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、信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】トランジスタの作製工程において、酸化物半導体層、ソース電極層、ドレイン電極層、ゲート絶縁膜、ゲート電極層、酸化アルミニウム膜を順に作成した後、酸化物半導体層および酸化アルミニウム膜に対して熱処理を行うことで、水素原子を含む不純物が除去され、かつ、化学量論比を超える酸素を含む領域を有する酸化物半導体層を形成する。また、酸化アルミニウム膜を形成することにより、該トランジスタを有する半導体装置や電子機器の作製工程での熱処理でも大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができ、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
【解決手段】トランジスタの作製工程において、酸化物半導体層、ソース電極層、ドレイン電極層、ゲート絶縁膜、ゲート電極層、酸化アルミニウム膜を順に作成した後、酸化物半導体層および酸化アルミニウム膜に対して熱処理を行うことで、水素原子を含む不純物が除去され、かつ、化学量論比を超える酸素を含む領域を有する酸化物半導体層を形成する。また、酸化アルミニウム膜を形成することにより、該トランジスタを有する半導体装置や電子機器の作製工程での熱処理でも大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができ、信頼性の高いトランジスタとすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体装置および半導体装置の作製方法に関する。
【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）、および亜鉛（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、酸化物半導体はデバイス作製工程において、電子供与体を形成する水素や水の混入などが生じることや酸化物半導体から酸素が抜けてしまうことによってその電気伝導度が変化する恐れがある。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】
特に、該トランジスタを有する半導体装置や電子機器の作製工程での熱処理により、大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し拡散してしまい、完成したトランジスタの電気的特性が変動してしまう問題がある。
【０００８】
上述の問題に鑑み、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】
【０００９】
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、酸化物半導体層上に接してゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上にゲート電極層を形成し、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成することによって、該トランジスタを有する半導体装置や電子機器の作製工程での熱処理により、大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し拡散することを防ぐことができる。
【００１０】
開示する発明の一態様は、下地絶縁膜を形成し、下地絶縁膜上に接して酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、酸化物半導体層、ソース電極層およびドレイン電極層上に接してゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上の酸化物半導体層と重なる領域にゲート電極層を形成し、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成してトランジスタを作製し、トランジスタに対して熱処理を行い、酸化アルミニウム膜の膜厚は、５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下である半導体装置の作製方法である。
【００１１】
開示する発明の他の一態様は、下地絶縁膜を形成し、下地絶縁膜上に接して酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、酸化物半導体層、ソース電極層およびドレイン電極層上に接してゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上の酸化物半導体層と重なる領域にゲート電極層を形成し、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成し、酸化物半導体層に対して熱処理を行い、酸化アルミニウム膜の膜厚は、５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下である半導体装置の作製方法である。
【００１２】
また、上記の半導体装置の作製方法において、酸化物半導体層を形成直後に酸化物半導体層に対してさらに熱処理を行うと好ましい。
【００１３】
また、上記の半導体装置の作製方法において、酸化アルミニウム膜上に層間絶縁膜を形成してもよい。
【００１４】
また、上記の半導体装置の作製方法において、層間絶縁膜は、酸化窒化シリコンであることが好ましい。
【００１５】
また、上記の半導体装置の作製方法において、ゲート電極層を形成後、酸化物半導体層にイオンドーピング法またはイオンインプランテーション法により不純物元素を添加してもよい。
【００１６】
また、上記の半導体装置の作製方法において、酸化物半導体層を加熱しながら形成することが好ましい。
【００１７】
また、上記の半導体装置の作製方法において、下地絶縁膜およびゲート絶縁膜の少なくとも一は、化学量論比より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。
【００１８】
また、上記の半導体装置の作製方法において、酸化物半導体層上で隣り合うソース電極層とドレイン電極層との間隔幅によって形成されるチャネル長は、２μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
トランジスタの作製工程において、酸化物半導体層、ソース電極層、ドレイン電極層、ゲート絶縁膜、ゲート電極層を順に形成した後、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して膜厚が５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下である酸化アルミニウム膜を形成することによって、トランジスタを有する半導体装置や電子機器の作製工程での熱処理により大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができる。また、同時に酸化物半導体層から酸素が抜けてしまうことを防ぐことができる。よって、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、高信頼性化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】半導体装置の一形態を説明する平面図および断面図。
【図２】半導体装置の一形態を説明する作製方法を説明する断面図。
【図３】半導体装置の一形態を説明する作製方法を説明する断面図。
【図４】半導体装置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】電子機器を示す図。
【図１１】比較例試料ＡのＳＩＭＳデータを示す図。
【図１２】実施例試料ＡのＳＩＭＳデータを示す図。
【図１３】比較例試料ＢのＴＤＳデータを示す図。
【図１４】実施例試料ＢのＴＤＳデータを示す図。
【図１５】比較例試料Ｃを用いたトランジスタの特性を示す図。
【図１６】実施例試料Ｃを用いたトランジスタの特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。また、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さないことがある。また、便宜上、絶縁膜は上面図には表さないことがある。
【００２２】
なお、以下の説明において、第１、第２などの序数詞は、説明の便宜上付したものであり、その数を限定するものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
本実施の形態は、本発明の一態様であるトランジスタを有する半導体装置の作製方法について、図１乃至図３を用いて説明する。
【００２４】
図１に、トップゲートトップコンタクト型のトランジスタ１５０の平面図および断面図を示す。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＡ−Ｂ断面に係る断面図である。なお、図１（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１５０の構成要素の一部（例えば、絶縁膜１１４など）を省略している。
【００２５】
＜本実施の形態における半導体装置の構成＞
図１は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である。図１に示すトランジスタ１５０は、基板１００と、基板１００上に形成された下地絶縁膜１０２と、下地絶縁膜１０２上に接して形成された酸化物半導体層１０６と、酸化物半導体層１０６上に形成されたソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂと、酸化物半導体層１０６、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂ上に接して形成されたゲート絶縁膜１１０と、ゲート絶縁膜１１０上の酸化物半導体層１０６と重なる領域に形成されたゲート電極層１１２と、ゲート絶縁膜１１０およびゲート電極層１１２上に接して形成された絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上に形成された層間絶縁膜１１６を有する構造である。また、ゲート電極層１１２を形成後、酸化物半導体層１０６に不純物元素を添加し、ソース電極層１０８ａ、ドレイン電極層１０８ｂおよびゲート電極層１１２と重畳する領域に第１の領域１０６ａを、ソース電極層１０８ａ、ドレイン電極層１０８ｂおよびゲート電極層１１２と重畳しない領域に第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃを有している。
【００２６】
＜本実施の形態における半導体装置の作製方法＞
トランジスタ１５０の作製方法について図２および図３を用いて説明する。
【００２７】
まず、基板１００上に下地絶縁膜１０２を形成し、下地絶縁膜１０２上に接して酸化物半導体層１０６を選択的に形成する（図２（Ａ）参照）。
【００２８】
基板１００は、絶縁性表面を有するものを用いればよい。例えば、ガラス基板、石英基板、表面に絶縁膜が設けられた半導体基板、または表面に絶縁膜が設けられたステンレス基板などを用いればよい。
【００２９】
下地絶縁膜１０２は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどを用いて形成すればよく、スパッタリング法により形成することができる。また、下地絶縁膜１０２は、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、などを含むように形成することもできる。酸化物半導体層１０６に接する下地絶縁膜１０２からは、水および水素を極力除去しておくことが好ましい。なお、下地絶縁膜１０２は単層であってもよいし、複数の層が積層されて設けられていてもよい。
【００３０】
なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンなどの「酸化窒化物」とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示す。
【００３１】
なお、本明細書中において、窒化酸化シリコンなどの「窒化酸化物」とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものを示す。
【００３２】
図１に示すトランジスタ１５０において、下地絶縁膜１０２またはゲート絶縁膜１１０の少なくとも一方が化学量論比より酸素の含有量が過剰な領域が含まれているのが好ましい。この場合、酸素の含有量は、下地絶縁膜やゲート絶縁膜の化学量論比を超える程度とする。例えば、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。
【００３３】
酸化物半導体層１０６と接する絶縁膜が化学量論比より酸素の含有量が過剰な領域を有していると、酸化物半導体層１０６からこれと接する絶縁膜への酸素の移動を防ぐことができ、かつ、酸化物半導体層１０６と接する絶縁膜から酸化物半導体層１０６への酸素の供給を行うこともできるためである。
【００３４】
酸化物半導体層１０６を形成する酸化物半導体としては、不純物が除去され、酸化物半導体の主成分以外のキャリア供与体となる不純物が極力含まれないように高純度化することにより真性（ｉ型）化または実質的に真性（ｉ型）化された酸化物半導体を用いる。
【００３５】
酸化物半導体層１０６は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）または非晶質などの状態をとる。
【００３６】
酸化物半導体層１０６として機能する層としては、例えば、スパッタリング法などを用いて形成された、少なくともＩｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＺｎから選ばれた一種以上の元素を含有する。例えば、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属の酸化物である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、二元系金属の酸化物である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、単元系金属の酸化物である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、上記酸化物半導体にＩｎとＧａとＳｎとＺｎ以外の元素、例えば、ＳｉＯ２を含ませてもよい。
【００３７】
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）を有する酸化物半導体、という意味であり、その組成比は問わない。
【００３８】
また、酸化物半導体層１０６は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えば、Ｍとして、Ｇａ、ＧａおよびＡｌ、ＧａおよびＭｎ、またはＧａおよびＣｏなどがある。
【００３９】
酸化物半導体としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いる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］の酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることができる。また、このターゲットの材料および組成に限定されず、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ比］の酸化物半導体成膜用ターゲットを用いてもよい。
【００４０】
また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（ｍｏｌ比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（ｍｏｌ比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１５：１〜１．５：１（ｍｏｌ比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。
【００４１】
また、酸化物半導体層１０６として、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜を用いてもよい。
【００４２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【００４３】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【００４４】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。
【００４５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
【００４６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気的特性の変動を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【００４７】
スパッタリング法により酸化物半導体層１０６を形成する際、できる限り酸化物半導体層１０６に含まれる水素濃度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるには、スパッタリング装置の処理室内に供給する雰囲気ガスとして、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いる。さらには、該処理室の排気は、水の排気能力の高いクライオポンプまたは水素の排気能力の高いスパッタイオンポンプを用いればよい。
【００４８】
酸化物半導体層１０６を成膜後、酸化物半導体層１０６に対して、熱処理（第１の熱処理）を行うことが望ましい。この第１の熱処理によって酸化物半導体層１０６中の、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去することができる。第１の熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下である。なお、第１の熱処理の温度は、基板１００の歪み点未満とすることが好ましい。
【００４９】
熱処理は、例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に被処理物を導入し、窒素雰囲気下、４５０℃、１時間の条件で行うことができる。この間、酸化物半導体層１０６は大気に触れさせず、水や水素の混入が生じないようにする。
【００５０】
熱処理装置は電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いても良い。例えば、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。ガスとしては、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
【００５１】
例えば、第１の熱処理として、熱せられた不活性ガス雰囲気中に被処理物を投入し、数分間熱した後、当該不活性ガス雰囲気から被処理物を取り出すＧＲＴＡ処理を行ってもよい。ＧＲＴＡ処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、被処理物の耐熱温度を超える温度条件であっても適用が可能となる。
【００５２】
なお、不活性ガス雰囲気としては、窒素、または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン等）を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望ましい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（すなわち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とする。
【００５３】
ところで、上述の熱処理（第１の熱処理）には水素や水などを除去する効果があるから、当該熱処理を、脱水化処理や、脱水素化処理などと呼ぶこともできる。また、このような脱水化処理、脱水素化処理は、一回に限らず複数回行っても良い。なお、第１の熱処理中に、不活性ガスを酸素を含むガスに切り替えても良い。酸素を含む雰囲気において第１の熱処理を行うことで、酸素欠損に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができ、酸化物半導体層をよりｉ型化または実質的にｉ型化にすることができる。
【００５４】
次いで、酸化物半導体層１０６上に、ソース電極層およびドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電膜を成膜し、これを加工してソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂを形成する（図２（Ｂ）参照）。
【００５５】
ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂに用いる導電膜としては、後の熱処理工程に耐えられる材料を用いる。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また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、およ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（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）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。
【００５６】
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層１０６がエッチングされ、分断され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、酸化物半導体層１０６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酸化物半導体層１０６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。
【００５７】
また、酸化物半導体層１０６上で隣り合うソース電極層１０８ａとドレイン電極層１０８ｂとの間隔幅によって形成されるトランジスタのチャネル長は、２μｍ以下であることが好ましい。本実施の形態では、チャネル長を０．９μｍとする。
【００５８】
次いで、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂを覆い、酸化物半導体層１０６の一部と接するゲート絶縁膜１１０を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【００５９】
ゲート絶縁膜１１０は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて形成することができる。また、ゲート絶縁膜１１０は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート、窒素が添加されたハフニウムアルミネート、などを含むように形成するのが好適である。ゲート絶縁膜１１０は、単層構造としても良いし、上記の材料を組み合わせて積層構造としても良い。また、その厚さは特に限定されないが、半導体装置を微細化する場合には、トランジスタの動作を確保するために薄くするのが望ましい。例えば、酸化窒化シリコンを用いる場合には、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
【００６０】
ゲート絶縁膜を薄くすると、トンネル効果などに起因するゲートリークが問題となる。ゲートリークの問題を解消するには、ゲート絶縁膜１１０に、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート、ハフニウムアルミネート、窒素が添加されたハフニウムシリケート、窒素が添加されたハフニウムアルミネート、などの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いると良い。ｈｉｇｈ−ｋ材料をゲート絶縁膜に用いることで、電気的特性を確保しつつ、ゲートリークを抑制するために膜厚を大きくすることが可能になる。なお、ｈｉｇｈ−ｋ材料を含む膜と、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどのいずれかを含む膜との積層構造としてもよい。
【００６１】
ゲート絶縁膜１１０は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、ＣＶＤ法などを適宜用いて形成することができる。
【００６２】
次いで、ゲート絶縁膜１１０上に導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程によりゲート電極層１１２を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【００６３】
ゲート電極層１１２は、プラズマＣＶＤ法また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またはこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層でまたは積層して形成することができる。
【００６４】
次いで、絶縁膜１１４を形成する前に酸化物半導体層１０６に不純物元素１２１を添加する処理を行ってもよい（図３（Ａ）参照）。
【００６５】
添加する不純物元素１２１は、リン、ホウ素、アルゴンなどがある。また、酸化物半導体層１０６に不純物元素１２１を添加する方法として、イオンドーピング法またはイオンインプランテーション法を用いることができる。
【００６６】
なお、上記の「イオンドーピング法」とは、原料ガスから生成されるイオン化したガスを質量分離せず、そのまま電界で加速して対象物に照射し、イオン化したガスの元素を対象物に含ませる方式を指す。また、上記の「イオンインプランテーション法」とは、「イオン注入法」とも呼ばれ、原料ガスをプラズマ化し、このプラズマに含まれるイオン種を引き出し、質量分離をして、所定の質量を有するイオン種を加速して、イオンビームとして、対象物に注入する方法である。
【００６７】
なお、酸化物半導体層１０６に不純物元素１２１を添加する処理は、複数回行っても良い。酸化物半導体層１０６に不純物元素１２１を添加する処理を複数回行う場合、不純物元素１２１は複数回すべてにおいて同じであってもよいし、１回の処理毎に変えてもよい。
【００６８】
酸化物半導体層１０６に不純物元素１２１を添加する際、ゲート電極層１１２、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂはマスクとして機能し、不純物元素１２１はゲート電極層１１２、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂと重畳する領域の酸化物半導体層１０６には添加されず、第１の領域１０６ａが形成される。また、ゲート電極層１１２と重畳する第１の領域１０６ａはチャネル形成領域として機能する。
【００６９】
