である。
【００２４】
トランジスタ１５０の作製方法について図２または図３を参照して以下に説明する。
【００２５】
まず、基板１００上に、絶縁層１０２を形成する。そして、絶縁層１０２上に第１の酸化物半導体層を成膜し、第１の加熱処理によって少なくとも第１の酸化物半導体層の表面を含む領域を結晶化させて、第１の酸化物半導体層１０４を形成する（図２（Ａ）参照）。
【００２６】
基板１００は、絶縁表面を有する基板であればよく、例えば、ガラス基板とすることができる。特に大面積のガラス基板は、本発明の一態様に係る半導体装置を低コストで大量生産することができるため、好ましい。また、ガラス基板は無アルカリガラス基板であることが望ましい。無アルカリガラス基板には、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等のガラス材料が用いられる。他にも、基板１００として、石英基板、サファイア基板等の絶縁体でなる絶縁性基板、シリコン等の半導体材料でなる半導体基板の表面を絶縁材料で被覆したもの、金属やステンレス等の導電体でなる導電性基板の表面を絶縁材料で被覆したものを用いることができる。
【００２７】
絶縁層１０２は下地として機能するものであり、ＣＶＤ法やスパッタ法等を用いて形成することができる。また、絶縁層１０２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、絶縁層１０２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。絶縁層１０２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。なお、絶縁層１０２は必須の構成要素ではないから、絶縁層１０２を設けない構成とすることも可能である。
【００２８】
また、絶縁層１０２上に形成される第１の酸化物半導体層は、三元系金属酸化物であり、Ｉｎ−ＭＸ−ＺｎＹ−ＯＺ（Ｙ＝０．５〜５）で表現される酸化物半導体材料を用いても良い。ここで、Ｍは、ガリウム（Ｇａ）やアルミニウム（Ａｌ）やボロン（Ｂ）などの１３族元素から選択される一または複数種類の元素を表す。なお、Ｉｎ、Ｍ、Ｚｎ、及びＯの含有量は任意であり、Ｍの含有量がゼロ（即ち、Ｘ＝０）の場合を含む。一方、ＩｎおよびＺｎの含有量はゼロではない。すなわち、上述の表記には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−ＯやＩｎ−Ｚｎ−Ｏなどが含まれる。
【００２９】
また、第１の酸化物半導体層として他にも四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏや、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏや、二元系金属酸化物であるＳｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏや、単元系金属酸化物であるＩｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｏなどを用いることもできる。
【００３０】
本実施の形態では、第１の酸化物半導体層を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体成膜用ターゲットを用いて、スパッタ法により形成することとする。
【００３１】
第１の酸化物半導体層をスパッタ法で作製するためのターゲットとしては、例えば、酸化亜鉛を主成分とする酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることができる。また、Ｉｎ、Ｇａ、およびＺｎを含む酸化物半導体成膜用ターゲットの組成比は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：ｘ：ｙ（ｘは０以上、ｙは０．５以上５以下）とする。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ比］（ｘ＝１、ｙ＝１）（すなわち、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ比］）の組成比を有するターゲットなどを用いても良い。また、酸化物半導体成膜用ターゲットとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５［ａｔｏｍ比］の組成比を有するターゲット、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：０：１［ａｔｏｍ比］（ｘ＝０、ｙ＝１）の組成比を有するターゲットを用いることもできる。本実施の形態では、後に加熱処理を行い第１の酸化物半導体層を意図的に結晶化させるため、結晶化が生じやすい酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることが好ましい。
【００３２】
酸化物半導体成膜用ターゲット中の酸化物半導体の相対密度は８０％以上、好ましくは９５％以上、さらに好ましくは９９．９％以上とする。相対密度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、緻密な第１の酸化物半導体層が形成される。また、本実施の形態では、後に加熱処理を行い第１の酸化物半導体層を意図的に結晶化させるため、結晶化が生じやすい酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることが好ましい。
【００３３】
第１の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の濃度が数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雰囲気を用いるのが好適である。
【００３４】
第１の酸化物半導体層の形成の際には、例えば、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℃以下にする。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第１の酸化物半導体層を形成する。基板を熱しながら第１の酸化物半導体層を形成することにより、第１の酸化物半導体層に含まれる不純物を低減することができる。また、スパッタによる損傷が軽減される。第１の酸化物半導体層の成膜を行う前、または成膜中、または成膜後に、スパッタ装置に残存している水分などを除去することが好ましい。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などを用いることができる。また、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いてもよい。クライオポンプを用いて排気した処理室は、水素や水などが除去されているため、第１の酸化物半導体層の不純物濃度を低減できる。
【００３５】
なお、第１の酸化物半導体層の成膜を行う前、スパッタ装置に残存している水分などを除去するためにプリヒート処理を行うと良い。プリヒート処理としては成膜チャンバー内を減圧下で２００℃〜６００℃に加熱する方法や、加熱しながら窒素や不活性ガスの導入と排気を繰り返す方法等がある。プリヒート処理を終えたら、基板またはスパッタ装置を冷却した後、大気にふれることなく酸化物半導体層の成膜を行う。この場合のターゲット冷却液は、水ではなく油脂等を用いるとよい。加熱せずに窒素の導入と排気を繰り返しても一定の効果が得られるが、加熱しながら行うとなお良い。
【００３６】
第１の酸化物半導体層の形成条件としては、例えば、基板とターゲットの間との距離が１７０ｍｍ、圧力が０．４Ｐａ、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、膜厚のばらつきも小さくなるため好ましい。第１の酸化物半導体層の厚さは、３ｎｍ以上１５ｎｍ以下とするのが好ましく、本実施の形態では一例として５ｎｍとする。ただし、適用する酸化物半導体材料や用途などにより適切な厚さは異なるから、その厚さは、用いる材料や用途などに応じて選択すればよい。
【００３７】
また、第１の酸化物半導体層の結晶化としては、第１の加熱処理を行い、少なくとも第１の酸化物半導体層の表面を含む領域を結晶化させ、第１の酸化物半導体層１０４を形成する。また、この第１の加熱処理により、第１の酸化物半導体層中の水（水酸基を含む）や水素などを除去することができる。第１の加熱処理の温度は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは５５０℃以上７５０℃以下とする。また、加熱時間は１分以上２４時間以下とする。本実施の形態では、第１の加熱処理として、窒素雰囲気下で７００℃、１時間の熱処理を行い、脱水または脱水素化が行われた後、雰囲気を切り替えて酸素雰囲気にすることで第１の酸化物半導体層内部に酸素を供給する。
【００３８】
なお、第１の加熱処理においては、窒素、酸素、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、酸素、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。また、Ｈ２Ｏが２０ｐｐｍ以下の乾燥空気中で、さらに好ましくは、Ｈ２Ｏが１ｐｐｍ以下の乾燥空気中で、第１の加熱処理を行っても良い。このような第１の加熱処理によって第１の酸化物半導体層１０４中の水（水酸基を含む）や水素などを除去することができる。
【００３９】
第１の加熱処理によって少なくとも表面を含む領域に結晶領域を有する第１の酸化物半導体層１０４を形成する。表面を含む領域に形成される結晶領域は、表面から内部に向かって結晶成長することで形成される。当該結晶領域は、平均厚さが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の板状結晶である。また、当該結晶領域は、該表面に対して略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶を有する領域である。ここで、略垂直とは、垂直方向から±１０°以内の状態を言うものとする。
【００４０】
なお、第１の加熱処理に用いる加熱処理装置は特に限られず、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などを用いることができる。例えば、電気炉や、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。
【００４１】
次に、少なくとも表面を含む領域に結晶領域を有する第１の酸化物半導体層１０４上に、第２の酸化物半導体層１０５を形成する（図２（Ｂ）参照）。
【００４２】
第２の酸化物半導体層１０５は、第１の酸化物半導体層と同様に、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏや、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏや、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏや、単元系金属酸化物であるＩｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｏなどを用いて形成することができる。
【００４３】
なお、第２の酸化物半導体層１０５は、第１の酸化物半導体層１０４と同一主成分の材料を用いること、あるいは同一の結晶構造かつ近接した格子定数（格子定数のミスマッチが１％以下）を有することが好ましい。または異なる主成分の材料を用いて形成しても良い。
【００４４】
同一主成分の材料を用いる場合、後に行われる第２の酸化物半導体層１０５の結晶化において、第１の酸化物半導体層１０４の結晶領域の結晶を種結晶として結晶成長を行いやすくなる。また、実質的な膜厚を増加させることができるため、パワーデバイスなどの用途には好適である。さらに、同一主成分材料である場合には、密着性などの界面物性や電気的特性も良好である。
【００４５】
本実施の形態では、第２の酸化物半導体層１０５を、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体成膜用ターゲットを用いて、スパッタ法により成膜する。第２の酸化物半導体層１０５のスパッタ法による成膜は、上述した第１の酸化物半導体層のスパッタ法による成膜と同様に行えばよい。ただし、第２の酸化物半導体層１０５の厚さは、第１の酸化物半導体層１０４の厚さより厚くすることが好ましい。また、第１の酸化物半導体層１０４と第２の酸化物半導体層１０５の厚さの和が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるように、第２の酸化物半導体層１０５を形成することが好ましい。なお、適用する酸化物半導体材料や用途などにより適切な厚さは異なるから、その厚さは、用いる材料や用途などに応じて選択すればよい。
【００４６】
次に、第２の酸化物半導体層１０５に第２の加熱処理を行い、第１の酸化物半導体層１０４の結晶領域を種結晶領域として結晶成長させて、第２の酸化物半導体層１０６を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【００４７】
第２の加熱処理の温度は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは６００℃以上７００℃以下とする。第２の加熱処理の加熱時間は１分以上１００時間以下とし、好ましくは５時間以上２０時間以下とし、代表的には１０時間とする。
【００４８】
なお、第２の加熱処理においても、窒素、酸素、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、酸素、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（９９．９９９９９９％）以上、とすることが好ましい。また、Ｈ２Ｏが２０ｐｐｍ以下の乾燥空気中で、さらに好ましくは、Ｈ２Ｏが１ｐｐｍ以下の乾燥空気中で、第２の加熱処理を行っても良い。このような第２の加熱処理によって第２の酸化物半導体層１０６中の水（水酸基を含む）や水素などを除去することができる。よって不純物を低減して高純度化し、ｉ型化または実質的にｉ型化された第１の酸化物半導体層１０４及び第２の酸化物半導体層１０６を形成できる。
