半導体装置の作製方法
【課題】酸化物半導体を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し、高信頼性化する。
【解決手段】酸化物半導体層を含むトランジスタの作製工程において、酸化シリコン膜上に、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている非晶質酸化物半導体層を形成し、該非晶質酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成した後、加熱処理を行い該非晶質酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成する。
【解決手段】酸化物半導体層を含むトランジスタの作製工程において、酸化シリコン膜上に、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている非晶質酸化物半導体層を形成し、該非晶質酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成した後、加熱処理を行い該非晶質酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
【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】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００４】
例えば、トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であるインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、酸化物半導体は薄膜形成工程において、化学量論的組成からのずれや、電子供与体を形成する水素や水分の混入などが生じると、その電気伝導度が変化してしまう。このような現象は、酸化物半導体を用いたトランジスタにとって電気的特性の変動要因となる。
【０００７】
このような問題に鑑み、酸化物半導体を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し、高信頼性化することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
酸化物半導体層を含むトランジスタの作製工程において、酸化シリコン膜上に、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている非晶質酸化物半導体層を形成し、該非晶質酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成した後、加熱処理を行い該非晶質酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成する。
【０００９】
表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層（以下、結晶性酸化物半導体層ともいう）は、単結晶構造ではなく、非晶質構造でもない構造であり、ｃ軸配向を有した結晶（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ； ＣＡＡＣとも呼ぶ）を含む酸化物を有する。結晶性酸化物半導体層とすることで、可視光や紫外光の照射によるトランジスタの電気的特性変化をより抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【００１０】
酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層及び結晶性酸化物半導体層）は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。例えば、単結晶構造がＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表現される材料の場合、酸化物半導体の組成はＩｎＧａＺｎｍＯｍ＋３で表されるから、例えば、ｍ＝１（ＩｎＧａＺｎＯ４）であれば、ＩｎＧａＺｎＯｘ（ｘ＞０）のｘが４を越える酸素過剰領域を有する酸化物半導体層を用いる。このような酸素過剰領域は、酸化物半導体層の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００１１】
また、酸化物半導体層中に含まれる酸素は、下記式（１）で示すような酸化物半導体中の金属元素との結合と脱離の反応を動的に繰り返す。酸素が脱離した金属元素は未結合手を有するため、酸化物半導体層中において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在する。
【００１２】
【数１】
【００１３】
開示する発明の一形態に係る酸化物半導体層は、膜中に過剰の酸素（好ましくは化学量論的組成比より過剰の酸素）を含有することで、該酸素欠損を直ちに補填することができる。よって、膜中に存在する酸素欠損に起因するＤＯＳ（ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｓｔａｔｅ）を減少させることが可能となる。例えば、酸化物半導体層が化学量論的組成比に一致した量の酸素を含有する場合のＤＯＳの平均密度が１０１８ｃｍ−３以上１０１９ｃｍ−３以下程度である場合、化学量論的組成比より過剰な酸素を含む酸化物半導体におけるＤＯＳの平均密度は１０１５ｃｍ−３以上１０１６ｃｍ−３以下程度となりうる。
【００１４】
酸化物半導体層中に存在する過剰な酸素が、膜中に生じた酸素欠損をすぐに補填することができるため、酸素欠損に起因するドナー準位の生じる時間を短時間とし、膜中にドナー準位が存在することを低減する、実質的になくすことが可能となる。
【００１５】
酸化物半導体層上に設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【００１６】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能する。
【００１７】
また、非晶質酸化物半導体層を結晶化させる加熱処理を、酸化シリコン膜と酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【００１８】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【００１９】
また、酸化シリコン膜を該酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化シリコンの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物シリコンの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化シリコン膜の場合、酸化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超える酸素過剰領域を有する酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化シリコン膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００２０】
酸化物半導体層と接する酸化シリコン膜を、酸素を多く含む状態とすることによって、酸化物半導体層へ酸素を供給する供給源として好適に機能させることができる。
【００２１】
また、酸化アルミニウム膜も、該酸化アルミニウムが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化アルミニウムの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化アルミニウムの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＡｌＯｘ（ｘ＞０）で表現される場合、酸化アルミニウムの化学量論的組成比はＡｌ：Ｏ＝３：２であるので、ｘは３／２を超える酸素過剰領域を有する酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化アルミニウム膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００２２】
また、酸化アルミニウム膜の形成前に非晶質酸化物半導体層に水素原子または水などの水素原子を含む不純物を酸化物半導体層より意図的に排除する加熱処理による脱水化または脱水素化処理を行うことが好ましい。
【００２３】
ｎ型不純物である水素を酸化物半導体から除去し、不純物が極力含まれないように高純度化することによりＩ型（真性）の酸化物半導体、又はＩ型（真性）に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。すなわち、水素や水等の不純物を極力除去したことにより、高純度化されたＩ型（真性）半導体又はそれに近づけることができる。そうすることにより、酸化物半導体のフェルミ準位（Ｅｆ）を真性フェルミ準位（Ｅｉ）と同じレベルにまですることができる。
【００２４】
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化シリコン膜と、酸化アルミニウム膜と、酸化シリコン膜及び酸化アルミニウム膜に挟まれている非晶質酸化物半導体層を形成し、非晶質酸化物半導体層に加熱処理を行い少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成し、非晶質酸化物半導体層は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている半導体装置の作製方法である。
【００２５】
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜上に非晶質酸化物半導体層を形成し、非晶質酸化物半導体層に第１の加熱処理を行い、非晶質酸化物半導体層中に含まれる水素若しくは水分を放出させ、第１の加熱処理を行った非晶質酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成し、第１の加熱処理を行った非晶質酸化物半導体層に、第２の加熱処理を行い少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成し、非晶質酸化物半導体層は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている半導体装置の作製方法である。
【００２６】
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、上記構成において、２の加熱処理は前記第１の加熱処理の温度より高い温度で行う半導体装置の作製方法である。
【００２７】
このように、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタは、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２８】
酸化物半導体層に含まれる過剰な酸素が加熱処理で放出されないように酸化アルミニウム膜を結晶性酸化物半導体層上に設けることにより、結晶性酸化物半導体中及びその上下で接する層との界面で欠陥が生成され、また欠陥が増加することを防ぐことができる。すなわち、結晶性酸化物半導体層に含ませた過剰な酸素が、酸素空孔欠陥を埋めるように作用するので、安定した電気特性を有する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００２９】
よって、開示する発明の一形態は、安定した電気特性を有するトランジスタを作製することができる。
【００３０】
また、開示する発明の一形態は、電気特性が良好で信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図２】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図３】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図４】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図５】半導体装置の一形態を説明する図。
【図６】半導体装置の一形態を説明する図。
【図７】半導体装置の一形態を説明する図。
【図８】半導体装置の一形態を説明する図。
【図９】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１０】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１１】電子機器を示す図。
【図１２】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図１３】比較例試料ＡのＳＩＭＳデータを示す図。
【図１４】実施例試料ＡのＳＩＭＳデータを示す図。
【図１５】比較例試料ＢのＴＤＳデータを示す図。
【図１６】実施例試料ＢのＴＤＳデータを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下では、本明細書に開示する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、本明細書に開示する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、本明細書に開示する発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
【００３３】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図１を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有するトランジスタを示す。
【００３４】
トランジスタの構造は特に限定されず、例えばトップゲート構造、又はボトムゲート構造のスタガ型及びプレーナ型などを用いることができる。また、トランジスタはチャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造でもよいし、二つ形成されるダブルゲート構造もしくは三つ形成されるトリプルゲート構造などのマルチゲート構造であっても良い。また、チャネル領域の上下にゲート絶縁層を介して配置された２つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。
【００３５】
図１（Ｅ）に示すように、トランジスタ４１０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁層４０２、結晶性酸化物半導体層４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを含む。トランジスタ４１０上には、酸化物絶縁層４０７が形成されている。
【００３６】
また、酸化物絶縁層４０７は単層でも積層でもよいが、酸化アルミニウム膜を含む構造とする。本実施の形態では、ゲート絶縁層４０２は酸化シリコン膜であり、酸化物絶縁層４０７は酸化アルミニウム膜である。
【００３７】
また、結晶性酸化物半導体層４０３は、表面に概略平行なａ−ｂ面を有し、該表面に対して概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層であって、単結晶構造ではなく、非晶質構造でもない構造であり、ｃ軸配向を有した結晶（ＣＡＡＣ）を含む酸化物を有する。結晶性酸化物半導体層とすることで、可視光や紫外光の照射によるトランジスタの電気的特性変化をより抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【００３８】
図１（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４１０の作製方法の一例を示す。
【００３９】
まず、絶縁表面を有する基板４００上に導電膜を形成した後、第１のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層４０１を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００４０】
絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板４００として用いてもよい。
【００４１】
また、基板４００として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に結晶性酸化物半導体層４０３を含むトランジスタ４１０を直接作製してもよいし、他の作製基板に結晶性酸化物半導体層４０３を含むトランジスタ４１０を作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体層を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
【００４２】
下地膜となる絶縁膜を基板４００とゲート電極層４０１との間に設けてもよい。下地膜は、基板４００からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜による積層構造により形成することができる。
【００４３】
また、ゲート電極層４０１の材料は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
【００４４】
また、ゲート電極層４０１の材料は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料、また透光性を有する導電性材料の窒化物を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
【００４５】
また、ゲート電極層４０１を積層構造とし、その一層として、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物を用いてもよい。ゲート電極層４０１を積層構造とし、その一層として特に仕事関数の大きな材料であるインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸窒化物膜（ＩＧＺＯＮ膜とも呼ぶ）を用いることが好ましい。インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸窒化物膜は、アルゴン及び窒素の混合ガス雰囲気下で成膜することにより得られる。
【００４６】
例えば、ゲート電極層４０１として基板４００側から銅膜と、タングステン膜と、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸窒化物膜（ＩＧＺＯＮ膜）との積層構造、タングステン膜と、窒化タングステン膜と、銅膜と、チタン膜との積層構造などを用いることができる。
【００４７】
次いで、ゲート電極層４０１上にプラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、ゲート絶縁層４０２を形成する（図１（Ｂ）参照）。ゲート絶縁層４０２は単層でも積層でもよいが、結晶性酸化物半導体層４０３に接する膜には酸化シリコン膜を用いる。
【００４８】
結晶性酸化物半導体層４０３に接する酸化シリコン膜は該酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化シリコンの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物シリコンの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化シリコン膜の場合、酸化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超える酸素過剰領域を有する酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化シリコン膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００４９】
結晶性酸化物半導体層４０３と接する酸化シリコン膜を、酸素を多く含む状態とすることによって、酸化物半導体層へ酸素を供給する供給源として好適に機能させることができる。
【００５０】
ゲート絶縁層４０２を積層構造とする場合、結晶性酸化物半導体層４０３と接しない膜としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【００５１】
また、ゲート絶縁層４０２、ゲート絶縁層４０２上に形成される酸化物半導体膜に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、酸化物半導体膜の成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート電極層４０１が形成された基板４００、又はゲート絶縁層４０２までが形成された基板４００を予備加熱し、基板４００に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱は、酸化物絶縁層４０７の成膜前に、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂまで形成した基板４００にも同様に行ってもよい。
【００５２】
次いで、ゲート絶縁層４０２上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の非晶質酸化物半導体膜４４１を形成する（図１（Ｂ）参照）。
【００５３】
非晶質酸化物半導体膜４４１は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。例えば、単結晶構造がＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表現される材料の場合、酸化物半導体の組成はＩｎＧａＺｎｍＯｍ＋３で表されるから、例えば、ｍ＝１（ＩｎＧａＺｎＯ４）であれば、ＩｎＧａＺｎＯｘ（ｘ＞０）のｘが４を越える酸素過剰領域を有する非晶質酸化物半導体膜を用いる。このような酸素過剰領域は、非晶質酸化物半導体膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００５４】
非晶質酸化物半導体膜４４１は、成膜時に酸素が多く含まれるような条件で成膜して、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている膜としてもよいし、非晶質酸化物半導体膜を形成後に酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を過剰に含ませてもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
【００５５】
なお、非晶質酸化物半導体膜４４１をスパッタリング法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行い、ゲート絶縁層４０２の表面に付着している粉状物質（パーティクル、ごみともいう）を除去することが好ましい。逆スパッタリングとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴンに代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。
【００５６】
非晶質酸化物半導体膜４４１に用いる酸化物半導体としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物半導体や、Ｉｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体などを用いることができる。また、上記酸化物半導体はＳｉＯ２を含んでもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜、という意味であり、その化学量論的組成比はとくに問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでもよい。
【００５７】
また、非晶質酸化物半導体膜４４１は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、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。
【００５８】
また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、原子数比で、Ｉｎ／Ｚｎ＝０．５〜５０、好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１〜２０、さらに好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１．５〜１５とする。Ｚｎの原子数比を好ましい前記範囲とすることで、トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。ここで、化合物の原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。
【００５９】
本実施の形態では、非晶質酸化物半導体膜４４１としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。また、非晶質酸化物半導体膜４４１を成膜する際の雰囲気としては、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下において行うことができる。成膜によって、酸素を過剰に含む非晶質酸化物半導体膜４４１を形成する場合は、酸素雰囲気下（例えば酸素１００％）とすることが好ましい。
【００６０】
非晶質酸化物半導体膜４４１をスパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ比］の酸化物ターゲットを用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する。また、このターゲットの材料及び組成に限定されず、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ比］の金属酸化物ターゲットを用いてもよい。
【００６１】
また、金属酸化物ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．９％以下である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した非晶質酸化物半導体膜４４１は緻密な膜とすることができる。
【００６２】
非晶質酸化物半導体膜４４１を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００６３】
減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持する。そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板４００上に非晶質酸化物半導体膜４４１を成膜する。成膜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、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した非晶質酸化物半導体膜４４１に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００６４】
また、ゲート絶縁層４０２と非晶質酸化物半導体膜４４１とを大気に解放せずに連続的に形成することが好ましい。ゲート絶縁層４０２と非晶質酸化物半導体膜４４１とを大気に曝露せずに連続して形成すると、ゲート絶縁層４０２表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
【００６５】
また、非晶質酸化物半導体膜４４１に過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、非晶質酸化物半導体膜が結晶化しない温度とし、代表的には２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以下とする。
【００６６】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、非晶質酸化物半導体膜４４１が島状に加工される前に行うと、ゲート絶縁層４０２に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。
【００６７】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００６８】
また、加熱処理で非晶質酸化物半導体膜４４１を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の二窒化酸素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガスまたは二窒化酸素ガスに、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酸素ガスまたは二窒化酸素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは二窒化酸素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は二窒化酸素ガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった非晶質酸化物半導体膜を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、非晶質酸化物半導体膜を高純度化及び電気的にＩ型（真性）化することができる。
【００６９】
次いで、非晶質酸化物半導体膜４４１を第２のフォトリソグラフィ工程により島状の非晶質酸化物半導体層４４２に加工する（図１（Ｃ）参照）。また、島状の非晶質酸化物半導体層４４２を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００７０】
なお、開示する発明の一形態において、酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層及び結晶性酸化物半導体層）は、本実施の形態で示すように島状に加工してもよいし、形状を加工せず、膜状のままでもよい。
【００７１】
また、ゲート絶縁層４０２にコンタクトホールを形成する場合、その工程は非晶質酸化物半導体層４４２の加工時に同時に行うことができる。
【００７２】
なお、ここでの非晶質酸化物半導体膜４４１のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。例えば、非晶質酸化物半導体膜４４１のウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。また、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。
【００７３】
次いで、ゲート絶縁層４０２、及び非晶質酸化物半導体層４４２上に、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）となる導電膜を形成する。該導電膜は後の加熱処理に耐えられる材料を用いる。ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ、酸化インジウム酸化亜鉛またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【００７４】
第３のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成した後、レジストマスクを除去する。
【００７５】
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。
【００７６】
なお、導電膜のエッチングの際に、非晶質酸化物半導体層４４２がエッチングされ、分断することのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみをエッチングし、非晶質酸化物半導体層４４２を全くエッチングしないという条件を得ることは難しく、導電膜のエッチングの際に非晶質酸化物半導体層４４２は一部のみがエッチングされ、溝部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。
【００７７】
本実施の形態では、導電膜としてＴｉ膜を用い、非晶質酸化物半導体層４４２にはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いたので、エッチング液としてアンモニア過水（アンモニア、水、過酸化水素水の混合液）を用いる。
【００７８】
次いで、非晶質酸化物半導体層４４２の一部に接する酸化物絶縁層４０７を形成する（図１（Ｄ）参照）。酸化物絶縁層４０７も単層でも積層でもよいが、酸化アルミニウム膜を含む構造とする。
【００７９】
酸化物絶縁層４０７に含まれる酸化アルミニウム膜の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。酸化物絶縁層４０７は、スパッタリング法など、酸化物絶縁層４０７に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。酸化物絶縁層４０７に水素が含まれると、その水素の酸化物半導体層への侵入、又は水素による酸化物半導体層中の酸素の引き抜きが生じ酸化物半導体層のバックチャネルが低抵抗化（Ｎ型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、酸化物絶縁層４０７はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。
【００８０】
酸化アルミニウム膜も、該酸化アルミニウムが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化アルミニウムの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化アルミニウムの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＡｌＯｘ（ｘ＞０）で表現される場合、酸化アルミニウムの化学量論的組成比はＡｌ：Ｏ＝３：２であるので、ｘは３／２を超える酸素過剰領域を有する酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化アルミニウム膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００８１】