さらに、不純物元素１２１が添加された第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃは、不純物元素１２１の添加のダメージにより結晶性が低減し、非晶質領域となる。不純物元素１２１を添加する量などを調節することによって、ダメージ量を低減させ、完全な非晶質領域とならないように形成することもできる。つまり、不純物元素１２１が添加された第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃは、少なくとも第１の領域１０６ａよりも非晶質領域の割合が大きい領域となるということである。完全な非晶質領域とさせないほうが、後に行う熱処理による結晶化が容易に行われるため好ましい。
【００７０】
一対の第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃは、第１の領域１０６ａより低抵抗であるＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域として機能する。ＬＤＤ領域として機能する不純物元素１２１を含む第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃを設けることにより、第１の領域１０６ａの端部に加わる電界を緩和させることができる。このため、トランジスタの短チャネル効果を抑制することができる。
【００７１】
このように、ゲート電極層１１２、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂをマスクとして、不純物元素１２１を酸化物半導体層１０６に添加し、後の熱処理を行うことで、チャネル形成領域となる第１の領域１０６ａと、ＬＤＤ領域となる一対の第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃをセルフアラインに形成することができる。
【００７２】
本実施の形態では、不純物元素１２１としてリンを、イオンインプランテーション法を用いて酸化物半導体層１０６に加速電圧を２５ｋＶ〜４０ｋＶ、ドーズ量を１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の条件で添加する。
【００７３】
次いで、ゲート電極層１１２を覆い、ゲート絶縁膜１１０と接する絶縁膜１１４を形成する（図３（Ｂ）参照）。
【００７４】
絶縁膜１１４としては、酸化アルミニウム膜を用いる。酸化アルミニウムは、水素、水、酸素、その他の不純物を透過させにくいというバリア機能を有している。したがって、酸化物半導体層１０６上に酸化アルミニウム膜を設けることで、該酸化アルミニウム膜がパッシベーション膜として機能して、デバイス完成後に水等の不純物が外部より酸化物半導体層１０６へ侵入するのを防ぐことができ、ｉ型（真性）半導体またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層１０６を形成することできる。また、酸化物半導体層１０６としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いた場合、微視的な酸素の欠損が減少し、水素原子（水素イオンを含む）やアルカリ金属原子の脱着による電荷の移動や不安定性を減少させることで、より高純度化し、ｉ型（真性）化することができる。このため、極めて優れた特性のトランジスタを実現することができる。また、酸化物半導体層１０６、下地絶縁膜１０２およびゲート絶縁膜１１０より酸素が放出されるのを防ぐことができる。例えば、酸化アルミニウム膜を用いる場合には、５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下、好ましくは７０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。酸化アルミニウム膜の膜厚が５０ｎｍ以下であると、パッシベーション膜として機能しなく、デバイス完成後に水等の不純物が外部より酸化物半導体層１０６へ侵入するのを防ぐことができないからである。
【００７５】
絶縁膜１１４はスパッタリング法など、絶縁膜１１４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。絶縁膜１１４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、また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。よって、絶縁膜１１４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。絶縁膜１１４を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基また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。
【００７６】
なお、絶縁膜１１４は、ゲート絶縁膜１１０およびゲート電極層１１２上に接して酸化アルミニウム膜を有していればよく、他の絶縁材料を含む膜との積層構造とすることも可能である。
【００７７】
例えば、上記積層構造として、酸化アルミニウム膜の上に層間絶縁膜１１６を形成してもよい（図３（Ｃ）参照）。層間絶縁膜１１６としては、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、ポリイミド、アクリルなど用いることができる。
【００７８】
また、トランジスタを形成後、該トランジスタを用いた電子機器や半導体装置を作製する際には、層間膜を形成し、熱処理等を用いて層間膜上に様々な物の形成や加工等を行う。そのため、既に完成したトランジスタにおいて、トランジスタ形成後の熱処理等の工程によって酸化物半導体層への水素や水の混入や酸化物半導体層からの酸素の放出が生じ、当該トランジスタの電気的特性が変動してしまう恐れがある。しかし、上述のように酸化アルミニウム膜は、水素、水、酸素、その他の不純物を透過させにくいというバリア機能を有しているので、本実施の形態に示すように、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成することによって、トランジスタ形成後に熱処理等を行っても、酸化物半導体層への水素や水の混入や酸化物半導体層からの酸素の放出を防止することができる。
【００７９】
例えば、層間絶縁膜１１６に水素や水などが含まれている場合でも、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成することによって、トランジスタ形成後の半導体装置や電子機器の作製工程において熱処理を行っても、層間絶縁膜１１６から酸化物半導体層１０６への水素や水の混入を防ぐことができる。
【００８０】
絶縁膜１１４、または、層間絶縁膜１１６の形成後には、第２の熱処理を行ってもよい。第２の熱処理を行うことにより、不純物元素１２１が添加された第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃの結晶性が向上する。また、酸化物半導体層１０６としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いた場合、第２の熱処理を行うことにより、膜中に含まれるミクロな欠陥や、積層界面の欠陥を修復することができる。このため、酸化物半導体層１０６はより高純度化し、ｉ型（真性）化することができる。該熱処理の温度は、好ましくは３５０℃以上６５０℃以下、より好ましくは４５０℃以上６５０℃以下である。なお、第２の熱処理の温度は、基板の歪み点未満とすることが好ましい。該熱処理は、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、より好ましくは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、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。
【００８１】
なお、第２の熱処理のタイミングは、本実施の形態の構成に限定されないが、該熱処理は、少なくとも絶縁膜１１４の成膜後に行う必要がある。絶縁膜１１４として用いる酸化アルミニウム膜は、水素、水などの不純物、およ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）が高く、絶縁膜１１４を成膜後に熱処理を行うことで、酸化物半導体層１０６からの酸素の放出を防止することができるためである。
【００８２】
以上の工程で、酸素欠陥の形成を抑制した酸化物半導体層１０６を含むトランジスタ１５０が形成される。酸化物半導体層、ソース電極層、ドレイン電極層、ゲート絶縁膜、ゲート電極層を順に形成した後、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成することにより、該トランジスタ１５０を有する半導体装置や電子機器の作製工程で熱処理を行っても大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができる。また、トランジスタ１５０は、第２の熱処理によって、化学量論比より酸素の含有量が過剰な領域が含まれる下地絶縁膜１０２やゲート絶縁膜１１０から酸化物半導体層１０６へと酸素を供給することで、酸化物半導体層１０６の酸素欠損を補填することができる。よって、トランジスタ１５０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。
【００８３】
また、トランジスタ１５０は、脱水化または脱水素化を目的とする熱処理を行うことが好ましく、該熱処理によって、水素、水、水酸基または水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体層より意図的に排除し、高純度化し、ｉ型（真性）化された酸化物半導体層１０６を含むトランジスタとすることができる。高純度化された酸化物半導体層１０６中にはキャリアが極めて少ない（ゼロに近い）。
【００８４】
また、酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成することにより、トランジスタの電気的特性変動が抑制されて、電気的に安定になるため、微細化されたトランジスタでもオン・オフ比が確保でき、正常なスイッチング特性が得られており、良好な電気的特性を有するトランジスタを実現することができる。
【００８５】
以上示したように、本実施の形態に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半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００８６】
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。
【００８７】
（実施の形態２）
実施の形態１で例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。
【００８８】
図４（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４（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また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および電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、ＦＰＣ４０１８ｂから供給されている。
【００８９】
図４（Ｂ）、図４（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４（Ｂ）、図４（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または多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図４（Ｂ）、図４（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および電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【００９０】
また、図４（Ｂ）、図４（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。
【００９１】
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４（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４（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４（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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
また、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２および走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、実施の形態１で例示したトランジスタを適用することができる。
【００９５】
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。
【００９６】
半導体装置の一形態について、図５乃至図７を用いて説明する。図５乃至図７は、図４（Ｂ）のＱ−Ｒにおける断面図に相当する。
【００９７】
図５乃至図７で示すように、半導体装置は接続端子電極層４０１５および端子電極層４０１６を有しており、接続端子電極層４０１５および端子電極層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。
【００９８】
接続端子電極層４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極層４０１６は、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１のソース電極層およびドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
【００９９】
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５乃至図７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５では、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１上には絶縁膜４０２４が設けられ、図６および図７ではさらに、絶縁膜４０２１が設けられている。なお、第１の基板４００１上の絶縁膜４０２３は下地膜として機能する絶縁膜である。
【０１００】
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で示したトランジスタを適用することができる。
【０１０１】
トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１は酸素欠損の形成を抑制および水や水素の混入を抑えた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およびトランジスタ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。
【０１０２】
よって、図５乃至図７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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
図５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５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、および液晶層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４０２４、絶縁膜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。
【０１０５】
また、柱状のスペーサ４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られ、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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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、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。酸素過剰領域を有する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。
【０１１０】
本実施の形態で用いる酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体層を有するトランジスタは、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。
【０１１１】
また、本実施の形態で用いる酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体層を有するトランジスタは、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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ Ｖｉｅｗ）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。
【０１１４】
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、偏光基板およ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。
【０１１５】
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）、または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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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およ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、基板側およ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。
【０１２０】
図６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。
【０１２１】
隔壁４５１０は、有機絶縁材料、また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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
発光素子４５１３に酸素、水素、水、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４０３１および隔壁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、およびシール材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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、または円偏光板（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、偏光板また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。
【０１２６】
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）とも呼ばれており、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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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の電極層および第２の電極層の間に配置し、第１の電極層および第２の電極層に電位差を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【０１３２】
図７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７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。
【０１３３】
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および白色領域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が共通電極層（対向電極層）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。
【０１３４】
なお、図５乃至図７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。
【０１３５】
本実施の形態では、絶縁膜４０２３として酸化シリコン膜を用い、絶縁膜４０２４として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜４０２３、絶縁膜４０２４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。
【０１３６】
酸化物半導体層上に絶縁膜４０２４として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水などの不純物、およ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。
【０１３７】
したがって、酸化アルミニウム膜は、作製工程中および作製後において、変動要因となる水素、水などの不純物の酸化物半導体層への混入、およ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。
【０１３８】
また、絶縁膜４０２３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、絶縁膜４０２３は酸素を多く含む酸化絶縁膜が好ましい。
【０１３９】
トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１は、酸素欠損の形成、水や水素の混入を抑制した酸化物半導体層を有する。また、トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１は、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜を有する。トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１に含まれる酸化物半導体層の熱処理を、酸化物半導体層上に、絶縁膜４０２４として酸化アルミニウム膜が設けられた状態で行うため、該熱処理によって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。よって、得られる酸化物半導体層は、化学量論比よりも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。
【０１４０】
また、トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１に含まれる酸化物半導体層は、水素、水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比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該酸化物半導体層をトランジスタ４０１０およびトランジスタ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。
【０１４１】
また、平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜４０２１は、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、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、絶縁膜を形成してもよい。
【０１４２】
絶縁膜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（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
【０１４３】
表示装置は光源また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。
【０１４４】
表示素子に電圧を印加する第１の電極層および第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、およ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。
【０１４５】
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（以下、ＩＴＯと示す）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物、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。
【０１４６】
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、またはその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、または複数種を用いて形成することができる。
【０１４７】
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が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挙げられる。
【０１４８】
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。
【０１４９】
以上のように、酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成することにより、トランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置の作製工程で熱処理を行っても大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができる。よって、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、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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