【００４９】
また、第２の加熱処理の昇温時には炉の内部を窒素雰囲気とし、冷却時には炉の内部を酸素雰囲気として雰囲気を切り替えてもよく、窒素雰囲気で脱水または脱水化が行われた後、雰囲気を切り替えて酸素雰囲気にすることで第２の酸化物半導体層１０６内部に酸素を供給することができる。
【００５０】
このように、第２の加熱処理を行うことにより、第２の酸化物半導体層１０５と第１の酸化物半導体層１０４の界面に形成された結晶領域から第２の酸化物半導体層１０５全体を結晶化させ、第２の酸化物半導体層１０６を形成することができる。また、第２の加熱処理によって、さらに高い配向性を有する結晶層からなる第１の酸化物半導体層１０４とすることができる。
【００５１】
上記酸化物半導体層は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つｍは自然数でない）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、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及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏなどがある。また、ＩｎＧａｘＺｎｙＯｚで表される材料を用いることができる。ここで、ｘ、ｙ、ｚは任意の数である。また、ｘ、ｙ、ｚは整数である必要はなく、非整数であっても良い。なお、ｘは０であっても良いが、ｙは０でないことが望ましい。例えば、当該表記は、ｘが０であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏの結晶を含んでいる。また、本明細書でいうＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏで表記される結晶は、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つｍは自然数でない）であり、ｍが自然数でないことは、ＩＣＰ−ＭＳ分析や、ＲＢＳ分析を用いて確認することができる。また、ｘ＝１、ｙ＝１で表記される結晶や、ｘ＝１、ｙ＝０．５で表記される結晶などを含む。このような結晶は、第２の加熱処理によって、そのｃ軸が、第２の酸化物半導体層１０６表面と略垂直な方向をとるように配向する。
【００５２】
ここで、上述の結晶は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎのいずれかを含有し、ａ軸（ａ−ａｘｉｓ）およびｂ軸（ｂ−ａｘｉｓ）に平行なレイヤーの積層構造として捉えることができる。具体的には、上述の結晶は、Ｉｎを含有するレイヤーと、Ｉｎを含有しないレイヤー（ＧａまたはＺｎを含有するレイヤー）が、ｃ軸（ｃ−ａｘｉｓ）方向に積層された構造を有する。上記酸化物半導体層は、結晶性を有する領域を含み、当該結晶性を有する領域は、ａ−ｂ面が膜表面に概略平行であり、ｃ軸が膜表面に概略垂直である結晶よりなる。つまり、当該酸化物半導体層に含まれる結晶性を有する領域は、ｃ軸配向している。また、このようにｃ軸が配向した結晶性を有する領域を含むので、当該酸化物半導体層を、Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ； ＣＡＡＣともよぶ。つまり、当該結晶性を有する領域を含む酸化物半導体層は非単結晶であり、且つ膜全体は非晶質状態とはならない。
【００５３】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体結晶では、Ｉｎを含有するレイヤーの、ａ軸およびｂ軸に平行な方向に関する導電性は良好である。これは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体結晶では電気伝導が主としてＩｎによって制御されること、および、一のＩｎの５ｓ軌道が、隣接するＩｎの５ｓ軌道と重なりを有することにより、キャリアパスが形成されることによる。
【００５４】
また、第１の酸化物半導体層１０４が絶縁層１０２との界面に非晶質領域を有するような構造の場合、第２の加熱処理を行うことにより、第１の酸化物半導体層１０４の表面に形成されている結晶領域から第１の酸化物半導体層１０４の下面に向かって結晶成長が行われ、該非晶質領域が結晶化される場合もある。なお、絶縁層１０２を構成する材料や、熱処理の条件などによっては、該非晶質領域が残存する場合もある。
【００５５】
第１の酸化物半導体層１０４と第２の酸化物半導体層１０５とに同一主成分の酸化物半導体材料を用いる場合、図２（Ｃ）に示すように、第１の酸化物半導体層１０４の結晶を結晶成長の種結晶として、第２の酸化物半導体層１０５の表面に向かって上方に結晶成長し、第２の酸化物半導体層１０６が形成され、第１の酸化物半導体層１０４と、第２の酸化物半導体層１０６とが、同一結晶構造を有する。そのため、図２（Ｃ）では点線で示したが、第１の酸化物半導体層１０４と第２の酸化物半導体層１０６の境界が判別できなくなり、第１の酸化物半導体層１０４と第２の酸化物半導体層１０６を同一の層と見なせることもある。
【００５６】
なお、第２の加熱処理に用いる加熱処理装置も第１の加熱処理と同様の条件で用いることができる。
【００５７】
次に、マスクを用いたエッチングなどの方法によって第１の酸化物半導体層１０４及び第２の酸化物半導体層１０６を加工して、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ及び島状の第２の酸化物半導体層１０６ａを形成する（図２（Ｄ）参照）。
【００５８】
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、その両方を組み合わせて用いることもできる。酸化物半導体層を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）は適宜設定する。
【００５９】
ドライエッチングに用いることができ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（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、四塩化炭素（ＣＣｌ４）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（ＣＦ４）、六弗化硫黄（ＳＦ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、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。
【００６０】
また、ウェットエッチングに用いることができ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がある。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。
【００６１】
次に、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａに接するように導電層１０８を形成する（図２（Ｅ）参照）。
【００６２】
導電層１０８は、スパッタ法をはじめとする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１０８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て形成することができる。また、導電層１０８は、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数を含む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一または複数含有させた材料を用いてもよい。また、導電層１０８の他の材料として、窒化チタン、窒化タンタルなどのバリア性の高い材料を用いてもよい。窒化チタンや窒化タンタルなどのバリア性の高い材料を、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと接する部分に用いることで、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａへの不純物の侵入を抑制し、トランジスタ特性への悪影響を抑えることができる。
【００６３】
また、導電層１０８は、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する場合がある）、酸化インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）、または、これらの金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含有させたものを用いることができる。
【００６４】
導電層１０８としては、チタン層上にアルミニウム層と、該アルミニウム層上にチタン層が積層された三層の積層構造とすることが好ましい。また、金属導電膜としてアルミニウム層とタングステン層を積層した二層の積層構造、銅層とタングステン層を積層した二層の積層構造、アルミニウム層とモリブデン層を積層した二層の積層構造とすることもできる。勿論、金属導電膜として単層、または４層以上の積層構造としてもよい。ここでは、チタン膜の単層構造を適用する。チタン膜の単層構造を用いると、後のエッチングの際に良好なテーパー形状を形成するエッチングを実現することができる。
【００６５】
次に、導電層１０８を選択的にエッチングして、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂを形成する（図３（Ａ）参照）。
【００６６】
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ＡｒＦレーザ光を用いるのが好適である。特に、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（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）を用いてマスク形成の露光を行うのが好適である。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（１μｍ）以下とすることも可能である。このような方法でチャネル長を小さくすることにより、動作速度を向上させることもできる。また、上記酸化物半導体を用いたトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、微細化による消費電力の増大を抑制できる。
【００６７】
導電層１０８のエッチングの際には、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ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、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ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。
【００６８】
また、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの側面において、ソース電極層１０８ａ、またはドレイン電極層１０８ｂと接する部分が非晶質状態となることもある。
【００６９】
次に、大気に触れさせないようにし、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの一部に接するゲート絶縁層１１２を形成する（図３（Ｂ）参照）。ゲート絶縁層１１２は、ＣＶＤ法やスパッタ法等を用いて形成することができる。また、ゲート絶縁層１１２は、酸化珪素、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１１２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。積層構造とする場合は、酸化物半導体と接する層を上記材料とし、その上に窒化珪素膜を積層することもできる。ゲート絶縁層１１２の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。
【００７０】
本実施の形態では、スパッタ法により、酸素雰囲気下で酸化珪素膜を成膜してゲート絶縁層１１２を形成する。ゲート絶縁層１１２の成膜時に酸素を島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの一部に対して添加し、酸素を供給することができる。
【００７１】
また、ゲート絶縁層１１２として、１×１０１１／ｃｍ３以上のプラズマ密度を達成できる高密度プラズマ装置を用い、緻密で絶縁耐圧の高い高品質なゲート絶縁層を形成してもよい。
【００７２】
その後、不活性ガス雰囲気下、または酸素雰囲気下で第３の加熱処理を行うのが望ましい。第３の加熱処理の温度は、２００℃以上４５０℃以下、望ましくは２５０℃以上３５０℃以下である。例えば、酸素を含む雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行えばよい。第３の加熱処理を行うと、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａに酸素を供給し、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ中の酸素欠損を低減することができる。
【００７３】
次に、ゲート絶縁層１１２上の島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ及び島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと重畳する領域にゲート電極層１１４を形成する（図３（Ｃ）参照）。ゲート電極層１１４は、ゲート絶縁層１１２上に導電層を形成した後に、当該導電層を選択的にパターニングすることによって形成することができる。
【００７４】