本実施の形態では、酸化物絶縁層４０７として膜厚１００ｎｍの酸化アルミニウム膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。酸化アルミニウム膜のスパッタリング法による成膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下において行うことができる。
【００８２】
非晶質酸化物半導体膜４４１の成膜時と同様に、酸化物絶縁層４０７の成膜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（クライオポンプなど）を用いることが好ましい。クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した酸化物絶縁層４０７に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、酸化物絶縁層４０７の成膜室内の残留水分を除去するための排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。
【００８３】
酸化物絶縁層４０７を、成膜する際に用いるスパッタガスとしては、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００８４】
酸化物絶縁層４０７を積層する場合、酸化アルミニウム膜の他に、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。図１２に酸化物絶縁層４０７を酸化物絶縁層４０７ａ、酸化物絶縁層４０７ｂの積層構造とする例を示す。
【００８５】
図１２（Ｄ）に示すように、非晶質酸化物半導体層４４２、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ上に酸化物絶縁層４０７ａを形成し、酸化物絶縁層４０７ａ上に酸化物絶縁層４０７ｂを形成する。酸化物絶縁層４０７ａは酸素の含有量が過剰な領域が含まれている酸化物絶縁層を用いると、非晶質酸化物半導体層４４２への酸素の供給源となるために好ましい。例えば、本実施の形態では、酸化物絶縁層４０７ａとして、酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている酸化シリコン膜を用い、酸化物絶縁層４０７ｂとして酸化アルミニウム膜を用いる。
【００８６】
次に非晶質酸化物半導体層４４２に加熱処理を行い、該非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む結晶性酸化物半導体層４０３を形成する。
【００８７】
非晶質酸化物半導体層４４２上に酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【００８８】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）からの放出を防止する保護膜として機能する。
【００８９】
非晶質酸化物半導体層４４２を結晶化させる加熱処理を、ゲート絶縁層４０２として設けられた酸化シリコン膜と酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層４４２を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層４４２から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層４０３は、非晶質酸化物半導体層４４２の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【００９０】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層４０３は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層４０３をトランジスタ４１０に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【００９１】
非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させる加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは５５０℃以上とする。
【００９２】
例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して減圧下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。
【００９３】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ 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。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
【００９４】
例えば、加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
【００９５】
加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気に水、水素などが含まれないことが好ましい。また、加熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度を、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。
【００９６】
高純度化された結晶性酸化物半導体層４０３中にはキャリアが極めて少なく（ゼロに近い）、キャリア濃度は１×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満である。
【００９７】
以上の工程でトランジスタ４１０が形成される（図１（Ｅ）参照）。トランジスタ４１０は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタである。よって、トランジスタ４１０は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【００９８】
本実施の形態を用いて作製した、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層４０３を用いたトランジスタ４１０は、オフ状態における電流値（オフ電流値）を、チャネル幅１μｍ当たり室温にて１０ｚＡ／μｍ未満、８５℃にて１００ｚＡ／μｍ未満レベルにまで低くすることができる。
【００９９】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１００】
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を図２を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
【０１０１】
図２（Ａ）乃至（Ｅ）に示すトランジスタ４４０は、トップゲート構造のトランジスタの例である。
【０１０２】
図２（Ｅ）に示すように、トランジスタ４４０は、絶縁層４３６が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、結晶性酸化物半導体層４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４０１を含む。トランジスタ４４０上には、酸化物絶縁層４０７が形成されている。
【０１０３】
図２（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４４０の作製方法の一例を示す。
【０１０４】
まず、絶縁表面を有する基板４００上に絶縁層４３６を形成する。絶縁層４３６は、単層でも積層でもよいが、結晶性酸化物半導体層４０３に接する膜には酸化シリコン膜を用いる。
【０１０５】
結晶性酸化物半導体層４０３に接する酸化シリコン膜は該酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化シリコンの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物シリコンの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化シリコン膜の場合、酸化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超える酸素過剰領域を有する酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化シリコン膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１０６】
結晶性酸化物半導体層４０３と接する酸化シリコン膜を、酸素を多く含む状態とすることによって、酸化物半導体層へ酸素を供給する供給源として好適に機能させることができる。
【０１０７】
絶縁層４３６を積層構造とする場合、結晶性酸化物半導体層４０３と接しない膜としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【０１０８】
次いで、絶縁層４３６上に、非晶質酸化物半導体膜４４１を形成する（図２（Ａ）参照）。
【０１０９】
非晶質酸化物半導体膜４４１は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物膜を成膜する。
【０１１０】
また、絶縁層４３６と非晶質酸化物半導体膜４４１とを大気に解放せずに連続的に形成することが好ましい。絶縁層４３６と非晶質酸化物半導体膜４４１とを大気に曝露せずに連続して形成すると、絶縁層４３６表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
【０１１１】
また、非晶質酸化物半導体膜４４１に過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、非晶質酸化物半導体膜が結晶化しない温度とし、代表的には２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以下とする。
【０１１２】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、非晶質酸化物半導体膜４４１が島状に加工される前に行うと、絶縁層４３６に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。
【０１１３】
次いで、非晶質酸化物半導体膜４４１をフォトリソグラフィ工程により島状の非晶質酸化物半導体層４４２に加工する（図２（Ｂ）参照）。
【０１１４】
絶縁層４３６及び非晶質酸化物半導体層４４２上にソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成し、絶縁層４３６、非晶質酸化物半導体層４４２、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ上にゲート絶縁層４０２を形成する。ゲート絶縁層４０２としてはスパッタリング法又はプラズマＣＶＤ法により成膜される酸化物絶縁層を用いる。本実施の形態では、ゲート絶縁層４０２として、プラズマＣＶＤ法により成膜される酸化窒化シリコン膜を用いる。
【０１１５】
次に、非晶質酸化物半導体層４４２と重なるゲート絶縁層４０２上にゲート電極層４０１を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【０１１６】
次いで、ゲート電極層４０１上に酸化物絶縁層４０７を形成する（図２（Ｄ）参照）。酸化物絶縁層４０７は単層でも積層でもよいが、酸化アルミニウム膜を含む構造とする。
【０１１７】
酸化物絶縁層４０７に含まれる酸化アルミニウム膜の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。
【０１１８】
酸化アルミニウム膜も、該酸化アルミニウムが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化アルミニウムの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化アルミニウムの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＡｌＯｘ（ｘ＞０）で表現される場合、酸化アルミニウムの化学量論的組成比はＡｌ：Ｏ＝３：２であるので、ｘは３／２を超える酸素過剰領域を有する酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化アルミニウム膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１１９】
本実施の形態では、酸化物絶縁層４０７として膜厚１００ｎｍの酸化アルミニウム膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。
【０１２０】
次に非晶質酸化物半導体層４４２に加熱処理を行い、該非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む結晶性酸化物半導体層４０３を形成する。
【０１２１】
非晶質酸化物半導体層４４２上に酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０１２２】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０１２３】
非晶質酸化物半導体層４４２を結晶化させる加熱処理を、絶縁層４３６として設けられた酸化シリコン膜と酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層４４２を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層４４２から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層４０３は、非晶質酸化物半導体層４４２の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０１２４】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層４０３は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層４０３をトランジスタ４４０に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０１２５】
非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させる加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃、さらに好ましくは５５０℃以上とする。
【０１２６】
以上の工程でトランジスタ４４０が形成される（図２（Ｅ）参照）。トランジスタ４４０は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層４０３を有するトランジスタである。よって、トランジスタ４４０は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１２７】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１２８】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１２９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を図３を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
【０１３０】
図３（Ａ）乃至（Ｅ）に示すトランジスタ４３０は、ボトムゲート構造のトランジスタの例である。
【０１３１】
トランジスタ４３０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁層４０２、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、及び結晶性酸化物半導体層４０３を含む。また、トランジスタ４３０を覆い、酸化物絶縁層４０７が形成されている。
【０１３２】
図３（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４３０の作製方法の一例を示す。
【０１３３】
まず、絶縁表面を有する基板４００上にゲート電極層４０１を形成する（図３（Ａ）参照）。
【０１３４】
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、単層でも積層でもよいが、結晶性酸化物半導体層４０３に接する膜には酸化シリコン膜を用いる。
【０１３５】
結晶性酸化物半導体層４０３に接する酸化シリコン膜は該酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化シリコンの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物シリコンの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化シリコン膜の場合、酸化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超える酸素過剰領域を有する酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化シリコン膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１３６】
結晶性酸化物半導体層４０３と接する酸化シリコン膜を、酸素を多く含む状態とすることによって、酸化物半導体層へ酸素を供給する供給源として好適に機能させることができる。
【０１３７】
次にゲート絶縁層４０２上にソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成する（図３（Ｂ）参照）。
【０１３８】
次いで、ゲート絶縁層４０２、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ上に、非晶質酸化物半導体膜を形成し、島状に加工して非晶質酸化物半導体層４４２を形成する（図３（Ｃ）参照）。
【０１３９】
非晶質酸化物半導体層４４２は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を成膜する。
【０１４０】
また、非晶質酸化物半導体層４４２に過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、非晶質酸化物半導体層４４２が結晶化しない温度とし、代表的には２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以下とする。
【０１４１】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、島状の非晶質酸化物半導体層４４２に加工される前に行ってもよい。
【０１４２】
次いで、非晶質酸化物半導体層４４２上に酸化物絶縁層４０７を形成する（図３（Ｄ）参照）。酸化物絶縁層４０７は単層でも積層でもよいが、酸化アルミニウム膜を含む構造とする。
【０１４３】
酸化物絶縁層４０７に含まれる酸化アルミニウム膜の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。
【０１４４】
酸化アルミニウム膜も、該酸化アルミニウムが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化アルミニウムの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化アルミニウムの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＡｌＯｘ（ｘ＞０）で表現される場合、酸化アルミニウムの化学量論的組成比はＡｌ：Ｏ＝３：２であるので、ｘは３／２を超える酸素過剰領域を有する酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化アルミニウム膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１４５】
本実施の形態では、酸化物絶縁層４０７として膜厚１００ｎｍの酸化アルミニウム膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。
【０１４６】
次に非晶質酸化物半導体層４４２に加熱処理を行い、該非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む結晶性酸化物半導体層４０３を形成する。
【０１４７】
非晶質酸化物半導体層４４２上に酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０１４８】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０１４９】
非晶質酸化物半導体層４４２を結晶化させる加熱処理を、ゲート絶縁層４０２として設けられた酸化シリコン膜と酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層４４２を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層４４２から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層４０３は、非晶質酸化物半導体層４４２の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０１５０】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層４０３は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層４０３をトランジスタ４３０に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０１５１】
非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させる加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃、さらに好ましくは５５０℃以上とする。
【０１５２】
以上の工程でトランジスタ４３０が形成される（図３（Ｅ）参照）。トランジスタ４３０は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層４０３を有するトランジスタである。よって、トランジスタ４３０は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１５３】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１５４】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態４）
【０１５５】
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を図４を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
【０１５６】
図４（Ａ）乃至（Ｅ）に示すトランジスタ４５０は、トップゲート構造のトランジスタの例である。
【０１５７】
図４（Ｅ）に示すように、トランジスタ４５０は、絶縁層４３６が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、結晶性酸化物半導体層４０３、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４０１を含む。トランジスタ４５０上には、酸化物絶縁層４０７が形成されている。
【０１５８】
図４（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４５０の作製方法の一例を示す。
【０１５９】
まず、絶縁表面を有する基板４００上に絶縁層４３６を形成する。絶縁層４３６は、単層でも積層でもよいが、結晶性酸化物半導体層４０３に接する膜には酸化シリコン膜を用いる。
【０１６０】
結晶性酸化物半導体層４０３に接する酸化シリコン膜は該酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化シリコンの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物シリコンの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化シリコン膜の場合、酸化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超える酸素過剰領域を有する酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化シリコン膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１６１】
結晶性酸化物半導体層４０３と接する酸化シリコン膜を、酸素を多く含む状態とすることによって、酸化物半導体層へ酸素を供給する供給源として好適に機能させることができる。
【０１６２】
絶縁層４３６を積層構造とする場合、結晶性酸化物半導体層４０３と接しない膜としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【０１６３】
絶縁層４３６上にソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成する（図４（Ａ）参照）。
【０１６４】
次いで、絶縁層４３６、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ上に、非晶質酸化物半導体膜を形成し、島状に加工して非晶質酸化物半導体層４４２を形成する（図４（Ｂ）参照）。
【０１６５】
非晶質酸化物半導体層４２２は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を成膜する。
【０１６６】
また、非晶質酸化物半導体層４４２に過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、非晶質酸化物半導体層４４２が結晶化しない温度とし、代表的には２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以下とする。
【０１６７】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、島状の非晶質酸化物半導体層４４２に加工される前に行ってもよい。
【０１６８】
次に、絶縁層４３６、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、及び非晶質酸化物半導体層４４２上にゲート絶縁層４０２を形成する。ゲート絶縁層４０２としてはスパッタリング法又はプラズマＣＶＤ法により成膜される酸化物絶縁層を用いる。本実施の形態では、ゲート絶縁層４０２として、プラズマＣＶＤ法により成膜される酸化窒化シリコン膜を用いる。
【０１６９】
次に、非晶質酸化物半導体層４４２と重なるゲート絶縁層４０２上にゲート電極層４０１を形成する（図４（Ｃ）参照）。
【０１７０】
次いで、ゲート電極層４０１上に酸化物絶縁層４０７を形成する（図４（Ｄ）参照）。酸化物絶縁層４０７は単層でも積層でもよいが、酸化アルミニウム膜を含む構造とする。
【０１７１】
酸化物絶縁層４０７に含まれる酸化アルミニウム膜の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。
【０１７２】
酸化アルミニウム膜も、該酸化アルミニウムが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化アルミニウムの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化アルミニウムの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＡｌＯｘ（ｘ＞０）で表現される場合、酸化アルミニウムの化学量論的組成比はＡｌ：Ｏ＝３：２であるので、ｘは３／２を超える酸素過剰領域を有する酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化アルミニウム膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１７３】
本実施の形態では、酸化物絶縁層４０７として膜厚１００ｎｍの酸化アルミニウム膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。
【０１７４】
次に非晶質酸化物半導体層４４２に加熱処理を行い、該非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む結晶性酸化物半導体層４０３を形成する。
【０１７５】
非晶質酸化物半導体層４４２上に酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０１７６】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０１７７】
非晶質酸化物半導体層４４２を結晶化させる加熱処理を、絶縁層４３６として設けられた酸化シリコン膜と酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層４４２を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層４４２から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層４０３は、非晶質酸化物半導体層４４２の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０１７８】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層４０３は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層４０３をトランジスタ４５０に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０１７９】
非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させる加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃、さらに好ましくは５５０℃以上とする。
【０１８０】
以上の工程でトランジスタ４５０が形成される（図４（Ｅ）参照）。トランジスタ４５０は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層４０３を有するトランジスタである。よって、トランジスタ４５０は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１８１】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１８２】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１８３】
（実施の形態５）
実施の形態１乃至４のいずれかで一例を示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部または全体を、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。
【０１８４】
図６（Ａ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２を囲むようにして、シール材４００５が設けられ、第２の基板４００６によって封止されている。図６（Ａ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路４００４、信号線駆動回路４００３が実装されている。また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。
【０１８５】
図６（Ｂ）（Ｃ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられている。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。図６（Ｂ）（Ｃ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図６（Ｂ）（Ｃ）においては、別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【０１８６】
また図６（Ｂ）（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１の基板４００１に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装しても良い。
【０１８７】
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図６（Ａ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４を実装する例であり、図６（Ｂ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図６（Ｃ）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
【０１８８】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０１８９】
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣもしくはＴＡＢテープもしくはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、または表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
【０１９０】
また第１の基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有しており、実施の形態１乃至４のいずれかで一例を示したトランジスタを適用することができる。