（実施の形態３）
実施の形態１で例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。
【０１５２】
図８（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８（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図８（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
【０１５３】
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、ソースまたはドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソースまたはドレインの他方がトランジスタ６５６のソースまた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、ソースまた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。
【０１５４】
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８（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に示すような酸素欠陥の形成を抑制した酸化物半導体層を用いるトランジスタである。
【０１５５】
図８（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２およびトランジスタ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およびトランジスタ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。
【０１５６】
トランジスタ６４０上には絶縁膜６３１、層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁膜６３３上に設けられ、層間絶縁膜６３３上に形成した電極層６４１ａと、層間絶縁膜６３４上に設けられた電極層６４２との間に、層間絶縁膜６３３側から順に第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、および第３半導体膜６０６ｃを積層した構造を有している。
【０１５７】
電極層６４１ａは、層間絶縁膜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６４１ｂ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。
【０１５８】
ここでは、第１半導体膜６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体膜と、第２半導体膜６０６ｂとして高抵抗な半導体膜（ｉ型半導体膜）、第３半導体膜６０６ｃとしてｎ型の導電型を有する半導体膜を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
【０１５９】
第１半導体膜６０６ａはｐ型半導体膜であり、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半導体膜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、またはスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜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。
【０１６０】
第２半導体膜６０６ｂは、ｉ型半導体膜（真性半導体膜）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜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半導体膜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半導体膜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。
【０１６１】
第３半導体膜６０６ｃは、ｎ型半導体膜であり、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半導体膜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、またはスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜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。
【０１６２】
また、第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、および第３半導体膜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、微結晶半導体（セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））を用いて形成してもよい。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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装置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、水素化珪素および水素に加え、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、さらに好ましくは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。
【０１６５】
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型の半導体膜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６２２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膜側とは逆の導電型を有する半導体膜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型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。
【０１６６】
層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜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（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いて形成することができる。
【０１６７】
本実施の形態では、絶縁膜６３１として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜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。
【０１６８】
酸化物半導体層上に絶縁膜６３１として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水などの不純物、およ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。
【０１６９】
したがって、酸化アルミニウム膜は、作製工程中および作製後において、変動要因となる水素、水などの不純物の酸化物半導体層への混入、およ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。
【０１７０】
本実施の形態において、トランジスタ６４０は、酸素欠損の形成、水や水素の混入を抑制した酸化物半導体層を有する。また、トランジスタ６４０は、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜を有する。トランジスタ６４０に含まれる酸化物半導体層の熱処理を、酸化物半導体層上に、絶縁膜６３１として酸化アルミニウム膜が設けられた状態で行うため、該熱処理によって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。
【０１７１】
また、トランジスタ６４０に含まれる酸化物半導体層は、水素、水などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素の放出が防止されるため酸素欠陥を低減することができる。よって、該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。
【０１７２】
層間絶縁膜６３３としては、無機絶縁材料としては、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、または酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜、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、または窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁膜の単層、または積層を用いることができる。
【０１７３】
層間絶縁膜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膜が好ましい。層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜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系樹脂、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、または積層を用いることができる。
【０１７４】
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。
【０１７５】
以上のように、酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成することにより、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の作製工程で熱処理を行っても大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができる。よって、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、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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
（実施の形態４）
実施の形態１で例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。
【０１７８】
本実施の形態では、単結晶半導体基板に作製された第１のトランジスタと絶縁膜を介して第１のトランジスタの上方に半導体膜を用いて作製された第２のトランジスタを含む半導体装置を作製する。
【０１７９】
図９は、半導体装置の構成の一例である。図９（Ａ）には、半導体装置の断面図を、図９（Ｂ）には、半導体装置の平面図を、それぞれ示す。ここで、図９（Ａ）は、図９（Ｂ）のＣ１−Ｃ２およびＤ１−Ｄ２における断面図に相当する。また、図９（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。
【０１８０】
図９（Ａ）および図９（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２６０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ２６２を有する。実施の形態１で例示したトランジスタは、トランジスタ２６２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２６２として実施の形態１で示したトランジスタ１５０と同様な構造を有するトランジスタを用いる例を示す。
【０１８１】
積層するトランジスタ２６０、トランジスタ２６２の半導体材料、および構造は、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および構造のトランジスタをそれぞれ用いる例であり、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。
【０１８２】
トランジスタ２６０は、半導体材料（例えば、シリコンなど）を含む基板２８５に設けられたチャネル形成領域２１６と、チャネル形成領域２１６を挟むように設けられた不純物領域２２０と、不純物領域２２０に接する金属化合物領域２２４と、チャネル形成領域２１６上に設けられたゲート絶縁膜２０８と、ゲート絶縁膜２０８上に設けられたゲート電極層２１０とを有する。
【０１８３】
半導体材料を含む基板２８５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膜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膜が設けられた構成の基板も含む。つまり、「ＳＯＩ基板」が有する半導体膜は、シリコン半導体膜に限定されない。また、ＳＯＩ基板には、ガラス基板などの絶縁基板上に絶縁膜を介して半導体膜が設けられた構成のものが含まれるものとする。
【０１８４】
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膜を形成する方法等を用いることができる。
【０１８５】
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、または素子基板上のどちらか一方に絶縁膜を形成する。単結晶半導体基板と素子基板を、絶縁膜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膜として単結晶半導体膜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。
【０１８６】
基板２８５上にはトランジスタ２６０を囲むように素子分離絶縁膜２０６が設けられている。なお、高集積化を実現するためには、図９（Ａ）に示すようにトランジスタ２６０がサイドウォール絶縁膜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２６０の特性を重視する場合には、ゲート電極層２１０の側面にサイドウォール絶縁膜を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域２２０を設けても良い。
【０１８７】
単結晶半導体基板を用いたトランジスタ２６０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。
【０１８８】
本実施の形態においては、トランジスタ２６０を覆うように絶縁膜２層を設ける。但し、トランジスタ２６０を覆う絶縁膜は、単層構造としてもよいし、３層以上の積層構造としてもよい。但し、上部に設けられるトランジスタ２６２に含まれる酸化物半導体層と接する絶縁膜としては、酸化シリコン膜を適用するものとする。
【０１８９】
トランジスタ２６２および容量素子２６４の形成前の処理として、該絶縁膜２層にＣＭＰ処理を施して、平坦化した絶縁膜２２８、絶縁膜２３０を設け、同時にゲート電極層２１０の上面を露出させる。
【０１９０】
絶縁膜２２８、絶縁膜２３０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。絶縁膜２２８、絶縁膜２３０は、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法等を用いて形成することができる。
【０１９１】
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膜２２８、絶縁膜２３０を形成してもよい。
【０１９２】
本実施の形態では、絶縁膜２２８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、絶縁膜２３０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。
【０１９３】
ＣＭＰ処理により十分に平坦化した絶縁膜２３０上に酸化物半導体層を成膜し、これを加工して島状の酸化物半導体層２４４を形成する。なお、酸化物半導体層成膜後、脱水化または脱水素化のための熱処理を行うのが好ましい。
【０１９４】
ゲート電極層２１０、絶縁膜２２８、絶縁膜２３０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、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａ、ドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂを形成する。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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層またはドレイン電極層２４２ａ、およびドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂへの加工が容易であるというメリットがある。
【０１９７】
上部のトランジスタ２６２のチャネル長（Ｌ）は、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａ、およびドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂ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。
【０１９８】
酸化物半導体層２４４の一部に接するゲート絶縁膜２４６を形成する。ゲート絶縁膜２４６として、プラズマＣＶＤ法また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、または酸化ガリウム膜を形成することができる。
【０１９９】
ゲート絶縁膜２４６上において酸化物半導体層２４４と重畳する領域にゲート電極層２４８ａを形成し、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａと重畳する領域に電極層２４８ｂを形成する。
【０２００】
ゲート電極層２４８ａおよび電極層２４８ｂは、ゲート絶縁膜２４６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。
【０２０１】
ゲート電極層２４８ａを形成後、酸化物半導体層２４４に不純物元素を添加する処理を行ってもよい。
【０２０２】
添加する不純物元素は、リン、ホウ素、アルゴンなどがある。また、酸化物半導体層２４４に不純物元素を添加する方法として、イオンドーピング法またはイオンインプランテーション法を用いることができる。
【０２０３】
なお、酸化物半導体層２４４に不純物元素を添加する処理は、複数回行ってもよい。酸化物半導体層２４４に不純物元素を添加する処理を複数回行う場合、不純物元素は複数回すべてにおいて同じであってもよいし、１回の処理毎に変えてもよい。
【０２０４】
酸化物半導体層２４４に不純物元素を添加する際、ゲート電極層２４８ａはマスクとして機能し、不純物元素はゲート電極層２４８ａと重畳する領域の酸化物半導体層２４４には添加されず、第１の領域２４４ａが形成される。また、ゲート電極層２４８ａと重畳する第１の領域２４４ａはチャネル形成領域として機能する。
【０２０５】
さらに、不純物元素が添加された第２の領域２４４ｂ、第２の領域２４４ｃは、不純物元素の添加のダメージにより結晶性が低減し、非晶質領域となる。不純物元素を添加する量などを調節することによって、ダメージ量を低減させ、完全な非晶質領域とならないように形成することができる。つまり、不純物元素が添加された第２の領域２４４ｂ、第２の領域２４４ｃは、少なくとも第１の領域２４４ａよりも非晶質領域の割合が大きい領域となるということである。完全な非晶質領域とさせないほうが、後に行う熱処理による結晶化が容易に行われるため好ましい。
【０２０６】
一対の第２の領域２４４ｂ、第２の領域２４４ｃは、第１の領域２４４ａより低抵抗であるＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域として機能する。ＬＤＤ領域として機能する不純物元素を含む第２の領域２４４ｂ、第２の領域２４４ｃを設けることにより、第１の領域２４４ａの端部に加わる電界を緩和させることができる。このため、トランジスタの短チャネル効果を抑制することができる。
【０２０７】
このように、ゲート電極層２４８ａをマスクとして、不純物元素を酸化物半導体層２４４に添加し、後の熱処理を行うことで、チャネル形成領域となる第１の領域２４４ａと、ＬＤＤ領域となる一対の第２の領域２４４ｂ、第２の領域２４４ｃをセルフアラインに形成することができる。
【０２０８】
酸化物半導体層２４４、ゲート絶縁膜２４６、ゲート電極層２４８ａ、および電極層２４８ｂ上に、酸化アルミニウム膜を含む絶縁膜２５０を形成する。絶縁膜２５０を積層構造とする場合、プラズマＣＶＤ法また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、また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。
【０２０９】
絶縁膜２５０成膜後、第２の熱処理を行う。該熱処理の温度は、好ましくは３５０℃以上６５０℃以下、より好ましくは４５０℃以上６５０℃以下である。なお、基板の歪み点未満とすることが好ましい。なお、第２の熱処理のタイミングは、本実施の形態の構成に限定されないが、該熱処理は、少なくとも絶縁膜２５０（より具体的には、酸化アルミニウム膜）の成膜後に行う必要がある。絶縁膜２５０として用いる酸化アルミニウム膜は、水素、水などの不純物、およ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）が高く、絶縁膜２５０を成膜後に熱処理を行うことで、酸化物半導体層２４４からの酸素の放出を防止することができるためである。
【０２１０】
トランジスタ２６２、および絶縁膜２５０上に、絶縁膜２５２を形成する。絶縁膜２５２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。
【０２１１】
ゲート絶縁膜２４６、絶縁膜２５０、および絶縁膜２５２に、ドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂ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。
【０２１２】
その後、上記開口にドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂに接する配線を形成する。なお、図９（Ａ）にはドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂと配線２５６との接続箇所は図示していない。
【０２１３】
配線２５６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、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａなどと同様である。
【０２１４】
以上の工程でトランジスタ２６２および容量素子２６４が完成する。トランジスタ２６２は、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む酸化物半導体層２４４を有するトランジスタである。よって、トランジスタ２６２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２６４は、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａ、酸化物半導体層２４４、ゲート絶縁膜２４６、および電極層２４８ｂを含んで構成される。
【０２１５】
なお、図９の容量素子２６４では、酸化物半導体層２４４とゲート絶縁膜２４６を積層させることにより、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａと、電極層２４８ｂとの間の絶縁性を十分に確保することができる。もちろん、十分な容量を確保するために、酸化物半導体層２４４を有しない構成の容量素子２６４を採用しても良い。また、絶縁膜を有する構成の容量素子２６４を採用しても良い。さらに、容量が不要の場合は、容量素子２６４を設けない構成とすることも可能である。
【０２１６】
図９（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９（Ｃ）において、トランジスタ２６２のソース電極層またはドレイン電極層の一方と、容量素子２６４の電極層の一方と、トランジスタ２６０のゲート電極層と、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２６０のソース電極層とは、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２６０のドレイン電極層とは、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２６２のソース電極層またはドレイン電極層の他方とは、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２６２のゲート電極層とは、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２６４の電極層の他方は電気的に接続されている。
【０２１７】
酸化物半導体を用いたトランジスタ２６２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２６２をオフ状態とすることで、トランジスタ２６２のソース電極層またはドレイン電極層の一方と、容量素子２６４の電極層の一方と、トランジスタ２６０のゲート電極層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２６４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。
【０２１８】
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２６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ２６２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２６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ２６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧが浮遊状態となるため、ノードＦＧには所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードＦＧに所定量の電荷を蓄積および保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
