半導体装置の作製方法
【課題】基板の大面積化を可能とするとともに、特性の改善された酸化物半導体層を形成し、所望の高い電界効果移動度を有するトランジスタを製造可能とし、大型の表示装置や高性能の半導体装置等の実用化を図ることを課題の一つとする。
【解決手段】絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に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及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、及びドレイン電極層上に酸素を含む絶縁層を形成し、酸素を含む絶縁層上に水素を含む絶縁層を形成した後、熱処理を行うことにより、水素を含む絶縁層中の水素を少なくとも酸化物半導体層に供給することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【解決手段】絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に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及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、及びドレイン電極層上に酸素を含む絶縁層を形成し、酸素を含む絶縁層上に水素を含む絶縁層を形成した後、熱処理を行うことにより、水素を含む絶縁層中の水素を少なくとも酸化物半導体層に供給することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
トランジスタなどの半導体素子を少なくとも一つの素子として含む回路を有する半導体装
置およびその作製方法に関する。例えば、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモ
リ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路や、液晶表示パ
ネルに代表される電気光学装置や有機発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載し
た電子機器に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等に形成されるトランジスタはアモルファ
スシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコンを用い
たトランジスタは電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化に対応することがで
きる。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタの電界効果移動度は高いがガラス基板
の大面積化には適していないという欠点を有している。
【０００４】
シリコンを用いたトランジスタに対して、酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、
電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば酸化物半導体として
、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物を用いてトランジスタを作製し、表示装置の
画素のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献１および特許文献２で開示されてい
る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
また、大型の表示装置が普及しつつある。家庭用のテレビにおいても表示画面の対角が４
０インチから５０インチクラスのテレビも普及し始めている。
【０００７】
従来の酸化物半導体を用いたトランジスタの電界効果移動度は１０〜２０ｃｍ２／Ｖｓが
得られている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルファスシリコンのトランジ
スタの１０倍以上の電界効果移動度が得られるため、大型の表示装置においても画素のス
イッチング素子としては十分な性能が得られる。
【０００８】
しかし、酸化物半導体を用いたトランジスタを半導体装置の駆動デバイス、例えば大型の
表示装置等の駆動回路の一つのスイッチング素子として用いるには限界があった。
【０００９】
本発明の一態様は、基板の大面積化を可能とするとともに、特性の改善された酸化物半導
体層を形成し、所望の高い電界効果移動度を有するトランジスタを製造可能とし、大型の
表示装置や高性能の半導体装置等の実用化を図ることを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様において、チャネル形成領域に酸化物半導体層を用いたトランジスタにお
いて、酸化物半導体層に接する酸素を含む絶縁層と、酸素を含む絶縁層に接する水素を含
む絶縁層とを積層し、ゲート絶縁層及び酸化物半導体層の界面、酸化物半導体層、及び酸
化物半導体層と酸素を含む絶縁層の界面の少なくとも一に、水素を含む絶縁層中の水素を
供給して、トランジスタの特性改善を図ることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート
電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に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及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、
及びドレイン電極層上に絶縁層を形成し、絶縁層上に水素を含む絶縁層を形成した後、加
熱処理を行うことにより、水素を含む絶縁層中の水素を少なくとも酸化物半導体層に供給
することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００１２】
また、本発明の他の一態様は、絶縁層の形成後、該絶縁層上であり、且つゲート電極層と
重なる領域にバックゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である
。
【００１３】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート
電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に酸化物半導体層を形成し、酸化物半
導体層の一部上に、チャネル保護層として機能する絶縁層を形成し、酸化物半導体層及び
絶縁層上に、ソース電極層及びドレイン電極層を形成し、絶縁層、ソース電極層、及びド
レイン電極層上に、水素を含む絶縁層を形成した後、加熱処理を行うことにより、水素を
含む絶縁層中の水素を少なくとも酸化物半導体層に供給することを特徴とする半導体装置
の作製方法である。
【００１４】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上に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及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、及びドレイン電極層上に、ゲート絶縁層として機能する絶縁層を形成し、絶縁層上に
ゲート電極層を形成し、絶縁層及びゲート電極層上に、水素を含む絶縁層を形成した後、
加熱処理を行うことにより、少なくとも水素を含む絶縁層中の水素を酸化物半導体層に供
給することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００１５】
また、本発明の一態様において、チャネル形成領域に酸化物半導体層を用いたトランジス
タにおいて、酸化物半導体層の水素濃度を低減した後、酸化物半導体層に接する酸素を含
む絶縁層を形成し、加熱処理して酸化物半導体層の酸素欠損を酸化して、ｉ型（真性半導
体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層を形成した後、酸素を含む絶縁層上に水素
を含む絶縁層を形成し、ゲート絶縁層及び酸化物半導体層の界面、酸化物半導体層、及び
酸化物半導体層及び酸素を含む絶縁層の界面の少なくとも一に、水素を含む絶縁層中の水
素を供給して、トランジスタの特性改善を図ることを特徴とする。なお、本明細書におい
て、ｉ型とはキャリア密度が１×１０１２ｃｍ−３未満、好ましくは１．４５×１０１０
ｃｍ−３未満であることをいうものとする。
【００１６】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート
電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に酸化物半導体層を形成した後、第１
の加熱処理により酸化物半導体層中の水素濃度を低減し、酸化物半導体層上にソース電極
層及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、及びドレイン電極層上
に酸素を含む絶縁層を形成した後、第２の加熱処理により酸化物半導体層に酸素を供給し
、酸素を含む絶縁層上に水素を含む絶縁層を形成した後、第３の加熱処理を行うことによ
り、水素を含む絶縁層中の水素を少なくとも酸化物半導体層に供給することを特徴とする
半導体装置の作製方法である。
【００１７】
また、本発明の他の一態様は、酸素を含む絶縁層の形成後、該酸素を含む絶縁層上であり
、且つゲート電極層と重なる領域にバックゲート電極を形成することを特徴とする半導体
装置の作製方法である。
【００１８】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート
電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に酸化物半導体層を形成した後、第１
の加熱処理により酸化物半導体層中の水素濃度を低減し、酸化物半導体層の一部上に、チ
ャネル保護層として機能する酸素を含む絶縁層を形成した後、第２の加熱処理により酸化
物半導体層に酸素を供給し、酸化物半導体層及び酸素を含む絶縁層上に、ソース電極層及
びドレイン電極層を形成し、酸素を含む絶縁層、ソース電極層、及びドレイン電極層上に
水素を含む絶縁層を形成した後、第３の加熱処理を行うことにより、水素を含む絶縁層中
の水素を少なくとも酸化物半導体層に供給することを特徴とする半導体装置の作製方法で
ある。
【００１９】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体層を形成した後、
第１の加熱処理により酸化物半導体層中の水素濃度を低減し、酸化物半導体層上にソース
電極層及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、及びドレイン電極
層上に、ゲート絶縁層として機能する酸素を含む絶縁層を形成した後、第２の加熱処理に
より酸化物半導体層に酸素を供給し、酸素を含む絶縁層上にゲート電極層を形成し、酸素
を含む絶縁層及びゲート電極層上に、水素を含む絶縁層を形成した後、第３の加熱処理を
行うことにより、少なくとも水素を含む絶縁層中の水素を酸化物半導体層に供給すること
を特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００２０】
酸化物半導体層に接する酸素を含む絶縁層上に、水素を含む絶縁層を形成した後、１５０
℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下で加熱処理することで、ゲー
ト絶縁層及び酸化物半導体層の界面、酸化物半導体層、及び酸化物半導体層及び酸素を含
む絶縁層の界面の少なくとも一に、水素を含む絶縁層の水素を供給することが可能であり
、当該供給された水素は、酸化物半導体層に含まれる欠陥または未結合手を水素で終端す
ることが可能である。この結果、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めるこ
とが可能である。
【００２１】
なお、加熱処理は、炉での熱処理、またはラピッドサーマルアニール法（ＲＴＡ法）を用
いる。ＲＴＡ法は、ランプ光源を用いる方法と、加熱されたガス中に基板を移動させて短
時間の熱処理を行う方法がある。ＲＴＡ法を用いると熱処理に要する時間を０．１時間よ
りも短時間とすることもできる。
【００２２】
酸素を含む絶縁層は、スパッタリング法またはＣＶＤ法により形成される酸化シリコン層
、または酸化窒化シリコン層が好ましく、特にスパッタリング法により形成される酸化シ
リコン層がより好ましい。
【００２３】
水素を含む絶縁層は、スパッタリング法またはＣＶＤ法により形成される窒化シリコン層
、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層が好ましい。特に
、シランと、窒素を含む気体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくと
も原料ガスとしたＣＶＤ法により形成される窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層は
比較的水素原子を多く含むため好ましい。また、水素化アルミニウムと、窒素を含む気体
とを少なくとも原料ガスとしたＣＶＤ法により形成される窒化アルミニウム層、窒化酸化
アルミニウム層は、比較的水素原子を多く含むため好ましい。なお、本明細書において、
水素を含む絶縁層とは、酸化物半導体層に接する絶縁層と比較して多くの水素を含む絶縁
層をいう。例えば、水素を含む絶縁層中の水素濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。
【００２４】
酸化物半導体層は金属酸化物であり、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−
Ｏ系や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉ
ｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ
−Ｚｎ−Ｏ系や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−
Ｚｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系や、Ｉｎ−Ｏ系、
Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系などを用いることができる。
【００２５】
酸化物半導体層は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される材料を用いることが
できる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数の金属元
素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏな
どがある。
【００２６】
また、酸化物半導体層は、Ｉｎ−ＭＸ−ＺｎＹ−ＯＺ（Ｙ＝０．５〜５）で表現される酸
化物半導体材料を用いても良い。ここで、Ｍは、ガリウム（Ｇａ）やアルミニウム（Ａｌ
）やボロン（Ｂ）などの１３族元素から選択される一または複数種類の元素を表す。なお
、Ｉｎ、Ｍ、Ｚｎ、及びＯの含有量は任意であり、Ｍの含有量がゼロ（即ち、Ｘ＝０）の
場合を含む。一方、ＩｎおよびＺｎの含有量はゼロではない。すなわち、上述の表記には
、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−ＯやＩｎ−Ｚｎ−Ｏなどが含まれる。
【００２７】
酸化物半導体層は、非晶質構造や、非晶質領域中に結晶領域を有する構造とすることがで
きる。酸化物半導体層を非晶質構造とすることで、複数の素子間における特性のばらつき
を低減することができる。また、酸化物半導体層を非晶質領域中に結晶領域を有する構造
とすることで、より電界効果移動度及びオン電流の高いトランジスタとすることができる
。
【００２８】
また、チャネル形成領域に酸化物半導体層を用いたトランジスタにおいて、４００℃以上
７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満で、水素及び水分をほとんど含
まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露
点−４０℃以下、好ましくは露点−５０℃以下）など）で第１の加熱処理を行い、酸化物
半導体層の水素濃度を低減する。次に、酸化物半導体層に接する酸素を含む絶縁層を形成
した後、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは２
００℃以上４５０℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行い、酸化物半導体層の
酸素欠損に酸素を供給して、ｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体
層を形成する。次に、酸素を含む絶縁層上に水素を含む絶縁層を形成し、１５０℃以上４
５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下で第３の加熱処理を行うことで、ゲー
ト絶縁層及び酸化物半導体層の界面、酸化物半導体層、及び酸化物半導体層及び酸素を含
む絶縁層の界面の少なくとも一に、水素を含む絶縁層中の水素を供給し、酸化物半導体層
に含まれる欠陥または未結合手を水素で終端して、トランジスタの特性改善を図ることが
できる。
【００２９】
第１の加熱処理において、酸化物半導体層に含まれる水分、水素などの不純物を低減し高
純度化することにより、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とす
ることができる。ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い酸化物半導体層に含まれる
水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による測定値では、１×１０１８ｃｍ−３以下、好ましく
は１×１０１６ｃｍ−３以下、さらには実質的には０である。また、ｉ型（真性半導体）
又はｉ型に限りなく近い酸化物半導体のキャリア密度は、ホール効果測定またはＣＶ測定
（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）による測定値で
は１×１０１２ｃｍ−３未満、さらに好ましくは１．４５×１０１０ｃｍ−３未満である
。即ち、酸化物半導体層のキャリア密度は、限りなくゼロに近い。また、ｉ型（真性半導
体）又はｉ型に限りなく近い酸化物半導体のバンドギャップは２ｅＶ以上、好ましくは２
．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。
【００３０】
具体的に、上述したように高純度化された酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いたト
ランジスタは、例えば、チャネル幅Ｗが１×１０４μｍでチャネル長が３μｍの素子であ
っても、オフ電流が１０−１３Ａ以下、サブスレッショルドスイング値（Ｓ値）が０．１
Ｖ／ｄｅｃ．程度（ゲート絶縁層厚１００ｎｍ）の特性が得られる。従って、ゲート電極
層とソース電極層間の電圧がほぼ０の状態におけるオフ電流、すなわちリーク電流が、結
晶性を有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく低い。なお、本明細書におい
て、オフ電流とは、例えば、Ｎチャネル型トランジスタの場合、ゲート−ソース間の電圧
が−５Ｖのときのソース−ドレイン間の電流をいうものとする。
【００３１】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層と、ゲート電極層
上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に酸化物半導体層と、酸化物半導体層上にソース電
極層またはドレイン電極層と、酸化物半導体層上に接する、酸素を含む絶縁層と、酸素を
含む絶縁層上に接する、水素を含む絶縁層と、を有する半導体装置である。
【００３２】
トランジスタは、ボトムゲート型であっても良いし、トップゲート型であっても良いし、
ボトムコンタクト型であっても良い。ボトムゲート型トランジスタは、基板上のゲート電
極層と、ゲート電極層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上においてゲート電極層と重な
る酸化物半導体層と、酸化物半導体層上のソース電極層及びドレイン電極層とを有する。
【００３３】
トップゲート型トランジスタは、基板上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層上のゲート
絶縁層と、ゲート絶縁層上において酸化物半導体層と重なるゲート電極層と、ソース電極
層及びドレイン電極層とを有する。
【００３４】
ボトムコンタクト型トランジスタは、基板上のゲート電極層と、ゲート電極層上のゲート
絶縁層と、ゲート絶縁層上のソース電極層及びドレイン電極層と、ソース電極層及びドレ
イン電極層上にあり、なおかつゲート絶縁層上においてゲート電極層と重なる酸化物半導
体層とを有する。
【発明の効果】
【００３５】
トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を向上させることができる。また、オフ電流
を低減し且つオン電流を向上させることで、トランジスタのオンオフ比を向上させること
ができる。このようなトランジスタを用いて大型の表示装置や高性能の半導体装置等を実
現する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一態様を示す断面図である。
【図２】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図３】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図４】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図５】本発明の一態様を示す断面図である。
【図６】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図７】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図８】本発明の一態様を示す上面図及び断面図である。
【図９】本発明の一態様を示す上面図及び断面図である。
【図１０】本発明の一態様を示す断面図である。
【図１１】電子機器の一例を示す図である。
【図１２】電子機器の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び
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。
【００３８】
なお本発明は、マイクロプロセッサ、画像処理回路などの集積回路や、ＲＦタグ、半導体
表示装置等、ありとあらゆる半導体装置の作製に用いることができる。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意味し、半導体表示装置、半導体回路
および電子機器は全て半導体装置である。半導体表示装置は、液晶表示装置、有機発光素
子（ＯＬＥＤ）に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ
（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ
Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａ
ｙ）等や、半導体素子を用いた回路素子を駆動回路に有しているその他の半導体表示装置
がその範疇に含まれる。
【００３９】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置が有する、トランジスタの構造につ
いて説明する。また、本実施の形態では、トランジスタとして、逆スタガ型トランジスタ
について説明する。
【００４０】
図１に示すトランジスタ１５０は、基板１００上にゲート電極層１０１ａが形成され、ゲ
ート電極層１０１ａ上にゲート絶縁層１０２が形成される。ゲート絶縁層１０２上に、チ
ャネル形成領域として酸化物半導体層１０６ａが形成され、酸化物半導体層１０６ａ上に
ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂが形成される。ソース電極層及びド
レイン電極層１０８ａ、１０８ｂ、並びに酸化物半導体層１０６ａ上に、酸素を含む絶縁
層１１２が形成される。酸素を含む絶縁層１１２は、酸化物半導体層１０６ａのバックチ
ャネルにおいて酸化物半導体層１０６ａに接する。酸素を含む絶縁層１１２に接して水素
を含む絶縁層１１６が形成される。水素を含む絶縁層１１６上には、平坦化膜として機能
する層間絶縁層１１８が形成されてもよい。本実施の形態で説明するトランジスタ１５０
は、酸化物半導体層１０６ａに接する酸素を含む絶縁層１１２と、酸素を含む絶縁層１１
２に接する水素を含む絶縁層１１６とを有することを特徴とする。
【００４１】
基板１００は、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必
要となる。基板１００としては、例えば、フュージョン法やフロート法で作製されるガラ
ス基板を用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には
、歪み点が７３０℃以上のものを用いると良い。また、ガラス基板には、例えば、アルミ
ノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラ
ス材料が用いられている。なお、酸化ホウ素と比較して酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含
ませることで、より実用的な耐熱ガラスが得られるため、Ｂ２Ｏ３よりＢａＯを多く含む
ガラス基板を用いることが好ましい。
【００４２】
なお、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの絶
縁体でなる基板を用いてもよい。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる。また
、ステンレス合金などの金属基板の表面に絶縁層を設けた基板を適用しても良い。
【００４３】
また、プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、耐熱温度が一般的に低
い傾向にあるが、後の作製工程における処理温度に耐え得るのであれば、基板１００とし
て用いることが可能である。プラスチック基板として、ポリエチレンテレフタレート（Ｐ
ＥＴ）に代表されるポリエステル、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフ
タレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥ
Ｋ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡ
Ｒ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリイミド、アクリロニトリルブタジエ
ンスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリ酢酸ビニル、アクリル樹脂など
が挙げられる。
【００４４】
ゲート電極層１０１ａの材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン
、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料を用い
た導電層、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、
後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてア
ルミニウム、銅を用いることもできる。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題
を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料として
は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等
を用いることができる。
【００４５】
例えば、二層の積層構造を有するゲート電極層１０１ａとして、アルミニウム層上にモリ
ブデン層が積層された二層の積層構造、または銅層上にモリブデン層を積層した二層構造
、または銅層上に窒化チタン層若しくは窒化タンタル層を積層した二層構造、窒化チタン
層とモリブデン層とを積層した二層構造とすることが好ましい。三層の積層構造を有する
ゲート電極層１０１ａとしては、アルミニウム層、アルミニウムとシリコンの合金層、ア
ルミニウムとチタンの合金層またはアルミニウムとネオジムの合金層を中間層とし、タン
グステン層、窒化タングステン層、窒化チタン層またはチタン層を上下層として積層した
構造とすることが好ましい。
【００４６】
また、ゲート電極層１０１ａに酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ合金、酸化イン
ジウム酸化亜鉛合金、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、また
は酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電層を用いることで、表示装置の画素部
の開口率を向上させることができる。ゲート電極層１０１ａの厚さは、１０ｎｍ〜４００
ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。
【００４７】
ゲート絶縁層１０２は、酸化珪素層、窒化珪素層、酸化窒化珪素層、窒化酸化珪素層、酸
化アルミニウム層、窒化アルミニウム層、酸化窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウ
ム層、または酸化タンタル層を単層でまたは積層させて形成することができる。ゲート絶
縁層１０２の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とするこ
とができる。
【００４８】
また、ゲート絶縁層１０２として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加
されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−
ｋ材料を用いることでゲートリークを低減できる。さらには、ｈｉｇｈ−ｋ材料と、酸化
シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、または酸化ア
ルミニウム層のいずれか一以上との積層構造とすることができる。
【００４９】
また、ゲート絶縁層１０２として、μ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶ
Ｄ法により形成される、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁層を用いることで、酸化物半
導体層１０６ａとゲート絶縁層１０２との界面準位を低減して界面特性を良好なものとす
ることができるため好ましい。
【００５０】
また、ゲート絶縁層１０２として、バリア性の高い材料を用いた絶縁層と、含まれる窒素
の比率が低い酸化珪素層、酸化窒化珪素層などの絶縁層とを積層させた構造としてもよい
。この場合、酸化珪素層、酸化窒化珪素層などの絶縁層は、バリア性を有する絶縁層と酸
化物半導体層の間に形成する。バリア性の高い絶縁層として、例えば窒化珪素層、窒化酸
化珪素層、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がある。バリア性を
有する絶縁層を用いることで、水分または水素などの雰囲気中不純物、或いは基板内に含
まれるアルカリ金属、重金属などの不純物が、ゲート絶縁層１０２、酸化物半導体層１０
６ａ、或いは、酸化物半導体層１０６ａと他の絶縁層の界面とその近傍に入り込むのを防
ぐことができる。また、酸化物半導体層１０６ａに接するように窒素の比率が低い酸化珪
素層、酸化窒化珪素層などの絶縁層を形成することで、バリア性の高い材料を用いた絶縁
層が直接酸化物半導体層に接するのを防ぐことができる。
【００５１】
酸化物半導体層１０６ａは金属酸化物であり、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ
−Ｚｎ−Ｏ系や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−
Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓ
ｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系
、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系や、Ｉｎ
−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系などを用いることができる。
【００５２】
酸化物半導体層１０６ａは、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される材料を用い
ることができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数
の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及
びＣｏなどがある。
【００５３】
また、酸化物半導体層１０６ａは、Ｉｎ−ＭＸ−ＺｎＹ−ＯＺ（Ｙ＝０．５〜５）で表現
される酸化物半導体材料を用いても良い。ここで、Ｍは、ガリウム（Ｇａ）やアルミニウ
ム（Ａｌ）やボロン（Ｂ）などの１３族元素から選択される一または複数種類の元素を表
す。なお、Ｉｎ、Ｍ、Ｚｎ、及びＯの含有量は任意であり、Ｍの含有量がゼロ（即ち、Ｘ
＝０）の場合を含む。一方、ＩｎおよびＺｎの含有量はゼロではない。すなわち、上述の
表記には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−ＯやＩｎ−Ｚｎ−Ｏなどが含まれる。
【００５４】
酸化物半導体層１０６ａは、結晶成分を含まない非晶質構造や、非晶質領域中に結晶領域
を有する構造とすることができる。非晶質領域中に結晶領域を有する構造としては、代表