上記導電層は、スパッタ法をはじめとする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て形成することができる。また、上述した元素の窒化物である、窒化チタン、窒化タンタルなどを用いて形成しても良い。マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数を含む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一または複数含有させた材料を用いてもよい。
【００７５】
次に、ゲート絶縁層１１２およびゲート電極層１１４上に、水素を含む層間絶縁層１１６を形成した後、第４の加熱処理を行う（図３（Ｄ）参照）。例えば、水素を含む層間絶縁層１１６中の水素濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。水素を含む層間絶縁層１１６は、ＣＶＤ法などを用いて形成することができる。本実施の形態では、ＣＶＤ法により得られる窒化物絶縁層の一つである窒化珪素膜を用いる。
【００７６】
第４の加熱処理は、窒素雰囲気下、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下とする。また、第４の加熱処理は、窒素雰囲気下に限定されず、酸素雰囲気、希ガス雰囲気、乾燥空気雰囲気で行えばよい。
【００７７】
水素を含む層間絶縁層１１６を形成した後の第４の加熱処理は、層間絶縁層１１６に含まれる水素を拡散させて、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ、及び島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの欠陥（例えば、酸化物半導体中における酸素などの未結合手など）や、界面のＳｉの未結合手を終端する工程である。酸化珪素膜からなる絶縁膜（ゲート絶縁層１１２）の存在に関係なく島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ、および島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの膜中またはこれらの酸化物半導体層とＳｉＯｘ層（ゲート絶縁層１１２）の界面に水素を拡散させることができる。
【００７８】
以上により、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａの結晶領域から結晶成長させた島状の第２の酸化物半導体層１０６ａを用い、層間絶縁層１１６に含まれる水素を拡散させて欠陥を終端させたトランジスタ１５０が完成する。
【００７９】
次いで、層間絶縁層１１６上に層間絶縁層１１８を形成し、図１に示す断面構造とする。層間絶縁層１１８は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて得られる酸化珪素、窒化酸化珪素、窒化珪素、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。また、層間絶縁層１１８の材料として、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の有機樹脂を用いることもできる。なお、本実施の形態では、層間絶縁層１１６と層間絶縁層１１８の積層構造としているが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。１層としても良いし、３層以上の積層構造としても良い。
【００８０】
なお、上記層間絶縁層１１８は、その表面が平坦になるように形成することが望ましい。表面が平坦になるように層間絶縁層１１８を形成することで、層間絶縁層１１８上に、電極や配線などを好適に形成することができるためである。
【００８１】
図１に示すトランジスタ１５０は、基板１００上に絶縁層１０２を介して設けられた島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ上に設けられた島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと電気的に接続するソース電極層１０８ａ、および、ドレイン電極層１０８ｂと、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ、ソース電極層１０８ａ、およびドレイン電極層１０８ｂを覆うゲート絶縁層１１２と、ゲート絶縁層１１２上のゲート電極層１１４と、を有する。
【００８２】
また、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａでは、一般的なシリコンウェハにおけるキャリア濃度（１×１０１４／ｃｍ３程度）と比較して、十分に小さいキャリア濃度の値（例えば、１×１０１２／ｃｍ３未満、より好ましくは、１．４５×１０１０／ｃｍ３未満）をとる。また、ドレイン電圧が１Ｖから１０Ｖの範囲のいずれかの電圧において、チャネル長が１０μｍであり、酸化物半導体層の合計膜厚３０ｎｍの場合において、オフ電流（ゲートソース間の電圧を０Ｖ以下としたときのソースドレイン間に流れる電流）が１×１０−１３Ａ以下、またはオフ電流密度（オフ電流をトランジスタのチャネル幅で除した数値）は１００ａＡ（ａ（アト）は１０−１８倍を示す）／μｍ以下、好ましくは１０ａＡ／μｍ以下、更に好ましくは１ａＡ／μｍ以下にすることができる。なお、オフ電流とドレイン電圧との値が分かればオームの法則からトランジスタがオフのときの抵抗値（オフ抵抗Ｒ）を算出することができ、チャネル形成領域の断面積Ａとチャネル長Ｌが分かればρ＝ＲＡ／Ｌの式（Ｒはオフ抵抗）からオフ抵抗率ρを算出することもできる。オフ抵抗率は１×１０９Ω・ｍ以上（又は１×１０１０Ω・ｍ）が好ましい。ここで、断面積Ａは、チャネル形成領域の膜厚をｄとし、チャネル幅をＷとするとき、Ａ＝ｄＷから算出することができる。
【００８３】
また、加熱して層間絶縁層１１６に含まれる水素を島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａに拡散させるため、水素の拡散する量によっては、キャリア濃度の値が１×１０１４／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３未満をとりうる。
【００８４】
アモルファスシリコンのトランジスタのオフ電流が１×１０−１２Ａ程度であるのに対し、酸化物半導体を用いたトランジスタのオフ電流は、その１００００分の１以下である。このように、ｉ型化または実質的にｉ型化された酸化物半導体を用いることで、極めて優れたオフ電流特性のトランジスタ１５０を得ることができる。
【００８５】
また、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの材料を同じ物とした場合（いわゆるホモ・エピ成長の場合）、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの境界が判別できなくなるため図１では点線で示したが、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａを同一の層と見なせることもある（図１参照）。また、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａのいずれも非単結晶状態となる。
【００８６】
もちろん、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの材料を異なるものとしても良い。島状の第１の酸化物半導体層１０４ａと島状の第２の酸化物半導体層１０６ａの材料を異なるものとする場合（いわゆるヘテロ・エピ成長の場合）には、例えば、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａに二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏを用い、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａに三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを用いる構成などを採用することができる。
【００８７】
また、酸化物半導体層のうち、チャネル形成領域となる領域は、少なくとも平坦面を有していることが好ましい。また、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層は、同じｃ軸配向をしている非単結晶体である。なお、第２の酸化物半導体層表面の高低差は、ゲート電極層と重畳する領域（チャネル形成領域）において、１ｎｍ以下（好ましくは０．２ｎｍ以下）であることが好ましい。
【００８８】
（実施の形態２）
実施の形態１ではトップゲート型のトランジスタの作製例を示したが、本実施の形態では、ボトムゲート型のトランジスタの作製例について説明する。
【００８９】
まず、絶縁表面を有する基板上に、導電膜を形成した後、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層４０１を設ける。
【００９０】
基板４００としては、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や、シリコン基板、石英基板などを用いる。
【００９１】
本実施の形態では基板４００としてガラス基板を用い、後に形成する酸化物半導体層を結晶化するための加熱を行うため、基板４００に対して６５０℃、６分の加熱処理を２回行う。成膜前に基板の加熱を行うことにより、基板の収縮による膜剥がれや、マスクの位置ずれを抑える。
【００９２】
また、下地層となる絶縁層を基板４００とゲート電極層４０１の間に設けてもよい。下地層は、基板４００からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化珪素、酸化珪素、窒化酸化珪素、または酸化窒化珪素から選ばれた一または複数の層による積層構造により形成することができる。
【００９３】
ゲート電極層４０１としては、金属導電層を用いることができる。金属導電層の材料としては、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等を用いるのが好ましい。例えば、チタン層上にアルミニウム層と、該アルミニウム層上にチタン層が積層された三層の積層構造とすることが好ましい。勿論、金属導電層として単層、または２層構造、または４層以上の積層構造としてもよい。後に加熱処理を行う場合、ゲート電極層４０１としてその加熱処理温度に耐えうる材料を選択することが好ましい。
【００９４】
次いで、ゲート電極層４０１上にゲート絶縁層４０２を形成する。ゲート絶縁層４０２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタ法等を用いて、酸化珪素層、窒化珪素層、酸化ハフニウム層、酸化窒化珪素層又は窒化酸化珪素層を単層で又は積層して形成することができる。例えば、窒化珪素膜と酸化珪素膜の積層とする。ゲート絶縁層４０２の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。
【００９５】
本実施の形態において、ゲート絶縁層４０２の形成は、高密度プラズマ装置により行う。ここでは、高密度プラズマ装置は、１×１０１１／ｃｍ３以上のプラズマ密度を達成できる装置を指している。例えば、３ｋＷ〜６ｋＷのマイクロ波電力を印加してプラズマを発生させて、絶縁膜の成膜を行う。
【００９６】
チャンバーに材料ガスとしてモノシランガス（ＳｉＨ４）と亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）と希ガスを導入し、１０Ｐａ〜３０Ｐａの圧力下で高密度プラズマを発生させてガラス等の絶縁表面を有する基板上に絶縁膜を形成する。その後、モノシランガス（ＳｉＨ４）の供給を停止し、大気に曝すことなく亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）と希ガスとを導入して絶縁膜表面にプラズマ処理を行ってもよい。少なくとも亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）と希ガスとを導入して絶縁膜表面に行われるプラズマ処理は、絶縁膜の成膜より後に行う。上記プロセス順序を経た絶縁膜は、膜厚が薄く、例えば１００ｎｍ未満であっても信頼性を確保することができる絶縁膜である。
【００９７】
本実施の形態では、ゲート絶縁層４０２として高密度プラズマ装置による膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素膜（ＳｉＯｘＮｙとも呼ぶ、ただし、ｘ＞ｙ＞０）を用いる。
【００９８】
次いで、ゲート絶縁層４０２上に、厚さ２ｎｍ以上１５ｎｍ以下の第１の酸化物半導体層を形成する。また、第１の酸化物半導体層は、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）及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成することができる。本実施の形態では、後に加熱処理を行い意図的に結晶化させるため、結晶化が生じやすい酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることが好ましい。
【００９９】
次いで、第１の酸化物半導体層の第１の加熱処理を行い、少なくとも一部を結晶化させる。第１の加熱処理の温度は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは６００℃以上７００℃以下とする。また、加熱時間は１分以上２４時間以下とする。第１の加熱処理によって表面から結晶成長した非単結晶層である第１の酸化物半導体層４０４を形成する（図４（Ａ）参照）。また、表面付近に形成される結晶層は、その表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている。
【０１００】
なお、第１の加熱処理においては、窒素、酸素、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、酸素、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、とすることが好ましい。また、Ｈ２Ｏが２０ｐｐｍ以下の乾燥空気雰囲気下で第１の加熱処理を行っても良い。
【０１０１】