【０２１９】
トランジスタ２６２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。
【０２２０】
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２６０は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ２６０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２６０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２６０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２６０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２６０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２６０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２６０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。
【０２２１】
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２６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ２６２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２６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ２６２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。
【０２２２】
本実施の形態で示すトランジスタ２６２は、酸素を過剰に含む酸化物半導体層を酸化物半導体層２４４に用いることで、トランジスタ２６２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。
【０２２３】
以上のように、酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成することにより、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の作製工程で熱処理を行っても大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができる。よって、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、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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
（実施の形態５）
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。
【０２２６】
図１０（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。上記実施の形態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。
【０２２７】
図１０（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。上記実施の形態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。
【０２２８】
図１０（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。
【０２２９】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図１０（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図１０（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。上記実施の形態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、また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、およ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。
【０２３０】
また、図１０（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカー２７２５などを備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０２３１】
また、電子書籍は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０２３２】
図１０（Ｄ）は、携帯電話であり、筐体２８００および筐体２８０１の二つの筐体で構成されている。筐体２８０１には、表示パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフォン２８０４、ポインティングデバイス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端子２８０８などを備えている。また、筐体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。上記実施の形態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。
【０２３３】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図１０（Ｄ）には映像表示されている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０２３４】
表示パネル２８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能である。スピーカー２８０３およびマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１は、スライドし、図１０（Ｄ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。
【０２３５】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電およびパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存および移動に対応できる。
【０２３６】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。
【０２３７】
図１０（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。上記実施の形態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。
【０２３８】
図１０（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。上記実施の形態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。
【０２３９】
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。
【０２４０】
なお、テレビジョン装置は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０２４１】
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１】
【０２４２】
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１１乃至図１４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。
【０２４３】
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。
【０２４４】
比較例試料Ａおよび実施例試料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の間との距離を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。
【０２４５】
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の間との距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、アルゴンおよび酸素（アルゴン流量２５ｓｃｃｍ：酸素流量２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０２４６】
比較例試料Ａおよび実施例試料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％（気体中に含まれる水蒸気の体積比がＨ２Ｏ（水）：Ｄ２Ｏ（重水）＝３：１）、２．３気圧（０．２３ＭＰａ）の条件で比較例試料Ａおよび実施例試料Ａを１００時間保持した。
【０２４７】
本実施例において、重水などで表現している「Ｄ原子」とは、質量数が２である水素原子（２Ｈ）を表している。
【０２４８】
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および実施例試料Ａに対して、各試料のＨ原子およびＤ原子の濃度を測定した。
【０２４９】
図１１（Ａ１）に比較例試料ＡのＰＣＴ試験前、図１１（Ａ２）に比較例試料ＡのＰＣＴ試験後のＳＩＭＳによるＨ原子およびＤ原子の濃度プロファイルを示す。図１１（Ａ１）および図１１（Ａ２）において、Ｄ原子ｅｘｐｅｃｔｅｄプロファイルは、Ｄ原子の存在比が０．０１５％としてＨ原子のプロファイルから算出した自然界に存在するＤ原子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原子量は、実測のＤ原子濃度とＤ原子ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度との差分となる。実測のＤ原子濃度からＤ原子ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度を差し引いたＤ原子の濃度プロファイルを、ＰＣＴ試験前を図１１（Ｂ１）、ＰＣＴ試験後を図１１（Ｂ２）に示す。
【０２５０】
同様に、図１２（Ａ１）に実施例試料ＡのＰＣＴ試験前、図１２（Ａ２）に実施例試料ＡのＰＣＴ試験後のＳＩＭＳによるＨ原子およびＤ原子の濃度プロファイルを示す。また、実測のＤ原子濃度からＤ原子ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度を差し引いたＤ原子の濃度プロファイルを、ＰＣＴ試験前を図１２（Ｂ１）、ＰＣＴ試験後を図１２（Ｂ２）に示す。
【０２５１】
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。
【０２５２】
図１１に示すように、ＰＣＴ試験前は重なっていた実測のＤ原子の濃度プロファイルとＤ原子ｅｘｐｅｃｔｅｄプロファイルが、ＰＣＴ試験後は実測のＤ原子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原子が混入したことがわかる。したがって、比較例試料Ａの酸化シリコン膜は、外部からの水（Ｈ２Ｏ、Ｄ２Ｏ）に対し、バリア性が低いことが確認できた。
【０２５３】
一方、図１２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にややＤ原子の侵入が見られるだけで、酸化アルミニウム膜の深さ５０ｎｍ付近以降、および酸化シリコン膜にはＤ原子の侵入が見られない。したがって、酸化アルミニウム膜は外部からの水（Ｈ２Ｏ、Ｄ２Ｏ）に対し、バリア性が高いことが確認できた。
【０２５４】
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。
【０２５５】
比較例試料Ｂおよび実施例試料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の間との距離を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。
【０２５６】
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の間との距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、アルゴンおよび酸素（アルゴン流量２５ｓｃｃｍ：酸素流量２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０２５７】
比較例試料Ｂおよび実施例試料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。
【０２５８】
比較例試料Ｂおよび実施例試料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および実施例試料Ｂにおいて、図１３（Ａ）および図１４（Ａ）に加熱処理なし、図１３（Ｂ）および図１４（Ｂ）に３００℃加熱処理、図１３（Ｃ）および図１４（Ｃ）に４５０℃加熱処理、図１３（Ｄ）および図１４（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結果を示す。
【０２５９】
図１３（Ａ）乃至図１３（Ｄ）に示すように、比較例試料Ｂは加熱処理なしの図１３（Ａ）では酸化シリコン膜から酸素の放出が見られるが、図１３（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１３（Ｃ）の４５０℃加熱処理を行った試料および図１３（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であった。
【０２６０】
図１３（Ａ）乃至図１３（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。したがって、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。
【０２６１】
一方、図１４（Ａ）乃至図１４（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。
【０２６２】
図１４（Ａ）乃至図１４（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外部へ放出されず、酸化シリコン膜中に含有した状態のまま保持されることがわかる。したがって、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。
【０２６３】
以上の結果から、酸化アルミニウム膜は水素および水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、およ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。
【０２６４】
したがって、酸化アルミニウム膜がバリア膜として機能するため、酸化物半導体層、ソース電極層、ドレイン電極層、ゲート絶縁膜、ゲート電極層を順に形成した後、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成するトランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水などの不純物の酸化物半導体層への混入、およ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ことができる。
【実施例２】
【０２６５】
本実施例では、開示する発明に係る半導体装置において酸化アルミニウム膜をバリア膜として用いたトランジスタの特性の測定結果について説明する。
【０２６６】
まずは、実施例試料Ｃのトランジスタの作製方法について説明する。
【０２６７】
シリコン基板上にスパッタリング法により下地絶縁膜である酸化シリコン層を３００ｎｍ形成した。下地絶縁膜である酸化シリコン層の成膜条件は、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の間との距離を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。
【０２６８】
次いで、酸化シリコン層上に酸化物半導体層であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を２０ｎｍ形成した。酸化物半導体層であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の成膜条件は、ターゲットとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用い、圧力０．４Ｐａ、電源電力０．５ｋＷ、アルゴンおよび酸素（アルゴン流量３０ｓｃｃｍ：酸素流量１５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０２６９】
次いで、酸化物半導体層成膜後、４００℃の熱処理を減圧下で３０分間行った。
【０２７０】
次いで、酸化物半導体層上にソース電極層およびドレイン電極層であるタングステン層を１００ｎｍ形成し、ソース電極層およびドレイン電極層上にＣＶＤ法によりゲート絶縁膜となる酸化窒化シリコン膜を３０ｎｍ形成し、ゲート絶縁膜上の酸化物半導体層と重なる領域にゲート電極層となる窒化タンタル層１５ｎｍ、タングステン層１３５ｎｍを順に積層して形成した。
【０２７１】
次いで、リンを酸化物半導体層に加速電圧を４０ｋＶ、ドーズ量を１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の条件で添加し、４５０℃の熱処理を窒素雰囲気下で１時間行った。
【０２７２】
リンを添加後、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上にスパッタリング法により絶縁膜となる酸化アルミニウム膜１００ｎｍを形成した。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、基板とターゲットの間との距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、アルゴンおよび酸素（アルゴン流量２５ｓｃｃｍ：酸素流量２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０２７３】
次いで、酸化アルミニウム膜上にＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜３００ｎｍを形成して実施例試料Ｃを作製した。
【０２７４】
また、実施例試料Ｃのトランジスタとトランジスタの特性を比較する比較例試料Ｃのトランジスタの作製方法について説明する。
【０２７５】
比較例試料Ｃは、リンの添加工程までは実施例試料Ｃと同様に行い、リンの添加後、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上にＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜３００ｎｍを形成して作製した。
【０２７６】
比較例試料Ｃおよび実施例試料Ｃにおいて、４５０℃の熱処理の条件で、窒素雰囲気下で１時間処理を行った。
【０２７７】
本実施例では、比較例試料Ｃおよび実施例試料Ｃのトランジスタにおいて、ドレイン電圧（Ｖｄ）を３Ｖとし、ゲート電圧（Ｖｇ）を−６Ｖから６Ｖまで掃引した際の、ドレイン電流（Ｉｄ：［Ａ］）の測定を行った。測定結果を図１５および図１６に示す。図１５および図１６において、横軸はゲート電圧（Ｖｇ［Ｖ］）、縦軸はドレイン電流（Ｉｄ［Ａ］）を示す。なお、「ドレイン電圧（Ｖｄ）」とは、ソースを基準としたドレインとソースの電位差であり、「ゲート電圧（Ｖｇ）」とは、ソースを基準としたゲートとソースの電位差である。
【０２７８】
図１５に示すように、比較例試料Ｃのトランジスタは、ゲート電圧を掃引しても電流値に大きな変化は見られなかった。これにより、比較例試料Ｃのトランジスタは、オン・オフ比が確保できず、正常なスイッチング特性が得られないことが確認された。
【０２７９】
一方、図１６に示すように、実施例試料Ｃのトランジスタは、オン状態のときにドレイン電流（オン電流ともいう）は１０−６Ａ、オフ状態のときにドレイン電流（オフ電流ともいう）は１０−１４Ａであることが確認された。これにより、実施例試料Ｃのトランジスタではオン・オフ比が確保でき、正常なスイッチング特性が得られていることが確認された。
【０２８０】
実施例試料Ｃと比較例試料Ｃの差異は、酸化窒化シリコン膜を形成する直前に、酸化アルミニウム膜を形成しているか否かである。よって、実施例試料Ｃでは、酸化アルミニウム膜の効果により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ことが確認できる。
【０２８１】
実施例１で示したように、酸化アルミニウム膜は水素、水および酸素に対するバリア膜として好適に機能するため、酸化物半導体層を覆い、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成する構成は、熱処理を行っても、酸化物半導体層への水素や水の混入や酸化物半導体層からの酸素の放出を防ぐことができる。以上の結果より、上記のような構成にすることによって、微細化されたトランジスタに熱処理を行ってもオン・オフ比が確保でき、正常なスイッチング特性が得られ、トランジスタの電気的特性変動が抑制されて、電気的に安定であることが示された。
【０２８２】
よって、該トランジスタを含む、酸化物半導体を用いた半導体装置は、安定した電気的特性を付与し、高信頼性を実現することができる。
【符号の説明】
【０２８３】
１００ 基板
１０２ 下地絶縁膜
１０６ 酸化物半導体層
１０６ａ 第１の領域
１０６ｂ 第２の領域
１０６ｃ 第２の領域
１０８ａ ソース電極層
１０８ｂ ドレイン電極層
１１０ ゲート絶縁膜
１１２ ゲート電極層
１１４ 絶縁膜
１１６ 層間絶縁膜
１２１ 不純物元素
１５０ トランジスタ
２０６ 素子分離絶縁膜
２０８ ゲート絶縁膜
２１０ ゲート電極層
２１６ チャネル形成領域
２２０ 不純物領域
２２４ 金属化合物領域
２２８ 絶縁膜
２３０ 絶縁膜
２４２ａ ドレイン電極層
２４２ｂ ソース電極層
２４４ 酸化物半導体層
２４４ａ 第１の領域
２４４ｂ 第２の領域
２４４ｃ 第２の領域
２４６ ゲート絶縁膜
２４８ａ ゲート電極層
２４８ｂ 電極層
２５０ 絶縁膜
２５２ 絶縁膜
２６０ トランジスタ
２６２ トランジスタ
２６４ 容量素子
２８５ 基板
６０１ 基板
６０２ フォトダイオード
６０６ａ 半導体膜
６０６ｂ 半導体膜
６０６ｃ 半導体膜
６０８ 接着層
６１３ 基板
６２２ 光
６３１ 絶縁膜
６３３ 層間絶縁膜
６３４ 層間絶縁膜
６４０ トランジスタ
６４１ａ 電極層
６４１ｂ 電極層
６４２ 電極層
６４３ 導電層
６４５ ゲート電極層
６５６ トランジスタ
６５８ フォトダイオードリセット信号線
６５９ ゲート信号線
６７１ フォトセンサ出力信号線
６７２ フォトセンサ基準信号線
２７０１ 筐体
２７０３ 筐体
２７０５ 表示部
２７０７ 表示部
２７１１ 軸部
２７２１ 電源
２７２３ 操作キー
２７２５ スピーカー
２８００ 筐体
２８０１ 筐体
２８０２ 表示パネル
２８０３ スピーカー
２８０４ マイクロフォン
２８０５ 操作キー
２８０６ ポインティングデバイス
２８０７ カメラ用レンズ
２８０８ 外部接続端子
２８１０ 太陽電池セル
２８１１ 外部メモリスロット
３００１ 本体
３００２ 筐体
３００３ 表示部
３００４ キーボード
３０２１ 本体
３０２２ スタイラス
３０２３ 表示部
３０２４ 操作ボタン
３０２５ 外部インターフェイス
３０５１ 本体
３０５３ 接眼部
３０５４ 操作スイッチ
３０５５ 表示部（Ｂ）
３０５６ バッテリー
３０５７ 表示部（Ａ）
４００１ 基板
４００２ 画素部
４００３ 信号線駆動回路
４００４ 走査線駆動回路
４００５ シール材
４００６ 基板
４００８ 液晶層
４０１０ トランジスタ
４０１１ トランジスタ
４０１３ 液晶素子
４０１５ 接続端子電極層
４０１６ 端子電極層
４０１８ ＦＰＣ
４０１８ａ ＦＰＣ
４０１８ｂ ＦＰＣ
４０１９ 異方性導電膜
４０２１ 絶縁膜
４０２３ 絶縁膜
４０２４ 絶縁膜
４０３０ 電極層
４０３１ 電極層
４０３３ 絶縁膜
４５１０ 隔壁
４５１１ 電界発光層
４５１３ 発光素子
４５１４ 充填材
４６１２ キャビティ
４６１３ 球形粒子
４６１４ 充填材
４６１５ａ 黒色領域
４６１５ｂ 白色領域
９６０１ 筐体
９６０３ 表示部
９６０５ スタンド
【技術分野】
【０００１】
半導体装置および半導体装置の作製方法に関する。
【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）、および亜鉛（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、酸化物半導体はデバイス作製工程において、電子供与体を形成する水素や水の混入などが生じることや酸化物半導体から酸素が抜けてしまうことによってその電気伝導度が変化する恐れがある。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】
特に、該トランジスタを有する半導体装置や電子機器の作製工程での熱処理により、大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し拡散してしまい、完成したトランジスタの電気的特性が変動してしまう問題がある。
【０００８】
上述の問題に鑑み、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】
【０００９】
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、酸化物半導体層上に接してゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上にゲート電極層を形成し、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成することによって、該トランジスタを有する半導体装置や電子機器の作製工程での熱処理により、大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し拡散することを防ぐことができる。
【００１０】
開示する発明の一態様は、下地絶縁膜を形成し、下地絶縁膜上に接して酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、酸化物半導体層、ソース電極層およびドレイン電極層上に接してゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上の酸化物半導体層と重なる領域にゲート電極層を形成し、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成してトランジスタを作製し、トランジスタに対して熱処理を行い、酸化アルミニウム膜の膜厚は、５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下である半導体装置の作製方法である。