的には非晶質領域中に粒径１ｎｍ以上２０ｎｍ以下（代表的には２ｎｍ以上４ｎｍ以下）
の結晶領域を有する。酸化物半導体層１０６ａを非晶質構造とすることで、複数の素子間
における特性のばらつきを低減することができる。
【００５５】
ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂは、アルミニウム、クロム、銅、タ
ンタル、チタン、モリブデン、タングステン、イットリウムから選ばれた金属元素、また
は上述した金属元素を成分とする合金、上述した金属元素を組み合わせた合金などで形成
する。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複
数から選択された金属元素を用いることができる。また、ソース電極層及びドレイン電極
層１０８ａ、１０８ｂは、単層構造、または二層以上の積層構造とすることができる。例
えば、シリコンを含むアルミニウム層の単層構造、アルミニウム層上にチタン層を積層す
る二層構造、タングステン層上にチタン層を積層する二層構造、チタン層と、そのチタン
層上に重ねてアルミニウム層を積層し、さらにその上にチタン層を形成する三層構造など
がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム
、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を単数、または複数組み合わせた層を用いて
もよい。また、それらの合金層または窒化物層を用いても良い。
【００５６】
また、ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂとして、インジウム錫酸化物
層、酸化タングステンを含むインジウム酸化物層、酸化タングステンを含むインジウム亜
鉛酸化物層、酸化チタンを含むインジウム酸化物層、酸化チタンを含むインジウム錫酸化
物層、インジウム亜鉛酸化物層、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物層などの透光
性を有する導電性層を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電層と、上記
金属元素の積層構造とすることもできる。
【００５７】
酸素を含む絶縁層１１２は、酸化シリコン層、または酸化窒化シリコン層などの酸素を含
む絶縁層を用いて形成する。酸素を含む絶縁層１１２はスパッタリング法またはＣＶＤ法
で形成されることが好ましく、特にスパッタリング法により形成される酸化シリコン層が
より好ましい。
【００５８】
水素を含む絶縁層１１６は、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層
、窒化酸化アルミニウム層などの、水素を含む絶縁層を用いて形成する。例えば、水素を
含む絶縁層１１６中の水素濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。水素を含む絶縁層１１６は、スパッタリン
グ法またはＣＶＤ法により形成されることが好ましい。特に、シランと、窒素を含む気体
（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとしたＣＶＤ法に
より形成される窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層や、水素化アルミニウムと、窒
素を含む気体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとし
たＣＶＤ法により形成される窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層は、水素原子
を比較的多く含むため好ましい。
【００５９】
水素を含む絶縁層１１６中の水素は、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以
上４４０℃以下の加熱処理により、少なくとも、酸化物半導体層１０６ａに拡散する、ま
たは供給されると共に、酸化物半導体層１０６ａ中、ゲート絶縁層１０２及び酸化物半導
体層１０６ａの界面、酸化物半導体層１０６ａ及び酸素を含む絶縁層１１２の界面の少な
くとも一に含まれる欠陥または未結合手を終端する。このため、酸化物半導体層１０６ａ
の欠陥が低減する。この結果、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度が向上する。
【００６０】
本実施の形態により、高い電界効果移動度及びオン電流を有するトランジスタを実現でき
る。また、オフ電流が低く、電界効果移動度及びオン電流の高いトランジスタを実現でき
る。
【００６１】
（実施の形態２）
次に、半導体装置の構成の一例であるトランジスタ１５０の作製方法について図２乃至図
４を参照して説明する。
【００６２】
まず、基板１００上に導電層１０１を形成する（図２（Ａ）参照）。
【００６３】
基板１００は、絶縁表面を有する基板であればよく、例えば、ガラス基板とすることがで
きる。ガラス基板は無アルカリガラス基板であることが望ましい。無アルカリガラス基板
には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケ
イ酸ガラス等のガラス材料が用いられる。他にも、基板１００として、セラミック基板、
石英基板、サファイア基板等の絶縁体でなる絶縁性基板、シリコン等の半導体材料でなる
半導体基板の表面を絶縁材料で被覆したもの、金属やステンレス等の導電体でなる導電性
基板の表面を絶縁材料で被覆したものを用いることができる。
【００６４】
また、プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、耐熱温度が一般的に低
い傾向にあるが、後の作製工程における処理温度に耐え得るのであれば、基板１００とし
て用いることが可能である。プラスチック基板として、ポリエチレンテレフタレート（Ｐ
ＥＴ）に代表されるポリエステル、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフ
タレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥ
Ｋ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡ
Ｒ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリイミド、アクリロニトリルブタジエ
ンスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリ酢酸ビニル、アクリル樹脂など
が挙げられる。
【００６５】
導電層１０１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１０１は、アルミニウム、クロム
、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンからから選ばれた元素や、上述した
元素を成分とする合金等を用いて形成することができる。マンガン、マグネシウム、ジル
コニウム、ベリリウムのいずれか一または複数を含む材料を用いてもよい。また、アルミ
ニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジ
ウムから選ばれた元素を一または複数含有させた材料を用いてもよい。
【００６６】
また、導電層１０１は、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。導電性の金属酸化
物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）
、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する場合がある）
、酸化インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）、または、これらの金属酸化物材
料にシリコン若しくは酸化シリコンを含有させたものを用いることができる。
【００６７】
導電層１０１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。なお、
開示する発明の一態様では、導電層１０１の形成後に、比較的高い温度で熱処理が行われ
るから、導電層１０１は耐熱性の高い材料を用いて形成することが望ましい。耐熱性の高
い材料としては、例えば、チタンやタンタル、タングステン、モリブデンなどがある。不
純物元素を添加することにより導電性を高めたポリシリコンなどを用いることもできる。
【００６８】
次に、導電層１０１を選択的にエッチングして、ゲート電極層１０１ａを形成し、当該ゲ
ート電極層１０１ａを覆うゲート絶縁層１０２を形成する（図２（Ｂ）参照）。
【００６９】
エッチングに用いるマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦレーザ光やＡｒＦレーザ光
を用いるのが好適である。特に、チャネル長（Ｌ）が２５ｎｍ未満の露光を行う場合には
、数ｎｍ〜数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏ
ｌｅｔ）を用いてマスク形成の露光を行うのが好適である。超紫外線による露光は、解像
度が高く焦点深度も大きいため、微細化には適している。
【００７０】
ゲート絶縁層１０２は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて形成することができる。
また、ゲート絶縁層１０２は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化
アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどを含むように形成するのが好適である
。なお、ゲート絶縁層１０２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。ゲー
ト絶縁層１０２の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とす
ることができる。
【００７１】
また、ゲート絶縁層１０２として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加
されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−
ｋ材料を用いることでゲートリークを低減できる。さらには、ｈｉｇｈ−ｋ材料と、酸化
シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、または酸化ア
ルミニウム層のいずれか一以上との積層構造とすることができる。
【００７２】
なお、ゲート絶縁層１０２は、できるだけ水素や水を含まないように形成することが望ま
しい。
【００７３】
例えば、スパッタリング法などを用いる場合には、処理室内の残留水分を除去した状態で
ゲート絶縁層１０２を形成することが望ましい。また、処理室内の残留水分を除去するた
めには、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどの、吸着型
の真空ポンプを用いることが望ましい。また、処理室内の残留水分を除去するために、タ
ーボポンプにコールドトラップを加えたものを用いてもよい。クライオポンプなどを用い
て排気した処理室は、水素や水などが十分に除去されているため、ゲート絶縁層１０２に
含まれる不純物の濃度を低減することができる。
【００７４】
また、マイクロ波（例えば、２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤ法は、緻密
で絶縁耐圧の高い高品質なゲート絶縁層１０２を形成できる点で好適である。酸化物半導
体層と高品質なゲート絶縁層とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を良
好なものとすることができるからである。特に、１×１０１１／ｃｍ３以上のプラズマ密
度を達成できる高密度プラズマ装置を用いるのが好ましい。
【００７５】
このようにゲート絶縁層１０２と酸化物半導体層１０６ａとの界面特性を良好にするとと
もに、酸化物半導体の不純物、特に水素や水などを排除することで、ゲートバイアス・熱
ストレス試験（ＢＴ試験：例えば、８５℃、２×１０６Ｖ／ｃｍ、１２時間など）に対し
ても、しきい値電圧（Ｖｔｈ）が変動しない安定なトランジスタを得ることが可能である
。
【００７６】
また、ゲート絶縁層１０２を形成する際には、水素や水などの不純物が、濃度数ｐｐｍ程
度（望ましくは、濃度数ｐｐｂ程度）にまで低減された高純度ガスを用いることが望まし
い。
【００７７】
次に、ゲート絶縁層１０２上に酸化物半導体層１０６を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【００７８】
酸化物半導体層１０６は、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系や、三
元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−
Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ
系や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系
、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系や、単元系金属酸化物である
Ｉｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系などを用いて形成することができる。
【００７９】
中でも、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料は、無電界時の抵抗が十分に高くオ
フ電流を十分に小さくすることが可能であり、また、電界効果移動度も高いため、半導体
装置に用いる半導体材料としては好適である。
【００８０】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料の代表例としては、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）
ｍ（ｍ＞０）で表記されるものがある。また、Ｇａに代えてＭを用い、ＩｎＭＯ３（Ｚｎ
Ｏ）ｍ（ｍ＞０）のように表記される酸化物半導体材料がある。ここで、Ｍは、ガリウム
（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、
コバルト（Ｃｏ）などから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。例えば、
Ｍとしては、Ｇａ、ＧａおよびＡｌ、ＧａおよびＦｅ、ＧａおよびＮｉ、ＧａおよびＭｎ
、ＧａおよびＣｏなども適用することができる。なお、上述の組成は結晶構造から導き出
されるものであり、あくまでも一例に過ぎないことを付記する。
【００８１】
本実施の形態では、酸化物半導体層１０６としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体
成膜用ターゲットを用いて、非晶質の酸化物半導体層をスパッタリング法により形成する
こととする。
【００８２】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体層１０６をスパッタリング法で作製するための酸
化物半導体成膜用ターゲットとしては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：ｘ：ｙ（ｘは０以上、ｙ
は０．５以上５以下）の組成式で表されるものを用いればよい。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚ
ｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ比］（ｘ＝１、ｙ＝１）、（すなわち、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ
３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］）の組成比を有する酸化物半導体成膜用ターゲッ
トなどを用いても良い。また、酸化物半導体成膜用ターゲットとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝
１：１：０．５［ａｔｏｍ比］の組成比を有する酸化物半導体成膜用ターゲット、または
Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：０：１［ａｔｏ
ｍ比］（ｘ＝０、ｙ＝１）の組成比を有する酸化物半導体成膜用ターゲットを用いること
もできる。
【００８３】
酸化物半導体成膜用ターゲット中の酸化物半導体の相対密度は８０％以上、好ましくは９
５％以上、さらに好ましくは９９．９％以上である。相対密度の高い酸化物半導体成膜用
ターゲットを用いることにより、緻密な構造の酸化物半導体層１０６を形成すること可能
である。
【００８４】
酸化物半導体層１０６の形成雰囲気は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲
気、または、希ガス（代表的にはアルゴン）と酸素との混合雰囲気とするのが好適である
。具体的には、例えば、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が、濃度数ｐｐｍ程度
（望ましくは濃度数ｐｐｂ程度）にまで除去された高純度ガス雰囲気を用いるのが好適で
ある。
【００８５】
酸化物半導体層１０６の形成の際には、例えば、減圧状態に保持された処理室内に基板を
保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上４００℃以下に熱
する。そして、処理室内の残留水分を除去しつつ水素および水が除去されたスパッタガス
を導入し、上記酸化物半導体成膜用ターゲットを用いて酸化物半導体層１０６を形成する
。基板を熱しながら酸化物半導体層１０６を形成することにより、酸化物半導体層１０６
に含まれる不純物を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減され
る。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好まし
い。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどを用い
ることができる。また、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いてもよい。
クライオポンプを用いて排気した処理室は、水素や水などが除去されているため、酸化物
半導体層１０６の不純物濃度を低減できる。
【００８６】
酸化物半導体層１０６の形成条件としては、例えば、基板と酸化物半導体成膜用ターゲッ
トの間との距離が１７０ｍｍ、圧力が０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電力が０．５ｋＷ、雰囲
気が酸素（酸素１００％）雰囲気、またはアルゴン（アルゴン１００％）雰囲気、または
酸素とアルゴンの混合雰囲気、といった条件を適用することができる。なお、パルス直流
（ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル、ゴミともいう）が
軽減でき、膜厚分布も均一となるため好ましい。酸化物半導体層１０６の厚さは、２ｎｍ
以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。ただし、適用する酸化
物半導体材料や用途などにより適切な厚さは異なるから、酸化物半導体層１０６の厚さは
、用いる材料や用途などに応じて選択すればよい。
【００８７】
なお、酸化物半導体層１０６をスパッタリング法により形成する前には、アルゴンガスを
導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁層１０２の表面の付着物を
除去するのが好適である。ここで、逆スパッタとは、通常のスパッタにおいては、スパッ
タターゲットにイオンを衝突させるところ、逆に、処理表面にイオンを衝突させることに
よってその表面を改質する方法のことをいう。処理表面にイオンを衝突させる方法として
は、アルゴン雰囲気下で処理表面側に高周波電圧を印加して、基板付近にプラズマを生成
する方法などがある。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などによる雰
囲気を適用してもよい。
【００８８】
次に、マスクを用いたエッチングなどの方法によって酸化物半導体層１０６を加工して、
島状の酸化物半導体層１０６ａを形成する（図３（Ａ）参照）。ここで、島状の酸化物半
導体層１０６ａは、ゲート電極層１０１ａと重畳する領域に形成するようにする。
【００８９】
酸化物半導体層のエッチングには、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれを用
いても良い。もちろん、その両方を組み合わせて用いることもできる。酸化物半導体層を
所望の形状にエッチングできるよう、材料に合わせてエッチング条件（エッチングガスや
エッチング液、エッチング時間、温度等）は適宜設定する。
【００９０】
ドライエッチングとしては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉ
ｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結
合型プラズマ）エッチング法などを用いることができる。この場合にも、エッチング条件
（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極
温度等）は適宜設定する必要がある。
【００９１】
ドライエッチングに用いることができるエッチングガスには、例えば、塩素を含むガス（
塩素系ガス、例えば塩素（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、
四塩化炭素（ＣＣｌ４）など）などがある。また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例
えば四弗化炭素（ＣＦ４）、六弗化硫黄（ＳＦ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオ
ロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリ
ウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などを用いても良い。
【００９２】
ウェットエッチングに用いることができるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混
ぜた溶液などがある。また、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）などのエッチング液を用いて
もよい。
【００９３】
その後、酸化物半導体層１０６ａ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１０６ａ中の、過剰な水素（水や水酸基を
含む）を除去し、酸化物半導体層の構造を整え、酸化物半導体層１０６ａ中の欠陥を低減
することができる。第１の熱処理の温度は、例えば、４００℃以上７５０℃以下、または
４００℃以上基板の歪み点未満とする。なお、成膜の段階で水素が十分に低減された酸化
物半導体層１０６ａが得られる場合には、当該熱処理は不要である。
【００９４】
熱処理は、例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に基板１００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１０６ａは大気
に触れさせず、水や水素の混入が行われないようにする。
【００９５】
熱処理装置は電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、または熱輻射
によって、被処理物を加熱する装置であっても良い。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐ
ｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅ
ｒｍａｌ 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。
【００９６】
例えば、第１の熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に熱した不活性ガス雰囲気中に
基板を投入し、数分間熱した後、当該不活性ガス雰囲気から基板を取り出すＧＲＴＡ処理
を行ってもよい。ＧＲＴＡ処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、短
時間の熱処理であるため、基板の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
。例えば、ガラス基板を用いる場合、耐熱温度（歪み点）を超える温度では基板のシュリ
ンクが問題となるが、短時間の熱処理の場合にはこれは問題とならない。なお、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欠陥を低減することができるためである。
【００９７】
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。
【００９８】
以上のような第１の熱処理を行うことにより、酸化物半導体層１０６に含まれる水素を低
減し、好ましくは、酸化物半導体層１０６に含まれる水素を除去し、酸化物半導体層の主
成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することができる。これにより、過剰
な水素原子により乱された酸化物半導体層１０６の構造を整え、過剰な水素原子によって
形成される欠陥を低減することができる。このときの酸化物半導体層１０６の水素濃度は
、１×１０１６ｃｍ−３以下が好ましい。また、酸化物半導体層１０６のキャリア密度は
一般的なシリコンウェハにおけるキャリア密度（１×１０１４／ｃｍ３程度）と比較して
、十分に小さいキャリア密度の値（例えば、１×１０１２／ｃｍ３未満、より好ましくは
、１．４５×１０１０／ｃｍ３未満）であることが好ましい。また、バンドギャップは２
ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。
【００９９】
また、ドレイン電圧が１Ｖから１０Ｖの範囲のいずれかの電圧において、オフ電流（ゲー
トソース間の電圧を０Ｖ以下としたときのソースドレイン間に流れる電流）が、チャネル
長１０μｍであり、酸化物半導体層の合計膜厚３０ｎｍの場合において、１×１０−１３
Ａ以下、またはオフ電流密度（オフ電流をトランジスタのチャネル幅で除した数値）は１
００ａＡ（ａ（アト）は１０−１８倍を示す）／μｍ以下、好ましくは１０ａＡ／μｍ以
下、更に好ましくは１ａＡ／μｍ以下にすることができる。なお、オフ電流とドレイン電
圧の値が分かればオームの法則からトランジスタがオフのときの抵抗値（オフ抵抗Ｒ）を
算出することができ、チャネル形成領域の断面積Ａとチャネル長Ｌが分かればρ＝ＲＡ／
Ｌの式（Ｒはオフ抵抗）からオフ抵抗率ρを算出することができる。オフ抵抗率は１×１
０９Ω・ｍ以上（又は１×１０１０Ω・ｍ）が好ましい。ここで、断面積Ａは、チャネル
形成領域の膜厚をｄとし、チャネル幅をＷとするとき、Ａ＝ｄＷから算出することができ
る。
【０１００】
このような高純度化された酸化物半導体層１０６をチャネル形成領域に用いると、トラン
ジスタのオフ電流を低減することができる。オフ電流は、直接再結合または間接再結合に
よる正孔と電子の生成−再結合によって流れるが、酸化物半導体層はバンドギャップが広
く、電子の励起のために大きな熱エネルギーが必要であるため、直接再結合及び間接再結
合が生じにくい。オフ状態では、少数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、
直接再結合及び間接再結合が生じにくく、オフ電流は限りなく低減できる。このため、オ
フ電流を低減し、且つオン電流及び電界効果移動度を向上させた、優れた特性を有するト
ランジスタとなる。
【０１０１】
以上のように、高純度化された酸化物半導体層は通路（パス）として機能し、キャリアは
電極のソース、ドレインにより供給される。酸化物半導体の電子親和力χおよびフェルミ
レベル、理想的には真性フェルミレベルと一致したフェルミレベルと、ソース、ドレイン
の電極の仕事関数とを適宜選択することで、酸化物半導体層のキャリア密度を低減したま
ま、ソース電極及びドレイン電極からキャリアを注入させることが可能となり、ｎ型トラ
ンジスタ及びｐ型トランジスタを適宜作製することができる。
【０１０２】
また、高純度化された酸化物半導体の真性キャリア密度は、シリコンと比較して、極端に
低い。シリコン及び酸化物半導体の真性キャリア密度は、フェルミ・ディラック分布及び
ボルツマン分布の近似式から求めることが可能であり、シリコンの真性キャリア密度ｎｉ
は１．４５×１０１０ｃｍ−３、酸化物半導体（ここでは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）の
真性キャリア密度ｎｉは１．２×１０−７ｃｍ−３となり、前者は後者より真性キャリア
密度が１０１７倍大きい。即ち、シリコンと比較して、酸化物半導体の真性キャリア密度
が極端に低いことが分かる。
【０１０３】
なお、第１の熱処理の条件、または酸化物半導体層１０６の材料によっては、酸化物半導
体層１０６の一部が結晶化し、酸化物半導体層１０６中に微結晶または多結晶が形成され
る場合もある。
【０１０４】
なお、第１の熱処理は、島状の酸化物半導体層１０６ａに加工する前の酸化物半導体層１
０６に行うこともできる。その場合には、第１の熱処理後に、加熱装置から基板１００を
取り出し、フォトリソグラフィ工程を行うことになる。
【０１０５】
第１の熱処理には水素や水を除去する効果があるから、第１の熱処理を、脱水化処理、脱
水素化処理などと呼ぶこともできる。当該脱水化処理、脱水素化処理は、酸化物半導体層
の形成後、酸化物半導体層１０６ａ上にソース電極層またはドレイン電極層を積層させた
後、などのタイミングにおいて行うことも可能である。また、このような脱水化処理、脱
水素化処理は、一回に限らず複数回行っても良い。
【０１０６】
次に、酸化物半導体層１０６ａに接するように導電層１０８を形成する（図３（Ｂ）参照
）。
【０１０７】
導電層１０８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１０８は、アルミニウム、クロム
、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンからから選ばれた元素や、上述した
元素を成分とする合金等を用いて形成することができる。マンガン、マグネシウム、ジル
コニウム、ベリリウムのいずれか一または複数を含む材料を用いてもよい。また、アルミ
ニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジ
ウムから選ばれた元素を一または複数含有させた材料を用いてもよい。
【０１０８】
また、導電層１０８は、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。導電性の金属酸化
物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）
、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する場合がある）
、酸化インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）、または、これらの金属酸化物材
料にシリコン若しくは酸化シリコンを含有させたものを用いることができる。
【０１０９】
導電層１０８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
、チタン膜上にアルミニウム膜と、該アルミニウム膜上にチタン膜が積層された三層の積
層構造や、モリブデン膜上にアルミニウム膜と、該アルミニウム膜上にモリブデン膜を積
層した三層の積層構造を適用することができる。また、アルミニウム膜とタングステン膜
を積層した二層の積層構造、銅膜とタングステン膜を積層した二層の積層構造、アルミニ
ウム膜とモリブデン膜を積層した二層の積層構造とすることもできる。勿論、単層、また
は四層以上の積層構造としてもよい。単層構造とする場合には、例えば、チタン膜の単層
構造とするのが好適である。チタン膜の単層構造を用いると、後のエッチングの際に良好
なテーパー形状を形成するエッチングを実現することができる。ここでは、チタン膜とア
ルミニウム膜とチタン膜の３層構造を適用することとする。
【０１１０】
なお、導電層１０８の、酸化物半導体層１０６ａと接する部分には、酸素を引き抜く効果
の低い材料（酸素との親和性が低い材料）を用いても良い。このような材料としては、例
えば、窒化チタンや窒化タングステン、白金などがある。導電層１０８の構造は、上述と
同様、単層構造としても積層構造としても良い。導電層１０８を積層構造にする場合には
、例えば、窒化チタン膜とチタン膜の２層構造、窒化チタン膜とタングステン膜の２層構
造、窒化チタン膜と銅−モリブデン合金膜の２層構造、窒化タンタル膜とタングステン膜
の２層構造、窒化タンタル膜と銅膜の２層構造、窒化チタン膜とタングステン膜とチタン
膜の３層構造、などを採用することができる。
【０１１１】
上述のような酸素引き抜きの効果が低い材料を導電層１０８に用いることで、酸素の引き
抜きによる酸化物半導体層のｎ型化を防ぎ、不均一なｎ型化などに起因するトランジスタ
特性への悪影響を抑制することができる。
【０１１２】
また、上述のように窒化チタン膜や窒化タンタル膜などのバリア性の高い材料を、酸化物
半導体層１０６ａと接する部分に用いることで、酸化物半導体層１０６ａへの不純物の侵
入を抑制し、トランジスタ特性への悪影響を抑えることができる。
【０１１３】
次に、導電層１０８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１０
８ａ、ソース電極層またはドレイン電極層１０８ｂを形成する（図３（Ｃ）参照）。なお
、導電層１０８上に絶縁層を形成し、当該絶縁層をエッチングして、ソース電極層または
ドレイン電極層の上に、ソース電極層およびドレイン電極層と略同一形状の絶縁層を形成
しても良い。この場合、ソース電極層またはドレイン電極層と、ゲート電極層とによる容
量（いわゆるゲート容量）を低減することができる。なお、「略同一」の表現は、厳密に