また、第１の加熱処理の昇温時には炉の内部を窒素雰囲気とし、冷却時には炉の内部を酸素雰囲気として雰囲気を切り替えてもよく、窒素雰囲気で脱水または脱水化が行われた後、雰囲気を切り替えて酸素雰囲気にすることで第１の酸化物半導体層内部に酸素を供給してｉ型とすることができる。
【０１０２】
次いで、板状結晶である第１の酸化物半導体層４０４上に、少なくとも第１の酸化物半導体層４０４よりも膜厚の厚い第２の酸化物半導体層を形成する。なお、第２の酸化物半導体層の膜厚は、作製するデバイスによって最適な膜厚を実施者が決定すればよい。例えば、ボトムゲート型トランジスタを作製する場合は、第１の酸化物半導体層４０４と第２の酸化物半導体層の合計膜厚は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。
【０１０３】
また、第１の酸化物半導体層と第２の酸化物半導体層は、同一成分を含む材料を用いること、あるいは同一の結晶構造かつ近接した格子定数（格子定数のミスマッチが１％以下）を有することが好ましい。同一成分を含む材料を用いる場合、後に行われる結晶化において第１の酸化物半導体層の板状結晶を種結晶として結晶成長を行いやすくなる。また、同一成分を含む材料である場合には、密着性などの界面物性や電気的特性も良好である。
【０１０４】
次いで、第２の加熱処理を行い、第１の酸化物半導体層の結晶層の結晶を種結晶として結晶成長を行う。第２の加熱処理の温度は、４５０℃以上８５０℃以下、好ましくは５５０℃以上６５０℃以下とする。また、加熱時間は１分以上２４時間以下とする。第２の加熱処理によって第２の酸化物半導体層を結晶化させる。こうして結晶化した第２の酸化物半導体層４０６を得ることができる（図４（Ｂ）参照）。
【０１０５】
次いで、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層からなる酸化物半導体層をフォトリソグラフィ工程により島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ及び島状の第２の酸化物半導体層４０６ａに加工する。次いで、ゲート絶縁層４０２、及び島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ及び島状の第２の酸化物半導体層４０６ａ上に、スパッタ法などにより金属導電膜を形成した後、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金属電極層を形成する。
【０１０６】
後にソース電極層及びドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）となる金属導電膜の材料としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどの金属材料、または該金属材料を成分とする合金材料で形成する。また、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｓｃ、ＹなどＡｌ膜に生ずるヒロックやウィスカーの発生を防止する元素が添加されているＡｌ材料を用いることで耐熱性を向上させることが可能となる。
【０１０７】
例えば、金属導電膜としては、チタン層上にアルミニウム層と、該アルミニウム層上にチタン層が積層された三層の積層構造とすることが好ましい。また、金属導電膜としてアルミニウム層とタングステン層を積層した二層の積層構造、銅層とタングステン層を積層した二層の積層構造、アルミニウム層とモリブデン層を積層した二層の積層構造とすることもできる。勿論、金属導電膜として単層、または４層以上の積層構造としてもよい。
【０１０８】
次いで、レジストマスクを除去し、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４０８ａ、及びドレイン電極層４０８ｂを形成した後、レジストマスクを除去する。なお、このエッチング工程では、島状の第２の酸化物半導体層４０６ａの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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
次いで、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４１２を形成した後、第３の加熱処理を行う（図４（Ｃ）参照）。
【０１１１】
本実施の形態では、酸化物絶縁層４１２として膜厚３００ｎｍ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）と酸素の混合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。結晶化させた島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ及び、結晶化させた島状の第２の酸化物半導体層４０６ａに接して形成する酸化物絶縁層４１２は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の膜厚とし、代表的には酸化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウム膜などを用いる。
【０１１２】
また、第３の加熱処理の温度は、２００℃以上４５０℃以下、望ましくは２５０℃以上３５０℃以下である。例えば、酸素を含む雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行えばよい。第３の加熱処理を行うと、島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ及び、島状の第２の酸化物半導体層４０６ａに酸素を供給し、島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ及び、島状の第２の酸化物半導体層４０６ａ中の酸素欠損を低減することができる。
【０１１３】
次いで、酸化物絶縁層４１２上に、水素を含む層間絶縁層４１６を形成した後、第４の加熱処理を行う（図４（Ｄ）参照）。水素を含む層間絶縁層４１６は、ＣＶＤ法などを用いて形成することができる。本実施の形態では、ＣＶＤ法により得られる水素を含む窒化物絶縁層の一つである窒化珪素膜を用いる。
【０１１４】
第４の加熱処理は、窒素雰囲気下、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下とする。また、第４の加熱処理は、窒素雰囲気下に限定されず、酸素雰囲気、希ガス雰囲気、乾燥空気雰囲気で行えばよい。
【０１１５】
水素を含む層間絶縁層４１６を形成した後の第４の加熱処理は、層間絶縁層４１６に含まれる水素を拡散させて、島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ、及び島状の第２の酸化物半導体層４０６ａの欠陥を終端する工程である。酸化珪素膜からなる絶縁膜（酸化物絶縁層４１２）の存在に関係なく島状の第１の酸化物半導体層４０４ａ、及び島状の第２の酸化物半導体層４０６ａの膜中またはこれらの酸化物半導体層とＳｉＯｘ層（酸化珪素膜）の界面に水素を拡散させることができる。
【０１１６】
以上により、島状の第１の酸化物半導体層４０４ａの結晶領域から結晶成長させた島状の第２の酸化物半導体層４０６ａを用い、層間絶縁層４１６に含まれる水素を拡散させて欠陥を終端させたトランジスタ４５０が完成する。
【０１１７】
次いで、層間絶縁層４１６上に層間絶縁層４１８を形成し、図４（Ｅ）に示す断面構造とする。層間絶縁層４１８は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて得られる酸化珪素、窒化酸化珪素、窒化珪素、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。また、層間絶縁層４１８の材料として、アクリル等の有機樹脂を用いることもできる。なお、本実施の形態では、層間絶縁層４１６と層間絶縁層４１８の積層構造としているが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。１層としても良いし、３層以上の積層構造としても良い。
【０１１８】
また、図４（Ｅ）に示すように、ゲート電極層４０１は、ソース電極層４０８ａ（またはドレイン電極層４０８ｂ）と重なる領域を有することも特徴の一つである。上記島状の酸化物半導体層は、ソース電極層４０８ａの端部とゲート絶縁層４０２の段差、即ち断面図においてゲート絶縁層の平坦面からテーパー面となる変化点との間の領域（ここでは図４（Ｅ）中で示したＬＯＶ領域）を有している。ＬＯＶ領域は、ゲート電極層の端部で生じる結晶粒界に、キャリアが流れないようにするために重要である。
【０１１９】
また、酸化物絶縁層４１２上にバックゲートとして機能する電極層を形成してもよい。その場合の作製例を図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す。図４（Ｃ）の状態を得た後、ゲート電極層４０１に達するコンタクトホールを形成し（図示しない）、酸化物絶縁層４１２上に電極層４１４を形成する（図５（Ａ）参照）。次いで、電極層４１４及び酸化物絶縁層４１２上に、水素を含む層間絶縁層４１６を形成する。そして第４の加熱処理を行って図５（Ｂ）に示すトランジスタ４５１を得ることができる。電極層４１４を酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験（バイアス−熱ストレス試験）前後におけるトランジスタ４５１のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、ｃ軸配向した非単結晶層を有する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、トランジスタに光を照射しつづけて行うＢＴ試験前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減でき、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。また、電極層４１４は、電位がトランジスタ４５１のゲート電極層４０１と異なっていても良い。また、電極層４１４の電位がＧＮＤ、０Ｖ、或いはフローティング状態であってもよい。
【０１２０】
（実施の形態３）
本実施の形態では、チャネルストップ型のトランジスタの例を図６を用いて示す。
【０１２１】
本実施の形態は、実施の形態２と一部異なるだけであるため、詳細な説明はここでは省略することとする。
【０１２２】
以下に工程を順に説明する。実施の形態２と同様に、基板５００上にゲート電極層５０１、ゲート絶縁層５０２を形成する。次いで、実施の形態２と同様に、第１の酸化物半導体層を形成し、第１の加熱処理を行って第１の酸化物半導体層を結晶化させる。次いで、実施の形態２と同様に、第２の酸化物半導体層を形成し、第２の加熱処理を行って第２の酸化物半導体層を結晶化させる。
【０１２３】
次いで、酸化物絶縁層を形成し、第３の加熱処理を行う。酸化物絶縁層は、実施の形態２に示した酸化物絶縁層４１２と同じ材料を用いる。また、第３の加熱処理も実施の形態２に示した第３の加熱処理と同じ条件とし、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層に酸素を供給し、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層中の酸素欠損を低減する。
【０１２４】
次いで、フォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを酸化物絶縁層上に形成し、選択的にエッチングを行って島状の第１の酸化物半導体層５０４ａ、及び島状の第２の酸化物半導体層５０６ａを形成する。
【０１２５】
次いで、レジストマスクを除去し、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島状の酸化物絶縁層５２０を形成する。
【０１２６】
次いで、島状の酸化物絶縁層５２０、及び島状の第１の酸化物半導体層５０４ａ、及び島状の第２の酸化物半導体層５０６ａ上に、スパッタ法などにより金属導電膜を形成した後、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５０８ａ及びドレイン電極層５０８ｂを形成する。
【０１２７】
次いで、島状の酸化物絶縁層５２０、ソース電極層５０８ａ、及びドレイン電極層５０８ｂ上に水素を含む層間絶縁層５１６を形成した後、第４の加熱処理を行う。また、第４の加熱処理も実施の形態２に示した第４の加熱処理と同じ条件とし、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層に水素を供給し、第１の酸化物半導体層及び第２の酸化物半導体層中の欠損を低減する。
【０１２８】
以上により、島状の第１の酸化物半導体層５０４ａの結晶領域から結晶成長させた島状の第２の酸化物半導体層５０６ａを用い、層間絶縁層５１６に含まれる水素を拡散させて欠陥を終端させたチャネルストップ型のトランジスタ５５０が完成する。
【０１２９】
次いで、層間絶縁層５１６上に平坦化のための層間絶縁層５１８を形成し、図６に示す断面構造を得ることができる。
【０１３０】
なお、本実施の形態は、実施の形態２と自由に組み合わせることができる。
【０１３１】
（実施の形態４）
本実施の形態では、先の実施の形態において説明した半導体装置を半導体集積回路に用いる場合の一例として、先の実施の形態において説明した半導体装置と別の半導体材料を用いた半導体装置との積層構造を有する半導体装置について、図７を参照して説明する。
【０１３２】
図７は、本実施の形態にかかる半導体装置の構成の一例を示す断面図である。図７中のＡ１−Ａ２はトランジスタ２５０のチャネル長方向に平行に沿って切った断面であり、Ｂ１−Ｂ２はトランジスタ１５０のチャネル長方向に平行に沿って切った断面である。図７に示される半導体装置は、下部に、酸化物半導体以外の材料（例えば、シリコン）を用いたトランジスタ２５０を有し、上部に酸化物半導体を用いたトランジスタ１５０を有するものである。酸化物半導体を用いたトランジスタ１５０は、図１に示したトランジスタ１５０である。なお、トランジスタ２５０およびトランジスタ１５０は、いずれもｎ型トランジスタとして説明するが、ｐ型トランジスタを採用しても良い。特に、トランジスタ２５０は、ｐ型とすることが容易である。