【００１１】
開示する発明の他の一態様は、下地絶縁膜を形成し、下地絶縁膜上に接して酸化物半導体層を形成し、酸化物半導体層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、酸化物半導体層、ソース電極層およびドレイン電極層上に接してゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上の酸化物半導体層と重なる領域にゲート電極層を形成し、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成し、酸化物半導体層に対して熱処理を行い、酸化アルミニウム膜の膜厚は、５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下である半導体装置の作製方法である。
【００１２】
また、上記の半導体装置の作製方法において、酸化物半導体層を形成直後に酸化物半導体層に対してさらに熱処理を行うと好ましい。
【００１３】
また、上記の半導体装置の作製方法において、酸化アルミニウム膜上に層間絶縁膜を形成してもよい。
【００１４】
また、上記の半導体装置の作製方法において、層間絶縁膜は、酸化窒化シリコンであることが好ましい。
【００１５】
また、上記の半導体装置の作製方法において、ゲート電極層を形成後、酸化物半導体層にイオンドーピング法またはイオンインプランテーション法により不純物元素を添加してもよい。
【００１６】
また、上記の半導体装置の作製方法において、酸化物半導体層を加熱しながら形成することが好ましい。
【００１７】
また、上記の半導体装置の作製方法において、下地絶縁膜およびゲート絶縁膜の少なくとも一は、化学量論比より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。
【００１８】
また、上記の半導体装置の作製方法において、酸化物半導体層上で隣り合うソース電極層とドレイン電極層との間隔幅によって形成されるチャネル長は、２μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
トランジスタの作製工程において、酸化物半導体層、ソース電極層、ドレイン電極層、ゲート絶縁膜、ゲート電極層を順に形成した後、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して膜厚が５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下である酸化アルミニウム膜を形成することによって、トランジスタを有する半導体装置や電子機器の作製工程での熱処理により大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができる。また、同時に酸化物半導体層から酸素が抜けてしまうことを防ぐことができる。よって、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、高信頼性化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】半導体装置の一形態を説明する平面図および断面図。
【図２】半導体装置の一形態を説明する作製方法を説明する断面図。
【図３】半導体装置の一形態を説明する作製方法を説明する断面図。
【図４】半導体装置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】電子機器を示す図。
【図１１】比較例試料ＡのＳＩＭＳデータを示す図。
【図１２】実施例試料ＡのＳＩＭＳデータを示す図。
【図１３】比較例試料ＢのＴＤＳデータを示す図。
【図１４】実施例試料ＢのＴＤＳデータを示す図。
【図１５】比較例試料Ｃを用いたトランジスタの特性を示す図。
【図１６】実施例試料Ｃを用いたトランジスタの特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。また、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さないことがある。また、便宜上、絶縁膜は上面図には表さないことがある。
【００２２】
なお、以下の説明において、第１、第２などの序数詞は、説明の便宜上付したものであり、その数を限定するものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
本実施の形態は、本発明の一態様であるトランジスタを有する半導体装置の作製方法について、図１乃至図３を用いて説明する。
【００２４】
図１に、トップゲートトップコンタクト型のトランジスタ１５０の平面図および断面図を示す。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＡ−Ｂ断面に係る断面図である。なお、図１（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ１５０の構成要素の一部（例えば、絶縁膜１１４など）を省略している。
【００２５】
＜本実施の形態における半導体装置の構成＞
図１は、本実施の形態の方法にて作製された半導体装置の構成例である。図１に示すトランジスタ１５０は、基板１００と、基板１００上に形成された下地絶縁膜１０２と、下地絶縁膜１０２上に接して形成された酸化物半導体層１０６と、酸化物半導体層１０６上に形成されたソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂと、酸化物半導体層１０６、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂ上に接して形成されたゲート絶縁膜１１０と、ゲート絶縁膜１１０上の酸化物半導体層１０６と重なる領域に形成されたゲート電極層１１２と、ゲート絶縁膜１１０およびゲート電極層１１２上に接して形成された絶縁膜１１４と、絶縁膜１１４上に形成された層間絶縁膜１１６を有する構造である。また、ゲート電極層１１２を形成後、酸化物半導体層１０６に不純物元素を添加し、ソース電極層１０８ａ、ドレイン電極層１０８ｂおよびゲート電極層１１２と重畳する領域に第１の領域１０６ａを、ソース電極層１０８ａ、ドレイン電極層１０８ｂおよびゲート電極層１１２と重畳しない領域に第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃを有している。
【００２６】
＜本実施の形態における半導体装置の作製方法＞
トランジスタ１５０の作製方法について図２および図３を用いて説明する。
【００２７】
まず、基板１００上に下地絶縁膜１０２を形成し、下地絶縁膜１０２上に接して酸化物半導体層１０６を選択的に形成する（図２（Ａ）参照）。
【００２８】
基板１００は、絶縁性表面を有するものを用いればよい。例えば、ガラス基板、石英基板、表面に絶縁膜が設けられた半導体基板、または表面に絶縁膜が設けられたステンレス基板などを用いればよい。
【００２９】
下地絶縁膜１０２は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンなどを用いて形成すればよく、スパッタリング法により形成することができる。また、下地絶縁膜１０２は、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、などを含むように形成することもできる。酸化物半導体層１０６に接する下地絶縁膜１０２からは、水および水素を極力除去しておくことが好ましい。なお、下地絶縁膜１０２は単層であってもよいし、複数の層が積層されて設けられていてもよい。
【００３０】
なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンなどの「酸化窒化物」とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示す。
【００３１】
なお、本明細書中において、窒化酸化シリコンなどの「窒化酸化物」とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものを示す。
【００３２】
図１に示すトランジスタ１５０において、下地絶縁膜１０２またはゲート絶縁膜１１０の少なくとも一方が化学量論比より酸素の含有量が過剰な領域が含まれているのが好ましい。この場合、酸素の含有量は、下地絶縁膜やゲート絶縁膜の化学量論比を超える程度とする。例えば、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。
【００３３】
酸化物半導体層１０６と接する絶縁膜が化学量論比より酸素の含有量が過剰な領域を有していると、酸化物半導体層１０６からこれと接する絶縁膜への酸素の移動を防ぐことができ、かつ、酸化物半導体層１０６と接する絶縁膜から酸化物半導体層１０６への酸素の供給を行うこともできるためである。
【００３４】
酸化物半導体層１０６を形成する酸化物半導体としては、不純物が除去され、酸化物半導体の主成分以外のキャリア供与体となる不純物が極力含まれないように高純度化することにより真性（ｉ型）化または実質的に真性（ｉ型）化された酸化物半導体を用いる。
【００３５】
酸化物半導体層１０６は、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう。）または非晶質などの状態をとる。
【００３６】
酸化物半導体層１０６として機能する層としては、例えば、スパッタリング法などを用いて形成された、少なくともＩｎ、Ｇａ、ＳｎおよびＺｎから選ばれた一種以上の元素を含有する。例えば、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属の酸化物である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、二元系金属の酸化物である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、単元系金属の酸化物である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、上記酸化物半導体にＩｎとＧａとＳｎとＺｎ以外の元素、例えば、ＳｉＯ２を含ませてもよい。
【００３７】
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）を有する酸化物半導体、という意味であり、その組成比は問わない。
【００３８】
また、酸化物半導体層１０６は、化学式ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いることができる。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数の金属元素を示す。例えば、Ｍとして、Ｇａ、ＧａおよびＡｌ、ＧａおよびＭｎ、またはＧａおよびＣｏなどがある。
【００３９】
酸化物半導体としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いる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］の酸化物半導体成膜用ターゲットを用いることができる。また、このターゲットの材料および組成に限定されず、例えば、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ比］の酸化物半導体成膜用ターゲットを用いてもよい。
【００４０】
また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（ｍｏｌ比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（ｍｏｌ比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１５：１〜１．５：１（ｍｏｌ比に換算するとＩｎ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）とする。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。
【００４１】
また、酸化物半導体層１０６として、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜を用いてもよい。
【００４２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、非晶質相に結晶部および非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【００４３】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、８５°以上９５°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−５°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【００４４】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。
【００４５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状（被形成面の断面形状または表面の断面形状）によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のｃ軸の方向は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、または成膜後に熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。
【００４６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気的特性の変動を低減することが可能である。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。
【００４７】
スパッタリング法により酸化物半導体層１０６を形成する際、できる限り酸化物半導体層１０６に含まれる水素濃度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるには、スパッタリング装置の処理室内に供給する雰囲気ガスとして、水素、水、水酸基または水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス（代表的にはアルゴン）、酸素、または希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いる。さらには、該処理室の排気は、水の排気能力の高いクライオポンプまたは水素の排気能力の高いスパッタイオンポンプを用いればよい。
【００４８】
酸化物半導体層１０６を成膜後、酸化物半導体層１０６に対して、熱処理（第１の熱処理）を行うことが望ましい。この第１の熱処理によって酸化物半導体層１０６中の、過剰な水素（水や水酸基を含む）を除去することができる。第１の熱処理の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは４５０℃以上６００℃以下である。なお、第１の熱処理の温度は、基板１００の歪み点未満とすることが好ましい。
【００４９】
熱処理は、例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に被処理物を導入し、窒素雰囲気下、４５０℃、１時間の条件で行うことができる。この間、酸化物半導体層１０６は大気に触れさせず、水や水素の混入が生じないようにする。
【００５０】
熱処理装置は電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を用いても良い。例えば、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて熱処理を行う装置である。ガスとしては、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
【００５１】
例えば、第１の熱処理として、熱せられた不活性ガス雰囲気中に被処理物を投入し、数分間熱した後、当該不活性ガス雰囲気から被処理物を取り出すＧＲＴＡ処理を行ってもよい。ＧＲＴＡ処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、被処理物の耐熱温度を超える温度条件であっても適用が可能となる。
【００５２】
なお、不活性ガス雰囲気としては、窒素、または希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン等）を主成分とする雰囲気であって、水、水素などが含まれない雰囲気を適用するのが望ましい。例えば、熱処理装置に導入する窒素や、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（すなわち、不純物濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とする。
【００５３】
ところで、上述の熱処理（第１の熱処理）には水素や水などを除去する効果があるから、当該熱処理を、脱水化処理や、脱水素化処理などと呼ぶこともできる。また、このような脱水化処理、脱水素化処理は、一回に限らず複数回行っても良い。なお、第１の熱処理中に、不活性ガスを酸素を含むガスに切り替えても良い。酸素を含む雰囲気において第１の熱処理を行うことで、酸素欠損に起因するエネルギーギャップ中の欠陥準位を低減することができ、酸化物半導体層をよりｉ型化または実質的にｉ型化にすることができる。
【００５４】
次いで、酸化物半導体層１０６上に、ソース電極層およびドレイン電極層（これと同じ層で形成される配線を含む）となる導電膜を成膜し、これを加工してソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂを形成する（図２（Ｂ）参照）。
【００５５】
ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂに用いる導電膜としては、後の熱処理工程に耐えられる材料を用いる。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また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、およ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（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）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。
【００５６】
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層１０６がエッチングされ、分断され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、酸化物半導体層１０６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酸化物半導体層１０６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。
【００５７】
また、酸化物半導体層１０６上で隣り合うソース電極層１０８ａとドレイン電極層１０８ｂとの間隔幅によって形成されるトランジスタのチャネル長は、２μｍ以下であることが好ましい。本実施の形態では、チャネル長を０．９μｍとする。
【００５８】
次いで、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂを覆い、酸化物半導体層１０６の一部と接するゲート絶縁膜１１０を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【００５９】
ゲート絶縁膜１１０は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて形成することができる。また、ゲート絶縁膜１１０は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート、窒素が添加されたハフニウムアルミネート、などを含むように形成するのが好適である。ゲート絶縁膜１１０は、単層構造としても良いし、上記の材料を組み合わせて積層構造としても良い。また、その厚さは特に限定されないが、半導体装置を微細化する場合には、トランジスタの動作を確保するために薄くするのが望ましい。例えば、酸化窒化シリコンを用いる場合には、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
【００６０】
ゲート絶縁膜を薄くすると、トンネル効果などに起因するゲートリークが問題となる。ゲートリークの問題を解消するには、ゲート絶縁膜１１０に、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、ハフニウムシリケート、ハフニウムアルミネート、窒素が添加されたハフニウムシリケート、窒素が添加されたハフニウムアルミネート、などの高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いると良い。ｈｉｇｈ−ｋ材料をゲート絶縁膜に用いることで、電気的特性を確保しつつ、ゲートリークを抑制するために膜厚を大きくすることが可能になる。なお、ｈｉｇｈ−ｋ材料を含む膜と、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどのいずれかを含む膜との積層構造としてもよい。
【００６１】
ゲート絶縁膜１１０は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚とし、ＣＶＤ法などを適宜用いて形成することができる。
【００６２】
次いで、ゲート絶縁膜１１０上に導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ工程によりゲート電極層１１２を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【００６３】
ゲート電極層１１２は、プラズマＣＶＤ法また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またはこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層でまたは積層して形成することができる。
【００６４】
次いで、絶縁膜１１４を形成する前に酸化物半導体層１０６に不純物元素１２１を添加する処理を行ってもよい（図３（Ａ）参照）。
【００６５】
添加する不純物元素１２１は、リン、ホウ素、アルゴンなどがある。また、酸化物半導体層１０６に不純物元素１２１を添加する方法として、イオンドーピング法またはイオンインプランテーション法を用いることができる。
【００６６】
なお、上記の「イオンドーピング法」とは、原料ガスから生成されるイオン化したガスを質量分離せず、そのまま電界で加速して対象物に照射し、イオン化したガスの元素を対象物に含ませる方式を指す。また、上記の「イオンインプランテーション法」とは、「イオン注入法」とも呼ばれ、原料ガスをプラズマ化し、このプラズマに含まれるイオン種を引き出し、質量分離をして、所定の質量を有するイオン種を加速して、イオンビームとして、対象物に注入する方法である。
【００６７】
なお、酸化物半導体層１０６に不純物元素１２１を添加する処理は、複数回行っても良い。酸化物半導体層１０６に不純物元素１２１を添加する処理を複数回行う場合、不純物元素１２１は複数回すべてにおいて同じであってもよいし、１回の処理毎に変えてもよい。
【００６８】
酸化物半導体層１０６に不純物元素１２１を添加する際、ゲート電極層１１２、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂはマスクとして機能し、不純物元素１２１はゲート電極層１１２、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂと重畳する領域の酸化物半導体層１０６には添加されず、第１の領域１０６ａが形成される。また、ゲート電極層１１２と重畳する第１の領域１０６ａはチャネル形成領域として機能する。
【００６９】
さらに、不純物元素１２１が添加された第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃは、不純物元素１２１の添加のダメージにより結晶性が低減し、非晶質領域となる。不純物元素１２１を添加する量などを調節することによって、ダメージ量を低減させ、完全な非晶質領域とならないように形成することもできる。つまり、不純物元素１２１が添加された第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃは、少なくとも第１の領域１０６ａよりも非晶質領域の割合が大きい領域となるということである。完全な非晶質領域とさせないほうが、後に行う熱処理による結晶化が容易に行われるため好ましい。
【００７０】
一対の第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃは、第１の領域１０６ａより低抵抗であるＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域として機能する。ＬＤＤ領域として機能する不純物元素１２１を含む第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃを設けることにより、第１の領域１０６ａの端部に加わる電界を緩和させることができる。このため、トランジスタの短チャネル効果を抑制することができる。
【００７１】
このように、ゲート電極層１１２、ソース電極層１０８ａおよびドレイン電極層１０８ｂをマスクとして、不純物元素１２１を酸化物半導体層１０６に添加し、後の熱処理を行うことで、チャネル形成領域となる第１の領域１０６ａと、ＬＤＤ領域となる一対の第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃをセルフアラインに形成することができる。
【００７２】
本実施の形態では、不純物元素１２１としてリンを、イオンインプランテーション法を用いて酸化物半導体層１０６に加速電圧を２５ｋＶ〜４０ｋＶ、ドーズ量を１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の条件で添加する。
【００７３】
次いで、ゲート電極層１１２を覆い、ゲート絶縁膜１１０と接する絶縁膜１１４を形成する（図３（Ｂ）参照）。
【００７４】
絶縁膜１１４としては、酸化アルミニウム膜を用いる。酸化アルミニウムは、水素、水、酸素、その他の不純物を透過させにくいというバリア機能を有している。したがって、酸化物半導体層１０６上に酸化アルミニウム膜を設けることで、該酸化アルミニウム膜がパッシベーション膜として機能して、デバイス完成後に水等の不純物が外部より酸化物半導体層１０６へ侵入するのを防ぐことができ、ｉ型（真性）半導体またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層１０６を形成することできる。また、酸化物半導体層１０６としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いた場合、微視的な酸素の欠損が減少し、水素原子（水素イオンを含む）やアルカリ金属原子の脱着による電荷の移動や不安定性を減少させることで、より高純度化し、ｉ型（真性）化することができる。このため、極めて優れた特性のトランジスタを実現することができる。また、酸化物半導体層１０６、下地絶縁膜１０２およびゲート絶縁膜１１０より酸素が放出されるのを防ぐことができる。例えば、酸化アルミニウム膜を用いる場合には、５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下、好ましくは７０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。酸化アルミニウム膜の膜厚が５０ｎｍ以下であると、パッシベーション膜として機能しなく、デバイス完成後に水等の不純物が外部より酸化物半導体層１０６へ侵入するのを防ぐことができないからである。