同一であることを要しない趣旨で用いるものであり、同一と見なすことができる範囲が含
まれる。例えば、一のエッチング処理によって形成される場合の差異は許容される。また
、厚さまで同一であることは要しない。
【０１１４】
エッチングに用いるマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦレーザ光やＡｒＦレーザ光
を用いるのが好適である。特に、チャネル長（Ｌ）が２５ｎｍ未満の露光を行う場合には
、数ｎｍ〜数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏ
ｌｅｔ）を用いてマスク形成の露光を行うのが好適である。超紫外線による露光は、解像
度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成されるトランジスタのチャネル長（Ｌ）を
１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも可能である。このような方法でチャネル長を
小さくすることにより、動作速度を向上させることができる。また、上記酸化物半導体を
用いたトランジスタはオフ電流が僅かであるため、微細化による消費電力の増大を抑制で
きる。
【０１１５】
導電層１０８のエッチングの際には、酸化物半導体層１０６ａが除去されないように、そ
れぞれの材料およびエッチング条件を適宜調節する。なお、材料およびエッチング条件に
よっては、当該工程において、酸化物半導体層１０６ａの一部がエッチングされ、溝部（
凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。
【０１１６】
また、上記マスクの使用数や工程数を削減するため、透過した光が複数の強度となる露光
マスクである多階調マスクによってレジストマスクを形成し、これを用いてエッチング工
程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは、複数の厚みを有す
る形状（階段状）となり、アッシングによりさらに形状を変形させることができるため、
複数のエッチング工程に用いることができる。つまり、一枚の多階調マスクによって、少
なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる
。よって、露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減
できるため、工程の簡略化が図れる。
【０１１７】
次に、酸化物半導体層１０６ａの一部に接する酸素を含む絶縁層１１２を形成した後、第
２の熱処理を行う（図４（Ａ）参照）。酸素を含む絶縁層１１２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、酸素を含む絶縁層１１２は、酸化珪素
、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどを含むように形
成するのが好適である。特にスパッタリング法を用いて形成される酸化珪素膜が好ましい
。なお、酸素を含む絶縁層１１２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
酸素を含む絶縁層１１２の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ
以下、好ましくは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。
【０１１８】
第２の熱処理は、不活性ガス雰囲気下、または酸素雰囲気下で行うのが望ましい。熱処理
の温度は、２００℃以上４５０℃以下、望ましくは２５０℃以上３５０℃以下である。例
えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行えばよい。第２の熱処理を行うこと
によって、酸化物半導体層１０６ａに酸素を供給し、該酸化物半導体層１０６ａの酸素欠
損を低減して、ｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層を形成する
ことができる。また、第２の熱処理を行うと、トランジスタの電気的特性のばらつきを軽
減することができる。
【０１１９】
次に、酸素を含む絶縁層１１２上に、水素を含む絶縁層１１６を形成した後、第３の熱処
理を行う（図４（Ｂ）参照）。水素を含む絶縁層１１６は、ＣＶＤ法やスパッタリング法
などを用いて形成することができる。また、水素を含む絶縁層１１６は、窒化シリコン層
、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層などの、水素を含
む絶縁層を用いて形成するのが好適である。特に、シランと、窒素を含む気体（代表的に
は、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとしたＣＶＤ法により形成さ
れる窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層や、水素化アルミニウムと、窒素を含む気
体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとしたＣＶＤ法
により形成される窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層は、水素原子を比較的多
く含むため好ましい。
【０１２０】
第３の熱処理は、窒素雰囲気下、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４
４０℃以下とする。また、第３の加熱処理は、窒素雰囲気下に限定されず、酸素雰囲気、
希ガス雰囲気、乾燥空気雰囲気で行えばよい。
【０１２１】
第３の熱処理により、水素を含む絶縁層１１６中の水素は、少なくとも、酸化物半導体層
１０６ａに拡散され、または供給されると共に、酸化物半導体層１０６ａ中、ゲート絶縁
層１０２及び酸化物半導体層１０６ａの界面、酸化物半導体層１０６ａ及び酸素を含む絶
縁層１１２の界面の少なくとも一に残存する欠陥または未結合手を終端する。このため、
酸化物半導体層１０６ａの欠陥が低減する。この結果、トランジスタのオン電流及び電界
効果移動度が向上する。当該熱処理による水素の供給は、十分に欠陥が低減され、ｉ型化
された酸化物半導体層に対して行う場合には、より効果的である。
【０１２２】
なお、第２の熱処理の条件、第３の熱処理の条件、または酸化物半導体層１０６の材料に
よっては、酸化物半導体層１０６の一部が結晶化し、酸化物半導体層１０６中に微結晶ま
たは多結晶が形成される場合もある。
【０１２３】
次に、水素を含む絶縁層１１６上に、層間絶縁層１１８を形成してもよい（図４（Ｃ）参
照）。層間絶縁層１１８は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて形成することができる。ま
た、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウ
ム、酸化タンタル等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。なお、本
実施の形態では、層間絶縁層１１８の単層構造としているが、開示する発明の一態様はこ
れに限定されず、２層以上の積層構造としても良い。
【０１２４】
なお、上記層間絶縁層１１８は、その表面が平坦になるように形成することが望ましい。
表面が平坦になるように層間絶縁層１１８を形成することで、層間絶縁層１１８上に、電
極や配線などを好適に形成することができるためである。
【０１２５】
以上により、水素を含む絶縁層１１６に含まれる水素を拡散させて欠陥を終端させたトラ
ンジスタ１５０が完成する。
【０１２６】
次に、本実施の形態に係る半導体装置の構造の他の一例について、図５を参照して説明す
る。図５に示すトランジスタ１５０は、チャネルストップ型のトランジスタである。
【０１２７】
図５に示すトランジスタ１５０は、酸化物半導体層１０６ａのチャネル形成領域と重なる
領域に、絶縁層１１３をチャネルストッパーとして設けている。
【０１２８】
チャネルストッパーとして設けられる絶縁層１１３の形成方法について説明する。まず、
図３（Ａ）に示す酸化物半導体層１０６ａを形成した後、該酸化物半導体層１０６ａを覆
うように、酸化珪素、または酸化窒化珪素、などの酸素原子を含む材料を用いて、スパッ
タリング法またはＣＶＤ法などにより絶縁膜を形成する。その後、絶縁膜を選択的にエッ
チングすることで、絶縁層１１３を形成することができる。絶縁層１１３を形成した後は
、図３（Ｂ）以降の工程を参照することができる。
【０１２９】
酸化物半導体層１０６ａのチャネル形成領域と重なる領域に、絶縁層１１３をチャネルス
トッパーとして設けることによって、ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８
ｂの形成時のダメージ（エッチング時のプラズマや、エッチング剤による膜減り）を防ぐ
ことができる。従って、トランジスタ１５０の信頼性を向上させることができる。
【０１３０】
本実施の形態で示す方法により、高い電界効果移動度及びオン電流を有するトランジスタ
を実現できる。また、オフ電流が低く、電界効果移動度及びオン電流の高いトランジスタ
を実現できる。
【０１３１】
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。
【０１３２】
（実施の形態３）
本実施の形態では、上記実施の形態に係る半導体装置の構造及び作製方法の他の一例につ
いて説明する。また、本実施の形態では、トランジスタとして、トップゲート型トランジ
スタについて説明する。
【０１３３】
〈半導体装置の構造〉
まず、本実施の形態で説明する半導体装置の構造の一例であるトランジスタ１５０につい
て説明する。図６（Ｄ）に示すトランジスタ１５０は、基板１００上に酸化物半導体層１
０６ａが形成され、酸化物半導体層１０６ａ上にソース電極層及びドレイン電極層１０８
ａ、１０８ｂが形成される。ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂ及び酸
化物半導体層１０６ａを覆うように、酸素を含む絶縁層１１２が形成される。絶縁層１１
２は、ゲート絶縁層として機能する。酸素を含む絶縁層１１２は、酸化物半導体層１０６
ａのチャネルにおいて酸化物半導体層１０６ａに接する。また、絶縁層１１２上に酸化物
半導体層１０６ａと重畳するようにゲート電極層１１４が形成される。さらに、酸素を含
む絶縁層１１２及びゲート電極層１１４を覆うように、水素を含む絶縁層１１６が形成さ
れる。水素を含む絶縁層１１６上には、平坦化膜として機能する絶縁層１１８が形成され
ていてもよい。本実施の形態で説明するトランジスタ１５０は、酸化物半導体層１０６ａ
に接する酸素を含む絶縁層１１２と、酸素を含む絶縁層１１２に接する水素を含む絶縁層
１１６とを有する。なお、基板１００と酸化物半導体層１０６ａとの間に、下地膜として
機能する絶縁層１０２を形成してもよい。
【０１３４】
〈半導体装置の作製方法〉
次に、半導体装置の構成の一例であるトランジスタ１５０の作製方法について図６を参照
して説明する。
【０１３５】
まず、下地膜として機能する絶縁層１０２が形成された基板１００上に、酸化物半導体層
１０６ａを形成した後、該酸化物半導体層１０６ａ上にソース電極層及びドレイン電極層
１０８ａ、１０８ｂを形成する（図６（Ａ）参照）。
【０１３６】
基板１００は、図２（Ａ）の基板１００を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１３７】
下地膜として機能する絶縁層１０２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、絶縁層１０２は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪
素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルを含むように形成することが好ま
しい。絶縁層１０２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。絶縁層１０２
は、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。なお、スパッタリング法
などを用いる場合には、処理室内の残留水分を除去した状態で絶縁層１０２を形成するこ
とが好ましい。
【０１３８】
酸化物半導体層は、基板１００上又は絶縁層１０２上に、スパッタリング法等を用いて形
成する。酸化物半導体層の材料及び形成方法については、図２（Ｃ）の酸化物半導体層１
０６ａを参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１３９】
本実施の形態では、酸化物半導体層１０６ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半
導体成膜用ターゲットを用いて、非晶質の酸化物半導体層をスパッタリング法により形成
することとする。
【０１４０】
なお、酸化物半導体層をスパッタリング法により形成する前に、アルゴンガスを導入して
プラズマを発生させる逆スパッタを行い、絶縁層１０２の表面の付着物を除去することが
好ましい。
【０１４１】
次に、マスクを用いたエッチングなどの方法によって、酸化物半導体層を加工して、島状
の酸化物半導体層１０６ａを形成する。酸化物半導体層のエッチングとしては、ドライエ
ッチング、ウェットエッチングのいずれか一方、または両方を組み合わせて行うことがで
きる。酸化物半導体層のエッチングの条件については、実施の形態２を参照すればよいた
め、詳細な説明は省略する。
【０１４２】
次に、酸化物半導体層１０６ａに対して、第１の熱処理（脱水化処理、脱水素化処理）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１０６ａ中の水（水酸基
を含む）や水素などを除去することができる。第１の熱処理の条件については、実施の形
態２を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１４３】
なお、第１の熱処理は、島状の酸化物半導体層１０６ａに加工する前の酸化物半導体層に
行うこともできる。その場合には、第１の熱処理後に、加熱装置から基板１００を取り出
し、フォトリソグラフィ工程を行うことになる。
【０１４４】
次に、酸化物半導体層１０６ａ、ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂを
覆うように、絶縁層１１２を形成する（図６（Ｂ）参照）。
【０１４５】
絶縁層１１２は、ゲート絶縁層として機能する。絶縁層１１２は、酸化珪素、または酸化
窒化珪素などの酸素原子を含むように形成することが好ましい。絶縁層１１２は、スパッ
タリング法またはＣＶＤ法で形成することが好ましい。
【０１４６】
次に、酸化物半導体層１０６ａに対して、第２の熱処理を行うことが望ましい。第２の熱
処理を行うことによって、酸素を含む絶縁層１１２中の酸素を、酸化物半導体層１０６ａ
中に供給し、該酸化物半導体層１０６ａの酸素欠損を酸化して、ｉ型（真性半導体）また
はｉ型に限りなく近い酸化物半導体層１０６ａを形成することができる。また、第２の熱
処理を行うと、トランジスタの電気的特性のばらつきを軽減することができる。第２の熱
処理の条件については、実施の形態２を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１４７】
次に、酸素を含む絶縁層１１２上に、酸化物半導体層１０６ａと重畳するように、ゲート
電極層１１４を形成する（図６（Ｃ）参照）。
【０１４８】
まず、酸素を含む絶縁層１１２上に、スパッタリング法またはＣＶＤ法を用いて導電層を
形成する。導電層の材料及び形成方法については、図２（Ａ）の導電層１０１を参照すれ
ばよいため、詳細な説明は省略する。その後、導電層を選択的にエッチングして、ゲート
電極層１１４を形成する。
【０１４９】
次に、ゲート電極層１１４を覆うように、水素を含む絶縁層１１６を形成した後、平坦化
膜として機能する絶縁層１１８を形成する（図６（Ｄ）参照）。
【０１５０】
水素を含む絶縁層１１６は、窒化珪素、窒化酸化珪素、窒化アルミニウム、窒化酸化アル
ミニウムなどで、水素を含む被膜を形成する。水素を含む絶縁層１１６は、スパッタリン
グ法またはＣＶＤ法で形成することが好ましい。特に、シランと、窒素を含む気体（代表
的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとしたＣＶＤ法により形
成される窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層や、水素化アルミニウムと、窒素を含
む気体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとしたＣＶ
Ｄ法により形成される窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層は、水素原子を比較
的多く含むため好ましい。なお、酸素を含む絶縁層１１２と接するように、水素を含む絶
縁層１１６を形成することが好ましい。
【０１５１】
次に、酸化物半導体層１０６ａに対して第３の熱処理を行う。第３の熱処理の条件として
は、実施の形態２を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。第３の熱処理を行うこ
とによって、水素を含む絶縁層１１６中の水素は、少なくとも酸化物半導体層１０６ａに
、拡散または供給すると共に、酸化物半導体層１０６ａ中、酸化物半導体層１０６ａと酸
素を含む絶縁層１１２との界面、酸化物半導体層１０６ａと絶縁層１０２との界面、の少
なくとも一に含まれる欠陥または未結合手を終端する。これにより、酸化物半導体層１０
６ａの欠陥が低減する。この結果、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度が向上す
る。
【０１５２】
絶縁層１１８は、スパッタリング法またはＣＶＤ法などを用いて形成することができる。
絶縁層１１８の材料及び形成方法については、図４（Ｃ）を参照すればよいため、詳細な
説明は省略する。
【０１５３】
以上の工程により、酸化物半導体層１０６ａを用いたトランジスタ１５０が完成する。
【０１５４】
本実施の形態に係るトランジスタ１５０において、４００℃以上７５０℃以下、好ましく
は４００℃以上基板の歪み点未満で、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰
囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好まし
くは露点−５０℃以下）など）で第１の熱処理を行い、酸化物半導体層１０６ａの水素濃
度を低減する。次に、酸化物半導体層１０６ａに接する酸素を含む絶縁層１１２を形成し
た後、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の熱処理（好ましくは２００
℃以上４５０℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行い、酸化物半導体層１０６
ａの酸素欠損を酸化して、ｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層
１０６ａを形成する。次に、酸素を含む絶縁層１１２上に水素を含む絶縁層１１６を形成
し、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下で第３の熱処理を
行うことで、絶縁層１０２及び酸化物半導体層１０６ａの界面、酸化物半導体層１０６ａ
、及び酸化物半導体層１０６ａ及び酸素を含む絶縁層１１２の界面の少なくとも一に、水
素を含む絶縁層１１６中の水素を供給し、酸化物半導体層１０６ａに含まれる欠陥または
未結合手を水素で終端することで、トランジスタの特性改善を図ることができる。
【０１５５】
なお、第１の熱処理、第２の熱処理及び第３の熱処理の条件、または酸化物半導体層１０
６ａの材料によっては、酸化物半導体層１０６ａの一部が結晶化し、酸化物半導体層１０
６ａ中に微結晶または多結晶が形成される場合もある。このように、酸化物半導体層１０
６ａを、非晶質領域中に結晶領域を有する構造とすることによって、より電界効果移動度
及びオン電流の高いトランジスタとすることができる。酸化物半導体層１０６ａが非晶質
構造の場合は、複数の素子間における特性のばらつきを低減することができる。
【０１５６】
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。
【０１５７】
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態に係る半導体装置の構造及び作製方法の他の一例につ
いて説明する。
【０１５８】
〈半導体装置の構造〉
まず、本実施の形態で説明する半導体装置の構造の一例であるトランジスタ１５０につい
て説明する。図７（Ｄ）に示すトランジスタ１５０は、基板１００上にゲート電極層１０
１ａが形成され、ゲート電極層１０１ａ上にゲート絶縁層１０２が形成される。ゲート絶
縁層１０２上に、チャネル形成領域として酸化物半導体層１０６ａが形成され、酸化物半
導体層１０６ａ上にソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂが形成される。
ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂ、並びに酸化物半導体層１０６ａ上
に、酸素を含む絶縁層１１２が形成される。酸素を含む絶縁層１１２は、酸化物半導体層
１０６ａのバックチャネルにおいて酸化物半導体層１０６ａに接する。酸素を含む絶縁層
１１２上に、酸化物半導体層１０６ａと重畳するように、ゲート電極層１１４が形成され
、該ゲート電極層１１４を覆うように、水素を含む絶縁層１１６が形成される。水素を含
む絶縁層１１６上には、平坦化膜として機能する絶縁層１１８が形成されてもよい。本実
施の形態で説明するトランジスタ１５０は、酸化物半導体層１０６ａに接する酸素を含む
絶縁層１１２と、酸素を含む絶縁層１１２に接する水素を含む絶縁層１１６とを有するこ
とを特徴とする。
【０１５９】
本実施の形態において、ゲート電極層１１４はいわゆるバックゲートとして機能する。ゲ
ート電極層１１４を有することで、酸化物半導体層１０６ａ中の電界を制御することが可
能であり、これによって、トランジスタ１５０の電気的特性を制御することができる。な
お、ゲート電極層１１４は、他の配線や電極などと電気的に接続されて何らかの電位が与
えられても良いし、絶縁されてフローティング状態であっても良い。
【０１６０】
なお、「ゲート電極」は通常、電位を意図的に制御することができるものをいうが、本明
細書等においては、電位の制御を意図的に行わない場合についても「ゲート電極」の称呼
を用いる。例えば、上述のように、絶縁され、フローティング状態にある導電層について
も「ゲート電極層」と呼ぶことがある。
【０１６１】
〈半導体装置の作製方法〉
次に、半導体装置の構成の一例であるトランジスタ１５０の作製方法について図７を参照
して説明する。
【０１６２】
まず、基板１００上にゲート電極層１０１ａを形成した後、該ゲート電極層１０１ａを覆
うように、ゲート絶縁層１０２を形成する。次に、ゲート絶縁層１０２上にゲート電極層
１０１ａと重畳するように酸化物半導体層１０６ａを形成した後、ソース電極層及びドレ
イン電極層１０８ａ、１０８ｂを形成する（図７（Ａ）参照）。ここまでの工程について
は、（図２及び図３）を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１６３】
次に、酸化物半導体層１０６ａ、ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂを
覆うように、酸素を含む絶縁層１１２を形成する（図７（Ｂ）参照）。酸素を含む絶縁層
１１２の材料および形成方法は、図４（Ａ）を参照すればよいため、詳細な説明は省略す
る。
【０１６４】
次に、酸化物半導体層１０６ａに対して、第２の熱処理を行うことが望ましい。第２の熱
処理を行うことによって、酸素を含む絶縁層１１２中の酸素を、酸化物半導体層１０６ａ
中に供給し、該酸化物半導体層１０６ａの酸素欠損を酸化して、ｉ型（真性半導体）また
はｉ型に限りなく近い酸化物半導体層１０６ａを形成することができる。また、第２の熱
処理を行うと、トランジスタの電気的特性のばらつきを軽減することができる。第２の熱
処理の条件については、実施の形態２を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１６５】
次に、酸素を含む絶縁層１１２上に、酸化物半導体層１０６ａと重畳するように、ゲート
電極層１１４を形成する（図７（Ｃ）参照）。ゲート電極層１１４の材料および形成方法
は、図６（Ｃ）のゲート電極層１１４を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。本
実施の形態では、ゲート電極層１１４は、いわゆるバックゲートとして機能する。
【０１６６】
次に、ゲート電極層１１４を覆うように、水素を含む絶縁層１１６を形成した後、絶縁層
１１８を形成する（図７（Ｄ）参照）。
【０１６７】
水素を含む絶縁層１１６の材料及び形成方法は、図４（Ｂ）の絶縁層１１６を参照すれば
よいため、詳細な説明は省略する。
【０１６８】
次に、酸化物半導体層１０６ａに対して第３の熱処理を行う。第３の熱処理の条件として
は、実施の形態２を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。第３の熱処理を行うこ
とによって、水素を含む絶縁層１１６中の水素は、少なくとも酸化物半導体層１０６ａに
、拡散または供給すると共に、酸化物半導体層１０６ａ中、酸化物半導体層１０６ａと酸
素を含む絶縁層１１２との界面、酸化物半導体層１０６ａと絶縁層１０２との界面、の少
なくとも一に含まれる欠陥または未結合手を終端する。これにより、酸化物半導体層１０
６ａの欠陥が低減する。この結果、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度が向上す
る。
【０１６９】
絶縁層１１８の材料及び形成方法は、図４（Ｃ）の絶縁層１１８を参照すればよいため、
詳細な説明は省略する。
【０１７０】
以上の工程により、酸化物半導体層１０６ａを用いたトランジスタ１５０が完成する。
【０１７１】
本実施の形態に係るトランジスタ１５０において、４００℃以上７５０℃以下、好ましく
は４００℃以上基板の歪み点未満で、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰
囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好まし
くは露点−５０℃以下）など）で第１の熱処理を行い、酸化物半導体層１０６ａの水素濃
度を低減する。次に、酸化物半導体層１０６ａに接する酸素を含む絶縁層１１２を形成し
た後、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の熱処理（好ましくは２００
℃以上４５０℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行い、酸化物半導体層１０６
ａの酸素欠損を酸化して、ｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層
１０６ａを形成する。次に、酸素を含む絶縁層１１２上に水素を含む絶縁層１１６を形成
し、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下で第３の熱処理を
行うことで、ゲート絶縁層１０２及び酸化物半導体層１０６ａの界面、酸化物半導体層１
０６ａ、及び酸化物半導体層１０６ａ及び酸素を含む絶縁層１１２の界面の少なくとも一
に、水素を含む絶縁層１１６中の水素を供給し、酸化物半導体層１０６ａに含まれる欠陥
または未結合手を水素で終端することで、トランジスタの特性改善を図ることができる。
【０１７２】
なお、第１の熱処理、第２の熱処理及び第３の熱処理の条件、または酸化物半導体層１０
６ａの材料によっては、酸化物半導体層１０６ａの一部が結晶化し、酸化物半導体層１０
６ａ中に微結晶または多結晶が形成される場合もある。このように、酸化物半導体層１０
６ａを、非晶質領域中に結晶領域を有する構造とすることによって、より電界効果移動度
及びオン電流の高いトランジスタとすることができる。酸化物半導体層１０６ａが非晶質
構造の場合は、複数の素子間における特性のばらつきを低減することができる。
【０１７３】
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。
【０１７４】
（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態に係る半導体装置の作製方法の他の一例について説明
する。
【０１７５】
まず、絶縁表面を有する基板上に導電層を成膜し、該導電層を選択的にエッチングするこ
とにより、ゲート電極層を形成する。次に、該ゲート電極層を覆うようにゲート絶縁層を
形成する。以上の工程については、実施の形態２と同様の方法で行えばよいので、当該箇
所を参照されたい。
【０１７６】
次に、該ゲート絶縁層上に、非晶質の酸化物半導体層を成膜し、エッチングなどの方法に
よって、島状の酸化物半導体層を形成する。これらの工程については、実施の形態２に記
載の方法で行うが、本実施の形態においては、当該工程における酸化物半導体層の熱処理
は行わない。
【０１７７】
次に、酸化物半導体層に接するように導電層を形成し、該導電層を選択的にエッチングし
て、ソース電極層及びドレイン電極層を形成する。以上の工程については、実施の形態２
と同様の方法で行えばよいので、当該箇所を参照されたい。
【０１７８】
次に、該酸化物半導体層の一部に接する絶縁層を形成する。ここで当該絶縁層は、後述の
工程において、水素を含む絶縁層から水素を拡散させて酸化物半導体層に供給できればよ
い。当該絶縁層は、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
、実施の形態２で示すように、酸素を含む絶縁層を形成し、熱処理を行って酸化物半導体
層に酸素を供給するようにしても良く、その場合、実施の形態２でしめすのと同様の方法
で行えばよい。
【０１７９】
次に、該絶縁層上に水素を含む絶縁層を形成した後、熱処理を行う。水素を含む絶縁層は
、ＣＶＤ法やスパッタリング法などを用いて形成することができる。また、水素を含む絶
縁層は、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニ
ウム層などの、水素を含む絶縁層を用いて形成するのが好適である。特に、シランと、窒
素を含む気体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとし
たＣＶＤ法により形成される窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層や、水素化アルミ
ニウムと、窒素を含む気体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも
原料ガスとしたＣＶＤ法により形成される窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層
は、水素原子を比較的多く含むため好ましい。
【０１８０】
当該熱処理は、窒素雰囲気下、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４
０℃以下とする。また、当該加熱処理は、窒素雰囲気下に限定されず、酸素雰囲気、希ガ
ス雰囲気、乾燥空気雰囲気で行えばよい。
【０１８１】
当該熱処理により、水素を含む絶縁層中の水素は、少なくとも、酸化物半導体層に拡散さ
れ、または供給されると共に、酸化物半導体層中、ゲート絶縁層及び酸化物半導体層の界
面、酸化物半導体層及び酸素を含む絶縁層の界面の少なくとも一に残存する欠陥または未
結合手を終端する。このため、酸化物半導体層の欠陥が低減し、トランジスタの特性改善
が成される。この結果、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度が向上する。
【０１８２】
以上より、水素を含む絶縁層に含まれる水素を拡散させて欠陥を終端させたトランジスタ
が完成する。
【０１８３】
なお、本実施の形態では、ボトムゲート型のトランジスタについて示したが、これに限ら
れるものではなく、トップゲート型のトランジスタとしてもよいし、いわゆるバックゲー
トを有する構造のトランジスタとしてもよい。
【０１８４】
本実施の形態で示す方法により、高い電界効果移動度及びオン電流を有するトランジスタ
を実現できる。
【０１８５】
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。
【０１８６】
（実施の形態６）
本実施の形態では、水素を供給してオン電流及び電界効果移動度を向上させたトランジス
タを作製し、該トランジスタを画素部、さらには駆動回路に用いて表示機能を有する半導
体装置（表示装置ともいう）を作製する場合について説明する。また、駆動回路の一部ま
たは全部を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することがで
きる。
【０１８７】
本実施の形態では、本発明の一形態である半導体装置として液晶表示装置の例を示す。ま
ず、半導体装置の一形態に相当する液晶表示パネルの外観及び断面について、図８を用い
て説明する。図８は、第１の基板４００１上に形成された、水素が供給された酸化物材料
を半導体層として含むトランジスタ４０１０、４０１１、及び液晶素子４０１３を、第２
の基板４００６との間にシール材４００５によって封止した、パネルの上面図であり、図
８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０１８８】
第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、信号線駆動回路４００３と、走査
線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また画素
部４００２と、信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４
００６が設けられている。よって画素部４００２、信号線駆動回路４００３、及び走査線
駆動回路４００４は、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とに
よって、液晶層４００８と共に封止されている。
【０１８９】
また、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、信号線駆動回路４００３と
、走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、図８（Ｂ）では、画素部