【０１３３】
トランジスタ２５０は、半導体材料を含む基板２００に設けられたチャネル形成領域２１６と、チャネル形成領域２１６を挟むように設けられた不純物領域２１４および高濃度不純物領域２２０（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２１６上に設けられたゲート絶縁層２０８ａと、ゲート絶縁層２０８ａ上に設けられたゲート電極層２１０ａと、不純物領域２１４と電気的に接続するソース電極層またはドレイン電極層２３０ａ、および、ソース電極層またはドレイン電極層２３０ｂを有する（図７参照）。
【０１３４】
ここで、ゲート電極層２１０ａの側面にはサイドウォール絶縁層２１８が設けられている。また、基板２００の主平面に垂直な方向から見てサイドウォール絶縁層２１８と重ならない領域には、高濃度不純物領域２２０を有し、高濃度不純物領域２２０と接する金属化合物領域２２４を有する。また、基板２００上にはトランジスタ２５０を囲むように素子分離絶縁層２０６が設けられており、トランジスタ２５０を覆うように、層間絶縁層２２６および層間絶縁層２２８が設けられている。ソース電極層またはドレイン電極層２３０ａ、ソース電極層またはドレイン電極層２３０ｂは、層間絶縁層２２６および層間絶縁層２２８に形成された開口を通じて、金属化合物領域２２４と電気的に接続されている。つまり、ソース電極層またはドレイン電極層２３０ａ、ソース電極層またはドレイン電極層２３０ｂは、金属化合物領域２２４を介して高濃度不純物領域２２０および不純物領域２１４と電気的に接続されている。ソース電極層またはドレイン電極層２３０ａ、ソース電極層またはドレイン電極層２３０ｂと同様に、電極２３０ｃが層間絶縁層２２６および層間絶縁層２２８に設けられた開口に形成されている。また、層間絶縁層２２８上には絶縁層２３４が設けられており、当該絶縁層２３４に埋め込まれるように、電極２３６ａ、電極２３６ｂ、電極２３６ｃが設けられている。ここで、電極２３６ａはソース電極層またはドレイン電極層２３０ａと接しており、電極２３６ｂはソース電極層またはドレイン電極層２３０ｂと接しており、電極２３６ｃは電極２３０ｃと接している。
【０１３５】
トランジスタ１５０は、絶縁層１０２上に設けられた島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ上に設けられ、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａおよび島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと電気的に接続されているソース電極層１０８ａ、ドレイン電極層１０８ｂと、島状の第１の酸化物半導体層１０４ａ、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａ、ソース電極層１０８ａ、およびドレイン電極層１０８ｂを覆うように設けられたゲート絶縁層１１２と、ゲート絶縁層１１２上の、島状の第２の酸化物半導体層１０６ａと重畳する領域に設けられたゲート電極層１１４と、を有する（図７参照）。
【０１３６】
また、トランジスタ１５０上には、層間絶縁層１１６および層間絶縁層１１８が設けられている。ここで、ゲート絶縁層１１２、層間絶縁層１１６、および層間絶縁層１１８には、ソース電極層１０８ａ、ドレイン電極層１０８ｂにまで達する開口が設けられており、当該開口を通じて、電極２５４ｄ、電極２５４ｅが、それぞれ、ソース電極層１０８ａ、ドレイン電極層１０８ｂに接して形成されている。また、電極２５４ｄ、電極２５４ｅと同様に、ゲート絶縁層１１２、層間絶縁層１１６、および層間絶縁層１１８に設けられた開口を通じて、電極２３６ａ、電極２３６ｂ、電極２３６ｃに接する電極２５４ａ、電極２５４ｂ、電極２５４ｃが形成されている。
【０１３７】
また、層間絶縁層１１８上には絶縁層２５６が設けられており、当該絶縁層２５６に埋め込まれるように、電極２５８ａ、電極２５８ｂ、電極２５８ｃ、電極２５８ｄが設けられている。ここで、電極２５８ａは電極２５４ａと接しており、電極２５８ｂは電極２５４ｂと接しており、電極２５８ｃは電極２５４ｃおよび電極２５４ｄと接しており、電極２５８ｄは電極２５４ｅと接している。
【０１３８】
つまり、トランジスタ１５０のソース電極層１０８ａまたはドレイン電極層１０８ｂは、電極２３０ｃ、電極２３６ｃ、電極２５４ｃ、電極２５８ｃ、電極２５４ｄを介して、他の要素（酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタなど）と電気的に接続されている（図７参照）。さらに、トランジスタ１５０のソース電極層１０８ａまたはドレイン電極層１０８ｂは、電極２５４ｅ、電極２５８ｄを介して、他の要素に電気的に接続されている。なお、接続に係る電極（電極２３０ｃ、電極２３６ｃ、電極２５４ｃ、電極２５８ｃ、電極２５４ｄ等）の構成は、上記に限定されず、適宜追加、省略等が可能である。
【０１３９】
なお、各種電極（例えば、電極２５８ａ、電極２５８ｂ、電極２５８ｃ、電極２５８ｄなど）の一部には銅を含む材料を用いることが好ましい。これらの一部に銅を含む材料を用いることで、導電性を向上させることができる。銅を含む電極や配線は、いわゆるダマシンプロセスなどによって形成することが可能である。
【０１４０】
以上、本実施の形態では、積層構造にかかる半導体装置の代表的な一例について説明したが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。例えば、トランジスタの構成、絶縁層の数や配置、電極や配線の数や接続関係、などは適宜変更することが可能である。例えば、電極の接続関係の一例として、トランジスタ２５０のゲート電極層２１０ａと、トランジスタ１５０のソース電極層１０８ａまたはドレイン電極層１０８ｂとが電気的に接続される構成を採用することもできる。
【０１４１】
このように、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタと、酸化物半導体を用いたトランジスタとを一体に備える構成とすることで、酸化物半導体を用いたトランジスタとは異なる電気特性を備えた半導体装置を実現することができる。
【０１４２】
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。
【０１４３】
（実施の形態５）
本実施の形態では、開示する発明の一態様に係る半導体装置の具体例として、記憶装置として機能する半導体装置の構成例を説明する。なお、ここでは、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（例えば、シリコン）を用いたトランジスタと、を含む半導体装置について説明する。
【０１４４】
図８に示す半導体装置では、トランジスタ３００のゲート電極と、トランジスタ３０２のソース電極またはドレイン電極の一方とは、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３００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３００のドレイン電極とは、電気的に接続されている。そして、第３の配線（３ｒｄ Ｌｉｎｅ：第１信号線とも呼ぶ）とトランジスタ３０２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信号線とも呼ぶ）と、トランジスタ３０２のゲート電極とは、電気的に接続されている。ここで、トランジスタ３００には酸化物半導体以外の材料（例えば、シリコン）が用いられており、トランジスタ３０２には酸化物半導体材料が用いられている。
【０１４５】
酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタ３００は、酸化物半導体を用いたトランジスタ３０２と比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の読み出しなどを高速に行うことが可能である。また、酸化物半導体を用いたトランジスタ３０２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ３０２をオフ状態とすることで、トランジスタ３００のゲート電極の電位を極めて長時間にわたって保持することが可能である。
【０１４６】
トランジスタ３０２のソース電極またはドレイン電極は、トランジスタ３００のゲート電極と電気的に接続されることにより、不揮発性メモリ素子として用いられるフローティングゲート型トランジスタのフローティングゲートと同等の作用を奏する。このため、本実施の形態においては、トランジスタ３０２のソース電極またはドレイン電極とトランジスタ３００のゲート電極が電気的に接続される部位をフローティングゲート部ＦＧと呼ぶ。当該フローティングゲート部ＦＧは絶縁物中に埋設されていることにより電荷を保持することができる。トランジスタ３０２はシリコン半導体で形成されるトランジスタ３００と比較して、オフ電流が１０万分の１以下であるため、フローティングゲート部ＦＧに蓄積される電荷の、トランジスタ３０２のリークによる消失を無視することができる。
【０１４７】
このような構成を採用することで、従来のフローティングゲート型トランジスタにおいて指摘されているゲート絶縁膜（トンネル絶縁膜）の劣化を回避することができる。すなわち電子をフローティングゲートに注入する際に生じるトンネル電流によってゲート絶縁膜が劣化することを解消することができる。このため、図８に示す半導体装置では、原理的に書き込み回数の制限を無視することができる。
【０１４８】
なお、フローティングゲート部ＦＧには容量素子を付加してもよい。フローティングゲート部ＦＧに容量素子を付加することで、電荷の保持が容易になり、また、各配線の電位変動に起因するフローティングゲート部ＦＧの電位変動を抑制することが容易になる。
【０１４９】
図８に示す半導体装置では、トランジスタ３００のゲート電極の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。
【０１５０】
はじめに、情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第４の配線の電位を、トランジスタ３０２がオン状態となる電位として、トランジスタ３０２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位が、トランジスタ３００のゲート電極に与えられる（書き込み）。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ３０２がオフ状態となる電位として、トランジスタ３０２をオフ状態とすることにより、トランジスタ３００のゲート電極の電位が保持される（保持）。
【０１５１】
トランジスタ３０２のオフ電流は極めて小さいから、トランジスタ３００のゲート電極の電位は長時間にわたって保持される。例えば、トランジスタ３００のゲート電極の電位がトランジスタ３００をオン状態とする電位であれば、トランジスタ３００のオン状態が長時間にわたって保持されることになる。また、トランジスタ３００のゲート電極の電位がトランジスタ３００をオフ状態とする電位であれば、トランジスタ３００のオフ状態が長時間にわたって保持される。
【０１５２】
次に、情報の読み出しについて説明する。上述のように、トランジスタ３００のオン状態またはオフ状態が保持された状態において、第１の配線に所定の電位（低電位）が与えられると、トランジスタ３００のオン状態またはオフ状態に応じて、第２の配線の電位は異なる値をとる。例えば、トランジスタ３００がオン状態の場合には、第１の配線の電位に対して、第２の配線の電位が低下することになる。逆に、トランジスタ３００がオフ状態の場合には、第２の配線の電位は変化しない。
【０１５３】
このように、情報が保持された状態において、第１の配線の電位と第２の配線の電位とを比較することで、情報を読み出すことができる。
【０１５４】
次に、情報の書き換えについて説明する。情報の書き換えは、上記情報の書き込みおよび保持と同様に行われる。つまり、第４の配線の電位を、トランジスタ３０２がオン状態となる電位として、トランジスタ３０２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、トランジスタ３００のゲート電極に与えられる。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ３０２がオフ状態となる電位として、トランジスタ３０２をオフ状態とすることにより、新たな情報が保持された状態となる。
【０１５５】
このように、開示する発明に係る半導体装置は、再度の情報の書き込みによって直接的に情報を書き換えることが可能である。このためフラッシュメモリなどにおいて必要とされる消去動作が不要であり、消去動作に起因する動作速度の低下を抑制することができる。つまり、半導体装置の高速動作が実現される。
【０１５６】
また、本実施の形態に係る半導体装置は、トランジスタ３０２の低オフ電流特性により、極めて長時間にわたり情報を保持することが可能である。つまり、ＤＲＡＭなどで必要とされるリフレッシュ動作が不要であり、消費電力を抑制することができる。また、実質的な不揮発性の半導体装置として用いることが可能である。
【０１５７】
また、トランジスタ３０２のスイッチング動作によって情報の書き込みなどを行うため、高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。さらに、トランジスタのオン、オフによって、情報の書き込みや消去が行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
【０１５８】
また、酸化物半導体以外の材料を用いたトランジスタは、酸化物半導体を用いたトランジスタと比較して、さらなる高速動作が可能なため、これを用いることにより、記憶内容の読み出しを高速に行うことが可能である。
【０１５９】
なお、上記説明は、電子を多数キャリアとするｎ型トランジスタ（ｎチャネル型トランジスタ）を用いる場合についてのものであるが、ｎ型トランジスタに代えて、正孔を多数キャリアとするｐ型トランジスタを用いることができるのはいうまでもない。
【０１６０】