【００７５】
絶縁膜１１４はスパッタリング法など、絶縁膜１１４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。絶縁膜１１４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、また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。よって、絶縁膜１１４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。絶縁膜１１４を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸基また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。
【００７６】
なお、絶縁膜１１４は、ゲート絶縁膜１１０およびゲート電極層１１２上に接して酸化アルミニウム膜を有していればよく、他の絶縁材料を含む膜との積層構造とすることも可能である。
【００７７】
例えば、上記積層構造として、酸化アルミニウム膜の上に層間絶縁膜１１６を形成してもよい（図３（Ｃ）参照）。層間絶縁膜１１６としては、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、ポリイミド、アクリルなど用いることができる。
【００７８】
また、トランジスタを形成後、該トランジスタを用いた電子機器や半導体装置を作製する際には、層間膜を形成し、熱処理等を用いて層間膜上に様々な物の形成や加工等を行う。そのため、既に完成したトランジスタにおいて、トランジスタ形成後の熱処理等の工程によって酸化物半導体層への水素や水の混入や酸化物半導体層からの酸素の放出が生じ、当該トランジスタの電気的特性が変動してしまう恐れがある。しかし、上述のように酸化アルミニウム膜は、水素、水、酸素、その他の不純物を透過させにくいというバリア機能を有しているので、本実施の形態に示すように、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成することによって、トランジスタ形成後に熱処理等を行っても、酸化物半導体層への水素や水の混入や酸化物半導体層からの酸素の放出を防止することができる。
【００７９】
例えば、層間絶縁膜１１６に水素や水などが含まれている場合でも、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成することによって、トランジスタ形成後の半導体装置や電子機器の作製工程において熱処理を行っても、層間絶縁膜１１６から酸化物半導体層１０６への水素や水の混入を防ぐことができる。
【００８０】
絶縁膜１１４、または、層間絶縁膜１１６の形成後には、第２の熱処理を行ってもよい。第２の熱処理を行うことにより、不純物元素１２１が添加された第２の領域１０６ｂ、第２の領域１０６ｃの結晶性が向上する。また、酸化物半導体層１０６としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いた場合、第２の熱処理を行うことにより、膜中に含まれるミクロな欠陥や、積層界面の欠陥を修復することができる。このため、酸化物半導体層１０６はより高純度化し、ｉ型（真性）化することができる。該熱処理の温度は、好ましくは３５０℃以上６５０℃以下、より好ましくは４５０℃以上６５０℃以下である。なお、第２の熱処理の温度は、基板の歪み点未満とすることが好ましい。該熱処理は、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、より好ましくは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、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。
【００８１】
なお、第２の熱処理のタイミングは、本実施の形態の構成に限定されないが、該熱処理は、少なくとも絶縁膜１１４の成膜後に行う必要がある。絶縁膜１１４として用いる酸化アルミニウム膜は、水素、水などの不純物、およ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）が高く、絶縁膜１１４を成膜後に熱処理を行うことで、酸化物半導体層１０６からの酸素の放出を防止することができるためである。
【００８２】
以上の工程で、酸素欠陥の形成を抑制した酸化物半導体層１０６を含むトランジスタ１５０が形成される。酸化物半導体層、ソース電極層、ドレイン電極層、ゲート絶縁膜、ゲート電極層を順に形成した後、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成することにより、該トランジスタ１５０を有する半導体装置や電子機器の作製工程で熱処理を行っても大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができる。また、トランジスタ１５０は、第２の熱処理によって、化学量論比より酸素の含有量が過剰な領域が含まれる下地絶縁膜１０２やゲート絶縁膜１１０から酸化物半導体層１０６へと酸素を供給することで、酸化物半導体層１０６の酸素欠損を補填することができる。よって、トランジスタ１５０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。
【００８３】
また、トランジスタ１５０は、脱水化または脱水素化を目的とする熱処理を行うことが好ましく、該熱処理によって、水素、水、水酸基または水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体層より意図的に排除し、高純度化し、ｉ型（真性）化された酸化物半導体層１０６を含むトランジスタとすることができる。高純度化された酸化物半導体層１０６中にはキャリアが極めて少ない（ゼロに近い）。
【００８４】
また、酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成することにより、トランジスタの電気的特性変動が抑制されて、電気的に安定になるため、微細化されたトランジスタでもオン・オフ比が確保でき、正常なスイッチング特性が得られており、良好な電気的特性を有するトランジスタを実現することができる。
【００８５】
以上示したように、本実施の形態に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半導体装置を提供することができる。また、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００８６】
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。
【００８７】
（実施の形態２）
実施の形態１で例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。
【００８８】
図４（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４（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また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および電位は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８ａ、ＦＰＣ４０１８ｂから供給されている。
【００８９】
図４（Ｂ）、図４（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４（Ｂ）、図４（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または多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。図４（Ｂ）、図４（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および電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【００９０】
また、図４（Ｂ）、図４（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。
【００９１】
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４（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４（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４（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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
また、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２および走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、実施の形態１で例示したトランジスタを適用することができる。
【００９５】
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。
【００９６】
半導体装置の一形態について、図５乃至図７を用いて説明する。図５乃至図７は、図４（Ｂ）のＱ−Ｒにおける断面図に相当する。
【００９７】
図５乃至図７で示すように、半導体装置は接続端子電極層４０１５および端子電極層４０１６を有しており、接続端子電極層４０１５および端子電極層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。
【００９８】
接続端子電極層４０１５は、第１の電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極層４０１６は、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１のソース電極層およびドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
【００９９】
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５乃至図７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５では、トランジスタ４０１０、トランジスタ４０１１上には絶縁膜４０２４が設けられ、図６および図７ではさらに、絶縁膜４０２１が設けられている。なお、第１の基板４００１上の絶縁膜４０２３は下地膜として機能する絶縁膜である。
【０１００】
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で示したトランジスタを適用することができる。
【０１０１】
トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１は酸素欠損の形成を抑制および水や水素の混入を抑えた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およびトランジスタ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。
【０１０２】
よって、図５乃至図７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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
図５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５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、および液晶層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４０２４、絶縁膜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。
【０１０５】
また、柱状のスペーサ４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られ、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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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、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。酸素過剰領域を有する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。
【０１１０】
本実施の形態で用いる酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体層を有するトランジスタは、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。
【０１１１】
また、本実施の形態で用いる酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体層を有するトランジスタは、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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ Ｖｉｅｗ）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。
【０１１４】
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、偏光基板およ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。
【０１１５】
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）、または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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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およ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、基板側およ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。
【０１２０】
図６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。
【０１２１】
隔壁４５１０は、有機絶縁材料、また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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
発光素子４５１３に酸素、水素、水、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４０３１および隔壁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、およびシール材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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、または円偏光板（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、偏光板また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。
【０１２６】
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）とも呼ばれており、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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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の電極層および第２の電極層の間に配置し、第１の電極層および第２の電極層に電位差を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【０１３２】
図７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７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。
【０１３３】
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および白色領域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が共通電極層（対向電極層）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。
【０１３４】
なお、図５乃至図７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。
【０１３５】
本実施の形態では、絶縁膜４０２３として酸化シリコン膜を用い、絶縁膜４０２４として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜４０２３、絶縁膜４０２４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。
【０１３６】
酸化物半導体層上に絶縁膜４０２４として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水などの不純物、およ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。
【０１３７】
したがって、酸化アルミニウム膜は、作製工程中および作製後において、変動要因となる水素、水などの不純物の酸化物半導体層への混入、およ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。
【０１３８】
また、絶縁膜４０２３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、絶縁膜４０２３は酸素を多く含む酸化絶縁膜が好ましい。
【０１３９】
トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１は、酸素欠損の形成、水や水素の混入を抑制した酸化物半導体層を有する。また、トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１は、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜を有する。トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１に含まれる酸化物半導体層の熱処理を、酸化物半導体層上に、絶縁膜４０２４として酸化アルミニウム膜が設けられた状態で行うため、該熱処理によって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。よって、得られる酸化物半導体層は、化学量論比よりも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。
【０１４０】
また、トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１に含まれる酸化物半導体層は、水素、水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比に対し、酸素の含有量が過剰な領域を含む。よって、該酸化物半導体層をトランジスタ４０１０およびトランジスタ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。
【０１４１】
また、平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜４０２１は、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン系樹脂、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、絶縁膜を形成してもよい。
【０１４２】
絶縁膜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（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
【０１４３】
表示装置は光源また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。
【０１４４】
表示素子に電圧を印加する第１の電極層および第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、およ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。
【０１４５】
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（以下、ＩＴＯと示す）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物、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。
【０１４６】
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、またはその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、または複数種を用いて形成することができる。
【０１４７】
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が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挙げられる。
【０１４８】
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。
【０１４９】
以上のように、酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成することにより、トランジスタを用いて表示機能を有する半導体装置の作製工程で熱処理を行っても大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができる。よって、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、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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
（実施の形態３）
実施の形態１で例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。
【０１５２】
図８（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８（Ａ）はフォトセンサの等価回路であり、図８（Ｂ）はフォトセンサの一部を示す断面図である。
【０１５３】
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、ソースまたはドレインの一方がフォトセンサ基準信号線６７２に、ソースまたはドレインの他方がトランジスタ６５６のソースまた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、ソースまた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。
【０１５４】
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８（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に示すような酸素欠陥の形成を抑制した酸化物半導体層を用いるトランジスタである。
【０１５５】
図８（Ｂ）は、フォトセンサにおけるフォトダイオード６０２およびトランジスタ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およびトランジスタ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。
【０１５６】
トランジスタ６４０上には絶縁膜６３１、層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜６３４が設けられている。フォトダイオード６０２は、層間絶縁膜６３３上に設けられ、層間絶縁膜６３３上に形成した電極層６４１ａと、層間絶縁膜６３４上に設けられた電極層６４２との間に、層間絶縁膜６３３側から順に第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、および第３半導体膜６０６ｃを積層した構造を有している。
【０１５７】
電極層６４１ａは、層間絶縁膜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６４１ｂ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。
【０１５８】
ここでは、第１半導体膜６０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体膜と、第２半導体膜６０６ｂとして高抵抗な半導体膜（ｉ型半導体膜）、第３半導体膜６０６ｃとしてｎ型の導電型を有する半導体膜を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
【０１５９】
第１半導体膜６０６ａはｐ型半導体膜であり、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半導体膜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、またはスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜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。