【０１９１】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（発光表示素子ともいう）、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
【０１９２】
半導体装置の一形態について、図７乃至図９を用いて説明する。図７乃至図９は、図６（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０１９３】
図７乃至図９で示すように、半導体装置は接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６を有しており、接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６はＦＰＣ４０１８が有する端子と異方性導電膜４０１９を介して、電気的に接続されている。
【０１９４】
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
【０１９５】
また第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、図７乃至図９では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示している。図７では、トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁層４０２０、絶縁層４０２４が設けられ、図８及び図９ではさらに、絶縁層４０２１が設けられている。なお、絶縁膜４０２３は下地膜として機能する絶縁膜である。
【０１９６】
本実施の形態では、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１として、実施の形態１乃至４のいずれかで示したトランジスタを適用することができる。
【０１９７】
トランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１は高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタである。よって、トランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１９８】
よって、図７乃至図９で示す本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１９９】
また、本実施の形態では、絶縁層上において駆動回路用のトランジスタ４０１１の結晶性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が設けられている例である。導電層を結晶性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さらに低減することができる。また、導電層は、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。
【０２００】
また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部（薄膜トランジスタを含む回路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮蔽機能）も有する。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。
【０２０１】
画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０は表示素子と電気的に接続し、表示パネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子を用いることができる。
【０２０２】
図７に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図７において、表示素子である液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１、及び液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として機能する絶縁膜４０３２、４０３３が設けられている。第２の電極層４０３１は第２の基板４００６側に設けられ、第１の電極層４０３０と第２の電極層４０３１とは液晶層４００８を介して積層する構成となっている。
【０２０３】
また４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、液晶層４００８の膜厚（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。
【０２０４】
表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。
【０２０５】
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数重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が短く、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。また配向膜を設けなくてもよいので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。酸化物半導体層を用いるトランジスタは、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。
【０２０６】
また、液晶材料の固有抵抗は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細書における固有抵抗の値は、２０℃で測定した値とする。
【０２０７】
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。高純度の結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。
【０２０８】
本実施の形態で用いる高純度化された結晶性酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
【０２０９】
また、本実施の形態で用いる高純度化された結晶性酸化物半導体層を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバートランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
【０２１０】
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）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。
【０２１１】
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶモードなどを用いることができる。また、ＶＡ型の液晶表示装置にも適用することができる。ＶＡ型の液晶表示装置とは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種である。ＶＡ型の液晶表示装置は、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
【０２１２】
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。
【０２１３】
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。
【０２１４】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０２１５】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０２１６】
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明する。
【０２１７】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透光性であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。
【０２１８】
図８に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。表示素子である発光素子４５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続している。なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３０、電界発光層４５１１、第２の電極層４０３１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４５１３から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。
【０２１９】
隔壁４５１０は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極層４０３０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持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
【０２２０】
電界発光層４５１１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どちらでも良い。
【０２２１】
発光素子４５１３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４０３１及び隔壁４５１０上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。また、第１の基板４００１、第２の基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４が設けられ密封されている。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（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。
【０２２２】
充填材４５１４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、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）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。
【０２２３】
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。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
【０２２４】
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）も呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。
【０２２５】
電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含む）とする。
【０２２６】
このように、電気泳動表示装置は、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。
【０２２７】
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。
【０２２８】
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレクトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を用いればよい。
【０２２９】
また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することができる。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の電極層間に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【０２３０】
図９に、半導体装置の一形態としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。図９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間に配置し、電極層間に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【０２３１】
トランジスタ４０１０と接続する第１の電極層４０３０と、第２の基板４００６に設けられた第２の電極層４０３１との間には黒色領域４６１５ａ及び白色領域４６１５ｂを有し、周りに液体で満たされているキャビティ４６１２を含む球形粒子４６１３が設けられており、球形粒子４６１３の周囲は樹脂等の充填材４６１４で充填されている。第２の電極層４０３１が共通電極（対向電極）に相当する。第２の電極層４０３１は、共通電位線と電気的に接続される。
【０２３２】
なお、図７乃至図９において、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。
【０２３３】
本実施の形態では、ゲート絶縁層として酸化シリコン膜を用い、絶縁層４０２０として酸化アルミニウム膜を用いる。ゲート絶縁層、絶縁層４０２０はスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。
【０２３４】
酸化物半導体層上に絶縁層４０２０として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０２３５】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０２３６】
また、ゲート絶縁層として酸化物半導体層と接して設けられた酸化シリコン膜は、酸素を酸化物半導体層へ供給する機能を有する。よって、ゲート絶縁層は酸素を多く含む酸化物絶縁層が好ましい。
【０２３７】
トランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１は、非晶質酸化物半導体層を結晶化した結晶性酸化物半導体層を有する。また、トランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１は、ゲート絶縁層として酸化シリコン膜を有する。非晶質酸化物半導体層を結晶化させる加熱処理を、ゲート絶縁層として非晶質酸化物半導体層に接して設けられた酸化シリコン膜と、絶縁層４０２０として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０２３８】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層をトランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０２３９】
また、平坦化絶縁膜として機能する絶縁層４０２１は、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。
【０２４０】
絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法）、スクリーン印刷、オフセット印刷、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
【０２４１】
表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する画素部に設けられる基板、絶縁膜、導電膜などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して透光性とする。
【０２４２】
表示素子に電圧を印加する第１の電極層及び第２の電極層（画素電極層、共通電極層、対向電極層などともいう）においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
【０２４３】
第１の電極層４０３０、第２の電極層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、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、グラフェン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。
【０２４４】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。
【０２４５】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子を用いることができる。例えば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体などがあげられる。
【０２４６】
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
【０２４７】
以上のように実施の形態１乃至４のいずれかで示したトランジスタを適用することで、様々な機能を有する半導体装置を提供することができる。
【０２４８】
（実施の形態６）
実施の形態１乃至４のいずれかで一例を示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
【０２４９】
図１０（Ａ）に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図１０（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図１０（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
【０２５０】
フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線６５８に、他方の電極がトランジスタ６４０のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ６４０は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ６５６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。
【０２５１】
なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体層を用いるトランジスタと明確に判明できるように、酸化物半導体層を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載している。図１０（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は実施の形態１のトランジスタ４１０に示すような結晶性酸化物半導体層を用いるトランジスタである。
【０２５２】
図１０（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板６０１（ＴＦＴ基板）上に、センサとして機能するフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０が設けられている。フォトダイオード６０２、トランジスタ６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられている。
【０２５３】
トランジスタ６４０上には絶縁層６３１、絶縁層６３２、層間絶縁層６３３、層間絶縁層６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁層６３３上に設けられ、層間絶縁層６３３上に形成した電極層６４１と、層間絶縁層６３４上に設けられた電極層６４２との間に、層間絶縁層６３３側から順に第１半導体層６０６ａ、第２半導体層６０６ｂ、及び第３半導体層６０６ｃを積層した構造を有している。
【０２５４】
電極層６４１は、層間絶縁層６３４に形成された導電層６４３と電気的に接続し、電極層６４２は電極層６４１を介してゲート電極層６４５と電気的に接続している。ゲート電極層６４５は、トランジスタ６４０のゲート電極層と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトランジスタ６４０と電気的に接続している。
【０２５５】
ここでは、第１半導体層６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体層と、第２半導体層６０６ｂとして高抵抗な半導体層（Ｉ型半導体層）、第３半導体層６０６ｃとしてｎ型の導電型を有する半導体層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
【０２５６】
第１半導体層６０６ａはｐ型半導体層であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成することができる。第１半導体層６０６ａの形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体層６０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０２５７】
第２半導体層６０６ｂは、Ｉ型半導体層（真性半導体層）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体層６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体層６０６ｂの形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行っても良い。第２半導体層６０６ｂの膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０２５８】
第３半導体層６０６ｃは、ｎ型半導体層であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体層６０６ｃの形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体層６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０２５９】
また、第１半導体層６０６ａ、第２半導体層６０６ｂ、及び第３半導体層６０６ｃは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶（セミアモルファス（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））半導体を用いて形成してもよい。
【０２６０】
微結晶半導体は、ギブスの自由エネルギーを考慮すれば非晶質と単結晶の中間的な準安定状態に属するものである。すなわち、自由エネルギー的に安定な第３の状態を有する半導体であって、短距離秩序を持ち格子歪みを有する。柱状または針状結晶が基板表面に対して法線方向に成長している。微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマンスペクトルが単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１よりも低波数側に、シフトしている。即ち、単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１とアモルファスシリコンを示す４８０ｃｍ−１の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、未結合手（ダングリングボンド）を終端するため水素またはハロゲンを少なくとも１原子％またはそれ以上含ませている。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなどの希ガス元素を含ませて格子歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な微結晶半導体膜が得られる。
【０２６１】
この微結晶半導体膜は、周波数が数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波プラズマＣＶＤ法、または周波数が１ＧＨｚ以上のマイクロ波プラズマＣＶＤ法により形成することができる。代表的には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などの水素化珪素を水素で希釈して形成することができる。また、水素化珪素及び水素に加え、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンから選ばれた一種または複数種の希ガス元素で希釈して微結晶半導体膜を形成することができる。これらのときの水素化珪素に対して水素の流量比を５倍以上２００倍以下、好ましくは５０倍以上１５０倍以下、更に好ましくは１００倍とする。さらには、シリコンを含む気体中に、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６等の炭化物気体、ＧｅＨ４、ＧｅＦ４等のゲルマニウム化気体、Ｆ２等を混入させてもよい。
【０２６２】
また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、ｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板６０１の面からフォトダイオード６０２が受ける光を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体層側とは逆の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。また、ｎ型の半導体層側を受光面として用いることもできる。
【０２６３】
絶縁層６３２、層間絶縁層６３３、層間絶縁層６３４としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法）、スクリーン印刷、オフセット印刷、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いて形成することができる。
【０２６４】
本実施の形態では、絶縁層６３１として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁層６３１はスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。
【０２６５】
酸化物半導体層上に絶縁層６３１として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０２６６】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０２６７】
本実施の形態において、トランジスタ６４０は、非晶質酸化物半導体層を結晶化した結晶性酸化物半導体層を有する。また、トランジスタ６４０は、ゲート絶縁層として酸化シリコン膜を有する。非晶質酸化物半導体層を結晶化させる加熱処理を、ゲート絶縁層として非晶質酸化物半導体層に接して設けられた酸化シリコン膜と、絶縁層６３１として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０２６８】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層をトランジスタ６４０に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０２６９】
絶縁層６３２としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁層、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁層の単層、又は積層からなる無機絶縁材料を用いることができる。
【０２７０】
層間絶縁層６３３、６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能する絶縁層が好ましい。層間絶縁層６３３、６３４としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、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）等の単層、又は積層を用いることができる。
【０２７１】
フォトダイオード６０２に入射する光６２２を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。
【０２７２】
以上のように、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタは、トランジスタの電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、該トランジスタを用いることで信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０２７３】
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。
【０２７４】
（実施の形態７）
実施の形態１乃至４のいずれかで一例を示したトランジスタは、複数のトランジスタを積層する集積回路を有する半導体装置に好適に用いることができる。本実施の形態では、半導体装置の一例として、記憶媒体（メモリ素子）の例を示す。
【０２７５】
実施の形態では、単結晶半導体基板に作製された第１のトランジスタであるトランジスタ１４０と絶縁層を介してトランジスタ１４０の上方に半導体膜を用いて作製された第２のトランジスタであるトランジスタ１６２を含む半導体装置を作製する。実施の形態１乃至４のいずれかで一例を示したトランジスタは、トランジスタ１６２に好適に用いることができる。本実施の形態では、トランジスタ１６２として実施の形態２で示したトランジスタ４４０と同様な構造を有するトランジスタを用いる例を示す。
【０２７６】
積層するトランジスタ１４０、トランジスタ１６２の半導体材料、及び構造は、同一でもよいし異なっていてもよい。本実施の形態では、記憶媒体（メモリ素子）の回路に好適な材料及び構造のトランジスタをそれぞれ用いる例である。
【０２７７】
図５は、半導体装置の構成の一例である。図５（Ａ）には、半導体装置の断面を、図５（Ｂ）には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図５（Ａ）は、図５（Ｂ）のＣ１−Ｃ２およびＤ１−Ｄ２における断面に相当する。また、図５（Ｃ）には、上記半導体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示される半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ１４０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ１６２を有する。本実施の形態では、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とする。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いるのが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。
【０２７８】
図５における半導体装置の作製方法を図５（Ａ）乃至（Ｃ）を用いて説明する。
【０２７９】
トランジスタ１４０は、半導体材料（例えば、シリコンなど）を含む基板１８５に設けられたチャネル形成領域１１６と、チャネル形成領域１１６を挟むように設けられた不純物領域１２０と、不純物領域１２０に接する金属化合物領域１２４と、チャネル形成領域１１６上に設けられたゲート絶縁層１０８と、ゲート絶縁層１０８上に設けられたゲート電極１１０とを有する。
【０２８０】
半導体材料を含む基板１８５は、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することができる。なお、一般に「ＳＯＩ基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体層が設けられた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料からなる半導体層が設けられた構成の基板も含む。つまり、「ＳＯＩ基板」が有する半導体層は、シリコン半導体層に限定されない。また、ＳＯＩ基板には、ガラス基板などの絶縁基板上に絶縁層を介して半導体層が設けられた構成のものが含まれるものとする。
【０２８１】
ＳＯＩ基板の作製方法としては、鏡面研磨ウェハーに酸素イオンを注入した後、高温加熱することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠陥を消滅させて作る方法、水素イオン照射により形成された微小ボイドの熱処理による成長を利用して半導体基板を劈開する方法や、絶縁表面上に結晶成長により単結晶半導体層を形成する方法等を用いることができる。
【０２８２】
例えば、単結晶半導体基板の一つの面からイオンを添加して、単結晶半導体基板の一つの面から一定の深さに脆弱化層を形成し、単結晶半導体基板の一つの面上、又は素子基板上のどちらか一方に絶縁層を形成する。単結晶半導体基板と素子基板を、絶縁層を挟んで重ね合わせた状態で、脆弱化層に亀裂を生じさせ、単結晶半導体基板を脆弱化層で分離する熱処理を行い、単結晶半導体基板より半導体層として単結晶半導体層を素子基板上に形成する。上記方法を用いて作製されたＳＯＩ基板も好適に用いることができる。
【０２８３】
基板１８５上にはトランジスタ１４０を囲むように素子分離絶縁層１０６が設けられている。なお、高集積化を実現するためには、図５に示すようにトランジスタ１４０がサイドウォール絶縁層を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ１４０の特性を重視する場合には、ゲート電極１１０の側面にサイドウォール絶縁層を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域１２０を設けても良い。
【０２８４】
単結晶半導体基板を用いたトランジスタ１４０は、高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。
【０２８５】
トランジスタ１４０を覆うように絶縁層を２層形成する。トランジスタ１６２および容量素子１６４の形成前の処理として、該絶縁層２層にＣＭＰ処理を施して、平坦化した絶縁層１２８、絶縁層１３０を形成し、同時にゲート電極１１０の上面を露出させる。
【０２８６】