本実施の形態にかかる半導体装置は、例えば先の実施の形態において説明したようなトランジスタの積層構造によって形成することができる。もちろん、開示する発明をトランジスタの積層構造に限定する必要はない。例えば、トランジスタ３００とトランジスタ３０２を同一面上に形成しても良い。また、本実施の形態にかかる半導体装置は、トランジスタ３０２のオフ電流が小さいことを利用するものであるから、トランジスタ３００については特に限定する必要はない。例えば、本実施の形態では酸化物半導体以外の材料を用いてトランジスタ３００を形成しているが、酸化物半導体を用いても構わない。
【０１６１】
また、本実施の形態では理解の簡単のため、最小単位の半導体装置について説明したが、半導体装置の構成はこれに限られるものではない。複数の半導体装置を適当に接続して、より高度な半導体装置を構成することもできる。例えば、上記半導体装置を複数用いて、ＮＡＮＤ型やＮＯＲ型の半導体装置を構成することが可能である。配線の構成も図８に限定されず、適宜変更することができる。
【０１６２】
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。
【０１６３】
（実施の形態６）
本実施の形態では、ｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタを作製し、該トランジスタを画素部、さらには駆動回路に用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製する場合について説明する。また、駆動回路の一部または全部を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。
【０１６４】
本実施の形態では、本発明の一形態である半導体装置として液晶表示装置の例を示す。まず、半導体装置の一形態に相当する液晶表示パネルの外観及び断面について、図９を用いて説明する。図９（Ａ）は、第１の基板４００１上に形成されたｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１、及び液晶素子４０１３を、第２の基板４００６との間にシール材４００５によって封止した、パネルの上面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０１６５】
第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、信号線駆動回路４００３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、信号線駆動回路４００３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、信号線駆動回路４００３、及び走査線駆動回路４００４は、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とによって、液晶層４００８と共に封止されている。
【０１６６】
また、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、信号線駆動回路４００３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９（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。トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１上には絶縁層４０２０、絶縁層４０１４、および絶縁層４０２１が設けられている。
【０１６７】
トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１は、実施の形態２で示したｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１はｎチャネル型トランジスタである。
【０１６８】
絶縁層４０２１上において、駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に導電層４０４０が設けられている。導電層４０４０を酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後におけるトランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、ｃ軸配向した非単結晶層を有する酸化物半導体層を用いたトランジスタは、トランジスタに光を照射しつづけて行うＢＴ試験前後においてもトランジスタのしきい値電圧の変化量が低減でき、安定した電気的特性を有するトランジスタを作製することができる。また、導電層４０４０は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層４０４０の電位は、ＧＮＤ、０Ｖ、またはフローティング状態であってもよい。
【０１６９】
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４００６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。
【０１７０】
なお、第２の基板４００６としては、ガラス、プラスチックを用いることができる。
【０１７１】
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と同一絶縁基板上に設けられる共通電位線と電気的に接続される。また、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。
【０１７２】
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い。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５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に用いると良い。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１ｍｓｅｃ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。
【０１７３】
また、ブルー相を示す液晶を用いると、配向膜へのラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。特に、酸化物半導体層を用いるトランジスタでは、静電気の影響によりトランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体層を用いるトランジスタを有する液晶表示装置にブルー相の液晶材料を用いることはより効果的である。
【０１７４】
なお、本実施の形態で示す液晶表示装置は透過型液晶表示装置の例であるが、反射型液晶表示装置としても良いし、半透過型液晶表示装置としても良い。
【０１７５】
また、本実施の形態で示す液晶表示装置では、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、偏光板及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、必要に応じてブラックマトリクスとして機能する遮光層を設けてもよい。
【０１７６】
また、本実施の形態では、トランジスタの表面凹凸を低減するため、及びトランジスタの信頼性を向上させるため、トランジスタを保護層や平坦化絶縁層として機能する絶縁層（絶縁層４０２０、絶縁層４０１４、絶縁層４０２１）で覆う構成となっている。なお、保護層は、大気中に浮遊する有機物や金属物、水蒸気などの汚染不純物の侵入を防ぐためのものであり、緻密な膜が好ましい。保護層は、スパッタ法を用いて、酸化珪素層、窒化珪素層、酸化窒化珪素層、窒化酸化珪素層、酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層、酸化窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層の単層、又は積層で形成すればよい。
【０１７７】
ここでは、保護層として絶縁層の積層を形成する。ここでは、一層目の絶縁層４０２０として、スパッタ法を用いて酸化珪素層を形成する。保護層として酸化珪素層を用いると、保護層と接する酸化物半導体層に酸素を添加し、酸素欠損を低減することができる。
【０１７８】
また、保護層の二層目として絶縁層４０１４を形成する。ここでは、二層目の絶縁層４０１４として、プラズマＣＶＤ法を用いて水素を含む窒化物絶縁層の一つである窒化珪素層を形成し、その後熱処理を行って酸化物半導体層に水素を拡散させる。また、保護層として窒化珪素層を用いると、ナトリウム等のイオンが半導体領域中に侵入して、トランジスタの電気特性を変化させることを抑制することができる。
【０１７９】
また、平坦化絶縁層として絶縁層４０２１を形成する。絶縁層４０２１としては、アクリル等の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層を複数積層させることで、絶縁層４０２１を形成してもよい。
【０１８０】
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（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を用いることができる。
【０１８１】
また同一基板上に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及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【０１８２】
本実施の形態では、接続端子電極４０１５が、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０と同じ導電層から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電層で形成されている。
【０１８３】
接続端子電極４０１５は、ＦＰＣ４０１８が有する端子と、異方性導電層４０１９を介して電気的に接続されている。
【０１８４】
また、必要であれば、カラーフィルタを各画素に対応して設ける。また、第１の基板４００１と第２の基板４００６の外側には偏光板や拡散板を設ける。また、バックライトの光源は冷陰極管やＬＥＤにより構成されて液晶表示モジュールとなる。
【０１８５】
液晶表示モジュールには、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０１８６】
以上の工程により、液晶表示装置を作製することができる。
【０１８７】
実施の形態２に示すｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタは、結晶性の優れた酸化物半導体層を有し、高い電界効果移動度を有するため、本実施の形態のように、これを用いて液晶表示装置を製造することで、優れた表示特性の液晶表示装置が実現される。
【０１８８】
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。
【０１８９】
（実施の形態７）
半導体装置の一形態に相当する発光表示パネル（発光パネルともいう）の外観及び断面について、図１０を用いて説明する。図１０（Ａ）は、第１の基板上に形成されたｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタ及び発光素子を、第２の基板との間にシール材によって封止した、パネルの平面図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＨ−Ｉにおける断面図に相当する。
【０１９０】
第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、信号線駆動回路４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、走査線駆動回路４５０４ｂを囲むようにして、シール材４５０５が設けられている。また画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、信号線駆動回路４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、走査線駆動回路４５０４ｂの上に第２の基板４５０６が設けられている。よって画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、信号線駆動回路４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、走査線駆動回路４５０４ｂは、第１の基板４５０１とシール材４５０５と第２の基板４５０６とによって、充填材４５０７と共に密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルムやカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。
【０１９１】
また第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、信号線駆動回路４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、走査線駆動回路４５０４ｂは、トランジスタを複数有しており、図１０（Ｂ）では、画素部４５０２に含まれるトランジスタ４５１０と、信号線駆動回路４５０３ａに含まれるトランジスタ４５０９とを例示している。
【０１９２】
トランジスタ４５０９、トランジスタ４５１０は、実施の形態２で示したｃ軸配向した酸化物半導体層を含む移動度の高いトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジスタ４５０９、トランジスタ４５１０はｎチャネル型トランジスタである。
【０１９３】
駆動回路用のトランジスタ４５０９の酸化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に導電層４５４０が絶縁層４５４４上に設けられている。また、導電層４５４０は、電位がトランジスタ４５０９のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層４５４０の電位は、ＧＮＤ、０Ｖ、またはフローティング状態であってもよい。
【０１９４】