４００２に含まれるトランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトラン
ジスタ４０１１とを例示している。トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁層４０２
０、４０２１が設けられている。
【０１９０】
トランジスタ４０１０、４０１１は、先の実施の形態で示した水素が供給された酸化物半
導体層を含むトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジス
タ４０１０、４０１１はｎチャネル型トランジスタである。
【０１９１】
絶縁層４０２１上において、駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物半導体層のチャ
ネル形成領域と重なる位置に導電層４０４０が設けられている。導電層４０４０を酸化物
半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後における
トランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、導電層４
０４０は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていて
も良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層４０４０の電
位は、ＧＮＤ、０Ｖ、またはフローティング状態であってもよい。
【０１９２】
また、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０は、トランジスタ４０１０と電気的
に接続されている。そして液晶素子４０１３の対向電極層４０３１は第２の基板４００６
上に形成されている。画素電極層４０３０と対向電極層４０３１と液晶層４００８とが重
なっている部分が、液晶素子４０１３に相当する。なお、画素電極層４０３０、対向電極
層４０３１にはそれぞれ配向膜として機能する絶縁層４０３２、４０３３が設けられ、絶
縁層４０３２、４０３３を介して液晶層４００８を挟持している。
【０１９３】
なお、第２の基板４００６としては、ガラス、プラスチックを用いることができる。
【０１９４】
また、スペーサ４０３５は絶縁層を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペー
サであり、画素電極層４０３０と対向電極層４０３１との間の距離（セルギャップ）を制
御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていても良い。また、対向電極
層４０３１は、トランジスタ４０１０と同一絶縁基板上に設けられる共通電位線と電気的
に接続される。また、共通接続部を用いて、一対の基板間に配置される導電性粒子を介し
て対向電極層４０３１と共通電位線とを電気的に接続することができる。なお、導電性粒
子はシール材４００５に含有させる。
【０１９５】
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つで
あり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直
前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善
するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層４００８に
用いると良い。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍ
ｓｅｃ以下と短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さ
い。
【０１９６】
また、ブルー相を示す液晶を用いると、配向膜へのラビング処理も不要となるため、ラビ
ング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示
装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させるこ
とが可能となる。特に、酸化物半導体層を用いるトランジスタでは、静電気の影響により
トランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸
化物半導体層を用いるトランジスタを有する液晶表示装置にブルー相の液晶材料を用いる
ことはより効果的である。なお、ブルー相を用いる場合は、図８の構成に限らず、対向電
極層４０３１に相当する電極層が画素電極層４０３０と同じ基板側に形成された構造の、
所謂横電界モードの構成を用いても良い。
【０１９７】
なお、本実施の形態で示す液晶表示装置は透過型液晶表示装置の例であるが、反射型液晶
表示装置としても良いし、半透過型液晶表示装置としても良い。
【０１９８】
また、本実施の形態で示す液晶表示装置では、基板の外側（視認側）に偏光板を設け、内
側に着色層（カラーフィルタ）、表示素子に用いる電極層という順に設ける例を示すが、
偏光板は基板の内側に設けてもよい。また、偏光板と着色層の積層構造も本実施の形態に
限定されず、偏光板及び着色層の材料や作製工程条件によって適宜設定すればよい。また
、必要に応じてブラックマトリクスとして機能する遮光層を設けてもよい。
【０１９９】
また、本実施の形態では、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するため、及びトランジス
タの信頼性を向上させるため、トランジスタを保護層や平坦化絶縁層として機能する絶縁
層（絶縁層４０２０、絶縁層４０１４、絶縁層４０２１）で覆う構成となっている。なお
、保護層は、大気中に浮遊する有機物や金属物、水蒸気などの汚染不純物の侵入を防ぐた
めのものであり、緻密な膜が好ましい。保護層は、スパッタリング法を用いて、酸化珪素
層、窒化珪素層、酸化窒化珪素層、窒化酸化珪素層、酸化アルミニウム層、窒化アルミニ
ウム層、酸化窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層の単層、又は積層で形成
すればよい。
【０２００】
ここでは、保護層として絶縁層の積層を形成する。ここでは、一層目の絶縁層４０２０と
して、スパッタリング法を用いて酸化珪素層を形成する。保護層として酸化珪素層を用い
ると、保護層と接する酸化物半導体層に酸素を添加し、酸素欠損を低減することができる
。
【０２０１】
また、保護層の二層目として絶縁層４０１４を形成する。ここでは、二層目の絶縁層４０
１４として、プラズマＣＶＤ法を用いて水素を含む窒化珪素層を形成し、その後熱処理を
行って酸化物半導体層に水素を拡散させる。また、保護層として窒化珪素層を用いると、
ナトリウム等のイオンが半導体領域中に侵入して、トランジスタの電気特性を変化させる
ことを抑制することができる。
【０２０２】
また、平坦化絶縁層として絶縁層４０２１を形成する。絶縁層４０２１としては、ポリイ
ミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機
材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）
、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いる
ことができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層
４０２１を形成してもよい。
【０２０３】
画素電極層４０３０、対向電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物
、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、
酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、
インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する
導電性材料を用いることができる。
【０２０４】
また同一基板上に形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または
画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【０２０５】
本実施の形態では、接続端子電極４０１５が、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０
３０と同じ導電層から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１
のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電層で形成されている。
【０２０６】
接続端子電極４０１５は、ＦＰＣ４０１８が有する端子と、異方性導電層４０１９を介し
て電気的に接続されている。
【０２０７】
また、必要であれば、カラーフィルタを各画素に対応して設ける。また、第１の基板４０
０１と第２の基板４００６の外側には偏光板や拡散板を設ける。また、バックライトの光
源は冷陰極管やＬＥＤにより構成されて液晶表示モジュールとなる。
【０２０８】
液晶表示モジュールには、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉ
ｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓ
ｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａ
ｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇ
ｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ
Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂ
ｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉ
ｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑ
ｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０２０９】
以上の工程により、液晶表示装置を作製することができる。
【０２１０】
先の実施の形態に示す水素が供給された酸化物半導体層を用いたトランジスタは、高い電
界効果移動度を有するため、本実施の形態のように、これを用いて液晶表示装置を製造す
ることで、優れた表示特性の液晶表示装置が実現される。
【０２１１】
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。
【０２１２】
（実施の形態７）
半導体装置の一形態に相当する発光表示パネル（発光パネルともいう）の外観及び断面に
ついて、図９を用いて説明する。図９は、第１の基板上に形成された水素が供給された酸
化物半導体層を含むトランジスタ及び発光素子を、第２の基板との間にシール材によって
封止した、パネルの平面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＨ−Ｉにおける断面図に
相当する。
【０２１３】
第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０
３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂを囲むようにして、シール材４５０５
が設けられている。また画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び
走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂの上に第２の基板４５０６が設けられている。よ
って画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５
０４ａ、４５０４ｂは、第１の基板４５０１とシール材４５０５と第２の基板４５０６と
によって、充填材４５０７と共に密封されている。このように外気に曝されないように気
密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルムやカバー材でパッケージング（封入）すること
が好ましい。
【０２１４】
また第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４
５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、トランジスタを複数有してお
り、図９（Ｂ）では、画素部４５０２に含まれるトランジスタ４５１０と、信号線駆動回
路４５０３ａに含まれるトランジスタ４５０９とを例示している。
【０２１５】
トランジスタ４５０９、４５１０は、水素が供給された酸化物半導体層を含む移動度の高
いトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジスタ４５０９
、４５１０はｎチャネル型トランジスタである。
【０２１６】
絶縁層４５４４上において駆動回路用のトランジスタ４５０９の酸化物半導体層のチャネ
ル形成領域と重なる位置に導電層４５４０が設けられている。また、導電層４５４０は、
電位がトランジスタ４５０９のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第
２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層４５４０の電位は、ＧＮ
Ｄ、０Ｖ、またはフローティング状態であってもよい。
【０２１７】
トランジスタ４５０９は、保護絶縁層としてチャネル形成領域を含む半導体層に接して絶
縁層４５４１が形成されている。絶縁層４５４１は先の実施の形態で示した絶縁層１１２
と同様な材料及び方法で形成すればよい。また、絶縁層４５４１上に保護絶縁層４５１４
が形成されている。保護絶縁層４５１４は先の実施の形態で示した絶縁層１１６と同様な
材料及び方法で形成すればよい。ここでは、保護絶縁層４５１４として、ＰＣＶＤ法によ
り窒化珪素層を形成する。
【０２１８】
また、保護絶縁層４５１４上に、トランジスタの表面凹凸を低減する平坦化絶縁層として
機能する絶縁層４５４４を形成する。絶縁層４５４４としては、実施の形態６で示した絶
縁層４０２１と同様な材料及び方法で形成すればよい。ここでは、平坦化絶縁層４５４４
としてアクリルを用いる。
【０２１９】
また４５１１は発光素子に相当し、発光素子４５１１が有する画素電極である第１の電極
層４５１７は、トランジスタ４５１０のソース電極層またはドレイン電極層と電気的に接
続されている。なお発光素子４５１１の構成は、第１の電極層４５１７、電界発光層４５
１２、第２の電極層４５１３の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子
４５１１から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１１の構成は適宜変えるこ
とができる。
【０２２０】
隔壁４５２０は、有機樹脂層、無機絶縁層または有機ポリシロキサンを用いて形成する。
特に感光性の材料を用い、第１の電極層４５１７上に開口部を形成し、その開口部の側壁
が連続した曲率を有する傾斜面となるようにすることが好ましい。
【０２２１】
電界発光層４５１２は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成
されていても良い。
【０２２２】
発光素子４５１１に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層
４５１３及び隔壁４５２０上に保護層を形成してもよい。保護層としては、窒化珪素層、
窒化酸化珪素層、ＤＬＣ層等を形成することができる。
【０２２３】
また、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂ
、または画素部４５０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４５１８ａ、４５１８
ｂから供給されている。
【０２２４】
接続端子電極４５１５が、発光素子４５１１が有する第１の電極層４５１７と同じ導電層
から形成され、端子電極４５１６は、トランジスタ４５０９、４５１０が有するソース電
極層及びドレイン電極層と同じ導電層から形成されている。
【０２２５】
接続端子電極４５１５は、ＦＰＣ４５１８ａが有する端子と、異方性導電層４５１９を介
して電気的に接続されている。
【０２２６】
発光素子４５１１からの光の取り出し方向に位置する基板は透光性でなければならない。
その場合には、ガラス板、プラスチック板、ポリエステルフィルムまたはアクリルフィル
ムのような透光性を有する材料を用いる。
【０２２７】
また、充填材４５０７としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹
脂または熱硬化樹脂を用いることができ、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ＥＶ
Ａ（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。
【０２２８】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、
位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよ
い。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により
反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
【０２２９】
以上の工程により、発光表示装置（表示パネル）を作製することができる。
【０２３０】
先の実施の形態に示す水素が供給された酸化物半導体層を用いたトランジスタは、高い電
界効果移動度を有するため、本実施の形態のように、これを用いて発光表示装置を製造す
ることで、優れた表示特性の発光表示装置が実現される。
【０２３１】
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。
【０２３２】
（実施の形態８）
半導体装置の一形態として電子ペーパーの例を示す。
【０２３３】
水素を供給してオン電流及び電界効果移動度を向上させたトランジスタは、スイッチング
素子と電気的に接続する素子を利用して電子インクを駆動させる電子ペーパーに用いても
よい。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）とも呼ばれており、
紙と同じように読みやすく、他の表示装置に比べ低消費電力化、薄型化、軽量化が可能と
いう利点を有している。
【０２３４】
電気泳動ディスプレイは、様々な形態が考えられ得るが、例えば、プラスの電荷を有する
第１の粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒また
は溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、
マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみ
を表示する構成とすることができる。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、
電界がない場合において移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色
は異なるもの（無色を含む）とする。
【０２３５】
このように、電気泳動ディスプレイは、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、
いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
【０２３６】
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。
【０２３７】
また、アクティブマトリクス基板上に適宜、二つの電極の間に挟まれるように上記マイク
ロカプセルを複数配置すればアクティブマトリクス型の表示装置が完成し、マイクロカプ
セルに電界を印加すれば表示を行うことができる。アクティブマトリクス基板としては、
例えば、先の実施の形態で示す水素が供給されたトランジスタを用いたアクティブマトリ
クス基板を用いることができる。
【０２３８】
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、
半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレク
トロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を
用いて形成することができる。
【０２３９】
図１０には、半導体装置の例として、アクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。半
導体装置に用いられるトランジスタ５８１は、先の実施の形態で示すトランジスタと同様
に作製でき、水素が供給された移動度の高いトランジスタである。また、絶縁層５８４は
、水素を含む絶縁膜であり、酸化物半導体材料に水素を供給するために設けられている。
【０２４０】
図１０の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。ツイス
トボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用いる電極層であ
る第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差
を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【０２４１】
基板５８０上のトランジスタ５８１はボトムゲート構造のトランジスタであり、半導体層
と接する絶縁層５８３に覆われている。トランジスタ５８１のソース電極層又はドレイン
電極層は、第１の電極層５８７と、絶縁層５８３、５８４、５８５に形成された開口にお
いて電気的に接続している。第１の電極層５８７と基板５９６に設けられた第２の電極層
５８８との間には、球形粒子が存在する。球形粒子は、黒色領域５９０ａ及び白色領域５
９０ｂを有し、その周りに液体で満たされているキャビティ５９４を含む。また、キャビ
ティ５９４の周囲は樹脂等の充填材５９５で充填されている（図１０参照。）。
【０２４２】
また、第１の電極層５８７が画素電極に相当し、第２の電極層５８８が共通電極に相当す
る。第２の電極層５８８は、トランジスタ５８１と同一絶縁基板上に設けられる共通電位
線と電気的に接続される。共通接続部を用いて、一対の基板間に配置される導電性粒子を
介して第２の電極層５８８と共通電位線とを電気的に接続することができる。
【０２４３】
また、ツイストボールの代わりに、電気泳動素子を用いることも可能である。透明な液体
と、正に帯電した白い微粒子と負に帯電した黒い微粒子とを封入した直径１０μｍ〜２０
０μｍ程度のマイクロカプセルを用いる。第１の電極層と第２の電極層との間に設けられ
るマイクロカプセルは、第１の電極層と第２の電極層によって、電場が与えられると、白
い微粒子と、黒い微粒子が逆の方向に移動し、白または黒を表示することができる。この
原理を応用した表示素子が電気泳動表示素子であり、一般的に電子ペーパーとよばれてい
る。電気泳動表示素子は、液晶表示素子に比べて反射率が高いため、補助ライトは不要で
あり、また消費電力が小さく、薄暗い場所でも表示部を認識することが可能である。また
、表示部に電源が供給されない場合であっても、一度表示した像を保持することが可能で
あるため、電波発信源から表示機能付き半導体装置（単に表示装置、又は表示装置を具備
する半導体装置ともいう）を遠ざけた場合であっても、表示された像を保存しておくこと
が可能となる。
【０２４４】
以上の工程により、電子ペーパーを作製することができる。
【０２４５】
本実施の形態では、先の実施の形態に示すトランジスタを用いて、いわゆる電子ペーパー
を作製している。当該トランジスタは、高い電界効果移動度を有するため、これを用いて
電子ペーパーを製造することで、優れた表示特性の電子ペーパーが実現される。
【０２４６】
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。
【０２４７】
（実施の形態９）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用すること
ができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン
受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメ
ラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型
ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられ
る。
【０２４８】
本実施の形態では、実施の形態６乃至８のいずれか一で得られる表示装置を搭載した電子
機器の例について図１１及び図１２を用いて説明する。
【０２４９】
図１１（Ａ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製したノート型のパーソ
ナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００２、表示部３００３、キーボード３
００４などによって構成されている。なお、実施の形態６に示す液晶表示装置をノート型
のパーソナルコンピュータは有している。
【０２５０】
図１１（Ｂ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製した携帯情報端末（Ｐ
ＤＡ）であり、本体３０２１には表示部３０２３と、外部インターフェイス３０２５と、
操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用の付属品としてスタイラス３０２２
がある。なお、実施の形態７に示す発光表示装置を携帯情報端末は有している。
【０２５１】
図１１（Ｃ）は実施の形態８に示す電子ペーパーを一部品として実装して作製した電子書
籍である。図１１（Ｃ）は、電子書籍２７００を示している。例えば、電子書籍２７００
は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１およ
び筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開
閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが
可能となる。
【０２５２】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み
込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成として
もよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とするこ
とで、例えば右側の表示部（図１１（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の
表示部（図１１（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。
【０２５３】
また、図１１（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、
筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカ２７２５などを備え
ている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面
にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏
面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵ
ＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える
構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構成
としてもよい。
【０２５４】
また、電子書籍２７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、
電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすること
も可能である。
【０２５５】
図１１（Ｄ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製した携帯電話であり、
筐体２８００及び筐体２８０１の二つの筐体で構成されている。筐体２８０１には、表示
パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフォン２８０４、ポインティングデバイ
ス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端子２８０８などを備えている。また、
筐体２８００には、携帯型情報端末の充電を行う太陽電池セル２８１０、外部メモリスロ
ット２８１１などを備えている。また、アンテナは筐体２８０１内部に内蔵されている。
【０２５６】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図１１（Ｄ）には映像表示され
ている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力
される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０２５７】
表示パネル２８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル
２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能であ
る。スピーカー２８０３及びマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電話、
録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１は、スライドし、図
１１（Ｄ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適
した小型化が可能である。
【０２５８】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能
であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部
メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応でき
る。
【０２５９】
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。
【０２６０】
図１１（Ｅ）は少なくとも表示装置を一部品として実装して作製したデジタルカメラであ
り、本体３０５１、表示部（Ａ）３０５７、接眼部３０５３、操作スイッチ３０５４、表
示部（Ｂ）３０５５、バッテリー３０５６などによって構成されている。
【０２６１】
図１２は、テレビジョン装置９６００を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体
９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示する
ことが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構
成を示している。
【０２６２】
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモ
コン操作機９６１０により行うことができる。リモコン操作機９６１０が備える操作キー
９６０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９６０３に表示され
る映像を操作することができる。また、リモコン操作機９６１０に、当該リモコン操作機
９６１０から出力する情報を表示する表示部９６０７を設ける構成としてもよい。
【０２６３】
なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機に
より一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線に
よる通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向
（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０２６４】
表示部９６０３には、画素のスイッチング素子として、先の実施の形態に示すトランジス
タを複数配置し、その表示部９６０３と同一絶縁基板上に形成する駆動回路として先の実
施の形態に示す移動度の高いトランジスタを配置する。
【０２６５】
本実施の形態は、実施の形態１乃至８のいずれか一と自由に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０２６６】
１００ 基板
１０１ 導電層
１０２ 絶縁層
１０６ 酸化物半導体層
１０８ 導電層
１１２ 絶縁層
１１３ 絶縁層
１１６ 絶縁層
１１４ ゲート電極層
１１８ 絶縁層
１５０ トランジスタ
１０１ａ ゲート電極層
１０６ａ 酸化物半導体層
１０８ａ ドレイン電極層
５８０ 基板
５８１ トランジスタ
５８３ 絶縁層
５８４ 絶縁層
５８７ 電極層
５８８ 電極層
５９４ キャビティ
５９５ 充填材
５９６ 基板
２７００ 電子書籍
２７０１ 筐体
２７０３ 筐体
２７０５ 表示部
２７０７ 表示部
２７１１ 軸部
２７２１ 電源
２７２３ 操作キー
２７２５ スピーカ
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
４０１４ 絶縁層
４０１５ 接続端子電極
４０１６ 端子電極
４０１８ ＦＰＣ
４０１９ 異方性導電層
４０２０ 絶縁層
４０２１ 絶縁層
４０３０ 画素電極層
４０３１ 対向電極層
４０３２ 絶縁層
４０４０ 導電層
４５０１ 基板
４５０２ 画素部
４５０５ シール材
４５０６ 基板
４５０７ 充填材
４５０９ トランジスタ
４５１０ トランジスタ
４５１１ 発光素子
４５１２ 電界発光層
４５１３ 電極層
４５１４ 保護絶縁層