絶縁層１２８、絶縁層１３０は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶縁層１２８、絶縁層１３０は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。
【０２８７】
また、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、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）等を用いることができる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁層１２８、絶縁層１３０を形成してもよい。
【０２８８】
なお、絶縁層１３０において、半導体層と接する膜は酸化シリコン膜を用いる。
【０２８９】
本実施の形態では、絶縁層１２８としてスパッタリング法により膜厚５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成し、絶縁層１３０としてスパッタリング法により膜厚５５０ｎｍの酸化シリコン膜を形成する。
【０２９０】
ＣＭＰ処理により十分に平坦化した絶縁層１３０上に半導体膜を形成する。本実施の形態では、半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む非晶質酸化物半導体膜を形成する。
【０２９１】
次に非晶質酸化物半導体膜を選択的にエッチングして非晶質酸化物半導体層を形成する。
【０２９２】
次に、ゲート電極１１０、絶縁層１２８、絶縁層１３０などの上に導電層を形成し、該導電層を選択的にエッチングして、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂを形成する。
【０２９３】
導電層は、スパッタリング法をはじめとする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、導電層の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｎｄ、Ｓｃのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。
【０２９４】
導電層は、単層構造であっても良いし、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、チタン膜や窒化チタン膜の単層構造、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜が積層された２層構造、窒化チタン膜上にチタン膜が積層された２層構造、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜とが積層された３層構造などが挙げられる。なお、導電層を、チタン膜や窒化チタン膜の単層構造とする場合には、テーパー形状を有するソース電極またはドレイン電極１４２ａ、およびソース電極またはドレイン電極１４２ｂへの加工が容易であるというメリットがある。
【０２９５】
上部のトランジスタ１６２のチャネル長（Ｌ）は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、およびソース電極またはドレイン電極１４２ｂの下端部の間隔によって決定される。なお、チャネル長（Ｌ）が２５ｎｍ未満のトランジスタを形成する場合に用いるマスク形成の露光を行う際には、数ｎｍ〜数１０ｎｍと波長の短い超紫外線を用いるのが望ましい。
【０２９６】
次に、非晶質酸化物半導体層に接し、ゲート絶縁層１４６を形成する。ゲート絶縁層１４６として、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、又は酸化ガリウム膜を形成することができる。
【０２９７】
次に、ゲート絶縁層１４６上において非晶質酸化物半導体層と重畳する領域にゲート電極１４８ａを形成し、ソース電極またはドレイン電極１４２ａと重畳する領域に電極１４８ｂを形成する。
【０２９８】
ゲート電極１４８ａおよび電極１４８ｂは、ゲート絶縁層１４６上に導電層を形成した後に、当該導電層を選択的にエッチングすることによって形成することができる。
【０２９９】
次に、非晶質酸化物半導体層、ゲート絶縁層１４６、ゲート電極１４８ａ、および電極１４８ｂ上に、酸化アルミニウム膜を含む絶縁層１５０を形成する。絶縁層１５０を積層構造とする場合、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、又は酸化ガリウム膜を酸化アルミニウム膜と積層して形成してもよい。
【０３００】
次に非晶質酸化物半導体層に加熱処理を行い、該非晶質酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む結晶性酸化物半導体層１４４を形成する。
【０３０１】
非晶質酸化物半導体層上に絶縁層１５０として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０３０２】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０３０３】
非晶質酸化物半導体層を結晶化させる加熱処理を、絶縁層１３０として設けられた酸化シリコン膜と絶縁層１５０として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層１４４は、非晶質酸化物半導体層の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０３０４】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層１４４は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層１４４をトランジスタ１６２に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０３０５】
非晶質酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させる加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃、さらに好ましくは５５０℃以上とする。
【０３０６】
次にトランジスタ１６２、及び絶縁層１５０上に、絶縁層１５２を形成する。絶縁層１５２は、スパッタリング法やＣＶＤ法などを用いて形成することができる。また、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。
【０３０７】
次に、ゲート絶縁層１４６、絶縁層１５０、及び絶縁層１５２に、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂにまで達する開口を形成する。当該開口の形成は、マスクなどを用いた選択的なエッチングにより行われる。
【０３０８】
その後、上記開口にソース電極またはドレイン電極１４２ｂに接する配線１５６を形成する。なお、図５にはソース電極またはドレイン電極１４２ｂと配線１５６との接続箇所は図示していない。
【０３０９】
配線１５６は、スパッタリング法をはじめとするＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法を用いて導電層を形成した後、当該導電層をエッチング加工することによって形成される。また、導電層の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｎｄ、Ｓｃのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。詳細は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａなどと同様である。
【０３１０】
以上の工程でトランジスタ１６２及び容量素子１６４が完成する。トランジスタ１６２は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層１４４を有するトランジスタである。よって、トランジスタ１６２は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。容量素子１６４は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ゲート絶縁層１４６、および電極１４８ｂ、で構成される。
【０３１１】
なお、容量が不要の場合は、容量素子１６４を設けない構成とすることも可能である。
【０３１２】
図５（Ｃ）には、上記半導体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。図５（Ｃ）において、トランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の一方と、容量素子１６４の電極の一方と、トランジスタ１４０のゲート電極と、は電気的に接続されている。また、第１の配線（１ｓｔ Ｌｉｎｅ：ソース線とも呼ぶ）とトランジスタ１４０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１４０のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第３の配線（３ｒｄ Ｌｉｎｅ：第１の信号線とも呼ぶ）とトランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ Ｌｉｎｅ：第２の信号線とも呼ぶ）と、トランジスタ１６２のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、第５の配線（５ｔｈ Ｌｉｎｅ：ワード線とも呼ぶ）と、容量素子１６４の電極の他方は電気的に接続されている。
【０３１３】
酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有しているため、トランジスタ１６２をオフ状態とすることで、トランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の一方と、容量素子１６４の電極の一方と、トランジスタ１４０のゲート電極とが電気的に接続されたノード（以下、ノードＦＧ）の電位を極めて長時間にわたって保持することが可能である。そして、容量素子１６４を有することにより、ノードＦＧに与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み出しが容易になる。
【０３１４】
半導体装置に情報を記憶させる場合（書き込み）は、まず、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位が、ノードＦＧに供給され、ノードＦＧに所定量の電荷が蓄積される。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下、ロー（Ｌｏｗ）レベル電荷、ハイ（Ｈｉｇｈ）レベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧが浮遊状態となるため、ノードＦＧには所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードＦＧに所定量の電荷を蓄積及び保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
【０３１５】
トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいため、ノードＦＧに供給された電荷は長時間にわたって保持される。したがって、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となり、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０３１６】
記憶された情報を読み出す場合（読み出し）は、第１の配線に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、ノードＦＧに保持された電荷量に応じて、トランジスタ１４０は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ１４０をｎチャネル型とすると、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が保持されている場合のトランジスタ１４０の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が保持されている場合のトランジスタ１４０の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値とは、トランジスタ１４０を「オン状態」とするために必要な第５の配線の電位をいうものとする。したがって、第５の配線の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの中間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに保持された電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ１４０は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ１４０は「オフ状態」のままである。このため、第５の配線の電位を制御して、トランジスタ１４０のオン状態またはオフ状態を読み出す（第２の配線の電位を読み出す）ことで、記憶された情報を読み出すことができる。
【０３１７】
また、記憶させた情報を書き換える場合においては、上記の書き込みによって所定量の電荷を保持したノードＦＧに、新たな電位を供給することで、ノードＦＧに新たな情報に係る電荷を保持させる。具体的には、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位（新たな情報に係る電位）が、ノードＦＧに供給され、ノードＦＧに所定量の電荷が蓄積される。その後、第４の配線の電位をトランジスタ１６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧには、新たな情報に係る電荷が保持された状態となる。すなわち、ノードＦＧに第１の書き込みによって所定量の電荷が保持された状態で、第１の書き込みと同様の動作（第２の書き込み）を行うことで、記憶させた情報を上書きすることが可能である。
【０３１８】
本実施の形態で示すトランジスタ１６２は、高純度化され、酸素を過剰に含む酸化物半導体層を結晶性酸化物半導体層１４４に用いることで、トランジスタ１６２のオフ電流を十分に低減することができる。そして、このようなトランジスタを用いることで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能な半導体装置が得られる。
【０３１９】
以上のように、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタは、トランジスタの電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、該トランジスタを用いることで信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０３２０】
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。
【０３２１】
（実施の形態８）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、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。上記実施の形態で説明した半導体装置を具備する電子機器の例について説明する。
【０３２２】
図１１（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００２、表示部３００３、キーボード３００４などによって構成されている。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示部３００３に適用することにより、信頼性の高いノート型のパーソナルコンピュータとすることができる。
【０３２３】
図１１（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体３０２１には表示部３０２３と、外部インターフェイス３０２５と、操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用の付属品としてスタイラス３０２２がある。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示部３０２３に適用することにより、より信頼性の高い携帯情報端末（ＰＤＡ）とすることができる。
【０３２４】
図１１（Ｃ）は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍は、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。
【０３２５】
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１１（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図１１（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示部２７０５、表示部２７０７に適用することにより、信頼性の高い電子書籍とすることができる。表示部２７０５として半透過型、又は反射型の液晶表示装置を用いる場合、比較的明るい状況下での使用も予想されるため、太陽電池を設け、太陽電池による発電、及びバッテリーでの充電を行えるようにしてもよい。なおバッテリーとしては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
【０３２６】
また、図１１（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、電源スイッチ２７２１、操作キー２７２３、スピーカ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、電子書籍は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０３２７】
また、電子書籍は、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。
【０３２８】
図１１（Ｄ）は、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。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示パネル２８０２に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
【０３２９】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図１１（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。
【０３３０】
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１１（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。
【０３３１】
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。
【０３３２】
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。
【０３３３】
図１１（Ｅ）は、デジタルビデオカメラであり、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。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示部（Ａ）３０５７、表示部（Ｂ）３０５５に適用することにより、信頼性の高いデジタルビデオカメラとすることができる。
【０３３４】
図１１（Ｆ）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。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示部９６０３に適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置とすることができる。
【０３３５】
テレビジョン装置の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０３３６】
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。
【０３３７】
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。
【実施例】
【０３３８】
本実施例では、開示する発明に係る半導体装置において用いる酸化アルミニウム膜のバリア膜としての特性について評価を行った。図１３乃至図１６に結果を示す。評価方法としては、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）と、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：昇温脱離ガス分光法）分析法を用いた。
【０３３９】
まず、ＳＩＭＳ分析によって行った評価を示す。試料は、比較例としてガラス基板上にスパッタリング法による酸化シリコン膜が膜厚１００ｎｍ形成された比較例試料Ａと、実施例としてガラス基板上にスパッタリング法により酸化シリコン膜が膜厚１００ｎｍ形成され、酸化シリコン膜上にスパッタリング法により酸化アルミニウム膜が膜厚１００ｎｍ形成された実施例試料Ａを作製した。
【０３４０】
比較例試料Ａ及び実施例試料Ａにおいて、酸化シリコン膜の成膜条件は、ターゲットとして酸化シリコン（ＳｉＯ２）ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、酸素（酸素流量５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度１００℃とした。
【０３４１】
実施例試料Ａにおいて、酸化アルミニウム膜の成膜条件は、ターゲットとして酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、アルゴン及び酸素（アルゴン流量２５ｓｃｃｍ：酸素流量２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０３４２】
比較例試料Ａ及び実施例試料Ａにプレッシャークッカー試験（ＰＣＴ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｏｋｅｒ Ｔｅｓｔ）を行った。本実施例ではＰＣＴ試験として、温度１３０℃、湿度８５％、Ｈ２Ｏ（水）：Ｄ２Ｏ（重水）＝３：１雰囲気、２．３気圧（０．２３ＭＰａ）の条件で比較例試料Ａ及び実施例試料Ａを１００時間保持した。
【０３４３】
ＳＩＭＳ分析としてＳＳＤＰ（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｓｉｄｅ Ｄｅｐｔｈ Ｐｒｏｆｉｌｅ）−ＳＩＭＳを用いて、ＰＣＴ試験前とＰＣＴ試験後の比較例試料Ａ及び実施例試料Ａに対して、各試料のＨ元素及びＤ元素の濃度を測定した。
【０３４４】
図１３（Ａ１）に比較例試料ＡのＰＣＴ試験前、図１３（Ａ２）に比較例試料ＡのＰＣＴ試験後のＳＩＭＳによるＨ元素及びＤ元素の濃度プロファイルを示す。図１３（Ａ１）及び図１３（Ａ２）において、Ｄ元素ｅｘｐｅｃｔｅｄプロファイルは、Ｄ元素の存在比が０．０１５％としてＨ元素のプロファイルから算出した自然界に存在するＤ元素の濃度プロファイルである。よって、ＰＣＴ試験によって試料中に混入したＤ元素量は、実測のＤ元素濃度とＤ元素ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度との差分となる。実測のＤ元素濃度からＤ元素ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度を差し引いたＤ元素の濃度プロファイルを、ＰＣＴ試験前を図１３（Ｂ１）、ＰＣＴ試験後を図１３（Ｂ２）に示す。
【０３４５】
同様に、図１４（Ａ１）に実施例試料ＡのＰＣＴ試験前、図１４（Ａ２）に実施例試料ＡのＰＣＴ試験後のＳＩＭＳによるＨ元素及びＤ元素の濃度プロファイルを示す。また、実測のＤ元素濃度からＤ元素ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度を差し引いたＤ元素の濃度プロファイルを、ＰＣＴ試験前を図１４（Ｂ１）、ＰＣＴ試験後を図１４（Ｂ２）に示す。
【０３４６】
なお、本実施例のＳＩＭＳ分析結果は、すべて酸化シリコン膜の標準試料により定量した結果を示している。
【０３４７】
図１３に示すように、ＰＣＴ試験前は重なっていた実測のＤ元素の濃度プロファイルとＤ元素ｅｘｐｅｃｔｅｄプロファイルが、ＰＣＴ試験後は実測のＤ元素の濃度プロファイルが高濃度に増大しており、酸化シリコン膜中にＤ元素が混入したことがわかる。従って、比較例試料の酸化シリコン膜は、外部からの水分（Ｈ２Ｏ、Ｄ２Ｏ）に対し、バリア性が低いことが確認できた。
【０３４８】
一方、図１４に示すように、酸化シリコン膜上に酸化アルミニウム膜を積層した実施例試料Ａは、ＰＣＴ試験後でも酸化アルミニウム膜表面近傍の領域にややＤ元素の侵入が見られるだけで、酸化アルミニウム膜深さ３０ｎｍ付近以降、及び酸化シリコン膜にはＤ元素の侵入が見られない。従って、酸化アルミニウム膜は外部からの水分（Ｈ２Ｏ、Ｄ２Ｏ）に対し、バリア性が高いことが確認できた。
【０３４９】
次に、ＴＤＳ分析によって行った評価を示す。試料は、実施例として、ガラス基板上にスパッタリング法により酸化シリコン膜が膜厚１００ｎｍ形成され、酸化シリコン膜上にスパッタリング法により酸化アルミニウム膜が膜厚２０ｎｍ形成された実施例試料Ｂを作製した。また、比較例として、実施例試料ＢをＴＤＳ分析によって測定後、実施例試料Ｂから酸化アルミニウム膜を除去し、ガラス基板上に酸化シリコン膜のみが形成された比較例試料Ｂを作製した。
【０３５０】
比較例試料Ｂ及び実施例試料Ｂにおいて、酸化シリコン膜の成膜条件は、ターゲットとして酸化シリコン（ＳｉＯ２）ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、酸素（酸素流量５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度１００℃とした。
【０３５１】
実施例試料Ｂにおいて、酸化アルミニウム膜の成膜条件は、ターゲットとして酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、アルゴン及び酸素（アルゴン流量２５ｓｃｃｍ：酸素流量２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０３５２】
比較例試料Ｂ及び実施例試料Ｂにおいて、さらに３００℃加熱処理、４５０℃加熱処理、６００℃加熱処理の条件で、それぞれ窒素雰囲気下で１時間処理を行った。
【０３５３】
比較例試料Ｂ及び実施例試料Ｂにおいて、加熱処理なし、３００℃加熱処理、４５０℃加熱処理、６００℃加熱処理と４つの条件で作製された試料にそれぞれＴＤＳ分析を行った。比較例試料Ｂ及び実施例試料Ｂにおいて、図１５（Ａ）及び図１６（Ａ）に加熱処理なし、図１５（Ｂ）及び図１６（Ｂ）に３００℃加熱処理、図１５（Ｃ）及び図１６（Ｃ）に４５０℃加熱処理、図１５（Ｄ）及び図１６（Ｄ）に６００℃加熱処理を行った各試料の測定されたＭ／ｚ＝３２（Ｏ２）のＴＤＳスペクトルを示す。
【０３５４】
図１５（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、比較例試料Ｂは加熱処理なしの図１５（Ａ）では酸化シリコン膜から酸素の放出が見られるが、図１５（Ｂ）の３００℃加熱処理を行った試料では酸素の放出量が大きく減少し、図１５（Ｃ）の４５０℃加熱処理を行った試料及び図１５（Ｄ）の６００℃加熱処理を行った試料においては、ＴＤＳ測定のバックグラウンド以下となってしまった。
【０３５５】
図１５（Ａ）乃至（Ｄ）の結果から、酸化シリコン膜中に含まれる過剰酸素の９割以上が３００℃の加熱処理によって酸化シリコン膜中から外部へ放出され、４５０℃、６００℃の加熱処理によってはほぼ全ての酸化シリコン膜中に含まれる過剰酸素が酸化シリコン膜外部へ放出されたことがわかる。従って、酸化シリコン膜は酸素に対するバリア性が低いことが確認できた。
【０３５６】
一方、図１６（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、酸化シリコン膜上に酸化アルミニウム膜を形成した実施例試料Ｂにおいては、３００℃、４５０℃、６００℃の加熱処理を行った試料においても、加熱処理なしの試料と同等の量の酸素の放出が見られた。
【０３５７】
図１６（Ａ）乃至（Ｄ）の結果から、酸化アルミニウム膜を酸化シリコン膜上に形成することで、加熱処理を行っても酸化シリコン膜中に含まれる過剰酸素は容易に外部へ放出されず、酸化シリコン膜中に含有した状態がかなりの程度保持されることがわかる。従って酸化アルミニウム膜は酸素に対するバリア性が高いことが確認できた。
【０３５８】
以上の結果から、酸化アルミニウム膜は水素及び水分に対するバリア性と、酸素に対するバリア性の両方を有しており、水素、水分、及び酸素に対するバリア膜として好適に機能することが確認できた。
【０３５９】
従って、酸化アルミニウム膜は、酸化物半導体層を含むトランジスタの作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能することができる。
【０３６０】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【技術分野】
【０００１】
半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
【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】
絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタ（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ともいう）を構成する技術が注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のような電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜としてシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目されている。
【０００４】
例えば、トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満であるインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物を用いたトランジスタが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、酸化物半導体は薄膜形成工程において、化学量論的組成からのずれや、電子供与体を形成する水素や水分の混入などが生じると、その電気伝導度が変化してしまう。このような現象は、酸化物半導体を用いたトランジスタにとって電気的特性の変動要因となる。
【０００７】
このような問題に鑑み、酸化物半導体を用いた半導体装置に安定した電気的特性を付与し、高信頼性化することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
酸化物半導体層を含むトランジスタの作製工程において、酸化シリコン膜上に、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている非晶質酸化物半導体層を形成し、該非晶質酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成した後、加熱処理を行い該非晶質酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成する。
【０００９】
表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層（以下、結晶性酸化物半導体層ともいう）は、単結晶構造ではなく、非晶質構造でもない構造であり、ｃ軸配向を有した結晶（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ； ＣＡＡＣとも呼ぶ）を含む酸化物を有する。結晶性酸化物半導体層とすることで、可視光や紫外光の照射によるトランジスタの電気的特性変化をより抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【００１０】
酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層及び結晶性酸化物半導体層）は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。例えば、単結晶構造がＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表現される材料の場合、酸化物半導体の組成はＩｎＧａＺｎｍＯｍ＋３で表されるから、例えば、ｍ＝１（ＩｎＧａＺｎＯ４）であれば、ＩｎＧａＺｎＯｘ（ｘ＞０）のｘが４を越える酸素過剰領域を有する酸化物半導体層を用いる。このような酸素過剰領域は、酸化物半導体層の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００１１】
また、酸化物半導体層中に含まれる酸素は、下記式（１）で示すような酸化物半導体中の金属元素との結合と脱離の反応を動的に繰り返す。酸素が脱離した金属元素は未結合手を有するため、酸化物半導体層中において、酸素が脱離した箇所では酸素欠損が存在する。
【００１２】
【数１】
【００１３】
開示する発明の一形態に係る酸化物半導体層は、膜中に過剰の酸素（好ましくは化学量論的組成比より過剰の酸素）を含有することで、該酸素欠損を直ちに補填することができる。よって、膜中に存在する酸素欠損に起因するＤＯＳ（ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｓｔａｔｅ）を減少させることが可能となる。例えば、酸化物半導体層が化学量論的組成比に一致した量の酸素を含有する場合のＤＯＳの平均密度が１０１８ｃｍ−３以上１０１９ｃｍ−３以下程度である場合、化学量論的組成比より過剰な酸素を含む酸化物半導体におけるＤＯＳの平均密度は１０１５ｃｍ−３以上１０１６ｃｍ−３以下程度となりうる。