トランジスタ４５０９は、保護絶縁層としてチャネル形成領域を含む半導体層に接して絶縁層４５４１が形成されている。絶縁層４５４１は実施の形態２で示した酸化物絶縁層４１２と同様な材料及び方法で形成すればよい。また、絶縁層４５４１上に保護絶縁層４５１４が形成されている。保護絶縁層４５１４は実施の形態２で示した層間絶縁層４１６と同様な材料及び方法で形成すればよい。ここでは、保護絶縁層４５１４として、ＰＣＶＤ法により窒化珪素層を形成する。
【０１９５】
また、保護絶縁層４５１４上に、トランジスタの表面凹凸を低減する平坦化絶縁層として機能する絶縁層４５４４を形成する。絶縁層４５４４としては、実施の形態６で示した絶縁層４０２１と同様な材料及び方法で形成すればよい。ここでは、絶縁層４５４４としてアクリルを用いる。
【０１９６】
また、発光素子４５１１が有する画素電極である第１の電極層４５１７は、トランジスタ４５１０のソース電極層またはドレイン電極層と電気的に接続されている。なお発光素子４５１１の構成は、第１の電極層４５１７、電界発光層４５１２、第２の電極層４５１３の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子４５１１から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１１の構成は適宜変えることができる。
【０１９７】
隔壁４５２０は、有機樹脂層、または無機絶縁層を用いて形成する。特に感光性の材料を用い、第１の電極層４５１７上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を有する傾斜面となるようにすることが好ましい。
【０１９８】
電界発光層４５１２は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていても良い。
【０１９９】
発光素子４５１１に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４５１３及び隔壁４５２０上に保護層を形成してもよい。保護層としては、窒化珪素層、窒化酸化珪素層、ＤＬＣ層等を形成することができる。
【０２００】
また、信号線駆動回路４５０３ａ、信号線駆動回路４５０３ｂ、走査線駆動回路４５０４ａ、走査線駆動回路４５０４ｂ、または画素部４５０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４５１８ａ、ＦＰＣ４５１８ｂから供給されている。
【０２０１】
接続端子電極４５１５が、発光素子４５１１が有する第１の電極層４５１７と同じ導電層から形成され、端子電極４５１６は、トランジスタ４５０９、トランジスタ４５１０が有するソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電層から形成されている。
【０２０２】
接続端子電極４５１５は、ＦＰＣ４５１８ａが有する端子と、異方性導電層４５１９を介して電気的に接続されている。
【０２０３】
発光素子４５１１からの光の取り出し方向に位置する第２の基板４５０６は、透光性でなければならない。その場合には、ガラス板、プラスチック板、ポリエステルフィルムまたはアクリルフィルムのような透光性を有する材料を用いる。
【０２０４】
また、充填材４５０７としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂を用いることができ、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。例えば充填材として窒素を用いればよい。
【０２０５】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。
【０２０６】
以上の工程により、発光表示装置（表示パネル）を作製することができる。
【０２０７】
実施の形態２に示すｃ軸配向した酸化物半導体層を用いたトランジスタは、結晶性の優れた酸化物半導体層を有し、高い電界効果移動度を有するため、本実施の形態のように、これを用いて発光表示装置を製造することで、優れた表示特性の発光表示装置が実現される。
【０２０８】
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。
【０２０９】
（実施の形態８）
半導体装置の一形態として電子ペーパーの例を示す。
【０２１０】
実施の形態２に示す方法により得られるｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタは、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）とも呼ばれており、紙と同じように読みやすく、他の表示装置に比べ低消費電力化、薄型化、軽量化が可能という利点を有している。
【０２１１】
電気泳動ディスプレイは、様々な形態が考えられ得るが、例えば、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構成とすることができる。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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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２のｃ軸配向した酸化物半導体層を含む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。
【０２１５】
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て形成することができる。
【０２１６】
図１１には、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は、実施の形態２で示すトランジスタと同様に作製でき、ｃ軸配向した酸化物半導体層を含む移動度の高いトランジスタである。また、絶縁層５８４は、水素を含む窒化物絶縁層であり、ｃ軸配向した酸化物半導体層に水素を供給するために設けられている。
【０２１７】
図１１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の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差を生じさせての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。
【０２１８】
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、半導体層と接する絶縁層５８３に覆われている。トランジスタ５８１のソース電極層又はドレイン電極層は、第１の電極層５８７と、絶縁層５８３、絶縁層５８４、絶縁層５８５に形成された開口において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、キャビティ５９４が存在する。キャビティ５９４内は、黒色領域５９０ａ及び白色領域５９０ｂを有する球形粒子と、液体とで満たされている。また、キャビティ５９４の周囲は樹脂等の充填材５９５で充填されている。これらは第１の基板５８０及び第２の基板５９６の間に配置されている（図１１参照）。
【０２１９】
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と同一絶縁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。
【０２２０】
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〜２００μｍ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、電子ペーパーに用いることができる。
【０２２１】
以上の工程により、電子ペーパーを作製することができる。
【０２２２】
本実施の形態では、実施の形態２に示すｃ軸配向した酸化物半導体層を含むトランジスタを用いて、いわゆる電子ペーパーを作製している。当該トランジスタは、結晶性の優れた酸化物半導体層を有し、高い電界効果移動度を有するため、これを用いて電子ペーパーを製造することで、優れた表示特性の電子ペーパーが実現される。
【０２２３】
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。
【０２２４】
（実施の形態９）
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、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどのカメラ、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。
【０２２５】
本実施の形態では、実施の形態６乃至実施の形態８のいずれか一で得られる表示装置を搭載した電子機器の例について図１２及び図１３を用いて説明する。
【０２２６】
図１２（Ａ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製したノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００２、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、実施の形態６に示す液晶表示装置をノート型のパーソナルコンピュータは有している。
【０２２７】
図１２（Ｂ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製した携帯情報端末（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、実施の形態７に示す発光表示装置を携帯情報端末は有している。
【０２２８】
図１２（Ｃ）は実施の形態８に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り、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。
【０２２９】
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１２（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図１２（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。
【０２３０】
また、図１２（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。
【０２３１】
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。
【０２３２】
図１２（Ｄ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製した携帯電話であり、筐体２８００及び筐体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２８００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。
【０２３３】
また、表示パネル２８０２はタッチパネル機能を備えており、図１２（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。
【０２３４】
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及びマイクロフォン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１２（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。
【０２３５】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電及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及び移動に対応できる。
【０２３６】
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。
【０２３７】
図１２（Ｅ）は少なくとも表示装置を一部品として実装して作製した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。
【０２３８】
図１３は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。
【０２３９】
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９６１０により行うことができる。リモコン操作機９６１０が備える操作キー９６０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９６０３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機９６１０に、当該リモコン操作機９６１０から出力する情報を表示する表示部９６０７を設ける構成としてもよい。
【０２４０】
なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０２４１】
表示部９６０３には、画素のスイッチング素子として、実施の形態２に示すトランジスタを複数配置し、その表示部９６０３と同一絶縁基板上に形成する駆動回路に実施の形態２に示す移動度の高いトランジスタを配置する。
【０２４２】
本実施の形態は、実施の形態１乃至８のいずれか一と自由に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０２４３】
１００ 基板
１０２ 絶縁層
１０４ 第１の酸化物半導体層
１０４ａ 島状の第１の酸化物半導体層
１０５ 第２の酸化物半導体層
１０６ 第２の酸化物半導体層
１０６ａ 島状の第２の酸化物半導体層
１０８ 導電層
１０８ａ ソース電極層
１０８ｂ ドレイン電極層
１１２ ゲート絶縁層
１１４ ゲート電極層
１１６ 層間絶縁層
１１８ 層間絶縁層
１５０ トランジスタ
２００ 基板
２０６ 素子分離絶縁層