【０１６０】
第２半導体膜６０６ｂは、ｉ型半導体膜（真性半導体膜）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜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半導体膜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半導体膜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。
【０１６１】
第３半導体膜６０６ｃは、ｎ型半導体膜であり、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半導体膜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、またはスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜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。
【０１６２】
また、第１半導体膜６０６ａ、第２半導体膜６０６ｂ、および第３半導体膜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、微結晶半導体（セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））を用いて形成してもよい。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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装置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、水素化珪素および水素に加え、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、さらに好ましくは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。
【０１６５】
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型の半導体膜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６２２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膜側とは逆の導電型を有する半導体膜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型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。
【０１６６】
層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜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（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いて形成することができる。
【０１６７】
本実施の形態では、絶縁膜６３１として酸化アルミニウム膜を用いる。絶縁膜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。
【０１６８】
酸化物半導体層上に絶縁膜６３１として設けられた酸化アルミニウム膜は、水素、水などの不純物、およ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。
【０１６９】
したがって、酸化アルミニウム膜は、作製工程中および作製後において、変動要因となる水素、水などの不純物の酸化物半導体層への混入、およ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。
【０１７０】
本実施の形態において、トランジスタ６４０は、酸素欠損の形成、水や水素の混入を抑制した酸化物半導体層を有する。また、トランジスタ６４０は、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜を有する。トランジスタ６４０に含まれる酸化物半導体層の熱処理を、酸化物半導体層上に、絶縁膜６３１として酸化アルミニウム膜が設けられた状態で行うため、該熱処理によって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。
【０１７１】
また、トランジスタ６４０に含まれる酸化物半導体層は、水素、水などの不純物が混入しないため高純度であり、酸素の放出が防止されるため酸素欠陥を低減することができる。よって、該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。
【０１７２】
層間絶縁膜６３３としては、無機絶縁材料としては、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、または酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁膜、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、または窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁膜の単層、または積層を用いることができる。
【０１７３】
層間絶縁膜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膜が好ましい。層間絶縁膜６３３、層間絶縁膜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系樹脂、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、または積層を用いることができる。
【０１７４】
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。
【０１７５】
以上のように、酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成することにより、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の作製工程で熱処理を行っても大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができる。よって、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、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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
（実施の形態４）
実施の形態１で例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。
【０１７８】
本実施の形態では、単結晶半導体基板に作製された第１のトランジスタと絶縁膜を介して第１のトランジスタの上方に半導体膜を用いて作製された第２のトランジスタを含む半導体装置を作製する。
【０１７９】
図９は、半導体装置の構成の一例である。図９（Ａ）には、半導体装置の断面図を、図９（Ｂ）には、半導体装置の平面図を、それぞれ示す。ここで、図９（Ａ）は、図９（Ｂ）のＣ１−Ｃ２およびＤ１−Ｄ２における断面図に相当する。また、図９（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。
【０１８０】
図９（Ａ）および図９（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２６０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ２６２を有する。実施の形態１で例示したトランジスタは、トランジスタ２６２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２６２として実施の形態１で示したトランジスタ１５０と同様な構造を有するトランジスタを用いる例を示す。
【０１８１】
積層するトランジスタ２６０、トランジスタ２６２の半導体材料、および構造は、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および構造のトランジスタをそれぞれ用いる例であり、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。
【０１８２】
トランジスタ２６０は、半導体材料（例えば、シリコンなど）を含む基板２８５に設けられたチャネル形成領域２１６と、チャネル形成領域２１６を挟むように設けられた不純物領域２２０と、不純物領域２２０に接する金属化合物領域２２４と、チャネル形成領域２１６上に設けられたゲート絶縁膜２０８と、ゲート絶縁膜２０８上に設けられたゲート電極層２１０とを有する。
【０１８３】
半導体材料を含む基板２８５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膜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膜が設けられた構成の基板も含む。つまり、「ＳＯＩ基板」が有する半導体膜は、シリコン半導体膜に限定されない。また、ＳＯＩ基板には、ガラス基板などの絶縁基板上に絶縁膜を介して半導体膜が設けられた構成のものが含まれるものとする。
【０１８４】
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膜を形成する方法等を用いることができる。
【０１８５】
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、または素子基板上のどちらか一方に絶縁膜を形成する。単結晶半導体基板と素子基板を、絶縁膜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膜として単結晶半導体膜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。
【０１８６】
基板２８５上にはトランジスタ２６０を囲むように素子分離絶縁膜２０６が設けられている。なお、高集積化を実現するためには、図９（Ａ）に示すようにトランジスタ２６０がサイドウォール絶縁膜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２６０の特性を重視する場合には、ゲート電極層２１０の側面にサイドウォール絶縁膜を設け、不純物濃度が異なる領域を含む不純物領域２２０を設けても良い。
【０１８７】
単結晶半導体基板を用いたトランジスタ２６０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。
【０１８８】
本実施の形態においては、トランジスタ２６０を覆うように絶縁膜２層を設ける。但し、トランジスタ２６０を覆う絶縁膜は、単層構造としてもよいし、３層以上の積層構造としてもよい。但し、上部に設けられるトランジスタ２６２に含まれる酸化物半導体層と接する絶縁膜としては、酸化シリコン膜を適用するものとする。
【０１８９】
トランジスタ２６２および容量素子２６４の形成前の処理として、該絶縁膜２層にＣＭＰ処理を施して、平坦化した絶縁膜２２８、絶縁膜２３０を設け、同時にゲート電極層２１０の上面を露出させる。
【０１９０】
絶縁膜２２８、絶縁膜２３０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。絶縁膜２２８、絶縁膜２３０は、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法等を用いて形成することができる。
【０１９１】
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膜２２８、絶縁膜２３０を形成してもよい。
【０１９２】
本実施の形態では、絶縁膜２２８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、絶縁膜２３０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。
【０１９３】
ＣＭＰ処理により十分に平坦化した絶縁膜２３０上に酸化物半導体層を成膜し、これを加工して島状の酸化物半導体層２４４を形成する。なお、酸化物半導体層成膜後、脱水化または脱水素化のための熱処理を行うのが好ましい。
【０１９４】
ゲート電極層２１０、絶縁膜２２８、絶縁膜２３０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、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａ、ドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂを形成する。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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層またはドレイン電極層２４２ａ、およびドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂへの加工が容易であるというメリットがある。
【０１９７】
上部のトランジスタ２６２のチャネル長（Ｌ）は、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａ、およびドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂ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。
【０１９８】
酸化物半導体層２４４の一部に接するゲート絶縁膜２４６を形成する。ゲート絶縁膜２４６として、プラズマＣＶＤ法また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、または酸化ガリウム膜を形成することができる。
【０１９９】
ゲート絶縁膜２４６上において酸化物半導体層２４４と重畳する領域にゲート電極層２４８ａを形成し、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａと重畳する領域に電極層２４８ｂを形成する。
【０２００】
ゲート電極層２４８ａおよび電極層２４８ｂは、ゲート絶縁膜２４６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。
【０２０１】
ゲート電極層２４８ａを形成後、酸化物半導体層２４４に不純物元素を添加する処理を行ってもよい。
【０２０２】
添加する不純物元素は、リン、ホウ素、アルゴンなどがある。また、酸化物半導体層２４４に不純物元素を添加する方法として、イオンドーピング法またはイオンインプランテーション法を用いることができる。
【０２０３】
なお、酸化物半導体層２４４に不純物元素を添加する処理は、複数回行ってもよい。酸化物半導体層２４４に不純物元素を添加する処理を複数回行う場合、不純物元素は複数回すべてにおいて同じであってもよいし、１回の処理毎に変えてもよい。
【０２０４】
酸化物半導体層２４４に不純物元素を添加する際、ゲート電極層２４８ａはマスクとして機能し、不純物元素はゲート電極層２４８ａと重畳する領域の酸化物半導体層２４４には添加されず、第１の領域２４４ａが形成される。また、ゲート電極層２４８ａと重畳する第１の領域２４４ａはチャネル形成領域として機能する。
【０２０５】
さらに、不純物元素が添加された第２の領域２４４ｂ、第２の領域２４４ｃは、不純物元素の添加のダメージにより結晶性が低減し、非晶質領域となる。不純物元素を添加する量などを調節することによって、ダメージ量を低減させ、完全な非晶質領域とならないように形成することができる。つまり、不純物元素が添加された第２の領域２４４ｂ、第２の領域２４４ｃは、少なくとも第１の領域２４４ａよりも非晶質領域の割合が大きい領域となるということである。完全な非晶質領域とさせないほうが、後に行う熱処理による結晶化が容易に行われるため好ましい。
【０２０６】
一対の第２の領域２４４ｂ、第２の領域２４４ｃは、第１の領域２４４ａより低抵抗であるＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）領域として機能する。ＬＤＤ領域として機能する不純物元素を含む第２の領域２４４ｂ、第２の領域２４４ｃを設けることにより、第１の領域２４４ａの端部に加わる電界を緩和させることができる。このため、トランジスタの短チャネル効果を抑制することができる。
【０２０７】
このように、ゲート電極層２４８ａをマスクとして、不純物元素を酸化物半導体層２４４に添加し、後の熱処理を行うことで、チャネル形成領域となる第１の領域２４４ａと、ＬＤＤ領域となる一対の第２の領域２４４ｂ、第２の領域２４４ｃをセルフアラインに形成することができる。
【０２０８】
酸化物半導体層２４４、ゲート絶縁膜２４６、ゲート電極層２４８ａ、および電極層２４８ｂ上に、酸化アルミニウム膜を含む絶縁膜２５０を形成する。絶縁膜２５０を積層構造とする場合、プラズマＣＶＤ法また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、また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。
【０２０９】
絶縁膜２５０成膜後、第２の熱処理を行う。該熱処理の温度は、好ましくは３５０℃以上６５０℃以下、より好ましくは４５０℃以上６５０℃以下である。なお、基板の歪み点未満とすることが好ましい。なお、第２の熱処理のタイミングは、本実施の形態の構成に限定されないが、該熱処理は、少なくとも絶縁膜２５０（より具体的には、酸化アルミニウム膜）の成膜後に行う必要がある。絶縁膜２５０として用いる酸化アルミニウム膜は、水素、水などの不純物、およ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）が高く、絶縁膜２５０を成膜後に熱処理を行うことで、酸化物半導体層２４４からの酸素の放出を防止することができるためである。
【０２１０】
トランジスタ２６２、および絶縁膜２５０上に、絶縁膜２５２を形成する。絶縁膜２５２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。
【０２１１】
ゲート絶縁膜２４６、絶縁膜２５０、および絶縁膜２５２に、ドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂ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。
【０２１２】
その後、上記開口にドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂに接する配線を形成する。なお、図９（Ａ）にはドレイン電極層またはソース電極層２４２ｂと配線２５６との接続箇所は図示していない。
【０２１３】
配線２５６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、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａなどと同様である。
【０２１４】
以上の工程でトランジスタ２６２および容量素子２６４が完成する。トランジスタ２６２は、酸素欠損を補填する酸素を過剰に含む酸化物半導体層２４４を有するトランジスタである。よって、トランジスタ２６２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２６４は、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａ、酸化物半導体層２４４、ゲート絶縁膜２４６、および電極層２４８ｂを含んで構成される。
【０２１５】
なお、図９の容量素子２６４では、酸化物半導体層２４４とゲート絶縁膜２４６を積層させることにより、ソース電極層またはドレイン電極層２４２ａと、電極層２４８ｂとの間の絶縁性を十分に確保することができる。もちろん、十分な容量を確保するために、酸化物半導体層２４４を有しない構成の容量素子２６４を採用しても良い。また、絶縁膜を有する構成の容量素子２６４を採用しても良い。さらに、容量が不要の場合は、容量素子２６４を設けない構成とすることも可能である。
【０２１６】
図９（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９（Ｃ）において、トランジスタ２６２のソース電極層またはドレイン電極層の一方と、容量素子２６４の電極層の一方と、トランジスタ２６０のゲート電極層と、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２６０のソース電極層とは、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２６０のドレイン電極層とは、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２６２のソース電極層またはドレイン電極層の他方とは、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２６２のゲート電極層とは、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２６４の電極層の他方は電気的に接続されている。
【０２１７】
酸化物半導体を用いたトランジスタ２６２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２６２をオフ状態とすることで、トランジスタ２６２のソース電極層またはドレイン電極層の一方と、容量素子２６４の電極層の一方と、トランジスタ２６０のゲート電極層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２６４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。
【０２１８】
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２６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ２６２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２６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ２６２をオフ状態とすることにより、ノードＦＧが浮遊状態となるため、ノードＦＧには所定の電荷が保持されたままの状態となる。以上のように、ノードＦＧに所定量の電荷を蓄積および保持させることで、メモリセルに情報を記憶させることができる。
【０２１９】
トランジスタ２６２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。
【０２２０】
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２６０は異なる状態をとる。一般に、トランジスタ２６０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２６０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２６０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２６０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２６０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２６０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２６０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。
【０２２１】
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２６２がオン状態となる電位にして、トランジスタ２６２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２６２がオフ状態となる電位にして、トランジスタ２６２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。
【０２２２】
本実施の形態で示すトランジスタ２６２は、酸素を過剰に含む酸化物半導体層を酸化物半導体層２４４に用いることで、トランジスタ２６２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。
【０２２３】
以上のように、酸化物半導体層上に酸化アルミニウム膜を形成することにより、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の作製工程で熱処理を行っても大気から水や水素が酸化物半導体層に侵入し、拡散することを防止することができる。よって、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、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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
（実施の形態５）
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。
【０２２６】
図１０（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。上記実施の形態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。
【０２２７】
図１０（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。上記実施の形態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。
【０２２８】
図１０（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。
【０２２９】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図１０（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図１０（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。上記実施の形態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、また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、およ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。
【０２３０】