【００１４】
酸化物半導体層中に存在する過剰な酸素が、膜中に生じた酸素欠損をすぐに補填することができるため、酸素欠損に起因するドナー準位の生じる時間を短時間とし、膜中にドナー準位が存在することを低減する、実質的になくすことが可能となる。
【００１５】
酸化物半導体層上に設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【００１６】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能する。
【００１７】
また、非晶質酸化物半導体層を結晶化させる加熱処理を、酸化シリコン膜と酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【００１８】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【００１９】
また、酸化シリコン膜を該酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化シリコンの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物シリコンの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化シリコン膜の場合、酸化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超える酸素過剰領域を有する酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化シリコン膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００２０】
酸化物半導体層と接する酸化シリコン膜を、酸素を多く含む状態とすることによって、酸化物半導体層へ酸素を供給する供給源として好適に機能させることができる。
【００２１】
また、酸化アルミニウム膜も、該酸化アルミニウムが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化アルミニウムの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化アルミニウムの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＡｌＯｘ（ｘ＞０）で表現される場合、酸化アルミニウムの化学量論的組成比はＡｌ：Ｏ＝３：２であるので、ｘは３／２を超える酸素過剰領域を有する酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化アルミニウム膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００２２】
また、酸化アルミニウム膜の形成前に非晶質酸化物半導体層に水素原子または水などの水素原子を含む不純物を酸化物半導体層より意図的に排除する加熱処理による脱水化または脱水素化処理を行うことが好ましい。
【００２３】
ｎ型不純物である水素を酸化物半導体から除去し、不純物が極力含まれないように高純度化することによりＩ型（真性）の酸化物半導体、又はＩ型（真性）に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。すなわち、水素や水等の不純物を極力除去したことにより、高純度化されたＩ型（真性）半導体又はそれに近づけることができる。そうすることにより、酸化物半導体のフェルミ準位（Ｅｆ）を真性フェルミ準位（Ｅｉ）と同じレベルにまですることができる。
【００２４】
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化シリコン膜と、酸化アルミニウム膜と、酸化シリコン膜及び酸化アルミニウム膜に挟まれている非晶質酸化物半導体層を形成し、非晶質酸化物半導体層に加熱処理を行い少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成し、非晶質酸化物半導体層は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている半導体装置の作製方法である。
【００２５】
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜上に非晶質酸化物半導体層を形成し、非晶質酸化物半導体層に第１の加熱処理を行い、非晶質酸化物半導体層中に含まれる水素若しくは水分を放出させ、第１の加熱処理を行った非晶質酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成し、第１の加熱処理を行った非晶質酸化物半導体層に、第２の加熱処理を行い少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成し、非晶質酸化物半導体層は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている半導体装置の作製方法である。
【００２６】
本明細書で開示する発明の構成の一形態は、上記構成において、２の加熱処理は前記第１の加熱処理の温度より高い温度で行う半導体装置の作製方法である。
【００２７】
このように、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタは、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２８】
酸化物半導体層に含まれる過剰な酸素が加熱処理で放出されないように酸化アルミニウム膜を結晶性酸化物半導体層上に設けることにより、結晶性酸化物半導体中及びその上下で接する層との界面で欠陥が生成され、また欠陥が増加することを防ぐことができる。すなわち、結晶性酸化物半導体層に含ませた過剰な酸素が、酸素空孔欠陥を埋めるように作用するので、安定した電気特性を有する信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００２９】
よって、開示する発明の一形態は、安定した電気特性を有するトランジスタを作製することができる。
【００３０】
また、開示する発明の一形態は、電気特性が良好で信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図２】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図３】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図４】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図５】半導体装置の一形態を説明する図。
【図６】半導体装置の一形態を説明する図。
【図７】半導体装置の一形態を説明する図。
【図８】半導体装置の一形態を説明する図。
【図９】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１０】半導体装置の一形態を説明する図。
【図１１】電子機器を示す図。
【図１２】半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を説明する図。
【図１３】比較例試料ＡのＳＩＭＳデータを示す図。
【図１４】実施例試料ＡのＳＩＭＳデータを示す図。
【図１５】比較例試料ＢのＴＤＳデータを示す図。
【図１６】実施例試料ＢのＴＤＳデータを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下では、本明細書に開示する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、本明細書に開示する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、本明細書に開示する発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
【００３３】
（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の一形態を、図１を用いて説明する。本実施の形態では、半導体装置の一例として酸化物半導体層を有するトランジスタを示す。
【００３４】
トランジスタの構造は特に限定されず、例えばトップゲート構造、又はボトムゲート構造のスタガ型及びプレーナ型などを用いることができる。また、トランジスタはチャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造でもよいし、二つ形成されるダブルゲート構造もしくは三つ形成されるトリプルゲート構造などのマルチゲート構造であっても良い。また、チャネル領域の上下にゲート絶縁層を介して配置された２つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。
【００３５】
図１（Ｅ）に示すように、トランジスタ４１０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁層４０２、結晶性酸化物半導体層４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを含む。トランジスタ４１０上には、酸化物絶縁層４０７が形成されている。
【００３６】
また、酸化物絶縁層４０７は単層でも積層でもよいが、酸化アルミニウム膜を含む構造とする。本実施の形態では、ゲート絶縁層４０２は酸化シリコン膜であり、酸化物絶縁層４０７は酸化アルミニウム膜である。
【００３７】
また、結晶性酸化物半導体層４０３は、表面に概略平行なａ−ｂ面を有し、該表面に対して概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層であって、単結晶構造ではなく、非晶質構造でもない構造であり、ｃ軸配向を有した結晶（ＣＡＡＣ）を含む酸化物を有する。結晶性酸化物半導体層とすることで、可視光や紫外光の照射によるトランジスタの電気的特性変化をより抑制し、信頼性の高い半導体装置とすることができる。
【００３８】
図１（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４１０の作製方法の一例を示す。
【００３９】
まず、絶縁表面を有する基板４００上に導電膜を形成した後、第１のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層４０１を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００４０】
絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することもでき、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板４００として用いてもよい。
【００４１】
また、基板４００として、可撓性基板を用いて半導体装置を作製してもよい。可撓性を有する半導体装置を作製するには、可撓性基板上に結晶性酸化物半導体層４０３を含むトランジスタ４１０を直接作製してもよいし、他の作製基板に結晶性酸化物半導体層４０３を含むトランジスタ４１０を作製し、その後可撓性基板に剥離、転置してもよい。なお、作製基板から可撓性基板に剥離、転置するために、作製基板と酸化物半導体層を含むトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。
【００４２】
下地膜となる絶縁膜を基板４００とゲート電極層４０１との間に設けてもよい。下地膜は、基板４００からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜による積層構造により形成することができる。
【００４３】
また、ゲート電極層４０１の材料は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
【００４４】
また、ゲート電極層４０１の材料は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料、また透光性を有する導電性材料の窒化物を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
【００４５】
また、ゲート電極層４０１を積層構造とし、その一層として、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系の金属酸化物を用いてもよい。ゲート電極層４０１を積層構造とし、その一層として特に仕事関数の大きな材料であるインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸窒化物膜（ＩＧＺＯＮ膜とも呼ぶ）を用いることが好ましい。インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸窒化物膜は、アルゴン及び窒素の混合ガス雰囲気下で成膜することにより得られる。
【００４６】
例えば、ゲート電極層４０１として基板４００側から銅膜と、タングステン膜と、インジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸窒化物膜（ＩＧＺＯＮ膜）との積層構造、タングステン膜と、窒化タングステン膜と、銅膜と、チタン膜との積層構造などを用いることができる。
【００４７】
次いで、ゲート電極層４０１上にプラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、ゲート絶縁層４０２を形成する（図１（Ｂ）参照）。ゲート絶縁層４０２は単層でも積層でもよいが、結晶性酸化物半導体層４０３に接する膜には酸化シリコン膜を用いる。
【００４８】
結晶性酸化物半導体層４０３に接する酸化シリコン膜は該酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化シリコンの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物シリコンの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化シリコン膜の場合、酸化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超える酸素過剰領域を有する酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化シリコン膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００４９】
結晶性酸化物半導体層４０３と接する酸化シリコン膜を、酸素を多く含む状態とすることによって、酸化物半導体層へ酸素を供給する供給源として好適に機能させることができる。
【００５０】
ゲート絶縁層４０２を積層構造とする場合、結晶性酸化物半導体層４０３と接しない膜としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【００５１】
また、ゲート絶縁層４０２、ゲート絶縁層４０２上に形成される酸化物半導体膜に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、酸化物半導体膜の成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート電極層４０１が形成された基板４００、又はゲート絶縁層４０２までが形成された基板４００を予備加熱し、基板４００に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱は、酸化物絶縁層４０７の成膜前に、ソース電極層４０５ａ及びドレイン電極層４０５ｂまで形成した基板４００にも同様に行ってもよい。
【００５２】
次いで、ゲート絶縁層４０２上に、膜厚２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の非晶質酸化物半導体膜４４１を形成する（図１（Ｂ）参照）。
【００５３】
非晶質酸化物半導体膜４４１は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。例えば、単結晶構造がＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表現される材料の場合、酸化物半導体の組成はＩｎＧａＺｎｍＯｍ＋３で表されるから、例えば、ｍ＝１（ＩｎＧａＺｎＯ４）であれば、ＩｎＧａＺｎＯｘ（ｘ＞０）のｘが４を越える酸素過剰領域を有する非晶質酸化物半導体膜を用いる。このような酸素過剰領域は、非晶質酸化物半導体膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００５４】
非晶質酸化物半導体膜４４１は、成膜時に酸素が多く含まれるような条件で成膜して、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている膜としてもよいし、非晶質酸化物半導体膜を形成後に酸素（少なくとも、酸素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を過剰に含ませてもよい。酸素の導入方法としては、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンインプランテーション法、プラズマ処理などを用いることができる。
【００５５】
なお、非晶質酸化物半導体膜４４１をスパッタリング法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタリングを行い、ゲート絶縁層４０２の表面に付着している粉状物質（パーティクル、ごみともいう）を除去することが好ましい。逆スパッタリングとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴンに代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いてもよい。
【００５６】
非晶質酸化物半導体膜４４１に用いる酸化物半導体としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系酸化物半導体や、Ｉｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体などを用いることができる。また、上記酸化物半導体はＳｉＯ２を含んでもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜、という意味であり、その化学量論的組成比はとくに問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでもよい。
【００５７】
また、非晶質酸化物半導体膜４４１は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、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。
【００５８】
また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、原子数比で、Ｉｎ／Ｚｎ＝０．５〜５０、好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１〜２０、さらに好ましくはＩｎ／Ｚｎ＝１．５〜１５とする。Ｚｎの原子数比を好ましい前記範囲とすることで、トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。ここで、化合物の原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。
【００５９】
本実施の形態では、非晶質酸化物半導体膜４４１としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系金属酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。また、非晶質酸化物半導体膜４４１を成膜する際の雰囲気としては、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下において行うことができる。成膜によって、酸素を過剰に含む非晶質酸化物半導体膜４４１を形成する場合は、酸素雰囲気下（例えば酸素１００％）とすることが好ましい。
【００６０】
非晶質酸化物半導体膜４４１をスパッタリング法で作製するためのターゲットとしては、例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１［ｍｏｌ比］の酸化物ターゲットを用い、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する。また、このターゲットの材料及び組成に限定されず、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ比］の金属酸化物ターゲットを用いてもよい。
【００６１】
また、金属酸化物ターゲットの充填率は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９９．９％以下である。充填率の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜した非晶質酸化物半導体膜４４１は緻密な膜とすることができる。
【００６２】
非晶質酸化物半導体膜４４１を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００６３】
減圧状態に保持された成膜室内に基板を保持する。そして、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板４００上に非晶質酸化物半導体膜４４１を成膜する。成膜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、例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素原子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を含む化合物も）等が排気されるため、当該成膜室で成膜した非晶質酸化物半導体膜４４１に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【００６４】
また、ゲート絶縁層４０２と非晶質酸化物半導体膜４４１とを大気に解放せずに連続的に形成することが好ましい。ゲート絶縁層４０２と非晶質酸化物半導体膜４４１とを大気に曝露せずに連続して形成すると、ゲート絶縁層４０２表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
【００６５】
また、非晶質酸化物半導体膜４４１に過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、非晶質酸化物半導体膜が結晶化しない温度とし、代表的には２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以下とする。
【００６６】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、非晶質酸化物半導体膜４４１が島状に加工される前に行うと、ゲート絶縁層４０２に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。
【００６７】
なお、加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００６８】
また、加熱処理で非晶質酸化物半導体膜４４１を加熱した後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の二窒化酸素ガス、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガスまたは二窒化酸素ガスに、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酸素ガスまたは二窒化酸素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガスまたは二窒化酸素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。酸素ガス又は二窒化酸素ガスの作用により、脱水化または脱水素化処理による不純物の排除工程によって同時に減少してしまった非晶質酸化物半導体膜を構成する主成分材料である酸素を供給することによって、非晶質酸化物半導体膜を高純度化及び電気的にＩ型（真性）化することができる。
【００６９】
次いで、非晶質酸化物半導体膜４４１を第２のフォトリソグラフィ工程により島状の非晶質酸化物半導体層４４２に加工する（図１（Ｃ）参照）。また、島状の非晶質酸化物半導体層４４２を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
【００７０】
なお、開示する発明の一形態において、酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層及び結晶性酸化物半導体層）は、本実施の形態で示すように島状に加工してもよいし、形状を加工せず、膜状のままでもよい。
【００７１】
また、ゲート絶縁層４０２にコンタクトホールを形成する場合、その工程は非晶質酸化物半導体層４４２の加工時に同時に行うことができる。
【００７２】
なお、ここでの非晶質酸化物半導体膜４４１のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。例えば、非晶質酸化物半導体膜４４１のウェットエッチングに用いるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液などを用いることができる。また、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。
【００７３】
次いで、ゲート絶縁層４０２、及び非晶質酸化物半導体層４４２上に、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）となる導電膜を形成する。該導電膜は後の加熱処理に耐えられる材料を用いる。ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属膜の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属膜またはそれらの金属窒化物膜（窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）を積層させた構成としても良い。また、ソース電極層、及びドレイン電極層に用いる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ、酸化インジウム酸化亜鉛またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【００７４】
第３のフォトリソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成した後、レジストマスクを除去する。
【００７５】
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。
【００７６】
なお、導電膜のエッチングの際に、非晶質酸化物半導体層４４２がエッチングされ、分断することのないようエッチング条件を最適化することが望まれる。しかしながら、導電膜のみをエッチングし、非晶質酸化物半導体層４４２を全くエッチングしないという条件を得ることは難しく、導電膜のエッチングの際に非晶質酸化物半導体層４４２は一部のみがエッチングされ、溝部（凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。
【００７７】
本実施の形態では、導電膜としてＴｉ膜を用い、非晶質酸化物半導体層４４２にはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いたので、エッチング液としてアンモニア過水（アンモニア、水、過酸化水素水の混合液）を用いる。
【００７８】
次いで、非晶質酸化物半導体層４４２の一部に接する酸化物絶縁層４０７を形成する（図１（Ｄ）参照）。酸化物絶縁層４０７も単層でも積層でもよいが、酸化アルミニウム膜を含む構造とする。
【００７９】
酸化物絶縁層４０７に含まれる酸化アルミニウム膜の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。酸化物絶縁層４０７は、スパッタリング法など、酸化物絶縁層４０７に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。酸化物絶縁層４０７に水素が含まれると、その水素の酸化物半導体層への侵入、又は水素による酸化物半導体層中の酸素の引き抜きが生じ酸化物半導体層のバックチャネルが低抵抗化（Ｎ型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、酸化物絶縁層４０７はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。
【００８０】
酸化アルミニウム膜も、該酸化アルミニウムが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化アルミニウムの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化アルミニウムの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＡｌＯｘ（ｘ＞０）で表現される場合、酸化アルミニウムの化学量論的組成比はＡｌ：Ｏ＝３：２であるので、ｘは３／２を超える酸素過剰領域を有する酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化アルミニウム膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【００８１】
本実施の形態では、酸化物絶縁層４０７として膜厚１００ｎｍの酸化アルミニウム膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。酸化アルミニウム膜のスパッタリング法による成膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下において行うことができる。
【００８２】
非晶質酸化物半導体膜４４１の成膜時と同様に、酸化物絶縁層４０７の成膜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（クライオポンプなど）を用いることが好ましい。クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜した酸化物絶縁層４０７に含まれる不純物の濃度を低減できる。また、酸化物絶縁層４０７の成膜室内の残留水分を除去するための排気手段としては、ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。
【００８３】
酸化物絶縁層４０７を、成膜する際に用いるスパッタガスとしては、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【００８４】
酸化物絶縁層４０７を積層する場合、酸化アルミニウム膜の他に、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。図１２に酸化物絶縁層４０７を酸化物絶縁層４０７ａ、酸化物絶縁層４０７ｂの積層構造とする例を示す。
【００８５】
図１２（Ｄ）に示すように、非晶質酸化物半導体層４４２、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ上に酸化物絶縁層４０７ａを形成し、酸化物絶縁層４０７ａ上に酸化物絶縁層４０７ｂを形成する。酸化物絶縁層４０７ａは酸素の含有量が過剰な領域が含まれている酸化物絶縁層を用いると、非晶質酸化物半導体層４４２への酸素の供給源となるために好ましい。例えば、本実施の形態では、酸化物絶縁層４０７ａとして、酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている酸化シリコン膜を用い、酸化物絶縁層４０７ｂとして酸化アルミニウム膜を用いる。
【００８６】
次に非晶質酸化物半導体層４４２に加熱処理を行い、該非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む結晶性酸化物半導体層４０３を形成する。
【００８７】
非晶質酸化物半導体層４４２上に酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【００８８】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）からの放出を防止する保護膜として機能する。
【００８９】
非晶質酸化物半導体層４４２を結晶化させる加熱処理を、ゲート絶縁層４０２として設けられた酸化シリコン膜と酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層４４２を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層４４２から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層４０３は、非晶質酸化物半導体層４４２の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【００９０】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層４０３は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層４０３をトランジスタ４１０に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【００９１】
非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させる加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは５５０℃以上とする。
【００９２】
例えば、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して減圧下４５０℃において１時間の加熱処理を行う。
【００９３】