２０８ａ ゲート絶縁層
２１０ａ ゲート電極層
２１４ 不純物領域
２１６ チャネル形成領域
２１８ サイドウォール絶縁層
２２０ 高濃度不純物領域
２２４ 金属化合物領域
２２６ 層間絶縁層
２２８ 層間絶縁層
２３０ａ ソース電極層またはドレイン電極層
２３０ｂ ソース電極層またはドレイン電極層
２３０ｃ 電極
２３４ 絶縁層
２３６ａ 電極
２３６ｂ 電極
２３６ｃ 電極
２５０ トランジスタ
２５４ａ 電極
２５４ｂ 電極
２５４ｃ 電極
２５４ｄ 電極
２５４ｅ 電極
２５６ 絶縁層
２５８ａ 電極
２５８ｂ 電極
２５８ｃ 電極
２５８ｄ 電極
３００ トランジスタ
３０２ トランジスタ
４００ 基板
４０１ ゲート電極層
４０２ ゲート絶縁層
４０４ 第１の酸化物半導体層
４０４ａ 島状の第１の酸化物半導体層
４０６ 第２の酸化物半導体層
４０６ａ 島状の第２の酸化物半導体層
４０８ａ ソース電極層
４０８ｂ ドレイン電極層
４１２ 酸化物絶縁層
４１４ 電極層
４１６ 層間絶縁層
４１８ 層間絶縁層
４５０ トランジスタ
４５１ トランジスタ
５００ 基板
５０１ ゲート電極層
５０２ ゲート絶縁層
５０４ａ 島状の第１の酸化物半導体層
５０６ａ 島状の第２の酸化物半導体層
５０８ａ ソース電極層
５０８ｂ ドレイン電極層
５１６ 層間絶縁層
５１８ 層間絶縁層
５２０ 島状の酸化物絶縁層
５５０ トランジスタ
５８０ 第１の基板
５８１ トランジスタ
５８３ 絶縁層
５８４ 絶縁層
５８５ 絶縁層
５８７ 第１の電極層
５８８ 第２の電極層
５９０ａ 黒色領域
５９０ｂ 白色領域
５９４ キャビティ
５９５ 充填材
５９６ 第２の基板
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 第１の基板
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 第２の基板
４００８ 液晶層
４０１０ トランジスタ
４０１１ トランジスタ
４０１３ 液晶素子
４０１４ 絶縁層
４０１５ 接続端子電極
４０１６ 端子電極
４０１８ ＦＰＣ
４０１９ 異方性導電層
４０２０ 絶縁層
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
４０４０ 導電層
４５０１ 第１の基板
４５０２ 画素部
４５０３ａ 信号線駆動回路
４５０３ｂ 信号線駆動回路
４５０４ａ 走査線駆動回路
４５０４ｂ 走査線駆動回路
４５０５ シール材
４５０６ 第２の基板
４５０７ 充填材
４５０９ トランジスタ
４５１０ トランジスタ
４５１１ 発光素子
４５１２ 電界発光層
４５１３ 第２の電極層
４５１４ 保護絶縁層
４５１５ 接続端子電極
４５１６ 端子電極
４５１７ 第１の電極層
４５１８ａ ＦＰＣ
４５１８ｂ ＦＰＣ
４５１９ 異方性導電層
４５２０ 隔壁
４５４０ 導電層
４５４１ 絶縁層
４５４４ 絶縁層
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０３ 表示部
９６０５ スタンド
９６０７ 表示部
９６０９ 操作キー
９６１０ リモコン操作機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁表面を有する基板上に第１の酸化物半導体層を形成し、
第１の加熱処理を行うことにより、前記第１の酸化物半導体層の表面から内部に向かって結晶成長し、該表面と略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶領域を形成し、
前記第１の酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層を形成し、
第２の加熱処理を行うことにより、前記結晶領域から結晶成長させて前記第２の酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化し、
前記第２の酸化物半導体層上に導電層を形成し、
前記導電層をエッチングすることにより、ソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記第２の酸化物半導体層、前記ソース電極層、および前記ドレイン電極層を覆うように酸化物絶縁層を形成し、
第３の加熱処理を行うことにより、前記第２の酸化物半導体層に酸素を供給し、
前記酸化物絶縁層上の前記第２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、
前記酸化物絶縁層および前記ゲート電極層上に、水素を含む窒化物絶縁層を形成し、
第４の加熱処理を行うことにより、少なくとも前記第２の酸化物半導体層と前記酸化物絶縁層の界面に水素を供給する半導体装置の作製方法。
【請求項２】
絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層を覆うように第１の酸化物絶縁層を形成し、
前記ゲート電極層および前記第１の酸化物絶縁層上に第１の酸化物半導体層を形成し、
第１の加熱処理を行うことにより、前記第１の酸化物半導体層の表面から内部に向かって結晶成長し、該表面と略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶領域を形成し、
前記第１の酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層を形成し、
第２の加熱処理を行うことにより、前記結晶領域から結晶成長させて前記第２の酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化し、
前記第２の酸化物半導体層上に導電層を形成し、
前記導電層をエッチングすることにより、ソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記第２の酸化物半導体層、前記ソース電極層、および前記ドレイン電極層を覆うように第２の酸化物絶縁層を形成し、
第３の加熱処理を行うことにより、前記第２の酸化物半導体層に酸素を供給し、
前記第２の酸化物絶縁層上に、水素を含む窒化物絶縁層を形成し、
第４の加熱処理を行うことにより、少なくとも前記第１の酸化物半導体層と前記第１の酸化物絶縁層の界面に水素を供給する半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記第１の加熱処理は、４５０℃以上８５０℃以下の温度であり、窒素雰囲気、酸素雰囲気、または乾燥空気雰囲気での加熱であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、前記第２の加熱処理は、４５０℃以上８５０℃以下の温度であり、窒素雰囲気、酸素雰囲気、または乾燥空気雰囲気での加熱であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記第３の加熱処理は、２００℃以上４５０℃以下での加熱であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一において、前記第４の加熱処理は、１５０℃以上４５０℃以下での加熱であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
絶縁表面を有する基板上に、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層上に接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層及び前記第２の酸化物半導体層の積層上にソース電極層またはドレイン電極層と、
前記第２の酸化物半導体層上に接する酸化物絶縁層と、
前記酸化物絶縁層上にゲート電極層と、
前記ゲート電極層上に水素を含む窒化物絶縁層とを有する半導体装置。
【請求項８】
絶縁表面を有する基板上に平坦表面を有するゲート電極層と、
前記ゲート電極層上にゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に少なくとも一部接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層上に接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層及び前記第２の酸化物半導体層の積層上にソース電極層またはドレイン電極層と、
前記第２の酸化物半導体層上に接する酸化物絶縁層と、
前記酸化物絶縁層上に接する水素を含む窒化物絶縁層とを有する半導体装置。
【請求項１】
絶縁表面を有する基板上に第１の酸化物半導体層を形成し、
第１の加熱処理を行うことにより、前記第１の酸化物半導体層の表面から内部に向かって結晶成長し、該表面と略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶領域を形成し、
前記第１の酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層を形成し、
第２の加熱処理を行うことにより、前記結晶領域から結晶成長させて前記第２の酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化し、
前記第２の酸化物半導体層上に導電層を形成し、
前記導電層をエッチングすることにより、ソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記第２の酸化物半導体層、前記ソース電極層、および前記ドレイン電極層を覆うように酸化物絶縁層を形成し、
第３の加熱処理を行うことにより、前記第２の酸化物半導体層に酸素を供給し、
前記酸化物絶縁層上の前記第２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、
前記酸化物絶縁層および前記ゲート電極層上に、水素を含む窒化物絶縁層を形成し、
第４の加熱処理を行うことにより、少なくとも前記第２の酸化物半導体層と前記酸化物絶縁層の界面に水素を供給する半導体装置の作製方法。
【請求項２】
絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、
前記ゲート電極層を覆うように第１の酸化物絶縁層を形成し、
前記ゲート電極層および前記第１の酸化物絶縁層上に第１の酸化物半導体層を形成し、
第１の加熱処理を行うことにより、前記第１の酸化物半導体層の表面から内部に向かって結晶成長し、該表面と略垂直な方向にｃ軸が配向する結晶領域を形成し、
前記第１の酸化物半導体層上に第２の酸化物半導体層を形成し、
第２の加熱処理を行うことにより、前記結晶領域から結晶成長させて前記第２の酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化し、
前記第２の酸化物半導体層上に導電層を形成し、
前記導電層をエッチングすることにより、ソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記第２の酸化物半導体層、前記ソース電極層、および前記ドレイン電極層を覆うように第２の酸化物絶縁層を形成し、
第３の加熱処理を行うことにより、前記第２の酸化物半導体層に酸素を供給し、
前記第２の酸化物絶縁層上に、水素を含む窒化物絶縁層を形成し、
第４の加熱処理を行うことにより、少なくとも前記第１の酸化物半導体層と前記第１の酸化物絶縁層の界面に水素を供給する半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記第１の加熱処理は、４５０℃以上８５０℃以下の温度であり、窒素雰囲気、酸素雰囲気、または乾燥空気雰囲気での加熱であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、前記第２の加熱処理は、４５０℃以上８５０℃以下の温度であり、窒素雰囲気、酸素雰囲気、または乾燥空気雰囲気での加熱であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、前記第３の加熱処理は、２００℃以上４５０℃以下での加熱であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一において、前記第４の加熱処理は、１５０℃以上４５０℃以下での加熱であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
絶縁表面を有する基板上に、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層上に接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層及び前記第２の酸化物半導体層の積層上にソース電極層またはドレイン電極層と、
前記第２の酸化物半導体層上に接する酸化物絶縁層と、
前記酸化物絶縁層上にゲート電極層と、
前記ゲート電極層上に水素を含む窒化物絶縁層とを有する半導体装置。
【請求項８】
絶縁表面を有する基板上に平坦表面を有するゲート電極層と、
前記ゲート電極層上にゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に少なくとも一部接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第１の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層上に接し、且つ、表面に対して垂直方向にｃ軸配向をしている第２の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層及び前記第２の酸化物半導体層の積層上にソース電極層またはドレイン電極層と、
前記第２の酸化物半導体層上に接する酸化物絶縁層と、
前記酸化物絶縁層上に接する水素を含む窒化物絶縁層とを有する半導体装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１４２３１０（Ｐ２０１１−１４２３１０Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７３１８５（Ｐ２０１０−２７３１８５）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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