また、図１０（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカー２７２５などを備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０２３１】
また、電子書籍は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０２３２】
図１０（Ｄ）は、携帯電話であり、筐体２８００および筐体２８０１の二つの筐体で構成されている。筐体２８０１には、表示パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフォン２８０４、ポインティングデバイス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端子２８０８などを備えている。また、筐体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。上記実施の形態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。
【０２３３】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図１０（Ｄ）には映像表示されている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０２３４】
表示パネル２８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能である。スピーカー２８０３およびマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電話、録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１は、スライドし、図１０（Ｄ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。
【０２３５】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能であり、充電およびパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存および移動に対応できる。
【０２３６】
また、上記機能に加えて、赤外線通信機能、テレビ受信機能などを備えたものであってもよい。
【０２３７】
図１０（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。上記実施の形態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。
【０２３８】
図１０（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。上記実施の形態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。
【０２３９】
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。
【０２４０】
なお、テレビジョン装置は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０２４１】
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１】
【０２４２】
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１１乃至図１４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。
【０２４３】
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。
【０２４４】
比較例試料Ａおよび実施例試料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の間との距離を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。
【０２４５】
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の間との距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、アルゴンおよび酸素（アルゴン流量２５ｓｃｃｍ：酸素流量２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０２４６】
比較例試料Ａおよび実施例試料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％（気体中に含まれる水蒸気の体積比がＨ２Ｏ（水）：Ｄ２Ｏ（重水）＝３：１）、２．３気圧（０．２３ＭＰａ）の条件で比較例試料Ａおよび実施例試料Ａを１００時間保持した。
【０２４７】
本実施例において、重水などで表現している「Ｄ原子」とは、質量数が２である水素原子（２Ｈ）を表している。
【０２４８】
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および実施例試料Ａに対して、各試料のＨ原子およびＤ原子の濃度を測定した。
【０２４９】
図１１（Ａ１）に比較例試料ＡのＰＣＴ試験前、図１１（Ａ２）に比較例試料ＡのＰＣＴ試験後のＳＩＭＳによるＨ原子およびＤ原子の濃度プロファイルを示す。図１１（Ａ１）および図１１（Ａ２）において、Ｄ原子ｅｘｐｅｃｔｅｄプロファイルは、Ｄ原子の存在比が０．０１５％としてＨ原子のプロファイルから算出した自然界に存在するＤ原子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原子量は、実測のＤ原子濃度とＤ原子ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度との差分となる。実測のＤ原子濃度からＤ原子ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度を差し引いたＤ原子の濃度プロファイルを、ＰＣＴ試験前を図１１（Ｂ１）、ＰＣＴ試験後を図１１（Ｂ２）に示す。
【０２５０】
同様に、図１２（Ａ１）に実施例試料ＡのＰＣＴ試験前、図１２（Ａ２）に実施例試料ＡのＰＣＴ試験後のＳＩＭＳによるＨ原子およびＤ原子の濃度プロファイルを示す。また、実測のＤ原子濃度からＤ原子ｅｘｐｅｃｔｅｄ濃度を差し引いたＤ原子の濃度プロファイルを、ＰＣＴ試験前を図１２（Ｂ１）、ＰＣＴ試験後を図１２（Ｂ２）に示す。
【０２５１】
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。
【０２５２】
図１１に示すように、ＰＣＴ試験前は重なっていた実測のＤ原子の濃度プロファイルとＤ原子ｅｘｐｅｃｔｅｄプロファイルが、ＰＣＴ試験後は実測のＤ原子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原子が混入したことがわかる。したがって、比較例試料Ａの酸化シリコン膜は、外部からの水（Ｈ２Ｏ、Ｄ２Ｏ）に対し、バリア性が低いことが確認できた。
【０２５３】
一方、図１２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にややＤ原子の侵入が見られるだけで、酸化アルミニウム膜の深さ５０ｎｍ付近以降、および酸化シリコン膜にはＤ原子の侵入が見られない。したがって、酸化アルミニウム膜は外部からの水（Ｈ２Ｏ、Ｄ２Ｏ）に対し、バリア性が高いことが確認できた。
【０２５４】
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。
【０２５５】
比較例試料Ｂおよび実施例試料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の間との距離を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。
【０２５６】
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の間との距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、アルゴンおよび酸素（アルゴン流量２５ｓｃｃｍ：酸素流量２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０２５７】
比較例試料Ｂおよび実施例試料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。
【０２５８】
比較例試料Ｂおよび実施例試料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および実施例試料Ｂにおいて、図１３（Ａ）および図１４（Ａ）に加熱処理なし、図１３（Ｂ）および図１４（Ｂ）に３００℃加熱処理、図１３（Ｃ）および図１４（Ｃ）に４５０℃加熱処理、図１３（Ｄ）および図１４（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結果を示す。
【０２５９】
図１３（Ａ）乃至図１３（Ｄ）に示すように、比較例試料Ｂは加熱処理なしの図１３（Ａ）では酸化シリコン膜から酸素の放出が見られるが、図１３（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１３（Ｃ）の４５０℃加熱処理を行った試料および図１３（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であった。
【０２６０】
図１３（Ａ）乃至図１３（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。したがって、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。
【０２６１】
一方、図１４（Ａ）乃至図１４（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。
【０２６２】
図１４（Ａ）乃至図１４（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外部へ放出されず、酸化シリコン膜中に含有した状態のまま保持されることがわかる。したがって、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。
【０２６３】
以上の結果から、酸化アルミニウム膜は水素および水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、およ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。
【０２６４】
したがって、酸化アルミニウム膜がバリア膜として機能するため、酸化物半導体層、ソース電極層、ドレイン電極層、ゲート絶縁膜、ゲート電極層を順に形成した後、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成するトランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水などの不純物の酸化物半導体層への混入、およ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ことができる。
【実施例２】
【０２６５】
本実施例では、開示する発明に係る半導体装置において酸化アルミニウム膜をバリア膜として用いたトランジスタの特性の測定結果について説明する。
【０２６６】
まずは、実施例試料Ｃのトランジスタの作製方法について説明する。
【０２６７】
シリコン基板上にスパッタリング法により下地絶縁膜である酸化シリコン層を３００ｎｍ形成した。下地絶縁膜である酸化シリコン層の成膜条件は、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の間との距離を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。
【０２６８】
次いで、酸化シリコン層上に酸化物半導体層であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を２０ｎｍ形成した。酸化物半導体層であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の成膜条件は、ターゲットとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１のターゲットを用い、圧力０．４Ｐａ、電源電力０．５ｋＷ、アルゴンおよび酸素（アルゴン流量３０ｓｃｃｍ：酸素流量１５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０２６９】
次いで、酸化物半導体層成膜後、４００℃の熱処理を減圧下で３０分間行った。
【０２７０】
次いで、酸化物半導体層上にソース電極層およびドレイン電極層であるタングステン層を１００ｎｍ形成し、ソース電極層およびドレイン電極層上にＣＶＤ法によりゲート絶縁膜となる酸化窒化シリコン膜を３０ｎｍ形成し、ゲート絶縁膜上の酸化物半導体層と重なる領域にゲート電極層となる窒化タンタル層１５ｎｍ、タングステン層１３５ｎｍを順に積層して形成した。
【０２７１】
次いで、リンを酸化物半導体層に加速電圧を４０ｋＶ、ドーズ量を１×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の条件で添加し、４５０℃の熱処理を窒素雰囲気下で１時間行った。
【０２７２】
リンを添加後、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上にスパッタリング法により絶縁膜となる酸化アルミニウム膜１００ｎｍを形成した。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、基板とターゲットの間との距離を６０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、電源電力１．５ｋＷ、アルゴンおよび酸素（アルゴン流量２５ｓｃｃｍ：酸素流量２５ｓｃｃｍ）雰囲気下、基板温度２５０℃とした。
【０２７３】
次いで、酸化アルミニウム膜上にＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜３００ｎｍを形成して実施例試料Ｃを作製した。
【０２７４】
また、実施例試料Ｃのトランジスタとトランジスタの特性を比較する比較例試料Ｃのトランジスタの作製方法について説明する。
【０２７５】
比較例試料Ｃは、リンの添加工程までは実施例試料Ｃと同様に行い、リンの添加後、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上にＣＶＤ法により酸化窒化シリコン膜３００ｎｍを形成して作製した。
【０２７６】
比較例試料Ｃおよび実施例試料Ｃにおいて、４５０℃の熱処理の条件で、窒素雰囲気下で１時間処理を行った。
【０２７７】
本実施例では、比較例試料Ｃおよび実施例試料Ｃのトランジスタにおいて、ドレイン電圧（Ｖｄ）を３Ｖとし、ゲート電圧（Ｖｇ）を−６Ｖから６Ｖまで掃引した際の、ドレイン電流（Ｉｄ：［Ａ］）の測定を行った。測定結果を図１５および図１６に示す。図１５および図１６において、横軸はゲート電圧（Ｖｇ［Ｖ］）、縦軸はドレイン電流（Ｉｄ［Ａ］）を示す。なお、「ドレイン電圧（Ｖｄ）」とは、ソースを基準としたドレインとソースの電位差であり、「ゲート電圧（Ｖｇ）」とは、ソースを基準としたゲートとソースの電位差である。
【０２７８】
図１５に示すように、比較例試料Ｃのトランジスタは、ゲート電圧を掃引しても電流値に大きな変化は見られなかった。これにより、比較例試料Ｃのトランジスタは、オン・オフ比が確保できず、正常なスイッチング特性が得られないことが確認された。
【０２７９】
一方、図１６に示すように、実施例試料Ｃのトランジスタは、オン状態のときにドレイン電流（オン電流ともいう）は１０−６Ａ、オフ状態のときにドレイン電流（オフ電流ともいう）は１０−１４Ａであることが確認された。これにより、実施例試料Ｃのトランジスタではオン・オフ比が確保でき、正常なスイッチング特性が得られていることが確認された。
【０２８０】
実施例試料Ｃと比較例試料Ｃの差異は、酸化窒化シリコン膜を形成する直前に、酸化アルミニウム膜を形成しているか否かである。よって、実施例試料Ｃでは、酸化アルミニウム膜の効果により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ことが確認できる。
【０２８１】
実施例１で示したように、酸化アルミニウム膜は水素、水および酸素に対するバリア膜として好適に機能するため、酸化物半導体層を覆い、ゲート絶縁膜およびゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成する構成は、熱処理を行っても、酸化物半導体層への水素や水の混入や酸化物半導体層からの酸素の放出を防ぐことができる。以上の結果より、上記のような構成にすることによって、微細化されたトランジスタに熱処理を行ってもオン・オフ比が確保でき、正常なスイッチング特性が得られ、トランジスタの電気的特性変動が抑制されて、電気的に安定であることが示された。
【０２８２】
よって、該トランジスタを含む、酸化物半導体を用いた半導体装置は、安定した電気的特性を付与し、高信頼性を実現することができる。
【符号の説明】
【０２８３】
１００ 基板
１０２ 下地絶縁膜
１０６ 酸化物半導体層
１０６ａ 第１の領域
１０６ｂ 第２の領域
１０６ｃ 第２の領域
１０８ａ ソース電極層
１０８ｂ ドレイン電極層
１１０ ゲート絶縁膜
１１２ ゲート電極層
１１４ 絶縁膜
１１６ 層間絶縁膜
１２１ 不純物元素
１５０ トランジスタ
２０６ 素子分離絶縁膜
２０８ ゲート絶縁膜
２１０ ゲート電極層
２１６ チャネル形成領域
２２０ 不純物領域
２２４ 金属化合物領域
２２８ 絶縁膜
２３０ 絶縁膜
２４２ａ ドレイン電極層
２４２ｂ ソース電極層
２４４ 酸化物半導体層
２４４ａ 第１の領域
２４４ｂ 第２の領域
２４４ｃ 第２の領域
２４６ ゲート絶縁膜
２４８ａ ゲート電極層
２４８ｂ 電極層
２５０ 絶縁膜
２５２ 絶縁膜
２６０ トランジスタ
２６２ トランジスタ
２６４ 容量素子
２８５ 基板
６０１ 基板
６０２ フォトダイオード
６０６ａ 半導体膜
６０６ｂ 半導体膜
６０６ｃ 半導体膜
６０８ 接着層
６１３ 基板
６２２ 光
６３１ 絶縁膜
６３３ 層間絶縁膜
６３４ 層間絶縁膜
６４０ トランジスタ
６４１ａ 電極層
６４１ｂ 電極層
６４２ 電極層
６４３ 導電層
６４５ ゲート電極層
６５６ トランジスタ
６５８ フォトダイオードリセット信号線
６５９ ゲート信号線
６７１ フォトセンサ出力信号線
６７２ フォトセンサ基準信号線
２７０１ 筐体
２７０３ 筐体
２７０５ 表示部
２７０７ 表示部
２７１１ 軸部
２７２１ 電源
２７２３ 操作キー
２７２５ スピーカー
２８００ 筐体
２８０１ 筐体
２８０２ 表示パネル
２８０３ スピーカー
２８０４ マイクロフォン
２８０５ 操作キー
２８０６ ポインティングデバイス
２８０７ カメラ用レンズ
２８０８ 外部接続端子
２８１０ 太陽電池セル
２８１１ 外部メモリスロット
３００１ 本体
３００２ 筐体
３００３ 表示部
３００４ キーボード
３０２１ 本体
３０２２ スタイラス
３０２３ 表示部
３０２４ 操作ボタン
３０２５ 外部インターフェイス
３０５１ 本体
３０５３ 接眼部
３０５４ 操作スイッチ
３０５５ 表示部（Ｂ）
３０５６ バッテリー
３０５７ 表示部（Ａ）
４００１ 基板
４００２ 画素部
４００３ 信号線駆動回路
４００４ 走査線駆動回路
４００５ シール材
４００６ 基板
４００８ 液晶層
４０１０ トランジスタ
４０１１ トランジスタ
４０１３ 液晶素子
４０１５ 接続端子電極層
４０１６ 端子電極層
４０１８ ＦＰＣ
４０１８ａ ＦＰＣ
４０１８ｂ ＦＰＣ
４０１９ 異方性導電膜
４０２１ 絶縁膜
４０２３ 絶縁膜
４０２４ 絶縁膜
４０３０ 電極層
４０３１ 電極層
４０３３ 絶縁膜
４５１０ 隔壁
４５１１ 電界発光層
４５１３ 発光素子
４５１４ 充填材
４６１２ キャビティ
４６１３ 球形粒子
４６１４ 充填材
４６１５ａ 黒色領域
４６１５ｂ 白色領域
９６０１ 筐体
９６０３ 表示部
９６０５ スタンド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地絶縁膜を形成し、
下地絶縁膜上に接して酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記酸化物半導体層、前記ソース電極層および前記ドレイン電極層上に接してゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上の前記酸化物半導体層と重なる領域にゲート電極層を形成し、
前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成してトランジスタを作製し、
前記トランジスタに対して熱処理を行い、
前記酸化アルミニウム膜の膜厚は、５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下である半導体装置の作製方法。
【請求項２】
下地絶縁膜を形成し、
下地絶縁膜上に接して酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記酸化物半導体層、前記ソース電極層および前記ドレイン電極層上に接してゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上の前記酸化物半導体層と重なる領域にゲート電極層を形成し、
前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成し、
前記酸化物半導体層に対して熱処理を行い、
前記酸化アルミニウム膜の膜厚は、５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下である半導体装置の作製方法。
【請求項３】
前記酸化物半導体層を形成直後に前記酸化物半導体層に対して熱処理を行う請求項１または請求項２に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項４】
前記酸化アルミニウム膜上に層間絶縁膜を形成する請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項５】
前記層間絶縁膜は、酸化窒化シリコンである請求項４に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項６】
前記ゲート電極層を形成後、前記酸化物半導体層にイオンドーピング法またはイオンインプランテーション法により不純物元素を添加する請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項７】
前記酸化物半導体層を加熱しながら形成する請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項８】
前記下地絶縁膜および前記ゲート絶縁膜の少なくとも一は、化学量論比より酸素の含有量が過剰な領域が含まれている請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項９】
前記酸化物半導体層上で隣り合う前記ソース電極層と前記ドレイン電極層との間隔幅によって形成されるチャネル長は、２μｍ以下である請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項１】
下地絶縁膜を形成し、
下地絶縁膜上に接して酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記酸化物半導体層、前記ソース電極層および前記ドレイン電極層上に接してゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上の前記酸化物半導体層と重なる領域にゲート電極層を形成し、
前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成してトランジスタを作製し、
前記トランジスタに対して熱処理を行い、
前記酸化アルミニウム膜の膜厚は、５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下である半導体装置の作製方法。
【請求項２】
下地絶縁膜を形成し、
下地絶縁膜上に接して酸化物半導体層を形成し、
前記酸化物半導体層上にソース電極層およびドレイン電極層を形成し、
前記酸化物半導体層、前記ソース電極層および前記ドレイン電極層上に接してゲート絶縁膜を形成し、
前記ゲート絶縁膜上の前記酸化物半導体層と重なる領域にゲート電極層を形成し、
前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極層上に接して酸化アルミニウム膜を形成し、
前記酸化物半導体層に対して熱処理を行い、
前記酸化アルミニウム膜の膜厚は、５０ｎｍを超えて５００ｎｍ以下である半導体装置の作製方法。
【請求項３】
前記酸化物半導体層を形成直後に前記酸化物半導体層に対して熱処理を行う請求項１または請求項２に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項４】
前記酸化アルミニウム膜上に層間絶縁膜を形成する請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項５】
前記層間絶縁膜は、酸化窒化シリコンである請求項４に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項６】
前記ゲート電極層を形成後、前記酸化物半導体層にイオンドーピング法またはイオンインプランテーション法により不純物元素を添加する請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項７】
前記酸化物半導体層を加熱しながら形成する請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項８】
前記下地絶縁膜および前記ゲート絶縁膜の少なくとも一は、化学量論比より酸素の含有量が過剰な領域が含まれている請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項９】
前記酸化物半導体層上で隣り合う前記ソース電極層と前記ドレイン電極層との間隔幅によって形成されるチャネル長は、２μｍ以下である請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載の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２０１２−２２７５２１（Ｐ２０１２−２２７５２１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−８６０５８（Ｐ２０１２−８６０５８）
【出願日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【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１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【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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