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ 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。高温のガスには、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
【００９４】
例えば、加熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後、基板を不活性ガス中から出すＧＲＴＡを行ってもよい。
【００９５】
加熱処理は、窒素、酸素、超乾燥空気（水の含有量が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）、または希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下で行えばよいが、上記窒素、酸素、超乾燥空気、または希ガス等の雰囲気に水、水素などが含まれないことが好ましい。また、加熱処理装置に導入する窒素、酸素、または希ガスの純度を、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。
【００９６】
高純度化された結晶性酸化物半導体層４０３中にはキャリアが極めて少なく（ゼロに近い）、キャリア濃度は１×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満である。
【００９７】
以上の工程でトランジスタ４１０が形成される（図１（Ｅ）参照）。トランジスタ４１０は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタである。よって、トランジスタ４１０は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【００９８】
本実施の形態を用いて作製した、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層４０３を用いたトランジスタ４１０は、オフ状態における電流値（オフ電流値）を、チャネル幅１μｍ当たり室温にて１０ｚＡ／μｍ未満、８５℃にて１００ｚＡ／μｍ未満レベルにまで低くすることができる。
【００９９】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１００】
（実施の形態２）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を図２を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
【０１０１】
図２（Ａ）乃至（Ｅ）に示すトランジスタ４４０は、トップゲート構造のトランジスタの例である。
【０１０２】
図２（Ｅ）に示すように、トランジスタ４４０は、絶縁層４３６が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、結晶性酸化物半導体層４０３、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４０１を含む。トランジスタ４４０上には、酸化物絶縁層４０７が形成されている。
【０１０３】
図２（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４４０の作製方法の一例を示す。
【０１０４】
まず、絶縁表面を有する基板４００上に絶縁層４３６を形成する。絶縁層４３６は、単層でも積層でもよいが、結晶性酸化物半導体層４０３に接する膜には酸化シリコン膜を用いる。
【０１０５】
結晶性酸化物半導体層４０３に接する酸化シリコン膜は該酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化シリコンの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物シリコンの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化シリコン膜の場合、酸化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超える酸素過剰領域を有する酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化シリコン膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１０６】
結晶性酸化物半導体層４０３と接する酸化シリコン膜を、酸素を多く含む状態とすることによって、酸化物半導体層へ酸素を供給する供給源として好適に機能させることができる。
【０１０７】
絶縁層４３６を積層構造とする場合、結晶性酸化物半導体層４０３と接しない膜としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【０１０８】
次いで、絶縁層４３６上に、非晶質酸化物半導体膜４４１を形成する（図２（Ａ）参照）。
【０１０９】
非晶質酸化物半導体膜４４１は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物膜を成膜する。
【０１１０】
また、絶縁層４３６と非晶質酸化物半導体膜４４１とを大気に解放せずに連続的に形成することが好ましい。絶縁層４３６と非晶質酸化物半導体膜４４１とを大気に曝露せずに連続して形成すると、絶縁層４３６表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
【０１１１】
また、非晶質酸化物半導体膜４４１に過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、非晶質酸化物半導体膜が結晶化しない温度とし、代表的には２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以下とする。
【０１１２】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、非晶質酸化物半導体膜４４１が島状に加工される前に行うと、絶縁層４３６に含まれる酸素が加熱処理によって放出されるのを防止することができるため好ましい。
【０１１３】
次いで、非晶質酸化物半導体膜４４１をフォトリソグラフィ工程により島状の非晶質酸化物半導体層４４２に加工する（図２（Ｂ）参照）。
【０１１４】
絶縁層４３６及び非晶質酸化物半導体層４４２上にソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成し、絶縁層４３６、非晶質酸化物半導体層４４２、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ上にゲート絶縁層４０２を形成する。ゲート絶縁層４０２としてはスパッタリング法又はプラズマＣＶＤ法により成膜される酸化物絶縁層を用いる。本実施の形態では、ゲート絶縁層４０２として、プラズマＣＶＤ法により成膜される酸化窒化シリコン膜を用いる。
【０１１５】
次に、非晶質酸化物半導体層４４２と重なるゲート絶縁層４０２上にゲート電極層４０１を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【０１１６】
次いで、ゲート電極層４０１上に酸化物絶縁層４０７を形成する（図２（Ｄ）参照）。酸化物絶縁層４０７は単層でも積層でもよいが、酸化アルミニウム膜を含む構造とする。
【０１１７】
酸化物絶縁層４０７に含まれる酸化アルミニウム膜の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。
【０１１８】
酸化アルミニウム膜も、該酸化アルミニウムが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化アルミニウムの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化アルミニウムの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＡｌＯｘ（ｘ＞０）で表現される場合、酸化アルミニウムの化学量論的組成比はＡｌ：Ｏ＝３：２であるので、ｘは３／２を超える酸素過剰領域を有する酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化アルミニウム膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１１９】
本実施の形態では、酸化物絶縁層４０７として膜厚１００ｎｍの酸化アルミニウム膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。
【０１２０】
次に非晶質酸化物半導体層４４２に加熱処理を行い、該非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む結晶性酸化物半導体層４０３を形成する。
【０１２１】
非晶質酸化物半導体層４４２上に酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０１２２】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０１２３】
非晶質酸化物半導体層４４２を結晶化させる加熱処理を、絶縁層４３６として設けられた酸化シリコン膜と酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層４４２を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層４４２から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層４０３は、非晶質酸化物半導体層４４２の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０１２４】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層４０３は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層４０３をトランジスタ４４０に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０１２５】
非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させる加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃、さらに好ましくは５５０℃以上とする。
【０１２６】
以上の工程でトランジスタ４４０が形成される（図２（Ｅ）参照）。トランジスタ４４０は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層４０３を有するトランジスタである。よって、トランジスタ４４０は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１２７】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１２８】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１２９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を図３を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
【０１３０】
図３（Ａ）乃至（Ｅ）に示すトランジスタ４３０は、ボトムゲート構造のトランジスタの例である。
【０１３１】
トランジスタ４３０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁層４０２、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、及び結晶性酸化物半導体層４０３を含む。また、トランジスタ４３０を覆い、酸化物絶縁層４０７が形成されている。
【０１３２】
図３（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４３０の作製方法の一例を示す。
【０１３３】
まず、絶縁表面を有する基板４００上にゲート電極層４０１を形成する（図３（Ａ）参照）。
【０１３４】
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、単層でも積層でもよいが、結晶性酸化物半導体層４０３に接する膜には酸化シリコン膜を用いる。
【０１３５】
結晶性酸化物半導体層４０３に接する酸化シリコン膜は該酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化シリコンの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物シリコンの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化シリコン膜の場合、酸化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超える酸素過剰領域を有する酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化シリコン膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１３６】
結晶性酸化物半導体層４０３と接する酸化シリコン膜を、酸素を多く含む状態とすることによって、酸化物半導体層へ酸素を供給する供給源として好適に機能させることができる。
【０１３７】
次にゲート絶縁層４０２上にソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成する（図３（Ｂ）参照）。
【０１３８】
次いで、ゲート絶縁層４０２、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ上に、非晶質酸化物半導体膜を形成し、島状に加工して非晶質酸化物半導体層４４２を形成する（図３（Ｃ）参照）。
【０１３９】
非晶質酸化物半導体層４４２は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を成膜する。
【０１４０】
また、非晶質酸化物半導体層４４２に過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、非晶質酸化物半導体層４４２が結晶化しない温度とし、代表的には２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以下とする。
【０１４１】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、島状の非晶質酸化物半導体層４４２に加工される前に行ってもよい。
【０１４２】
次いで、非晶質酸化物半導体層４４２上に酸化物絶縁層４０７を形成する（図３（Ｄ）参照）。酸化物絶縁層４０７は単層でも積層でもよいが、酸化アルミニウム膜を含む構造とする。
【０１４３】
酸化物絶縁層４０７に含まれる酸化アルミニウム膜の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。
【０１４４】
酸化アルミニウム膜も、該酸化アルミニウムが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化アルミニウムの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化アルミニウムの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＡｌＯｘ（ｘ＞０）で表現される場合、酸化アルミニウムの化学量論的組成比はＡｌ：Ｏ＝３：２であるので、ｘは３／２を超える酸素過剰領域を有する酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化アルミニウム膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１４５】
本実施の形態では、酸化物絶縁層４０７として膜厚１００ｎｍの酸化アルミニウム膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。
【０１４６】
次に非晶質酸化物半導体層４４２に加熱処理を行い、該非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む結晶性酸化物半導体層４０３を形成する。
【０１４７】
非晶質酸化物半導体層４４２上に酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０１４８】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０１４９】
非晶質酸化物半導体層４４２を結晶化させる加熱処理を、ゲート絶縁層４０２として設けられた酸化シリコン膜と酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層４４２を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層４４２から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層４０３は、非晶質酸化物半導体層４４２の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０１５０】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層４０３は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層４０３をトランジスタ４３０に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０１５１】
非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させる加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃、さらに好ましくは５５０℃以上とする。
【０１５２】
以上の工程でトランジスタ４３０が形成される（図３（Ｅ）参照）。トランジスタ４３０は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層４０３を有するトランジスタである。よって、トランジスタ４３０は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１５３】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１５４】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態４）
【０１５５】
本実施の形態では、半導体装置及び半導体装置の作製方法の他の一形態を図４を用いて説明する。上記実施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、上記実施の形態と同様に行うことができ、繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
【０１５６】
図４（Ａ）乃至（Ｅ）に示すトランジスタ４５０は、トップゲート構造のトランジスタの例である。
【０１５７】
図４（Ｅ）に示すように、トランジスタ４５０は、絶縁層４３６が設けられた絶縁表面を有する基板４００上に、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、結晶性酸化物半導体層４０３、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４０１を含む。トランジスタ４５０上には、酸化物絶縁層４０７が形成されている。
【０１５８】
図４（Ａ）乃至（Ｅ）にトランジスタ４５０の作製方法の一例を示す。
【０１５９】
まず、絶縁表面を有する基板４００上に絶縁層４３６を形成する。絶縁層４３６は、単層でも積層でもよいが、結晶性酸化物半導体層４０３に接する膜には酸化シリコン膜を用いる。
【０１６０】
結晶性酸化物半導体層４０３に接する酸化シリコン膜は該酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化シリコンの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物シリコンの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＳｉＯｘ（ｘ＞０）で表現される酸化シリコン膜の場合、酸化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｏ＝１：２であるので、ｘが２を超える酸素過剰領域を有する酸化シリコン膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化シリコン膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１６１】
結晶性酸化物半導体層４０３と接する酸化シリコン膜を、酸素を多く含む状態とすることによって、酸化物半導体層へ酸素を供給する供給源として好適に機能させることができる。
【０１６２】
絶縁層４３６を積層構造とする場合、結晶性酸化物半導体層４０３と接しない膜としては、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等により、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウム、又はこれらの混合材料を用いて形成することができる。
【０１６３】
絶縁層４３６上にソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂを形成する（図４（Ａ）参照）。
【０１６４】
次いで、絶縁層４３６、ソース電極層４０５ａ、及びドレイン電極層４０５ｂ上に、非晶質酸化物半導体膜を形成し、島状に加工して非晶質酸化物半導体層４４２を形成する（図４（Ｂ）参照）。
【０１６５】
非晶質酸化物半導体層４２２は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれている。この場合、酸素の含有量は、酸化物半導体の化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化物半導体の格子間に酸素が存在する場合もある。本実施の形態では、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体膜を成膜する。
【０１６６】
また、非晶質酸化物半導体層４４２に過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去（脱水化または脱水素化）するための加熱処理を行ってもよい。加熱処理の温度は、非晶質酸化物半導体層４４２が結晶化しない温度とし、代表的には２５０℃以上４００℃以下、好ましくは３００℃以下とする。
【０１６７】
脱水化又は脱水素化のための加熱処理は、島状の非晶質酸化物半導体層４４２に加工される前に行ってもよい。
【０１６８】
次に、絶縁層４３６、ソース電極層４０５ａ、ドレイン電極層４０５ｂ、及び非晶質酸化物半導体層４４２上にゲート絶縁層４０２を形成する。ゲート絶縁層４０２としてはスパッタリング法又はプラズマＣＶＤ法により成膜される酸化物絶縁層を用いる。本実施の形態では、ゲート絶縁層４０２として、プラズマＣＶＤ法により成膜される酸化窒化シリコン膜を用いる。
【０１６９】
次に、非晶質酸化物半導体層４４２と重なるゲート絶縁層４０２上にゲート電極層４０１を形成する（図４（Ｃ）参照）。
【０１７０】
次いで、ゲート電極層４０１上に酸化物絶縁層４０７を形成する（図４（Ｄ）参照）。酸化物絶縁層４０７は単層でも積層でもよいが、酸化アルミニウム膜を含む構造とする。
【０１７１】
酸化物絶縁層４０７に含まれる酸化アルミニウム膜の膜厚は、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。
【０１７２】
酸化アルミニウム膜も、該酸化アルミニウムが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることが好ましい。この場合、酸素の含有量は、酸化アルミニウムの化学量論的組成比を超える程度とする。あるいは、酸素の含有量は、単結晶の場合の酸素の量を超える程度とする。酸化アルミニウムの格子間に酸素が存在する場合もある。組成がＡｌＯｘ（ｘ＞０）で表現される場合、酸化アルミニウムの化学量論的組成比はＡｌ：Ｏ＝３：２であるので、ｘは３／２を超える酸素過剰領域を有する酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。このような酸素過剰領域は、酸化アルミニウム膜の一部（界面も含む）に存在していればよい。
【０１７３】
本実施の形態では、酸化物絶縁層４０７として膜厚１００ｎｍの酸化アルミニウム膜を、スパッタリング法を用いて成膜する。
【０１７４】
次に非晶質酸化物半導体層４４２に加熱処理を行い、該非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む結晶性酸化物半導体層４０３を形成する。
【０１７５】
非晶質酸化物半導体層４４２上に酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０１７６】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層（非晶質酸化物半導体層４４２及び結晶性酸化物半導体層４０３）からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０１７７】
非晶質酸化物半導体層４４２を結晶化させる加熱処理を、絶縁層４３６として設けられた酸化シリコン膜と酸化物絶縁層４０７として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層４４２を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層４４２から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層４０３は、非晶質酸化物半導体層４４２の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０１７８】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層４０３は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層４０３をトランジスタ４５０に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０１７９】
非晶質酸化物半導体層４４２の少なくとも一部を結晶化させる加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃、さらに好ましくは５５０℃以上とする。
【０１８０】
以上の工程でトランジスタ４５０が形成される（図４（Ｅ）参照）。トランジスタ４５０は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層４０３を有するトランジスタである。よって、トランジスタ４５０は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１８１】
以上のように、安定した電気的特性を有する酸化物半導体を用いた半導体装置を提供することができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１８２】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１８３】
（実施の形態５）
実施の形態１乃至４のいずれかで一例を示したトランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、トランジスタを含む駆動回路の一部または全体を、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。
【０１８４】
図６（Ａ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２を囲むようにして、シール材４００５が設けられ、第２の基板４００６によって封止されている。図６（Ａ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された走査線駆動回路４００４、信号線駆動回路４００３が実装されている。また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、４０１８ｂから供給されている。
【０１８５】
図６（Ｂ）（Ｃ）において、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられている。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。図６（Ｂ）（Ｃ）においては、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図６（Ｂ）（Ｃ）においては、別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【０１８６】
また図６（Ｂ）（Ｃ）においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１の基板４００１に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装しても良い。
【０１８７】
なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方法などを用いることができる。図６（Ａ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３、走査線駆動回路４００４を実装する例であり、図６（Ｂ）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図６（Ｃ）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。
【０１８８】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。
【０１８９】
なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣもしくはＴＡＢテープもしくはＴＣＰが取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、または表示素子にＣＯＧ方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。
【０１９０】
また第１の基板上に設けられた画素部及び走査線駆動回路は、トランジスタを複数有しており、実施の形態１乃至４のいずれかで一例を示したトランジスタを適用することができる。
【０１９１】
表示装置に設けられる表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（発光表示素子ともいう）、を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。
【０１９２】
半導体装置の一形態について、図７乃至図９を用いて説明する。図７乃至図９は、図６（Ｂ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０１９３】
図７乃至図９で示すように、半導体装置は接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６を有しており、接続端子電極４０１５及び端子電極４０１６はＦＰＣ４０１８が有する端子と異方性導電膜４０１９を介して、電気的に接続されている。
【０１９４】
接続端子電極４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
【０１９５】
また第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、図７乃至図９では、画素部４００２に含まれるトランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトランジスタ４０１１とを例示している。図７では、トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁層４０２０、絶縁層４０２４が設けられ、図８及び図９ではさらに、絶縁層４０２１が設けられている。なお、絶縁膜４０２３は下地膜として機能する絶縁膜である。
【０１９６】
本実施の形態では、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１として、実施の形態１乃至４のいずれかで示したトランジスタを適用することができる。
【０１９７】
トランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１は高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタである。よって、トランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０１９８】
よって、図７乃至図９で示す本実施の形態の半導体装置として信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０１９９】
また、本実施の形態では、絶縁層上において駆動回路用のトランジスタ４０１１の結晶性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が設けられている例である。導電層を結晶性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さらに低減することができる。また、導電層は、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。
【０２００】
また、該導電層は外部の電場を遮蔽する、すなわち外部の電場が内部（薄膜トランジスタを含む回路部）に作用しないようにする機能（特に静電気に対する静電遮蔽機能）も有する。導電層の遮蔽機能により、静電気などの外部の電場の影響によりトランジスタの電気的な特性が変動することを防止することができる。
【０２０１】
画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０は表示素子と電気的に接続し、表示パネルを構成する。表示素子は表示を行うことができれば特に限定されず、様々な表示素子を用いることができる。