４５１５ 接続端子電極
４５１６ 端子電極
４５１７ 電極層
４５１９ 異方性導電層
４５２０ 隔壁
４５４０ 導電層
４５４１ 絶縁層
４５４４ 絶縁層
５９０ａ 黒色領域
５９０ｂ 白色領域
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０３ 表示部
９６０５ スタンド
９６０７ 表示部
９６０９ 操作キー
９６１０ リモコン操作機
４５０３ａ 信号線駆動回路
４５０４ａ 走査線駆動回路
４５１８ａ ＦＰＣ
【技術分野】
【０００１】
トランジスタなどの半導体素子を少なくとも一つの素子として含む回路を有する半導体装
置およびその作製方法に関する。例えば、電源回路に搭載されるパワーデバイスや、メモ
リ、サイリスタ、コンバータ、イメージセンサなどを含む半導体集積回路や、液晶表示パ
ネルに代表される電気光学装置や有機発光素子を有する発光表示装置を部品として搭載し
た電子機器に関する。
【０００２】
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置
全般を指し、電気光学装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
【背景技術】
【０００３】
液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等に形成されるトランジスタはアモルファ
スシリコン、多結晶シリコンなどによって構成されている。アモルファスシリコンを用い
たトランジスタは電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化に対応することがで
きる。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタの電界効果移動度は高いがガラス基板
の大面積化には適していないという欠点を有している。
【０００４】
シリコンを用いたトランジスタに対して、酸化物半導体を用いてトランジスタを作製し、
電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば酸化物半導体として
、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物を用いてトランジスタを作製し、表示装置の
画素のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献１および特許文献２で開示されてい
る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
また、大型の表示装置が普及しつつある。家庭用のテレビにおいても表示画面の対角が４
０インチから５０インチクラスのテレビも普及し始めている。
【０００７】
従来の酸化物半導体を用いたトランジスタの電界効果移動度は１０〜２０ｃｍ２／Ｖｓが
得られている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルファスシリコンのトランジ
スタの１０倍以上の電界効果移動度が得られるため、大型の表示装置においても画素のス
イッチング素子としては十分な性能が得られる。
【０００８】
しかし、酸化物半導体を用いたトランジスタを半導体装置の駆動デバイス、例えば大型の
表示装置等の駆動回路の一つのスイッチング素子として用いるには限界があった。
【０００９】
本発明の一態様は、基板の大面積化を可能とするとともに、特性の改善された酸化物半導
体層を形成し、所望の高い電界効果移動度を有するトランジスタを製造可能とし、大型の
表示装置や高性能の半導体装置等の実用化を図ることを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様において、チャネル形成領域に酸化物半導体層を用いたトランジスタにお
いて、酸化物半導体層に接する酸素を含む絶縁層と、酸素を含む絶縁層に接する水素を含
む絶縁層とを積層し、ゲート絶縁層及び酸化物半導体層の界面、酸化物半導体層、及び酸
化物半導体層と酸素を含む絶縁層の界面の少なくとも一に、水素を含む絶縁層中の水素を
供給して、トランジスタの特性改善を図ることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート
電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に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及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、
及びドレイン電極層上に絶縁層を形成し、絶縁層上に水素を含む絶縁層を形成した後、加
熱処理を行うことにより、水素を含む絶縁層中の水素を少なくとも酸化物半導体層に供給
することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００１２】
また、本発明の他の一態様は、絶縁層の形成後、該絶縁層上であり、且つゲート電極層と
重なる領域にバックゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法である
。
【００１３】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート
電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に酸化物半導体層を形成し、酸化物半
導体層の一部上に、チャネル保護層として機能する絶縁層を形成し、酸化物半導体層及び
絶縁層上に、ソース電極層及びドレイン電極層を形成し、絶縁層、ソース電極層、及びド
レイン電極層上に、水素を含む絶縁層を形成した後、加熱処理を行うことにより、水素を
含む絶縁層中の水素を少なくとも酸化物半導体層に供給することを特徴とする半導体装置
の作製方法である。
【００１４】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上に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及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、及びドレイン電極層上に、ゲート絶縁層として機能する絶縁層を形成し、絶縁層上に
ゲート電極層を形成し、絶縁層及びゲート電極層上に、水素を含む絶縁層を形成した後、
加熱処理を行うことにより、少なくとも水素を含む絶縁層中の水素を酸化物半導体層に供
給することを特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００１５】
また、本発明の一態様において、チャネル形成領域に酸化物半導体層を用いたトランジス
タにおいて、酸化物半導体層の水素濃度を低減した後、酸化物半導体層に接する酸素を含
む絶縁層を形成し、加熱処理して酸化物半導体層の酸素欠損を酸化して、ｉ型（真性半導
体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層を形成した後、酸素を含む絶縁層上に水素
を含む絶縁層を形成し、ゲート絶縁層及び酸化物半導体層の界面、酸化物半導体層、及び
酸化物半導体層及び酸素を含む絶縁層の界面の少なくとも一に、水素を含む絶縁層中の水
素を供給して、トランジスタの特性改善を図ることを特徴とする。なお、本明細書におい
て、ｉ型とはキャリア密度が１×１０１２ｃｍ−３未満、好ましくは１．４５×１０１０
ｃｍ−３未満であることをいうものとする。
【００１６】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート
電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に酸化物半導体層を形成した後、第１
の加熱処理により酸化物半導体層中の水素濃度を低減し、酸化物半導体層上にソース電極
層及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、及びドレイン電極層上
に酸素を含む絶縁層を形成した後、第２の加熱処理により酸化物半導体層に酸素を供給し
、酸素を含む絶縁層上に水素を含む絶縁層を形成した後、第３の加熱処理を行うことによ
り、水素を含む絶縁層中の水素を少なくとも酸化物半導体層に供給することを特徴とする
半導体装置の作製方法である。
【００１７】
また、本発明の他の一態様は、酸素を含む絶縁層の形成後、該酸素を含む絶縁層上であり
、且つゲート電極層と重なる領域にバックゲート電極を形成することを特徴とする半導体
装置の作製方法である。
【００１８】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層を形成し、ゲート
電極層上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に酸化物半導体層を形成した後、第１
の加熱処理により酸化物半導体層中の水素濃度を低減し、酸化物半導体層の一部上に、チ
ャネル保護層として機能する酸素を含む絶縁層を形成した後、第２の加熱処理により酸化
物半導体層に酸素を供給し、酸化物半導体層及び酸素を含む絶縁層上に、ソース電極層及
びドレイン電極層を形成し、酸素を含む絶縁層、ソース電極層、及びドレイン電極層上に
水素を含む絶縁層を形成した後、第３の加熱処理を行うことにより、水素を含む絶縁層中
の水素を少なくとも酸化物半導体層に供給することを特徴とする半導体装置の作製方法で
ある。
【００１９】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上に酸化物半導体層を形成した後、
第１の加熱処理により酸化物半導体層中の水素濃度を低減し、酸化物半導体層上にソース
電極層及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、及びドレイン電極
層上に、ゲート絶縁層として機能する酸素を含む絶縁層を形成した後、第２の加熱処理に
より酸化物半導体層に酸素を供給し、酸素を含む絶縁層上にゲート電極層を形成し、酸素
を含む絶縁層及びゲート電極層上に、水素を含む絶縁層を形成した後、第３の加熱処理を
行うことにより、少なくとも水素を含む絶縁層中の水素を酸化物半導体層に供給すること
を特徴とする半導体装置の作製方法である。
【００２０】
酸化物半導体層に接する酸素を含む絶縁層上に、水素を含む絶縁層を形成した後、１５０
℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下で加熱処理することで、ゲー
ト絶縁層及び酸化物半導体層の界面、酸化物半導体層、及び酸化物半導体層及び酸素を含
む絶縁層の界面の少なくとも一に、水素を含む絶縁層の水素を供給することが可能であり
、当該供給された水素は、酸化物半導体層に含まれる欠陥または未結合手を水素で終端す
ることが可能である。この結果、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を高めるこ
とが可能である。
【００２１】
なお、加熱処理は、炉での熱処理、またはラピッドサーマルアニール法（ＲＴＡ法）を用
いる。ＲＴＡ法は、ランプ光源を用いる方法と、加熱されたガス中に基板を移動させて短
時間の熱処理を行う方法がある。ＲＴＡ法を用いると熱処理に要する時間を０．１時間よ
りも短時間とすることもできる。
【００２２】
酸素を含む絶縁層は、スパッタリング法またはＣＶＤ法により形成される酸化シリコン層
、または酸化窒化シリコン層が好ましく、特にスパッタリング法により形成される酸化シ
リコン層がより好ましい。
【００２３】
水素を含む絶縁層は、スパッタリング法またはＣＶＤ法により形成される窒化シリコン層
、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層が好ましい。特に
、シランと、窒素を含む気体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくと
も原料ガスとしたＣＶＤ法により形成される窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層は
比較的水素原子を多く含むため好ましい。また、水素化アルミニウムと、窒素を含む気体
とを少なくとも原料ガスとしたＣＶＤ法により形成される窒化アルミニウム層、窒化酸化
アルミニウム層は、比較的水素原子を多く含むため好ましい。なお、本明細書において、
水素を含む絶縁層とは、酸化物半導体層に接する絶縁層と比較して多くの水素を含む絶縁
層をいう。例えば、水素を含む絶縁層中の水素濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
以上１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。
【００２４】
酸化物半導体層は金属酸化物であり、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−
Ｏ系や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉ
ｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ
−Ｚｎ−Ｏ系や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−
Ｚｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系や、Ｉｎ−Ｏ系、
Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系などを用いることができる。
【００２５】
酸化物半導体層は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される材料を用いることが
できる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数の金属元
素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏな
どがある。
【００２６】
また、酸化物半導体層は、Ｉｎ−ＭＸ−ＺｎＹ−ＯＺ（Ｙ＝０．５〜５）で表現される酸
化物半導体材料を用いても良い。ここで、Ｍは、ガリウム（Ｇａ）やアルミニウム（Ａｌ
）やボロン（Ｂ）などの１３族元素から選択される一または複数種類の元素を表す。なお
、Ｉｎ、Ｍ、Ｚｎ、及びＯの含有量は任意であり、Ｍの含有量がゼロ（即ち、Ｘ＝０）の
場合を含む。一方、ＩｎおよびＺｎの含有量はゼロではない。すなわち、上述の表記には
、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−ＯやＩｎ−Ｚｎ−Ｏなどが含まれる。
【００２７】
酸化物半導体層は、非晶質構造や、非晶質領域中に結晶領域を有する構造とすることがで
きる。酸化物半導体層を非晶質構造とすることで、複数の素子間における特性のばらつき
を低減することができる。また、酸化物半導体層を非晶質領域中に結晶領域を有する構造
とすることで、より電界効果移動度及びオン電流の高いトランジスタとすることができる
。
【００２８】
また、チャネル形成領域に酸化物半導体層を用いたトランジスタにおいて、４００℃以上
７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満で、水素及び水分をほとんど含
まない雰囲気下（窒素雰囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露
点−４０℃以下、好ましくは露点−５０℃以下）など）で第１の加熱処理を行い、酸化物
半導体層の水素濃度を低減する。次に、酸化物半導体層に接する酸素を含む絶縁層を形成
した後、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の加熱処理（好ましくは２
００℃以上４５０℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行い、酸化物半導体層の
酸素欠損に酸素を供給して、ｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体
層を形成する。次に、酸素を含む絶縁層上に水素を含む絶縁層を形成し、１５０℃以上４
５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下で第３の加熱処理を行うことで、ゲー
ト絶縁層及び酸化物半導体層の界面、酸化物半導体層、及び酸化物半導体層及び酸素を含
む絶縁層の界面の少なくとも一に、水素を含む絶縁層中の水素を供給し、酸化物半導体層
に含まれる欠陥または未結合手を水素で終端して、トランジスタの特性改善を図ることが
できる。
【００２９】
第１の加熱処理において、酸化物半導体層に含まれる水分、水素などの不純物を低減し高
純度化することにより、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とす
ることができる。ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い酸化物半導体層に含まれる
水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による測定値では、１×１０１８ｃｍ−３以下、好ましく
は１×１０１６ｃｍ−３以下、さらには実質的には０である。また、ｉ型（真性半導体）
又はｉ型に限りなく近い酸化物半導体のキャリア密度は、ホール効果測定またはＣＶ測定
（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）による測定値で
は１×１０１２ｃｍ−３未満、さらに好ましくは１．４５×１０１０ｃｍ−３未満である
。即ち、酸化物半導体層のキャリア密度は、限りなくゼロに近い。また、ｉ型（真性半導
体）又はｉ型に限りなく近い酸化物半導体のバンドギャップは２ｅＶ以上、好ましくは２
．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。
【００３０】
具体的に、上述したように高純度化された酸化物半導体層をチャネル形成領域に用いたト
ランジスタは、例えば、チャネル幅Ｗが１×１０４μｍでチャネル長が３μｍの素子であ
っても、オフ電流が１０−１３Ａ以下、サブスレッショルドスイング値（Ｓ値）が０．１
Ｖ／ｄｅｃ．程度（ゲート絶縁層厚１００ｎｍ）の特性が得られる。従って、ゲート電極
層とソース電極層間の電圧がほぼ０の状態におけるオフ電流、すなわちリーク電流が、結
晶性を有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく低い。なお、本明細書におい
て、オフ電流とは、例えば、Ｎチャネル型トランジスタの場合、ゲート−ソース間の電圧
が−５Ｖのときのソース−ドレイン間の電流をいうものとする。
【００３１】
また、本発明の他の一態様は、絶縁表面を有する基板上にゲート電極層と、ゲート電極層
上にゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に酸化物半導体層と、酸化物半導体層上にソース電
極層またはドレイン電極層と、酸化物半導体層上に接する、酸素を含む絶縁層と、酸素を
含む絶縁層上に接する、水素を含む絶縁層と、を有する半導体装置である。
【００３２】
トランジスタは、ボトムゲート型であっても良いし、トップゲート型であっても良いし、
ボトムコンタクト型であっても良い。ボトムゲート型トランジスタは、基板上のゲート電
極層と、ゲート電極層上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上においてゲート電極層と重な
る酸化物半導体層と、酸化物半導体層上のソース電極層及びドレイン電極層とを有する。
【００３３】
トップゲート型トランジスタは、基板上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層上のゲート
絶縁層と、ゲート絶縁層上において酸化物半導体層と重なるゲート電極層と、ソース電極
層及びドレイン電極層とを有する。
【００３４】
ボトムコンタクト型トランジスタは、基板上のゲート電極層と、ゲート電極層上のゲート
絶縁層と、ゲート絶縁層上のソース電極層及びドレイン電極層と、ソース電極層及びドレ
イン電極層上にあり、なおかつゲート絶縁層上においてゲート電極層と重なる酸化物半導
体層とを有する。
【発明の効果】
【００３５】
トランジスタのオン電流及び電界効果移動度を向上させることができる。また、オフ電流
を低減し且つオン電流を向上させることで、トランジスタのオンオフ比を向上させること
ができる。このようなトランジスタを用いて大型の表示装置や高性能の半導体装置等を実
現する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一態様を示す断面図である。
【図２】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図３】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図４】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図５】本発明の一態様を示す断面図である。
【図６】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図７】本発明の一態様を示す断面工程図である。
【図８】本発明の一態様を示す上面図及び断面図である。
【図９】本発明の一態様を示す上面図及び断面図である。
【図１０】本発明の一態様を示す断面図である。
【図１１】電子機器の一例を示す図である。
【図１２】電子機器の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び
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。
【００３８】
なお本発明は、マイクロプロセッサ、画像処理回路などの集積回路や、ＲＦタグ、半導体
表示装置等、ありとあらゆる半導体装置の作製に用いることができる。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意味し、半導体表示装置、半導体回路
および電子機器は全て半導体装置である。半導体表示装置は、液晶表示装置、有機発光素
子（ＯＬＥＤ）に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ
（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ
Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａ
ｙ）等や、半導体素子を用いた回路素子を駆動回路に有しているその他の半導体表示装置
がその範疇に含まれる。
【００３９】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置が有する、トランジスタの構造につ
いて説明する。また、本実施の形態では、トランジスタとして、逆スタガ型トランジスタ
について説明する。
【００４０】
図１に示すトランジスタ１５０は、基板１００上にゲート電極層１０１ａが形成され、ゲ
ート電極層１０１ａ上にゲート絶縁層１０２が形成される。ゲート絶縁層１０２上に、チ
ャネル形成領域として酸化物半導体層１０６ａが形成され、酸化物半導体層１０６ａ上に
ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂが形成される。ソース電極層及びド
レイン電極層１０８ａ、１０８ｂ、並びに酸化物半導体層１０６ａ上に、酸素を含む絶縁
層１１２が形成される。酸素を含む絶縁層１１２は、酸化物半導体層１０６ａのバックチ
ャネルにおいて酸化物半導体層１０６ａに接する。酸素を含む絶縁層１１２に接して水素
を含む絶縁層１１６が形成される。水素を含む絶縁層１１６上には、平坦化膜として機能
する層間絶縁層１１８が形成されてもよい。本実施の形態で説明するトランジスタ１５０
は、酸化物半導体層１０６ａに接する酸素を含む絶縁層１１２と、酸素を含む絶縁層１１
２に接する水素を含む絶縁層１１６とを有することを特徴とする。
【００４１】
基板１００は、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必
要となる。基板１００としては、例えば、フュージョン法やフロート法で作製されるガラ
ス基板を用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には
、歪み点が７３０℃以上のものを用いると良い。また、ガラス基板には、例えば、アルミ
ノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラ
ス材料が用いられている。なお、酸化ホウ素と比較して酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含
ませることで、より実用的な耐熱ガラスが得られるため、Ｂ２Ｏ３よりＢａＯを多く含む
ガラス基板を用いることが好ましい。
【００４２】
なお、上記のガラス基板に代えて、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などの絶
縁体でなる基板を用いてもよい。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる。また
、ステンレス合金などの金属基板の表面に絶縁層を設けた基板を適用しても良い。
【００４３】
また、プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、耐熱温度が一般的に低
い傾向にあるが、後の作製工程における処理温度に耐え得るのであれば、基板１００とし
て用いることが可能である。プラスチック基板として、ポリエチレンテレフタレート（Ｐ
ＥＴ）に代表されるポリエステル、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフ
タレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥ
Ｋ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡ
Ｒ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリイミド、アクリロニトリルブタジエ
ンスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリ酢酸ビニル、アクリル樹脂など
が挙げられる。
【００４４】
ゲート電極層１０１ａの材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン
、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料を用い
た導電層、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、
後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてア
ルミニウム、銅を用いることもできる。アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題
を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料として
は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等
を用いることができる。
【００４５】
例えば、二層の積層構造を有するゲート電極層１０１ａとして、アルミニウム層上にモリ
ブデン層が積層された二層の積層構造、または銅層上にモリブデン層を積層した二層構造
、または銅層上に窒化チタン層若しくは窒化タンタル層を積層した二層構造、窒化チタン
層とモリブデン層とを積層した二層構造とすることが好ましい。三層の積層構造を有する
ゲート電極層１０１ａとしては、アルミニウム層、アルミニウムとシリコンの合金層、ア
ルミニウムとチタンの合金層またはアルミニウムとネオジムの合金層を中間層とし、タン
グステン層、窒化タングステン層、窒化チタン層またはチタン層を上下層として積層した
構造とすることが好ましい。
【００４６】
また、ゲート電極層１０１ａに酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ合金、酸化イン
ジウム酸化亜鉛合金、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、また
は酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電層を用いることで、表示装置の画素部
の開口率を向上させることができる。ゲート電極層１０１ａの厚さは、１０ｎｍ〜４００
ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍとする。
【００４７】
ゲート絶縁層１０２は、酸化珪素層、窒化珪素層、酸化窒化珪素層、窒化酸化珪素層、酸
化アルミニウム層、窒化アルミニウム層、酸化窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウ
ム層、または酸化タンタル層を単層でまたは積層させて形成することができる。ゲート絶
縁層１０２の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とするこ
とができる。
【００４８】
また、ゲート絶縁層１０２として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加
されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−
ｋ材料を用いることでゲートリークを低減できる。さらには、ｈｉｇｈ−ｋ材料と、酸化
シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、または酸化ア
ルミニウム層のいずれか一以上との積層構造とすることができる。
【００４９】
また、ゲート絶縁層１０２として、μ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶ
Ｄ法により形成される、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁層を用いることで、酸化物半
導体層１０６ａとゲート絶縁層１０２との界面準位を低減して界面特性を良好なものとす
ることができるため好ましい。
【００５０】
また、ゲート絶縁層１０２として、バリア性の高い材料を用いた絶縁層と、含まれる窒素
の比率が低い酸化珪素層、酸化窒化珪素層などの絶縁層とを積層させた構造としてもよい
。この場合、酸化珪素層、酸化窒化珪素層などの絶縁層は、バリア性を有する絶縁層と酸
化物半導体層の間に形成する。バリア性の高い絶縁層として、例えば窒化珪素層、窒化酸
化珪素層、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がある。バリア性を
有する絶縁層を用いることで、水分または水素などの雰囲気中不純物、或いは基板内に含
まれるアルカリ金属、重金属などの不純物が、ゲート絶縁層１０２、酸化物半導体層１０
６ａ、或いは、酸化物半導体層１０６ａと他の絶縁層の界面とその近傍に入り込むのを防
ぐことができる。また、酸化物半導体層１０６ａに接するように窒素の比率が低い酸化珪
素層、酸化窒化珪素層などの絶縁層を形成することで、バリア性の高い材料を用いた絶縁
層が直接酸化物半導体層に接するのを防ぐことができる。
【００５１】
酸化物半導体層１０６ａは金属酸化物であり、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ
−Ｚｎ−Ｏ系や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−
Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓ
ｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系
、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系や、Ｉｎ
−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系などを用いることができる。
【００５２】
酸化物半導体層１０６ａは、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される材料を用い
ることができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数
の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及
びＣｏなどがある。
【００５３】
また、酸化物半導体層１０６ａは、Ｉｎ−ＭＸ−ＺｎＹ−ＯＺ（Ｙ＝０．５〜５）で表現
される酸化物半導体材料を用いても良い。ここで、Ｍは、ガリウム（Ｇａ）やアルミニウ
ム（Ａｌ）やボロン（Ｂ）などの１３族元素から選択される一または複数種類の元素を表
す。なお、Ｉｎ、Ｍ、Ｚｎ、及びＯの含有量は任意であり、Ｍの含有量がゼロ（即ち、Ｘ
＝０）の場合を含む。一方、ＩｎおよびＺｎの含有量はゼロではない。すなわち、上述の
表記には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−ＯやＩｎ−Ｚｎ−Ｏなどが含まれる。
【００５４】
酸化物半導体層１０６ａは、結晶成分を含まない非晶質構造や、非晶質領域中に結晶領域
を有する構造とすることができる。非晶質領域中に結晶領域を有する構造としては、代表
的には非晶質領域中に粒径１ｎｍ以上２０ｎｍ以下（代表的には２ｎｍ以上４ｎｍ以下）
の結晶領域を有する。酸化物半導体層１０６ａを非晶質構造とすることで、複数の素子間
における特性のばらつきを低減することができる。
【００５５】
ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂは、アルミニウム、クロム、銅、タ
ンタル、チタン、モリブデン、タングステン、イットリウムから選ばれた金属元素、また
は上述した金属元素を成分とする合金、上述した金属元素を組み合わせた合金などで形成
する。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複
数から選択された金属元素を用いることができる。また、ソース電極層及びドレイン電極
層１０８ａ、１０８ｂは、単層構造、または二層以上の積層構造とすることができる。例
えば、シリコンを含むアルミニウム層の単層構造、アルミニウム層上にチタン層を積層す
る二層構造、タングステン層上にチタン層を積層する二層構造、チタン層と、そのチタン
層上に重ねてアルミニウム層を積層し、さらにその上にチタン層を形成する三層構造など
がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム
、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を単数、または複数組み合わせた層を用いて
もよい。また、それらの合金層または窒化物層を用いても良い。
【００５６】
また、ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂとして、インジウム錫酸化物
層、酸化タングステンを含むインジウム酸化物層、酸化タングステンを含むインジウム亜
鉛酸化物層、酸化チタンを含むインジウム酸化物層、酸化チタンを含むインジウム錫酸化
物層、インジウム亜鉛酸化物層、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物層などの透光
性を有する導電性層を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電層と、上記
金属元素の積層構造とすることもできる。
【００５７】
酸素を含む絶縁層１１２は、酸化シリコン層、または酸化窒化シリコン層などの酸素を含
む絶縁層を用いて形成する。酸素を含む絶縁層１１２はスパッタリング法またはＣＶＤ法
で形成されることが好ましく、特にスパッタリング法により形成される酸化シリコン層が
より好ましい。
【００５８】
水素を含む絶縁層１１６は、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層
、窒化酸化アルミニウム層などの、水素を含む絶縁層を用いて形成する。例えば、水素を
含む絶縁層１１６中の水素濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２２ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。水素を含む絶縁層１１６は、スパッタリン
グ法またはＣＶＤ法により形成されることが好ましい。特に、シランと、窒素を含む気体
（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとしたＣＶＤ法に
より形成される窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層や、水素化アルミニウムと、窒
素を含む気体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとし
たＣＶＤ法により形成される窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層は、水素原子
を比較的多く含むため好ましい。
【００５９】
水素を含む絶縁層１１６中の水素は、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以
上４４０℃以下の加熱処理により、少なくとも、酸化物半導体層１０６ａに拡散する、ま
たは供給されると共に、酸化物半導体層１０６ａ中、ゲート絶縁層１０２及び酸化物半導
体層１０６ａの界面、酸化物半導体層１０６ａ及び酸素を含む絶縁層１１２の界面の少な
くとも一に含まれる欠陥または未結合手を終端する。このため、酸化物半導体層１０６ａ
の欠陥が低減する。この結果、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度が向上する。
【００６０】
本実施の形態により、高い電界効果移動度及びオン電流を有するトランジスタを実現でき
る。また、オフ電流が低く、電界効果移動度及びオン電流の高いトランジスタを実現でき
る。
【００６１】
（実施の形態２）
次に、半導体装置の構成の一例であるトランジスタ１５０の作製方法について図２乃至図
４を参照して説明する。
【００６２】
まず、基板１００上に導電層１０１を形成する（図２（Ａ）参照）。
【００６３】
基板１００は、絶縁表面を有する基板であればよく、例えば、ガラス基板とすることがで
きる。ガラス基板は無アルカリガラス基板であることが望ましい。無アルカリガラス基板
には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケ
イ酸ガラス等のガラス材料が用いられる。他にも、基板１００として、セラミック基板、
石英基板、サファイア基板等の絶縁体でなる絶縁性基板、シリコン等の半導体材料でなる
半導体基板の表面を絶縁材料で被覆したもの、金属やステンレス等の導電体でなる導電性
基板の表面を絶縁材料で被覆したものを用いることができる。
【００６４】
また、プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、耐熱温度が一般的に低
い傾向にあるが、後の作製工程における処理温度に耐え得るのであれば、基板１００とし
て用いることが可能である。プラスチック基板として、ポリエチレンテレフタレート（Ｐ
ＥＴ）に代表されるポリエステル、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフ
タレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥ
Ｋ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡ
Ｒ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリイミド、アクリロニトリルブタジエ
ンスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリ酢酸ビニル、アクリル樹脂など
が挙げられる。
【００６５】
導電層１０１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１０１は、アルミニウム、クロム
、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンからから選ばれた元素や、上述した
元素を成分とする合金等を用いて形成することができる。マンガン、マグネシウム、ジル
コニウム、ベリリウムのいずれか一または複数を含む材料を用いてもよい。また、アルミ
ニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジ
ウムから選ばれた元素を一または複数含有させた材料を用いてもよい。
【００６６】
また、導電層１０１は、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。導電性の金属酸化
物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）
、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する場合がある）
、酸化インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）、または、これらの金属酸化物材
料にシリコン若しくは酸化シリコンを含有させたものを用いることができる。
【００６７】
導電層１０１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。なお、
開示する発明の一態様では、導電層１０１の形成後に、比較的高い温度で熱処理が行われ
るから、導電層１０１は耐熱性の高い材料を用いて形成することが望ましい。耐熱性の高
い材料としては、例えば、チタンやタンタル、タングステン、モリブデンなどがある。不
純物元素を添加することにより導電性を高めたポリシリコンなどを用いることもできる。
【００６８】
次に、導電層１０１を選択的にエッチングして、ゲート電極層１０１ａを形成し、当該ゲ
ート電極層１０１ａを覆うゲート絶縁層１０２を形成する（図２（Ｂ）参照）。
【００６９】
エッチングに用いるマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦレーザ光やＡｒＦレーザ光
を用いるのが好適である。特に、チャネル長（Ｌ）が２５ｎｍ未満の露光を行う場合には
、数ｎｍ〜数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏ
ｌｅｔ）を用いてマスク形成の露光を行うのが好適である。超紫外線による露光は、解像
度が高く焦点深度も大きいため、微細化には適している。
【００７０】
ゲート絶縁層１０２は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて形成することができる。
また、ゲート絶縁層１０２は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化
アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどを含むように形成するのが好適である
。なお、ゲート絶縁層１０２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。ゲー
ト絶縁層１０２の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とす
ることができる。
【００７１】
また、ゲート絶縁層１０２として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加
されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアル
ミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−
ｋ材料を用いることでゲートリークを低減できる。さらには、ｈｉｇｈ−ｋ材料と、酸化
シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、または酸化ア
ルミニウム層のいずれか一以上との積層構造とすることができる。
【００７２】
なお、ゲート絶縁層１０２は、できるだけ水素や水を含まないように形成することが望ま
しい。
【００７３】
例えば、スパッタリング法などを用いる場合には、処理室内の残留水分を除去した状態で
ゲート絶縁層１０２を形成することが望ましい。また、処理室内の残留水分を除去するた
めには、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどの、吸着型
の真空ポンプを用いることが望ましい。また、処理室内の残留水分を除去するために、タ
ーボポンプにコールドトラップを加えたものを用いてもよい。クライオポンプなどを用い
て排気した処理室は、水素や水などが十分に除去されているため、ゲート絶縁層１０２に
含まれる不純物の濃度を低減することができる。
【００７４】
また、マイクロ波（例えば、２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤ法は、緻密
で絶縁耐圧の高い高品質なゲート絶縁層１０２を形成できる点で好適である。酸化物半導
体層と高品質なゲート絶縁層とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を良
好なものとすることができるからである。特に、１×１０１１／ｃｍ３以上のプラズマ密
度を達成できる高密度プラズマ装置を用いるのが好ましい。
【００７５】
このようにゲート絶縁層１０２と酸化物半導体層１０６ａとの界面特性を良好にするとと
もに、酸化物半導体の不純物、特に水素や水などを排除することで、ゲートバイアス・熱
ストレス試験（ＢＴ試験：例えば、８５℃、２×１０６Ｖ／ｃｍ、１２時間など）に対し
ても、しきい値電圧（Ｖｔｈ）が変動しない安定なトランジスタを得ることが可能である
。
【００７６】
また、ゲート絶縁層１０２を形成する際には、水素や水などの不純物が、濃度数ｐｐｍ程
度（望ましくは、濃度数ｐｐｂ程度）にまで低減された高純度ガスを用いることが望まし
い。
【００７７】
次に、ゲート絶縁層１０２上に酸化物半導体層１０６を形成する（図２（Ｃ）参照）。
【００７８】
酸化物半導体層１０６は、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系や、三
元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−
Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ
系や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系
、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系や、単元系金属酸化物である
Ｉｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系などを用いて形成することができる。
【００７９】
中でも、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料は、無電界時の抵抗が十分に高くオ
フ電流を十分に小さくすることが可能であり、また、電界効果移動度も高いため、半導体
装置に用いる半導体材料としては好適である。
【００８０】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体材料の代表例としては、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）
ｍ（ｍ＞０）で表記されるものがある。また、Ｇａに代えてＭを用い、ＩｎＭＯ３（Ｚｎ
Ｏ）ｍ（ｍ＞０）のように表記される酸化物半導体材料がある。ここで、Ｍは、ガリウム
（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、
コバルト（Ｃｏ）などから選ばれた一の金属元素または複数の金属元素を示す。例えば、
Ｍとしては、Ｇａ、ＧａおよびＡｌ、ＧａおよびＦｅ、ＧａおよびＮｉ、ＧａおよびＭｎ
、ＧａおよびＣｏなども適用することができる。なお、上述の組成は結晶構造から導き出
されるものであり、あくまでも一例に過ぎないことを付記する。
【００８１】
本実施の形態では、酸化物半導体層１０６としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体
成膜用ターゲットを用いて、非晶質の酸化物半導体層をスパッタリング法により形成する
こととする。
【００８２】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体層１０６をスパッタリング法で作製するための酸
化物半導体成膜用ターゲットとしては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：ｘ：ｙ（ｘは０以上、ｙ
は０．５以上５以下）の組成式で表されるものを用いればよい。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚ
ｎ＝１：１：１［ａｔｏｍ比］（ｘ＝１、ｙ＝１）、（すなわち、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ
３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］）の組成比を有する酸化物半導体成膜用ターゲッ
トなどを用いても良い。また、酸化物半導体成膜用ターゲットとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝
１：１：０．５［ａｔｏｍ比］の組成比を有する酸化物半導体成膜用ターゲット、または
Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２［ａｔｏｍ比］、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：０：１［ａｔｏ
ｍ比］（ｘ＝０、ｙ＝１）の組成比を有する酸化物半導体成膜用ターゲットを用いること
もできる。
【００８３】
酸化物半導体成膜用ターゲット中の酸化物半導体の相対密度は８０％以上、好ましくは９
５％以上、さらに好ましくは９９．９％以上である。相対密度の高い酸化物半導体成膜用
ターゲットを用いることにより、緻密な構造の酸化物半導体層１０６を形成すること可能
である。
【００８４】
酸化物半導体層１０６の形成雰囲気は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気、酸素雰囲
気、または、希ガス（代表的にはアルゴン）と酸素との混合雰囲気とするのが好適である
。具体的には、例えば、水素、水、水酸基、水素化物などの不純物が、濃度数ｐｐｍ程度
（望ましくは濃度数ｐｐｂ程度）にまで除去された高純度ガス雰囲気を用いるのが好適で
ある。
【００８５】
酸化物半導体層１０６の形成の際には、例えば、減圧状態に保持された処理室内に基板を
保持し、基板温度を１００℃以上６００℃以下好ましくは２００℃以上４００℃以下に熱
する。そして、処理室内の残留水分を除去しつつ水素および水が除去されたスパッタガス
を導入し、上記酸化物半導体成膜用ターゲットを用いて酸化物半導体層１０６を形成する
。基板を熱しながら酸化物半導体層１０６を形成することにより、酸化物半導体層１０６
に含まれる不純物を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減され
る。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好まし
い。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどを用い
ることができる。また、ターボポンプにコールドトラップを加えたものを用いてもよい。
クライオポンプを用いて排気した処理室は、水素や水などが除去されているため、酸化物
半導体層１０６の不純物濃度を低減できる。
【００８６】
酸化物半導体層１０６の形成条件としては、例えば、基板と酸化物半導体成膜用ターゲッ
トの間との距離が１７０ｍｍ、圧力が０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電力が０．５ｋＷ、雰囲
気が酸素（酸素１００％）雰囲気、またはアルゴン（アルゴン１００％）雰囲気、または
酸素とアルゴンの混合雰囲気、といった条件を適用することができる。なお、パルス直流
（ＤＣ）電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質（パーティクル、ゴミともいう）が
軽減でき、膜厚分布も均一となるため好ましい。酸化物半導体層１０６の厚さは、２ｎｍ
以上２００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。ただし、適用する酸化
物半導体材料や用途などにより適切な厚さは異なるから、酸化物半導体層１０６の厚さは
、用いる材料や用途などに応じて選択すればよい。
【００８７】
なお、酸化物半導体層１０６をスパッタリング法により形成する前には、アルゴンガスを
導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁層１０２の表面の付着物を
除去するのが好適である。ここで、逆スパッタとは、通常のスパッタにおいては、スパッ
タターゲットにイオンを衝突させるところ、逆に、処理表面にイオンを衝突させることに
よってその表面を改質する方法のことをいう。処理表面にイオンを衝突させる方法として
は、アルゴン雰囲気下で処理表面側に高周波電圧を印加して、基板付近にプラズマを生成
する方法などがある。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などによる雰
囲気を適用してもよい。
【００８８】
次に、マスクを用いたエッチングなどの方法によって酸化物半導体層１０６を加工して、
島状の酸化物半導体層１０６ａを形成する（図３（Ａ）参照）。ここで、島状の酸化物半
導体層１０６ａは、ゲート電極層１０１ａと重畳する領域に形成するようにする。
【００８９】
酸化物半導体層のエッチングには、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれを用
いても良い。もちろん、その両方を組み合わせて用いることもできる。酸化物半導体層を
所望の形状にエッチングできるよう、材料に合わせてエッチング条件（エッチングガスや
エッチング液、エッチング時間、温度等）は適宜設定する。
【００９０】
ドライエッチングとしては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉ
ｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結
合型プラズマ）エッチング法などを用いることができる。この場合にも、エッチング条件
（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極
温度等）は適宜設定する必要がある。
【００９１】
ドライエッチングに用いることができるエッチングガスには、例えば、塩素を含むガス（
塩素系ガス、例えば塩素（Ｃｌ２）、塩化硼素（ＢＣｌ３）、塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、
四塩化炭素（ＣＣｌ４）など）などがある。また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例
えば四弗化炭素（ＣＦ４）、六弗化硫黄（ＳＦ６）、三弗化窒素（ＮＦ３）、トリフルオ
ロメタン（ＣＨＦ３）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ２）、これらのガスにヘリ
ウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などを用いても良い。
【００９２】
ウェットエッチングに用いることができるエッチング液としては、燐酸と酢酸と硝酸を混
ぜた溶液などがある。また、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）などのエッチング液を用いて
もよい。
【００９３】
その後、酸化物半導体層１０６ａ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１０６ａ中の、過剰な水素（水や水酸基を
含む）を除去し、酸化物半導体層の構造を整え、酸化物半導体層１０６ａ中の欠陥を低減
することができる。第１の熱処理の温度は、例えば、４００℃以上７５０℃以下、または
４００℃以上基板の歪み点未満とする。なお、成膜の段階で水素が十分に低減された酸化
物半導体層１０６ａが得られる場合には、当該熱処理は不要である。
【００９４】
熱処理は、例えば、抵抗発熱体などを用いた電気炉に基板１００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１０６ａは大気
に触れさせず、水や水素の混入が行われないようにする。
【００９５】
熱処理装置は電気炉に限られず、加熱されたガスなどの媒体からの熱伝導、または熱輻射
によって、被処理物を加熱する装置であっても良い。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐ
ｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅ
ｒｍａｌ 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。
【００９６】
例えば、第１の熱処理として、６５０℃〜７００℃の高温に熱した不活性ガス雰囲気中に
基板を投入し、数分間熱した後、当該不活性ガス雰囲気から基板を取り出すＧＲＴＡ処理
を行ってもよい。ＧＲＴＡ処理を用いると短時間での高温熱処理が可能となる。また、短
時間の熱処理であるため、基板の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
。例えば、ガラス基板を用いる場合、耐熱温度（歪み点）を超える温度では基板のシュリ
ンクが問題となるが、短時間の熱処理の場合にはこれは問題とならない。なお、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欠陥を低減することができるためである。
【００９７】
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。
【００９８】
以上のような第１の熱処理を行うことにより、酸化物半導体層１０６に含まれる水素を低
減し、好ましくは、酸化物半導体層１０６に含まれる水素を除去し、酸化物半導体層の主
成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することができる。これにより、過剰
な水素原子により乱された酸化物半導体層１０６の構造を整え、過剰な水素原子によって
形成される欠陥を低減することができる。このときの酸化物半導体層１０６の水素濃度は
、１×１０１６ｃｍ−３以下が好ましい。また、酸化物半導体層１０６のキャリア密度は
一般的なシリコンウェハにおけるキャリア密度（１×１０１４／ｃｍ３程度）と比較して
、十分に小さいキャリア密度の値（例えば、１×１０１２／ｃｍ３未満、より好ましくは
、１．４５×１０１０／ｃｍ３未満）であることが好ましい。また、バンドギャップは２
ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である。
【００９９】
また、ドレイン電圧が１Ｖから１０Ｖの範囲のいずれかの電圧において、オフ電流（ゲー
トソース間の電圧を０Ｖ以下としたときのソースドレイン間に流れる電流）が、チャネル
長１０μｍであり、酸化物半導体層の合計膜厚３０ｎｍの場合において、１×１０−１３
Ａ以下、またはオフ電流密度（オフ電流をトランジスタのチャネル幅で除した数値）は１
００ａＡ（ａ（アト）は１０−１８倍を示す）／μｍ以下、好ましくは１０ａＡ／μｍ以
下、更に好ましくは１ａＡ／μｍ以下にすることができる。なお、オフ電流とドレイン電
圧の値が分かればオームの法則からトランジスタがオフのときの抵抗値（オフ抵抗Ｒ）を
算出することができ、チャネル形成領域の断面積Ａとチャネル長Ｌが分かればρ＝ＲＡ／
Ｌの式（Ｒはオフ抵抗）からオフ抵抗率ρを算出することができる。オフ抵抗率は１×１
０９Ω・ｍ以上（又は１×１０１０Ω・ｍ）が好ましい。ここで、断面積Ａは、チャネル
形成領域の膜厚をｄとし、チャネル幅をＷとするとき、Ａ＝ｄＷから算出することができ
る。
【０１００】
このような高純度化された酸化物半導体層１０６をチャネル形成領域に用いると、トラン
ジスタのオフ電流を低減することができる。オフ電流は、直接再結合または間接再結合に
よる正孔と電子の生成−再結合によって流れるが、酸化物半導体層はバンドギャップが広
く、電子の励起のために大きな熱エネルギーが必要であるため、直接再結合及び間接再結
合が生じにくい。オフ状態では、少数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、
直接再結合及び間接再結合が生じにくく、オフ電流は限りなく低減できる。このため、オ
フ電流を低減し、且つオン電流及び電界効果移動度を向上させた、優れた特性を有するト
ランジスタとなる。
【０１０１】
以上のように、高純度化された酸化物半導体層は通路（パス）として機能し、キャリアは
電極のソース、ドレインにより供給される。酸化物半導体の電子親和力χおよびフェルミ
レベル、理想的には真性フェルミレベルと一致したフェルミレベルと、ソース、ドレイン
の電極の仕事関数とを適宜選択することで、酸化物半導体層のキャリア密度を低減したま
ま、ソース電極及びドレイン電極からキャリアを注入させることが可能となり、ｎ型トラ
ンジスタ及びｐ型トランジスタを適宜作製することができる。
【０１０２】
また、高純度化された酸化物半導体の真性キャリア密度は、シリコンと比較して、極端に
低い。シリコン及び酸化物半導体の真性キャリア密度は、フェルミ・ディラック分布及び
ボルツマン分布の近似式から求めることが可能であり、シリコンの真性キャリア密度ｎｉ
は１．４５×１０１０ｃｍ−３、酸化物半導体（ここでは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層）の
真性キャリア密度ｎｉは１．２×１０−７ｃｍ−３となり、前者は後者より真性キャリア
密度が１０１７倍大きい。即ち、シリコンと比較して、酸化物半導体の真性キャリア密度
が極端に低いことが分かる。
【０１０３】
なお、第１の熱処理の条件、または酸化物半導体層１０６の材料によっては、酸化物半導
体層１０６の一部が結晶化し、酸化物半導体層１０６中に微結晶または多結晶が形成され
る場合もある。
【０１０４】
なお、第１の熱処理は、島状の酸化物半導体層１０６ａに加工する前の酸化物半導体層１
０６に行うこともできる。その場合には、第１の熱処理後に、加熱装置から基板１００を
取り出し、フォトリソグラフィ工程を行うことになる。
【０１０５】
第１の熱処理には水素や水を除去する効果があるから、第１の熱処理を、脱水化処理、脱
水素化処理などと呼ぶこともできる。当該脱水化処理、脱水素化処理は、酸化物半導体層
の形成後、酸化物半導体層１０６ａ上にソース電極層またはドレイン電極層を積層させた
後、などのタイミングにおいて行うことも可能である。また、このような脱水化処理、脱
水素化処理は、一回に限らず複数回行っても良い。
【０１０６】
次に、酸化物半導体層１０６ａに接するように導電層１０８を形成する（図３（Ｂ）参照
）。
【０１０７】
導電層１０８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１０８は、アルミニウム、クロム
、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンからから選ばれた元素や、上述した
元素を成分とする合金等を用いて形成することができる。マンガン、マグネシウム、ジル
コニウム、ベリリウムのいずれか一または複数を含む材料を用いてもよい。また、アルミ
ニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジ
ウムから選ばれた元素を一または複数含有させた材料を用いてもよい。
【０１０８】
また、導電層１０８は、導電性の金属酸化物を用いて形成しても良い。導電性の金属酸化
物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）
、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する場合がある）
、酸化インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）、または、これらの金属酸化物材
料にシリコン若しくは酸化シリコンを含有させたものを用いることができる。
【０１０９】
導電層１０８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
、チタン膜上にアルミニウム膜と、該アルミニウム膜上にチタン膜が積層された三層の積
層構造や、モリブデン膜上にアルミニウム膜と、該アルミニウム膜上にモリブデン膜を積
層した三層の積層構造を適用することができる。また、アルミニウム膜とタングステン膜
を積層した二層の積層構造、銅膜とタングステン膜を積層した二層の積層構造、アルミニ
ウム膜とモリブデン膜を積層した二層の積層構造とすることもできる。勿論、単層、また
は四層以上の積層構造としてもよい。単層構造とする場合には、例えば、チタン膜の単層
構造とするのが好適である。チタン膜の単層構造を用いると、後のエッチングの際に良好
なテーパー形状を形成するエッチングを実現することができる。ここでは、チタン膜とア
ルミニウム膜とチタン膜の３層構造を適用することとする。
【０１１０】
なお、導電層１０８の、酸化物半導体層１０６ａと接する部分には、酸素を引き抜く効果
の低い材料（酸素との親和性が低い材料）を用いても良い。このような材料としては、例
えば、窒化チタンや窒化タングステン、白金などがある。導電層１０８の構造は、上述と
同様、単層構造としても積層構造としても良い。導電層１０８を積層構造にする場合には
、例えば、窒化チタン膜とチタン膜の２層構造、窒化チタン膜とタングステン膜の２層構
造、窒化チタン膜と銅−モリブデン合金膜の２層構造、窒化タンタル膜とタングステン膜
の２層構造、窒化タンタル膜と銅膜の２層構造、窒化チタン膜とタングステン膜とチタン
膜の３層構造、などを採用することができる。
【０１１１】
上述のような酸素引き抜きの効果が低い材料を導電層１０８に用いることで、酸素の引き
抜きによる酸化物半導体層のｎ型化を防ぎ、不均一なｎ型化などに起因するトランジスタ
特性への悪影響を抑制することができる。
【０１１２】
また、上述のように窒化チタン膜や窒化タンタル膜などのバリア性の高い材料を、酸化物
半導体層１０６ａと接する部分に用いることで、酸化物半導体層１０６ａへの不純物の侵
入を抑制し、トランジスタ特性への悪影響を抑えることができる。
【０１１３】
次に、導電層１０８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１０
８ａ、ソース電極層またはドレイン電極層１０８ｂを形成する（図３（Ｃ）参照）。なお
、導電層１０８上に絶縁層を形成し、当該絶縁層をエッチングして、ソース電極層または
ドレイン電極層の上に、ソース電極層およびドレイン電極層と略同一形状の絶縁層を形成
しても良い。この場合、ソース電極層またはドレイン電極層と、ゲート電極層とによる容
量（いわゆるゲート容量）を低減することができる。なお、「略同一」の表現は、厳密に
同一であることを要しない趣旨で用いるものであり、同一と見なすことができる範囲が含
まれる。例えば、一のエッチング処理によって形成される場合の差異は許容される。また
、厚さまで同一であることは要しない。
【０１１４】
エッチングに用いるマスク形成時の露光には、紫外線やＫｒＦレーザ光やＡｒＦレーザ光
を用いるのが好適である。特に、チャネル長（Ｌ）が２５ｎｍ未満の露光を行う場合には
、数ｎｍ〜数１０ｎｍと極めて波長が短い超紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏ
ｌｅｔ）を用いてマスク形成の露光を行うのが好適である。超紫外線による露光は、解像
度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成されるトランジスタのチャネル長（Ｌ）を
１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることも可能である。このような方法でチャネル長を
小さくすることにより、動作速度を向上させることができる。また、上記酸化物半導体を
用いたトランジスタはオフ電流が僅かであるため、微細化による消費電力の増大を抑制で
きる。
【０１１５】
導電層１０８のエッチングの際には、酸化物半導体層１０６ａが除去されないように、そ
れぞれの材料およびエッチング条件を適宜調節する。なお、材料およびエッチング条件に
よっては、当該工程において、酸化物半導体層１０６ａの一部がエッチングされ、溝部（
凹部）を有する酸化物半導体層となることもある。
【０１１６】