【０２０２】
図７に表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の例を示す。図７において、表示素子である液晶素子４０１３は、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１、及び液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として機能する絶縁膜４０３２、４０３３が設けられている。第２の電極層４０３１は第２の基板４００６側に設けられ、第１の電極層４０３０と第２の電極層４０３１とは液晶層４００８を介して積層する構成となっている。
【０２０３】
また４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、液晶層４００８の膜厚（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。
【０２０４】
表示素子として、液晶素子を用いる場合、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。
【０２０５】
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数重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が短く、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。また配向膜を設けなくてもよいので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。酸化物半導体層を用いるトランジスタは、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。
【０２０６】
また、液晶材料の固有抵抗は、１×１０９Ω・ｃｍ以上であり、好ましくは１×１０１１Ω・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１×１０１２Ω・ｃｍ以上である。なお、本明細書における固有抵抗の値は、２０℃で測定した値とする。
【０２０７】
液晶表示装置に設けられる保持容量の大きさは、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。保持容量の大きさは、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。高純度の結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタを用いることにより、各画素における液晶容量に対して１／３以下、好ましくは１／５以下の容量の大きさを有する保持容量を設ければ充分である。
【０２０８】
本実施の形態で用いる高純度化された結晶性酸化物半導体層を用いたトランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
【０２０９】
また、本実施の形態で用いる高純度化された結晶性酸化物半導体層を用いたトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを液晶表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバートランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
【０２１０】
液晶表示装置には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）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。
【０２１１】
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶモードなどを用いることができる。また、ＶＡ型の液晶表示装置にも適用することができる。ＶＡ型の液晶表示装置とは、液晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種である。ＶＡ型の液晶表示装置は、電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。また、画素（ピクセル）をいくつかの領域（サブピクセル）に分け、それぞれ別の方向に分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる方法を用いることができる。
【０２１２】
また、表示装置において、ブラックマトリクス（遮光層）、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。
【０２１３】
また、画素部における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白を表す）、又はＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。
【０２１４】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を適用することができる。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０２１５】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０２１６】
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明する。
【０２１７】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透光性であればよい。そして、基板上にトランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。
【０２１８】
図８に表示素子として発光素子を用いた発光装置の例を示す。表示素子である発光素子４５１３は、画素部４００２に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続している。なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極層４０３０、電界発光層４５１１、第２の電極層４０３１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４５１３から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。
【０２１９】
隔壁４５１０は、有機絶縁材料、又は無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極層４０３０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持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
【０２２０】
電界発光層４５１１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どちらでも良い。
【０２２１】
発光素子４５１３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４０３１及び隔壁４５１０上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。また、第１の基板４００１、第２の基板４００６、及びシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４が設けられ密封されている。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（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。
【０２２２】
充填材４５１４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、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）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。
【０２２３】
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。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
【０２２４】
また、表示装置として、電子インクを駆動させる電子ペーパーを提供することも可能である。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）も呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。
【０２２５】
電気泳動表示装置は、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含む）とする。
【０２２６】
このように、電気泳動表示装置は、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。
【０２２７】
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。
【０２２８】
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレクトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を用いればよい。
【０２２９】
また、電子ペーパーとして、ツイストボール表示方式を用いる表示装置も適用することができる。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の電極層間に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【０２３０】
図９に、半導体装置の一形態としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。図９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間に配置し、電極層間に電位差を生じさせて球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【０２３１】
トランジスタ４０１０と接続する第１の電極層４０３０と、第２の基板４００６に設けられた第２の電極層４０３１との間には黒色領域４６１５ａ及び白色領域４６１５ｂを有し、周りに液体で満たされているキャビティ４６１２を含む球形粒子４６１３が設けられており、球形粒子４６１３の周囲は樹脂等の充填材４６１４で充填されている。第２の電極層４０３１が共通電極（対向電極）に相当する。第２の電極層４０３１は、共通電位線と電気的に接続される。
【０２３２】
なお、図７乃至図９において、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガラス基板の他、可撓性を有する基板も用いることができ、例えば透光性を有するプラスチック基板などを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。
【０２３３】
本実施の形態では、ゲート絶縁層として酸化シリコン膜を用い、絶縁層４０２０として酸化アルミニウム膜を用いる。ゲート絶縁層、絶縁層４０２０はスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。
【０２３４】
酸化物半導体層上に絶縁層４０２０として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０２３５】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０２３６】
また、ゲート絶縁層として酸化物半導体層と接して設けられた酸化シリコン膜は、酸素を酸化物半導体層へ供給する機能を有する。よって、ゲート絶縁層は酸素を多く含む酸化物絶縁層が好ましい。
【０２３７】
トランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１は、非晶質酸化物半導体層を結晶化した結晶性酸化物半導体層を有する。また、トランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１は、ゲート絶縁層として酸化シリコン膜を有する。非晶質酸化物半導体層を結晶化させる加熱処理を、ゲート絶縁層として非晶質酸化物半導体層に接して設けられた酸化シリコン膜と、絶縁層４０２０として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０２３８】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層をトランジスタ４０１０及びトランジスタ４０１１に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０２３９】
また、平坦化絶縁膜として機能する絶縁層４０２１は、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁層を形成してもよい。
【０２４０】
絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法）、スクリーン印刷、オフセット印刷、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
【０２４１】
表示装置は光源又は表示素子からの光を透過させて表示を行う。よって光が透過する画素部に設けられる基板、絶縁膜、導電膜などの薄膜はすべて可視光の波長領域の光に対して透光性とする。
【０２４２】
表示素子に電圧を印加する第１の電極層及び第２の電極層（画素電極層、共通電極層、対向電極層などともいう）においては、取り出す光の方向、電極層が設けられる場所、及び電極層のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
【０２４３】
第１の電極層４０３０、第２の電極層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、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、グラフェン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。
【０２４４】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複数種を用いて形成することができる。
【０２４５】
また、第１の電極層４０３０、第２の電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子を用いることができる。例えば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体などがあげられる。
【０２４６】
また、トランジスタは静電気などにより破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
【０２４７】
以上のように実施の形態１乃至４のいずれかで示したトランジスタを適用することで、様々な機能を有する半導体装置を提供することができる。
【０２４８】
（実施の形態６）
実施の形態１乃至４のいずれかで一例を示したトランジスタを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
【０２４９】
図１０（Ａ）に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図１０（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図１０（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
【０２５０】
フォトダイオード６０２は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線６５８に、他方の電極がトランジスタ６４０のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ６４０は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ６５６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ６５６は、ゲートがゲート信号線６５９に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線６７１に電気的に接続されている。
【０２５１】
なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体層を用いるトランジスタと明確に判明できるように、酸化物半導体層を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載している。図１０（Ａ）において、トランジスタ６４０、トランジスタ６５６は実施の形態１のトランジスタ４１０に示すような結晶性酸化物半導体層を用いるトランジスタである。
【０２５２】
図１０（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０に示す断面図であり、絶縁表面を有する基板６０１（ＴＦＴ基板）上に、センサとして機能するフォトダイオード６０２及びトランジスタ６４０が設けられている。フォトダイオード６０２、トランジスタ６４０の上には接着層６０８を用いて基板６１３が設けられている。
【０２５３】
トランジスタ６４０上には絶縁層６３１、絶縁層６３２、層間絶縁層６３３、層間絶縁層６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁層６３３上に設けられ、層間絶縁層６３３上に形成した電極層６４１と、層間絶縁層６３４上に設けられた電極層６４２との間に、層間絶縁層６３３側から順に第１半導体層６０６ａ、第２半導体層６０６ｂ、及び第３半導体層６０６ｃを積層した構造を有している。
【０２５４】
電極層６４１は、層間絶縁層６３４に形成された導電層６４３と電気的に接続し、電極層６４２は電極層６４１を介してゲート電極層６４５と電気的に接続している。ゲート電極層６４５は、トランジスタ６４０のゲート電極層と電気的に接続しており、フォトダイオード６０２はトランジスタ６４０と電気的に接続している。
【０２５５】
ここでは、第１半導体層６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体層と、第２半導体層６０６ｂとして高抵抗な半導体層（Ｉ型半導体層）、第３半導体層６０６ｃとしてｎ型の導電型を有する半導体層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
【０２５６】
第１半導体層６０６ａはｐ型半導体層であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成することができる。第１半導体層６０６ａの形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体層６０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０２５７】
第２半導体層６０６ｂは、Ｉ型半導体層（真性半導体層）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体層６０６ｂの形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体層６０６ｂの形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行っても良い。第２半導体層６０６ｂの膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０２５８】
第３半導体層６０６ｃは、ｎ型半導体層であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体層６０６ｃの形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体層６０６ｃの膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０２５９】
また、第１半導体層６０６ａ、第２半導体層６０６ｂ、及び第３半導体層６０６ｃは、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶（セミアモルファス（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））半導体を用いて形成してもよい。
【０２６０】
微結晶半導体は、ギブスの自由エネルギーを考慮すれば非晶質と単結晶の中間的な準安定状態に属するものである。すなわち、自由エネルギー的に安定な第３の状態を有する半導体であって、短距離秩序を持ち格子歪みを有する。柱状または針状結晶が基板表面に対して法線方向に成長している。微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマンスペクトルが単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１よりも低波数側に、シフトしている。即ち、単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１とアモルファスシリコンを示す４８０ｃｍ−１の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、未結合手（ダングリングボンド）を終端するため水素またはハロゲンを少なくとも１原子％またはそれ以上含ませている。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなどの希ガス元素を含ませて格子歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な微結晶半導体膜が得られる。
【０２６１】
この微結晶半導体膜は、周波数が数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波プラズマＣＶＤ法、または周波数が１ＧＨｚ以上のマイクロ波プラズマＣＶＤ法により形成することができる。代表的には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などの水素化珪素を水素で希釈して形成することができる。また、水素化珪素及び水素に加え、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンから選ばれた一種または複数種の希ガス元素で希釈して微結晶半導体膜を形成することができる。これらのときの水素化珪素に対して水素の流量比を５倍以上２００倍以下、好ましくは５０倍以上１５０倍以下、更に好ましくは１００倍とする。さらには、シリコンを含む気体中に、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６等の炭化物気体、ＧｅＨ４、ＧｅＦ４等のゲルマニウム化気体、Ｆ２等を混入させてもよい。
【０２６２】
また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、ｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板６０１の面からフォトダイオード６０２が受ける光を電気信号に変換する例を示す。また、受光面とした半導体層側とは逆の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。また、ｎ型の半導体層側を受光面として用いることもできる。
【０２６３】
絶縁層６３２、層間絶縁層６３３、層間絶縁層６３４としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法）、スクリーン印刷、オフセット印刷、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いて形成することができる。
【０２６４】
本実施の形態では、絶縁層６３１として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁層６３１はスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。
【０２６５】
酸化物半導体層上に絶縁層６３１として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０２６６】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０２６７】
本実施の形態において、トランジスタ６４０は、非晶質酸化物半導体層を結晶化した結晶性酸化物半導体層を有する。また、トランジスタ６４０は、ゲート絶縁層として酸化シリコン膜を有する。非晶質酸化物半導体層を結晶化させる加熱処理を、ゲート絶縁層として非晶質酸化物半導体層に接して設けられた酸化シリコン膜と、絶縁層６３１として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層は、非晶質酸化物半導体層の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０２６８】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層をトランジスタ６４０に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０２６９】
絶縁層６３２としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁層、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁層の単層、又は積層からなる無機絶縁材料を用いることができる。
【０２７０】
層間絶縁層６３３、６３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能する絶縁層が好ましい。層間絶縁層６３３、６３４としては、例えばポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また上記有機絶縁材料の他に、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）等の単層、又は積層を用いることができる。
【０２７１】
フォトダイオード６０２に入射する光６２２を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。
【０２７２】
以上のように、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタは、トランジスタの電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、該トランジスタを用いることで信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０２７３】
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。
【０２７４】
（実施の形態７）
実施の形態１乃至４のいずれかで一例を示したトランジスタは、複数のトランジスタを積層する集積回路を有する半導体装置に好適に用いることができる。本実施の形態では、半導体装置の一例として、記憶媒体（メモリ素子）の例を示す。
【０２７５】
実施の形態では、単結晶半導体基板に作製された第１のトランジスタであるトランジスタ１４０と絶縁層を介してトランジスタ１４０の上方に半導体膜を用いて作製された第２のトランジスタであるトランジスタ１６２を含む半導体装置を作製する。実施の形態１乃至４のいずれかで一例を示したトランジスタは、トランジスタ１６２に好適に用いることができる。本実施の形態では、トランジスタ１６２として実施の形態２で示したトランジスタ４４０と同様な構造を有するトランジスタを用いる例を示す。
【０２７６】
積層するトランジスタ１４０、トランジスタ１６２の半導体材料、及び構造は、同一でもよいし異なっていてもよい。本実施の形態では、記憶媒体（メモリ素子）の回路に好適な材料及び構造のトランジスタをそれぞれ用いる例である。
【０２７７】
図５は、半導体装置の構成の一例である。図５（Ａ）には、半導体装置の断面を、図５（Ｂ）には、半導体装置の平面を、それぞれ示す。ここで、図５（Ａ）は、図５（Ｂ）のＣ１−Ｃ２およびＤ１−Ｄ２における断面に相当する。また、図５（Ｃ）には、上記半導体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示される半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ１４０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ１６２を有する。本実施の形態では、第１の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料とし、第２の半導体材料を酸化物半導体とする。酸化物半導体以外の半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いるのが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、その特性により長時間の電荷保持を可能とする。
【０２７８】
図５における半導体装置の作製方法を図５（Ａ）乃至（Ｃ）を用いて説明する。
【０２７９】
トランジスタ１４０は、半導体材料（例えば、シリコンなど）を含む基板１８５に設けられたチャネル形成領域１１６と、チャネル形成領域１１６を挟むように設けられた不純物領域１２０と、不純物領域１２０に接する金属化合物領域１２４と、チャネル形成領域１１６上に設けられたゲート絶縁層１０８と、ゲート絶縁層１０８上に設けられたゲート電極１１０とを有する。
【０２８０】
半導体材料を含む基板１８５は、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板などを適用することができる。なお、一般に「ＳＯＩ基板」は、絶縁表面上にシリコン半導体層が設けられた構成の基板をいうが、本明細書等においては、絶縁表面上にシリコン以外の材料からなる半導体層が設けられた構成の基板も含む。つまり、「ＳＯＩ基板」が有する半導体層は、シリコン半導体層に限定されない。また、ＳＯＩ基板には、ガラス基板などの絶縁基板上に絶縁層を介して半導体層が設けられた構成のものが含まれるものとする。
【０２８１】
ＳＯＩ基板の作製方法としては、鏡面研磨ウェハーに酸素イオンを注入した後、高温加熱することにより、表面から一定の深さに酸化層を形成させるとともに、表面層に生じた欠陥を消滅させて作る方法、水素イオン照射により形成された微小ボイドの熱処理による成長を利用して半導体基板を劈開する方法や、絶縁表面上に結晶成長により単結晶半導体層を形成する方法等を用いることができる。
【０２８２】
例えば、単結晶半導体基板の一つの面からイオンを添加して、単結晶半導体基板の一つの面から一定の深さに脆弱化層を形成し、単結晶半導体基板の一つの面上、又は素子基板上のどちらか一方に絶縁層を形成する。単結晶半導体基板と素子基板を、絶縁層を挟んで重ね合わせた状態で、脆弱化層に亀裂を生じさせ、単結晶半導体基板を脆弱化層で分離する熱処理を行い、単結晶半導体基板より半導体層として単結晶半導体層を素子基板上に形成する。上記方法を用いて作製されたＳＯＩ基板も好適に用いることができる。
【０２８３】
基板１８５上にはトランジスタ１４０を囲むように素子分離絶縁層１０６が設けられている。なお、高集積化を実現するためには、図５に示すようにトランジスタ１４０がサイドウォール絶縁層を有しない構成とすることが望ましい。一方で、トランジスタ１４０の特性を重視する場合には、ゲート電極１１０の側面にサイドウォール絶縁層を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域１２０を設けても良い。
【０２８４】
単結晶半導体基板を用いたトランジスタ１４０は、高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。
【０２８５】
トランジスタ１４０を覆うように絶縁層を２層形成する。トランジスタ１６２および容量素子１６４の形成前の処理として、該絶縁層２層にＣＭＰ処理を施して、平坦化した絶縁層１２８、絶縁層１３０を形成し、同時にゲート電極１１０の上面を露出させる。
【０２８６】
絶縁層１２８、絶縁層１３０は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。絶縁層１２８、絶縁層１３０は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。
【０２８７】
また、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、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）等を用いることができる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁層１２８、絶縁層１３０を形成してもよい。
【０２８８】
なお、絶縁層１３０において、半導体層と接する膜は酸化シリコン膜を用いる。
【０２８９】
本実施の形態では、絶縁層１２８としてスパッタリング法により膜厚５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成し、絶縁層１３０としてスパッタリング法により膜厚５５０ｎｍの酸化シリコン膜を形成する。
【０２９０】
ＣＭＰ処理により十分に平坦化した絶縁層１３０上に半導体膜を形成する。本実施の形態では、半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物ターゲットを用いてスパッタリング法により酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む非晶質酸化物半導体膜を形成する。
【０２９１】
次に非晶質酸化物半導体膜を選択的にエッチングして非晶質酸化物半導体層を形成する。
【０２９２】
次に、ゲート電極１１０、絶縁層１２８、絶縁層１３０などの上に導電層を形成し、該導電層を選択的にエッチングして、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂを形成する。
【０２９３】
導電層は、スパッタリング法をはじめとする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、導電層の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｎｄ、Ｓｃのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。
【０２９４】
導電層は、単層構造であっても良いし、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、チタン膜や窒化チタン膜の単層構造、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜が積層された２層構造、窒化チタン膜上にチタン膜が積層された２層構造、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜とが積層された３層構造などが挙げられる。なお、導電層を、チタン膜や窒化チタン膜の単層構造とする場合には、テーパー形状を有するソース電極またはドレイン電極１４２ａ、およびソース電極またはドレイン電極１４２ｂへの加工が容易であるというメリットがある。
【０２９５】
上部のトランジスタ１６２のチャネル長（Ｌ）は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、およびソース電極またはドレイン電極１４２ｂの下端部の間隔によって決定される。なお、チャネル長（Ｌ）が２５ｎｍ未満のトランジスタを形成する場合に用いるマスク形成の露光を行う際には、数ｎｍ〜数１０ｎｍと波長の短い超紫外線を用いるのが望ましい。
【０２９６】
次に、非晶質酸化物半導体層に接し、ゲート絶縁層１４６を形成する。ゲート絶縁層１４６として、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、又は酸化ガリウム膜を形成することができる。
【０２９７】
次に、ゲート絶縁層１４６上において非晶質酸化物半導体層と重畳する領域にゲート電極１４８ａを形成し、ソース電極またはドレイン電極１４２ａと重畳する領域に電極１４８ｂを形成する。
【０２９８】
ゲート電極１４８ａおよび電極１４８ｂは、ゲート絶縁層１４６上に導電層を形成した後に、当該導電層を選択的にエッチングすることによって形成することができる。
【０２９９】
次に、非晶質酸化物半導体層、ゲート絶縁層１４６、ゲート電極１４８ａ、および電極１４８ｂ上に、酸化アルミニウム膜を含む絶縁層１５０を形成する。絶縁層１５０を積層構造とする場合、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、又は酸化ガリウム膜を酸化アルミニウム膜と積層して形成してもよい。
【０３００】
次に非晶質酸化物半導体層に加熱処理を行い、該非晶質酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む結晶性酸化物半導体層１４４を形成する。
【０３０１】
非晶質酸化物半導体層上に絶縁層１５０として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高い。
【０３０２】
従って、酸化アルミニウム膜は、作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能する。
【０３０３】
非晶質酸化物半導体層を結晶化させる加熱処理を、絶縁層１３０として設けられた酸化シリコン膜と絶縁層１５０として設けられた酸化アルミニウム膜との間に非晶質酸化物半導体層を挟んだ状態で行うため、結晶化のための加熱処理によって非晶質酸化物半導体層から酸素が放出されるのを防止することができる。従って、得られる結晶性酸化物半導体層１４４は、非晶質酸化物半導体層の含む酸素量を維持し、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む膜とすることができる。
【０３０４】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層１４４は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層１４４をトランジスタ１６２に用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【０３０５】
非晶質酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させる加熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃、さらに好ましくは５５０℃以上とする。
【０３０６】
次にトランジスタ１６２、及び絶縁層１５０上に、絶縁層１５２を形成する。絶縁層１５２は、スパッタリング法やＣＶＤ法などを用いて形成することができる。また、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。
【０３０７】
次に、ゲート絶縁層１４６、絶縁層１５０、及び絶縁層１５２に、ソース電極またはドレイン電極１４２ｂにまで達する開口を形成する。当該開口の形成は、マスクなどを用いた選択的なエッチングにより行われる。
【０３０８】
その後、上記開口にソース電極またはドレイン電極１４２ｂに接する配線１５６を形成する。なお、図５にはソース電極またはドレイン電極１４２ｂと配線１５６との接続箇所は図示していない。
【０３０９】
配線１５６は、スパッタリング法をはじめとするＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法を用いて導電層を形成した後、当該導電層をエッチング加工することによって形成される。また、導電層の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素や、上述した元素を成分とする合金等を用いることができる。Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｎｄ、Ｓｃのいずれか、またはこれらを複数組み合わせた材料を用いてもよい。詳細は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａなどと同様である。
【０３１０】
以上の工程でトランジスタ１６２及び容量素子１６４が完成する。トランジスタ１６２は、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層１４４を有するトランジスタである。よって、トランジスタ１６２は、電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。容量素子１６４は、ソース電極またはドレイン電極１４２ａ、ゲート絶縁層１４６、および電極１４８ｂ、で構成される。
【０３１１】
なお、容量が不要の場合は、容量素子１６４を設けない構成とすることも可能である。
【０３１２】
図５（Ｃ）には、上記半導体装置をメモリ素子として用いる場合の回路図の一例を示す。図５（Ｃ）において、トランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の一方と、容量素子１６４の電極の一方と、トランジスタ１４０のゲート電極と、は電気的に接続されている。また、第１の配線（１ｓｔ Ｌｉｎｅ：ソース線とも呼ぶ）とトランジスタ１４０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１４０のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第３の配線（３ｒｄ Ｌｉｎｅ：第１の信号線とも呼ぶ）とトランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の他方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ Ｌｉｎｅ：第２の信号線とも呼ぶ）と、トランジスタ１６２のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、第５の配線（５ｔｈ Ｌｉｎｅ：ワード線とも呼ぶ）と、容量素子１６４の電極の他方は電気的に接続されている。
【０３１３】
酸化物半導体を用いたトランジスタ１６２は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有しているため、トランジスタ１６２をオフ状態とすることで、トランジスタ１６２のソース電極またはドレイン電極の一方と、容量素子１６４の電極の一方と、トランジスタ１４０のゲート電極とが電気的に接続されたノード（以下、ノードＦＧ）の電位を極めて長時間にわたって保持することが可能である。そして、容量素子１６４を有することにより、ノードＦＧに与えられた電荷の保持が容易になり、また、保持された情報の読み出しが容易になる。
【０３１４】
半導体装置に情報を記憶させる場合（書き込み）は、まず、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位が、ノードＦＧに供給され、ノードＦＧに所定量の電荷が蓄積される。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷（以下、ロー（Ｌｏｗ）レベル電荷、ハイ（Ｈｉｇｈ）レベル電荷という）のいずれかが与えられるものとする。その後、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧが浮遊状態となるため、ノードＦＧには所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードＦＧに所定量の電荷を蓄積及び保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
【０３１５】
トランジスタ１６２のオフ電流は極めて小さいため、ノードＦＧに供給された電荷は長時間にわたって保持される。したがって、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となり、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。
【０３１６】
記憶された情報を読み出す場合（読み出し）は、第１の配線に所定の電位（定電位）を与えた状態で、第５の配線に適切な電位（読み出し電位）を与えると、ノードＦＧに保持された電荷量に応じて、トランジスタ１４０は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ１４０をｎチャネル型とすると、ノードＦＧにＨｉｇｈレベル電荷が保持されている場合のトランジスタ１４０の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｈは、ノードＦＧにＬｏｗレベル電荷が保持されている場合のトランジスタ１４０の見かけのしきい値Ｖｔｈ＿Ｌより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値とは、トランジスタ１４０を「オン状態」とするために必要な第５の配線の電位をいうものとする。したがって、第５の配線の電位をＶｔｈ＿ＨとＶｔｈ＿Ｌの中間の電位Ｖ０とすることにより、ノードＦＧに保持された電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Ｈｉｇｈレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＞Ｖｔｈ＿Ｈ）となれば、トランジスタ１４０は「オン状態」となる。Ｌｏｗレベル電荷が与えられていた場合には、第５の配線の電位がＶ０（＜Ｖｔｈ＿Ｌ）となっても、トランジスタ１４０は「オフ状態」のままである。このため、第５の配線の電位を制御して、トランジスタ１４０のオン状態またはオフ状態を読み出す（第２の配線の電位を読み出す）ことで、記憶された情報を読み出すことができる。
【０３１７】
また、記憶させた情報を書き換える場合においては、上記の書き込みによって所定量の電荷を保持したノードＦＧに、新たな電位を供給することで、ノードＦＧに新たな情報に係る電荷を保持させる。具体的には、第４の配線の電位を、トランジスタ１６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオン状態とする。これにより、第３の配線の電位（新たな情報に係る電位）が、ノードＦＧに供給され、ノードＦＧに所定量の電荷が蓄積される。その後、第４の配線の電位をトランジスタ１６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ１６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧには、新たな情報に係る電荷が保持された状態となる。すなわち、ノードＦＧに第１の書き込みによって所定量の電荷が保持された状態で、第１の書き込みと同様の動作（第２の書き込み）を行うことで、記憶させた情報を上書きすることが可能である。
【０３１８】
本実施の形態で示すトランジスタ１６２は、高純度化され、酸素を過剰に含む酸化物半導体層を結晶性酸化物半導体層１４４に用いることで、トランジスタ１６２のオフ電流を十分に低減することができる。そして、このようなトランジスタを用いることで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能な半導体装置が得られる。
【０３１９】
以上のように、高純度化し、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む結晶性酸化物半導体層を有するトランジスタは、トランジスタの電気的特性変動が抑制されており、電気的に安定である。よって、該トランジスタを用いることで信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０３２０】
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。
【０３２１】
（実施の形態８）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、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。上記実施の形態で説明した半導体装置を具備する電子機器の例について説明する。
【０３２２】
図１１（Ａ）は、ノート型のパーソナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００２、表示部３００３、キーボード３００４などによって構成されている。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示部３００３に適用することにより、信頼性の高いノート型のパーソナルコンピュータとすることができる。
【０３２３】
図１１（Ｂ）は、携帯情報端末（ＰＤＡ）であり、本体３０２１には表示部３０２３と、外部インターフェイス３０２５と、操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用の付属品としてスタイラス３０２２がある。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示部３０２３に適用することにより、より信頼性の高い携帯情報端末（ＰＤＡ）とすることができる。
【０３２４】
図１１（Ｃ）は、電子書籍の一例を示している。例えば、電子書籍は、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。
【０３２５】
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１１（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図１１（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示部２７０５、表示部２７０７に適用することにより、信頼性の高い電子書籍とすることができる。表示部２７０５として半透過型、又は反射型の液晶表示装置を用いる場合、比較的明るい状況下での使用も予想されるため、太陽電池を設け、太陽電池による発電、及びバッテリーでの充電を行えるようにしてもよい。なおバッテリーとしては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
【０３２６】
また、図１１（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、電源スイッチ２７２１、操作キー２７２３、スピーカ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、電子書籍は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０３２７】
また、電子書籍は、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。
【０３２８】
図１１（Ｄ）は、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。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示パネル２８０２に適用することにより、信頼性の高い携帯電話とすることができる。
【０３２９】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図１１（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。
【０３３０】
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１１（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。
【０３３１】
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。
【０３３２】
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。
【０３３３】
図１１（Ｅ）は、デジタルビデオカメラであり、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。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示部（Ａ）３０５７、表示部（Ｂ）３０５５に適用することにより、信頼性の高いデジタルビデオカメラとすることができる。
【０３３４】
図１１（Ｆ）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。実施の形態１乃至７のいずれかで示した半導体装置を表示部９６０３に適用することにより、信頼性の高いテレビジョン装置とすることができる。
【０３３５】
テレビジョン装置の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機により行うことができる。また、リモコン操作機に、当該リモコン操作機から出力する情報を表示する表示部を設ける構成としてもよい。
【０３３６】
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。
【０３３７】
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。
【実施例】
【０３３８】
本実施例では、開示する発明に係る半導体装置において用いる酸化アルミニウム膜のバリア膜としての特性について評価を行った。図１３乃至図１６に結果を示す。評価方法としては、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）と、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：昇温脱離ガス分光法）分析法を用いた。
【０３３９】
まず、ＳＩＭＳ分析によって行った評価を示す。試料は、比較例としてガラス基板上にスパッタリング法による酸化シリコン膜が膜厚１００ｎｍ形成された比較例試料Ａと、実施例としてガラス基板上にスパッタリング法により酸化シリコン膜が膜厚１００ｎｍ形成され、酸化シリコン膜上にスパッタリング法により酸化アルミニウム膜が膜厚１００ｎｍ形成された実施例試料Ａを作製した。
【０３４０】
比較例試料Ａ及び実施例試料Ａにおいて、酸化シリコン膜の成膜条件は、ターゲットとして酸化シリコン（ＳｉＯ２）ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、酸素（酸素流量５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度１００℃とした。
【０３４１】
実施例試料Ａにおいて、酸化アルミニウム膜の成膜条件は、ターゲットとして酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、アルゴン及び酸素（アルゴン流量２５ｓｃｃｍ：酸素流量２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０３４２】
比較例試料Ａ及び実施例試料Ａにプレッシャークッカー試験（ＰＣＴ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｏｋｅｒ Ｔｅｓｔ）を行った。本実施例ではＰＣＴ試験として、温度１３０℃、湿度８５％、Ｈ２Ｏ（水）：Ｄ２Ｏ（重水）＝３：１雰囲気、２．３気圧（０．２３ＭＰａ）の条件で比較例試料Ａ及び実施例試料Ａを１００時間保持した。
【０３４３】
ＳＩＭＳ分析としてＳＳＤＰ（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｓｉｄｅ Ｄｅｐｔｈ Ｐｒｏｆｉｌｅ）−ＳＩＭＳを用いて、ＰＣＴ試験前とＰＣＴ試験後の比較例試料Ａ及び実施例試料Ａに対して、各試料のＨ元素及びＤ元素の濃度を測定した。
【０３４４】
図１３（Ａ１）に比較例試料ＡのＰＣＴ試験前、図１３（Ａ２）に比較例試料ＡのＰＣＴ試験後のＳＩＭＳによるＨ元素及びＤ元素の濃度プロファイルを示す。図１３（Ａ１）及び図１３（Ａ２）において、Ｄ元素ｅｘｐｅｃｔｅｄプロファイルは、Ｄ元素の存在比が０．０１５％としてＨ元素のプロファイルから算出した自然界に存在するＤ元素の濃度プロファイルである。よって、ＰＣＴ試験によって試料中に混入したＤ元素量は、実測のＤ元素濃度とＤ元素ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度との差分となる。実測のＤ元素濃度からＤ元素ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度を差し引いたＤ元素の濃度プロファイルを、ＰＣＴ試験前を図１３（Ｂ１）、ＰＣＴ試験後を図１３（Ｂ２）に示す。
【０３４５】
同様に、図１４（Ａ１）に実施例試料ＡのＰＣＴ試験前、図１４（Ａ２）に実施例試料ＡのＰＣＴ試験後のＳＩＭＳによるＨ元素及びＤ元素の濃度プロファイルを示す。また、実測のＤ元素濃度からＤ元素ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度を差し引いたＤ元素の濃度プロファイルを、ＰＣＴ試験前を図１４（Ｂ１）、ＰＣＴ試験後を図１４（Ｂ２）に示す。
【０３４６】
なお、本実施例のＳＩＭＳ分析結果は、すべて酸化シリコン膜の標準試料により定量した結果を示している。
【０３４７】
図１３に示すように、ＰＣＴ試験前は重なっていた実測のＤ元素の濃度プロファイルとＤ元素ｅｘｐｅｃｔｅｄプロファイルが、ＰＣＴ試験後は実測のＤ元素の濃度プロファイルが高濃度に増大しており、酸化シリコン膜中にＤ元素が混入したことがわかる。従って、比較例試料の酸化シリコン膜は、外部からの水分（Ｈ２Ｏ、Ｄ２Ｏ）に対し、バリア性が低いことが確認できた。
【０３４８】
一方、図１４に示すように、酸化シリコン膜上に酸化アルミニウム膜を積層した実施例試料Ａは、ＰＣＴ試験後でも酸化アルミニウム膜表面近傍の領域にややＤ元素の侵入が見られるだけで、酸化アルミニウム膜深さ３０ｎｍ付近以降、及び酸化シリコン膜にはＤ元素の侵入が見られない。従って、酸化アルミニウム膜は外部からの水分（Ｈ２Ｏ、Ｄ２Ｏ）に対し、バリア性が高いことが確認できた。
【０３４９】
次に、ＴＤＳ分析によって行った評価を示す。試料は、実施例として、ガラス基板上にスパッタリング法により酸化シリコン膜が膜厚１００ｎｍ形成され、酸化シリコン膜上にスパッタリング法により酸化アルミニウム膜が膜厚２０ｎｍ形成された実施例試料Ｂを作製した。また、比較例として、実施例試料ＢをＴＤＳ分析によって測定後、実施例試料Ｂから酸化アルミニウム膜を除去し、ガラス基板上に酸化シリコン膜のみが形成された比較例試料Ｂを作製した。
【０３５０】
比較例試料Ｂ及び実施例試料Ｂにおいて、酸化シリコン膜の成膜条件は、ターゲットとして酸化シリコン（ＳｉＯ２）ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、酸素（酸素流量５０ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度１００℃とした。
【０３５１】
実施例試料Ｂにおいて、酸化アルミニウム膜の成膜条件は、ターゲットとして酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）ターゲットを用い、ガラス基板とターゲットとの距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、アルゴン及び酸素（アルゴン流量２５ｓｃｃｍ：酸素流量２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０３５２】
比較例試料Ｂ及び実施例試料Ｂにおいて、さらに３００℃加熱処理、４５０℃加熱処理、６００℃加熱処理の条件で、それぞれ窒素雰囲気下で１時間処理を行った。
【０３５３】
比較例試料Ｂ及び実施例試料Ｂにおいて、加熱処理なし、３００℃加熱処理、４５０℃加熱処理、６００℃加熱処理と４つの条件で作製された試料にそれぞれＴＤＳ分析を行った。比較例試料Ｂ及び実施例試料Ｂにおいて、図１５（Ａ）及び図１６（Ａ）に加熱処理なし、図１５（Ｂ）及び図１６（Ｂ）に３００℃加熱処理、図１５（Ｃ）及び図１６（Ｃ）に４５０℃加熱処理、図１５（Ｄ）及び図１６（Ｄ）に６００℃加熱処理を行った各試料の測定されたＭ／ｚ＝３２（Ｏ２）のＴＤＳスペクトルを示す。
【０３５４】
図１５（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、比較例試料Ｂは加熱処理なしの図１５（Ａ）では酸化シリコン膜から酸素の放出が見られるが、図１５（Ｂ）の３００℃加熱処理を行った試料では酸素の放出量が大きく減少し、図１５（Ｃ）の４５０℃加熱処理を行った試料及び図１５（Ｄ）の６００℃加熱処理を行った試料においては、ＴＤＳ測定のバックグラウンド以下となってしまった。
【０３５５】
図１５（Ａ）乃至（Ｄ）の結果から、酸化シリコン膜中に含まれる過剰酸素の９割以上が３００℃の加熱処理によって酸化シリコン膜中から外部へ放出され、４５０℃、６００℃の加熱処理によってはほぼ全ての酸化シリコン膜中に含まれる過剰酸素が酸化シリコン膜外部へ放出されたことがわかる。従って、酸化シリコン膜は酸素に対するバリア性が低いことが確認できた。
【０３５６】
一方、図１６（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、酸化シリコン膜上に酸化アルミニウム膜を形成した実施例試料Ｂにおいては、３００℃、４５０℃、６００℃の加熱処理を行った試料においても、加熱処理なしの試料と同等の量の酸素の放出が見られた。
【０３５７】
図１６（Ａ）乃至（Ｄ）の結果から、酸化アルミニウム膜を酸化シリコン膜上に形成することで、加熱処理を行っても酸化シリコン膜中に含まれる過剰酸素は容易に外部へ放出されず、酸化シリコン膜中に含有した状態がかなりの程度保持されることがわかる。従って酸化アルミニウム膜は酸素に対するバリア性が高いことが確認できた。
【０３５８】
以上の結果から、酸化アルミニウム膜は水素及び水分に対するバリア性と、酸素に対するバリア性の両方を有しており、水素、水分、及び酸素に対するバリア膜として好適に機能することが確認できた。
【０３５９】
従って、酸化アルミニウム膜は、酸化物半導体層を含むトランジスタの作製工程中及び作製後において、トランジスタの電気的特性の変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層への混入、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層からの放出を防止する保護膜として機能することができる。
【０３６０】
従って、形成される結晶性酸化物半導体層は、水素、水分などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素放出が防止されるため酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該結晶性酸化物半導体層をトランジスタに用いることで、酸素欠損に起因するトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈのばらつき、しきい値電圧のシフトΔＶｔｈを低減することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化シリコン膜と、酸化アルミニウム膜と、前記酸化シリコン膜及び前記酸化アルミニウム膜に挟まれている非晶質酸化物半導体層を形成し、
前記非晶質酸化物半導体層に加熱処理を行い少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成し、
前記非晶質酸化物半導体層は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
酸化シリコン膜を形成し、
前記酸化シリコン膜上に非晶質酸化物半導体層を形成し、
前記非晶質酸化物半導体層に第１の加熱処理を行い、前記非晶質酸化物半導体層中に含まれる水素若しくは水分を放出させ、
前記第１の加熱処理を行った非晶質酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成し、
前記第１の加熱処理を行った非晶質酸化物半導体層に、第２の加熱処理を行い少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成し、
前記非晶質酸化物半導体層は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項２において、前記第２の加熱処理は前記第１の加熱処理の温度より高い温度で行う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３のいずれか一項において、前記酸化シリコン膜は、酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれてい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４のいずれか一項において、前記非晶質酸化物半導体層と酸化アルミニウム膜の間に酸化物絶縁膜を形成す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５のいずれか一項において、前記酸化シリコン膜及び前記非晶質酸化物半導体層は大気解放せずに連続的に成膜することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１】
酸化シリコン膜と、酸化アルミニウム膜と、前記酸化シリコン膜及び前記酸化アルミニウム膜に挟まれている非晶質酸化物半導体層を形成し、
前記非晶質酸化物半導体層に加熱処理を行い少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成し、
前記非晶質酸化物半導体層は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】
酸化シリコン膜を形成し、
前記酸化シリコン膜上に非晶質酸化物半導体層を形成し、
前記非晶質酸化物半導体層に第１の加熱処理を行い、前記非晶質酸化物半導体層中に含まれる水素若しくは水分を放出させ、
前記第１の加熱処理を行った非晶質酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成し、
前記第１の加熱処理を行った非晶質酸化物半導体層に、第２の加熱処理を行い少なくとも一部を結晶化させて、表面に概略垂直なｃ軸を有している結晶を含む酸化物半導体層を形成し、
前記非晶質酸化物半導体層は、酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】
請求項２において、前記第２の加熱処理は前記第１の加熱処理の温度より高い温度で行う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３のいずれか一項において、前記酸化シリコン膜は、酸化シリコンが結晶状態における化学量論的組成比に対し、酸素の含有量が過剰な領域が含まれてい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４のいずれか一項において、前記非晶質酸化物半導体層と酸化アルミニウム膜の間に酸化物絶縁膜を形成す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５のいずれか一項において、前記酸化シリコン膜及び前記非晶質酸化物半導体層は大気解放せずに連続的に成膜することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−２０９５４４（Ｐ２０１２−２０９５４４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−４８７３６（Ｐ２０１２−４８７３６）
【出願日】平成２４年３月６日（２０１２．３．６）
【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２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月６日（２０１２．３．６）
【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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