また、上記マスクの使用数や工程数を削減するため、透過した光が複数の強度となる露光
マスクである多階調マスクによってレジストマスクを形成し、これを用いてエッチング工
程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは、複数の厚みを有す
る形状（階段状）となり、アッシングによりさらに形状を変形させることができるため、
複数のエッチング工程に用いることができる。つまり、一枚の多階調マスクによって、少
なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる
。よって、露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減
できるため、工程の簡略化が図れる。
【０１１７】
次に、酸化物半導体層１０６ａの一部に接する酸素を含む絶縁層１１２を形成した後、第
２の熱処理を行う（図４（Ａ）参照）。酸素を含む絶縁層１１２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、酸素を含む絶縁層１１２は、酸化珪素
、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどを含むように形
成するのが好適である。特にスパッタリング法を用いて形成される酸化珪素膜が好ましい
。なお、酸素を含む絶縁層１１２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
酸素を含む絶縁層１１２の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ
以下、好ましくは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。
【０１１８】
第２の熱処理は、不活性ガス雰囲気下、または酸素雰囲気下で行うのが望ましい。熱処理
の温度は、２００℃以上４５０℃以下、望ましくは２５０℃以上３５０℃以下である。例
えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行えばよい。第２の熱処理を行うこと
によって、酸化物半導体層１０６ａに酸素を供給し、該酸化物半導体層１０６ａの酸素欠
損を低減して、ｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層を形成する
ことができる。また、第２の熱処理を行うと、トランジスタの電気的特性のばらつきを軽
減することができる。
【０１１９】
次に、酸素を含む絶縁層１１２上に、水素を含む絶縁層１１６を形成した後、第３の熱処
理を行う（図４（Ｂ）参照）。水素を含む絶縁層１１６は、ＣＶＤ法やスパッタリング法
などを用いて形成することができる。また、水素を含む絶縁層１１６は、窒化シリコン層
、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層などの、水素を含
む絶縁層を用いて形成するのが好適である。特に、シランと、窒素を含む気体（代表的に
は、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとしたＣＶＤ法により形成さ
れる窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層や、水素化アルミニウムと、窒素を含む気
体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとしたＣＶＤ法
により形成される窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層は、水素原子を比較的多
く含むため好ましい。
【０１２０】
第３の熱処理は、窒素雰囲気下、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４
４０℃以下とする。また、第３の加熱処理は、窒素雰囲気下に限定されず、酸素雰囲気、
希ガス雰囲気、乾燥空気雰囲気で行えばよい。
【０１２１】
第３の熱処理により、水素を含む絶縁層１１６中の水素は、少なくとも、酸化物半導体層
１０６ａに拡散され、または供給されると共に、酸化物半導体層１０６ａ中、ゲート絶縁
層１０２及び酸化物半導体層１０６ａの界面、酸化物半導体層１０６ａ及び酸素を含む絶
縁層１１２の界面の少なくとも一に残存する欠陥または未結合手を終端する。このため、
酸化物半導体層１０６ａの欠陥が低減する。この結果、トランジスタのオン電流及び電界
効果移動度が向上する。当該熱処理による水素の供給は、十分に欠陥が低減され、ｉ型化
された酸化物半導体層に対して行う場合には、より効果的である。
【０１２２】
なお、第２の熱処理の条件、第３の熱処理の条件、または酸化物半導体層１０６の材料に
よっては、酸化物半導体層１０６の一部が結晶化し、酸化物半導体層１０６中に微結晶ま
たは多結晶が形成される場合もある。
【０１２３】
次に、水素を含む絶縁層１１６上に、層間絶縁層１１８を形成してもよい（図４（Ｃ）参
照）。層間絶縁層１１８は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などを用いて形成することができる。ま
た、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウ
ム、酸化タンタル等の無機絶縁材料を含む材料を用いて形成することができる。なお、本
実施の形態では、層間絶縁層１１８の単層構造としているが、開示する発明の一態様はこ
れに限定されず、２層以上の積層構造としても良い。
【０１２４】
なお、上記層間絶縁層１１８は、その表面が平坦になるように形成することが望ましい。
表面が平坦になるように層間絶縁層１１８を形成することで、層間絶縁層１１８上に、電
極や配線などを好適に形成することができるためである。
【０１２５】
以上により、水素を含む絶縁層１１６に含まれる水素を拡散させて欠陥を終端させたトラ
ンジスタ１５０が完成する。
【０１２６】
次に、本実施の形態に係る半導体装置の構造の他の一例について、図５を参照して説明す
る。図５に示すトランジスタ１５０は、チャネルストップ型のトランジスタである。
【０１２７】
図５に示すトランジスタ１５０は、酸化物半導体層１０６ａのチャネル形成領域と重なる
領域に、絶縁層１１３をチャネルストッパーとして設けている。
【０１２８】
チャネルストッパーとして設けられる絶縁層１１３の形成方法について説明する。まず、
図３（Ａ）に示す酸化物半導体層１０６ａを形成した後、該酸化物半導体層１０６ａを覆
うように、酸化珪素、または酸化窒化珪素、などの酸素原子を含む材料を用いて、スパッ
タリング法またはＣＶＤ法などにより絶縁膜を形成する。その後、絶縁膜を選択的にエッ
チングすることで、絶縁層１１３を形成することができる。絶縁層１１３を形成した後は
、図３（Ｂ）以降の工程を参照することができる。
【０１２９】
酸化物半導体層１０６ａのチャネル形成領域と重なる領域に、絶縁層１１３をチャネルス
トッパーとして設けることによって、ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８
ｂの形成時のダメージ（エッチング時のプラズマや、エッチング剤による膜減り）を防ぐ
ことができる。従って、トランジスタ１５０の信頼性を向上させることができる。
【０１３０】
本実施の形態で示す方法により、高い電界効果移動度及びオン電流を有するトランジスタ
を実現できる。また、オフ電流が低く、電界効果移動度及びオン電流の高いトランジスタ
を実現できる。
【０１３１】
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。
【０１３２】
（実施の形態３）
本実施の形態では、上記実施の形態に係る半導体装置の構造及び作製方法の他の一例につ
いて説明する。また、本実施の形態では、トランジスタとして、トップゲート型トランジ
スタについて説明する。
【０１３３】
〈半導体装置の構造〉
まず、本実施の形態で説明する半導体装置の構造の一例であるトランジスタ１５０につい
て説明する。図６（Ｄ）に示すトランジスタ１５０は、基板１００上に酸化物半導体層１
０６ａが形成され、酸化物半導体層１０６ａ上にソース電極層及びドレイン電極層１０８
ａ、１０８ｂが形成される。ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂ及び酸
化物半導体層１０６ａを覆うように、酸素を含む絶縁層１１２が形成される。絶縁層１１
２は、ゲート絶縁層として機能する。酸素を含む絶縁層１１２は、酸化物半導体層１０６
ａのチャネルにおいて酸化物半導体層１０６ａに接する。また、絶縁層１１２上に酸化物
半導体層１０６ａと重畳するようにゲート電極層１１４が形成される。さらに、酸素を含
む絶縁層１１２及びゲート電極層１１４を覆うように、水素を含む絶縁層１１６が形成さ
れる。水素を含む絶縁層１１６上には、平坦化膜として機能する絶縁層１１８が形成され
ていてもよい。本実施の形態で説明するトランジスタ１５０は、酸化物半導体層１０６ａ
に接する酸素を含む絶縁層１１２と、酸素を含む絶縁層１１２に接する水素を含む絶縁層
１１６とを有する。なお、基板１００と酸化物半導体層１０６ａとの間に、下地膜として
機能する絶縁層１０２を形成してもよい。
【０１３４】
〈半導体装置の作製方法〉
次に、半導体装置の構成の一例であるトランジスタ１５０の作製方法について図６を参照
して説明する。
【０１３５】
まず、下地膜として機能する絶縁層１０２が形成された基板１００上に、酸化物半導体層
１０６ａを形成した後、該酸化物半導体層１０６ａ上にソース電極層及びドレイン電極層
１０８ａ、１０８ｂを形成する（図６（Ａ）参照）。
【０１３６】
基板１００は、図２（Ａ）の基板１００を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１３７】
下地膜として機能する絶縁層１０２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、絶縁層１０２は、酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪
素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルを含むように形成することが好ま
しい。絶縁層１０２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。絶縁層１０２
は、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。なお、スパッタリング法
などを用いる場合には、処理室内の残留水分を除去した状態で絶縁層１０２を形成するこ
とが好ましい。
【０１３８】
酸化物半導体層は、基板１００上又は絶縁層１０２上に、スパッタリング法等を用いて形
成する。酸化物半導体層の材料及び形成方法については、図２（Ｃ）の酸化物半導体層１
０６ａを参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１３９】
本実施の形態では、酸化物半導体層１０６ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半
導体成膜用ターゲットを用いて、非晶質の酸化物半導体層をスパッタリング法により形成
することとする。
【０１４０】
なお、酸化物半導体層をスパッタリング法により形成する前に、アルゴンガスを導入して
プラズマを発生させる逆スパッタを行い、絶縁層１０２の表面の付着物を除去することが
好ましい。
【０１４１】
次に、マスクを用いたエッチングなどの方法によって、酸化物半導体層を加工して、島状
の酸化物半導体層１０６ａを形成する。酸化物半導体層のエッチングとしては、ドライエ
ッチング、ウェットエッチングのいずれか一方、または両方を組み合わせて行うことがで
きる。酸化物半導体層のエッチングの条件については、実施の形態２を参照すればよいた
め、詳細な説明は省略する。
【０１４２】
次に、酸化物半導体層１０６ａに対して、第１の熱処理（脱水化処理、脱水素化処理）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１０６ａ中の水（水酸基
を含む）や水素などを除去することができる。第１の熱処理の条件については、実施の形
態２を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１４３】
なお、第１の熱処理は、島状の酸化物半導体層１０６ａに加工する前の酸化物半導体層に
行うこともできる。その場合には、第１の熱処理後に、加熱装置から基板１００を取り出
し、フォトリソグラフィ工程を行うことになる。
【０１４４】
次に、酸化物半導体層１０６ａ、ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂを
覆うように、絶縁層１１２を形成する（図６（Ｂ）参照）。
【０１４５】
絶縁層１１２は、ゲート絶縁層として機能する。絶縁層１１２は、酸化珪素、または酸化
窒化珪素などの酸素原子を含むように形成することが好ましい。絶縁層１１２は、スパッ
タリング法またはＣＶＤ法で形成することが好ましい。
【０１４６】
次に、酸化物半導体層１０６ａに対して、第２の熱処理を行うことが望ましい。第２の熱
処理を行うことによって、酸素を含む絶縁層１１２中の酸素を、酸化物半導体層１０６ａ
中に供給し、該酸化物半導体層１０６ａの酸素欠損を酸化して、ｉ型（真性半導体）また
はｉ型に限りなく近い酸化物半導体層１０６ａを形成することができる。また、第２の熱
処理を行うと、トランジスタの電気的特性のばらつきを軽減することができる。第２の熱
処理の条件については、実施の形態２を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１４７】
次に、酸素を含む絶縁層１１２上に、酸化物半導体層１０６ａと重畳するように、ゲート
電極層１１４を形成する（図６（Ｃ）参照）。
【０１４８】
まず、酸素を含む絶縁層１１２上に、スパッタリング法またはＣＶＤ法を用いて導電層を
形成する。導電層の材料及び形成方法については、図２（Ａ）の導電層１０１を参照すれ
ばよいため、詳細な説明は省略する。その後、導電層を選択的にエッチングして、ゲート
電極層１１４を形成する。
【０１４９】
次に、ゲート電極層１１４を覆うように、水素を含む絶縁層１１６を形成した後、平坦化
膜として機能する絶縁層１１８を形成する（図６（Ｄ）参照）。
【０１５０】
水素を含む絶縁層１１６は、窒化珪素、窒化酸化珪素、窒化アルミニウム、窒化酸化アル
ミニウムなどで、水素を含む被膜を形成する。水素を含む絶縁層１１６は、スパッタリン
グ法またはＣＶＤ法で形成することが好ましい。特に、シランと、窒素を含む気体（代表
的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとしたＣＶＤ法により形
成される窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層や、水素化アルミニウムと、窒素を含
む気体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとしたＣＶ
Ｄ法により形成される窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層は、水素原子を比較
的多く含むため好ましい。なお、酸素を含む絶縁層１１２と接するように、水素を含む絶
縁層１１６を形成することが好ましい。
【０１５１】
次に、酸化物半導体層１０６ａに対して第３の熱処理を行う。第３の熱処理の条件として
は、実施の形態２を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。第３の熱処理を行うこ
とによって、水素を含む絶縁層１１６中の水素は、少なくとも酸化物半導体層１０６ａに
、拡散または供給すると共に、酸化物半導体層１０６ａ中、酸化物半導体層１０６ａと酸
素を含む絶縁層１１２との界面、酸化物半導体層１０６ａと絶縁層１０２との界面、の少
なくとも一に含まれる欠陥または未結合手を終端する。これにより、酸化物半導体層１０
６ａの欠陥が低減する。この結果、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度が向上す
る。
【０１５２】
絶縁層１１８は、スパッタリング法またはＣＶＤ法などを用いて形成することができる。
絶縁層１１８の材料及び形成方法については、図４（Ｃ）を参照すればよいため、詳細な
説明は省略する。
【０１５３】
以上の工程により、酸化物半導体層１０６ａを用いたトランジスタ１５０が完成する。
【０１５４】
本実施の形態に係るトランジスタ１５０において、４００℃以上７５０℃以下、好ましく
は４００℃以上基板の歪み点未満で、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰
囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好まし
くは露点−５０℃以下）など）で第１の熱処理を行い、酸化物半導体層１０６ａの水素濃
度を低減する。次に、酸化物半導体層１０６ａに接する酸素を含む絶縁層１１２を形成し
た後、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の熱処理（好ましくは２００
℃以上４５０℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行い、酸化物半導体層１０６
ａの酸素欠損を酸化して、ｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層
１０６ａを形成する。次に、酸素を含む絶縁層１１２上に水素を含む絶縁層１１６を形成
し、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下で第３の熱処理を
行うことで、絶縁層１０２及び酸化物半導体層１０６ａの界面、酸化物半導体層１０６ａ
、及び酸化物半導体層１０６ａ及び酸素を含む絶縁層１１２の界面の少なくとも一に、水
素を含む絶縁層１１６中の水素を供給し、酸化物半導体層１０６ａに含まれる欠陥または
未結合手を水素で終端することで、トランジスタの特性改善を図ることができる。
【０１５５】
なお、第１の熱処理、第２の熱処理及び第３の熱処理の条件、または酸化物半導体層１０
６ａの材料によっては、酸化物半導体層１０６ａの一部が結晶化し、酸化物半導体層１０
６ａ中に微結晶または多結晶が形成される場合もある。このように、酸化物半導体層１０
６ａを、非晶質領域中に結晶領域を有する構造とすることによって、より電界効果移動度
及びオン電流の高いトランジスタとすることができる。酸化物半導体層１０６ａが非晶質
構造の場合は、複数の素子間における特性のばらつきを低減することができる。
【０１５６】
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。
【０１５７】
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態に係る半導体装置の構造及び作製方法の他の一例につ
いて説明する。
【０１５８】
〈半導体装置の構造〉
まず、本実施の形態で説明する半導体装置の構造の一例であるトランジスタ１５０につい
て説明する。図７（Ｄ）に示すトランジスタ１５０は、基板１００上にゲート電極層１０
１ａが形成され、ゲート電極層１０１ａ上にゲート絶縁層１０２が形成される。ゲート絶
縁層１０２上に、チャネル形成領域として酸化物半導体層１０６ａが形成され、酸化物半
導体層１０６ａ上にソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂが形成される。
ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂ、並びに酸化物半導体層１０６ａ上
に、酸素を含む絶縁層１１２が形成される。酸素を含む絶縁層１１２は、酸化物半導体層
１０６ａのバックチャネルにおいて酸化物半導体層１０６ａに接する。酸素を含む絶縁層
１１２上に、酸化物半導体層１０６ａと重畳するように、ゲート電極層１１４が形成され
、該ゲート電極層１１４を覆うように、水素を含む絶縁層１１６が形成される。水素を含
む絶縁層１１６上には、平坦化膜として機能する絶縁層１１８が形成されてもよい。本実
施の形態で説明するトランジスタ１５０は、酸化物半導体層１０６ａに接する酸素を含む
絶縁層１１２と、酸素を含む絶縁層１１２に接する水素を含む絶縁層１１６とを有するこ
とを特徴とする。
【０１５９】
本実施の形態において、ゲート電極層１１４はいわゆるバックゲートとして機能する。ゲ
ート電極層１１４を有することで、酸化物半導体層１０６ａ中の電界を制御することが可
能であり、これによって、トランジスタ１５０の電気的特性を制御することができる。な
お、ゲート電極層１１４は、他の配線や電極などと電気的に接続されて何らかの電位が与
えられても良いし、絶縁されてフローティング状態であっても良い。
【０１６０】
なお、「ゲート電極」は通常、電位を意図的に制御することができるものをいうが、本明
細書等においては、電位の制御を意図的に行わない場合についても「ゲート電極」の称呼
を用いる。例えば、上述のように、絶縁され、フローティング状態にある導電層について
も「ゲート電極層」と呼ぶことがある。
【０１６１】
〈半導体装置の作製方法〉
次に、半導体装置の構成の一例であるトランジスタ１５０の作製方法について図７を参照
して説明する。
【０１６２】
まず、基板１００上にゲート電極層１０１ａを形成した後、該ゲート電極層１０１ａを覆
うように、ゲート絶縁層１０２を形成する。次に、ゲート絶縁層１０２上にゲート電極層
１０１ａと重畳するように酸化物半導体層１０６ａを形成した後、ソース電極層及びドレ
イン電極層１０８ａ、１０８ｂを形成する（図７（Ａ）参照）。ここまでの工程について
は、（図２及び図３）を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１６３】
次に、酸化物半導体層１０６ａ、ソース電極層及びドレイン電極層１０８ａ、１０８ｂを
覆うように、酸素を含む絶縁層１１２を形成する（図７（Ｂ）参照）。酸素を含む絶縁層
１１２の材料および形成方法は、図４（Ａ）を参照すればよいため、詳細な説明は省略す
る。
【０１６４】
次に、酸化物半導体層１０６ａに対して、第２の熱処理を行うことが望ましい。第２の熱
処理を行うことによって、酸素を含む絶縁層１１２中の酸素を、酸化物半導体層１０６ａ
中に供給し、該酸化物半導体層１０６ａの酸素欠損を酸化して、ｉ型（真性半導体）また
はｉ型に限りなく近い酸化物半導体層１０６ａを形成することができる。また、第２の熱
処理を行うと、トランジスタの電気的特性のばらつきを軽減することができる。第２の熱
処理の条件については、実施の形態２を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。
【０１６５】
次に、酸素を含む絶縁層１１２上に、酸化物半導体層１０６ａと重畳するように、ゲート
電極層１１４を形成する（図７（Ｃ）参照）。ゲート電極層１１４の材料および形成方法
は、図６（Ｃ）のゲート電極層１１４を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。本
実施の形態では、ゲート電極層１１４は、いわゆるバックゲートとして機能する。
【０１６６】
次に、ゲート電極層１１４を覆うように、水素を含む絶縁層１１６を形成した後、絶縁層
１１８を形成する（図７（Ｄ）参照）。
【０１６７】
水素を含む絶縁層１１６の材料及び形成方法は、図４（Ｂ）の絶縁層１１６を参照すれば
よいため、詳細な説明は省略する。
【０１６８】
次に、酸化物半導体層１０６ａに対して第３の熱処理を行う。第３の熱処理の条件として
は、実施の形態２を参照すればよいため、詳細な説明は省略する。第３の熱処理を行うこ
とによって、水素を含む絶縁層１１６中の水素は、少なくとも酸化物半導体層１０６ａに
、拡散または供給すると共に、酸化物半導体層１０６ａ中、酸化物半導体層１０６ａと酸
素を含む絶縁層１１２との界面、酸化物半導体層１０６ａと絶縁層１０２との界面、の少
なくとも一に含まれる欠陥または未結合手を終端する。これにより、酸化物半導体層１０
６ａの欠陥が低減する。この結果、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度が向上す
る。
【０１６９】
絶縁層１１８の材料及び形成方法は、図４（Ｃ）の絶縁層１１８を参照すればよいため、
詳細な説明は省略する。
【０１７０】
以上の工程により、酸化物半導体層１０６ａを用いたトランジスタ１５０が完成する。
【０１７１】
本実施の形態に係るトランジスタ１５０において、４００℃以上７５０℃以下、好ましく
は４００℃以上基板の歪み点未満で、水素及び水分をほとんど含まない雰囲気下（窒素雰
囲気、酸素雰囲気、乾燥空気雰囲気（例えば、水分については露点−４０℃以下、好まし
くは露点−５０℃以下）など）で第１の熱処理を行い、酸化物半導体層１０６ａの水素濃
度を低減する。次に、酸化物半導体層１０６ａに接する酸素を含む絶縁層１１２を形成し
た後、不活性ガス雰囲気下、または酸素ガス雰囲気下で第２の熱処理（好ましくは２００
℃以上４５０℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下）を行い、酸化物半導体層１０６
ａの酸素欠損を酸化して、ｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近い酸化物半導体層
１０６ａを形成する。次に、酸素を含む絶縁層１１２上に水素を含む絶縁層１１６を形成
し、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４０℃以下で第３の熱処理を
行うことで、ゲート絶縁層１０２及び酸化物半導体層１０６ａの界面、酸化物半導体層１
０６ａ、及び酸化物半導体層１０６ａ及び酸素を含む絶縁層１１２の界面の少なくとも一
に、水素を含む絶縁層１１６中の水素を供給し、酸化物半導体層１０６ａに含まれる欠陥
または未結合手を水素で終端することで、トランジスタの特性改善を図ることができる。
【０１７２】
なお、第１の熱処理、第２の熱処理及び第３の熱処理の条件、または酸化物半導体層１０
６ａの材料によっては、酸化物半導体層１０６ａの一部が結晶化し、酸化物半導体層１０
６ａ中に微結晶または多結晶が形成される場合もある。このように、酸化物半導体層１０
６ａを、非晶質領域中に結晶領域を有する構造とすることによって、より電界効果移動度
及びオン電流の高いトランジスタとすることができる。酸化物半導体層１０６ａが非晶質
構造の場合は、複数の素子間における特性のばらつきを低減することができる。
【０１７３】
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。
【０１７４】
（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態に係る半導体装置の作製方法の他の一例について説明
する。
【０１７５】
まず、絶縁表面を有する基板上に導電層を成膜し、該導電層を選択的にエッチングするこ
とにより、ゲート電極層を形成する。次に、該ゲート電極層を覆うようにゲート絶縁層を
形成する。以上の工程については、実施の形態２と同様の方法で行えばよいので、当該箇
所を参照されたい。
【０１７６】
次に、該ゲート絶縁層上に、非晶質の酸化物半導体層を成膜し、エッチングなどの方法に
よって、島状の酸化物半導体層を形成する。これらの工程については、実施の形態２に記
載の方法で行うが、本実施の形態においては、当該工程における酸化物半導体層の熱処理
は行わない。
【０１７７】
次に、酸化物半導体層に接するように導電層を形成し、該導電層を選択的にエッチングし
て、ソース電極層及びドレイン電極層を形成する。以上の工程については、実施の形態２
と同様の方法で行えばよいので、当該箇所を参照されたい。
【０１７８】
次に、該酸化物半導体層の一部に接する絶縁層を形成する。ここで当該絶縁層は、後述の
工程において、水素を含む絶縁層から水素を拡散させて酸化物半導体層に供給できればよ
い。当該絶縁層は、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
、実施の形態２で示すように、酸素を含む絶縁層を形成し、熱処理を行って酸化物半導体
層に酸素を供給するようにしても良く、その場合、実施の形態２でしめすのと同様の方法
で行えばよい。
【０１７９】
次に、該絶縁層上に水素を含む絶縁層を形成した後、熱処理を行う。水素を含む絶縁層は
、ＣＶＤ法やスパッタリング法などを用いて形成することができる。また、水素を含む絶
縁層は、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニ
ウム層などの、水素を含む絶縁層を用いて形成するのが好適である。特に、シランと、窒
素を含む気体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも原料ガスとし
たＣＶＤ法により形成される窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層や、水素化アルミ
ニウムと、窒素を含む気体（代表的には、窒素ガス、アンモニアガス等）とを少なくとも
原料ガスとしたＣＶＤ法により形成される窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層
は、水素原子を比較的多く含むため好ましい。
【０１８０】
当該熱処理は、窒素雰囲気下、１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２５０℃以上４４
０℃以下とする。また、当該加熱処理は、窒素雰囲気下に限定されず、酸素雰囲気、希ガ
ス雰囲気、乾燥空気雰囲気で行えばよい。
【０１８１】
当該熱処理により、水素を含む絶縁層中の水素は、少なくとも、酸化物半導体層に拡散さ
れ、または供給されると共に、酸化物半導体層中、ゲート絶縁層及び酸化物半導体層の界
面、酸化物半導体層及び酸素を含む絶縁層の界面の少なくとも一に残存する欠陥または未
結合手を終端する。このため、酸化物半導体層の欠陥が低減し、トランジスタの特性改善
が成される。この結果、トランジスタのオン電流及び電界効果移動度が向上する。
【０１８２】
以上より、水素を含む絶縁層に含まれる水素を拡散させて欠陥を終端させたトランジスタ
が完成する。
【０１８３】
なお、本実施の形態では、ボトムゲート型のトランジスタについて示したが、これに限ら
れるものではなく、トップゲート型のトランジスタとしてもよいし、いわゆるバックゲー
トを有する構造のトランジスタとしてもよい。
【０１８４】
本実施の形態で示す方法により、高い電界効果移動度及びオン電流を有するトランジスタ
を実現できる。
【０１８５】
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。
【０１８６】
（実施の形態６）
本実施の形態では、水素を供給してオン電流及び電界効果移動度を向上させたトランジス
タを作製し、該トランジスタを画素部、さらには駆動回路に用いて表示機能を有する半導
体装置（表示装置ともいう）を作製する場合について説明する。また、駆動回路の一部ま
たは全部を、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することがで
きる。
【０１８７】
本実施の形態では、本発明の一形態である半導体装置として液晶表示装置の例を示す。ま
ず、半導体装置の一形態に相当する液晶表示パネルの外観及び断面について、図８を用い
て説明する。図８は、第１の基板４００１上に形成された、水素が供給された酸化物材料
を半導体層として含むトランジスタ４０１０、４０１１、及び液晶素子４０１３を、第２
の基板４００６との間にシール材４００５によって封止した、パネルの上面図であり、図
８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。
【０１８８】
第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、信号線駆動回路４００３と、走査
線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また画素
部４００２と、信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４
００６が設けられている。よって画素部４００２、信号線駆動回路４００３、及び走査線
駆動回路４００４は、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とに
よって、液晶層４００８と共に封止されている。
【０１８９】
また、第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、信号線駆動回路４００３と
、走査線駆動回路４００４は、トランジスタを複数有しており、図８（Ｂ）では、画素部
４００２に含まれるトランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれるトラン
ジスタ４０１１とを例示している。トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁層４０２
０、４０２１が設けられている。
【０１９０】
トランジスタ４０１０、４０１１は、先の実施の形態で示した水素が供給された酸化物半
導体層を含むトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジス
タ４０１０、４０１１はｎチャネル型トランジスタである。
【０１９１】
絶縁層４０２１上において、駆動回路用のトランジスタ４０１１の酸化物半導体層のチャ
ネル形成領域と重なる位置に導電層４０４０が設けられている。導電層４０４０を酸化物
半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、ＢＴ試験前後における
トランジスタ４０１１のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、導電層４
０４０は、電位がトランジスタ４０１１のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていて
も良く、第２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層４０４０の電
位は、ＧＮＤ、０Ｖ、またはフローティング状態であってもよい。
【０１９２】
また、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０は、トランジスタ４０１０と電気的
に接続されている。そして液晶素子４０１３の対向電極層４０３１は第２の基板４００６
上に形成されている。画素電極層４０３０と対向電極層４０３１と液晶層４００８とが重
なっている部分が、液晶素子４０１３に相当する。なお、画素電極層４０３０、対向電極
層４０３１にはそれぞれ配向膜として機能する絶縁層４０３２、４０３３が設けられ、絶
縁層４０３２、４０３３を介して液晶層４００８を挟持している。
【０１９３】
なお、第２の基板４００６としては、ガラス、プラスチックを用いることができる。
【０１９４】
また、スペーサ４０３５は絶縁層を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペー
サであり、画素電極層４０３０と対向電極層４０３１との間の距離（セルギャップ）を制
御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていても良い。また、対向電極
層４０３１は、トランジスタ４０１０と同一絶縁基板上に設けられる共通電位線と電気的
に接続される。また、共通接続部を用いて、一対の基板間に配置される導電性粒子を介し
て対向電極層４０３１と共通電位線とを電気的に接続することができる。なお、導電性粒
子はシール材４００５に含有させる。
【０１９５】
また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つで
あり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直
前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善
するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層４００８に
用いると良い。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１ｍ
ｓｅｃ以下と短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さ
い。
【０１９６】
また、ブルー相を示す液晶を用いると、配向膜へのラビング処理も不要となるため、ラビ
ング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示
装置の不良や破損を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させるこ
とが可能となる。特に、酸化物半導体層を用いるトランジスタでは、静電気の影響により
トランジスタの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸
化物半導体層を用いるトランジスタを有する液晶表示装置にブルー相の液晶材料を用いる
ことはより効果的である。なお、ブルー相を用いる場合は、図８の構成に限らず、対向電
極層４０３１に相当する電極層が画素電極層４０３０と同じ基板側に形成された構造の、
所謂横電界モードの構成を用いても良い。
【０１９７】
なお、本実施の形態で示す液晶表示装置は透過型液晶表示装置の例であるが、反射型液晶
表示装置としても良いし、半透過型液晶表示装置としても良い。
【０１９８】
また、本実施の形態で示す液晶表示装置では、基板の外側（視認側）に偏光板を設け、内
側に着色層（カラーフィルタ）、表示素子に用いる電極層という順に設ける例を示すが、
偏光板は基板の内側に設けてもよい。また、偏光板と着色層の積層構造も本実施の形態に
限定されず、偏光板及び着色層の材料や作製工程条件によって適宜設定すればよい。また
、必要に応じてブラックマトリクスとして機能する遮光層を設けてもよい。
【０１９９】
また、本実施の形態では、トランジスタ起因の表面凹凸を低減するため、及びトランジス
タの信頼性を向上させるため、トランジスタを保護層や平坦化絶縁層として機能する絶縁
層（絶縁層４０２０、絶縁層４０１４、絶縁層４０２１）で覆う構成となっている。なお
、保護層は、大気中に浮遊する有機物や金属物、水蒸気などの汚染不純物の侵入を防ぐた
めのものであり、緻密な膜が好ましい。保護層は、スパッタリング法を用いて、酸化珪素
層、窒化珪素層、酸化窒化珪素層、窒化酸化珪素層、酸化アルミニウム層、窒化アルミニ
ウム層、酸化窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層の単層、又は積層で形成
すればよい。
【０２００】
ここでは、保護層として絶縁層の積層を形成する。ここでは、一層目の絶縁層４０２０と
して、スパッタリング法を用いて酸化珪素層を形成する。保護層として酸化珪素層を用い
ると、保護層と接する酸化物半導体層に酸素を添加し、酸素欠損を低減することができる
。
【０２０１】
また、保護層の二層目として絶縁層４０１４を形成する。ここでは、二層目の絶縁層４０
１４として、プラズマＣＶＤ法を用いて水素を含む窒化珪素層を形成し、その後熱処理を
行って酸化物半導体層に水素を拡散させる。また、保護層として窒化珪素層を用いると、
ナトリウム等のイオンが半導体領域中に侵入して、トランジスタの電気特性を変化させる
ことを抑制することができる。
【０２０２】
また、平坦化絶縁層として絶縁層４０２１を形成する。絶縁層４０２１としては、ポリイ
ミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機
材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）
、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いる
ことができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層させることで、絶縁層
４０２１を形成してもよい。
【０２０３】
画素電極層４０３０、対向電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物
、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、
酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、
インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する
導電性材料を用いることができる。
【０２０４】
また同一基板上に形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または
画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。
【０２０５】
本実施の形態では、接続端子電極４０１５が、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０
３０と同じ導電層から形成され、端子電極４０１６は、トランジスタ４０１０、４０１１
のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電層で形成されている。
【０２０６】
接続端子電極４０１５は、ＦＰＣ４０１８が有する端子と、異方性導電層４０１９を介し
て電気的に接続されている。
【０２０７】
また、必要であれば、カラーフィルタを各画素に対応して設ける。また、第１の基板４０
０１と第２の基板４００６の外側には偏光板や拡散板を設ける。また、バックライトの光
源は冷陰極管やＬＥＤにより構成されて液晶表示モジュールとなる。
【０２０８】
液晶表示モジュールには、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉ
ｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓ
ｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａ
ｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇ
ｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ
Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂ
ｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉ
ｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑ
ｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
【０２０９】
以上の工程により、液晶表示装置を作製することができる。
【０２１０】
先の実施の形態に示す水素が供給された酸化物半導体層を用いたトランジスタは、高い電
界効果移動度を有するため、本実施の形態のように、これを用いて液晶表示装置を製造す
ることで、優れた表示特性の液晶表示装置が実現される。
【０２１１】
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。
【０２１２】
（実施の形態７）
半導体装置の一形態に相当する発光表示パネル（発光パネルともいう）の外観及び断面に
ついて、図９を用いて説明する。図９は、第１の基板上に形成された水素が供給された酸
化物半導体層を含むトランジスタ及び発光素子を、第２の基板との間にシール材によって
封止した、パネルの平面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＨ−Ｉにおける断面図に
相当する。
【０２１３】
第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０
３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂを囲むようにして、シール材４５０５
が設けられている。また画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び
走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂの上に第２の基板４５０６が設けられている。よ
って画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５
０４ａ、４５０４ｂは、第１の基板４５０１とシール材４５０５と第２の基板４５０６と
によって、充填材４５０７と共に密封されている。このように外気に曝されないように気
密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルムやカバー材でパッケージング（封入）すること
が好ましい。
【０２１４】
また第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４
５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、トランジスタを複数有してお
り、図９（Ｂ）では、画素部４５０２に含まれるトランジスタ４５１０と、信号線駆動回
路４５０３ａに含まれるトランジスタ４５０９とを例示している。
【０２１５】
トランジスタ４５０９、４５１０は、水素が供給された酸化物半導体層を含む移動度の高
いトランジスタを適用することができる。本実施の形態において、トランジスタ４５０９
、４５１０はｎチャネル型トランジスタである。
【０２１６】
絶縁層４５４４上において駆動回路用のトランジスタ４５０９の酸化物半導体層のチャネ
ル形成領域と重なる位置に導電層４５４０が設けられている。また、導電層４５４０は、
電位がトランジスタ４５０９のゲート電極層と同じでもよいし、異なっていても良く、第
２のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層４５４０の電位は、ＧＮ
Ｄ、０Ｖ、またはフローティング状態であってもよい。
【０２１７】
トランジスタ４５０９は、保護絶縁層としてチャネル形成領域を含む半導体層に接して絶
縁層４５４１が形成されている。絶縁層４５４１は先の実施の形態で示した絶縁層１１２
と同様な材料及び方法で形成すればよい。また、絶縁層４５４１上に保護絶縁層４５１４
が形成されている。保護絶縁層４５１４は先の実施の形態で示した絶縁層１１６と同様な
材料及び方法で形成すればよい。ここでは、保護絶縁層４５１４として、ＰＣＶＤ法によ
り窒化珪素層を形成する。
【０２１８】
また、保護絶縁層４５１４上に、トランジスタの表面凹凸を低減する平坦化絶縁層として
機能する絶縁層４５４４を形成する。絶縁層４５４４としては、実施の形態６で示した絶
縁層４０２１と同様な材料及び方法で形成すればよい。ここでは、平坦化絶縁層４５４４
としてアクリルを用いる。
【０２１９】
また４５１１は発光素子に相当し、発光素子４５１１が有する画素電極である第１の電極
層４５１７は、トランジスタ４５１０のソース電極層またはドレイン電極層と電気的に接
続されている。なお発光素子４５１１の構成は、第１の電極層４５１７、電界発光層４５
１２、第２の電極層４５１３の積層構造であるが、示した構成に限定されない。発光素子
４５１１から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１１の構成は適宜変えるこ
とができる。
【０２２０】
隔壁４５２０は、有機樹脂層、無機絶縁層または有機ポリシロキサンを用いて形成する。
特に感光性の材料を用い、第１の電極層４５１７上に開口部を形成し、その開口部の側壁
が連続した曲率を有する傾斜面となるようにすることが好ましい。
【０２２１】
電界発光層４５１２は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成
されていても良い。
【０２２２】
発光素子４５１１に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層
４５１３及び隔壁４５２０上に保護層を形成してもよい。保護層としては、窒化珪素層、
窒化酸化珪素層、ＤＬＣ層等を形成することができる。
【０２２３】
また、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂ
、または画素部４５０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４５１８ａ、４５１８
ｂから供給されている。
【０２２４】
接続端子電極４５１５が、発光素子４５１１が有する第１の電極層４５１７と同じ導電層
から形成され、端子電極４５１６は、トランジスタ４５０９、４５１０が有するソース電
極層及びドレイン電極層と同じ導電層から形成されている。
【０２２５】
接続端子電極４５１５は、ＦＰＣ４５１８ａが有する端子と、異方性導電層４５１９を介
して電気的に接続されている。
【０２２６】
発光素子４５１１からの光の取り出し方向に位置する基板は透光性でなければならない。
その場合には、ガラス板、プラスチック板、ポリエステルフィルムまたはアクリルフィル
ムのような透光性を有する材料を用いる。
【０２２７】
また、充填材４５０７としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹
脂または熱硬化樹脂を用いることができ、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ＥＶ
Ａ（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。
【０２２８】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、
位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよ
い。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により
反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
【０２２９】
以上の工程により、発光表示装置（表示パネル）を作製することができる。
【０２３０】
先の実施の形態に示す水素が供給された酸化物半導体層を用いたトランジスタは、高い電
界効果移動度を有するため、本実施の形態のように、これを用いて発光表示装置を製造す
ることで、優れた表示特性の発光表示装置が実現される。
【０２３１】
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。
【０２３２】
（実施の形態８）
半導体装置の一形態として電子ペーパーの例を示す。
【０２３３】
水素を供給してオン電流及び電界効果移動度を向上させたトランジスタは、スイッチング
素子と電気的に接続する素子を利用して電子インクを駆動させる電子ペーパーに用いても
よい。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）とも呼ばれており、
紙と同じように読みやすく、他の表示装置に比べ低消費電力化、薄型化、軽量化が可能と
いう利点を有している。
【０２３４】
電気泳動ディスプレイは、様々な形態が考えられ得るが、例えば、プラスの電荷を有する
第１の粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒また
は溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、
マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみ
を表示する構成とすることができる。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、
電界がない場合において移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色
は異なるもの（無色を含む）とする。
【０２３５】
このように、電気泳動ディスプレイは、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、
いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。
【０２３６】
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。
【０２３７】
また、アクティブマトリクス基板上に適宜、二つの電極の間に挟まれるように上記マイク
ロカプセルを複数配置すればアクティブマトリクス型の表示装置が完成し、マイクロカプ
セルに電界を印加すれば表示を行うことができる。アクティブマトリクス基板としては、
例えば、先の実施の形態で示す水素が供給されたトランジスタを用いたアクティブマトリ
クス基板を用いることができる。
【０２３８】
なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、
半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレク
トロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を
用いて形成することができる。
【０２３９】
図１０には、半導体装置の例として、アクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。半
導体装置に用いられるトランジスタ５８１は、先の実施の形態で示すトランジスタと同様
に作製でき、水素が供給された移動度の高いトランジスタである。また、絶縁層５８４は
、水素を含む絶縁膜であり、酸化物半導体材料に水素を供給するために設けられている。
【０２４０】
図１０の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。ツイス
トボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用いる電極層であ
る第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差
を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。
【０２４１】
基板５８０上のトランジスタ５８１はボトムゲート構造のトランジスタであり、半導体層
と接する絶縁層５８３に覆われている。トランジスタ５８１のソース電極層又はドレイン
電極層は、第１の電極層５８７と、絶縁層５８３、５８４、５８５に形成された開口にお
いて電気的に接続している。第１の電極層５８７と基板５９６に設けられた第２の電極層
５８８との間には、球形粒子が存在する。球形粒子は、黒色領域５９０ａ及び白色領域５
９０ｂを有し、その周りに液体で満たされているキャビティ５９４を含む。また、キャビ
ティ５９４の周囲は樹脂等の充填材５９５で充填されている（図１０参照。）。
【０２４２】
また、第１の電極層５８７が画素電極に相当し、第２の電極層５８８が共通電極に相当す
る。第２の電極層５８８は、トランジスタ５８１と同一絶縁基板上に設けられる共通電位
線と電気的に接続される。共通接続部を用いて、一対の基板間に配置される導電性粒子を
介して第２の電極層５８８と共通電位線とを電気的に接続することができる。
【０２４３】
また、ツイストボールの代わりに、電気泳動素子を用いることも可能である。透明な液体
と、正に帯電した白い微粒子と負に帯電した黒い微粒子とを封入した直径１０μｍ〜２０
０μｍ程度のマイクロカプセルを用いる。第１の電極層と第２の電極層との間に設けられ
るマイクロカプセルは、第１の電極層と第２の電極層によって、電場が与えられると、白
い微粒子と、黒い微粒子が逆の方向に移動し、白または黒を表示することができる。この
原理を応用した表示素子が電気泳動表示素子であり、一般的に電子ペーパーとよばれてい
る。電気泳動表示素子は、液晶表示素子に比べて反射率が高いため、補助ライトは不要で
あり、また消費電力が小さく、薄暗い場所でも表示部を認識することが可能である。また
、表示部に電源が供給されない場合であっても、一度表示した像を保持することが可能で
あるため、電波発信源から表示機能付き半導体装置（単に表示装置、又は表示装置を具備
する半導体装置ともいう）を遠ざけた場合であっても、表示された像を保存しておくこと
が可能となる。
【０２４４】
以上の工程により、電子ペーパーを作製することができる。
【０２４５】
本実施の形態では、先の実施の形態に示すトランジスタを用いて、いわゆる電子ペーパー
を作製している。当該トランジスタは、高い電界効果移動度を有するため、これを用いて
電子ペーパーを製造することで、優れた表示特性の電子ペーパーが実現される。
【０２４６】
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。
【０２４７】
（実施の形態９）
本明細書に開示する半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用すること
ができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン
受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメ
ラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型
ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられ
る。
【０２４８】
本実施の形態では、実施の形態６乃至８のいずれか一で得られる表示装置を搭載した電子
機器の例について図１１及び図１２を用いて説明する。
【０２４９】
図１１（Ａ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製したノート型のパーソ
ナルコンピュータであり、本体３００１、筐体３００２、表示部３００３、キーボード３
００４などによって構成されている。なお、実施の形態６に示す液晶表示装置をノート型
のパーソナルコンピュータは有している。
【０２５０】
図１１（Ｂ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製した携帯情報端末（Ｐ
ＤＡ）であり、本体３０２１には表示部３０２３と、外部インターフェイス３０２５と、
操作ボタン３０２４等が設けられている。また操作用の付属品としてスタイラス３０２２
がある。なお、実施の形態７に示す発光表示装置を携帯情報端末は有している。
【０２５１】
図１１（Ｃ）は実施の形態８に示す電子ペーパーを一部品として実装して作製した電子書
籍である。図１１（Ｃ）は、電子書籍２７００を示している。例えば、電子書籍２７００
は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１およ
び筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開
閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが
可能となる。
【０２５２】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み
込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成として
もよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とするこ
とで、例えば右側の表示部（図１１（Ｃ）では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の
表示部（図１１（Ｃ）では表示部２７０７）に画像を表示することができる。
【０２５３】
また、図１１（Ｃ）では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、
筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカ２７２５などを備え
ている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面
にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏
面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵ
ＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える
構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構成
としてもよい。
【０２５４】
また、電子書籍２７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、
電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすること
も可能である。
【０２５５】
図１１（Ｄ）は、少なくとも表示装置を一部品として実装して作製した携帯電話であり、
筐体２８００及び筐体２８０１の二つの筐体で構成されている。筐体２８０１には、表示
パネル２８０２、スピーカー２８０３、マイクロフォン２８０４、ポインティングデバイ
ス２８０６、カメラ用レンズ２８０７、外部接続端子２８０８などを備えている。また、
筐体２８００には、携帯型情報端末の充電を行う太陽電池セル２８１０、外部メモリスロ
ット２８１１などを備えている。また、アンテナは筐体２８０１内部に内蔵されている。
【０２５６】
また、表示パネル２８０２はタッチパネルを備えており、図１１（Ｄ）には映像表示され
ている複数の操作キー２８０５を点線で示している。なお、太陽電池セル２８１０で出力
される電圧を各回路に必要な電圧に昇圧するための昇圧回路も実装している。
【０２５７】
表示パネル２８０２は、使用形態に応じて表示の方向が適宜変化する。また、表示パネル
２８０２と同一面上にカメラ用レンズ２８０７を備えているため、テレビ電話が可能であ
る。スピーカー２８０３及びマイクロフォン２８０４は音声通話に限らず、テレビ電話、
録音、再生などが可能である。さらに、筐体２８００と筐体２８０１は、スライドし、図
１１（Ｄ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適
した小型化が可能である。
【０２５８】
外部接続端子２８０８はＡＣアダプタ及びＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能
であり、充電及びパーソナルコンピュータなどとのデータ通信が可能である。また、外部
メモリスロット２８１１に記録媒体を挿入し、より大量のデータ保存及び移動に対応でき
る。
【０２５９】
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。
【０２６０】
図１１（Ｅ）は少なくとも表示装置を一部品として実装して作製したデジタルカメラであ
り、本体３０５１、表示部（Ａ）３０５７、接眼部３０５３、操作スイッチ３０５４、表
示部（Ｂ）３０５５、バッテリー３０５６などによって構成されている。
【０２６１】
図１２は、テレビジョン装置９６００を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体
９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示する
ことが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構
成を示している。
【０２６２】
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモ
コン操作機９６１０により行うことができる。リモコン操作機９６１０が備える操作キー
９６０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９６０３に表示され
る映像を操作することができる。また、リモコン操作機９６１０に、当該リモコン操作機
９６１０から出力する情報を表示する表示部９６０７を設ける構成としてもよい。
【０２６３】
なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機に
より一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線に
よる通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向
（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０２６４】
表示部９６０３には、画素のスイッチング素子として、先の実施の形態に示すトランジス
タを複数配置し、その表示部９６０３と同一絶縁基板上に形成する駆動回路として先の実
施の形態に示す移動度の高いトランジスタを配置する。
【０２６５】
本実施の形態は、実施の形態１乃至８のいずれか一と自由に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０２６６】
１００ 基板
１０１ 導電層
１０２ 絶縁層
１０６ 酸化物半導体層
１０８ 導電層
１１２ 絶縁層
１１３ 絶縁層
１１６ 絶縁層
１１４ ゲート電極層
１１８ 絶縁層
１５０ トランジスタ
１０１ａ ゲート電極層
１０６ａ 酸化物半導体層
１０８ａ ドレイン電極層
５８０ 基板
５８１ トランジスタ
５８３ 絶縁層
５８４ 絶縁層
５８７ 電極層
５８８ 電極層
５９４ キャビティ
５９５ 充填材
５９６ 基板
２７００ 電子書籍
２７０１ 筐体
２７０３ 筐体
２７０５ 表示部
２７０７ 表示部
２７１１ 軸部
２７２１ 電源
２７２３ 操作キー
２７２５ スピーカ
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
４０１４ 絶縁層
４０１５ 接続端子電極
４０１６ 端子電極
４０１８ ＦＰＣ
４０１９ 異方性導電層
４０２０ 絶縁層
４０２１ 絶縁層
４０３０ 画素電極層
４０３１ 対向電極層
４０３２ 絶縁層
４０４０ 導電層
４５０１ 基板
４５０２ 画素部
４５０５ シール材
４５０６ 基板
４５０７ 充填材
４５０９ トランジスタ
４５１０ トランジスタ
４５１１ 発光素子
４５１２ 電界発光層
４５１３ 電極層
４５１４ 保護絶縁層
４５１５ 接続端子電極
４５１６ 端子電極
４５１７ 電極層
４５１９ 異方性導電層
４５２０ 隔壁
４５４０ 導電層
４５４１ 絶縁層
４５４４ 絶縁層
５９０ａ 黒色領域
５９０ｂ 白色領域
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０３ 表示部
９６０５ スタンド
９６０７ 表示部
９６０９ 操作キー
９６１０ リモコン操作機
４５０３ａ 信号線駆動回路
４５０４ａ 走査線駆動回路
４５１８ａ ＦＰＣ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電層上に第１の絶縁層が形成され、
前記第１の絶縁層上に酸化物半導体層が形成され、
前記酸化物半導体層に第１の熱が加えられ、
前記酸化物半導体層上に第２の導電層と第３の導電層とが形成され、
前記第２の導電層上及び前記第３の導電層上に酸素を有する第２の絶縁層が形成され、
前記第２の絶縁層に第２の熱が加えられ、
前記第２の絶縁層上に水素を有する第３の絶縁層が形成され、
前記第３の絶縁層に第３の熱が加えられる半導体装置の作製方法であって、
前記第１の熱が加えられると、前記酸化物半導体層から水素が放出され、
前記第２の熱が加えられると、前記第２の絶縁層から酸素が放出され、
前記第３の熱が加えられると、前記第３の絶縁層から水素が放出されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１】
第１の導電層上に第１の絶縁層が形成され、
前記第１の絶縁層上に酸化物半導体層が形成され、
前記酸化物半導体層に第１の熱が加えられ、
前記酸化物半導体層上に第２の導電層と第３の導電層とが形成され、
前記第２の導電層上及び前記第３の導電層上に酸素を有する第２の絶縁層が形成され、
前記第２の絶縁層に第２の熱が加えられ、
前記第２の絶縁層上に水素を有する第３の絶縁層が形成され、
前記第３の絶縁層に第３の熱が加えられる半導体装置の作製方法であって、
前記第１の熱が加えられると、前記酸化物半導体層から水素が放出され、
前記第２の熱が加えられると、前記第２の絶縁層から酸素が放出され、
前記第３の熱が加えられると、前記第３の絶縁層から水素が放出されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２４８８５８（Ｐ２０１２−２４８８５８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５８１９７（Ｐ２０１２−１５８１９７）
【出願日】平成２４年７月１６日（２０１２．７．１６）
【分割の表示】特願２０１０−２７３１５３（Ｐ２０１０−２７３１５３）の分割
【原出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月１６日（２０１２．７．１６）
【分割の表示】特願２０１０−２７３１５３（Ｐ２０１０−２７３１５３）の分割
【原出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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